第1

章緒論1.1

通信系統的組成1.2通信系統分類與通信方式1.3信息及其度量1.4通信系統的主要性能指標

1.1

通信系統的組成

通信就是從一地向另一地傳遞消息。通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。信息是消息的內涵,即消息中所包含的人們原來不知而待知的內容?；谶@種認識,“通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸”

實現通信的方式很多,如手勢、語言、旌旗、消息樹、烽火臺、金鼓和驛馬傳令,以及現代社會的電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網和計算機等,這些都是消息傳遞的方式和信息交流的手段。隨著社會的進步和科學技術的發展,目前使用最廣泛的通信方式是電通信,簡稱電信,它是利用電信號傳輸信息的通信方式。

如今,在自然科學領域,凡是涉及“通信”這一術語時,一般均指“電通信”。廣義來講,光通信也屬于電通信,因為光也是一種電磁波。本書中討論的通信均指電通信。

1.1.1-通信系統的一般模型

通信系統是指實現信息傳遞所需的一切技術設備(包括信道)的總和,其一般模型如圖1-1所示,圖中各部分的功能簡述如下:圖1-1-通信系統的一般模型

信息源(簡稱信源)是消息的發源地,其作用是把各種消息轉換成原始電信號(稱為消息信號或基帶信號)。根據消息種類的不同,信源可分為模擬信源和數字信源。模擬信源送出的是模擬信號,如麥克風(聲音→音頻信號)、攝像機(圖像→視頻信號);數字信源輸出離散的數字信號,如電傳機(鍵盤字符→數字信號)、計算機等各種數字終端。

發送設備的功能是將信源和信道匹配起來,即將信源產生的消息信號變換成適合在信道中傳輸的信號。因此,發送設備涵蓋的內容很多,可以是不同的變換器,如放大、濾波、

編碼、調制、復用等。

信道是指傳輸信號的物理媒質,分為有線信道和無線信道。無線信道可以是大氣(自由空間),有線信道可以是明線、電纜、光纖。

噪聲源不是人為加入的設備,而是信道中的噪聲以及通信系統其他各處噪聲的集中表示。噪聲通常是隨機的,其形式是多種多樣的,它的存在干擾了正常信號的傳輸。

接收設備的功能是放大和反變換(如濾波、譯碼、解調、分路等),其目的是從受到干擾和減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。

受信者(信宿)是消息傳送的目的地,其功能與信源相反,即將復原的原始電信號還原成相應的消息,如揚聲器等。

1.1.2模擬與數字通信系統模型

圖1-1中,信源發出的消息雖然有多種形式,但可分為兩大類:一類稱為連續消息;另一類稱為離散消息。

連續消息是指消息的狀態是連續變化或不可數的,如語音、溫度數據等。離散消息則是指消息的狀態是離散的或可數的,如符號、數字數據等。

電信號是消息的物質載體,即把消息寄托在電信號的某一參量(如連續波的幅度、頻率或相位,脈沖波的幅度、寬度或位置)上。消息與電信號的轉換通常由各種傳感器來實現。

模擬信號是指載荷消息的信號參量取值是連續(不可數,無窮多)的,如電話機送出的語音信號、電視攝像機輸出的圖像信號等。模擬信號有時也稱連續信號,這里連續是指信號的某一參量可以連續變化,或者說在某一取值范圍內可以取無窮多個值,如圖1-2(a)所示。模擬信號不一定在時間上也連續,如圖1-2(b)所示的抽樣信號。圖1-2模擬信號波形

數字信號是指載荷消息的信號參量只存在有限個取值,如電報信號、計算機輸出的信號等。最典型的數字信號是只有兩種取值的信號,如圖1-3(a)所示。數字信號不一定在時

間上也離散,如圖1-3(b)所示的2PSK信號。圖1-3數字信號波形

1.模擬通信系統模型

模擬通信系統是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統,其模型如圖1-4所示。我們知道,信源發出的原始電信號是基帶信號,基帶的含義是信號的頻譜從零頻附近開始,如語音信號為300~3400Hz,圖像信號為0~6MHz。由于這種信號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變換成適合在信道中傳輸的信號,并在接收端進行反變換。完成這種變換和反變換的通常是調制器和解調器。調制以后的信號稱為已調信號。已調信號有三個基本特征:一是攜帶信息,二是適合在信道中傳輸,三是信號的頻譜通常具有帶通形式,因而已調信號又稱帶通信號或頻帶信號。圖1-4模擬通信系統模型

