第1讲通信的基本概念、通信系统的组成

通信原理电子教案广东海洋大学信息学院2012年9月3/22/20231当前1页，总共42页。《通信原理》电子教案授课班级：通信1103班、通信1104班授课教师：广东海洋大学信息学院梁能当前2页，总共42页。第1章绪论

本章主要介绍通信的基本概念，使学生对通信的基本概念、术语以及本课程所要研究的主要对象有一个初步了解。本章是通信原理与技术的基础。研究内容：

1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类及通信方式1.4通信系统的主要性能指标3/22/20233当前3页，总共42页。1.1通信的基本概念通信的定义：是指由一地向另一地进行消息的有效传递。古代：烽火台、驿站。近代：鸡毛信、消息树。现代：电话、广播、电视。通信的目的是传递消息，消息（message）具有不同的形式，例如：语言、文字、数据、图像、符号等等。

3/22/20234当前4页，总共42页。要素一地、另一地：发信、收信方。消息：有待于传输的语音、图象、符号、数字、图片等－－概率论意义上的“事件”。消息带有需要送给收信者的信息（information）。消息以信号的形式在系统中进行传输。系统：电子系统、语音系统、声光系统等。通信系统：完成通信这一过程的全部技术设备和传输媒介。

通信（communication）是信号与系统的集合。3/22/20235当前5页，总共42页。信号：是消息的载荷者，与消息一一对应的东西。在电信系统里，载荷者为“电”，对应－－消息被载荷在电信号的某参量上，如电压、电流或电波等物理量（进一步还可以是该物理量的幅度、相位或频率等）。此时的信号为电信号，习惯上简称为信号（signal）。模拟信号、数字信号。传输电信号的通信系统为电信通信系统，常简称之通信系统。3/22/20236当前6页，总共42页。通信的再定义：利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号）实现从一地向另一地进行消息的有效传递称为通信。3/22/20237当前7页，总共42页。1.2通信系统的组成图1-1通信系统的一般模型

信源（信息源，也称发终端）：把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。

发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。

1.2.1通信系统的一般模型

3/22/20238当前8页，总共42页。信道：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。

噪声源：是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。非人为加入。

接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。

信宿（受信者、收终端）：将复原的原始电信号转换成相应的消息。3/22/20239当前9页，总共42页。1.2.2模拟通信系统

信道中传输模拟信号的系统，称为模拟通信系统。可由一般通信系统模型略加改变而成。

1.研究的问题（1）模拟通信系统中两种重要变换：

●消息←→原始电信号（基带信号）●调制信号（基带信号）←→已调信号（频带信号）

（2）信号受噪声干扰的影响－－噪声背景下的信号传输。3/22/202310当前10页，总共42页。（2）调制的功用●提高频率，便于辐射；●频率分配；●实现频分复用；●改善系统性能。3/22/202311当前11页，总共42页。已调信号有三个基本特性：

（1）携带有消息；（2）适合在信道中传输（如辐射：天线尺寸>1/10波长）；（3）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频－－频带信号。如：卫星电视信号（中心频率6/4GHz、带宽36MHz）相应地，原始电信号的频谱具有低通形式，直流/低频分量丰富－－基带信号。

如：话音信号：300～3.4kHz;电视基带信号：0～8MHz。3/22/202312当前12页，总共42页。1.2.3数字通信系统

（1）定义：信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。（2）基本特征

●消息或信号具有“数字”的特性；

●强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系（模拟：强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性）。3/22/202313当前13页，总共42页。（3）数字通信的主要特点

●抗干扰能力强：抗噪声性能好、消除噪声积累；●信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的－－差错可控：检错、纠错；

●易加密（进行人为的扰乱）；●易于与现代技术相结合（数字终端、计算机等）。（4）数字通信需要解决的问题：

●差错可控：通过差错控制编码即信道编码实现；

●加密：通过加密、解密实现；

●节拍一致：位同步/帧同步。（5）分类●数字基带传输通信系统●数字频带传输通信系统●模拟信号的数字传输3/22/202314当前14页，总共42页。数字频带传输通信系统－－数字通信系统的一般模型图1-3数字频带传输通信系统的模型注：

●加密/解密、编码/译码不为必须，但一旦存在，必须成对；

●关键－－必需含调制/解调器。3/22/202315当前15页，总共42页。注：基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以及波形变换等；

接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。关键：不含调制/解调器。

图1-4数字基带传输系统模型2.数字基带传输通信系统

3/22/202316当前16页，总共42页。3.模拟信号数字化传输通信系统解决问题：模拟信源、数字通信系统。

图1-5模拟信号数字化传输系统模型关键：模拟信号数字化及其反之。A/D转换器组成：抽样、量化、编码。发端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；接收端需进行相反的转换，即D/A转换。3/22/202317当前17页，总共42页。1.2.4数字通信的主要特点

1.数字通信的主要优点

（1）抗干扰能力强；（2）差错可控；（3）易加密；（4）易于与现代技术相结合。2.亟待解决的问题

（1）提高频带利用率；（2）简化系统设备结构。3/22/202318当前18页，总共42页。1.3通信系统分类及通信方式1.3.1通信的分类1.按传输媒质分：有线通信和无线通信；●有线通信是指传输媒质为架空明线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。●无线通信是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质（如电磁波）的一种通信形式。●有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。●无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信、红外通信等，其形式较多。3/22/202319当前19页，总共42页。

