通信原理与通信技术（第五版）第1-6章 第1章 通信与通信系统的基本概念

讲授：张卫钢通信原理与通信技术2024.81TEXTBOOK选用教材233微信公众号01通信的基本概念与理论4问题：自古以来，通信活动就在人们的生活、学习和工作中随处可见。那么，什么是通信？通信任务靠什么完成？与通信技术相关的主要概念有哪些？CONTENT目录通信系统通信方式信道与传输介质1.21.31.41.1信号频谱与信道通频带信息度量与香农公式多路复用1.61.71.81.5通信信号和噪声通信系统的性能评价1.9通信技术发展史1.105结语1.116“信息”被认为是构成客观世界的三大要素（物质，能量，信息）之一。作为一种资源，信息只有通过传播、交流与共享，才能为人所用并产生价值。

所谓价值就是被利用的程度“通信”作为信息传输的手段或方法，亦或是信息被利用的途径，已经成为人类生活和社会生产实践中一个不可或缺的组成部分，是人类前进和社会发展的重要推力。通信概念1.17

可见，无论是远古狼烟滚滚的烽火还是今天四通八达的电话，无论是饱含情谊的书信还是绚丽多彩的电视画面，尽管通信的方式各种各样，传递的内容千差万别，但都有一个共性，那就是进行信息的传递。因此，可以这样认为：通信：利用信号将含有信息的消息进行空间传递的过程或方法。简言之，通信的本质就是信息的空间传递。1.1通信概念81.1信息是一切事物运动状态或存在方式的不确定性描述。在通信领域，可泛指人们欲传达和欲知晓的一切事物运动规律和知识及情报。信息是抽象的，是消息的内涵。消息是语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等能够被人所感知的信息表达形式。消息是具体的，是信息的形式载体或容器。

显然，消息类似容器，信息好比容器中的物品。一条消息可以包含丰富的信息，也可以不包含信息。某信息可以由多种消息形式表示，比如天气信息可以在报纸上以文字形式出现，也可以在广播或电视上以语音或图像形式发布。通信概念91.1

消息可以分成两大类：连续（模拟）消息和离散（数字）消息。

连续消息是指消息的状态连续变化或不可数的，如语音、图像等；

离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。

在通信领域的大多数场合中，“信息”与“消息”不用严格区分。

信号是消息（信息）的物理载体，是通信任务实施的具体对象。信号有电信号和光信号之分。通信原理以电信号为主要研究对象，但不少概念也适用于光信号。通信概念101.1信号可以类比卡车，消息就是卡车上的集装箱，而信息则是集装箱中的货物/乘客。随着计算机技术与网络技术的飞速发展，“数据通信”技术应运而生。通过互联网，人们足不出户就可看报纸、听新闻、查资料、逛商店、玩游戏、上课、看病、下棋、购物、发电子邮件。数据通信丰富多彩的功能极大地拓宽了通信技术的应用领域，使通信技术渗入到人们物质和精神生活的各个角落，并成为人们日常生活中不可缺少的组成部分。显然，有关通信的知识与技术也就应该被当代人关注、了解和掌握。通信概念111.1因“交通”与“通信”具有较强的类比性，故书中用了一些交通运输（包括公路和铁路运输）实例作为比较对象，比如：交通/通信、运输/传输、运载工具/信号、货物/信息、道路/信道、交通网/通信网、站点/节点、问路/寻径等，旨在帮助读者更透彻地理解通信原理中的许多概念和问题。总之，现代通信技术所研究的主要问题：如何把信息大量、准确、快速、广泛、方便、经济、安全、长距离地从信源通过传输介质传送到信宿。

各种通信技术都是围绕着这几个目的而展开。

“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。通信概念12通信系统1.2

交通是把货物（乘客）从出发地运输（搬移）到目的地，通信是把信息从信源传输到信宿。如果把用于运输货物或乘客的人、车、路的集合称为交通系统的话，那么，可定义

通信系统：用于通信的硬件设备、软件和传输介质的集合。1.2.1通信系统的定义与组成图1-4宏观地描述了一个一般通信系统，具有普适性。根据不同的通信任务，图中各方框的名称和作用也会有所差异，从而形成不同的实际通信系统模型。131.2通信系统

比如，普通的电话通信系统就包括：送话器、电线、交换机、载波机、受话器等要素；广播通信系统包括麦克风、放大器、发送设备、无线电波、收音机等。141.2通信系统

信源——通信系统的起点，指能把欲传送的各种消息转换成原始电信号的人（生物）、设备或装置。根据消息的种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续（模拟）信号，如话筒（声音→音频信号）、摄像机（图像→视频信号）；数字信源则输出离散（数字）信号，如计算机的键盘（字符/数据→数字信号）。

信宿——通信系统的终点，其功能与信源相反，指能把原始电信号（如上述的音频信号、视频信号、数字信号）还原成原始消息的人（生物）、设备或装置，如扬声器将音频信号还原成声音，显示屏可将视频信号还原成图像。

传输介质——指能够传输电信号、光信号或无线电信号的物理实体。比如电缆、光纤、空间或大气。151.2通信系统

发送设备——指能将原始电信号变换为适合信道传输的信号的设备或装置。主要功能是使发送信号的特性与信道特性相匹配，能够抗干扰且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。发送设备可能包含变换器、放大器、滤波器、编码器、调制器、复用器等功能模块。

接收设备——与发送设备作用相反，指能够接收信道传输的信号并将其转换为原始电信号的设备或装置。其主要功能是将信号放大和反变换（如译码、解调、解复用等），目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始信号。

噪声——指一切可能会影响有用信号的信号。噪声存在于信号传输的整个过程之中，为方便计，通常将全部噪声集中体现在传输介质上，但并不意味着只有传输介质存在噪声。噪声一般是随机的，形式多样，会干扰信号的传输。（注意，图1-4中的噪声可以理解为是通信系统的一部分，因为一个实际通信系统无法彻底消除噪声）。161.2通信系统根据不同标准，通信系统有不同的分类。1．按信道传输信号的不同，可分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信：用模拟信号携带模拟消息的通信过程或方法。其特征是信源和信宿处理的都是模拟消息，信道传输的是模拟信号。模拟通信系统：传输携带模拟消息的模拟信号的通信系统。1.2.2通信系统的分类171.2通信系统数字通信：用数字信号携带模拟消息的通信过程或方法。其特征是信源和信宿处理的都是模拟消息，但信道传输的是数字信号，比如数字电话。数字通信系统：传输携带模拟消息的数字信号的通信系统。181.2通信系统

图1-7与图1-6的主要区别是多了信源编码/译码和信道编码/译码功能模块，而这正是数字通信系统的特点所在。通常，信源编码完成的是将模拟消息转换成数字信号的功能（信源译码功能相反）；信道编码是将信源编码输出的数字信号（一般是经自然编码后的数字信号，即把用高电平表示“1”，低电平表示“0”的编码方式形成的脉冲序列（消息码元）变成具有检/纠错功能的脉冲序列（消息码元+冗余码元））；信道译码功能则相反。

