《通信原理》课件2第1章

1.1引言1.2通信系统的组成1.3通信系统的分类及通信方式1.4通信系统的质量指标

本章小结习题

通信(Communication)是指不在同一地点的双方或多方之间进行迅速有效的信息传递。

现代社会，可以说通信无处不在。比如电视、广播、电话、短信交流及用网络收发信件等等，都叫通信。我国古代的烽火传警、击鼓作战、鸣金收兵以及古希腊用火炬

位置表示字母等，都是人类利用光和声音进行通信的实例。通信中的消息有很多种形式，如符号、文字、话音、图像、视频、数据等等，可以通过电通信和光通信的方式传递信息。1.1引言在各种各样的通信方式中，利用电磁波和光波来传递各种消息的通信方式就是通常所说的电信(Telecommunication)。电信具有信息传递迅速、准确、可靠，而且几乎不受时间和空间距离的限制等特点，因此电信技术得到飞速发展和广泛应用。现在我们所说的“通信”在通常意义上是指“电信”，本书也是如此。因此，现代通信就是利用光或电技术手段，借助光波或电磁波，实现从一地向另一地迅速而准确的信息传递。通信系统(CommunicationSystem)是指为完成通信任务所需要的一切技术设备和传输媒质所构成的总体。

现在我们来看看无线广播通信系统是怎样工作的。首先播音员的语音信号通过麦克风传至发送设备，并将其调制到所发送的模式和频率，然后通过天线发送出去；接收机接收到的信号是非常微弱的中频或高频信号，将其解调成音频信号，通过放大由扬声器将其播放出来。一个普通的广播过程如图1.2.1所示。图1.2.2所示是一个调频(FM)收音机的工作原理框图，其接收的信号经过混频、中放、检波，解调为音频信号，经功放放大，由扬声器输出。它是无线广播通信系统的一个实例。1.2通信系统的组成图1.2.1无线广播通信系统图1.2.2调频(FM)收音机的工作原理框图我们知道信号不一定只是语音信号，也可以是符号、文字、音乐、数据、图片、活动图像等等，这些原始信息统统用一个名称来命名：信源。这些信号通常具有较低的频谱分量，我们称这种信号为基带信号。

无线广播通信系统中的调制是将基带信号附加到合适的载波信号上，以便在信道上进行传输。针对不同的系统有不同的处理方式，比如上面介绍的无线广播通信系统中的调制，是由发送设备完成此功能的。由于消息存在着许多不同的类型以及不同的传输方法，因此产生了种类繁多的通信系统。

为了分析消息传输的实质，可以把各类通信系统共性及基本组成概括为一个一般模型。不管何种通信系统，信息总是由发送端通过信道传递到接收端的。因此，通信系统的一般模型如图1.2.3所示。图1.2.3通信系统的一般模型信源的作用是产生(形成)消息。消息可以是多种多样的，可以是语音、图像、数据、文字、符号等等。信源可以是有次序的符号序列，也可以是连续变换的时间函数，前者我们称为数字信号，后者称为模拟信号。传输模拟信号的通信系统，称为模拟通信系统，相应地，传输数字信号的通信系统，称为数字通信系统。

发送设备的作用是将消息与信道匹配起来，即将消息转换为适于信道传输的电信号，以便在信道中传输。转换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的方式。有时，发送设备可能还包括为达到某些特殊要求而进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等等

信道的作用是为信号由发送设备传输到接收设备提供传输媒介或途径，可以是有线的，也可以是无线的。在实际应用中，信道可以是包括传输设备的广义传输途径。在信道中，既可以给信号提供传输途径，也可以对传输的信号产生干扰和噪声，使信号产生畸变。

接收设备的作用则是完成发送设备的逆变换，它把接收的信号恢复为原始的信号，送到信宿。信宿是信息到达的目的地，信息通过接收的信号还原为原始的消息，或执行某个动作，或进行显示。