2.按信道中所传信号特征分：模拟通信系统与数字通信系统；3.按工作频段分：长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。地波、天波、反射波、视距波

4.按调制方式分：基带传输和频带传输（AM、SSB、DSB、VSB；ASK、FSK、PSK、DPSK；PAM、PCM、△M等）；

5.按业务的不同分：话务通信和非话务通信；●电话业务在电信领域中一直占主导地位，它属于人与人之间的通信。●非话务通信主要包括数据传输、计算机通信、电子信箱、电报、传真、可视图文及会议电视、图像通信等。电话通信最为发达，其它通信常借助于公共的电话通信系统进行。未来的综合业务数字通信网中，各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输。●另:从广义的角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴。但已从通信中派生出来，形成了独立的学科。

3/22/202320当前20页，总共42页。6.按收信者是否运动分：移动通信和固定通信。

另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信（FDMA）、时分多址通信（TDMA）、码分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信等。

3/22/202321当前21页，总共42页。1.3.2通信方式

1.按消息传送的方向与时间分

通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。

3/22/202322当前22页，总共42页。2.按数字信号排序分

可将通信方式分为串序传输和并序传输。

3/22/202323当前23页，总共42页。

3.按通信网络形式分通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式。

图1-8按网络形式划分的通信方式（a）两点间直通方式；（b）分支方式；（c）交换方式3/22/202324当前24页，总共42页。注：●分支方式及交换方式均属网通信的范畴。与点与点直通方式相比，有其特殊的一面。例：通信网中有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等；通信网中既有信息控制问题，也有网同步问题等。●网通信的基础仍是点与点之间的通信。●本课程只研究：点对点通信，而不涉及通信网的其它问题（移动通信、计算机通信、程控交换等）。

3/22/202325当前25页，总共42页。1.4通信系统的主要性能指标1.4.1一般通信系统的性能指标

一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面:（1）有效性：通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题。（2）可靠性：通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题。（3）适应性：通信系统对环境条件的适应性。（4）经济性：系统的成本问题。（5）保密性：系统对所传信号的加密措施。对军用系统尤为重要。（6）标准性：系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。（7）维修性：系统是否维修方便。（8）工艺性：通信系统各种工艺要求。通信的任务是快速、准确地传递信息，从研究消息传输的角度来说，有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标。3/22/202326当前26页，总共42页。

对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用系统频带利用率和输出信噪比（或均方误差）来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。

3/22/202327当前27页，总共42页。1.4.2信息及其度量

（1）信息定义：消息中包含的有意义的内容。

“信息”一词在概念上与消息的意义相似，但它的含义却更具普遍性、抽象性。消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述。

（2）信息量传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。

●在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传递，但对接收者而言，某些消息比另外一些消息的传递具有更多的信息。例:非常可能发生的事情：“今年秋季比去年秋季冷”。极不可能发生的事情：“今年秋季比去年冬季冷”。事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大。3/22/202328当前28页，总共42页。（2）信息量

●事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大。●度量消息中所含的信息量的方法，必须能够用来估计任何消息的信息量，且与消息种类无关。●消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。

另：由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述：事件出现（发生）的可能性愈小，则概率愈小；反之，概率愈大。●基于这种认识，得：消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大。且概率为零时（不可能事件）信息量为无穷大；概率为1时（必然事件）信息量为0。

3/22/202329当前29页，总共42页。综上：信息量与消息出现的概率有关，具体可以描述为如下规律：（1）消息中所含信息量是消息出现概率的函数：（2）消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小，且：（3）若干个互相独立事件构成的消息（）所含信息量等于各独立事件信息量的和。3/22/202330当前30页，总共42页。信息量I和消息出现概率P(x)的关系为：信息量的单位取决于对数底数a的取值：

a=2单位为比特（bit，简写为b）；

a=e单位为奈特（nat，简写为n）；

a=10单位为哈特莱。3/22/202331当前31页，总共42页。

例1.1

设二进制离散信源，数字0或1以相等的概率出现，试计算每个符号的信息量。

解:二进制等概率时有即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为1bit。3/22/202332当前32页，总共42页。式中，P=1/M

为每一个符号出现的概率。一般情况下M=2K，则上式可改写成例：对于M进制离散信源，若M个符号等概率出现，且每一个符号的出现是独立的，即信源是无记忆的，则每个符号的信息量相等，为结论：独立等概情况下M进制的每一符号包含的信息量，是二进制每一符号包含信息量的K倍（K是每一个M进制符号用二进制符号表示时所需的符号数目）。3/22/202333当前33页，总共42页。（3）平均信息量当各个符号出现的概率不相等时，计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。

平均信息量定义：每个符号所含信息的平均值。用符号表示。多进制时，设各符号出现的概率为：则平均信息量（信息源的熵）为：3/22/202334当前34页，总共42页。显然，当信源中每个符号独立等概出现时，式（1.4-6）即成为（1.4-4）。可以证明，此时信息源的熵为最大值。

信息源的熵：3/22/202335当前35页，总共42页。1.4.3有效性指标的具体表述

数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，系统的有效性越好。有效性通常有两种表示方法。1.码元传输速率RB

（数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率）

定义：单位时间内传输码元的数目；单位：波特（Baud），用符号“B”表示；数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率与信号的进制数无关，只与码元宽度有关：其中：Tb为码元宽度。3/22/202336当前36页，总共42页。2.信息传输速率Rb（传信率、比特率）定义：单