信号经信道传输后有两个主要变化，一个是因传输距离引起的信号强度衰减，传输距离越长衰减越大，频率越高衰减越快；另一个是由衰减和噪声引起的信号波形畸变。

高质量的通信系统应该保证信号衰减和畸变都比较小，但实际的模拟通信系统很难满足人们对通信质量的高要求。因此，数字通信技术应运而生。宏观上看，数字通信系统与模拟通信系统的主要差别体现在信宿接收到的信号质量更好（衰减和畸变更小）。191.2通信系统通常，模拟通信在信号传输上采用逐级“放大”方式，而数字通信多采用“再生”方式。比如：一队游客在导游的带领下，沿着窄小的山道拾阶而上。最前面的导游（信源）拿起话筒对着最后面的人（信宿）喊：“张先生，快跟上，别掉队！”，这是模拟通信的信号传输方式；他也可以用传口令的方式让游客们依次将“张先生，快跟上，别掉队！”的命令传下去，这就是数字通信的信号传输方式。

201.2通信系统

从信息传输的角度上看，可以认为：

模拟通信系统是一种信号波形传输系统，而数字通信系统/数据通信系统则是一种信号状态传输系统。

数字通信具有以下特点：（1）抗干扰能力强。由于数字信号的取值个数有限（通常只有“0”和“1”两个值），所以在传输过程中我们可以不太关心信号幅度的绝对大小，只注意相对于某个判断阈值的大小即可。同时，传输时中继器可再生信号，消除噪声积累。211.2通信系统（2）便于进行信号加工与处理。由于信号可以储存，所以可以象处理照片一样随意加工处理。（3）传输中出现的差错（误码）可以设法控制，提高了传输质量。（4）数字消息易于加密且保密性强。（5）可传输话音、图像、图片、数据等多种消息，增加了通信系统的灵活性和通用性。（6）数字电路可大规模集成，易于调试，稳定性好，成本较低。

总之，数字通信技术的优点很多。但事物总是一分为二的，数字通信技术的许多长处是以增加系统带宽为代价的。比如，一路模拟电话信号的带宽为4kHz，而一路数字电话信号大概要占20～60kHz的带宽，这说明数字通信系统的频带利用率较低。另外，数字通信系统通常需要较复杂的同步系统。尽管如此，数字通信技术仍然得到广泛应用，而基于数字通信技术的数据通信技术已是当代通信领域的霸主。221.2通信系统2.按传输介质的不同，可分为无线通信系统和有线通信系统。

利用无线电波、红外线、超声波、激光进行通信的系统统称为无线通信系统。本书主要涉及无线电通信系统，比如广播系统、移动电话系统、电视系统、卫星通信系统、无线个域网等。而用导线（包括电缆、光纤等）作为介质的通信系统就是有线通信系统，如市话系统、闭路电视系统、普通的计算机局域网等。

随着通信、计算机和网络技术的飞速发展，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”中有“有线”，“有线”中有“无线”。因此，无论是作为科学知识还是专业学科，当代的无线通信、有线通信和计算机网络三者的关系都已变得密不可分。3.按调制与否，可分为基带通信系统和调制通信系统。

基带系统传输的是基带信号，而调制通信系统传输的是已调（带通）信号。231.2通信系统4.按通信业务的不同，可分为电话通信系统、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。5.按工作波长的不同，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。

一种通信系统可以分属不同的种类，比如人们熟悉的无线电广播既是中波通信系统（短波通信系统），调制通信系统、模拟通信系统，也是无线通信系统。

无论怎样划分通信系统，都只是在信号处理方式、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变，即大量、准确、快速、广泛、方便、经济、安全、长距离地传送信息。因此，在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时，只要抓住这个实质，就不会被系统复杂的结构、先进的技术和生僻的技术术语所迷惑。241.3通信方式通信方式：通信双方（或多方）之间实施信息传输的基本工作形式。它是通信各方在通信实施之前必须首先确定的问题。

根据不同的标准，通信方式也有多种分类。（1）按通信对象数量的不同，通信方式可分为点到点通信（即通信是在两个对象之间进行）、点到多点通信（一个对象和多个对象之间的通信）和多点到多点通信三种（多个对象和多个对象之间的通信），如图1-9（a）所示。251.3通信方式（2）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：

单工通信：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，乙方只能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信（点到多点）、遥控玩具、航模（点到点）等均属此类。交通中，车辆沿单行道行驶可类比单工通信。

半双工通信：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，每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机之间的通信。过独木桥可类比半双工通信。

全双工通信：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。全双工以太网是典型的全双工通信实例。而电话通信在功能上具有全双工通信的特性，但在技术上不是采用收、发两个信道，而是利用消侧音技术克服双向传输的干扰。双向两车道的交通可类比全双工通信。三种通信方式如图1-8（b）所示。261.3通信方式（3）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。直通方式是通信双方直接通过有线或无线方式连接；而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起来，如电话系统。

在数据通信中，按数字信号传输的顺序，通信方式又有串行通信与并行通信之分。按同步方式的不同，又分为同步通信和异步通信。

一种通信方式可以具有多类性，比如广播电视既是一种单工通信方式也是一种点到多点的通信方式。271.3通信方式281.4信道和传输介质

信道：供信号传输的通道。

这里的通道是指可供信号传输的所有介质（物质），包括导线、光纤、电路、设备、空间或大气和海洋。

要完成通信过程，信号必须依靠传输介质传输。因此，定义

狭义信道：可以传输信号的传输介质。

另一方面，由于信号还必须经过很多设备（发送机、接收机、调制器、解调器、放大器等）进行各种处理，这些设备显然也是信号经过的通道。所以，定义

广义信道：信号经过的传输介质（狭义信道）和各种通信设备或电路的集合。

因为信号可以在不同的介质中传输，所以，可定义

有线信道：供信号传输的导线（电缆）和光纤（光缆）。

无线信道：供信号传输的空间或大气和海洋。1.4.1信道的概念29

除上述基于物理介质的基本信道概念外，在通信领域还有基于信号处理方式或过程的其他信道概念。比如，基于处理过程的调制信道和编码信道等（见图1-11）；基于处理方式的频率信道（频道）和时间信道等（详见1.8节“多路复用”）。显然，从信号传输过程看，调制信道和编码信道也都属于广义信道范畴。1.4信道和传输介质1.4.1信道的概念30

对于研究调制/解调系统的性能而言，可以不管信号在调制信道中作了怎样的变换，也可以不管选用了什么传输介质，只需关心已调信号通过调制信道后的最终结果，即调制信道输出信号与输入信号之间的关系即可。1.4信道和传输介质1.4.1信道的概念在具有调制和解调过程的任何一个通信系统中，可定义：调制信道：从调制器输出端到解调器输入端之间的信号传输通道。

对于数字通信系统，若仅关心编码和译码处理，那么引入编码信道将十分方便。可定义：

编码信道：从编码器输出端到译码器输入端之间的信号传输通道。

调制信道对信号的不良影响体现在由乘性干扰和加性干扰引起的已调信号模拟性（波形上）变化上，即把一个信号波形变成另一个信号波形（产生失真）；而编码信道对信号的影响则表现为数字序列的变化上，即把一个数字序列变成另一个数字序列（产生误码）。31调制信道对信号的不良影响体现在由乘性干扰和加性干扰引起的已调信号模拟性（波形上）变化上，即把一个信号波形变成另一个信号波形（产生失真）；而编码信道对信号的影响则表现为数字序列的变化上，即把一个数字序列变成另一个数字序列（产生误码）。虽然编码信道和调制信道在形式上对通信质量的影响有明显不同，但本质上都是信息错误，或者说都降低了通信任务的可靠性和准确性。1.4信道和传输介质1.4.1信道的概念32

