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第1章绪论第1章绪论1.1通信的发展1.2通信的概念1.3通信系统1.4信息论基础1.5通信系统的主要性能指标第1章绪论1.1通信的发展1.1.1通信发展简史人类自存在以来，就总是要进行思想交流和消息传递的。远古时代的人类用表情和动作进行信息交流，这是最原始的通信方式；后来，人类在漫长的生活中创造了语言和文字，进一步实现了语言和文字的信息交流。除此之外，人类还创造了许多信息传递方式，如古代的烽火台、金鼓、锦旗，航行用的信号灯等，这些都是解决远距离信息传递的方式。进入19世纪后，人们开始试图用电信号进行通信。下面在表1－1中列出一些与通信相关的历史事件，使读者能够清晰地掌握通信发展的概貌。第1章绪论表1-1与通信相关的历史事件第1章绪论表1-1与通信相关的历史事件第1章绪论1.1.2通信技术的发展与展望电缆通信是最早发展起来的通信技术，它用于长途通信已有60多年的历史，在通信中占有突出地位。在光纤通信和移动通信发展之前，电话、传真、电报等各用户终端与交换机的连接全靠市话电缆。电缆还曾是长途通信和国际通信的主要手段，大西洋、太平洋均有大容量的越洋电缆。据1982年的统计，我国公用网长途线路总长为18万余公里，其中90％为明线。目前，同轴电缆所占的比例已上升到三分之一左右。电缆通信中主要采用模拟单边带调制和频分多路复用(SSB／FDM)方式。国际上同轴电缆每芯最高容量可达13200路(或6路广播电视)，我国沪—杭、京—汉—广同轴电缆干线可通1800路载波电话。自从数字电话问世以来，各国大力发展脉冲编码调制时分多路信号在同轴电缆中的基带传输技术，数字电话容量可达4032路。第1章绪论目前广泛应用的是第二代移动通信系统，采用窄带时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术，已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS-95系统、日本的PDC系统。我国主要采用的是欧洲的GSM系统。第二代移动通信系统实现了区域内制式的统一，覆盖了大中小城市，为人们的信息交流提供了极大的便利。随着移动通信终端的普及，移动用户数量成倍地增长，第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显现，如全球漫游问题、系统容量问题、频谱资源问题、支持宽带业务问题等。第1章绪论第三代移动通信系统是向未来个人通信发展的一个重要阶段，具有里程碑和划时代的意义，让我们关注其发展态势，迎接它的到来。目前，我国电话网的规模和技术层次均有质的变化，已初步建成了以光缆为主，微波、卫星综合利用，固定电话、移动通信、多媒体通信多网并存，覆盖全国城乡，通达世界各地，大容量、高速度、安全可靠的电信网。第1章绪论1.2通信的概念1.2.1通信的定义通信(Communication)就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信(Telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。第1章绪论1.2.2通信的分类1.按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。所谓有线通信，是指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导、纳米材料等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。所谓无线通信，是指传输媒质看不见、摸不着(如电磁波)的一种通信形式。通常，有线通信亦可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信形式较多，常见的有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信等。第1章绪论2.按信道中传输的信号分类凡信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等)可以取无限多个数值，且直接与消息相对应的，称为模拟信号。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化(即可以取无限多个值)，而不一定在时间上也连续这里指的某一参量是指我们关心的并作为研究对象的那一参量，绝不是仅指时间参量。当然，对于参量连续变化、时间上也连续变化的信号，毫无疑问是模拟信号，如强弱连续变化的语言信号、亮度连续变化的电视图像信号等都是模拟信号。第1章绪论3.按工作频段分类根据通信设备的工作频率不同，通信通常可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。为了比较全面地对通信中所使用的频段有所了解，下面把通信使用的频段及主要用途列入表1-2中，仅作为参考。第1章绪论表1-2通信使用的频段及主要用途频率范围(f)波长(λ)符号常用传输媒介用途3Hz~30kHzm481010甚低频VLF有线线对长波无线电音频、电话、数据终端、长距离导航、时标30~300kHzm341010低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHzm231010中频MF同轴电缆中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHzm10102高频HF波无线电移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电30~300MHzm110甚高频VHF波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航、集群通信、无线寻呼300MHz~3GHzcm10100特高频UHF波导分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信3~30GHzcm110超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHzmm110极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学105~107GHzcm64103103紫外、可见光红外间传播光通信第1章绪论通信的中工作频率和工作波长可互换，公式为fC(1-1)式中,λ为工作波长；f为工作频率；C为电波在自由空间中的传播速度，通常认为C=3×108m/s。第1章绪论4.按调制方式分类根据消息在送到信道之前是否采用调制，通信可分为基带传输和频带传输。所谓基带传输，是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的通信方式；而频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，接收端有相应解调措施的通信方式。