【通信原理】第一章 -- 绪论

第一章 绪论

通信的基本概念

消息、信息与信号

• 消息： 信息的载体
• 信息： 消息中所包含的有效内容
• 信号： 消息的传输载体
  • 模拟信号： 载荷消息的信号参量取指是连续(不可数、无穷多)的
  • 数字信号： 载荷消息的信号灿林只有有限个取指

联系与不同

• 消息是信息的物理形式
• 信息是消息的有效内容
• 信号是消息的传输载体

通信系统模型

通信系统一般模型

信源

发送设备

信道

接收设备

信宿

噪声源

功能简述

1. 信源
   • 信息源，简称信源
   • 作用： 把各种消息转化成原始信号
   • 根据消息的种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源
2. 发送设备
   • 作用： 产生适合于在信道中传输的信号，使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要
3. 信道
   • 一种物理媒介
   • 作用： 用来降来自发送设备的信号传送到接收端
   • 信道及给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声
   • 信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量
4. 接收设备
   • 作用： 将信号放大和反变换(译码，解调等)，从收到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号
5. 信宿
   • 传送消息的目的地
   • 作用： 吧原始电信号还原成相应的消息

模拟通信系统模型

模拟信源

调制器

信道

解调器

信宿

噪声源

• 经过调制以后的信号称为已调信号
  • 基本特征：
    1. 携带有信息
    2. 频谱通常具有带通形式，又称带通信号

数字通信系统模型

信源

信源编码

加密

信道编码

数字调制

信道

数字解调

信道译码

解密

信源译码

信宿

噪声源

功能简述

1. 信源编码与译码
   • 信源编码
     • 提高信息传输的有效性，即通过某种压缩编码技术设法减少码元数目以降低码元速率
     • 完成模/数转换
   • 信源译码
     • 信源编码的逆过程
2. 信道编码与译码
   • 差错控制，提高通信系统的可靠性
3. 加密与解密
   • 保证所传信息的安全
4. 数字调制与解调
   • 调制： 把信息寄托到载波上
   • 解调： 从已调信号中卸载信息
5. 同步
   • 使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确、科考工作的前提条件

数字通信的特点

• 优点
  1. 抗干扰能力强，噪声不积累
  2. 传输叉车孔
  3. 宾语用信贷数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储
  4. 易于继承，是通信设备微型化，重量减轻
  5. 易于加密处理，且保密性好
• 缺点
  1. 可能需要较大的传输带宽
  2. 由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂

通信系统分类与通信方式

通信系统的分类

方面	举例
通信业务	电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等
调制(传输)方式	基带传输系统、带通传输系统
信号特征	模拟通信系统、数字通信系统
传输媒介	有线通信系统、无线通信系统
工作波段	长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等
信号复用方式	频分复用、码分复用、时分复用

通信方式

1. 单工、半双工和全双工通信(点与点之间通信)
   1. 单工通信： 消息只能单方向传输的工作方式
   2. 半双工通信： 通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式
   3. 全双工通信： 通信双方可同时收发消息的工作方式
2. 并行传输和串行传输(按数据码元传输方式不同)
   1. 并行传输： 将代表信息的数字码元序列以成组的方式在两条或者两条以上的并行信道上同时传输
      • 优势： 节省传输时间，速度快
      • 缺点： 需要n条通信线路，成本高
      • 适用于近距离传输
   2. 串行传输： 将数字码元序列以串行方式一个码元接着一个码元在一条信道上传输
      • 优势： 只需要一条信道，所需线路铺设费用低
      • 缺点： 速度慢，需要外加同步设施以解决收、发双方码组或字符的同步问题

信息及其量度

• 信息量： 传输信息的多少

  • 消息中不确定的内容才构成信息
  • 信息量的多少与接收者收到消息时赶到的惊讶程度有关
  • 信息所表达的时间越不可能发生，越不可预测，信息量就越大

• 假设P(x)表示消息发生的概率，I表示消息中所含的信息量，H为信息源的熵(单位b/符号)

$I=lo{g}_a\frac{1}{P(x)}=-lo{g}_{a}P(x)$

$H(x)=P(x_1)[-lo{g}_{2}P(x_1)]+P(x_2)[-lo{g}_{2}P(x_2)]+...+P(x_M)[-lo{g}_{2}P(x_M)]$
$=-{\sum }_{i=0}^{M}P(x_i)lo{g}_{2}P(x_i)(b/符号)$

$H(x)=-{\int }_{-\infty }^{\infty }f(x)lo{g}_{a}f(x)dx(b/符号)$

通信系统主要性能指标

• 有效性： 传输一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率
• 可靠性： 传输信息的准确程度

有效性

• 对于数字通信系统，其频带利用率定义为单位带宽(每赫)内的传输速率

• R_B为码元传输速率，简称传码率，又称R_B为波特率

• R_b为信息传输速率，简称传信率，又称比特率，定义为单位时间内传输的平均信息量，单位为比特/秒(b/s)
  $\eta =\frac{R_B}{B}(Baud/Hz)\eta$ 或 ${\eta }_b=\frac{R_b}{B}(b/(s.Hz))$

• 设每个码元的长度为T_B(s)，则有
  $R_B=\frac{1}{T_B}(Baud)$
  $R_b=R_{B}lo{g}_{2}M(b/s)$
  $R_B=\frac{R_b}{lo{g}_{2}M}(Baud)$

可靠性

• 误码率P_e，是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，误码率是在码元传输过程中被传错的概率，即

$P_e=\frac{错误码元数}{传输总码元数}$

• 误码率P_b，又称误比特率，是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例，即

$P_b=\frac{错误比特数}{传输总比特数}$

• 在二进制中P_e = P_b