从图1-11可见，编码信道包含调制信道，其性能要受调制信道的影响，这种影响在解调器的输出数字序列中会以发生错码的形式表现出来。若调制信道特性越差、加性干扰越严重，则出现错码的概率也越大。图1-11所示信道的一个实例是第7章中的ASK系统。

1.4信道和传输介质1.4.1信道的概念信号可在信道的不同频段或不同时段中传输。故可定义：频率信道：在广义信道中为信号传输划分出的频段。时间信道：在广义信道中为信号传输划分出的时段。

注意：（1）不同的信道概念可以嵌套。比如，传输介质既可以作为调制信道也可以作为编码信道，既可以作为频率信道也可以作为时间信道。（2）不管还有多少信道概念，它们都必须基于传输介质这个基本信道。恒参信道：信道传输函数不随时间变化。变参信道。信道传输函数随时间作随机变化。331.4信道和传输介质有线介质：可以传输信号的电线（光纤）和电缆（光缆）。1.4.2传输介质传输介质：可传输信号的物质。1.有线介质有线介质通常指双绞线、同轴电缆、架空明线、多芯电缆和光纤。341.4信道和传输介质（1）双绞线TP：由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。绞合是为了减少对邻近线对的电磁干扰。为进一步提高抗电磁干扰能力，可以再加一个用金属丝编织而成的屏蔽层。根据是否外加屏蔽层，它又可分为屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP两类。1.4.2传输介质351.4信道和传输介质

双绞线既可用于模拟信号也可用于数字信号传输，其通信距离一般为几到十几公里。导线越粗，通信距离越远，但价格也越高。由于双绞线的性价比相对其它传输介质要高，所以应用十分广泛。1995年颁布的“商用建筑物电信布线标准”中给出了5种UTP标准：第一类就是住宅常用的缠绕式电话线，只适合于语音传输，不适合高速数据传输。第二类传输速率为4Mbps，可用于传输语音和数据。第三类是LAN采用的最低档双绞线，传输速率可达10Mbps。第四类主要用于令牌环网，传输速率为16Mbps。第五类可提供100Mbps的传输速率，而超五类双绞线可保证155Mbps的传输速率。五类双绞线可用于FDDI、快速以太网和ATM。最常用的UTP是3类线和5类线。1.4.2传输介质361.4信道和传输介质（2）同轴电缆：由内导线铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性，适合频分复用。按特性阻抗数值的不同，同轴电缆又分为50欧姆的基带同轴电缆和75欧姆的宽带同轴电缆两种。1.4.2传输介质371.4信道和传输介质

一条基带同轴电缆只支持一个信道，传输带宽为1～20Mbps。它能够以10Mbps的速率把基带数字信号传输1～1.2千米远。它是局域网中广泛使用的一种信号传输介质。宽带同轴电缆支持的带宽为300～450MHz，可用于宽带数据信号的传输，传输距离可达100千米。所谓宽带数据信号传输是指利用频分复用技术在宽带介质上进行的多路数据信号传输，它既能传输数字信号，也能传输诸如话音、视频等模拟信号。1.4.2传输介质381.4信道和传输介质（3）光导纤维：是光纤通信系统的传输介质。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，所以，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其他各种传输介质的带宽，是应用最广，最有前途的有线传输介质。

光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成。芯由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都有封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，从而可使光波保持在芯线内传输。1.4.2传输介质391.4信道和传输介质

根据光纤传输数据的模式不同，可分为多模光纤和单模光纤两种。

多模光纤意指光在光纤中可能有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播。这种光纤所含纤芯的直径较粗，其范围是～

光线在多模光纤中传输时因入射角的不同，会导致不同的光线行进的距离不同，即光线在光纤中传输的时间不一样。由此产生的一个结果是，输入的光脉冲在光纤的输出端离开时可能会有些扩散（或色散），从而导致光脉冲的波形失真。。

单模光纤指光在光纤中没有反射，沿直线传播。这种光纤的直径比多模光纤细得多，只有一个光波长（直径在～之间）。且以很小的失真离开光纤。两种光纤的性能比较见表1-1。光线不能在纤芯中反射，只能一直向前传播，1.4.2传输介质401.4信道和传输介质光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、高速率的信息传输，而且具有很好的保密性能。但是，光纤的衔接、分岔比较困难，一般只适应于点到点或环形连接。1.4.2传输介质411.4信道和传输介质表1-1单模光纤与多模光纤的比较项目单模光纤多模光纤距离长短数据传输率高低光源激光发光二极管信号衰减小大端结较难较易造价高低1.4.2传输介质421.4信道和传输介质2.无线介质

如果通信要经过一些高山、岛屿、沼泽、湖泊、边远偏远地区或穿过鳞次栉比的楼群时，用有线介质铺设通信线路就非常困难；另外，对于处于移动状态的用户来说，有线传输也无法满足他们的通信要求，而采用无线介质就可以解决这些问题。无线介质：可以传输光波、无线电波、超声波和次声波的空间或大气和海洋。

在光波中，红外线、激光是常用的信号类型，前者广泛地用于短距离通信，如电视、录像机、空调器等家用电器使用的遥控装置；后者可用于建筑物之间的局域网连接；超声波信号主要用于工业控制与检测中，如液位检测、距离检测等。

因为无线电波容易产生，传播距离远，能够穿过建筑物，且既可以全方向传播，也可以定向传播，所以绝大多数无线通信都采用无线电波作为传输信号。1.4.2传输介质43

在电信领域把一个信号单位时间变化的周期数称为该信号的频率，用单位“赫兹（Hz）”表示。亨利希.鲁道夫.赫兹是一位德国物理学家，他的研究导致了无线电波（电磁波）的发现，论证了电磁波以光速传播，得出无线电波是电磁辐射的一种形式的重要结论。

为合理利用电磁波资源，根据其频率的高低或波长的长短，可分为9个大波段。不同频率（波长）电磁波的传播特性各异，应用场合也不尽相同。波长指信号在一个周期内传播的距离，数值上等于信号两个相邻波峰（波谷）之间的距离。1.4信道和传输介质1.4.2传输介质441.4信道和传输介质表1-2电磁波资源划分表频段名称频率范围波长范围波段名称传输介质用途甚低频VLF3Hz～30kHz108～104m甚长波有线线对长波无线电音频、电话、数据终端、长距离导航、时标低频LF30KHz～300KHz104～103m长波导航、信标、电力线通信中频MF300KHz～3MHz103～102m中波同轴电缆中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电通信高频HF3MHz～30MHz102～10m短波同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播、军用定点通信、业余无线电通信甚高频VHF30MHz～300MHz10～1m超短波同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航特高频UHF300MHz～3GHz1m～10cm微波波导分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信专用短程通信、微波炉、蓝牙技术超高频SHF3GHz～30GHz10～1cm波导厘米波无线电微波接力、雷达、卫星和空间通信、专用短程通信极高频EHF30GHz～300GHz1cm～1mm波导毫米波无线电微波接力、雷达、射电天文学紫外线、红外线、可见光105～107GHz3×10-4～3×10-6cm光波光纤激光空间传播光通信1.4.2传输介质451.4信道和传输介质

