第2版《電子工業出版社》第一章概述1.1

通信的基本概念1.2

通信發展簡史

1.3

通信系統的基本組成

1.4

信源

1.5

通信信道

1.6

模擬通信與數字通信

1.7

信息的傳輸方式

1.8

數字通信系統的主要性能指標

Chapter1Overview1.1通信的基本概念

通信的目的是將“信息”正確、無誤地傳送到目的地。通信的內容多種多樣，通信的方式越來越多。簡介人類

最初利用聲音和肢體語言進行交流。

遠距離信息交流:◆驛馬

◆烽火

電通信1837年，最早的電通信——莫爾斯電報系統

莫爾斯給人類進步帶來巨大的影響……語言

數據

圖像

文本

NetworkPointtoPoint通信的定義通信是傳輸消息的過程，其根本目的是把含有信息的消息傳到指定的目的地。通信的實現方法把消息變成對應的信號來傳遞。信號實際上就是消息的傳載者。通信原理6電子工業出版社信息、信號的含義語言、文字、圖像等信息是不能直接在通信系統中傳遞，為此需在發送端將它們轉換成電（光）信號（即信源）來載荷語言、文字、圖像等信息，電信號經通信系統傳送至接收端，收端將電信號還原成語言、文字、圖像等信息。1.2通信發展簡史

自1837年有線電報系統出現至今，通信技術的發展已經經歷了三個重要的歷史時期。如今，通信系統已經全面進入數字化時代，信道擁擠與人類需求的矛盾催生了大批新技術。簡介第1階段：

初級通信階段

1837年

莫爾斯發明有線電報，開始電通信階段

1864年

麥克斯韋創立電磁輻射理論，并被赫茲證明，促使無線通信的出現

1876年

貝爾利用電磁感應原理發明了電話

1879年

第一個專用人工電話交換系統投入運行

1896年

馬可尼發明無線電報

1924年

奈奎斯特提出無碼間干擾數字傳輸技術

1942年

維納提出最佳線性濾波器理論

第2階段：

近代通信階段

1948年

香農提出了信息論，建立了通信統計理論

1950年

時分多路通信應用于電話系統

1951年

直撥長途電話開通

1962年

第一顆同步通信衛星，開通國際衛星電話；脈沖編碼調制進入實用階段

70年代

商用衛星通信、程控數字交換機、光纖通信系統投入使用；一些公司制定計算機網絡體系結構

1978年

貝爾實驗室建立首個蜂窩移動通信網

第3階段：

現代通信階段

80年代

數字網絡的公用業務；個人計算機和計算機局域網出現；網絡體系結構國際標準陸續制定

1991年

GSM移動通信系統投入商用

1995年

互聯網開始普及

1997年

68個國家簽定國際協定，互相開放電信市場

1998年

數字電視業務在美國開通

1999年

ITU決定發展第三代移動通信系統

1.3通信系統的基本組成

通信系統一般包括信息源、發送設備、信道、接收設備、受信者和噪聲源。按消息傳送的方向與時間關系，信息的傳輸方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。簡介本教材所講的通信就是電通信，簡稱為電信。

信息源：把消息轉換成原始電信號

發送設備：對原始信號完成某種變換，以適應信道傳輸

信道：信號傳輸的通道

接收設備：完成發送設備的反變換，恢復為原始電信號

受信者：也稱信宿或收終端，將復原的原始電信號轉換成消息

噪聲源：信道的噪聲，及通信系統其他各處的噪聲的集中表示

單向方式

雙向方式

單工通信

半雙工通信

全雙工通信

1.4信源

信源是信息的來源?；诟怕誓Ｐ偷亩攘糠椒?，香農把信息定義為“不確定性的多少”。簡介

通信系統的任務是傳遞信息，每一消息信號中必定包含有接受者所需要知道的信息。對接收者來說，某些消息比另外一些消息含有更多的信息。信息量的定義一個消息信號中包含信息的多少，用信息量來進行定量的測度。【例1】消息1:地球繞著太陽轉；消息2:明天氣溫10度；消息1眾所周知，必然發生，不足為奇；消息2極難發生，使人驚奇。可見，對接收者來說，事件越不可能，越使人感到意外和驚奇。結論：消息中包含信息量的多少，與事件發生的概率有關。【例2】消息1:一副打亂的撲克牌，第一張是2；消息2:一副打亂的撲克牌，第一張是紅桃2；消息1出現的概率為4/54，消息2出現的概率為1/54；消息2包含的信息量比消息1包含的信息量大；結論：概率越小，信息量也就越大。【例3】消息1:我們現在正在上數字通信原理課程；對于在座的絕大多數同學來說，消息1不包含任何信息量，因為這是已知的顯而易見的事實；消息1出現的概率為1；結論：消息的概率為1時，信息量等于0?！纠?】消息1:明天下午會下雨，下個月共有15個晴天；消息1中兩個事件是不相關的獨立事件，消息1中包含的信息量是兩個事件信息量之和；結論：由多個獨立事件構成的消息，其信息量等于各獨立事件所含信息量之和。我們可以定義信息量經驗證，該函數能夠滿足上述結論。log對數函數是遞增函數，隨著p(x)增大，

