第一章通信系統(tǒng)概論

1、 v第一章 通信系統(tǒng)概論 v第二章 模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼 v第三章 數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸 v第四章 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸 v第五章 信道編碼技術(shù) v第六章 信道復(fù)用與多址技術(shù) v第七章 同步原理 v第八章 數(shù)字信號(hào)的最佳接收 v1、能力目標(biāo): （1）能夠正確操作常用數(shù)字通信測(cè)量?jī)x器 （2）能用儀器測(cè)量各種技術(shù)參數(shù)并理解其含義 （3）能夠用儀器測(cè)量數(shù)字通信中調(diào)制解調(diào)電路 的特性 （4）能夠用儀器測(cè)試并分析數(shù)字通信傳輸鏈路 的性能 （5）能夠用儀器觀測(cè)并分析數(shù)字通信中差錯(cuò)控 制編碼的作用 v2、知識(shí)目標(biāo): （1）掌握信道與噪聲的特點(diǎn) （2）掌握模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸原理 （3）了解信道復(fù)用與數(shù)字復(fù)接技

2、術(shù)的工作原 理 （4）理解數(shù)字信號(hào)的基帶、頻帶傳輸工作原 理及應(yīng)用 （5）掌握同步技術(shù)分類、原理及應(yīng)用 （6）掌握差錯(cuò)控制編碼的分類、原理、功能 及應(yīng)用 v教學(xué)目的 數(shù)字通信原理是通信工程專業(yè)的一門非常 重要的專業(yè)課，通過本課程的學(xué)習(xí)，能使同學(xué)們 對(duì)數(shù)字通信的基本概念及數(shù)字通信系統(tǒng)等有個(gè)較 全面的了解，并能掌握一定的數(shù)字通信的基本理 論和技能。 學(xué)好這門課為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下一個(gè)良好的 基礎(chǔ)，同時(shí)也會(huì)對(duì)將來(lái)從事通信和計(jì)算機(jī)等方面 的工作有所幫助。 v1.1 通信的基本概念與通信系統(tǒng) v1.2 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) v1.3 信道容量與香農(nóng)公式 v1.1.1通信的發(fā)展通信的發(fā)展 遠(yuǎn)古時(shí)代的人類用

3、表情和動(dòng)作進(jìn)行信息交 流,這是最原始的通信方式。后來(lái),人類在漫長(zhǎng)的生 活中創(chuàng)造了語(yǔ)言和文字,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)言和文字 的消息交流。除此之外,人類還創(chuàng)造了許多消息的 傳遞方式,如古代的烽火臺(tái)、金鼓、錦旗和航行用 的信號(hào)燈等,這些都是解決遠(yuǎn)距離消息傳遞的方式。 進(jìn)入19世紀(jì)后,人們開始試圖用電信號(hào)進(jìn)行 通信。表11中列出了一些與通信相關(guān)的歷史事 件,讀者可從中清晰地掌握通信發(fā)展的概貌。 通信技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在電纜通信、微波中繼通 信、光纖通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信等幾個(gè)方面。下面通 過分析現(xiàn)代通信技術(shù)的現(xiàn)狀來(lái)看看未來(lái)通信的發(fā)展趨勢(shì)。 電纜通信是最早發(fā)展起來(lái)的通信手段。其用于長(zhǎng)途通 信已有60余年歷史

4、,在通信中占有突出地位。在光纖通信 和移動(dòng)通信發(fā)展之前,電話、傳真、電報(bào)等各用戶終端與 交換機(jī)的連接全靠市話電纜。電纜還曾是長(zhǎng)途通信和國(guó)際 通信的主要手段,大西洋、太平洋均有大容量的越洋電纜。 由于光纖通信的發(fā)展,同軸電纜逐漸被光纖電纜所取代。 微波中繼通信始于20世紀(jì)60年代,它彌補(bǔ)了電纜通信的 缺點(diǎn),較一般電纜通信,具有易架設(shè),建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)。它是 目前通信的主要手段之一,主要用于傳輸長(zhǎng)途電話和電視節(jié)目。 隨著數(shù)字通信的發(fā)展,數(shù)字微波成為微波中繼通信的主要發(fā)展 方向。 光纖通信是以光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)為傳輸媒質(zhì)、以光波 為載波的通信方式。光纖通信具有容量大、頻帶寬、傳輸損 耗小、抗電磁干