无线电波的传播方式主要有地面波传播、天波传播、地-电离层波导传播、视距传播、散射传播、外大气层及行星际空间电波传播等几种。1.4.2传输介质461.4信道和传输介质（1）地面波传播：即无线电波沿地球表面传播。地面波在传播过程中，其场强因大地吸收会衰减，频率愈高则衰减愈大；长波、中波由于频率低，加上绕射能力强，所以利用这种传播可以实现远距离通信。地波传播受气季节、昼夜变化影响小，信号传输比较稳定。（2）天波传播：天波传播是利用电离层对电波的一次或多次反射进行的远距离传播，是短波的主要传播方式。中波只有在夜间才能以天波形式传播。天波传播存在着严重的信号衰落现象。所谓电离层是大气中具有离子和自由电子的导电层。（3）地-电离层波导传播：是指电波在从地球表面至低电离层下缘之间的球壳形空间（地-电离层波导）内的传播。长波、甚长波在该波导内能以较小的衰减传播数千公里，且受电离层扰动影响小，传播稳定，故可用于远距离通信。1.4.2传输介质471.4信道和传输介质（4）视距传播：由发射天线辐射的电波像光线—样直线传到接收点，这种传播方式称为直射波传播。另外还有由发射天线发射、经地面反射到达接收点的传播方式，称为大地反射波传播。视距传播是这两种传播方式的统称，在接收点所接收的电波一般是直射波与大地反射波的合成。视距传播的距离一般为20～50km，主要用于超短波及微波通信。（5）散射传播：是利用对流层或电离层介质中的不均匀体或流星余迹对无线电波的散射作用而进行的传播。利用散射传播实现通信的方式目前主要是对流层散射通信，其常用频段为0.2～5MHz，单跳距离可达100～500km。电离层散射通信只能工作在较低频段30～60MHz，单跳距离可达1000～2000km，但因传输频带窄，其应用受到限制。流星余迹持续时间短，但出现频繁，可用于建立瞬间通信，常用通信频段为30～70MHz，单跳通信可达2000km。实际的流星余迹通信除了散射传播外，还可利用反射进行传播。1.4.2传输介质481.4信道和传输介质（6）外大气层及行星际空间电波传播：是以宇宙飞船，人造地球卫星或星体为对象，在地-空，空-空之间进行的电波传播。卫星通信利用的就是这种传播方式。其中，自由空间传输损耗达200dB左右；此外还受对流层、电离层、地球磁场、宇宙空间各种辐射和粒子的影响等等。大气吸收及降雨衰减对10GHz以上频段影响严重。1.4.2传输介质491.5信号与噪声

通信的根本任务是传递信息，但必须以信号的传输为前提。

比如，古时的烽火、抗战年代的消息树、军队中的冲锋号、信号弹、信号灯与信号旗等都是携带信息的信号实例。而近代一切通信系统都是把信息/消息转化为电压、电流或无线电波（光波）等信号形式，再利用各种传输手段将这些信号进行传输，从而完成通信任务。

通过对上述信号概念的抽象与概括，可以给出信号的基本定义：

信号：可以携带消息的各种物理量、物理现象、符号和图形。

在现代通信系统中，信号主要指变化的电压、电流、无线电波或光波。1.5.1信号定义及分类普通信号必须具有可观测性、可变化性，而用于通信的信号还必须具有可控制性。501.5信号与噪声信息的最终使用者是人或与之相关的机器设备。作为信息的物理载体，信号必须能被人的视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉感受到或被机器设备检测到，否则就失去了信息传输的意义；而信号如果不可变，则无法携带丰富多彩的信息；最后，信号必须能够通过物理方法产生或实现。比如，打雷和闪电具有信号的前两个特性，但它们无法由人控制、产生，因此不能作为通信用信号。

信号可以类比卡车，消息就是卡车上的集装箱，而信息则是集装箱中的货物。1.5.1信号定义及分类511.5信号与噪声根据不同标准，信号有多种分类。（1）根据信号来源不同，信号可分为自然信号和人工信号。比如打雷、闪电、地震波、生物电等由自然现象产生的信号就是自然信号。自然信号通常携带有人们感兴趣的信息，比如：气象、地质、自然灾害、物质结构、物质特性等，人们可以利用各种传感器“采集”自然信号，进而进行处理和分析。由人为方式产生的电压、电流等信号就是人工信号。（2）根据消息载体的不同，信号可分为电信号和光信号两大类。电信号主要包括电压信号、电流信号、和无线电信号等；而光信号则是利用光亮度的强弱或有无来携带信息。1.5.1信号定义及分类521.5信号与噪声（3）按携带信息的类别不同，信号主要可分为声音（音频）信号、活动图像（视频）信号和数据信号等。音频信号指频率在20Hz～20kHz内的携带语音、音乐和各种声效的电信号，其中包含频率在300Hz～3.4kHz内的话音信号（电话专用）。视频信号指直接携带活动图像信息的0～6MHz的电信号。数据信号主要指携带0、1数据的数字电信号（通常以电脉冲序列形式出现），通常它不能直接携带信息，而需要根据协议通过编码技术赋予。1.5.1信号定义及分类531.5信号与噪声（4）根据频谱位置的不同，信号可分成基带信号和带通信号。通常，把基带信号：频谱最低值小于频谱宽度

的信号。

不经调制处理的信号就是基带信号。基带信号显含信息，信宿接收到信号也就收到了原始信息，比如话筒输出的声音信号和摄像机输出的图像信号。典型的基带信号通信系统是单位内部的有线广播，扬声器可直接将语音信号播放出来。

经过调制处理的信号（已调信号）就是带通信号。带通信号隐含信息，信宿必须对其进行解调处理才能恢复原始信息。典型的带通信号通信系统是无线电广播，收音机收到的带通信号必须经过解调才能还原出音频信号，再通过扬声器播放出来。1.5.1信号定义及分类带通信号：频谱最低值大于频谱宽度

的信号。541.5信号与噪声（5）按信号外在表现的特征可分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号：参量（因变量）取值随时间（自变量）的连续变化而连续变化的信号。通俗地讲，波形为连续曲线的信号就是模拟信号，如图1-17（a）所示。模拟信号的主要特点是在其出现的时间内具有无限个可能的取值，正是这一特点使得其难以存储和处理。电话机的话音信号和收音机的广播信号都是模拟信号的实例。离散信号：在时间上或自变量取离散值的信号。通俗地讲，波形为间断谱线的信号就是离散信号，如图1-17（b）所示。离散信号的特点是横轴（自变量）取值离散，纵轴（因变量）取值可以离散也可以连续。它与模拟信号的主要区别是自变量取值不连续。1.5.1信号定义及分类55

在“信号与系统”课程中我们知道，自变量离散，因变量取值个数有限的信号叫数字信号。在通信领域，除了这种常见的具有高低两种电平被叫做数字基带信号的数字信号外，还有一种以模拟信号形式出现，携带数字消息的数字信号，我们称之为数字带通信号，如后面要讲到携带“0”、“1”数据的ASK、FSK和PSK等。可见，“信号与系统”课程中数字信号的定义就不够宽泛了。因此，在通信领域，可以认为：数字信号：用参量的有限个取值携带数字消息的信号。这里的参量指信号的幅度、频率和相位。按照这个定义，数字信号包含数字基带信号和数字带通信号两种。通常，数字信号多指数字基带信号。1.5信号与噪声1.5.1信号定义及分类561.5信号与噪声1.5.1信号定义及分类571.5信号与噪声