減小，I減小。p(x)=1時，I=0。n個事件同時發生的概率為

則信息量

香農提出了基于概率模型的度量方法，即把信息定義為“不確定性多少”。（隨機變量X，概率分布P）

◆n種取值：{x1，x2，…，xn}◆對應概率：◆第i個可能值xi蘊含的信息量：a=2，

單位為比特(Bit)a=e，

單位為奈特(Nat)a=10，單位為哈特萊(Haitely)已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號，若“0”出現概率為1／3，求出現“1”的信息量。

例5“0”出現概率為1／3“1”出現概率為2／3“1”的信息量為：【例6】設英文字母E出現的概率為0.105，x出現的概率為0.002，試求E和x的信息量。解：離散信息源的熵

若：1）n個符號組成的符號集，每符號的出現概率為

2）符號數為N的消息中，每符號的出現次數為Xi

求：

每個符號所含信息量的統計平均值（平均信息量）?例7

離散信息源由0,1,2,3四個符號組成，出現概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，每個符號出現都是獨立的。求消息232120120210的信息量。解：分析消息該消息的信息量：

每個符號的算術平均信息量為：無記憶信源：各消息的出現相互獨立

◆平均自信息量：

——

信源X的熵

◆信源的熵率：（信源每隔時間T產生一個熵為H(X)的符號）

離散信息源的熵

獨立等概：M進制波形，每種波形出現的概率為1/M則如：M=2，即0、1每符號包含信息量為1

bit如M=2k，每符號（波形）包含的信息量為k

bit通信原理32電子工業出版社【例8】設二進制離散信源，以相等的概率發送數字0或1，則信源每個輸出的信息含量為

可見傳送等概率的二進制波形之一（P=1/2）的信息量為1比特傳送等概率的四進制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特。信息論基礎離散信息源的熵

獨立非等概：設離散信息源是一個由幾個符號組成的集合，每個符號xi按一定概率p(xi)獨立出現。每個符號信息量為通信原理34電子工業出版社離散信息源的熵

獨立非等概：該離散信息源的平均信息量為各符號信息量的概率加權平均值(統計平均值)稱為信息源的熵，單位bit/符號最大熵發生在每一符號等概出現時。通信原理35電子工業出版社例7中，該消息的信息量也可以用熵的概念來計算，則有：信息量：例9通信原理37電子工業出版社例10通信原理38電子工業出版社通信原理39電子工業出版社L1復習通信的定義通信發展簡史通信系統的基本組成信源信息量離散信息源的熵通信原理40電子工業出版社1.5通信信道

通信信道連接發送設備和接收設備，它可以是有線的，也可以是無線的。信號信道中會遭受諸多不良的影響

。簡介1.5.1常用通信信道1)有線信道:

同軸電纜、雙絞線、架空明線等等。

導向電磁信道的頻率范圍，含光纖和波導

明線明線導線通常采用銅線、鋁線或鋼線（鐵線），線徑為3mm左右。對銅、鋁線來說，長距傳輸的最高允許頻率為150kHz左右，可復用16個話路；短距傳輸時，有時傳輸頻率可達300kHz左右，可再增開12個話路。明線信道易受天氣變化和外界電磁干擾，通信質量不夠穩定，信道容量較小，不能傳輸視頻信號和高速數字信號。通信原理電子工業出版社雙絞線古老但又是常用的傳輸媒體。把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，然后用規則的方法扭絞起來就構成了雙絞線。模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。雙絞線的價格便宜，性能良好，使用廣泛。雙絞線采用的導線越粗，通信距離就越遠，但導線的價格也越高。為了提高雙絞線的抗電磁干擾的能力，可在雙絞線的外面再加上一個用金屬絲編織成的屏蔽層，這種加屏蔽層的雙絞線稱為屏蔽雙絞線，相對于無屏蔽雙絞線來說，價格要貴一些。通信原理電子工業出版社非屏蔽雙絞線通信原理電子工業出版社屏蔽雙絞線通信原理電子工業出版社同軸電纜同軸電纜由內導體銅制芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層組成50Ω同軸電纜，用于傳送基帶數字信號75Ω同軸電纜，用于模擬傳輸系統通信原理電子工業出版社同軸電纜一條普通（RG-59）的同軸電纜