基带传输和频带传输的详细内容，将分别在第4章和第5章中论述。表1-3列出了一些常用的调制方式，供读者参考。第1章绪论表1-3常用的调制方式调制方式用途常规双边带调幅AM广播抑制载波双边带调幅DSB立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传线性调制残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真频率调制FM微波中继、卫星通信、广播非线性调制相位调制PM中间调制方式幅度键控ASK数据传输频率键控FSK数据传输相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信连续波调制数字调制其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉冲模拟调制脉位调制PPM遥测、光纤传输脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码脉冲调制脉冲数字调制其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话第1章绪论1.2.3通信的方式1.按消息传送的方向与时间分类通常，如果通信仅在点对点之间进行或一点对多点之间进行，那么，按消息传送的方向与时间不同，通信的工作方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信方式，如图1-1（a）所示。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。这里，信号(消息)只能从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和寻呼机上。第1章绪论图1-1按消息传送的方向和时间划分的通信方式（a）单工方式；(b)半双工方式；(c)全双工方式第1章绪论2.按数字信号排序分类在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同，可将通信方式分为串序传输和并序传输。所谓串序传输，是指将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的通信方式，如图1-2(a)所示；如果将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并序传输，如图1-2(b)所示。第1章绪论图1-2按数字信号排序划分的通信方式(a)串序传输方式；(b)并序传输方式第1章绪论3.按通信网络形式分类通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式，如图1-3所示。第1章绪论图1-3按通信网络形式划分的通信方式(a)两点间直通方式；(b)分支方式；(c)交换方式第1章绪论直通方式是通信网络中最为简单的一种形式，终端A与终端B之间的线路是专用的；在分支方式中，它的每一个终端(A,B,C,…,N)经过同一信道与转接站相互连接，此时，终端之间不能直通信息，而必须经过转接站转接，此种方式只在数字通信中出现；交换方式是终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换的一种方式，即把要求通信的两终端之间的线路接通(自动接通)，或者通过程序控制实现消息交换，即通过交换设备先把发方来的消息储存起来，然后再转发至收方，这种消息转发可以是实时的，也可是延时的。第1章绪论分支方式及交换方式均属网通信的范畴。无疑，它们和两点间直通方式相比，还有其特殊的一面。例如，网通信中有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等，其中既有信息控制问题，也有网同步问题等，尽管如此，网通信的基础仍是点与点之间的通信。因此，本书只把注意力集中到点与点之间的通信上，而对网通信只限于基础知识介绍。第1章绪论1.3通信系统1.3.1通信系统的模型通信的任务是完成消息的传递和交换。以点对点通信为例，可以看出要实现消息从一地向另一地的传递，必须有三个部分：一是发送端，二是接收端，三是收发端之间的信道，如图1-4所示。第1章绪论图1-4通信系统的模型第1章绪论1.3.2我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成(通常也称为模型)可由一般通信系统的模型略加改变而成，如图1-5所示。第1章绪论图1-5模拟通信系统模型第1章绪论1.3.3数字通信系统1.数字频带传输通信系统数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而使数字通信具有许多特殊的问题。例如，前面提到的第二种变换，在模拟通信中强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的模拟信号之间的比例特性，而在数字通信中则强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。第1章绪论另外，数字通信中还存在以下突出问题。第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是，就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应地需要一个解码器。第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行“扰乱”(加密)，此时在接收端就必须进行解密。第三，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发送端相同的节拍，否则就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征编组形成的码组，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称码组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“同步”这个重要环节。第1章绪论图1-6点对点的数字频带传输通信系统模型第1章绪论2.数字基带传输通信系统与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，其模型如图1-7所示。图1-7数字基带传输通信系统模型第1章绪论3.模拟信号数字化传输通信系统上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号。实际上，在日常生活中，大部分信号(如语音信号)为连续变化的模拟信号，要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需进行相反的转换，即D/A转换。实现模拟信号数字化传输的通信系统模型如图1-8所示。第1章绪论图1-8模拟信号数字化传输通信系统模型第1章绪论1.3.4数字通信的主要