需要说明的是，按“信号与系统”中的定义，数字基带信号的波形应该是谱线形式，而常见的数字基带信号波形是连续的（跳变点除外），其自变量t并不离散，这如何解释呢？其实，让波形连续有利于传输，因为在实际传输时，需要在规定时刻对波形抽样，如果样值在一段时间内存在，则抽样时刻就不必非常精确，否则，很容易漏抽。另外，一旦抽样成功，则只有抽样时刻的信号值是有用的，其余时间的信号值没有用处，在这个意义上讲，自变量是离散的。这也就是为什么说模拟通信是“波形通信”，而数字通信是“状态传输”的原因。1.5.1信号定义及分类581.5信号与噪声（6）按传输介质不同，信号可分为有线信号和无线信号。通过导线（电缆）或光缆进行传输的信号叫有线信号，如电话信号、有线电视信号；利用无线电波、激光、红外线等空间介质进行传输的信号叫无线信号，如广播和电视信号。（7）按信号变化特点不同，信号可分为周期信号和非周期信号。（8）根据信号的变化规律可分为确知信号和随机信号。确知信号的变化规律是已知的，比如正弦型信号、指数信号等；随机信号的变化规律是未知的，比如我们打电话时的语音信号、电视节目中的图像信号还有一些噪声等。当然，按不同的特性与要求，对信号还可进行其它分类，比如功率信号和能量信号等，限于篇幅与大纲要求，在此不再一一介绍。1.5.1信号定义及分类591.5信号与噪声

噪声是生活中出现频率颇高的一个词，也是通信领域中与信号齐名的专业术语。但通信领域中所谓的噪声不同于我们所熟悉的以音响形式反映出来的各种噪声，如交通噪声、风声、雨声、人们的吵闹声、建筑工地的机器轰鸣声等，它其实是一种不携带有用信息的电信号，是对有用信号以外的一切信号的统称。1.5.2噪声定义及分类噪声：一切不携带有用信息的信号。

601.5信号与噪声

根据来源的不同，噪声可分为自然噪声、人为噪声和内部噪声。自然噪声是指存在于自然界的各种电磁波，如闪电、雷暴及其他宇宙噪声。人为噪声来源于人类的各种活动，如电焊产生的电火花、车辆或各种机械设备运行时产生的电磁波和电源的波动，尤其是为某种目的而专门设置的干扰源（如下述的电子对抗）。内部噪声指通信系统设备内部由元器件本身产生的热噪声、散弹噪声及电源噪声等。1.5.2噪声定义及分类611.5信号与噪声

根据表现形式的不同，噪声可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。（1）单频噪声是一种以某一固定频率出现的连续波噪声，如50Hz的交流电噪声。（2）脉冲噪声是一种随机出现的无规律噪声，如闪电、车辆通过时产生的噪声。（3）起伏噪声主要指系统内部噪声。它也是一种随机噪声，其研究方法必须运用概率论和随机过程知识。由于它普遍存在且对通信系统有着长期影响，所以是噪声研究的主要对象。因为元器件本身的热噪声、散弹噪声都可看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加，它们服从高斯分布，即热噪声、散弹噪声都是高斯过程，所以，这类噪声也被称为高斯噪声。1.5.2噪声定义及分类621.5信号与噪声

除了用概率分布描述噪声的特性外，还可用功率谱密度加以描述。1.5.2噪声定义及分类白噪声：一种功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的噪声。与白噪声对应的是有色噪声或带限噪声。有色噪声：不是白噪声的噪声。高斯白噪声：一种统计特性服从高斯分布、功率谱密度服从均匀分布的噪声。631.5信号与噪声

干扰也是一种电信号，通常指来自通信系统内、外部的噪声对接收信号造成的骚扰或破坏。或者说在接收所需信号时，由非所需能量造成的扰乱效应。

简言之，干扰就是能够降低通信质量的噪声。

从通信的角度上看，干扰是一件坏事，应尽量避免和消除。但在军事上却有一种叫做“电子对抗”的技术专门制造和产生各种干扰，以破坏敌方的无线通信，借以取得战争的主动权。1.5.2噪声定义及分类

与噪声紧密相关的一个概念是干扰。

干扰：一切由噪声引起的对通信产生不良影响的效应。641.5信号与噪声

信号在通信系统中传输时，会受到两类干扰：

第一类是由系统或信道本身特性不良而造成的。比如，因各种线性、非线性畸变，交调畸变和衰落畸变等系统不良特性对信号的干扰。可类比为道路因坡度、弯度、平整度等道路本身特性不良而对交通带来的不利影响。

第二类是指由通信系统内部和外部噪声（信道噪声）对接收信号造成的骚扰或破坏，即由非所需能量造成的扰乱效应。如导线内部的热噪声和系统外部的雷电噪声；又比如我们通过收音机正在收听一个电台的新闻，忽然有一个其它台的音乐窜了进来。这类干扰可用车道中的人力车、畜力车及横穿马路的行人或突降的雨雪对行车的影响类比。1.5.2噪声定义及分类651.5信号与噪声根据在信道中的表现形式，噪声通常分为乘性噪声和加性噪声两种。信道输入与输出的关系可描述为（1.5-1）为讨论方便，假设可表示为，则式（1.5-1）就变成（1.5-2）由于与相乘，所以叫做乘性噪声，也就是上述的第一类干扰；与是相加的关系，因此称为加性噪声，即上述的第二类干扰。这样我们就把不同信道对信号的干扰抽象为乘性和加性两种。1.5.2噪声定义及分类661.5信号与噪声从抗干扰的角度上讲，信道的不同，其实质就是和的不同。1.5.2噪声定义及分类信道特性及干扰可用交通实例类比，如图1-19所示。

从信号传输的角度上看不同信道的差异就在于传输方式（有线或无线）、传输损耗和频响特性的不同。671.5信号与噪声1.5.2噪声定义及分类

抗干扰是通信系统所研究的主要问题之一，除了在理论与方法上寻求解决之外（比如角调制比幅度调制抗干扰性好，数字通信系统比模拟通信系统抗干扰性好），在实用技术上也有很多措施（比如屏蔽、滤波等），与交通类比图如图1-20所示。

现在很多通信、电子设备（包括网络设备）都有一项很重要的技术指标——电磁兼容性EMC俗称抗电磁干扰，指该设备在预定的工作环境下，既不受外界电磁场的影响，也不影响周围的环境，按设计要求正常工作的能力。681.6信号频谱与信道通频带

通常，我们习惯于在时间域（简称时域）考虑问题，研究信号幅度（因变量）与时间（自变量）的关系。而在通信领域还常常需要了解信号幅度与相位或频率（自变量）之间的关系。即要在频率域（简称频域）中研究信号。下面分别对周期信号和非周期信号的频域特性进行研究和讨论。

我们已经知道，通信实际上就是信号在信道中的传输过程，而信道的频率特性直接影响信号的传输质量。因此，本节介绍两个重要概念——信号频谱和信道通频带。1.6.1周期信号的频谱691.6信号频谱与信道通频带傅里叶级数：任意一个满足狄氏条件的周期信号可用三角函数的线性组合表示，即