A：電線外皮

B：網狀導電層

C：塑膠絕緣體

D：中心的銅線通信原理電子工業出版社1.5.1常用通信信道2)光纖信道:

能承載大容量數據業務，傳輸頻帶寬、通信容量大、損耗低、不受電磁干擾……

光纖通信通信原理電子工業出版社通信原理電子工業出版社光纜光纖通信是利用光導纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖相當于1，沒有相當于0，由于可見光的頻率非常高，約為每秒108量級，因此光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬。通信原理電子工業出版社光纜光纖的優點：傳輸頻帶非常寬，通信容量大。傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環境下尤為重要。無串音干擾，保密性好，不易被竊聽或截取數據。體積小，重量輕。這在現有電纜管道已擁擠不堪的情況下特別有利。光纖的缺點兩根光纖要精確的連接比較困難，一般的網絡技術人員難以掌握這項技術光電接口價格也比較昂貴。通信原理電子工業出版社1.5.1常用通信信道3)無線電磁信道:

利用電磁場傳播信號,并通過天線將電磁耦合到無線媒質中。

導向電磁信道頻率

視距傳播

天波傳播

地波傳播

衛星中繼通信

地面微波視距傳播微波在空間是直線傳播，而地球表面是個曲面，因此傳輸距離受到限制，一般只有50公里左右，若采用100米高的天線塔，可增大到100公里。為實現遠距離通信，必須在一條無線電通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站。中繼站把前一站送來的信號經過放大后再發送到下一站，故稱為“接力”

通信原理電子工業出版社地面微波視距傳播微波接力通信的主要優點微波波段頻率高，頻段范圍寬，信道容量大。因為工業干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對微波通信的危害比對短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質量較高。微波接力信道能夠通過有線線路難于通過或不易架設的地區（如高山、水面），故有較大的機動靈活性，抗自然災害的能力也較強，因而可靠性較高。微波接力通信與相同容量和長度的電纜載波通信相比，建設投資少，見效快。通信原理電子工業出版社微波接力通信的缺點相鄰站之間必須直視，不能有障礙物。有時一個天線發射出的信號也會分成幾條略有差別的路徑到達接受天線，因而造成失真。微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響。與電纜通信系統比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差。平時對大量的中繼站的使用和維護要耗費一定的人力和物力，生產高可靠性的無人中繼站并不容易。通信原理電子工業出版社衛星中繼通信衛星通信是在地球站之間利用位于3萬6千公里高空的人造同步地球衛星作為中繼器的一種微波接力通信。衛星是在太空的無人值守的微波通信中繼站。衛星通信的主要優缺點和地面微波通信差不多。通信原理電子工業出版社衛星中繼通信衛星中繼通信的優點通信距離遠，且通信費用與通信距離無關衛星通信的頻帶很寬，通信容量很大，信號所受的干擾也小，通信比較穩定衛星中繼通信的缺點衛星通信有較大的傳播時延通信原理電子工業出版社1.5.1常用通信信道4)存儲信道:

磁帶、光盤、磁盤等數據存儲媒質。1.5.2通信信道基本模型最簡單的數學模型：

加性噪聲信道模型

◆發送信號s(t)

◆信道中隨機加性噪聲n(t)

◆接收信號r(t)=s(t)+n(t)◆引入信道衰減（衰減因子a），

則接收信號

r(t)=as(t)+n(t)

1.6模擬通信與數字通信

根據系統傳遞信號的不同，可將通信系統分為傳輸模擬信號的模擬通信系統、與傳遞數字信號的數字通信系統兩大類。后者在性能上，明顯優于前者。簡介1.6.1模擬通信與數字通信的概念◆連續消息：消息的狀態是連續的。