5、擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),且成本低,與 同軸電纜相比可以節(jié)約大量有色金屬和能源。光纖通信已成 為各種通信干線的主要傳輸手段。 衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn),覆蓋面積大,不受地形 條件限制,傳輸容量大,建設(shè)周期短,可靠性高。自1965年第 一顆國(guó)際通信衛(wèi)星投入商用以來(lái),衛(wèi)星通信得到迅速發(fā)展, 現(xiàn)在第六代國(guó)際通信衛(wèi)星即將投入使用。目前,衛(wèi)星通信 的使用范圍已遍及全球,僅國(guó)際衛(wèi)星通信組織就擁有數(shù)十 萬(wàn)條話路,80的洲際通信業(yè)務(wù)和100的遠(yuǎn)距離電視傳輸 業(yè)務(wù)均采用衛(wèi)星通信,衛(wèi)星通信已成為國(guó)際通信的主要手 段。同時(shí),衛(wèi)星通信已進(jìn)入國(guó)內(nèi)通信領(lǐng)域,許多發(fā)達(dá)國(guó)家和 發(fā)展中國(guó)家均擁有國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 v 數(shù)字

6、蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是將通信范圍分為若干相距 一定距離的小區(qū),移動(dòng)用戶可以從一個(gè)小區(qū)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè) 小區(qū),依靠終端對(duì)基站的跟蹤,使通信不中斷。移動(dòng)用戶還 可以從一個(gè)城市漫游到另一個(gè)城市,甚至到另一個(gè)國(guó)家與 原注冊(cè)地的用戶終端通話。數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由 三部分組成:控制交換中心、若干基站、諸多移動(dòng)終端。 通過控制交換中心進(jìn)入公用有線電話網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電 話與固定電話、移動(dòng)電話與移動(dòng)電話之間的通信。 v 目前廣泛應(yīng)用的是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）即 GSM系統(tǒng)和第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）即CDMA系統(tǒng) v1 通信的定義通信的定義 一般意義上的通信(Communication)是指由 一地向另一地

7、進(jìn)行消息的有效傳遞。滿足此定義 的例子很多，如打電話，它是利用電話(系統(tǒng))來(lái) 傳遞消息；兩個(gè)人之間的對(duì)話，亦是利用聲音來(lái) 傳遞消息，不過只是通信距離非常短而已；古代 “消息樹”、“烽火臺(tái)”和現(xiàn)代仍使用的“信號(hào) 燈”等也是利用不同方式傳遞消息的，理應(yīng)歸屬 通信之列。 然而，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對(duì)傳遞消息的要求 也越來(lái)越高。在各種各樣的通信方式中，利用“電”來(lái)傳遞 消息的通信方法稱之為電信(Telecommunication)，這種通信 具有迅速、準(zhǔn)確、可靠等特點(diǎn)，而且?guī)缀醪皇軙r(shí)間、地點(diǎn)、 空間、距離的限制，因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。如今， 在自然科學(xué)中，“通信”與“電信”幾乎是同義詞了

8、。本教 材中所說(shuō)的通信，均指電信。這里不妨對(duì)通信重新定義：把 利用電子等技術(shù)手段，借助電信號(hào)(含光信號(hào))實(shí)現(xiàn)從一地向 另一地進(jìn)行消息的有效傳遞和交換稱為通信。 通信從本質(zhì)上講就是實(shí)現(xiàn)信息傳遞功能的 一門科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息無(wú)失真、 高效率地進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要在傳輸過程中將無(wú) 用信息和有害信息抑制掉。當(dāng)今的通信不僅要有 效地傳遞信息，而且還有存儲(chǔ)、處理、采集及顯 示等功能，通信已成為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要 組成部分。 v2 通信的分類通信的分類 常用的通信分類方法有以下幾種。 v1.按傳輸媒質(zhì)分按傳輸媒質(zhì)分 按消息由一地向另一地傳遞時(shí)傳輸媒質(zhì)的不同，通信可 分為兩大類：一類稱為有線通信