（1.6-1）（1.6-2）（1.6-3）（1.6-4）1.6.1周期信号的频谱701.6信号频谱与信道通频带利用三角函数公式，可以将式（1.6-1）中的正弦和余弦分量合并，即有（1.6-5）其中，，，。从电学的角度上讲，第一项表示直流分量；时，叫做基波，也就是基础波的意思。时，叫做二次谐波，因为频率是基波的二倍。叫做次谐波。以此类推，1.6.1周期信号的频谱711.6信号频谱与信道通频带

式（1.6-5）在这里被称为傅氏级数的标准式，其物理意义就是一个周期信号可用一直流分量和以其频率（周期的倒数）为基频的各次谐波（正弦型信号）的线性叠加表示。

若有一个周期性方波如图1-21（a）所示，其表达式可用式（1.6-5）表示。那么，在式（1.6-5）中，我们分只取基波、只取到3次谐波、只取到5次谐波和只取到7次谐波4种情况画出信号的波形，见图1-21（a）到（d）所示。可见谐波次数取得越高，近似程度越好。由此得出结论，基波决定信号的形状，谐波改变信号的“细节”。1.6.1周期信号的频谱

需要强调的是，若把图1-21反顺序理解，就是低通滤波的概念。比如对于信号（d），若用低通滤波器将7次谐波滤掉，就会得到信号（c）；若将所有谐波滤掉，就得到基波信号（a）。也就是说，低通滤波可以去除高频纹波或抖动，起到圆滑波形的作用。721.6信号频谱与信道通频带1.6.1周期信号的频谱

一个便于理解频谱的生活实例是钢琴的和弦音，如图1-21（e）所示。据此，也可画出图（d）的频谱。731.6信号频谱与信道通频带由《电路分析》中的正弦交流电知识可知三角函数与复指数函数之间满足根据尤拉公式将上两式代入式（1.6-1），经整理得到(1.6-8)(1.6-9)1.6.1周期信号的频谱741.6信号频谱与信道通频带

式（1.6-8）是傅氏级数的复指数形式，表明一个周期信号可以由无穷个复指数信号线性组合而成。式（1.6-9）表明是一个以离散变量为自变量的复函数，具有实部和虚部，(1.6-10)把称为的频谱函数，其实部称为幅频函数，虚部称为相频函数。

这样，任何一个周期信号都可用与其唯一对应的频谱函数来描述。描述的是信号与时间的关系。描述的是信号各次谐波的幅值、相位与频率之间的关系。

1.6.1周期信号的频谱751.6信号频谱与信道通频带【例1-1】求图1-22所示的周期矩形脉冲信号的频谱函数。【解】该信号在一个周期内的解析式为1.6.1周期信号的频谱761.6信号频谱与信道通频带由式（1.6-9）得

（1.6-11）式中，称为抽样函数（SampleFunction）或抽样信号，它是信号理论中一个非常重要的信号，其波形见图1-23（a），而式（1.6-11）可用图1-23（b）描述。1.6.1周期信号的频谱771.6信号频谱与信道通频带1.6.1周期信号的频谱781.6信号频谱与信道通频带

从上例中可以看出周期信号的频谱具有以下几个特点：（1）（谱线只出现在基波频率的整数倍处，即各次谐波点上，具有非周期性、离散性的特点。（2）各次谐波振幅（即谱线的高低）的总变化规律是随着谐波次数的增加而逐渐减小。（3）各次谐波振幅随频率的衰减速度与原始信号的波形有关。即时域波形变化越慢，频谱的高次谐波衰减越快，高频成分越少。反之，时域波形变化越剧烈，频谱中高次谐波成分越多，衰减越慢。

总之，周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性三大特点。

为了帮助读者理解频谱概念，我们把方波的时域与频域波形用图1-24示出。

另外，用三棱镜对白光的分解类比傅氏级数对周期信号的分解，见图1-25。1.6.1周期信号的频谱791.6信号频谱与信道通频带1.6.1周期信号的频谱801.6信号频谱与信道通频带1.6.1周期信号的频谱81

对于工程中经常遇到的非周期信号是否也可以像周期信号一样在频域进行研究分析？是否也可以找到一个与时域信号相对应的频谱函数呢？1.6信号频谱与信道通频带傅里叶变换回答了上述问题。即对于一个非周期信号，其傅里叶变换为（1.6-12）也可称为的频谱密度，简称频谱。这样，该信号可以用其频谱表示为（1.6-13）上述二式共同被称为傅里叶变换对。1.6.2非周期信号的频谱821.6信号频谱与信道通频带

为了方便记忆，不管是周期信号还是非周期信号，都可把频谱统一理解为：1.6.2非周期信号的频谱频谱：描述信号幅度和相位随频率的变化而变化的关系式或波形。

任何一个工程信号都具有频谱。根据频谱宽度的不同可以把非周期信号分为频带有限信号和频带无限信号。带限信号又包括低通型和带通型两种。低通型信号的频谱从零或很低的频率开始到某一个较高频率截止，信号能量集中在从直流到截止频率的频段上。而带通型信号的频谱存在于从不等于零的某一频率到另一个较高频率的频段。831.6信号频谱与信道通频带

注意：从频谱图中可以看到无论是周期信号的频谱还是非周期信号的频谱在负频率上也存在，频谱曲线为偶对称，而实际上并没有负频率。造成这个现象的原因纯属数学问题。因此，频谱中出现负频率分量没有对应的物理解释，仅仅是一种数学需要而已。1.6.2非周期信号的频谱

需要说明的是，在通信领域，人们还关心信号能量或功率的大小随频率的变化关系，比如随机信号和噪声，这就引出了“能量谱”和“功率谱”的概念。通常，对于能量信号用“能量谱”描述，而功率信号用“功率谱”。能量谱：描述信号能量密度随频率的变化而变化的关系式或波形。功率谱：描述信号功率密度随频率的变化而变化的关系式或波形。通常，能量信号和非周期确定信号用能量谱描述；功率信号、周期信号和随机信号用功率谱描述。显然，因通信领域研究的信号和噪声大多是随机的，所以，功率谱很重要。841.6信号频谱与信道通频带

任何一个信道不管是设备、电路或传输介质，对信号的传输都有影响，除线路损耗之外，还主要表现在两个方面：一个是对不同频率信号的幅度衰减，通常是传输信号的频率越高，信道对信号的衰减越大；再一个就是对不同频率信号的延迟。信道对信号的这两个影响正好可以用信道的频率特性（也叫频响特性）表示。1.6.3信道通频带频率特性：系统或信道的输出信号与频率的变化关系式或波形。因为一个信号的幅度和相位都可以随频率发生变化，所以，可把频率特性分为：幅频特性：系统或信道的输出信号幅度随频率的变化而变化的关系式或波形。相频特性：系统或信道的输出信号相位随频率的变化而变化的关系式或波形。幅频特性反映了信道对不同频率信号幅度的衰减作用；相频特性反映了信道对不同频率信号相位的延迟作用。851.6信号频谱与信道通频带

通常以幅频曲线的最大值为标准（一般是曲线中心频率所对应的值），定义幅频值下降到最大值的70%时所对应的两个频率之间的频段叫做通频带。低的频率点叫下截止频率，高的点叫上截止频率。由于这两点的幅值与最大值之比为0.7，对应的分贝值是-3（dB），所以，截止频率也叫3分贝频率，通频带也叫3分贝带宽。1.6.3信道通频带通频带：幅频值下降到最大值的70%时所对应的两个频率点之间的频段。

