通信原理 第一章 绪论

1、通信原理通信原理 徐荣辉徐荣辉 QQ:834812933 QQ:834812933 办公室：电信楼办公室：电信楼B203B203 信息工程学院信息工程学院 课程简介：课程简介： 通信原理是电子、通信、计算机、信息处理等专通信原理是电子、通信、计算机、信息处理等专 业的重要专业基础课。业的重要专业基础课。 课程主要讲述现代通信系统的基本组成、基本性课程主要讲述现代通信系统的基本组成、基本性 能指标和基本分析方法。以各种调制技术的分析作为能指标和基本分析方法。以各种调制技术的分析作为 主线，紧紧围绕通信系统的有效性和可靠性这对矛盾主线，紧紧围绕通信系统的有效性和可靠性这对矛盾 进行分析，并对各种通

2、信系统的性能指标进行评价与进行分析，并对各种通信系统的性能指标进行评价与 比较。比较。 |通信原理通信原理课程简介课程简介 |通信原理通信原理课程的必修内容课程的必修内容 |通信原理通信原理课程的特点课程的特点 |通信原理通信原理课程的学习建议课程的学习建议 |一、在专业课程体系中的地位一、在专业课程体系中的地位 |通信原理课程是高等学校电子 信息与通信工程类专业学生必修的必修的 一门专业基础课程一门专业基础课程，课程所包含的 内容是通信工程专业及电子信息类 专业本科生的知识结构中必须具备知识结构中必须具备 的重要的组成部分的重要的组成部分，是通信工程、 电子信息工程、应用电子等专业最最 重要

3、的核心与标志性课程重要的核心与标志性课程。 |二、与其它专业课程的关系二、与其它专业课程的关系 |先修课程：高等数学、电路分析、模 拟电子技术、数字电子技术、信号与 系统、概率论等； |后续课程：光纤通信技术、计算机通 信与网络、交换技术、移动通信、专 业方向实习、毕业实习设计等 |三、课程的目标三、课程的目标 | 课程的主要内容是以信号转 换和信息传输的过程为主线，介 绍通信系统的基本组成与工作原 理、系统主要性能指标及通信信 号和通信系统的基本分析方法。 课程的教学沿着从模拟通信到数 字通信的主线，主要学习各种调 制方式和编码方式，把系统“有 效性”和“可靠性”贯穿始终。 课程目标是使学生

4、掌握通信系统 的基本组成、理论原理、实现方 法和系统性能，能够在后续课程 的学习、今后进一步的专业深造 和从事通信、电子工程技术工作 打下坚实的基础。 |一、通信的基本概念一、通信的基本概念 |二、模拟通信系统二、模拟通信系统 |三、模拟信号数字化三、模拟信号数字化 |四、数字基带通信系统四、数字基带通信系统 |五、数字频带通信系统五、数字频带通信系统 |六、数字复用复接技术六、数字复用复接技术 |七、同步技术原理七、同步技术原理 |八、差错控制技术与保密通信八、差错控制技术与保密通信 |九、计算机通信网与军事通信九、计算机通信网与军事通信 |十、微波接力通信与卫星通信十、微波接力通信与卫星通

5、信 |十一、蜂窝移动通信系统十一、蜂窝移动通信系统 |十二、光纤通信及其网络十二、光纤通信及其网络 |十三、光纤无线通信系统（十三、光纤无线通信系统（RoF) （选）（选） |一、理论性强 | 课程中有很多的数学推导、分析， 而且多半要从时间域和频率域两个角度 进行分析讨论。 |二、系统性强 | 它是在通信系统的角度来分析和研 究问题，而不像模拟电路、数字电路、 电路等课程只关注于局部问题，通信原 理关注的是点对点的通信系统的问题。 绪论部分就是引导读者从系统的角度进 行课程的学习和研究。 |三、物理性强 | 通信系统中的原理和物理量都有明 确的物理意义。 |一、课前预习预习、课后及明复习复习

6、； |二、听课时课堂上先听主干和大概，细 节课后及时补课； |三、多动脑、多问、多讨论； |四、做一定量的习题、独立完成必要的独立完成必要的 习题习题； |五、很多章节既独立又相连，不要因为 某章内容没懂而放弃，可以先跳过去学 好其它章再回过头来补课。 |六、重视实验重视实验，进行实验，可以加深对 系统的整体把握和理解，可以提高学习 课程的兴趣和增强课程的工程性。 |七、采取类比学习法采取类比学习法，课程中的内容平 行可对照的系统和原理多，对比学习， 加深理解，提高效率，。 第第1章章 绪论绪论 1.1 通信的基本概念通信的基本概念 1.2 通信系统的组成通信系统的组成 1.3 通信系统的分类