9、，另一類稱為無(wú)線通信。所 謂有線通信，是指?jìng)鬏斆劫|(zhì)為導(dǎo)線、電纜、光纜、波導(dǎo)等形 式的通信，其特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見，摸得著。導(dǎo)線可以是架 空明線、電纜、光纜及波導(dǎo)等。所謂無(wú)線通信，是指?jìng)鬏斚?息的媒質(zhì)為看不見、摸不著的媒質(zhì)(如電磁波)的一種通信形 式。 通常，有線通信亦可進(jìn)一步再分類，如明線通信、電纜 通信、光纜通信等。無(wú)線通信常見的形式有微波通信、短波 通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、散射通信等。 v 2.按信道中所傳信號(hào)的不同分按信道中所傳信號(hào)的不同分 信道是傳輸信號(hào)的通路。通常信道中傳送的 信號(hào)可分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，由此，通信亦可 分為數(shù)字通信和模擬通信。 凡信號(hào)的某一參量(如連續(xù)波的振幅、頻

10、率、 相位，脈沖波的振幅、寬度、位置等)可以取無(wú)限多 個(gè)數(shù)值，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的，稱為模擬信號(hào)。 模擬信號(hào)有時(shí)也稱連續(xù)信號(hào)，這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的 某一參量可以連續(xù)變化(即可以取無(wú)限多個(gè)值)，例 如強(qiáng)弱連續(xù)變化的語(yǔ)音信號(hào)，亮度連續(xù)變化的電視 圖像信號(hào)等都是模擬信號(hào)。 凡信號(hào)的某一參量只能取有限個(gè)數(shù)值，并且 常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的，稱為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字 信號(hào)有時(shí)也稱離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某參 量是離散(不連續(xù))變化的，而不一定在時(shí)間上也離 散。 v 3.按工作頻段分按工作頻段分 根據(jù)通信設(shè)備的工作頻率不同，通信通?？煞譃殚L(zhǎng) 波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。為了比較 全面地對(duì)通信中所使

11、用的頻段有所了解，下面把通信使 用的頻段及說(shuō)明列入表12中。 通信中工作頻率和工作波長(zhǎng)可互換，公式為 式中，為工作波長(zhǎng)；f 為工作頻率；C 為電波在自由空間 中的傳播速度，通常認(rèn)為C=3108 m/s。 f C (1-1) v 4. 按調(diào)制方式分按調(diào)制方式分 根據(jù)消息在送到信道之前是否采用調(diào)制， 通信可 分為基帶傳輸和頻帶傳輸。所謂基帶傳輸是指信號(hào)沒有 經(jīng)過調(diào)制而直接送到信道中去傳輸?shù)囊环N方式，而頻帶 傳輸是指信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后再送到信道中傳輸，收端有相 應(yīng)解調(diào)措施的通信系統(tǒng)。 v3 通信的方式通信的方式 v 1.按消息傳送的方向與時(shí)間分按消息傳送的方向與時(shí)間分 通常，如果通信僅在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間進(jìn)行，

12、或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 之間進(jìn)行，那么，按消息傳送的方向與時(shí)間不同，通信的 工作方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信。 v 所謂單工通信，是指消息只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)囊?種通信工作方式，如圖11(a)所示。單工通信的例子很 多，如廣播、遙控、無(wú)線尋呼等，這里，信號(hào)(消息)只從 廣播發(fā)射臺(tái)、遙控器和無(wú)線尋呼中心分別傳到收音機(jī)、 遙控對(duì)象和BP機(jī)上。 v 所謂半雙工通信方式，是指通信雙方都能收發(fā)消息， 但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的形式，如圖11(b)所示。例如 對(duì)講機(jī)、收發(fā)報(bào)機(jī)等都是這種通信方式。 v 所謂全雙工通信方式，是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收 發(fā)信息的工作方式。如圖1-1（c）所示。例如普通電話、 手機(jī)

13、都是這種通信方式。 圖 1-1 按消息傳送的方向和時(shí)間劃分的通信方式 (a) 單工方式； (b) 半雙工方式； (c) 全雙工方式 v 2.按數(shù)字信號(hào)排序分按數(shù)字信號(hào)排序分 在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號(hào)排列的 順序不同，可將通信方式分為串行傳輸和 并行傳輸。 所謂串行傳輸，即是將代表信息的數(shù)字信號(hào)序列按時(shí)間順序 一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸?shù)姆绞?，如圖12(a)所示； 優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用 缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施 如果將代表信息的數(shù)字信號(hào)序列分割成兩路或兩路以上的數(shù) 字信號(hào)序列同時(shí)并行在信道上傳輸，則稱為并行傳輸通信方 式 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符

