现代通信系统概论课件 第1章

第一章绪论1.1通信发展史1.2通信的基本概念

1.1通信发展史

1.1.1电信技术的发展简史

1.古代通信

利用自然界的基本规律和人的基础感官（视觉、听觉等）可达性建立通信系统，是人类基于需求的最原始通信方式。各种通信方式，随着人类科技的发展，有的消散在历史的潮流中，有的依然在使用，其时间跨度达到4000多年。1840年5月6日，英国发行了世界上第一枚邮票——“一便士黑票”，见图1-1。

图1-1世界上第一枚邮票

2.近现代通信

以电磁技术为起始，是电磁通信和数字时代的开始。

1835年，美国雕塑家、画家、科学爱好者塞缪尔·莫尔斯（SamuelMorse）成功地研制出世界上第一台电磁式（有线）电报机，如图1-2所示。１

图1-2第一台电磁式电报机

1843年，美国物理学家亚历山大·贝思（AlexanderBain）根据钟摆原理发明了传真机，如图1-3所示。图1-3传真机

1875年，苏格兰青年亚历山大·贝尔（A.G.Bell）发明了世界上第一台电话机。并于1876年申请了发明专利。1878年在相距300km的波士顿和纽约之间进行了首次长途电话实验，并获得了成功，如图1-4所示。

图1-4首次长途电话

1892年，美国人A.B.史端乔（AlmonB.Strowger）发明了世界上第一部自动交换机，这是一台步进式IPM电话交换机，如图1-5所示。

图1-5自动交换机

1901年，意大利工程师马可尼发明火花隙无线电发报机，如图1-6所示，成功发射穿越大西洋的长波无线电信号。图1-6无线电发报机

1973年，美国摩托罗拉公司的马丁•库帕博士发明第一台便携式蜂窝电话，也就是我们所说的“大哥大”。一直到1985年，才诞生出第一台现代意义上的、真正可以移动的电话，即“肩背电话”，如图1-7所示。

图1-7第一个蜂窝移动电话

在模拟PSTN形态的基础上，形成了综合数字网（IDN）网络形态，在此过程中有一系列成就：

●统一了话音信号数字编码标准；

●用数字传输系统代替模拟传输系统；

●用数字复用器代替载波机；

●用数字电子交换机代替模拟机电交换机；

●发明了分组交换机。

3.当代通信

当代通信是移动通信和互联网通信时代。

这个时代的特征是，形成了高速数字化通信、全球互联、各种业务融合，通信技术与计算机、人工智能、自动化等技术的融合，极大地促进了人类社会的发展。

1.1.2通信发展趋势

1.宽带化

宽带化主要是使通信线路所传输的数字信号的比特率逐渐升高。

2.4W化

4W（Who、What、Where、When)是指任何人任何事物在任何时候任何地点都可以建立起相互的联系。

3.智能化

智能网业务将会被广泛使用，它是在原有通信网络的基础上为用户提供新业务而设置的附加网络结构，它的最大特点是将网络的交换功能与控制功能分开。

4.安全化

模拟信号传递的信息更容易被窃取，数字化之后增加了保密性，同时现在的通信越来越重视信息的加密算法。量子通信技术将为保密通信提供技术保障。

1.2通信的基本概念1.2.1消息、信息、信号消息是表达客观物质运动和主观思维活动的状态，指报道事情的概貌而不讲述详细的经过和细节，以简要的语言文字迅速传播新近事实的新闻体裁，也是最广泛、最经常采用的新闻基本体裁，如文字、语言、图像等。消息传递过程即是消除不确定性的过程：收信前，收信者存在不确定（疑问），不知消息的内容；干扰使收信者不能判定消息的可靠性；收信者得知消息内容后，消除原先的“不确定”。消息的三个特点是：真实性、实效性、传播性。

