通信原理與技術(shù)

1、3/12/2022.10電磁波電磁波 通信技術(shù)發(fā)展概況通信技術(shù)發(fā)展概況1838莫爾斯莫爾斯 有線(xiàn)電報(bào)有線(xiàn)電報(bào)1948晶體管晶體管 香農(nóng)香農(nóng)IT 通信統(tǒng)計(jì)理論建立通信統(tǒng)計(jì)理論建立1864麥克斯韋爾麥克斯韋爾 電磁輻射方程電磁輻射方程1950時(shí)分多路通信時(shí)分多路通信 應(yīng)用于電話(huà)應(yīng)用于電話(huà)1876貝爾貝爾 電話(huà)電話(huà)1956越洋電話(huà)鋪設(shè)越洋電話(huà)鋪設(shè)1896馬克尼馬克尼 無(wú)線(xiàn)電報(bào)無(wú)線(xiàn)電報(bào)1957第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射1906真空管真空管1958第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射1918調(diào)幅廣播調(diào)幅廣播 超外差接收機(jī)超外差接收機(jī)1960發(fā)明激光發(fā)明激光1925三路明線(xiàn)載波電話(huà)三路明線(xiàn)載波電

2、話(huà) 多路通信多路通信1961發(fā)明集成電路發(fā)明集成電路1936調(diào)頻廣播調(diào)頻廣播1962第一顆同步通信衛(wèi)星第一顆同步通信衛(wèi)星 PCM進(jìn)入實(shí)用進(jìn)入實(shí)用1937脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制 Modulator1960彩電彩電 數(shù)字傳輸理論數(shù)字傳輸理論 高速計(jì)算機(jī)高速計(jì)算機(jī)1938電視廣播電視廣播1970LSI 商用衛(wèi)星商用衛(wèi)星 程控交換程控交換 光纖通訊光纖通訊1940二戰(zhàn)刺激二戰(zhàn)刺激 雷達(dá)和微波系統(tǒng)發(fā)雷達(dá)和微波系統(tǒng)發(fā)展展1980SLSI 長(zhǎng)波光纖通信長(zhǎng)波光纖通信 ISDN 3G3/12/2022.3第一章緒論第一章緒論 1.11.1引言引言 1.2 1.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型 1.31.3通信系統(tǒng)

3、的分類(lèi)及通信方式通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式 1.41.4信息及其度量信息及其度量 1.5 1.5 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1.6 1.6 通信技術(shù)的發(fā)展概況通信技術(shù)的發(fā)展概況 3/12/2022.4.1.1引言引言 1、通信概念：信息的傳遞過(guò)程稱(chēng)為通信. 2、通信網(wǎng)概念：為了完成多用戶(hù)中任意兩個(gè)用戶(hù)之間信源與信宿之間的通信過(guò)程, 一般需要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)多用戶(hù)通信系統(tǒng)互連的通信體系稱(chēng)之為通信網(wǎng)。 3/12/2022.5.1.1引言引言 （續(xù)） 3、通信網(wǎng)的構(gòu)成1）終端設(shè)備：電話(huà)、電報(bào)、監(jiān)視器（攝像頭）等2）傳輸設(shè)備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等3）交換設(shè)備：程控交換、ATM交換、光交

4、換等4）協(xié)議和準(zhǔn)則3/12/2022.6.1.1引言引言 （續(xù)） 4、本課程的主要任務(wù)本課程主要介紹信息端到端的傳輸系統(tǒng)，主要討論系統(tǒng)的組成和性能指標(biāo)。返回主目錄返回主目錄3/12/2022.71.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型 121 通信系統(tǒng)模型 實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱(chēng)為通信系統(tǒng)。信息源發(fā)送設(shè)備信息接收設(shè)備受信者噪聲源發(fā)送端接收端3/12/2022.81.2.1 通信系統(tǒng)模型-信源 信源是消息的產(chǎn)生地， 其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，稱(chēng)之為消息信號(hào)或基帶信號(hào)。 電話(huà)機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。 模擬信源，輸出的是模擬信號(hào)； 數(shù)字信

5、源，輸出離散的數(shù)字信號(hào)。3/12/2022.91.2.1 通信系統(tǒng)模型-發(fā)送設(shè)備 發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。 變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制是最常見(jiàn)的變換方式。 對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。3/12/2022.101.2.1 通信系統(tǒng)模型-信道 信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。 在無(wú)線(xiàn)信道中，信道可以是大氣（自由空間）， 在有線(xiàn)信道中，信道可以是明線(xiàn)、 電纜或光纖。有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)信道均有多種物理媒質(zhì)。 媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對(duì)象的不同， 需要對(duì)