14、同步措施 缺點(diǎn)：需要 n 條通信線路，成本高 v 3.按通信網(wǎng)絡(luò)形式分按通信網(wǎng)絡(luò)形式分 通信的網(wǎng)絡(luò)形式通?？煞譃槿N：點(diǎn)到點(diǎn)通信方式、 點(diǎn)到多點(diǎn)通信(分支)方式和多點(diǎn)到多點(diǎn)通信(交換)方式， 它們的示意圖如圖13所示。 點(diǎn)到點(diǎn)通信方式是通信網(wǎng)絡(luò)中最為簡(jiǎn)單的一種形式，終端A與終 端B之間的線路是專用的； 在點(diǎn)到多點(diǎn)通信(分支)方式中，它的每一個(gè)終端(A,B,C,N)經(jīng)過 同一信道與轉(zhuǎn)接站相互連接，此時(shí)，終端之間不能直通信息，而必須 經(jīng)過轉(zhuǎn)接站轉(zhuǎn)接，此種方式只在數(shù)字通信中出現(xiàn)； 多點(diǎn)到多點(diǎn)通信(交換)方式是終端之間通過交換設(shè)備靈活地進(jìn)行 線路交換的一種方式，即把要求通信的兩終端之間的線路接通(自動(dòng)

15、 接通)，或者通過程序控制實(shí)現(xiàn)消息交換，即通過交換設(shè)備先把發(fā)方 來(lái)的消息存儲(chǔ)起來(lái)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至收方，這種消息轉(zhuǎn)發(fā)可以是實(shí)時(shí)的， 也可是延時(shí)的。 圖 1-3 按網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式 (a) 兩點(diǎn)間直通方式； (b) 分支方式； (c) 交換方式 v1 通信系統(tǒng)的模型通信系統(tǒng)的模型 v通信的任務(wù)是完成消息的傳遞和交換。以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通 信為例，可以看出要實(shí)現(xiàn)消息從一地向另一地的傳遞， 必須有三個(gè)部分：一是發(fā)送端，二是接收端，三是收發(fā) 兩端之間的信道，如圖14所示。 v模型中各部分功能如下： (1) 信源 信源是指發(fā)出信息的信息源，或簡(jiǎn)單地說(shuō)是 信息的發(fā)出者。信息源(簡(jiǎn)稱信源)的作用是把待 傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)

16、換成原始電信號(hào)，如電話系統(tǒng)中電 話機(jī)可看成是信源，信源輸出的信號(hào)稱為基帶信 號(hào)。所謂基帶信號(hào)，是指沒有經(jīng)過調(diào)制的原始信 號(hào)，其特點(diǎn)是頻率較低?；鶐盘?hào)可分為數(shù)字基 帶信號(hào)和模擬基帶信號(hào)。 (2) 變換器 變換器的功能是把信源發(fā)出的信息變換成適 合在信道上傳輸?shù)男盘?hào)。 (3) 信道 信道是信號(hào)傳輸?shù)耐?是信號(hào)傳輸媒介的總稱。 信道中自然會(huì)疊加上噪聲。 (4)反變換器 在接收端，接收設(shè)備的功能正好相反于發(fā)送設(shè)備， 它將從收到的信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號(hào)。 (5)信宿 受信者(也稱信宿或收終端)是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn) 換成相應(yīng)的消息，如電話機(jī)將對(duì)方傳來(lái)的電信號(hào)還原成了 聲音。 (6)噪聲源 噪聲源是

17、信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng) 中其他各處噪聲的集合。圖中這種表示并非指通信中一定 要有一個(gè)噪聲源，而是為了在分析和討論問題時(shí)便于理解 而人為設(shè)置的。 v根據(jù)信號(hào)物理參量基本特征的不同，信號(hào)可以分為兩大 類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 v 1.模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng) 我們把信道中傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。模擬通信 系統(tǒng)的組成(通常也稱為模型)可由一般通信系統(tǒng)模型略加改變而成， 如圖15所示。 圖15模擬通信系統(tǒng)模型 v 對(duì)于模擬通信系統(tǒng)，它主要包含兩種重要變換。一是 把連續(xù)消息變換成電信號(hào)(發(fā)端信息源完成)和把電信號(hào)恢 復(fù)成最初的連續(xù)消息(收端受信者完成)。 v 由信源輸出的電信號(hào)(