信源和信宿位于通信系统的两端，故又称为终端设备。噪声可以由消息的初始产生环境、构成变换器的电子设备、传输信道以及各种接收设备等所有信号传输环节中的一个或几个产生，为分析方便起见，在模型中把噪声集中由一个噪声源表示，在信道中以叠加方式引入。

根据研究的对象或关心的问题的不同，还可以出现不同形式的具体通信系统模型，比如雷达、声纳及地震法勘测等测量系统，如图1.2.4所示。图1.2.4测量系统模型这类系统主要由4个部分组成：信号源、待测物体(中介体)、信号检测(比较)部分和接收终端(显示)。此类系统中，信号源发出的信号是已知的，一路作为标准信号，另一

路为经待测物体后变化的信号，根据两路信号的变化量来判断待测物体的特征，即通过系统主要测量信号经过中介体后的变化，来判断中介体的特征。1.3.1信号的分类

信号的分类方法有很多，而这些方法之间也是相互关联的。常见的分类方法有以下4种。

1．模拟信号和数字信号

根据信号的特征分类可将信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号是指幅度上取值连续的信号(幅值可由无限个数值表示)。时间上连续的模拟信号如正余弦信号、三角函数信号，图像(电视、传真)信号等，如图1.3.1(a)所示，时间上有无数个点，同时也有无数个幅度。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号。1.3通信系统的分类及通信方式如图1.3.1(b)所示，它是对图1.3.1(a)的模拟信号每隔时间T抽样一次所得到的信号。虽然其波形在时间上是不连续的，但其幅度取值是连续的，所以仍是模拟信号，称之为脉冲幅度调制(PAM，简称脉幅调制)信号。数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内，如图1.3.1(c)所示。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于由数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。图1.3.1模拟信号和数字信号

2．确知信号和随机信号

根据信号是否能够用明确的数学式子表达可分为确知信号和随机信号。

所谓确知信号是指可以用明确的数学式子表达的信号，又称为规则信号。

图1.3.2(a)所示为确知正弦波信号，其数学表达式为f(t)=sinωt，其中ω为角频率，t为时间。有些信号没有确定的数学表示式，当给定一个时间值时，信号的值并不确定，通常只知道它取某一数值的概率，这种信号称为随机信号或不规则信号。严格地说，所有的信号都是随机信号。因为对于接收者来说并不能确定地预知信号在某一瞬间应取何值。研究随机信号时应该用统计的观点和方法。图1.3.2(ｂ)所示为随机信号的波形举例，我们无法确定在某一个具体时间的数值。图1.3.2确知信号和随机信号(a)确知的正弦波信号；(b)随机信号

3．周期性信号和非周期性信号

周期性信号就是每经过一个固定的时间间隔重复出现的信号。实际上严格意义的周期性信号并不存在，因为任何信号都是有开始和结束时间的，但如果在较长时间内信号是重复着某一变化规律的确知信号，就可以认为是周期信号。图1.3.3(a)所示是周期为2π的矩形脉冲信号。不满足固定时间间隔重复出现的信号称为非周期性信号。图1.3.3(b)是幅度为A、脉宽为τ的非周期性的矩形脉冲信号，此形式的信号在形状上像门，故习惯上称为门函数。图1.3.3周期性信号与非周期性信号(a)周期性矩形脉冲信号;(b)非周期性矩形脉冲信号

4．功率信号和能量信号

信号f(t)(电压或电流)在1Ω电阻上所消耗的能量定义为信号的归一化能量，简称能量，可表示为(1-3-1)