6、實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型， 以反映傳輸媒質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響。3/12/2022.11121 通信系統(tǒng)模型 噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。 噪聲的來(lái)源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的，因此，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。3/12/2022.121.2.1 通信系統(tǒng)模型-接收設(shè)備 接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換， 即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。 其任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)，對(duì)于多路復(fù)用信號(hào)，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。3/

7、12/2022.131.2.1 通信系統(tǒng)模型-信宿 信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)。 其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。3/12/2022.141.2.2 模擬通信模型和數(shù)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型 連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語(yǔ)音、活動(dòng)圖片等。 離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的， 如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。 消息的傳遞是通過(guò)它的物質(zhì)載體電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位； 脈沖波的幅度、寬度或位置）。3/12/2022.151.2.2 模擬通信模型和字通信模型模擬通信模型和字通信模型 按信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為模

8、擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 凡信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值的，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱(chēng)為模擬信號(hào)，如電話(huà)機(jī)送出的語(yǔ)音信號(hào)、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等。 模擬信號(hào)有時(shí)也稱(chēng)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，或者說(shuō)在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)窮多個(gè)值，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)， 凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)，如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號(hào)、PCM信號(hào)等。 數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱(chēng)離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散，3/12/2022.161.2.2 模擬通信模型和數(shù)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型 模擬

9、信號(hào)波形 (a) 連續(xù)信號(hào)； (b) 抽樣信號(hào)Of (t )t(a )f (n T )tPAM信號(hào)(b )O3/12/2022.171.2.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型 數(shù)字信號(hào)波形 (a) 二進(jìn)制波形； (b) 2PSK波形100110111001Of ( nT )t00111001數(shù)字信息PSK波形(a )(b )3/12/2022.181.2.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型 按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)， 可相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。3/12/2022.191. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 信源發(fā)出的

10、原始電信號(hào)是基帶信號(hào)，基帶的含義是指信號(hào)的頻譜從零頻附近開(kāi)始，如語(yǔ)音信號(hào)為3003400Hz， 圖像信號(hào)為06MHz。 由于這種信號(hào)具有頻率很低的頻譜分量， 一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號(hào)變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，并可在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。 經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)。3/12/2022.201. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特征： 攜帶有信息 適合在信道中傳輸 信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號(hào)又稱(chēng)頻帶信號(hào)。頻帶信號(hào)。3/12/2022.211. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 兩

11、種變換 連續(xù)消息與基帶信號(hào)的變換 基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)之間的變換 實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線(xiàn)輻射、控制等過(guò)程。 由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定性作用，而其他過(guò)程對(duì)信號(hào)不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，只是對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大或改善了信號(hào)特性，因而被認(rèn)為是理想的而不予討論。3/12/2022.221. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)模型信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者噪聲源3/12/2022.231. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信的主要特點(diǎn)1） 抗干擾能力差2） 不易于保密通信3） 設(shè)備不易于大規(guī)模集成4） 不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求5） 簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。3/12

12、/2022.242 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型技術(shù)問(wèn)題主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、 同步以及加密等。信息源信源編碼器信道編碼器數(shù)字調(diào)制器信道數(shù)字解調(diào)器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源3/12/2022.252 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 在某些有線(xiàn)信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)， 數(shù)字基帶信號(hào)無(wú)需調(diào)制，可以直接傳送，稱(chēng)之為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)，3/12/2022.261) 信源編碼與譯碼 作用一:是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮。 碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反

13、映了通信的有效性。 作用二: 是當(dāng)信息源給出的是模擬語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。 信源編碼方法：PCM、ADPAM、DM等 信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程。3/12/2022.272） 信道編碼與譯碼 數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會(huì)引起差錯(cuò)。為了減少差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。 接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。 信道編碼：線(xiàn)性分組碼、卷積碼、循環(huán)碼等。3/12/2022.283） 加密與解

14、密 在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為了保證所傳信息的安全， 人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂， 即加上密碼，這種處理過(guò)程叫加密。 在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對(duì)收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來(lái)信息，叫解密。3/12/2022.294） 數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處， 形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號(hào)。 基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對(duì)相移鍵控PSK、相對(duì)（差分）相移鍵控DPSK。 對(duì)這些信號(hào)可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號(hào)。 對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測(cè)，一般用相關(guān)器接收機(jī)或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)。3/12/2022.305） 同步與數(shù)字復(fù)接

15、 同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致。 按照同步的功用不同，可分為 載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步 數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號(hào)，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。3/12/2022.312 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 如在某些有線(xiàn)信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)， 數(shù)字基帶信號(hào)無(wú)需調(diào)制，可以直接傳送，稱(chēng)之為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)3/12/2022.322 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中

