數(shù)字通信原理 第1章

1.1通信的基本概念與通信系統(tǒng)

1.2信息及信息的度量

1.3信道容量及香農(nóng)公式

1.4通信實驗常用儀器設(shè)備的使用

本章小結(jié)

思考與練習(xí)

第1章緒論1.1通信的基本概念與通信系統(tǒng)人類社會建立在信息交流的基礎(chǔ)上，人類社會的信息化離不開信息的傳輸，通信是信息傳輸?shù)闹匾侄?，是推動人類社會文明、進步與發(fā)展的巨大動力。我們把信息傳遞的整個過程稱為通信。所以，從傳統(tǒng)意義上說，通信就是克服距離上的障礙，迅速而準(zhǔn)確地進行信息的傳輸與交換。現(xiàn)階段，通信已成為現(xiàn)代文明的標(biāo)志之一，對人們的日常生活和社會活動及發(fā)展起著日益重要的作用。1.1.1通信的定義通信的目的是傳輸含有信息的消息，而消息通常是轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行傳輸?shù)?，所以在了解通信的基本概念之前，首先要弄清楚消息、信息、信號的概念以及三者之間的關(guān)系。

1.消息消息是客觀物質(zhì)運動或主觀思維活動狀態(tài)的一種反映，它通過語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等不同的形式具體描述。消息可分為離散消息和連續(xù)消息。離散消息中元素之間的差異明顯，并且有界可數(shù)，主要特點是狀態(tài)離散。例如文字、符號和數(shù)字。連續(xù)消息中消息的數(shù)目無窮多，相鄰元素的差異很小。例如語音、連續(xù)圖像等。

2.信息信息是消息的有效內(nèi)容，不同的消息可以有相同的內(nèi)容。人們在得到消息之前對它的內(nèi)容不確定，信息就是對消息的這種“不確定性”的定量描述。信息在概念上與消息的意義相似，但它的含義更普遍化、抽象化。信息可被理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容。這就是說，相同的信息可以以不同形式的消息來傳輸。例如，分別用話音和文字發(fā)送的天氣預(yù)報，所含的信息內(nèi)容相同。傳輸信息內(nèi)容的多少用“信息量”來衡量。

3.信號信號是傳輸消息的媒介，通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖切盘?。信號是由消息轉(zhuǎn)換成的適合于在信道中傳輸?shù)奈锢砹浚盘柺窍⒌妮d荷者。因為消息不適合于在信道中直接傳輸，所以需將其轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｐ盘柨梢苑譃檫B續(xù)時間信號和離散時間信號兩類。連續(xù)時間信號的幅值可以是連續(xù)的，也可以是離散的(信號含有不連續(xù)的間斷點即屬于此類)。信號也可以分為數(shù)字信號和模擬信號，時間和幅值都為連續(xù)值的信號稱為模擬信號，時間離散幅值也離散的信號稱為數(shù)字信號。如圖1-1(a)所示為模擬信號，圖1-1(b)所示為數(shù)字信號。圖1-1兩種信號的比較

4.三者的關(guān)系在通信過程中，消息是通過電信號來傳輸?shù)?。由于消息不便于直接向遠處傳輸，因此常將它轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于在信道中傳輸?shù)奈锢砹俊Ｒ簿褪钦f，通信的任務(wù)是傳遞信息，信息包含在消息當(dāng)中。在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖窍?，但實質(zhì)上傳輸?shù)氖切畔?。消息是信息的載荷者。信號與消息是相對應(yīng)的，因而在信號中也就包含了所要傳遞的信息。而信息的度量與消息的“不確定性”的程度有直接關(guān)系。綜上所述，了解了消息、信息、信號三者之間的關(guān)系，我們就了解了通信的具體含義。從傳統(tǒng)上說，通信就是指克服距離上的障礙進行的信息的傳輸與交換，從本質(zhì)上講就是實現(xiàn)信息傳遞的一門科學(xué)技術(shù)，它要將有用的信息無失真、高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將各種無用信息抑制掉。另外，當(dāng)今的通信還要有存儲數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)及顯示等功能，通信已成為信息科學(xué)技術(shù)的一個重要組成部分。1.1.2通信系統(tǒng)的組成與分類通信是將消息從發(fā)信者傳輸給接收者的過程，這個傳輸過程需要通信系統(tǒng)來完成。所謂通信系統(tǒng)，就是完成通信過程所需要的一切技術(shù)設(shè)備的總稱。

1.通信系統(tǒng)的組成無論哪種通信系統(tǒng)，都要完成從一地到另一地的信息傳遞或交換。在這樣一個總的目的下可以把通信系統(tǒng)概括為一個統(tǒng)一的模型。在通信過程中，首先要將語音、圖像等一系列原始消息轉(zhuǎn)變成電信號，因此在發(fā)送端要加入輸入變換器，為了使變換器產(chǎn)生的電信號能適合于在信道中傳輸，在發(fā)送端還要有發(fā)送設(shè)備。在接收端要完成相反的過程，將接收到的電信號還原，因此接收設(shè)備和輸出變換器也是必不可少的部分。由于信號在設(shè)備中以及信道中不可避免地要受到噪聲的干擾，因此通常把所有可能產(chǎn)生的噪聲歸結(jié)到信道中。如圖1-2所示為通信系統(tǒng)的一般模型。通信系統(tǒng)形式多種多樣，但總體來說包括圖1-2所示的6部分，下面對圖中各個方框進行說明。圖1-2通信系統(tǒng)的一般模型