若能量为有限值，即E<∞，则此信号f(t)称为能量信号。若信号能量趋于无穷大但其平均功率是有限的，则称此信号为功率信号。功率信号可表示为

(1-3-2)在此，T为时间平均的区间，P为平均功率。

由以上定义可以得出：

正余弦信号是功率信号，非周期性矩形脉冲信号(门函数)是能量信号。

周期性信号一定是功率信号，非周期性信号可以是功率信号，也可以是能量信号。1.3.2通信系统的分类

从前文我们可以看出，通信系统包括了从信源到信宿的整个系统，撇开信源和信宿，连接信源和信宿的体系称为系统。通信系统有不同的分类方法，以下从通信系统模型

的角度来讨论分类。

1．按消息的物理特征分类

根据消息的物理特征的不同，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。目前电话通信网和数据通信网是最普及且发展最快的通信系统。

2．按调制方式分类

通信系统根据信号是否被调制传输可分为基带传输系统和频带(调制)传输系统。所谓的基带传输是将未经频带调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对各种信号调制后传输的总称。调制的种类很多，如表1-3-1所示。表1-3-1调制方式的分类

3．按信号特征分类

根据信道中传输的信号是模拟信号还是数字信号，可把通信系统分成模拟通信系统(如图1.3.4所示)和数字通信系统(如图1.3.5所示)两类。图1.3.4模拟通信系统的模型图1.3.5数字通信系统的模型在模拟通信系统中，在发送端首先将基带模拟信号调制到合适的频段，然后在信道中传输；在接收端，进行相反的过程，将高频信号解调至低频信号，即还原为基带信号。

模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在以下两个主要缺点：

(1)保密性差。

模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。

(2)抗干扰能力弱。

电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，因而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多。

在数字通信系统中，在发送端首先将基带模拟信号转换成数字信号，即进行信源编码。

为提高信号在传输中的可靠性，对数字信号进行信道编码，再调制到合适的频段，以便在信道中传输；在接收端，进行相反的过程，将高频信号解调至低频信号，通过信道解码和信源解码还原为基带信号。

(1)保密性好。语音信号经A／D变换后，可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再经D/A变换还原成模拟信号。

(2)抗干扰能力强。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路以一定的门限电压(称为阈值)去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一个整齐的脉冲(称为整形或再生)。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作，因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的装置，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因此，数字传输既适用于较远距离的传输，也适用于性能较差的线路。

(3)可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。

数字通信系统存在以下缺点：

(1)占用频带较宽。

(2)技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步。如果组成一个数字网，同步问题的解决将更加困难。

(3)进行模/数转换时会带来量化误差。

4．按传输媒介分类

根据信号传输媒介的不同可将通信系统分成两大类。信号沿导线传输的通信系统，称为有线通信系统，如固定电话通信系统、光纤通信系统、有线电视系统等；

信号通过自由空间传输的通信系统称为无线通信系统，如GSM通信系统、微波接力通信系统、卫星通信系统、无线广播系统等。

5．按信号的复用方式分类

根据传输多路信号的信道复用方式可将通信系统分为频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)和波分复用(WDM)通信系统。传统的模拟通信系统中大都采用频分复用方式，数字通信系统中采用时分复用方式，空间扩频、移动通信和卫星通信中采用码分复用方式，而光纤通信系统中通常采用波分复用方式。1.3.3通信方式

通信方式的种类也很多，根据不同的通信特点可将通信方式分为3大类。

1．单工、半双工和全双工传输

对于点与点之间的通信，按消息传送的方向与时间的关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信和全双工通信3种方式。

(1)单工通信。消息只能在单个方向上传输，如图1.3.6(a)所示。对于通信双方来说，只能是一方发送，另一方接收。如广播电视、遥控、遥测等即是单工通信方式。图1.3.6数字通信方式(a)单工通信;(b)半双工通信;(c)全双工通信

(2)半双工通信。双方都可以收发消息，但不能同时进行，如图1.3.6(b)所示。甲方发送消息时乙方接收；乙方发送消息时甲方接收。因为只有一个通道，故不能同时进行。如