18、基帶信號(hào))具有頻率較低的頻譜 分量，一般不能直接作為傳輸信號(hào)而送到信道中去。因此， 模擬通信系統(tǒng)里常有第二種變換，即將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成其 頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?hào)，這一變換由調(diào)制器完成； v 在接收端同樣需經(jīng)相反的變換，它由解調(diào)器完成。經(jīng) 過調(diào)制后的信號(hào)通常稱為已調(diào)信號(hào)。已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本 特性：一是攜帶有消息，二是適合在信道中傳輸，三是具 有較高頻率成分。 v圖1-6語(yǔ)聲模擬通信系統(tǒng)示意圖 v 2.數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng) 與模擬通信相對(duì)應(yīng)，信源所發(fā)出的信息經(jīng)變換和處理 后，送往信道上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字 通信系統(tǒng)。語(yǔ)聲信號(hào)的數(shù)字通信系統(tǒng)構(gòu)成如下圖1-7所示。 圖1-7語(yǔ)聲數(shù)字通信

19、系統(tǒng)示意圖 v 信源編碼的作用： 1. 將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)，即模數(shù)轉(zhuǎn)換 （A/D轉(zhuǎn)換）。 2. 盡量降低數(shù)字信號(hào)的傳輸數(shù)碼率，即數(shù)據(jù)壓縮編 碼技術(shù)，信源編碼技術(shù)很大程度上是圍繞壓縮編碼技術(shù)來(lái) 展開的，以提高通信系統(tǒng)的性能。 v 信源解碼的作用： 是信源編碼的逆過程，將接收端收到的數(shù)字信號(hào)還 原為原來(lái)的模擬信號(hào)，即數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）。 v 信道編碼的作用： 信道環(huán)境很復(fù)雜，經(jīng)過信源編碼后的數(shù)字 信號(hào)在信道傳輸過程中會(huì)受到各種各樣的噪聲干擾， 難免會(huì)發(fā)生差錯(cuò)，為提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力， 盡可能地對(duì)傳輸過程中產(chǎn)生的差錯(cuò)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn) 可靠通信，我們就采用了差錯(cuò)控制編碼，也稱為信 道編

20、碼。 v 信道解碼的作用： 信道解碼是信道編碼的逆過程，功能是將 傳輸過程中增加的差錯(cuò)控制編碼恢復(fù)成原來(lái)的信號(hào)。 v 1. 數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn) (1)抗干擾能力強(qiáng) 在數(shù)字通信中，由于數(shù)字信號(hào)的幅度值為有限個(gè)數(shù) 的離散值(通常取兩個(gè)幅值)，在傳輸過程中受到噪聲干擾 雖然也要疊加噪聲，但當(dāng)信噪比還沒有惡化到一定程度 時(shí)，即在適當(dāng)?shù)木嚯x，采用再生的方法即可消除噪聲干 擾，將信號(hào)再生成原發(fā)送的信號(hào)，如圖1.9(b)所示。 圖1.9 兩類通信方式抗干擾性能比較 （2）便于加密處理，且保密性強(qiáng) 信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄栽絹?lái)越受到重視，數(shù) 字通信的加密處理比模擬通信更容易實(shí)現(xiàn)。以語(yǔ)聲數(shù)字

21、通信為例，經(jīng)過數(shù)字變換后的信號(hào)就可以用簡(jiǎn)單的數(shù)字 邏輯運(yùn)算進(jìn)行加密處理，如圖1.10所示。 圖1.10 數(shù)字通信加密方法示意 v （3）差錯(cuò)可控 數(shù)字信號(hào)通過差錯(cuò)控制編碼，可采 用糾錯(cuò)和檢錯(cuò)技術(shù)，可提高通信的可靠性。 v （4）易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化 由于數(shù)字通信系統(tǒng)中大部分電路都 是由數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，微電子技術(shù)的發(fā) 展可使數(shù)字通信便于用大規(guī)模和超大規(guī)模 集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 v （5）易于與各種數(shù)字終端接口 v 2.數(shù)字通信的缺點(diǎn)數(shù)字通信的缺點(diǎn) (1)數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)占的頻帶寬，頻帶利用率 不高。數(shù)字通信中，數(shù)字信號(hào)占用的頻帶寬，以電話為 例，一路數(shù)字電話一般要占據(jù)約2060kHz