◆離散消息：消息的狀態是離散可數的。

消息寄托在

電信號的某一參量上。連續信號離散信號◆數字信號：時間和狀態都是離散的。如：電報、數字、數據、遙控指令……

◆模擬信號：

寄托消息的參量都是連續的。如：模擬話音信號……

——

數字通信系統

——

模擬通信系統

數字通信的優點

1）占帶過寬

缺點

1）壓縮編碼技術2）調制方式改進措施

1）抗干擾能力強，并通過碼再生，避免噪聲積累2）可靠性高，差錯可設法控制3）易于加密，且保密性強4）通用性、靈活性好shortcoming

improvement1.6.2模擬通信系統模型◆調制器：

將基帶信號調整為適合信道傳輸的頻帶信號。

◆根據調制/解調器的有無，可分為

基帶傳輸和頻帶傳輸。常用調制方式

連續波調制

線性調制

非線性調制

雙邊帶調幅AM

單邊帶調制SSB

雙邊帶調制DSB

殘余邊帶調制VSB

頻率調制FM

相位調制PM

數字調制

振幅鍵控ASK

移頻鍵控FSK

移相鍵控PSK

QAM、MSK等脈沖模擬調制

脈幅調制PAM

脈寬調制PDM（PWM）

脈位調制PPM

脈沖數字調制

脈沖編碼調制PCM

增量調制△M,CVSD,DVSD等

差分脈沖編碼調制DPCM

ADPCM，APC，LPC等

脈

沖調制

1.6.3數字通信系統模型◆信源編/譯碼器：

使信源送出的信號變成合適的數字編碼信號。模擬信號數字化

壓縮信號，去掉冗余◆加/解密器：

對數字信號進行加密、解密。用于保密通信系統。◆信道編/譯碼器：

對信號進行差錯控制編碼(簡稱糾錯編碼)，提高通信可靠性。◆同步系統：

位/字同步、

句/幀同步、

群/網同步、

載波同步

1.7信息的傳遞方式

數字通信有多種傳輸方式，如：單路數據串行傳輸、多路數據并行傳輸、數據與時鐘同步或異步傳輸等。

簡介串行傳輸分為：

◆同步傳輸：

要求收發雙方位同步脈沖和幀同步脈沖，同頻同相。

◆異步傳輸：

不要求同頻同相，只需使接收方準確確定數據幀的開始和結束時間。

1.8數字通信系統的主要性能指標

數字通信系統最主要的性能指標有有效性和可靠性兩種，即希望它傳得快，傳得準。

簡介1）傳輸速率：

是衡量數字通信系統有效性的指標。◆碼元傳輸速率：碼元速率或傳碼率，每秒傳送的碼元數。

◆信息傳輸速率：傳信率，每秒鐘傳送的信息量。

M進制系統，

◆消息傳輸速率：每秒鐘所傳送的消息數。

傳輸速率——碼元傳輸速率

碼元傳輸速率(碼元速率或傳碼率):每秒傳送的碼元(波形)數，即碼元(波形)數/秒單位：波特(Baud）記作B,用rd表示碼元速率與進制數無關，只與傳輸的碼元長度T有關碼元傳輸速率只表征單位時間內的碼元數目。同一通信系統的各個點上可能采用不同進制。在給出碼元速率時，必須同時說明碼元的進制和在通信系統中所處的位置。通信原理76電子工業出版社在數字通信中常用時間間隔相同的信號來表示一位二進制數字。這個間隔被稱為碼元長度。這樣的時間間隔內的信號稱為二進制碼元。等長的N進制信號又稱為N進制碼元。通信原理77電子工業出版社傳輸速率——信息傳輸速率

信息傳輸速率（傳信率或比特率）：單位時間傳送的信息量。單位:比特/秒(b/s),表示為re信息量：在數字通信中：取a=2，I的單位為比特(bit)。數字信號的取值常為2的冪指數，即M=2n。當M=2，且等概出現即：P(x)=1/2，則：對數底數消息出現概率通信原理78電子工業出版社例11通信原理79電子工業出版社例12通信原理80電子工業出版社通信原理81電子工業出版社碼元傳輸速率與信息傳輸速率的關系傳送等概的一個二進制波特即傳送1比特信息，所以，這時信息傳輸速率的數值等于碼元傳輸速率的數值。（數值相等單位不同）當M=2k，且k不等于1時，碼元傳輸速率的數值不等于信息傳輸速率數值。其關系為：通信原理82電子工業出版社碼元傳輸速率與信息傳輸速率的關系【例13】四進制系統的碼元傳輸速率rd=2400波特，則信息傳輸速率通信原理83電子工業出版社例14通信原理84電子工業出版社例15通信原理85電子工業出版社傳輸速率——消息傳輸速率消息傳輸速率=傳送的消息數/單位時間通信原理86電子工業出版社2）差錯概率：

是衡量數字通信系統可靠性的指標。◆誤碼率：

錯誤接收的碼元在傳送總碼元數中所占的比例。

◆誤信率：

誤比特率．錯誤接收的信息量在傳送總信息量中所占的比例。

◆碼組差錯率：

出現差錯的碼組數在傳輸碼組總數中所占的比例。第一章學習目標

常用通信術語模擬信號與數字信號的區別通信系統的組成、通信方式數字通信系統的主要特點離散消息的信息量，平均信息量（信源熵）通信系統的主要性能指標88第一章緒論1、4進制離散信源，如以等概率傳送四進制波形之一，則