同一载频工作的无线对讲机就采用了这种通信方式。

(3)全双工通信。通信双方可同时进行收、发消息的工作方式，如图1.3.6(c)所示。如普通电话机、蜂窝式移动电话等就采用了全双工的通信方式，但实际上，对话过程通常是按半双工通信方式进行的(比如时分复用和码分复用方式的组合)，这在移动通信课程中有详细的讲解。

2．串行传输和并行传输

串行传输采用的是单一信道，数字码元按顺序逐个传送，远程通信均采用这种方式。串行传输如图1.3.7(a)所示。在这种通信方式中，收、发双方必须保持位同步和字同步，否则就不能在接收端正确恢复原始信息。这种传输方式是实际通信系统中比较常用的一种方式，其造价低但传输速度慢。长距离传输时多采用串行传输的通信方式。

并行传输是指多个数字信号码元同时在多个并行的信道中传送，如图1.3.7(b)所示。这种传输方式只适用于近距离传输或设备内部的通信，如计算机主机与外设(如打印机或仪器)之间的通信，其传输速度快但造价高。并行传输一次传输一个字符，收、发之间不存在字同步问题。图1.3.7串行传输和并行传输(a)串行传输;(b)并行传输

3．同步传输和异步传输

根据信息传输过程中，收、发两端采用的不同同步原理，可将信号的传输方式分为异步传输和同步传输。

(1)异步传输。异步传输也称起止式传输，它是利用起止法来达到收、发同步的。异步传输每次只传输一个字符，用起始位和停止位来指示被传输字符的开始和结束。在如图1.3.8所示的异步传输中，字符的传输由起始位(如逻辑电平1)引导，表示一个新字符的开始，占一位码元的时间。在每个传送的信息码之后加一个停止位(如逻辑电平0)，表示一个字符的结束，通常停止位的宽度为1、1.5或2位码元宽度，可根据不同的需要进行选择。这样接收端在收到下一个字符的起始位前，线路一直处于逻辑0状态。接收方就可以根据特定宽度的逻辑电平从0到1的跳变来识别一个新字符的开始。异步传输中每一个字符的发送都是独立和随机的，以不均匀的速率发送，所以这种方式被称为异步传输。该传输方法简单，但每传输一个信码都要增加2～3位的附加位，故传输效率较低。例如，传输一个ASCII码字符，每个ASCII码有7位，若停止位用2位，再加上1位奇偶校验位和1位起始位，共11位。11位传输码中只有7位是有用信息，其传输效率只有64％。图1.3.8异步传输

(2)同步传输。同步传输是以一个数据块为单位进行信息传输的。为了让接收方准确地确定每个数据块的开始和结束，需要在数据块的前面加上一个前文(Preamble)，表示数据块的开始；在数据块的后面加一个后文(Postamble)，表示数据块的结束。通常把这种加有前文和后文的一个数据块称为一帧(Frame)。

图1.3.9是面向字符型和面向比特型的帧

结构。图1.3.9同步传输的帧结构(a)面向字符型帧;(b)面向比特型帧同步传输方式中，数据的传输是由定时信号控制的。定时信号可由终端设备产生，也可由通信设备(如调制解调器、多路复用器等)提供。在接收端，通常由通信设备从接收信号

中提取定时信号。

实际通信过程中，常将同步传输称为同步通信，异步传输称异步通信。显然，同步通信的效率要比异步通信的效率高，因此同步通信方式更适用于高速数据传输的场合。对通信系统进行综合评价和设计时，会涉及到很多的性能指标，如有效性、可靠性、经济性、适应性、标准性及使用维修是否方便等等。没有这些指标，就无法评价一个系统，也无法设计一个系统，因此了解一个系统的性能指标是很重要的。1.4通信系统的质量指标从信息传输的角度来看，通信的有效性和可靠性是系统最重要的性能指标。所谓的有效性是指信息传输的“速度”问题，而可靠性则主要是指信息传输的“质量”问题。显然，有效性和可靠性是一对相互矛盾的问题，而这对矛盾也只能依据实际要求取得相对的统一。如在一定的有效性条件下，尽量提高消息的可靠性；或在一定可靠性的条件下，尽可能提高信息的传输速率。