实际上我们更关注幅频特性，因此，频响曲线多指幅频曲线。大多数信道的频响曲线都是带通型的，也就是说，信道对某一频率段内的信号幅度影响不大且基本一致，而对大于或小于该频率段的信号衰减很大，甚至抑制到零。这种频响特性可用通频带描述。从宏观上看，通频带就是一个信道为信号传输所能提供的有效频带宽度。861.6信号频谱与信道通频带设有电阻和，它们的功率分别为和，则分贝的计算公式为（1.6-14）令，则有（1.6-16）

为什么对信号幅度比值（通常为电压比值）要取对数？为什么把通频带的截止点定在70%处，而不是80%或90%呢？1.6.3信道通频带871.6信号频谱与信道通频带

第一个问题的答案：

通信技术在发展的早期主要应用于无线电广播和话音通信，通信的终端往往是人耳（现代数据通信的终端往往是计算机）。由于人耳对声音的频响特性呈对数关系，而不是线性关系，即在大音量下，音量如果增大一倍，人耳的听觉就不到一倍；而小音量时，人耳听觉却比较敏感。所以，为了更好地衡量通信质量，人们对输出信号的电压（比）或功率（比）取对数，使听觉特性能接近线性。对输出电压取对数（以10为底）后要乘上一个常数20，并改称为电平；对输出功率取对数后要乘上一个常数10。比如我们说一个放大器的电压增益是40dB，就意味着放大器输出电压与输入电压之比为100；说一个系统的信噪比是30dB，则信号与噪声的功率比为1000。1.6.3信道通频带881.6信号频谱与信道通频带

从输出信号的功率上看，电压下降到70%所对应的功率正好是电压最大值对应功率的一半，因此3分贝点也叫半功率点。另外，无线电技术约定，当输出电压下降到其最大值的70%以下时，就认为该频率分量对输出的贡献很小了，故把3分贝点定为截止点。这就是第二个问题的答案。1.6.3信道通频带89

对于一般信道而言，我们希望通频带越宽越好（对于模拟信号来说，意味着频分复用的信号路数就越多，或者信号的保真程度就越高；对于数字信号意味着波特率就越大，可以传输更多的信息），频响曲线越平越好（输出信号的一致性好）。比如我们要买一套高保真音响设备（主要包括音源，放大器和音箱三部分），就要求各部分的频响曲线在通频带内尽可能地“平”，否则，在听音乐时就可能会出现特别强的笛声或特别弱的鼓声，因为某一频率的放大量比其它频率大得多或小得多。同时还要求通频带在低频段越低越好，最好低于20Hz，在高频段最好高于20kHz。1.6信号频谱与信道通频带1.6.3信道通频带901.6信号频谱与信道通频带

这是因为音频的范围为20Hz～20kHz。如果音响设备的通频带达不到这个要求，我们就可能听不到震人心魄的低音鼓声或清脆悦耳的三角铁声。另外，三个设备的频响特性最好一致。如果音箱的特性不好，那么再好的放大器和音源（CD机、录音机等）都是浪费。显然，信号的高保真（Hi-Fi）传输除了要求信道通频带大于信号带宽之外，还必须要求通频带内的频响特性保持平坦，如图1-27（a）。如果放大器的通频带变成图1-27（b）形状，则在播放音乐时，就会感觉到高音部分特别强，即高频信号出现了“失真”。1.6.3信道通频带911.6信号频谱与信道通频带

生活中很多音响设备，比如汽车音响、家庭影院等都设有音调控制旋钮或均衡器。音调控制旋钮的作用就是人为地改变放大器频响特性，提升或降低音频信号中的某些频率成分（通常是高音、中音或低音部分），以满足人们的不同听觉需求；而均衡器是通过改变多段频响曲线的方式，以弥补放大器频响特性的不平坦或起与音调控制旋钮相同的作用。

对于某些电路来说，有可能要求通频带窄一点儿好。比如收音机、电视机和电台等设备中的调谐电路和一些带通滤波器就要求通频带在不失真的前提下尽可能地窄，以提高选择性，如图1-27（c）。图1-28是音响设备实例。1.6.3信道通频带921.6信号频谱与信道通频带

信号频谱宽度可类比汽车的车身宽度，信道通频带可类比道路宽度。显然，一条道路要想让汽车顺利通过，其宽度必须大于车身宽度，否则，车辆就无法在道路上行驶；而信道通频带小于信号带宽时，虽然信号仍可在信道中传输，但已丢失了很多信息，信号在信道中是以失真的形式进行传输，就好像把汽车超宽部分切掉在路上跑一样。因此，一条信道要不失真地传送一个信号，必要条件就是其通频带大于信号的频谱宽度。1.6.3信道通频带931.7信息的度量与香农公式

信息是通信系统传输的本质。在传输过程中，信息被各种具体的物理信号所携带。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。

信息是一个抽象的概念，它能否被量化？如何量化？请看下面的例子，“明天太阳从东边出来”绝对没有“明天太阳从西边出来”对信息的受者更有吸引力；同样，当你听说“有人被狗咬了”并不会感到惊奇，但若有人告诉你“一条狗被人咬了”你一定非常吃惊。这说明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可能发生，人们就越感兴趣，信息量就越大。1.7.1信息度量信息量：一个能够衡量信息多少的物理量，通常用英文字母I表示。对于通信系统，信息量等于不确定性减少的量。941.7信息的度量与香农公式

显然，信息量与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率为1，则它传递的信息量就为0。据此可得信息量与事件概率之间的关系式式中，P表示某事件发生的概率，I为从该事件发生的信息中得到的信息量。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。

消息是信息的载体，信息是消息的内涵。通过对消息的分析就可得到其中所含的信息量。由离散信源产生的消息称为离散消息，由连续信源产生的消息就是连续消息。1.7.1信息度量951.7信息的度量与香农公式

离散消息只能用有限个符号表示，可看成是一种具有有限个状态的随机序列，可以用离散型随机过程的统计特性进行描述。离散消息x所含信息量I与消息出现概率P(x)的关系为（1.7-1）

信息量的单位取决于上式中的对数底a。若a=2，单位为比特（bit）；若a=e，单位为奈特（nit）；若取10为底，则单位称为十进制单位或哈特莱。通常广泛使用的是比特。1.7.1信息度量961.7信息的度量与香农公式

传送M个消息之一与传送M进制波形之一是完全等价的。在等概率出现时，每个波形（或每个消息）的出现概率为1/M，取对数底为2，则式（1.7-1）变为（1.7-2）

当M=2，即二进制时，I=1，也就是说，每个二进制波形等概出现时所含信息量是1比特。在数据通信或数字通信中，通常取M为2的整数幂，即M=2k，则每个波形等概出现时所含信息量就是k比特。1.7.1信息度量971.7信息的度量与香农公式

再来考察非等概的情况。设离散信息源是一个由M个符号组成的集合，称符号集。符号集中的每一个符号xi在消息中是按一定概率P(xi)独立出现的，即符号概率场为且有。若消息由一个符号序列组成，则整个消息的信息量为（1.7-3）式中，

和分别为第

个符号出现的次数和概率。

1.7.1信息度量981.7信息的度量与香农公式【例1-2】

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”所含的信息量。

解：由于全概率为1，因此出现“1”的概率为2／3。由式（1.7-1）可知，出现“1”的信息量【例1-3】已知英文字母e和z出现的概率分别为0.105和0.001，求e和z的信息量。解：

e的信息量z的信息量1.7.1信息度量991.7信息的度量与香农公式【例1-4】某离散信源由0，1，2，3四种符号组成，其概率场为求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解：