7、与通信方式通信系统的分类与通信方式 1.4 信息及其度量信息及其度量 1.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 讲一讲发生在你身边有趣的通讯故事？讲一讲发生在你身边有趣的通讯故事？ 故事一故事一、故事二故事二 表情、动作、语言、文字、烽火台、金鼓、表情、动作、语言、文字、烽火台、金鼓、旌旌旗、航行用的旗、航行用的 信号灯、电话、电报、鸽子、手机、书信、邮件、信号灯、电话、电报、鸽子、手机、书信、邮件、QQ 思考思考1 1：您知道有哪些通讯方式？至少说出五种。您知道有哪些通讯方式？至少说出五种。 FM、AM、SW、USW、MW、LW是什么意思？是什么意思？ 调频、调幅、短波、超短波、

8、中波、长波调频、调幅、短波、超短波、中波、长波 GSM、CDMA、PHS、WCDMA、CDMA2000 、TD-SCDMA、OFDM是什么意思？是什么意思？ 移动通信全球系统、码分多址、个人手持式电话系统、移动通信全球系统、码分多址、个人手持式电话系统、宽带分宽带分 码多工存取码多工存取、第三代、第三代CDMA、时分同步的码分多址技术、正交、时分同步的码分多址技术、正交 多频分复用技术（多频分复用技术（4G） 思考思考2 2： 知道下面这些字母代表什么意思？知道下面这些字母代表什么意思？ 旧时通信的形式旧时通信的形式 飞飞 鸽鸽 传传 书书 1.1 通信的基本概念通信的基本概念 人力通信人力通

9、信 烽烽 火火 告告 急急 海海 军军 旗旗 语语 交交 通通 信信 号号 灯灯 漂漂 流流 瓶瓶 古代信息传递方式的特点：古代信息传递方式的特点： 速度慢。 不精确，甚至错误。 哪知瓶子在海上足足漂了哪知瓶子在海上足足漂了359年，到年，到1852年才年才 被人发现。被人发现。 当时有个叫菲迪皮茨的士兵，从马拉松平原出当时有个叫菲迪皮茨的士兵，从马拉松平原出 发，一刻不停的跑了发，一刻不停的跑了40多千米多千米 各路诸侯看到烽火，以为有敌人入侵，火速各路诸侯看到烽火，以为有敌人入侵，火速 率兵出击。率兵出击。 然而诸侯们望见熊熊燃起的烽烟，却以然而诸侯们望见熊熊燃起的烽烟，却以 为是周幽王故

10、伎重演，个个按兵不动。为是周幽王故伎重演，个个按兵不动。 现代社会由于科技的飞速发展， 信息传递的方式多种多样，如电 话、电报传真、手机短信、电视、 网络现代社会传递信息有： 快速 投递，快报，广告， 发邮件， 发 短信 ，打电话 ，发传真， 视频 会议 ，卫星定位。 无线广播无线广播 移移 动动 通通 信信 移动电视移动电视 电视广播电视广播 雷达雷达 卫星广播卫星广播 现代通信的形式现代通信的形式 电信发明史（Telecommunication) 1837年：莫尔斯发明有线电报 1876年：贝尔发明有线电话 1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世 1936年：商业电视广播开播 中国的

11、神舟飞船、天宫二号 本课程中，“通信”这一术语主要是指“电通信” 在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实 现的。 所谓所谓通信通信，就是信息的传递。，就是信息的传递。传递是一种信息传输的传递是一种信息传输的 过程或方式。过程或方式。 消息消息包括话音、文字、数据、图片、视频等。包括话音、文字、数据、图片、视频等。信息信息是是 消息中的有用内容。消息中包含信息，是信息的载体。得消息中的有用内容。消息中包含信息，是信息的载体。得 到消息，从而获得信息。到消息，从而获得信息。 （拓展思考题：信息、消息、信号之间有什么关系？拓展思考题：信息、消息、信号之间有什么关系？） 现代通信所研究的主要问题概

12、括地说就是如何把信息现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息 大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安 全地从信源通过传输介质传送到信宿。全地从信源通过传输介质传送到信宿。 通信原理就是介绍支撑各种通信技术的基本概念和数通信原理就是介绍支撑各种通信技术的基本概念和数 学理论基础。学理论基础。 1.2 通信系统的组成通信系统的组成 一、一、 通信系统一般模型通信系统一般模型 用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合 叫做通信系统。叫做通信系统。 过去对通信系统的定义没有软件部分，但随

13、着计算过去对通信系统的定义没有软件部分，但随着计算 机进入通信系统，通信软件就成为组成通信系统的机进入通信系统，通信软件就成为组成通信系统的基本基本 要素，因此在定义中加入软件这一模块。要素，因此在定义中加入软件这一模块。 从硬件上看，通信系统主要由信源、发送设备、信从硬件上看，通信系统主要由信源、发送设备、信 道、接收设备、信宿（受信者）五部分组成。干扰可以道、接收设备、信宿（受信者）五部分组成。干扰可以 理解为是通信系统的一部分，因为在实际应用中，一个理解为是通信系统的一部分，因为在实际应用中，一个 通信系统无法彻底消除干扰。通信系统无法彻底消除干扰。 1.2 通信系统的组成通信系统的组成