1．有效性

有效性是指信息传输的效率问题，即衡量一个系统传输信息的多少和快慢。

在模拟通信系统中，通信的有效性常用信息传输时的有效传输带宽来衡量。传输同样的信息，所占有的带宽越大，有效性越差。在指定的信道带宽内，传送的信息越多，信号传输的有效性越好。在数字通信系统中，通信的有效性通常用码元传输速率和信息传输速率来衡量。码元速率(RB)是指单位时间内传输的码元符号的个数，单位为波特(Baud)，简写为“B”。信息速率(Rb)又称信息速率或传信率，是指单位时间内传输信息量的大小，单位为比特/秒(bit/s)，简写为b/s。如系统每秒钟传输800个码元符号，则不管这些符号是二进制、四进制还是其他进制，码元速率都是800B；若系统每秒传送的信

息量为1200比特，则其信息传输速率为1200bit/s。信息速率与码元速率都表示系统传输信息的速度，但两者的概念是不同的，使用时不能混淆。两者之间存在一定的关系，若码元符号采用M进制(M=2K，K=1，2，…)，用RB表示M进制码元的传输速率，Rb表示信息的传输速率，则每个码元包含的信息量为lbMbit，这时有

Rb=RBlbM

(1-4-1)

当符号码元为二进制时，RB=Rb，二者一样。若符号码元为二进制，单位时间内传输的码元的个数为1200，则信息速率为1200b/s；若符号码元为四进制，同样的码元速率，则信息速率为Rb=1200

lb4=2400bit/s。同样，若八进制信号的信息速率为2400bit/s，则其码元速率为RB=Rb/lb8=2400/lb8=800B。

在比较两个系统的有效性时，仅考虑传输速率是不够的。比如一个系统在4kHz信道内传输1200bit/s的信号，另一个系统在8kHz信道内传输1200bit/s的信号，占用的信道资源数是不同的，带宽窄的系统的有效性就高些。因此，引入一个衡量有效性的指标：频带利用率η，即系统在单位时间、单位频带上传输的信息量，单位为比特/秒/赫兹(bit/s/Hz或bit/(s·Hz))。二进制系统中，最大的频带利用率为η=2bit/(s·Hz)；多进制系统中，最大的频带利用率大于2bit/(s·Hz)。频带利用率越高，系统的有效性越好。

2．可靠性

可靠性是度量系统可靠传输信息的指标，表示收、发信息之间的相似程度，它取决于系统的抗噪声性能的好坏。

在模拟通信系统中，可靠性是用系统的抗噪声性能来衡量的，即系统的输出信噪比，其定义为系统输出的信号和噪声功率的比值。一般情况下，接收端接收的信号与发送端发送的信号会有差别，一个原因是信号在传输过程中受到叠加噪声(加性噪声)的影响，另一个原因是因为信道传输特性不理

想而受乘性噪声的影响。这两种噪声各有特点，加性噪声不管信号有无都存在，而乘性噪声仅在有信号时存在。由于加性噪声始终存在，因此在分析问题时主要考虑加性噪声。输出信噪比除了与输出信号功率、噪声功率有关外，还与调制方式有关。

因此要改善信噪比，还可以通过改变调制模式来实现。通常，电视节目的信噪比至少为50dB，优质电视的信噪比应在60dB以上。

本书主要研究加性噪声。

在数字通信系统中，可靠性用差错率来衡量。差错率可以用误码率和误比特率表示。误码率就是接收的错误码元占传输总码元的比例，用Pe表示误码率，即(1-4-2)误比特率就是接收的错误比特数在传输总比特数中所占的比例，它表示传输的1比特信息被错误接收的概率，用Pb表示，即

(1-4-3)