1)信源信源是發(fā)出信息的源頭，它的作用是把各種形式的消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。模擬信源輸出幅度連續(xù)的模擬信號，如電話機、電視攝像機等；數(shù)字信源輸出離散的數(shù)字信號，如電傳機、計算機等數(shù)字終端設(shè)備。

2)輸入變換器聲音、圖像等原始的消息不能直接向遠處傳輸，需要通過變換器將原始的非電消息變換成模擬基帶信號，并再對這種電信號進一步轉(zhuǎn)換形式，使其變換成同樣載有原有信息的適合在信道中傳輸?shù)碾娦盘?，即進行調(diào)制、編碼等。例如電話機的送話器就是將聲音變換成幅度連續(xù)變化的電信號，再經(jīng)進一步轉(zhuǎn)換后送到信道上去。

3)信道信道是指傳輸信號的通道。信道主要有兩種，即有線信道和無線信道，有線信道和無線信道均有多種傳輸媒質(zhì)。信道既是信號傳輸?shù)耐?，也對信號產(chǎn)生各種噪聲和干擾。信道的固有特性及各種噪聲和干擾直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。

4)輸出變換器輸出變換器的基本功能是完成輸入變換器的反變換，它的任務(wù)是從接收到的帶有干擾的信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號，即進行解調(diào)、解碼等。對于多路復(fù)用系統(tǒng)，接收設(shè)備還具有解除多路復(fù)用和實現(xiàn)正確分路的功能。

5)信宿信宿是信息傳輸?shù)臍w宿，它的作用是將復(fù)原的原始電信號轉(zhuǎn)換成具體的消息，即恢復(fù)成原始的聲音、圖像等各種形式的消息。

6)噪聲源在通信系統(tǒng)中，信號在信道中傳輸時，不可避免地要受到噪聲的影響。噪聲的來源很多，為了分析方便，我們一般把信道中的噪聲以及分散在通信系統(tǒng)其它各處的噪聲和各種干擾集中表示為噪聲源。實際的通信系統(tǒng)中一般都要設(shè)置抗噪設(shè)備。

2.通信系統(tǒng)的分類通信過程中傳輸?shù)南⒍喾N多樣，如聲音、圖像、文字、數(shù)據(jù)和符號等等。根據(jù)消息的形式不同、通信業(yè)務(wù)的種類不同、傳輸所用的媒介不同等，可將通信系統(tǒng)分成許多不同的種類，下面從六個不同的角度討論通信系統(tǒng)的分類。

1)按消息的物理特征分類根據(jù)消息的物理特征的不同，通信系統(tǒng)可分為電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及圖像通信系統(tǒng)等。由于電話通信網(wǎng)最發(fā)達、最普及，因此其它消息常常通過公共的電話通信網(wǎng)傳送。例如,電報常通過電話信道傳送，數(shù)據(jù)通信在遠距離傳輸數(shù)據(jù)時也常常利用電話信道傳送。在綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)中,各種類型的消息都在統(tǒng)一的通信網(wǎng)中傳送。

2)按信號的特征分類按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可以把通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩類。信道中傳輸模擬信號的是模擬通信系統(tǒng)，傳輸數(shù)字信號的是數(shù)字通信系統(tǒng)。

3)按傳輸媒介分類按照傳輸媒介的不同，通信系統(tǒng)可分為有線通信(包括光纖通信)和無線通信兩大類。為了使讀者對通信中所使用的傳輸媒介有所了解，特將相關(guān)媒介及其主要用途列于表1-1中，供參考。

4)按消息傳送的方向與時間的關(guān)系分類按照消息傳送的方向與時間的關(guān)系，通信方式可分為單工通信方式、半雙工通信方式及全雙工通信方式(各種工作方式的工作原理在1.1.3節(jié)的內(nèi)容中有相關(guān)介紹)，所以通信系統(tǒng)可相應(yīng)地分為單工通信系統(tǒng)、半雙工通信系統(tǒng)及全雙工通信系統(tǒng)。

5)按調(diào)制方式分類根據(jù)是否采用調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩種。基帶傳輸是將未經(jīng)調(diào)制的信號直接傳輸，如音頻市內(nèi)電話等；頻帶傳輸是對各種信號進行調(diào)制后再傳輸，所以也稱為調(diào)制傳輸。調(diào)制的方式很多，常見的調(diào)制方式如表1-2所示，它們的原理在第4章的內(nèi)容中將有詳細的介紹。

6)按信號的復(fù)用方式分類常用的信號復(fù)用方式有三種，即頻分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用。頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同的信號占據(jù)不同的頻率范圍；時分復(fù)用是用抽樣或脈沖調(diào)制方法使不同的信號占據(jù)不同的時間區(qū)間；碼分復(fù)用是用包含互相正交的碼字的碼組攜帶多路信號。關(guān)于信號的復(fù)用原理將在第6章的內(nèi)容中詳細介紹。頻分復(fù)用常在傳統(tǒng)的模擬通信中應(yīng)用，時分復(fù)用通信系統(tǒng)大多應(yīng)用于數(shù)字通信，而碼分復(fù)用大多用于擴頻通信系統(tǒng)中，如用于CDMA移動通信系統(tǒng)中。

3.通信系統(tǒng)的模型和特點

1)通信系統(tǒng)的模型我們把信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，把信道中傳輸數(shù)字信號的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)的組成可由一般通信系統(tǒng)模型略加改變而成，在一般通信系統(tǒng)模型中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備分別用調(diào)制器、解調(diào)器代替，目的主要是強調(diào)在模擬通信中調(diào)制和解調(diào)的作用，如圖1-3所示。在此，我們重點介紹數(shù)字通信系統(tǒng)的組成。數(shù)字通信系統(tǒng)利用數(shù)字信號傳遞消息，其模型如圖1-4所示。圖1-3模擬通信系統(tǒng)模型圖1-4數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多，其中有信源編解碼、信道編解碼、保密編解碼、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、數(shù)字復(fù)接與同步等。另外，如果系統(tǒng)中不加調(diào)制器和解調(diào)器，我們稱這樣的系統(tǒng)為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，如果有調(diào)制器和解調(diào)器，則稱為數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)。各個部分分別介紹如下。