14、 1.2.1 通信系统的一般模型 信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信 号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。 发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。 信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理 媒质。分为有线信道和无线信道两大类。 噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。 接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。 受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器 等。 自由空间的信道不能直接传输基带信号，需要进行调制，调制后的自由空间的信道不能直接传输基带信号，需要进行调制，调制后的 信号称为已调信号。信号称为已调信号。 已调信号的特点：一是携带有信

15、号；二是适应在信道中传输。已调已调信号的特点：一是携带有信号；二是适应在信道中传输。已调 信号又称为带通信号。信号又称为带通信号。 通信系统实例示意图 1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型 一、模拟信号和数字信号 模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输 出电压： (a) 话音信号 (b) 抽样信号 图1-2 模拟信号 数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信 号、计算机输入输出信号： 通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号， 相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。 (a) 二进制信号 (b) 2PSK信号 图1-3 数字信号 二、模拟通信系统和

16、数字通信系统二、模拟通信系统和数字通信系统 根据信道传输信号种类的不同，通信系统可分为两大根据信道传输信号种类的不同，通信系统可分为两大 类：模拟通信系统和数字通信系统。类：模拟通信系统和数字通信系统。 模拟信号是一系列连续变化的电磁波或电压信号，这模拟信号是一系列连续变化的电磁波或电压信号，这 些信号直接与消息相对应，如亮度连续变化的电视图像。些信号直接与消息相对应，如亮度连续变化的电视图像。 模拟信号在时间上不一定连续。模拟信号在时间上不一定连续。 数字信号是一系列断续变化的电压脉冲或光脉冲，具数字信号是一系列断续变化的电压脉冲或光脉冲，具 有有限个取值，如电报。有有限个取值，如电报。 信

17、道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如电信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如电 话、广播和电视系统。话、广播和电视系统。 信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统，比如信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统，比如 数字电话通信系统。数字电话通信系统。 数字通信系统与模拟通信系统比较，主要区别是多了数字通信系统与模拟通信系统比较，主要区别是多了 信源编码信源编码(解码解码)和信道编码和信道编码(解码解码)功能模块。功能模块。 信源编码完成的是将模拟信息信源编码完成的是将模拟信息(模拟信号模拟信号)转换成数字转换成数字 信号的功能。信源编码的另一个作用是提高信息传输的有信号的功能。信

18、源编码的另一个作用是提高信息传输的有 效性，即通过数据压缩的方法减少码元数目，并降低码元效性，即通过数据压缩的方法减少码元数目，并降低码元 速率。速率。 (信源解码功能相反信源解码功能相反) 信道编码是将信源编码输出的数字信号变成适合于信信道编码是将信源编码输出的数字信号变成适合于信 道传输的码型道传输的码型(信道解码功能相反信道解码功能相反)，增强数字信号的抗干，增强数字信号的抗干 扰能力，提高传输的可靠性。扰能力，提高传输的可靠性。 数字通信系统还包括数字调制和数字解调以及同步等。数字通信系统还包括数字调制和数字解调以及同步等。 模拟通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信

19、系统： 两种变换： 模拟消息 原始电信号（基带信号） 基带信号 已调信号（带通信号） 图1-4 模拟通信系统模型 数字通信系统模型 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 信源编码与译码目的： 数据压缩、完成模/数转换 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力，即差错控制 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 图1-5 数字通信系统模型 三、数字通信的特点三、数字通信的特点 1、抗干扰能力强、抗干扰能力强 数字信号的取值个数有限数字信号的取值个数有限(大多数情况只有大多数情况只有0和和1两个两个 值值)，因此在传输过程中不太关心信

20、号的绝对值，只注意，因此在传输过程中不太关心信号的绝对值，只注意 相对值相对值。 比如设高电平比如设高电平5V为为1，低电平，低电平0V为为0，在传输时受噪，在传输时受噪 声影响，声影响，5V变成变成8V，而我们只要看到大于，而我们只要看到大于5V的值认为是的值认为是 5V就行了。一般可以将大于就行了。一般可以将大于2.5v的信号都判为的信号都判为1，小于，小于 2.5v都判为都判为0。 如果如果0V受干扰也可能变成受干扰也可能变成8V，以致于把数据，以致于把数据0误认误认 为数据为数据1。但经过信道编码后，数据。但经过信道编码后，数据0不是用不是用简单的低电简单的低电 平表示，因此，这种误码