22、的帶寬，而一 路模擬電話僅占用約4 kHz帶寬。如果系統(tǒng)傳輸帶寬一定 的話， 模擬電話的頻帶利用率要高出數(shù)字電話的515倍。 (2) 系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜，同步要求較高。數(shù)字通信 中，要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號(hào)，必須要求收端和發(fā)端保持嚴(yán)格 同步。因此，數(shù)字通信系統(tǒng)及設(shè)備一般都比較復(fù)雜，體 積較大。 如何評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是選擇 和使用一個(gè)通信系統(tǒng)所面臨的首要問題。因此， 必須找出能夠反映通信系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)， 然而，研究通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一個(gè)非常復(fù) 雜的問題，它包含有多方面的指標(biāo)，如有效性、 可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、保密性、標(biāo)準(zhǔn)性和 維護(hù)的便利性等，這些指標(biāo)從不同的角度對(duì)通 信系統(tǒng)的優(yōu)劣做出評(píng)價(jià)

23、。但是通信的基本任務(wù) 是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息，所以通信系統(tǒng)的諸 多性能指標(biāo)中起決定作用的主要是快速（有效 性）和準(zhǔn)確（可靠性）。 v 有效性即信息傳遞的速度，是指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí) 所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說(shuō)是傳 輸?shù)摹八俣取眴栴}。即在給定的信道內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)傳輸 的信息量的多少。通常總是希望在單位時(shí)間里傳輸更多的 信息。 v 可靠性即信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，是指接收信息的準(zhǔn)確程 度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。 v 顯然，有效性和可靠性是兩個(gè)互相矛盾的指標(biāo)，提高 有效性往往就意味著降低可靠性，反之，提高可靠性必然 會(huì)降低有效性。工程實(shí)際中經(jīng)常采用在保證一定的可靠性 指標(biāo)的情況下，盡

24、可能地提高信息傳輸速率；或者在維持 一定的有效性的條件下，盡量提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。 模擬通信系統(tǒng)中有效性：用有效傳輸頻帶來(lái)度量。 即用傳輸頻帶寬度來(lái)衡量。 如模擬通信的多路頻分復(fù)用傳輸，當(dāng)每一路的有效 帶寬一定時(shí)，信道帶寬越寬，可以容納的路數(shù)就越多，也 就意味著系統(tǒng)的有效性越好。當(dāng)然模擬通信系統(tǒng)的有效帶 寬與系統(tǒng)采用的調(diào)制方式有關(guān)，如調(diào)頻方式就要比調(diào)幅方 式占用更大的帶寬。不同調(diào)制方法得到的有效帶寬不一樣， 系統(tǒng)的有效性也不同。 v可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。 模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是用接收端輸出信噪比 評(píng)價(jià)的。信噪比是信號(hào)的平均功率S和噪聲的平均功率N 的比值。信噪比越大，說(shuō)明

25、噪聲對(duì)信號(hào)的影響越小，通 信的質(zhì)量就越好，即系統(tǒng)的可靠性越高。輸出信噪比不 僅僅與信道內(nèi)的信號(hào)功率和噪聲功率有關(guān)，還與信號(hào)的 調(diào)制方式有很大關(guān)系。如調(diào)頻系統(tǒng)的信噪比就比調(diào)幅系 統(tǒng)的要高。 v1有效性有效性-傳輸速率傳輸速率 通常，評(píng)價(jià)數(shù)字通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo)是傳輸速率。 傳輸速率又分為碼元傳輸速率和信息傳輸速率。 （1）碼元傳輸速率RB 碼元傳輸速率RB又稱為碼元速率，簡(jiǎn)稱傳碼率。是 指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目，單位為波特 （Baud），常用符號(hào)“B”表示。例如系統(tǒng)1秒鐘傳輸 3600個(gè)碼元，則稱碼元速率為3600波特（B）。 例如：二進(jìn)制調(diào)頻波，一個(gè)例如：二進(jìn)制調(diào)頻波，一個(gè)1或或0符號(hào)