此消息总长为57个符号，其中0出现23次，l出现14次，2出现13次，3出现7次。由式（1.7-3）可求得此消息的信息量1.7.1信息度量1001.7信息的度量与香农公式

当消息很长时，用符号出现概率计算信息量较麻烦，而用平均信息量计算较好。平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值。因此，M个符号的离散消息的平均信息量为（1.7-4）因上式同热力学中熵的计算公式形式一样，故通常又称它为信息源的熵，其单位为bit／符号。显然，当（等概时的概率值）时，式（1.7-4）即成为式（1.7-2）。

1.7.1信息度量1011.7信息的度量与香农公式【例1-5】求【例1-4】中消息的平均信息量。解：由式（1.7-4）可得因为消息有57个符号，所以该消息所含信息量为与【例1－4】相比，总信息量的结果略有差异，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，这种误差会逐渐减小。1.7.1信息度量1021.7信息的度量与香农公式

根据式（1.7-4）可知，不同的离散信息源可能有不同的熵值。无疑，我们期望熵值愈大愈好，可以证明，在式（1.7-4）成立的条件下，信息源的最大熵发生在每一个符号等慨出现时，即，最大熵值等于（1.7-5）关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。其平均信息量为（1.7-6）式中是连续消息出现的概率密度。1.7.1信息度量103

供车辆行驶的道路有一个重要指标——道路通行能力。指一条道路某一断面上单位时间能够通过的最大车辆数，亦称道路容量，通常用“辆/小时”表示。信道为信号的传输提供途径，类比道路容量的概念，信道也有一个衡量其性能的指标。信道容量：单位时间内信道上所能传输的最大信息量。

它可用信道的最大信息传输速率来表示。

由于信道有数字（离散）和模拟（连续）之分，所以，信道容量也不相同。在此只讨论有扰模拟（连续）信道的信道容量问题。1.7信息的度量与香农公式1.7.2信道容量与香农公式1041.7信息的度量与香农公式

也许有人会问，信道容量是用比特率来衡量的，即是针对数字信道而言的，而模拟信道没有比特率的概念，如何衡量信道容量？其实，不仅是模拟信道的容量，包括模拟信息的信息量在内都是基于数字信息理论或分析方法得出的。其要旨就是，模拟信号可以通过抽样定理变为数字信号。

信号在信道中传输要受到干扰的影响，以至引起信息传输错误，我们把具有干扰的信道称为有扰信道。那么，在怎样的条件下，信道可以无失真（不丢失）地将信息以速率R进行传输呢？香农定理给出了理论答案：

对于一个给定的有扰信道，如果信息源的信息发出速率小于或等于信道容量，即R≤C，则理论上存在一种方法可使信息以任意小的差错概率通过该信道传输。反之，若R＞C，该信道将无法正确传递该信息。1.7.2信道容量与香农公式1051.7信息的度量与香农公式

那么，一个给定连续信道的信道容量与什么因素有关呢？

我们知道，一个频带受限的模拟信号所携带的信息量与它的带宽有关。比如，话音信号的带宽约为4kHz，电视图像信号的带宽为6MHz，通过抽样，离散话音信号的最低抽样频率为8kHz，离散图像信号的最低抽样频率为12MHz，显然电视图像信号的信息量比话音信号大。因此，信号的频带宽，意味着携带的信息量大，传输该信号的信道带宽也要随之增大。可见，信道容量与衡量信道优劣的一个重要指标——通频带宽度有直接关系。另外，在一个实际信道中，除了被传输的有用信号之外，不可避免地混有各种干扰信号，而干扰信号会直接影响信号（信息）的传输。因此，信道容量受到噪声和带宽的双重制约。

1.7.2信道容量与香农公式1061.7信息的度量与香农公式1948年美国数学家香农在论文“通信的数学理论”中提出了著名的“香农公式”。该公式给出了信道带宽、信道容量和白色高斯噪声干扰信号（或信道输出信噪比）之间的关系bit/s

（1.7-7）式中C为信道容量（单位为bit/s或bps），B为信道带宽（Hz），S是信号功率，N是噪声功率。“信噪比”是通信技术中一个很重要的概念，其定义是信号功率与噪声功率之比，简记为SNR。通常取分贝值

（1.7-8）1.7.2信道容量与香农公式1071.7信息的度量与香农公式

式（1.7-7）可用下例帮助理解：设有一段公路（类比一个信道），用每秒通过这段公路的汽车数作为交通量（类比信息量C），公路的宽度类比信道宽度B，S代表汽车数，N表示公路上行人的数量（类比干扰信号）。

显然，交通量与道路宽度成正比，路越宽，单位时间通过的车辆数就能增加；交通量还与路上车辆数与行人数之比有关系，行人越多，占据的路面就越宽，可供车辆通行的路面也就越窄，S/N就小，反之，S/N变大，交通量就大。1.7.2信道容量与香农公式1081.7信息的度量与香农公式【例1-6】若一帧电视图像的信息量为99600bit，电视的帧频为30Hz，为使接收端能收到良好的图像，要求信道的信噪比S/N=1000（10lgS/N=30dB）,求信道的带宽B。注:解：信息传输速率为V=99600×30=29.9×10bps，则信道的容量C至少应等于V，有

C=99600×30=29.9×10bps由香农公式可得即信道带宽约为3MHz。1.7.2信道容量与香农公式1091.7信息的度量与香农公式因噪声功率N与信道的频带宽度有关，设单边噪声功率谱密度为，则可得到香农公式的另一种形式(1.7-9)式中B=N。

从香农公式中我们可得出以下结论：（1）一个给定信道的信道容量受B、S、“三要素”的约束。（2）提高信噪比（信号功率与噪声功率之比）可提高信道容量。

（3）一个给定信道的信道容量既可以通过增加信道带宽减少信号发射功率也可通过减少信道

带宽增加信号发射功率来保证。也就是说，信道容量可通过带宽与信噪比的互换而保持不变。（4）虽然C与B成正比关系，但B

→∞时，C却不能随之趋于无穷大。1.7.2信道容量与香农公式110

通常，把以极限速率传输信息且可使差错率达到任意小的通信系统称为理想通信系统。

带宽与信噪比互换的概念非常重要，香农公式虽未给出具体的实现方法，但却在理论上阐明了这一概念的极限情况,为后人指出了努力的方向。比如“编码”和“调制”等技术就可在一定程度上实现带宽与信噪比互换。

在实际应用中，具体以“谁”换“谁”要视情况而定。比如地面与卫星或宇宙飞船的通信，由于信噪比很低且功率十分宝贵，所以常用加大带宽来保证通信；而在有线载波通信中，信道频带很紧张，这时就要考虑用提高信号功率来减少各路信号的带宽，以增大载波路数。1.7信息的度量与香农公式1.7.2信道容量与香农公式111为加深对香农公式的理解，表1-3给出常见模拟信号带宽及所需的传输信噪比。表1-3几种模拟信号带宽及传输时所需信噪比信号类型信号带宽所需信噪比可听懂的声音信号500Hz～2kHz05～10dB电话话音信号300Hz～3.4kHz25～35dBAM广播音频信号100Hz～5kHz40～50d