21、出现的可能性很小。平表示，因此，这种误码出现的可能性很小。 2、传输中继器可再生信号，消除噪声积累、传输中继器可再生信号，消除噪声积累 比如一个中继器收到一个受干扰而变成比如一个中继器收到一个受干扰而变成8V的信号，的信号， 若是模拟通信，中继器就会原封不动地把这个若是模拟通信，中继器就会原封不动地把这个8V信号放信号放 大后送往下一级，下一级接着放大再往下送，这样一级大后送往下一级，下一级接着放大再往下送，这样一级 一级下去，噪声被不断地放大，形成噪声积累直到通信一级下去，噪声被不断地放大，形成噪声积累直到通信 终端。终端。 如果是数字通信，第一个收到这个如果是数字通信，第一个收到这个8V信

22、号的中继器信号的中继器 先认为该信号为一高电平信号，然后并不将该信号往下先认为该信号为一高电平信号，然后并不将该信号往下 传，而是重新生成一个标准高电平信号传，而是重新生成一个标准高电平信号(比如为比如为5V)传往传往 下一级，这样，噪声就不会像模拟通信那样被一级一级下一级，这样，噪声就不会像模拟通信那样被一级一级 地放大，而是被中继器地放大，而是被中继器“隔离隔离”，从而消除了噪声积累。，从而消除了噪声积累。 3、便于进行信号加工与处理、便于进行信号加工与处理 由于信号可以储存，因此可以像处理照片一样对信号随由于信号可以储存，因此可以像处理照片一样对信号随 意加工处理意加工处理(在技术允许的

23、范围内在技术允许的范围内)。 4、传输中出现的差错、传输中出现的差错(误码误码)可以设法控制，提高了传输质量可以设法控制，提高了传输质量 5、数字信息易于加密且保密性强。、数字信息易于加密且保密性强。 6、能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系、能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系 统的统的灵活性和通用性。灵活性和通用性。 数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价的。比如，数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价的。比如， 一路模拟电话信号的带宽为一路模拟电话信号的带宽为4kHz，而一路数字电话信号一般，而一路数字电话信号一般 为为64kHz的带宽，这说明数字通信的频带利

24、用率低。这一缺的带宽，这说明数字通信的频带利用率低。这一缺 点在在系统频带紧张场合很突出，但目前在微波通信、光通点在在系统频带紧张场合很突出，但目前在微波通信、光通 信场合，数字通信这些弱点被弱化，数字通信几乎成了唯一信场合，数字通信这些弱点被弱化，数字通信几乎成了唯一 选择。选择。 1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式 一、通信系统的分类一、通信系统的分类 1.按传输介质分类按传输介质分类 分为无线通信系统与有线通信系统。分为无线通信系统与有线通信系统。 利用无线电波、红外线、激光等进行通信的系统统利用无线电波、红外线、激光等进行通信的系统统 称为称为无线无线通信系统。广播系

25、统、移动电话系统、传呼通通信系统。广播系统、移动电话系统、传呼通 信系统、电视系统等都是无线通信系统。信系统、电视系统等都是无线通信系统。 用导线用导线(包括电缆、光缆和波导等包括电缆、光缆和波导等)作为介质的通信系作为介质的通信系 统为统为有线有线通信系统，如市话系统、闭路电视系统、普通通信系统，如市话系统、闭路电视系统、普通 的计算机局域网等。的计算机局域网等。 单纯的有线或无线通信系统越来越少，实际通信系单纯的有线或无线通信系统越来越少，实际通信系 统常常是无线与有线相结合。当代的无线通信、有线通统常常是无线与有线相结合。当代的无线通信、有线通 信和计算机网络三者的关系密不可分。信和计算

26、机网络三者的关系密不可分。 通通 信信 系系 统统 系统系统 对对 称称 电电 缆缆 同同 轴轴 电电 缆缆 空空 间间 光光 通通 信信 光光 纤纤 通通 信信 无线通信系统无线通信系统 2. 按调制方式分类按调制方式分类 按调制与否，可分为基带通信系统和调制通信系统。按调制与否，可分为基带通信系统和调制通信系统。 基带通信系统基带通信系统，传输的是基带信号，传输的是基带信号(指没有经过任何调制指没有经过任何调制 处理的信号处理的信号)。 调制通信系统调制通信系统，传输的是调制后的信号。，传输的是调制后的信号。 3. 按通信业务分类按通信业务分类 按传送信息的物理特征分为电话通信系统、电报通

27、信系按传送信息的物理特征分为电话通信系统、电报通信系 统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。 4. 按工作波段分按工作波段分 按使用波长可分为长波通信系统、中波通信系统、短波按使用波长可分为长波通信系统、中波通信系统、短波 通信系统、微波通信系统和光通信系统等。表通信系统、微波通信系统和光通信系统等。表1-2：频段划分。：频段划分。 一种通信系统可以分属不同的种类，比如无线电广播既一种通信系统可以分属不同的种类，比如无线电广播既 是中波通信系统是中波通信系统(短波通信系统短波通信系统)，调制通信系统、模拟通信系，调制通信系统、模拟通信系