(1)信源編解碼。數(shù)字通信的技術(shù)基礎(chǔ)是模擬信號的數(shù)字化，一個聲音或者圖像信號，要想在信道中傳輸，首先要轉(zhuǎn)變成模擬電信號，要想在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，首先要進行信源編碼。信源編碼的主要任務(wù)是：①將模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號，即模擬信號數(shù)字化(A/D轉(zhuǎn)換)；②盡量降低數(shù)字信號的傳輸數(shù)碼率，也就是數(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)來展開的，以提高通信系統(tǒng)的性能。信源解碼是信源編碼的逆過程，它可以把接收端收到的數(shù)字信號還原成原來的模擬電信號(D/A轉(zhuǎn)換)。

(2)信道編解碼。信道環(huán)境很復(fù)雜，經(jīng)過信源編碼后的數(shù)字信號在信道傳輸過程中會受到各種各樣的噪聲與干擾，難免會發(fā)生差錯。為了提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，盡可能地對傳輸過程中產(chǎn)生的差錯進行控制，實現(xiàn)可靠通信，我們采用了差錯控制編碼，也稱為信道編碼。信道編碼的基本過程是:在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⑿蛄猩霞由媳O(jiān)督碼元，這些冗余的碼元與信息碼元之間以某種確定的規(guī)則相互約束，接收端按照這個約束規(guī)則檢驗信息碼之間的關(guān)系，一旦發(fā)生差錯，這種約束關(guān)系將會被破壞，就可以發(fā)現(xiàn)甚至糾正錯誤。信道編碼技術(shù)的具體內(nèi)容在后面的第5章中有詳細介紹。信道解碼是信道編碼的逆過程，功能是將傳輸過程中加了冗余度的差錯控制編碼恢復(fù)成原來的信號。

(3)保密編解碼。隨著現(xiàn)階段數(shù)字處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字通信系統(tǒng)在通信過程中可以根據(jù)需要對所傳輸?shù)男畔⒓用芎徒饷?，稱為保密編解碼。對于要求進行保密的通信系統(tǒng)，可以在信源與編碼之間加入保密器，在接收端相應(yīng)位置上加上解密器。由于數(shù)字信號比模擬信號便于進行加密，因此在發(fā)送端將信息序列人為地按照一定規(guī)律擾亂，在接收端再按照約定的擾亂規(guī)律進行解碼，就可以實現(xiàn)保密編解碼。

(4)數(shù)字調(diào)制與解調(diào)。調(diào)制與解調(diào)是信號形式轉(zhuǎn)換的方法，基帶信號不適合直接向遠處傳輸，所以要轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸并且可以向遠方傳輸?shù)男盘柕男问?，這個過程主要采用調(diào)制與解調(diào)技術(shù)進行。在數(shù)字通信系統(tǒng)中常用的數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)有幅度鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)等，詳細內(nèi)容將在第4章中介紹。在接收端可以采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)方式恢復(fù)信號。

(5)數(shù)字復(fù)接與同步。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，同時又適應(yīng)不同的傳輸媒介和傳輸容量的需求，把若干個低速數(shù)碼流按照一定格式合并為高速數(shù)碼流。數(shù)字復(fù)接就是按照時分復(fù)用基本原理完成數(shù)碼流合并的一種技術(shù)，它包含數(shù)字復(fù)接和分接兩方面的含義。同步技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)中一個很重要的技術(shù)，是一個核心問題。從數(shù)字通信的原理框圖中可以看出，數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)備很復(fù)雜，所以對于同步的要求也相當(dāng)嚴格?？梢哉f，沒有了同步技術(shù)，就沒有數(shù)字通信。常用的同步技術(shù)有位同步、幀同步、載波同步和網(wǎng)同步。相關(guān)技術(shù)在第7章中有詳細介紹。以上所述的是典型的點對點通信系統(tǒng)。在現(xiàn)代社會生活中，人們不可能只進行一點到一點的固定式通信，更多的是要求能夠與所有在線的任一用戶進行通信，這樣就必須有一種設(shè)備去完成這種系統(tǒng)中任意用戶與任意用戶的選擇通信功能，這個設(shè)備就是通信網(wǎng)絡(luò)中的交換系統(tǒng)。交換系統(tǒng)是通信網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的重要組成部分。

2)數(shù)字通信系統(tǒng)的特點數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展速度已明顯超過模擬通信技術(shù)，成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，數(shù)字通信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會對通信技術(shù)越來越高的要求。數(shù)字通信主要有以下幾方面優(yōu)點:

(1)抗干擾能力強。在數(shù)字通信中，傳輸?shù)男盘柗仁请x散的。以二進制為例，信號的取值只有兩個，這樣接收端只需判別兩種狀態(tài)。信號在傳輸過程中受到噪聲的干擾，必然會使波形失真，接收端對其進行抽樣判決，以辨別是兩種狀態(tài)中的哪一個。只要噪聲的大小不足以影響判決的正確性，就能正確接收(再生)。而在模擬通信中，傳輸?shù)男盘柗仁沁B續(xù)變化的，一旦疊加上噪聲，即使噪聲很小，也很難消除。數(shù)字信號通過“再生中繼”再生后可消除噪聲積累。