26、的持續(xù)時(shí)間為符號(hào)的持續(xù)時(shí)間為 sT 6 10833 ，則碼元速率為多少？，則碼元速率為多少？ 解：碼元速率為解：碼元速率為 1200 10833 11 6 T RB Baud v（2）信息傳輸速率Rb 信息傳輸速率Rb又稱為信息速率，簡(jiǎn)稱傳信率。是 指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)钠骄畔⒘炕虮忍財(cái)?shù)。單位 是bit/s或bps。 碼元速率和信息速率都屬于數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性 指標(biāo)，兩者之間既有聯(lián)系，也有區(qū)別。它們之間的關(guān)系 如下： （bit/s） （1-6） 或 （B） （1-7） 式中，N代表碼元的進(jìn)制數(shù)。從表達(dá)式中可以看出， 當(dāng)N等于2時(shí)， Rb = RB 。 NRR bB2 log/ NRR B

27、b2 log 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)：M = 2，碼元速率和信息速 率在數(shù)量上相等。對(duì)于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M = 8）中，若碼元速率為1200 B，則信息速率為多少？ 22 log1200log 81200*33600 bB RRN 例例：設(shè)一數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進(jìn)制碼元的速率為：設(shè)一數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進(jìn)制碼元的速率為1200Baud， 試求該系統(tǒng)的信息速率；若該系統(tǒng)改為傳送十六進(jìn)制信號(hào)碼試求該系統(tǒng)的信息速率；若該系統(tǒng)改為傳送十六進(jìn)制信號(hào)碼 元，碼元速率為元，碼元速率為2400Baud，則這時(shí)的系統(tǒng)信息速率為多少？，則這時(shí)的系統(tǒng)信息速率為多少？ 解解（1） （2） 12002loglog 22

28、BBb RNRR比特比特/秒秒 96004240016log2 Bb RR比特比特/秒秒 練習(xí)練習(xí)：已知二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率為：已知二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率為2400b/s，試問變換，試問變換 成四進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)的傳輸速率為多少成四進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)的傳輸速率為多少Baud。 解：解：12002/24004log/ 2 bB RRBaud/s v2可靠性可靠性-差錯(cuò)率差錯(cuò)率 衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯(cuò)率，常用誤碼 率和誤信率表示。是指通信終端接收到的數(shù)字信號(hào)發(fā)生錯(cuò) 誤的概率。 （1）誤碼率Pe 誤碼率Pe又稱為碼元差錯(cuò)率，是指接收端錯(cuò)誤接收的 碼元數(shù)與所接收的總碼元數(shù)的比值，即碼元在通

29、信系統(tǒng)中 被傳錯(cuò)的概率。 （1-10） （2）誤信率Pb 誤信率又稱為比特差錯(cuò)率，是指接收端的錯(cuò)誤接收的 比特?cái)?shù)與所接收的總比特?cái)?shù)的比值。 （1-11） N P N e 傳輸總碼數(shù) 發(fā)生誤碼個(gè)數(shù)n lim N P N b 傳輸總比特?cái)?shù) 發(fā)生錯(cuò)誤比特?cái)?shù)n lim 顯然，誤碼率和誤信率越低，數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性 就越高，質(zhì)量越好，在二進(jìn)制系統(tǒng)中Pe = Pb。 v例1：某系統(tǒng)經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)定，它的誤碼率Pe=10（-5）， 系統(tǒng)碼元速率為1200B，問平均在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可能收到 360個(gè)誤碼元。 v例2：已知某4進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的傳信率為2400bit/s， 接收端在半個(gè)小時(shí)內(nèi)共收到216個(gè)錯(cuò)誤碼元，試計(jì)