28、 统，也是无线通信系统。统，也是无线通信系统。 频率范围频率范围 波长波长 频段名频段名 称称 常用传输媒常用传输媒 介介 用途用途 3Hz 30kHz 10 8 104 m 甚低频甚低频 VLF 有线线对超有线线对超 长波无线电长波无线电 音频、电话、数音频、电话、数 据终端、长距离据终端、长距离 导航、时标导航、时标 30 300kH z 10 4 103 m 低频低频 LF 有线线对长有线线对长 波无线电波无线电 导航、信标、电导航、信标、电 力线通信力线通信 300kH z 3MHz 10 3 102 m 中频中频 MF 同轴电缆中同轴电缆中 波无线电波无线电 调幅广播、移动调幅广播、

29、移动 陆地通信、业余陆地通信、业余 无线电无线电 3 30MHz 10 2 10m 高频高频 HF 同轴电缆短同轴电缆短 波无线电波无线电 移动无线电话、移动无线电话、 短波广播、定点短波广播、定点 军用通信、业余军用通信、业余 无线电无线电 表表1-2 频段划分频段划分 30 300M Hz 10 1m 甚高频甚高频 VHF 同轴电缆同轴电缆 超短波超短波/米米 波无线电波无线电 电视、调频广播、空中电视、调频广播、空中 管制、车辆通信、导航、管制、车辆通信、导航、 集群通信、无线寻呼集群通信、无线寻呼 300M Hz 3GHz 100 10cm 特高频特高频 UHF 波导微波波导微波/ 分

30、米波无分米波无 线电线电 电视、空间遥测、雷达电视、空间遥测、雷达 导航、点对点通信、移导航、点对点通信、移 动通信动通信 3 30GH z 10 1cm 超高频超高频 SHF 波导微波波导微波/ 厘米波无厘米波无 线电线电 微波接力、卫星和空间微波接力、卫星和空间 通信、雷达通信、雷达 30 300G Hz 10 1mm 极高频极高频 EHF 波导微波波导微波/ 毫米波无毫米波无 线电线电 雷达、微波接力、射电雷达、微波接力、射电 天文学天文学 10 5 l07G Hz 310 4 310- 6cm 红外、可红外、可 见光、紫见光、紫 外外 光纤激光光纤激光 空间传播空间传播 光通信光通信

31、注意点：注意点： 无论怎样划分通信系统，都只是在信号处理和传输方无论怎样划分通信系统，都只是在信号处理和传输方 式或传输介质等外在特征上做文章，其通信的实质并没改式或传输介质等外在特征上做文章，其通信的实质并没改 变，即大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济变，即大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济 地、安全地传送信息。地、安全地传送信息。 在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时，在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时， 只要抓住通信的实质，就不会被系统复杂的结构、先进的只要抓住通信的实质，就不会被系统复杂的结构、先进的 技术和生涩的技术术语所迷惑。技术和生涩的技术术

32、语所迷惑。 二、通信方式二、通信方式 l通信方式指通信双方通信方式指通信双方(或多方或多方)之间的工作形式和信号之间的工作形式和信号 传输方式，它是通信各方在通信实施之前必须首先确传输方式，它是通信各方在通信实施之前必须首先确 定的问题。定的问题。 根据不同的标准，通信方式有多种分类法：根据不同的标准，通信方式有多种分类法： 1、按通信对象数量的不同，可分为点到点通信、按通信对象数量的不同，可分为点到点通信(通通 信在两个对象之间进行信在两个对象之间进行)、点到多点通信、点到多点通信(一个对象和多个一个对象和多个 对象之间的通信对象之间的通信)和多点到多点通信三种和多点到多点通信三种(多个对象

33、和多个多个对象和多个 对象之间的通信对象之间的通信)。 2、根据信号传输方向与传输时间的不同，任意、根据信号传输方向与传输时间的不同，任意 两点间的通信方式可分为：两点间的通信方式可分为： 单工通信单工通信(Simplex)：在任何一个时刻，信号只：在任何一个时刻，信号只 能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只 能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机 的通信的通信(点到多点点到多点)、遥控、遥控玩具、航模玩具、航模(点到点点到点)、寻呼、寻呼 等均属此类。等均属此类。 半双工通信半双工通信(Ha

34、lfDuplex)：在任何一个时刻，信：在任何一个时刻，信 号只能单向传输，或从甲方向乙方，或从乙方向甲方，号只能单向传输，或从甲方向乙方，或从乙方向甲方， 每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机、收发报机每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机、收发报机 等之间的通信。等之间的通信。 双工通信双工通信(FullDuplex)：在任何一个时刻，信号：在任何一个时刻，信号 能够双向传输，每一方都能同时进行收信与发信工作。能够双向传输，每一方都能同时进行收信与发信工作。 比如普通电话、手机。比如普通电话、手机。 通信方式示意图通信方式示意图 AB 点到点通信 信道 信道 信道 半双工方式 全双工方式