信息指的是消息中所包含的具体的内容。信息与消息的关系是：形式上传输消息，实质上传输信息；消息具体，信息抽象；消息是表达信息的工具，信息载荷在消息中，同一

信息可用不同形式的消息来载荷；消息可能包含丰富的信息，也可能包含很少的信息。

信号（也称为讯号）是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等。

1.2.2信息及其度量

1.消息的统计特性

消息可以是离散消息，也可以是连续消息。产生离散消息的信源被称为离散信源，产生连续消息的信源被称为连续信源。

设离散信源包含有n种符号，即x1，x2，…，xn的集合，每个符号出现的概率分别为P(x1)，P(x2)，…，P(xn)，则可以用概率场：

来表示离散信源。例如，英语中26个字母以及单词间空格的出现概率如表1-l所示，汉字电报的十进制数字代码中，数字0～9的出现概率如表1-2所示。

在大多数情况下，离散信号中各符号之间并不相互独立，而往往存在着一定的关联。即当前符号出现的概率与先前出现的符号有关，由此必须用条件概率来描述离散消息。为了简化，通常只考虑前一个符号对后一个符号的影响。这是一个马尔可夫链问题，可以用转移概率矩阵来描述，即

2.信源信息的信息量

由概率论我们知道，事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述。也就是说，消息中的信息含量与消息发生的概率有关，消息出现的概率越小，则此消息携带的信息就越

多。

哈特莱首先提出采用消息出现概率的对数测度作为离散消息的信息度量单位。即某离散消息xi所携带的信息量为

式中，P（xi）为该消息发生的概率。当a为2时，信息量单位称为比特（bit）；当a为e时，信息量单位称为奈特（nit）；当a为10时，信息量的单位为笛特（Det）。目前应用最为广泛的单位是比特。

例1-1已知二元离散信源只有“0”、“1”两种符号，若“0”出现概率为1/3，求出现“1”的信息量。

解：由于全概率为1，因此出现“1”的概率为2/3。由信息量定义式（1-3）可知，出现“l”的信息量为

例1-2求英文字母e和j的信息量。

解：由表2-1可知e的出现概率为0.105，故其信息量为

j的出现概率为0.001，故其信息量为

如果消息由一串符号构成，且假设各符号的出现互相统计独立，离散信源的概率场如式（1-1）所示，则根据信息相加性概念，整个消息的信息量为

例1-3某离散信源由0、1、2、3四种符号组成，其概率场为

求消息201020130213001203210100321010023102002010312的信息量。

解：此消息总长为45个符号，其中0出现18次，1出现11次，2出现10次，3出现6次。由式（1-4）可求得此消息的信息量为

3.信源信息的平均信息量

通常通信中传输的消息都很长，那么用符号出现概率来计算消息的信息量显然是比较麻烦的，此时我们可以用平均信息量的概念来计算。所谓平均信息量，是指每个符号所含信息量的统计平均值，因此N个符号的离散消息源的平均信息量可用下式表示：

例1-4计算例1-3中信源的平均信息量。

解：由式（1-5）得

注意，用上述平均信息量可计算出例1-3中消息的总信息量为

这里的总信息量与例1-3算得的结果并不完全相同，其原因是例1-3的消息序列还不够长，各符号出现的频次与概率场中给出的概率并不相等。随着序列长度增大，其误差将趋于零。

当离散信源中每个符号等概出现，而且各符号的出现为统计独立时，该信源的平均信息量最大。此时最大熵为

例如：例1-3中信源的四种符号为等概率，即每个符号的概率均为1/4，则平均信息量为

若消息中各符号的出现统计相关，则式（1-5）将不再适用，具体可参见相关书籍。

1.2.3通信系统组成模型

传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。一个简单的通信系统模型如图1-8所示。图1-8通信系统模型

（1）信息源和收信者

在通信系统中，根据信息源输出信号的性质不同可分为模拟信源和离散信源。模拟信源（如电话机、电视摄像机）输出连续幅度的信号；离散信源（如电传机、计算机）输出离散的符号序列或文字。模拟信源可通过抽样和量化变换为离散信源。随着计算机和数字通信技术的发展，离散信源的种类和数量愈来愈多。随着信息源和接收者不同，信息速率在很大范围内变化。