(2)數(shù)字信號通過差錯控制編碼，可采用糾錯和檢錯技術(shù)，可提高通信的可靠性。

(3)因為數(shù)字通信傳輸一般采用二進制碼，所以可使用計算機對數(shù)字信號進行處理，實現(xiàn)復(fù)雜的遠距離大規(guī)模自動控制系統(tǒng)和自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)以計算機為中心的通信網(wǎng)。

(4)數(shù)字通信易與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，各種消息(模擬的和離散的)都可變成統(tǒng)一的數(shù)字信號進行傳輸，也就是說，數(shù)字通信系統(tǒng)可綜合傳輸各種模擬和數(shù)字信號。系統(tǒng)中對數(shù)字信號傳輸情況的監(jiān)視信號、控制信號及業(yè)務(wù)信號都可采用數(shù)字信號，可以對來自不同信源的信號自動地進行變換、傳輸、處理、存儲和分離，實現(xiàn)各種綜合業(yè)務(wù)。

(5)數(shù)字信號可采用高保密性能的數(shù)字加密技術(shù)，易于加密處理，所以數(shù)字通信保密性強。

(6)易于設(shè)計、制造，體積小、重量輕。數(shù)字通信有以下兩方面的缺點:

(1)數(shù)字信號比模擬信號占的頻帶寬，頻帶利用率不高。一路數(shù)字電話頻帶一般為64kHz,而一路模擬電話所占的頻帶僅為4kHz，前者是后者的16倍。不過，由于毫米波和光纖通信的出現(xiàn)，帶寬已不成問題。

(2)系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜，同步要求較高。數(shù)字通信系統(tǒng)及設(shè)備一般都比較復(fù)雜，體積較大，要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號，接收端需要嚴格的同步系統(tǒng)。不過，隨著新的寬帶傳輸信道(如光導(dǎo)纖維)的采用、窄帶調(diào)制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字通信的這些缺點已經(jīng)弱化。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字通信在今后的通信方式中必將逐步取代模擬通信而占主導(dǎo)地位。1.1.3通信的方式本教材主要研究的是點到點的通信，而在實際應(yīng)用當(dāng)中，多數(shù)情況是雙向通信，這時通信雙方都要有發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備，每個方向上都有自己的傳輸媒質(zhì)。當(dāng)然通信雙方也可以共用一個信道，但此時必須用頻率或時間分割的方法來共享信道。因此，通信方式與信道復(fù)用是通信的重要問題。這里簡單介紹一下通信方式。按照通話的狀態(tài)和頻率使用的方法，通信方式通常可分為三種，即單工制、雙工制和半雙工制(下面以三種通信方式在移動通信中的應(yīng)用為例進行分析)。

1.單工通信所謂單工通信，是指消息只能單方向進行傳輸?shù)囊环N通信工作方式。單工通信的例子很多，如廣播、遙控、無線尋呼等。這里，信號(消息)只從廣播發(fā)射臺、遙控器和無線尋呼中心分別傳到收音機、遙控對象和BP機上。

1)單頻(同頻)單工通信單頻是指通信的雙方使用相同工作頻率(f1)，單工是指通信雙方的操作采用“按-講”方式，如圖1-5所示。圖1-5單工通信方式平時，雙方的接收機均處于守聽狀態(tài)。如果A方需要發(fā)話，可按壓PTT(“按-講”開關(guān))，關(guān)掉A方接收機，使其發(fā)射機工作，這時如果B方接收機處于守聽狀態(tài)，即可實現(xiàn)由A至B的通話；同理，也可實現(xiàn)由B至A的通話。在該方式中，同一部電臺(如A方)的收、發(fā)信機是交替工作的，故收、發(fā)信機可使用同一副天線，而不需要使用天線共用器。這種工作方式設(shè)備簡單、功耗小，但操作不便，如使用不當(dāng)，會出現(xiàn)通話斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象。譬如，A方在發(fā)話過程中，出現(xiàn)暫短的停頓時，如果B方誤以為講話完畢，按下B方的“按-講”開關(guān)，開始講話，結(jié)果是由于B方接收機停止工作，使B方收聽不到A方后半部分的講話；與此同時，由于A方不是處于守聽狀態(tài)(即接收機未工作)，因此也聽不到B方前半部分的講話。當(dāng)A方講完之后，按下“按-講”開關(guān)，所聽到的是B方講話的后半部分?？傊绻浜喜缓?，雙方通話就會出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象。此外，若在同一地區(qū)多部電臺使用相鄰的頻率，相距較近的電臺間將產(chǎn)生嚴重的干擾。

2)雙頻單工通信雙頻單工通信是指通信的雙方使用兩個頻率f1和f2，而操作仍采用“按-講”方式。同一部電臺(如A方)的收、發(fā)信機也是交替工作的，只是收發(fā)各用一個頻率，其優(yōu)缺點大致與單頻單工相同。單工制適用于用戶少、專業(yè)性強的移動通信系統(tǒng)中。圖1-6雙工通信方式但是采用雙工通信方式，在使用過程中，不管是否發(fā)話，發(fā)射機總是工作的，故電能消耗大。這一點對以電池為能源的移動臺是很不利的。為此，在某些系統(tǒng)中，A方的發(fā)射機僅在發(fā)話時才工作，而B方的接收機總是工作的，通常稱這種系統(tǒng)為準(zhǔn)雙工系統(tǒng)，它可以和雙工系統(tǒng)兼容。普通電話就是一個典型的全雙工通信方式。目前，這種工作方式在移動通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