35、 甲方发信端 甲方发信端 甲方收信端 甲方发信端 甲方收信端 乙方收信端 乙方发信端 乙方收信端 乙方收信端 乙方发信端 B C D A 点到多点通信 D E F A B C 多点到多点通信 (a)(b) 单工方式 3、按通信终端之间的连接方式可划分为两点间、按通信终端之间的连接方式可划分为两点间 直通方式和交换方式。直通方式和交换方式。 直通直通方式是通信双方直接用专线连接；而方式是通信双方直接用专线连接；而交换式交换式 的通信双方必须经过一个称为交换机的设备才能连接的通信双方必须经过一个称为交换机的设备才能连接 起来，如电话系统。起来，如电话系统。 4、按数字信号传输的顺序，在数据通信中、

36、按数字信号传输的顺序，在数据通信中(主要主要 指计算机通信指计算机通信)，通信方式又有，通信方式又有串行通信串行通信与与并行通信并行通信 之分。并行传输速度快，但需要多条线路。串行传输之分。并行传输速度快，但需要多条线路。串行传输 速度慢，只需要一条线路。速度慢，只需要一条线路。 5、按同步方式的不同，又分为同步通信和异步、按同步方式的不同，又分为同步通信和异步 通信。通信。 1.4 信息及其度量信息及其度量 l传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程中，传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程中， 信息是以各种具体的电信号或光信号形式表现出信息是以各种具体的电信号或光信号形式表现出 来的。为

37、了对通信系统的性能与质量进行定量的来的。为了对通信系统的性能与质量进行定量的 分析、研究与评价，就需要对信息进行度量。分析、研究与评价，就需要对信息进行度量。 l定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通 常用常用I表示。表示。 l信息是一个抽象的概念，能否被量化？如何量化？信息是一个抽象的概念，能否被量化？如何量化？ 例：信息例：信息“明天太阳从东边出来明天太阳从东边出来”和和“明天太阳从西明天太阳从西 边出来边出来”，后者对信息的受者更有吸引力。，后者对信息的受者更有吸引力。 l表明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可表明信息有量值可言，并且

38、信息所包含的事件越不可 发生，人们就越感兴趣，信息量就越大。显然，信息发生，人们就越感兴趣，信息量就越大。显然，信息 量与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信量与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信 息量就越大；必然事件的概率为息量就越大；必然事件的概率为1，则它传递的信息量，则它传递的信息量 就为就为0。 l信息量与事件概率之间的关系式为：信息量与事件概率之间的关系式为： P(x)g P(x) I aa lo 1 log lP表示某事件发生的概率，表示某事件发生的概率，I为从该事件发生的信息中得为从该事件发生的信息中得 到的信息量。到的信息量。 l如果消息由若干个互相独立的事件构

39、成，则该消息所含如果消息由若干个互相独立的事件构成，则该消息所含 信息量等于各独立事件所含信息量之和。信息量等于各独立事件所含信息量之和。 .)()().()( 2121 xPIxPIxPxPI l信息量单位的确定取决于上式中的对数底信息量单位的确定取决于上式中的对数底a。如果取对数。如果取对数 的底的底a=2，则信息量的单位为比特，则信息量的单位为比特(bit)；如果取；如果取e为对数的为对数的 底，则信息量的单位为奈特底，则信息量的单位为奈特(nat)；若取；若取10为底，则信息为底，则信息 量的单位为哈特莱。量的单位为哈特莱。 l广泛使用的单位为比特。广泛使用的单位为比特。 讨论等概率出

40、现的离散消息的度量：讨论等概率出现的离散消息的度量： l若要传递的离散消息是在若要传递的离散消息是在M个消息中独立地选择其一，个消息中独立地选择其一， 且认为每个消息的出现概率是相同的，则可采用一个且认为每个消息的出现概率是相同的，则可采用一个 M进制的波形进行传送。也就是说，传送进制的波形进行传送。也就是说，传送M个消息之个消息之 一与传送一与传送M进制波形之一是完全等价的。在等概率出进制波形之一是完全等价的。在等概率出 现时，每个波形现时，每个波形(或每个消息或每个消息)的出现概率为的出现概率为1/M，取对，取对 数底为数底为2，则信息量为，则信息量为 l当当M=2，即二进制时，即二进制时

41、，I=1，也就是说，每个二进制波，也就是说，每个二进制波 形形等概率出现等概率出现时所含信息量是时所含信息量是1bit。 l在数据通信在数据通信(或数字通信或数字通信)中，通常取中，通常取M为为2的整数幂，即的整数幂，即 M=2k，k是二进制脉冲的数目，则每个波形等概率出现是二进制脉冲的数目，则每个波形等概率出现 时所含信息量就是时所含信息量就是kbit。 l非等概率的情况非等概率的情况: l设离散信息源是一个由设离散信息源是一个由n个符号组成的集合，称符号集。个符号组成的集合，称符号集。 符号集中的每一个符号符号集中的每一个符号xi在消息中是按一定概率在消息中是按一定概率P(xi)独独 立出