有效性和可靠性是相互矛盾的，提高有效性就会降低可靠性，反之亦然。因此在设计通信系统时要权衡考虑这两个性能指标。本章主要介绍通信的基本概念及系统模型、通信系统的分类及工作方式、通信系统的主要技术指标和通信的发展方向等内容。通信方式的分类方法很多，有单工、半双工、全双工，串行和并行，同步和异步传输等。从信息传输的角度来讲，通信系统的主要性能指标是：通信的有效性和可靠性，有效性是指信息传输的效率问题，即衡量一个系统传输信息的多少和快慢；可靠性是指系统接收信息的准确程度。本章小结对于模拟通信系统，其有效性通常用每路信号的有效传输带宽来衡量；传输的可靠性则用通信系统的输出信噪比来衡量。对数字通信系统，其有效性通常用码元传输速率或信息传输速率来衡量；传输的可靠性则用差错率来衡量。差错率有两种形式：误码率和误比特率。一、填空题

1．通信(Communication)是指不在()地点的()或()之间进行迅速有效的信息传递。

2．串行传输的数据码元是一位接一位地在()条信道上传输的。对采用这种通信方式的系统而言，同步极为重要，收、发双方必须保持()同步和()同步，才能在接收端正确恢复原始信息。习题

3．并行传输中，构成一个编码的所有码元都是同时传送的。由于一次传送一个字符，并行传输的收发之间不存在()同步问题。显然，并行传输的速率高于串行传输。由于并行信道成本高，主要用于()或()传输，()传输时一般多采用串行信道传输。

4．同步传输不是以一个字符而是以一个数据块为单位进行信息传输的。为了让接收方能准确确定每个数据块的()和()，需要给数据块分别加上一个前文和后文。通常把这种加有前文和后文的数据块称为()。

5．模拟信号就是()上取值连续的信号，其自变量可以是()或()的，但()一定是连续的。

6．模拟通信系统的有效性一般用系统()来表示。采用不同调制方式传输同样的信息，所需要的频带宽度和系统的性能都是()的。二、单选题

1．传统方式下，广播、电视系统是典型的()传输系统；当某收音或电视频道节目采用听众/观众互动方式进行时，该广播、电视系统又成为()传输系统。因此，综合而言，广播、电视系统是典型的()传输系统。

A．单工 B．半双工

C．双工 D．不确定

2．异步传输方法简单，但每传输一个码元都要增加2～3位的附加位，故传输效率较低。如传输一个汉字字符，每个汉字码有16位，若停止位用2位，再加上1位奇偶校验位和1位起始位，其传输效率只有()。

A．50％B．60％C．70％D．80％

3．信道是所有信号传输媒介的总称，通常分有线信道和()两种。

A．卫星信道 B．无线信道

C．移动信道 D．电磁信道

4．数字通信最突出的缺点就是()。

A．码间串扰严重 B．占用频带宽

C．传输效率不高 D．传输速率低

5．衡量系统有效性最全面的指标是()。

A．系统的频带利用率B．系统的带宽

C．系统的响应速率D．系统的传输速率

三、多选题

1．异步传输中，字符的传输由起始位引导，表示一个新字符的开始，占()位码元时间。每个传送的信息码之后都有停止位，表示一个字符的结束，其宽度通常为()

码元宽度。

A．1位B．1.5位C．2位D．4位

2．信号是信息的一种电磁表示方法，它利用某种可以被感知的物理参量——如()等来携带信息。

A．电压B．电流C．光波强度D．频率3．数字信号是信号的()取值离散的信号，其状态数量即强度的取值个数必然有限。

计算机以及数字电话等系统中传输和处理的都是数字信号。

A．电流强度 B．电压幅度

C．因变量 D．自变量

4．和模拟通信系统相比，数字通信主要具有()等优点。

A．抗干扰力强B．传输可靠性高

C．通信保密性强D．易于集成，体积小、重量轻

5．通信系统的指标主要应从信息传输的()方面来考虑。

A．经济性