（2）发送设备

信息的传输媒介多种多样，如电缆、光纤、微波等。发送设备的基本功能就是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。

（3）传输媒介

传输媒介是用于连接发送设备和接收设备的部分，它可以是无线的，也可以是有线的（包括光纤），有线和无线均有多种传输媒介形式。

（4）接收设备

接收设备的功能是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信号来。

由于信源有模拟和数字两类，因此通信系统相应地也分成两类，即模拟通信系统和数字通信系统。应当强调的是，模拟信号可以通过模/数转换后变成数字信号并在数字通信

系统中传输，当然在接收端再通过数/模转换后还原成模拟信号。

对于模拟通信系统，消息的传输需要包含两种重要的变换，第一种是在发送端将连续的消息变换成连续的电信号（简称模拟信号），在接收端再将电信号反变换成连续的消

息。这种变换设备是一种换能器，如将声能或光能转换成电能。大多数的传输信道不适合于模拟信号的直接传输，这主要是因为模拟信号多为低通型（信号的最低频率几乎为零）信号而大多数的信道却为带通型（低频率和高频率都受限制）。

因此，模拟通信系统中就有第二种重要的变换：将低通型信号转换成其频带适合于在带通型信道中传输的信号，并在接收端进行相反变换。这种变换与反变换在通信中被称为调制与解调。经过调制后的信号称为已调信号，它应有两个基本特性：一是携带有消息，二是适应在信道中传输。通常，我们将调制前和解调后的信号称为基带信号。

因此，一个模拟通信系统的模型可由图1-8略加改变后得到，如图1-9所示。由图1-9可以得出，模拟通信所涉及的基本问题应包括：

①收发两端的换能过程及基带信号的特性。

②调制解调原理。

③信道与噪声的特性及其对信号传输的影响。

④在有噪声情况下的系统性能等。图1-9模拟通信系统模型

综上所述，数字通信系统的模型如图1-10所示。图中没有给出数字通信系统的同步环节。当然，在实际的通信系统中，并非一定要包括如图1-10中所示的所有环节。

１

归纳起来，图1-10所示的数字通信系统其主要研究的基本问题为：

①收发两端的换能过程、模拟信号数字化以及数字基带信号的特性。

②数字调制与解调原理。

③信道和噪声的特性及其对数字信号传输的影响。

④抗信道干扰的差错控制编码，即信道编码问题。

⑤数字通信的保密性。

⑥通信系统的同步问题（包括载波同步、位同步、网同步）。

此外还需要补充说明两点：

第一，以上所给出的是一个点到点的单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因而要求双向通信；

第二，在许多情况下，一个通信系统是可以进行多路信号的传输，这时系统中将包括多路信号复用器和分路器，常用的多路信号的复用方式有频分复用、时分复用和码分复用。

1.2.4通信系统的分类

1.按消息的物理特征分类

根据消息的物理特征的不同，有电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等各种通信系统。这些通信系统可以是专用的，但通常是兼容的或并存的。由于

电话通信最为发达，因而其他通信常常借助于公共的电话通信系统进行。

2.按调制方式分类

根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和调制传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话、数字信号基带传输等。调制传输是对各种信号变换方

式后传输的总称，调制的目的有以下三个方面：

①将消息变换为便于传送的形式。

②提高性能，特别是抗干扰能力。

③有效地利用频带。

各种调制方式正是为了达到这些目的而发展起来的。调制方式很多，表1-3给出一些常见的调制方式，我们将陆续详细讲述它们的原理。应当指出，在实际使用时常常采用复

合的调制方式，即用不同调制方式进行多级调制。

3．按传输信号的特征分类

变换后的信号与原信号之间必须建立一一对应关系，否则在收端就无法恢复出原来的消息。调制时消息携带在正弦波或脉冲序列的某个参量或几个参量上，按参量的取值方式

可将信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号中参量的取值范围是连续的，因此可有无限多个取值。