42、现的，即符号概率场为立出现的，即符号概率场为 22 11 logloglog( ) ( )1/ a IMb P xM 12 12 ()()() n n xxx P xP xP x 且有且有 ，则每个符号所含信息量的分别为，则每个符号所含信息量的分别为 1 ()1 n i i P x 2 1 ( )log( ) n ii i IP xP x 每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为 21222 log(),log(), .log() M p xp xp x ，- 整个消息的信息量为整个消息的信息量为 2 1 log( ) n ii i InP

43、x n为不同符号的个数；为不同符号的个数；ni代表概率为代表概率为P(xi)字符的个数。字符的个数。 平均信息量也称为平均信息量也称为信息源的熵信息源的熵。 bit/符号符号 例：例： 已知二元离散信源只有已知二元离散信源只有“0”、“1”两种符号，两种符号， 若若“0”出现概率为出现概率为13，求出现，求出现“1”所含的信息量。所含的信息量。 解：由于全概率为解：由于全概率为1，因此出现，因此出现“1”的概率为的概率为23。 因此因此出现出现“1”的信息量的信息量 2 3 (1)log ( )0.585 2 Ibit 当当P(x1)= P(x2)= =P(xn)=1/n时，平均信息量时，平均

44、信息量 ： 2 logIN 为最大值。为最大值。 例：例： 已知英文字母已知英文字母e和和z出现的概率分别出现的概率分别为为0.105和和0.001， 求英文字母求英文字母e和和z的信息量。的信息量。 解：解： e的信息量的信息量 z的信息量的信息量: 2 ( )log (0.001)9.97I ebit 2 ( )log (0.105)3.24I ebit 例：某离散信源由例：某离散信源由0 0，1 1，2 2，3 3四种符号组成，其四种符号组成，其 概率场为概率场为 求消息求消息201 020 130 213 001 203 210 100 321 201 020 130 213 001

45、203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210010 023 102 002 010 312 032 100 120 210的的 信息量。信息量。 0123 3111 8448 解：此消息总长为解：此消息总长为N=57个符号，其中个符号，其中0出现出现23次次 (n1=23)，1出现出现14次次(n2=14)，2出现出现13次次(n3=13)，3出出 现现7次次(n4=17)。求得此消息总的信息量。求得此消息总的信息量 2222 3111 23log14log13log7log 8448 32.55282621 107.55 I

46、bit 例：求上例中消息的平均信息量。例：求上例中消息的平均信息量。 解：每个符号的平均信息量解：每个符号的平均信息量(信源的熵信源的熵) 2222 33111111 loglogloglog 88444488 1.906 H bit /符号 消息有消息有N=57个符号，所以该消息所含总信息量为个符号，所以该消息所含总信息量为 I=1.906N108.64bit l两种方法求总信息量，结果略有差异，原因在于两两种方法求总信息量，结果略有差异，原因在于两 者平均处理的方法不同。随着消息中符号数的增加，者平均处理的方法不同。随着消息中符号数的增加， 这种误差会逐渐减小。这种误差会逐渐减小。 l不同

47、的离散信息源可能有不同的熵值。可以证明，不同的离散信息源可能有不同的熵值。可以证明， 在信息源的最大熵发生在每在信息源的最大熵发生在每一个符号一个符号等概率等概率出现时，出现时， 即即P(xi)=1/n，信息源有最大熵值。，信息源有最大熵值。 l关于连续消息的信息量可用关于连续消息的信息量可用概率密度概率密度来描述。其平均来描述。其平均 信息量为信息量为 ()( )log( ) a H Xf xf x dx f(x)是连续消息出现的概率密度。是连续消息出现的概率密度。 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 l根据各种不同的划分标准，通信系统多种多样。如何根据各种不同的划分标准，通信

48、系统多种多样。如何 评价一个通信系统性能的优劣是选择和使用一个通信评价一个通信系统性能的优劣是选择和使用一个通信 系统所面临的首要问题。这就需要找出能够反映通信系统所面临的首要问题。这就需要找出能够反映通信 系系统性能的各种技术指标。统性能的各种技术指标。 l信息必须依赖于具体电信号的某项参数的变化进行传输。信息必须依赖于具体电信号的某项参数的变化进行传输。 若参数变化的速度越快，则单位时间内信号所携带或传若参数变化的速度越快，则单位时间内信号所携带或传 输的信息量就越大。输的信息量就越大。 l定义信息传输速率来衡量信息传输的快慢。单位时间传定义信息传输速率来衡量信息传输的快慢。单位时间传 输