3.半雙工通信所謂半雙工通信方式，是指通信雙方都能收、發(fā)消息，但不能同時進行收和發(fā)的工作方式。對講機、收發(fā)報機等都是這種通信方式。半雙工制通信的雙方，有一方(如A方)使用雙工方式，即收、發(fā)信機同時工作，且使用兩個不同的頻率f1和f2；而另一方(如B方)則采用雙頻單工方式，即收、發(fā)信機交替工作，如圖1-7所示。圖1-7半雙工通信方式平時，B方處于守聽狀態(tài)，僅在發(fā)話時才按壓“按-講”開關(guān)，切斷收信機，使發(fā)信機工作。其優(yōu)點是設(shè)備簡單，功耗小，克服了通話斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象，但操作仍不太方便。所以半雙工制主要用于專業(yè)移動通信系統(tǒng)中，如汽車調(diào)度系統(tǒng)等。一般使用同一載頻工作的無線電對講機的工作方式就是半雙工通信方式。1.1.4數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)在設(shè)計或評估一個通信系統(tǒng)通信質(zhì)量的好壞時，往往要涉及通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)涉及通信系統(tǒng)的有效性(速度)、可靠性(質(zhì)量)、適應(yīng)性(環(huán)境條件)、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟性(成本)及維護使用性(是否便于維修)等多個方面。如果設(shè)計之初所有這些因素都要考慮的話，那么通信系統(tǒng)的設(shè)計會變得很復(fù)雜，系統(tǒng)性能的評估工作也很難進行。從消息的傳輸角度來看，通信的有效性與可靠性將是主要的矛盾。這里所說的有效性主要是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴栴}，即快慢問題；而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題，即好壞問題。這是兩個相互矛盾的問題，通常只能按照實際要求使它們?nèi)〉孟鄬Φ慕y(tǒng)一。例如，在滿足一定可靠性指標(biāo)的情況下，盡量提高消息的傳輸速度；或者，在滿足一定有效性的前提下，使消息傳輸質(zhì)量盡可能地提高。模擬通信系統(tǒng)的有效性用有效帶寬來度量。占用的頻帶寬度越窄，效率越高，有效性越好。模擬通信系統(tǒng)的可靠性一般用接收端接收設(shè)備輸出的信噪比來度量。信噪比越大，通信質(zhì)量越高，可靠性越好。因此，實際中，經(jīng)常采用信噪比來衡量模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)劣。在此，我們重點討論數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

1.有效性在數(shù)字通信中，用傳輸速率來衡量有效性。

1)碼元傳輸速率RB碼元傳輸速率通常又稱為符號傳輸速率、碼元速率、數(shù)碼率或者傳碼率，用符號RB來表示。碼元速率是指單位時間(每秒鐘)內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目，單位為波特(Baud)，又稱為波特率，常用符號“B”表示(注意不能用小寫)。

2)信息傳輸速率Rb信息傳輸速率簡稱信息速率，又稱為傳信率、比特率等，是以每秒鐘所傳輸?shù)男畔⒘縼砗饬康?。信息量的單位是比特，所以信息速率的單位是比?秒，又稱為比特率。例如有一個數(shù)字通信系統(tǒng)，它每秒傳輸1200個二進制碼元，則它的信息傳輸速率是1200比特/秒(1200bit/s)。

3)不同進制之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系通常在給出系統(tǒng)碼元速率時，有必要說明碼元的進制，二進制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等，有時稱它們?yōu)閿?shù)碼率。符號傳輸速率和信息傳輸速率是可以換算的。符號速率不管所傳輸?shù)男盘枮槎嗌龠M制，都代表每秒鐘所傳輸?shù)姆枖?shù)。對于信息傳輸速率，則必須折合為相應(yīng)的二進制碼元來計算。1波特＝1碼元/秒。多進制信息傳輸速率與二進制碼元傳輸速率之間可以相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為Rb=RBlbM

(1-1)

例如:如果二進制碼元傳輸速率為600波特，在二進制時的信息傳輸速率為600比特/秒，在四進制時為1200比特/秒，在八進制時為1800比特/秒。

2.可靠性數(shù)字通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃裕ǔＳ貌铄e控制率來衡量。數(shù)字通信系統(tǒng)差錯控制率主要有誤碼率和誤信率。

1)誤碼率誤碼率又稱為碼元差錯率，它的定義為接收端錯誤接收的碼元數(shù)與所接收的總碼元數(shù)的比值。更嚴格地講，誤碼率就是碼元在系統(tǒng)傳輸過程中傳錯的概率。誤碼率是一個統(tǒng)計平均值，所以這里指的是平均誤碼率。平均誤碼率的計算公式為

pe=(1-2)

2)誤信率誤信率又稱為比特差錯率，它的定義為接收端錯誤接收的比特數(shù)與所接收的總比特數(shù)的比值，其計算公式為

pb=

(1-3)

另外，還有誤字率的概念，其計算公式為pw＝

(1-4)對于二進制，誤碼率和誤比特率的關(guān)系為pb=pe

(1-5)

數(shù)字通信差錯率的大小取決于收、發(fā)信機之間的系統(tǒng)特性和信道質(zhì)量，不同信源信息對差錯率的要求也不同。當(dāng)信道不能滿足要求時，必須采取相應(yīng)的措施，如進行差錯控制編碼。

3.頻帶利用率在比較不同通信系統(tǒng)的效率時，只看它們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度。因為傳輸速率越高，所占用的信道頻帶越寬。因此，能夠真正體現(xiàn)出信息的傳輸效率的指標(biāo)應(yīng)該是頻帶利用率，即單位頻帶內(nèi)的傳輸速率，其計算公式為