2.數字通信系統模型

數字通信系統是利用數字信號來傳遞信息的通信系統,其模型如圖1-5所示。圖1-5數字通信系統模型

1)信源編碼與譯碼

信源編碼的作用之一是提高信息傳輸的有效性,即通過某種編碼壓縮技術來減少碼元數目,以降低數字信號的碼元速率,因為碼元速率決定了信號占用的傳輸帶寬,而傳輸帶

寬反映了通信的有效性;作用之二是完成模/數(A/D)轉換,即把來自模擬信源的模擬信號轉換成數字信號,以實現模擬信號的數字化傳輸。信源譯碼是信源編碼的逆過程。

2)信道編碼與譯碼

數字信號在信道傳輸時,受噪聲、衰落以及人為干擾等,將會產生差錯。為了降低差錯,信道編碼器對傳輸的信息碼元按一定的規則加入保護成分(監督元),組成所謂的“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規則進行解碼,從解碼過程中發現錯誤或糾正錯誤,從而提高通信系統的抗干擾能力,實現可靠通信。

3)加密與解密

在需要實現保密通信的場合,為了保證所傳信息的安全,人為將被傳輸的數字序列擾亂,即加上密碼,這種處理過程叫加密。在接收端,利用與發送端相同的密碼復制品對收到的數字序列進行解密,恢復原來的信息。

4)數字調制與解調

數字調制就是把數字基帶信號的頻譜搬移到高頻處,形成適合在信道中傳輸的頻帶信號。基本的數字調制方式有振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)、差分相

位鍵控(DPSK)。在接收端可以采用相干解調或非相干解調將頻帶信號還原為數字基帶信號。對高斯噪聲下的信號檢測,一般用相關器接收機或匹配濾波器接收機。

5)同步

同步是保證數字通信系統有序、準確、可靠工作的前提條件。按照功用不同,同步可分為載波同步、位同步、群同步和網同步。

3.數字通信的主要特點

模擬通信和數字通信在不同的通信業務中都得到了廣泛的應用。與模擬通信相比,數字通信的優點是:

(1)抗干擾能力強,且可消除噪聲積累。

(2)差錯可控?？梢圆捎眯诺谰幋a技術使誤碼率降低,提高傳輸的可靠性。

(3)易于與各種數字終端接口,用現代計算技術對信號進行處理、變換、存儲。

(4)易于集成化,從而使通信設備微型化。

(5)易于加密處理,且保密強度高。

數字通信的主要缺點是可能需要較大的帶寬。另外,由于數字通信對同步要求高,因而系統設備比較復雜。不過,隨著新的寬帶傳輸信道(如光導纖維)的采用,以及窄帶調制技術、微電子技術、計算機技術和超大規模集成電路的發展,數字通信的這些缺點已經弱化。因此,數字通信的應用會越來越廣泛。

1.2通信系統分類與通信方式1.2.1-通信系統的分類1.按通信業務分類按通信業務分,通信系統可分為話務通信系統和非話務通信系統。話務通信在電信領域中一直占主導地位,非話務通信近年來發展迅速。非話務通信主要有分組數據業務、計算機通信、數據庫檢索、電子信箱、電子數據交換、傳真存儲轉發、可視圖文及會議電視、圖像通信等。由于電話通信網最為發達和普及,因而其他通信常常借助于公用電話通信進行。

2.按調制方式分類

根據是否采用調制,通信系統可分為基帶傳輸系統和頻帶(載波調制)傳輸系統?；鶐鬏斒侵笇⑽唇浾{制的信號直接傳送,如市內電話、有線廣播。頻帶傳輸是對各種信號調

制后傳輸的總稱。調制方式很多,表1-1-列出了一些常見的調制方式。

3.按信號特征分類

按照信道中所傳輸的是模擬信號還是數字信號,相應地通信系統可分成模擬通信系統和數字通信系統。

4.按傳輸媒質分類

按傳輸媒質分,通信系統可分為有線通信系統和無線通信系統兩大類。

5.按工作波段分類

按通信設備的工作頻率不同,通信系統可分為長波通信系統、中波通信系統、短波通信系統、遠紅外線通信系統等。表1-2列出了通信使用的頻段、常用的傳輸媒質及主要用途。

工作波長和頻率的換算公式為

式中,λ為工作波長,f為工作頻率,c為光速。

6.按信號復用方式分類

在同一個信道中同時傳輸多路信號的基本復用方式有頻分復用、時分復用和碼分用。頻分復用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻率范圍;時分復用是用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區間;碼分復用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。