16、傳輸 數(shù)字電話(huà)系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過(guò)模擬電話(huà)線(xiàn)路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。 模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘?hào)種類(lèi)。3/12/2022.333. 數(shù)字通信的主要特點(diǎn)數(shù)字通信的主要特點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)。 差錯(cuò)可控。 易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，從而形成智能網(wǎng)。 易于集成化， 從而使通信設(shè)備微型化。 易于加密處理， 且保密強(qiáng)度高。 數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價(jià)而換取的。返回主目錄返回主目錄3/12/2022

17、.341.3 通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式 按通信業(yè)務(wù)分， 話(huà)務(wù)通信和非話(huà)務(wù)通信。 非話(huà)務(wù)通信主要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、電子信箱、電子數(shù)據(jù)交換、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖文及會(huì)議電視、圖像通信等。 按調(diào)制方式分類(lèi)按調(diào)制方式分類(lèi):基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸。 按信號(hào)特征分類(lèi)按信號(hào)特征分類(lèi):模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào) 按傳輸媒質(zhì)分類(lèi)按傳輸媒質(zhì)分類(lèi):有線(xiàn)通信系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng) 按工作波段分類(lèi)按工作波段分類(lèi) 按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi):頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。3/12/2022.35表表 1- 1常見(jiàn)的調(diào)制方式常見(jiàn)的調(diào)制方式 調(diào) 制 方 式 用途 連續(xù)波調(diào)制線(xiàn)性調(diào)

18、制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播 抑制載波雙邊帶調(diào)幅 立體聲廣播 單邊帶調(diào)幅SSB 載波通信、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、數(shù)傳 殘留邊帶調(diào)幅VSB 電視廣播、 數(shù)傳、 傳真 非線(xiàn)性調(diào)制頻率調(diào)制FM 微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播 相位調(diào)制PM 中間調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK 數(shù)據(jù)傳輸 相位鍵控?cái)?shù)據(jù)傳輸 3/12/2022.36 調(diào) 制 方 式 用途 脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、 DPSK、 QPSK等 數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)字微波、 空間通信 其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、 MSK等 數(shù)字微波、 空間通信 脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM 中間調(diào)制方式、 遙測(cè) 脈寬調(diào)制PDM(PWM) 中間調(diào)制方式 脈位調(diào)制PPM 遙測(cè)、 光纖傳輸

19、脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM 市話(huà)、 衛(wèi)星、 空間通信 增量調(diào)制DM 軍用、 民用電話(huà) 差分脈碼調(diào)制DPCM 電視電話(huà)、 圖像編碼 其他語(yǔ)言編碼方式ADPCM、 APC、 LPC 中低速數(shù)字電話(huà) 續(xù)表（續(xù)表（2）3/12/2022.37表表 1 2 通信波段與常用傳輸媒質(zhì)通信波段與常用傳輸媒質(zhì)頻率范圍 波長(zhǎng) 符號(hào) 傳輸媒質(zhì) 用途3 Hz30 kHz 104108 m 甚低頻VLF 有線(xiàn)線(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電 音頻、電話(huà)、數(shù)據(jù)終端長(zhǎng)距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo) 30300 kHz 103104 m 低頻LF 有線(xiàn)線(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電 導(dǎo)航、 信標(biāo)、 電力線(xiàn)通信 300 kHz3 MHz 102103 m 中頻MF 同軸電纜短

20、波無(wú)線(xiàn)電 調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電 330 MHz 10102 m 高頻HF 同軸電纜短波無(wú)線(xiàn)電 移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電話(huà)、 短波廣播定點(diǎn)軍用通信、 業(yè)余無(wú)線(xiàn)電 30300 MHz 110 m 甚高頻VHF 同軸電纜米波無(wú)線(xiàn)電 電視、 調(diào)頻廣播、 空中管制、 車(chē)輛、 通信、 導(dǎo)航 3/12/2022.38續(xù)表（續(xù)表（2）頻率范圍 波長(zhǎng) 符號(hào) 傳輸媒質(zhì) 用途300 MHz3 GHz 10100 cm 特高頻UHF 波導(dǎo)分米波無(wú)線(xiàn)電 微波接力、 衛(wèi)星和空間通信、 雷達(dá) 330 GHz 110 cm 超高頻SHF 波導(dǎo)厘米波無(wú)線(xiàn)電 微波接力、 衛(wèi)星和空間通信、 雷達(dá) 30300 GHz 110 mm