(1-6)

對于二進制來說，頻帶利用率可以表示為

((bit/s)/Hz)(1-7)

從信息傳輸?shù)慕嵌葋碇v，我們總是希望有效性和可靠性越高越好。然而，對任何一個通信系統(tǒng)來說，這兩個性能指標(biāo)又是相互矛盾的，但通常也是可以互相轉(zhuǎn)換的。有效性的提高往往可通過犧牲一定的可靠性來實現(xiàn)，反之亦然。因此，只能根據(jù)實際需要取得相對的統(tǒng)一。例如，在滿足一定可靠性指標(biāo)的前提下，盡量提高信息的傳輸速度，或在維持一定的有效性的前提下，盡可能提高信息的傳輸質(zhì)量。1.2信息及信息的度量1.2.1消息的統(tǒng)計特性及信息量單位通信的目的是傳輸含有信息的消息。信號是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。為了便于對通信系統(tǒng)的性能做定量的分析，要有度量消息中所含的信息量的適當(dāng)?shù)姆椒āＯ⑹嵌喾N多樣的，信息的度量方法必須能夠用來度量任何消息的信息量，而不受消息種類的限制。任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機的，也就是說，信源的輸出是用統(tǒng)計方法來定性的。另外，消息中所含信息量的多少也應(yīng)與消息的重要程度無關(guān)。

1.消息中所含的信息量I與概率P的關(guān)系

概率論告訴我們，事件的不確定程度可以用它出現(xiàn)的概率來描述。消息中的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率愈小，則消息中包含的信息量就愈大。當(dāng)概率為0時(不可能發(fā)生事件)，信息量為無窮大；當(dāng)概率為1時(必然事件)，信息量為0。也就是說，如果事件是必然的，即發(fā)生的概率為1，則它傳遞的信息量應(yīng)為零；如果事件是不可能(概率為0)的，則它將有無窮的信息量。如果我們得到的不是由一個事件構(gòu)成而是由若干個獨立事件構(gòu)成的消息，那么我們得到的總的信息量，就是若干個獨立事件的信息量的總和。因此，我們將消息中所含的信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)間的關(guān)系式總結(jié)成如下幾條規(guī)律:

(1)消息中所含的信息量I是該消息出現(xiàn)的概率P(x)的函數(shù)，即I=I［P(x)］(1-8)

(2)消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含的信息量愈大；反之，消息出現(xiàn)的概率越大，它所含的信息量就越小，且當(dāng)P(x)=1時，I=0。

(3)若干個相互獨立的事件構(gòu)成的消息，所含的信息量等于各獨立事件所含信息量的和，即I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…(1-9)可以得出結(jié)論，I與P(x)的關(guān)系式為

(1-10)

2.信息量單位的確定信息量的單位取決于式(1-10)中對數(shù)的底數(shù)a：當(dāng)對數(shù)以2為底時，信息量單位稱為比特(bit)；當(dāng)對數(shù)以e為底時，信息量單位稱為奈特(nat)；當(dāng)對數(shù)以10為底時，信息量單位稱為哈特萊。上述三種單位的使用，可根據(jù)計算及使用的方便程度來決定。目前應(yīng)用最為廣泛的單位是比特，經(jīng)常將log2簡寫為lb。例1-1中文電報中5出現(xiàn)的概率為1/8，6出現(xiàn)的概率為1/4，分別求出5和6的信息量。解：根據(jù)式(1-10)可知另外值得注意的是，此處的單位“比特”與計算機術(shù)語中的“比特(二元數(shù)字)”的含義是不同的，它們之間的關(guān)系是每個二元數(shù)字能提供的最大平均信息量為1比特。1.2.2離散信源的信息量某離散消息是在N個消息之中獨立地選擇其一，且認為每一消息出現(xiàn)的概率是相同的，即每一消息的出現(xiàn)是獨立等概的。顯然，要傳遞一個消息，只需采用一個N進制的波形來傳送，即傳送N個消息之一和傳送N進制波形之一是完全等價的。當(dāng)N=2時，即為二進制，而且任意一個N進制波形總可以用若干個二進制波形來表示。我們定義傳送兩個等概率的二進制波形之一的信息量為I，單位為“比特”，即

(1-11)

這里選擇的對數(shù)以2為底，在數(shù)學(xué)上運算也是方便的。在數(shù)字通信中，常以二進制傳輸為主。按照上式的定義，對于N>2，則傳送每一波形的信息量應(yīng)為

(1-12)

若N是2的整冪次，則式(1-12)可改寫為I=lb2k=k(bit)

(1-13)式(1-13)表明，N(N=2k)進制的每一波形包含的信息量，恰好是二進制每一波形包含信息量的k倍。由于k就是每一個N進制波形用二進制波形表示時所需的波形數(shù)目，因此傳送每一個N(N=2k)進制波形的信息量就等于用二進制波形表示該波形所需的波形數(shù)目k。綜上所述，只要在接收者看來每一傳送波形都是獨立等概出現(xiàn)的，則一個波形所能傳遞的信息量即為

(1-14)式中：P為每一波形出現(xiàn)的概率。例1-2設(shè)二進制離散信源以相等的概率發(fā)送0或1，則信源每個輸出的信息含量為

P=1/4的信息量為2bit；P=1/8的信息量為3bit；P=1/M的信息量為lbM(bit)。若M是2的整冪次，即M=2k，則1.2.3離散信源的平均信息量設(shè)離散信息源是由n個符號組成的集合，稱為符號集。符號集中的每一個符號xi在消息中分別按概率P(xi)獨立出現(xiàn)，又設(shè)符號集中各符號出現(xiàn)的概率為