按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分成两类，即模拟通信系统和数字通信系统。数字通信在近20年来得到了迅速发展，其原因是：

①抗干扰能力强。

②便于进行各种数字信号处理，有利于实现综合业务通信网。

③易于实现集成化。

④功耗低、体积小。

⑤保密性强。

⑥采用时分多路复用，可省去大量的滤波器。

4．按传送信号的复用方式分类

传送多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用、码分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用则是用一组正交的脉冲序列分别携带不同信号。

5．按传输媒介分类

按传输媒介，通信系统可分为有线通信（包括光纤）和无线通信两类。所谓有线通信，是指消息传递是用导线来完成的通信方式；所谓无线通信，是指利用无线电波或其他物理波在空间的传播方式来传递消息的方法。表1-4中列出了常用的传输媒介及其主要用途。

1.2.5通信系统的主要性能指标

通信的任务是传递信息，因此传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。有效性是指在给定信道内能传输的信息内容的多少，而可靠性是指接收信息的准确程

度。这两者是相互矛盾而又相互联系的，通常也是可以互换的。

对于数字通信系统，有效性可用信息传输速率来衡量。二进制数字消息的信息速率用b/s（比特/秒）作单位。比特（bit）是信息量单位，当二进制数字0、l取值等概率时，传送一个二进制数字其信息量就等于1bit。信息速率常称比特率，如比特率为1200b/s，意味着每秒传送1200个二进制脉冲。显然，当信道一定时，信息速率愈高，有效性也就愈好。为了提高有效性，可以采用多进制传输，此时每个码元携带的信息量超过lbit。

若码元速率为Rs，信息速率为Rb，每个码元有M种可能采用的符号，即M进制码元，则它们之间的关系为

或

数字通信系统的有效性也可用频谱利用率来表示。所谓频谱利用率，是指在单位带宽（1Hz）内的信息传输速率，即

数字通信系统的可靠性可用差错率来衡量。误比特率为

误码元率为

有时将误比特率称为误信率，误码元率称为误符号率或误码率。

显然，在二进制中有

1.2.6信道与噪声

正如图1-8所示的通信系统模型所指出的那样，信道是任何一个通信系统必不可少的组成部分，而信道中存在的噪声又是不可避免的，因而，对信道与噪声的认识往往是研究

通信问题的基础。

1.信道的定义

信道是指用于传输信号的媒介。目前可用于信号传输的媒介概括如下：

①架空明线。

②同轴电缆。

③中长波地表波传播。

④超短波及微波视距传播（包括人造卫星中继）。

⑤短波电离层反射。

⑥超短波流星余迹散射。

⑦超短波及微波对流层散射。

⑧超短波电离层散射。

⑨超短波超视距绕射。

⑩毫米波波导传播。

光导纤维。

光波视距传播。

应该说，信道的这种定义是直观的。但从研究消息传输的观点来说，我们所关心的只是如1.2.3小节所指出的基本问题，因而，信道的范围还可以扩大。它除包括传输媒介外，

还可能包括有关的转换器（如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等）。我们称这种扩大范围的信道为广义信道，而把仅指传输媒介的信道称为狭义信道。在讨论通信的一般原理时，通常采用的是广义信道。

在通信原理中，我们常常遇见的广义信道之一就是所谓的调制信道。调制信道是从研究调制与解调的基本问题出发而构成的，它的范围是从调制器输出端到解调器输入端。

同样的道理，在数字通信系统中，如果我们仅着眼于编码和译码问题，则可得另一种广义信道——编码信道。

调制信道和编码信道的示意图见图1-11。

图1-11调制信道与编码信道

应该指出，狭义信道（传输媒介）是广义信道十分重要的组成部分。事实表明，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。因而，在研究信道的一般特性时，“传输媒介”是讨论的重点。当然，根据实际的需要，有时除重点关心传输媒介外，还应该考虑到其他组成部分的有关特性。