1.2.2通信方式

1.按消息傳遞的方向與時間關系分

對于點與點之間的通信,按消息傳遞的方向與時間關系不同,通信方式可分為單工、半雙工及全雙工三種。

單工通信,是指消息只能單方向傳輸的工作方式,它只占用一個信道,如圖1-6(a)所示。廣播、遙測、遙控、無線尋呼等就是單工通信的例子。圖1-6單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

半雙工通信,是指通信雙方都能收發消息,但不能同時進行收和發的工作方式,如圖1-6(b)所示。

全雙工通信,是指通信雙方可同時進行收發消息的工作方式。一般情況下全雙工通信的信道必須是雙向信道,如圖1-6(c)所示。

2.按數字信號排列順序分

在數字通信中,按數字信號碼元排列的順序不同,通信方式可分為并行傳輸和串行傳輸。

并行傳輸是將代表信息的數字碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸,如圖1-7(a)所示。

串行傳輸是數字碼元序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸,如圖1-7(b)所示。通常,一般的遠距離數字通信都采用這種方式。此外,通信方式還可以按通信的網絡拓撲結構劃分圖1-7并行和串行通信方式示意圖

1.3信息及其度量

首先,讓我們從常識的角度來感覺三條消息:①太陽從東方升起;②太陽比往日大兩倍;③太陽將從西方升起。第一條幾乎沒有帶來任何信息,第二條帶來了大量信息,第三條帶來的信息多于第二條。究其原因,第一條消息是一個必然事件,不足為奇;第三條消息幾乎不可能發生,它使人感到驚奇和意外,也就是說,它帶來更多的信息。因此,信息含量是與驚奇這一因素相關聯的,這是不確定性或不可預測性的結果。越是不可預測的事件,越會使人感到驚奇,帶來的信息也就越多。

根據概率論知識,事件的不確定性可用事件出現的概率來描述?？赡苄栽叫?概率越小;反之,概率越大。因此,消息中包含的信息量與消息發生的概率密切相關。消息出現的

概率越小,消息中包含的信息量就越大。假設P(x)是一條消息發生的概率,I是從該消息獲得的信息量,根據上面的認知,顯然I與P(x)之間的關系反映為如下規律:

(1)信息量是概率的函數,即

(2)P(x)越小,I越大;反之,I越小,即

(3)若干個互相獨立的事件構成的消息,所含信息量等于各獨立事件信息量之和,也就是說,信息具有相加性,即

綜上所述,信息量I與消息發生的概率P(x)之間的關系應為

【例1-1】設二進制離散信源以相等的概率發送數字0或1,則信源每個輸出的信息含量為

可見,傳送等概率的二進制波形之一(P=1/2)的信息量為1比特。同理,傳送等概率的四進制波形之一(P=1/4)的信息量為2比特,這時每一個四進制波形需要用2個二進制脈沖表示;傳送等概率的八進制波形之一(P=1/8)的信息量為3比特,這時至少需要3個二進制脈沖。

綜上所述,對于離散信源,M個波形等概率(P=1/M)發送,且每一個波形的出現是獨立的,即信源是無記憶的,則傳送M進制波形之一的信息量為

式中,P為每一個波形出現的概率,M為傳送的波形數。若M是2的整冪次,比如M=2K(K=1,2,3,…),則式(1.33)可改寫為

式中,K是二進制脈沖數目。也就是說,傳送每一個M(M=2

K)進制波形的信息量就等于用二進制脈沖表示該波形所需的脈沖數目K。

【例1-2】一離散信源由0,1,2,3四個符號組成,它們出現的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8,且每個符號的出現都是獨立的。試求消息201020130213001203210100

321010023102002010312032100120210的信息量。

以上我們介紹了離散消息所含信息量的度量方法。對于連續消息,信息論中有一個重要結論,就是任何形式的待傳信息都可以用二進制形式表示而不失其主要內容。抽樣定理

告訴我們:一個頻帶受限的連續信號,可以用每秒一定數目的抽樣值代替,而每個抽樣值可以用若干個二進制脈沖序列來表示。因此,以上信息量的定義和計算同樣適用于連續信號。

1.4通信系統的主要性能指標

通信的任務是快速、準確地傳遞信息。因此,評價一個通信系統優劣的主要性能指標是系統的有效性和可靠性。有效性是指在給定信道內所傳輸的信息內容的多少,或者說是傳輸的“速度”問題,而可靠性是指接收信息的準確程度,也就是傳輸的“質量”問題。這兩個問題相互矛盾而又相對統一,通常還可以進行互換。

1.傳輸速率

碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率,又稱符號速率等。它表示單位時間內傳輸碼元的數目,單位是波特(Baud),簡記為Bd。

數字信號有多進制