49、的信息量叫做输的信息量叫做信息传输速率信息传输速率。信息传输速率的单位除。信息传输速率的单位除 了基本的比特了基本的比特/秒秒(常记作常记作b/s)外，还有外，还有kb/s、Mb/s、Gb/s 等，它们之间的关系为：等，它们之间的关系为： 1kb/s=1024b/s,1Mb/s=1024kb/s,1Gb/s=1024Mb/s。 l比如，一个周期电压方波信号，其幅值变化的频率为比如，一个周期电压方波信号，其幅值变化的频率为 10Hz，即每秒变化，即每秒变化10个周期，若给每个周期个周期，若给每个周期(两个码元两个码元) 赋予一定的信息量，假设为赋予一定的信息量，假设为2bit，则该信号传输的信息

50、，则该信号传输的信息 速率为速率为20b/s(bitpersecond)；如果有另一个周期电压信；如果有另一个周期电压信 号，其幅值变化的频率为号，其幅值变化的频率为1000Hz，同样给每个周期赋，同样给每个周期赋 予予2bit信息量，则该信号传输的信息速率就为信息量，则该信号传输的信息速率就为2000b/s。 l研究通信系统性能指标是一个非常复杂的问题，包括研究通信系统性能指标是一个非常复杂的问题，包括 的内容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、标准性、的内容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、标准性、 快速性、方便性、经济性以及实用维护等诸多方面。快速性、方便性、经济性以及实用维护等诸多方面。

51、 l 通信的通信的有效性和可靠性有效性和可靠性是首要考虑的问题，把通信的有是首要考虑的问题，把通信的有 效性和可靠性作为评价通信系统性能的主要指标。效性和可靠性作为评价通信系统性能的主要指标。 l有效性和可靠性是根据对通信质量的要求而定义出的客有效性和可靠性是根据对通信质量的要求而定义出的客 观标准，但它们是抽象的，没有可操作性，也很难量化。观标准，但它们是抽象的，没有可操作性，也很难量化。 必须在通信系统中找到具体的、可以操作且能够反映有必须在通信系统中找到具体的、可以操作且能够反映有 效性和可靠性的参数或指标。效性和可靠性的参数或指标。 l对于模拟通信系统，有效性常用系统的传输对于模拟通信

52、系统，有效性常用系统的传输频带宽度频带宽度来衡来衡 量，而可靠性则用接收端最终输出的量，而可靠性则用接收端最终输出的信噪比信噪比S/N来评价。来评价。 电视信号电视信号S/N一般要求大于一般要求大于4060dB；电话一般要求；电话一般要求S/N为为 2040dB。注意。注意dB的定义方法的定义方法! l系统的传输带宽主要取决于传输介质和对信号的处理方式。系统的传输带宽主要取决于传输介质和对信号的处理方式。 l在数字通信系统中，用信息传输速率来衡量系统的有在数字通信系统中，用信息传输速率来衡量系统的有 效性。定义单位时间传效性。定义单位时间传输的码元个数为输的码元个数为码元传输速率码元传输速率，

53、 其单位为波特其单位为波特(Baud)，故也常常称为波特率。，故也常常称为波特率。 l在数字通信中，常用时间间隔相同的信号来表示一位在数字通信中，常用时间间隔相同的信号来表示一位 二进制数字，这个时间间隔被称为二进制码元长度，二进制数字，这个时间间隔被称为二进制码元长度， 即表示即表示0和和1的脉冲时间称为的脉冲时间称为码元长度码元长度。 l同样，同样，N进制信号也是等长的，被称为进制信号也是等长的，被称为N进制码元。进制码元。 l一个系统一个系统1秒钟传送了秒钟传送了1200个二进制码元，其波特率就个二进制码元，其波特率就 是是1200Baud。 l波特率仅仅说明系统传输数字信号的能力，还不

54、知其波特率仅仅说明系统传输数字信号的能力，还不知其 传输信息的多少。传输信息的多少。 l在数字通信系统中可以采用多进制在数字通信系统中可以采用多进制(M进制进制)信号，即信号，即M 进制信号，通常进制信号，通常M取为取为2的各次幂，比如的各次幂，比如4、8、16等，等， 那么在传输多进制信号时就需要多种码元。但对于多那么在传输多进制信号时就需要多种码元。但对于多 进制信号的每一种码元我们都可用多位二进制信号表进制信号的每一种码元我们都可用多位二进制信号表 示示(编码编码)，比如四进制信号，比如四进制信号(有有4个不同的码元状态见图个不同的码元状态见图) 的每个码元状态都可用的每个码元状态都可用2位二进制信号表示，八进制信位二进制信号表示，八进制信 号号(有有8个不同个不同的状态的状态)的一个状态可用的一个状态可用3位二进制信号表位二进制信号表