21、極高頻EHF 波導(dǎo)毫米波無(wú)線(xiàn)電 雷達(dá)、 微波接力、 射電天文學(xué) 107108 GHz 310-5 310-4 cm 紫外可見(jiàn)光紅外 光纖激光空間傳播 光通信 3/12/2022.391.3.2通信方式通信方式 前述通信系統(tǒng)是單向通信系統(tǒng) 但在多數(shù)場(chǎng)合下，信源兼為信宿，需要雙向通信，電話(huà)就是一個(gè)最好的例子 這時(shí)通信雙方都要有發(fā)送和接收設(shè)備，并需要各自的傳輸媒質(zhì)，如果通信雙方共用一個(gè)信道，就必須用頻率或時(shí)間分割的方法來(lái)共享信道。因此，通信過(guò)程中涉及通信方式與信道共享問(wèn)題。3/12/2022.40對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。 單工通信

22、， 是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑?因此只占用一個(gè)信道。 廣播、遙測(cè)、遙控、無(wú)線(xiàn)尋呼等。 半雙工通信，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)的工作方式。 使用同一載頻的對(duì)講機(jī)，收發(fā)報(bào)機(jī)以及問(wèn)詢(xún)、檢索、科學(xué)計(jì)算等數(shù)據(jù)通信。 全雙工通信， 是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道。 普通電話(huà)、手機(jī)都是最常見(jiàn)的全雙工通信方式， 計(jì)算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。3/12/2022.41單工、 半雙工和全雙工通信方式示意圖 (a) 單工； (b) 半雙工； (c) 全雙工發(fā)端信 道收端發(fā)端信 道收端發(fā)端收端(a)(b)發(fā)端信 道收端發(fā)端收端信

23、道(c)3/12/2022.42按數(shù)字信號(hào)排列順序分按數(shù)字信號(hào)排列順序分在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號(hào)代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸。 并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時(shí)間，但需要傳輸信道多， 設(shè)備復(fù)雜， 成本高， 故較少采用， 一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸。 通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。此外，還可以按通信的網(wǎng)絡(luò)形式劃分。由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上。3/12/2

24、022.43并行和串行通信方式示意圖 (a) 并行傳輸； (b) 串行傳輸發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備101(b)發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備(a)返回主目錄返回主目錄3/12/2022.441.4 信息及其度量信息及其度量 信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。 任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的，也就是說(shuō)，信源輸出是用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)定性的。 對(duì)接收者來(lái)說(shuō)，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息。因此，信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量. 根據(jù)概率論知識(shí)，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來(lái)描述。 消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。3/12/2022.45 假設(shè)P(x)是一個(gè)消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息。 （1

25、） 信息量是概率的函數(shù)， 即 I = fP(x) （2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)1時(shí)， I0； P(x)0時(shí)， I 3） 若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息， 所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說(shuō)，信息具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+1lo glo g()()aaIpxpx=-3/12/2022.46 信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時(shí)， 信息量的單位為比特(bit)；a=e時(shí)， 信息量的單位為奈特(nit)； a=10時(shí)，信息量的單位為哈特萊(Hartley) 。目前廣泛使用的單位為比特。 哈特萊哈特萊首先提出采用

26、消息出現(xiàn)概率的對(duì)數(shù)測(cè)度作為離散消息的信息度量單位。3/12/2022.471.4 信息及其度量信息及其度量 等概等概 例 1 1 設(shè)二進(jìn)制離散信源， 以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個(gè)輸出的信息含量為 P=1/4的信息量為2比特 傳送等概率的四進(jìn)制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特，這時(shí)每一個(gè)四進(jìn)制波形需要用2個(gè)二進(jìn)制脈沖表示； P=1/8的信息量為3比特 P=1/M的信息量為log2 M(bit) 若M是2的整冪次， 則22211(0)(1)logloglog 211( )2IIp x=2KM =221lo glo g2()1KIKb i tM=3/12/2022.481.4 信息及

27、其度量信息及其度量 非等概非等概 設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集， 其中每個(gè)符號(hào)xi(i=1, 2, 3, , n)出現(xiàn)的概率為P(xi)， xi所包含的信息量 平均信息量為 由于H同熱力學(xué)中的熵形式一樣， 故通常又稱(chēng)它為信息源的熵，其單位為bit/符號(hào)。2log( )iP x-返回主目錄返回主目錄符號(hào)）/)(log)(21bitxpxpinii1)(1niixP3/12/2022.49 顯然，當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，信源的熵有最大值。 例 一離散信源由0， 1， 2， 3四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某