30、算該系 統(tǒng)的誤碼率Pe。 v3. 系統(tǒng)頻帶利用率系統(tǒng)頻帶利用率 在比較不同數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性時(shí)，某些情況下單 純看信息傳輸速率是不夠的，兩個(gè)信息傳輸速率相同的系 統(tǒng)所占用的信道頻帶寬度可能不同，這時(shí)，所占頻帶窄的 系統(tǒng)傳輸信息的能力更強(qiáng)。所以系統(tǒng)頻帶利用率是全面評(píng) 價(jià)數(shù)字通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo)。 = （B/Hz） (1-8) 對(duì)于采用二進(jìn)制傳輸時(shí)的系統(tǒng)頻帶利用率可以表示為： = （bps/Hz） (1-9) 頻帶寬度 碼元傳輸速率 頻帶寬度 信息傳輸速率 一、信息及其度量一、信息及其度量 信息：消息中所包含的有效的內(nèi)容。信息：消息中所包含的有效的內(nèi)容。 信息量：消息出現(xiàn)概率的函數(shù)。消息出現(xiàn)的概

31、率越小，所包含信息量：消息出現(xiàn)概率的函數(shù)。消息出現(xiàn)的概率越小，所包含 的信息量越大。的信息量越大。 一個(gè)符號(hào)或事件，以概率一個(gè)符號(hào)或事件，以概率P出現(xiàn)，則這個(gè)符號(hào)攜帶的信息量為：出現(xiàn)，則這個(gè)符號(hào)攜帶的信息量為： p I a 1 log 信息量的單位與對(duì)數(shù)的底有關(guān)。底為信息量的單位與對(duì)數(shù)的底有關(guān)。底為2，單位為比特（，單位為比特（bit)， 底為底為e，單位為奈特，單位為奈特(nit)，底為，底為10，單位為哈特，單位為哈特(hart)。 例例1：已知二進(jìn)制離散信源（：已知二進(jìn)制離散信源（0，1），每一符號(hào)波形等概發(fā)送），每一符號(hào)波形等概發(fā)送 ，求傳送二進(jìn)制波形符號(hào)的信息量。，求傳送二進(jìn)制波形符

32、號(hào)的信息量。 解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為P=1/2，故其信息量為：，故其信息量為： 12log 1 log 22 p I比特（比特（bit） 例例2：已知四進(jìn)制離散信源（：已知四進(jìn)制離散信源（0，1，2，3），獨(dú)立等概發(fā)送，求），獨(dú)立等概發(fā)送，求 傳送每一波形的信息量。傳送每一波形的信息量。 解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為P=1/4，故其信息量為：，故其信息量為： 24log 1 log 22 p I比特（比特（bit） 例例3：已知二進(jìn)制離散信源（：已知二進(jìn)制離散信源（0，1），若），若“0”出現(xiàn)概率為出現(xiàn)概率為1/3， 求出求出“1”

33、符號(hào)攜帶的信息量。符號(hào)攜帶的信息量。 解：由于解：由于“1”符號(hào)出現(xiàn)的概率為符號(hào)出現(xiàn)的概率為P=2/3，故其信息量為：，故其信息量為： 585.0 2 3 log 1 log 22 p I比特（比特（bit） 585.13log 1 log 220 p I 比特（比特（bit） 平均信息量：是指信源中每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值。平均信息量：是指信源中每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值。 定義：統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的定義：統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的M個(gè)符號(hào)的離散信息源的平均信息量為：個(gè)符號(hào)的離散信息源的平均信息量為： i M i i p pH 1 log 1 比特比特/符號(hào)符號(hào) H 也稱為信源熵。也稱為信源熵。 例例3 中每個(gè)符號(hào)的平均信息量為：中每個(gè)符號(hào)的平均信息量為： 92. 0585. 1 3 1 585. 0 3 2 H比特比特/符號(hào)符號(hào) v 單位時(shí)間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘糠Q為信道容 量。它可用信道的最大信息傳輸速率來(lái)表示。 v 以無(wú)限小的差錯(cuò)率和無(wú)限大的速率傳輸信息是人們 對(duì)通信系統(tǒng)的理想要求?？墒切诺纻鬏斝盘?hào)的功率和信 道的帶寬均是有限的，信號(hào)在信道中傳輸要受到干擾的 影響，在實(shí)際的工程應(yīng)用中往往采用折衷方案，即在滿 足可靠性的前提下盡可能地提高信息速率。那么，在怎 樣的情況下，信道可以不失真地將信息以盡量高的速率 傳輸呢？香農(nóng)定理為我們解決