为叙述方便，以下均把广义信道简称为信道，此时的通信模型可以简化为如图1-12所示。图1-12通信系统简化模型

2.信道模型

为表述信道的一般特性，我们先来引入信道的模型，如图1-13所示。图中，x(t)为信道的输入信号，y(t)为信道的输出信号，k(t)为依赖于信道的特性，n(t)为加性噪声（或称加

性干扰）。根据信道模型，信道的输出y(t)可表示为

k(t)乘x(t)就反映信道特性对x(t)的最终作用。k(t)的存在，对x(t)来说是一种干扰，故可称k(t)是乘性干扰。

图1-13信道模型

由此可见，信道对信号的影响可归结到两点：一是由于乘性干扰k(t)的存在，二是由于加性干扰n(t)的存在。如果我们了解了k(t)与n(t)的特性，则信道对信号的具体影响就能

搞清楚。不同特点的信道，仅反映信道模型有不同特性的k(t)及n(t)而已。

乘性干扰k(t)一般是一个复杂的函数，它可能包括各种线性畸变、非线性畸变、衰落畸变等，而且往往只能用随机过程加以表述，这是由于网络的迟延特性和损耗特性随时间在做随机变化的原因。但是，经大量观察表明，有些信道的k(t)基本不随时间变化，也就是说，信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的。而有些信道却不然，它们的k(t)是随机快变化的，因此，分析研究乘性干扰k(t)时，在相对的意义上可把信道分为两大类：一类称为恒（定）参（量）

信道，即它们的k(t)可看成不随时间变化或基本不变化的；另一类称为随（机）参（量）信道，它便是非恒参信道的统称，或者说它的k(t)是随机快变化的。通常，把上一节列举的前四种和最后三种传输媒介所构成的信道归于恒参信道，而其他传输媒介所构成的信道就归于随参信道。

3.信道特性及其对信号传输的影响

信道特性指的是信道的传输特性。传输特性通常可用幅度-频率特性及相位-频率特性来表征。因此，在原理上讲只要得到了这个网络的传输特性，就可求得信号通过信道后

的变化规律。

1）幅度-频率畸变

幅度-频率特性简称幅频特性，是指在不同频率时信道的输入输出关系。理想信道的幅频特性应是一条水平直线。

幅度-频率畸变是由信道的幅度-频率特性的不理想所引起的。导致畸变的原因是，在信道中可能存在各种滤波器、电容和电感元器件等。由于这些元器件的存在，通常导致

信道传输通带特性的高频段和低频段衰耗逐步增加，如图1-14所示。

图1-14信道的衰减特性

2）相位-频率畸变（群迟延畸变）

相位-频率特性简称相频特性，是指不同频率在信道中的传输延时关系。理想信道的相频特性应是一条直线。

相位-频率畸变是指信道的相移-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。与幅度-频率畸变一样，相位-频率畸变主要来自于滤波器和电抗器件。尤其在信道频带的边缘，由于衰耗特性陡峭引起的相频畸变更严重。

信道的相位-频率特性还经常采用群迟延-频率特性（简称群迟延特性）来衡量。所谓群迟延特性，便是相位-频率特性对频率的导数，若相位-频率特性用φ(ω)表示，则群迟

延-频率特性τ(ω)为

显然，如果φ(ω)呈现线性关系，则τ(ω)将是一条水平直线，见图1-15所示。此时，信号的不同频率成分将有相同的迟延，因而信号经过传输后不发生畸变。但实际的信道特

性总是偏离如图1-15所示的特性的，例如，一个典型的电话信道的群迟延-频率特性示于图1-16。不难看出，当非单一频率的信号通过信道时，信号频谱中的不同频率分量将有不

同的迟延（使它们的到达时间先后不一），从而引起信号的畸变。

图1-15理想相频特性和群迟延特性

图1-16话音通道群迟延特性

3）加性噪声的类型

加性噪声通常