28、消息232100120210的信息量。 解 此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號(hào)，故該消息的信息量為3/12/2022.50)(1088log74log134log1438log232222bitI 每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為符號(hào)位）符號(hào)位/(89. 157108bitII若用熵的概念來(lái)計(jì)算， 由式（1.3 - 5）得 81log8141log4183log83222H符號(hào)位）/(906. 1bit3/12/2022.51 可見(jiàn)，兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí)， 用熵的概念來(lái)計(jì)算比較方便。 而且隨著消息序列長(zhǎng)度的增加， 兩種計(jì)算誤差將趨于零。

29、 以上我們介紹了離散消息所含信息量的度量方法。 對(duì)于連續(xù)消息，信息論中有一個(gè)重要結(jié)論，就是任何形式的待傳信息都可以用二進(jìn)制形式表示而不失主要內(nèi)容。抽樣定理告訴我們：一個(gè)頻帶受限的連續(xù)信號(hào)，可以用每秒一定數(shù)目的抽樣值代替。而每個(gè)抽樣值可以用若干個(gè)二進(jìn)制脈沖序列來(lái)表示。因此，以上信息量的定義和計(jì)算同樣適用于連續(xù)信號(hào)。 3/12/2022.521.5 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 有效性和可靠性。 有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題； 而可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。 這兩個(gè)問(wèn)題相互矛盾而又相對(duì)統(tǒng)一，通常還可以進(jìn)行互換。3/12/2022.

30、53模擬通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 有效性可用有效傳輸頻帶來(lái)度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。 可靠性用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。 如調(diào)頻信號(hào)抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號(hào)所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。3/12/2022.54數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 有效性可用傳輸速率來(lái)衡量。 可靠性可用差錯(cuò)率來(lái)衡量。3/12/2022.551. 傳輸速率 碼元傳輸速率碼元傳輸速率RB簡(jiǎn)稱(chēng)傳碼率傳碼率，又稱(chēng)符號(hào)速率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。 例如，若1秒內(nèi)傳2400個(gè)

31、碼元，則傳碼率為2400B。 數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度T有關(guān):1()BRBT=3/12/2022.56 由于M進(jìn)制的一個(gè)碼元可以用 log2 M個(gè)二進(jìn)制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M進(jìn)制的碼元速率RBM與二進(jìn)制的碼元速率RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系： 信息傳輸速率Rb簡(jiǎn)稱(chēng)傳信率傳信率，又稱(chēng)比特率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)， 單位是比特/秒，可記為bit/s ，或 b/s ，或bps。 22logBBMRRM( )B3/12/2022.57 每個(gè)碼元或符號(hào)通常都含有一定bit數(shù)的信息量，因此碼元速率和信息速率有確定的關(guān)

32、系，即 式中，H為信源中每個(gè)符號(hào)所含的平均信息量（熵）。 等概傳輸時(shí)，熵有最大值 ，信息速率也達(dá)到最大，即 二進(jìn)制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)它們?yōu)閿?shù)碼率數(shù)碼率。2log()bBRRM b s2log M. ()bBRR H b s3/12/2022.58頻帶利用率(/)BRB HzBh=/()bRbs HzBh=3/12/2022.592. 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。 誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說(shuō)，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即 誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā)生差

33、錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例， 即 在二進(jìn)制中有 Pb=Peep =錯(cuò)誤碼元數(shù)傳輸總碼元數(shù)bp =錯(cuò)誤比特?cái)?shù)數(shù)傳輸總比特?cái)?shù)返回主目錄返回主目錄3/12/2022.601.6 通信發(fā)展趨勢(shì)通信發(fā)展趨勢(shì) 在過(guò)去三四十年間，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸需求的增長(zhǎng)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字通信的發(fā)展。 目前數(shù)字通信在下列領(lǐng)域有了新的進(jìn)展。 衛(wèi)星通信 光纖通信 移動(dòng)通信 微波通信3/12/2022.611 衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)是將通信衛(wèi)星作為空中中繼站，它能夠?qū)⒌厍蛏夏骋坏孛嬲景l(fā)射來(lái)的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)地面站， 從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地域之間的通信。 根據(jù)通信衛(wèi)星與地面之間的位置關(guān)系，可以分為靜止通信衛(wèi)星(或同步通信衛(wèi)星)和移動(dòng)通信衛(wèi)星。靜止通信衛(wèi)星是軌道在赤道平面上的衛(wèi)星，它離地面高度為35 780 km，采用三個(gè)相差120的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)。 預(yù)計(jì)到2010年前， 星間激光通信的傳輸速率將達(dá)到40Gb/s，地面終端設(shè)備將日益小型化，3/12/2022.622 光纖通信系統(tǒng)光纖通信