(1-15)則x1，x2，…，xn所包含的信息量分別為lbP(x1)，lbP(x2),…，lbP(xn)，每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為

(位/符號)(1-16)由于H和熱力學(xué)中的熵形式相似，故通常又稱它為信息源的熵，其單位為位/符號。例1-3某一個信息源由5個符號“A、B、C、D、E”組成，它們出現(xiàn)的概率分別為1/4、1/8、1/4、1/8、1/4，并且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的，試求信息的平均信息量。解：根據(jù)公式(1-16)知:

(位/符號)1.2.4連續(xù)信源的平均信息量以上討論了離散信源的度量。連續(xù)信源可以看成離散消息的極限情況來處理，采用概率密度f(x)來描述連續(xù)消息的信息量。經(jīng)過分析不難證明，連續(xù)消息的平均信息量為(1-17)

例1-4某一連續(xù)信源輸出信號的取值范圍為(－2~+2)，其概率密度函數(shù)為f(x)=1/4，由式(1-17)計算該連續(xù)信源的平均信息量。解：根據(jù)題意得:

要獲得離散信息源的最大熵，則各符號應(yīng)等概率且統(tǒng)計獨立出現(xiàn)，而連續(xù)信源的最大熵取決于信息源輸出取值上所受到的限制，如峰值受限和均方值受限等。1.3信道容量及香農(nóng)公式信道容量(ChannelCapacity)指信道傳輸信息的最大能力。數(shù)字信道一般用單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)淖畲蠖M制位(比特)數(shù)來表示，模擬信道則用信道的帶寬表示。信道容量的大小還受信道質(zhì)量和可使用時間的影響，當(dāng)信道質(zhì)量較差時，實際傳輸速率將降低。當(dāng)一個信道受到加性高斯噪聲的干擾時，如果信道傳輸信號的功率和信道的帶寬受限，則對于這種信道傳輸數(shù)據(jù)的能力在信息論中有一個非?？隙ǖ慕Y(jié)論，即高斯白噪聲下關(guān)于信道容量的香農(nóng)公式。本節(jié)介紹信道容量的概念及香農(nóng)公式。在信息論中，稱信道無差錯傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記為C。從信息論的觀點來看，各種信道可概括為兩大類，即離散信道和連續(xù)信道。離散信道的輸入信號與輸出信號都是取值離散的時間函數(shù)，連續(xù)信道的輸入信號和輸出信號都是取值連續(xù)的時間函數(shù)?？梢钥闯?，前者就是廣義信道中的編碼信道，后者則是調(diào)制信道。僅從說明概念的角度考慮，我們只討論連續(xù)信道的信道容量。假設(shè)連續(xù)信道的加性高斯白噪聲功率為N(W)，信道的帶寬為B(Hz)，信號功率為S(W),則該信道的信道容量為

(1-18)式(1-18)就是信息論中具有重要意義的香農(nóng)公式，它表明了當(dāng)信號與作用在信道上的起伏噪聲的平均功率給定時，在具有一定頻帶寬度B的信道上，理論上單位時間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。噪聲功率N與信道帶寬B有關(guān)，若噪聲單邊功率譜密度為n0(W/Hz)，則噪聲功率N=n0B。因此，香農(nóng)公式也可以表示為(1-19)由式(1-19)可見，一個連續(xù)信道的信道容量受B、n0、S三個要素限制，只要這三個要素確定，則信道容量也就隨之確定。通常，把實現(xiàn)了極限信息速率傳送(即達到信道容量值)并且能做到任意小差錯率的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng)。香農(nóng)公式只證明了理想通信系統(tǒng)的存在性，卻沒有指出具體的實現(xiàn)方法，但這并不影響香農(nóng)公式在通信系統(tǒng)理論分析和工程實踐中所起的重要指導(dǎo)作用。1.4通信實驗常用儀器設(shè)備的使用一、實驗?zāi)康?/p>

(1)通過測試信號源的各種信號，了解示波器的使用方法，學(xué)會熟練使用示波器。

(2)學(xué)會熟練使用ZYE1101F型實驗箱的各種信號源。二、實驗器材

40M雙蹤示波器 一臺探頭 兩個通信實驗系統(tǒng)實驗箱(采用湖北眾友科技實業(yè)股份有限公司ZYE1101F型實驗箱)三、實驗原理

ZYE1101F型實驗箱信號源模塊大致分為模擬部分和數(shù)字部分，分別產(chǎn)生模擬信號和數(shù)字信號。

1.模擬信號源部分模擬信號源部分能夠輸出頻率和幅度可任意改變的正弦波(頻率變化范圍100Hz～10kHz)、三角波(頻率變化范圍100Hz～1kHz)、方波(頻率變化范圍100Hz～10kHz)、鋸齒波(頻率變化范圍100Hz～1kHz)以及32kHz、64kHz、1MHz的點頻正弦波(幅度可以調(diào)節(jié))，各種波形的頻率和幅度的調(diào)節(jié)方法請參考實驗步驟。該部分電路原理框圖如圖1-8所示。圖1-8模擬信號源部分原理圖在實驗前，已經(jīng)將各種波形在不同頻段的數(shù)據(jù)寫入了數(shù)據(jù)存儲器U005(2864)，并存放在固定的地址中。當(dāng)單片機U006(89C51)檢測到波形選擇開關(guān)和頻率調(diào)節(jié)開關(guān)送入的信息時，一方面通過預(yù)置分頻器調(diào)整U004(EPM7128)中分頻器的分頻比，分頻后的信號頻率由數(shù)碼管M001～M004顯示；另一方面根據(jù)分頻器輸出的頻率和所選波形的種類，通過地址選擇器選中數(shù)據(jù)存儲器U005中對應(yīng)地址的區(qū)間，輸出相應(yīng)的數(shù)字信號。該數(shù)字信號經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器U007(TLC7528)、開關(guān)電容濾波器U008(TLC14CD)后得到所需的模擬信號。

2.數(shù)字信號源部分數(shù)字信號源部分可以產(chǎn)生多種頻率的點頻方波、NRZ碼(可通過撥碼開關(guān)SW103、SW104、SW105改變碼型)以及位同步信號和幀同步信號。絕大部分電路功能由U004(EPM7128)來完成，通過撥碼開關(guān)SW101、SW102可改變整個數(shù)字信號源位同步信號和幀同步信號的速率。該部分電路原理框圖如圖1-9所示。圖1-9數(shù)字信號源部分原理圖晶振出來的方波信號經(jīng)三分頻后分別送入分頻器和另外一個可預(yù)置分頻器分頻，前一分頻器分頻后可得到1MHz、256kHz、64kHz、8kHz的方波以及8kHz的窄脈沖信號。可預(yù)置分頻器的分頻比可通過撥碼開關(guān)SW101、SW102來改變，分頻比范圍是1～9999。分頻后的信號即為整個系統(tǒng)的位同步信號(從信號輸出點“BS”輸出)。數(shù)字信號源部分還包括一個NRZ碼產(chǎn)生電路，通過該電路可產(chǎn)生24位為一幀的周期性NRZ碼序列，該序列的碼型可通過撥碼開關(guān)SW103、SW104、SW105來改變。四、實驗步驟

(1)了解示波器前面板的結(jié)構(gòu)和功能，并通過對通信原理實驗箱各個信號測量點的信號進行測量，進一步掌握示波器的使用方法。

(2)把信號源模塊固定在通信實驗箱中，檢查電源接觸是否良好。

(3)插上電源線，打開主機箱右側(cè)的交流電源開關(guān)，按下開關(guān)POWER1、POWER2，發(fā)光二極管LED001、LED002發(fā)光，按一下復(fù)位鍵，信號源模塊開始工作。

(4)模擬信號源部分:

①觀察“32k正弦波”、“64k正弦波”、“1M正弦波”各點輸出的正弦波波形，對應(yīng)的電位器“32k幅度調(diào)節(jié)”、“64k幅度調(diào)節(jié)”、“1M幅度調(diào)節(jié)”可分別改變各正弦波的幅度。②按下“復(fù)位”按鍵使U006復(fù)位，波形指示燈“正弦波”亮，波形指示燈“三角波”、“鋸齒波”、“方波”以及發(fā)光二極管LED007滅，數(shù)碼管M001～M004顯示“2000”。③按一下“波形選擇”按鍵，波形指示燈“三角波”亮(其它仍熄滅)，此時信號輸出點“模擬輸出”的輸出波形為三角波。逐次按下“波形選擇”按鍵，四個波形指示燈輪流發(fā)亮，此時“模擬輸出”點輪流輸出正弦波、三角波、鋸齒波和方波。

④將波形選擇為正弦波(對應(yīng)發(fā)光二極管亮)，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)編碼器K001，改變輸出信號的頻率(順時針轉(zhuǎn)增大，逆時針轉(zhuǎn)減小)，觀察“模擬輸出”點的波形，并用頻率計查看其頻率與數(shù)碼管顯示的是否一致。轉(zhuǎn)動電位器“幅度調(diào)節(jié)”可改變輸出信號的幅度，幅度最大可達3V。(注意:發(fā)光二極管LED007熄滅，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)編碼器K001時，頻率以1Hz為單位變化；按一下K001，LED007亮，此時轉(zhuǎn)動K001，頻率以50Hz為單位變化；再按一下K001，頻率再次以1Hz為單位變化。)⑤將波形分別選為三角波、鋸齒波、方波，重復(fù)上述實驗。

⑥模擬信號放大通道:用導(dǎo)線連接“模擬輸出”點與“IN”點，觀察“OUT”點波形，轉(zhuǎn)動電位器“幅度調(diào)節(jié)2”可改變輸出信號的幅度(最大可達6V)。⑦電位器W006用來調(diào)節(jié)開關(guān)電容濾波器U008的控制電壓，電位器W007用來調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器U007的參考電壓，這兩個電位器在出廠時已經(jīng)調(diào)好，切勿自行調(diào)節(jié)。

(5)數(shù)字信號源部分:

①撥碼開關(guān)SW101、SW102的作用是改變分頻器的分頻比(以4位為一個單元，對應(yīng)十進制數(shù)的1位，以BCD碼分別表示分頻比的千位、百位、十位和個位)，得到不同頻率的位同步信號。分頻前的基頻信號為2MHz，分頻比變化范圍是1~9999，所以位同步信號的頻率范圍是200Hz～2MHz。例如，若想信號輸出點“BS”輸出的信號頻率為15.625kHz,則需將基頻信號進行128分頻，將撥碼開關(guān)SW101、SW102設(shè)置為0000000100101000，就可以得到15.625kHz的方波信號。撥碼開關(guān)SW103、SW104、SW105的作用是改變NRZ碼的碼型。1位撥碼開關(guān)就對應(yīng)著NRZ碼中的一個碼元，當(dāng)該位開關(guān)往上撥時，對應(yīng)的碼元為1，往下?lián)軙r，對應(yīng)的碼元為0。

②將撥碼開關(guān)SW101、SW102設(shè)置為0000000100000000，SW103、SW104、