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1第一章绪论1.1引言1.2通信系统的组成1.3通信系统分类及通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统的主要性能指标1.6信道及其容量23451.2通信系统的组成1.2.1通信系统的一般模型我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，通信系统的一般模型如图1-1所示。6图1-1通信系统的一般模型7图1-1中原始电信号称为基带信号；它所要完成的功能很多，例如调制、放大、滤波和发射等，在数字通信系统中发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。信道是指信号传输通道，按传输媒介的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。8在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号，并将原始电信号转换成相应的信息，提供给受信者。910我们以语音信号为例来说明图1-2模拟通信系统模型各部分的作用。1.发信人讲话的语音变成电信号（模拟信源）2.然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。为了提高频带利用率，使多路信号同时在一信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。经过调制后的信号称为已调信号。3.在收端，经解调器和逆变换器还原成语音信息。111.2.3数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统分为：1.数字频带传输通信系统2.数字基带传输通信系统。一、数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统如图1-3所示。12图1-3数字通信系统模型13数字通信系统还有一个非常重要的控制单元，即同步系统（图1-3没有画出）。它可以使通信系统的收、发两端或整个通信系统，以精度很高的时钟提供定时，以使系统的数据流能与发送端同步、有序而准确地接收与恢复原信息。14二、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，如图1-4所示。图1-4数字基带传输系统模型15图1-4中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。三、数字通信的主要特点数字通信技术已成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，它有如下优点：1、抗干扰、抗噪声性能好例.判断波形162、差错可控可通过纠错编码技术来控制(分组，循环，卷积)。3、易加密数字信号与模拟信号相比，容易加密和解密。4、数字通信设备和模拟通信设备相比，设计和制造更容易，体积更小，重量更轻（交换机）。5、数字信号可以通过信源编码进行压缩，以减少冗余度，提高信道利用率。6、易于与现代技术相结合。171.3通信系统分类及通信方式1819表1.3-1通信频段、常用传输媒质及主要用途204、按调制方式分类根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统和频带（调制）传输系统。基带传输是将没有经过调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对基带信号调制后再送到信道中传输。。5、按通信业务类型分类根据通信业务类型的不同，通信系统可分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等.6、按信号复用方式分类按信号复用方式，通信系统又可分为频分复用（FDM）通信系统、时分复用（TDM）通信系统和码分复用（CDM）通信系统等。211.3.2通信方式1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。22全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式，如图1-5（c）所示。例如普通电话、计算机通信网络等采用的就是全双工通信方式。图1-5通信方式示意图232、按数字信号码元排列方式划分通信方式在数字通信中按照数字码元排列顺序的方式不同，可将通信方式分为串行传输和并行传输。并行传输并行传输的优点是速度快、节省传输时间，但需占用频带宽，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。串行传输是，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。24图1-6并行和串行通信方式253、按照网络结构划分通信方式通信系统按照网络结构可分为线型、星型、树型、环型等类型。专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对点通信。因此，本书重点讨论点对点通信的原理。26信息量它仅与消息中包含的不确定度有关。也就是说消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关。消息发生概率愈小，愈使人感到意外和惊奇，则此消息所含的信息量愈大。例如，一方告诉另一方一件几乎不可能发生的消息包含的信息量比可能发生的消息包含的信息量大。如果消息发生的概率趋于零（不可能事件），则它的信息量趋于无穷大；如果消息发生的概率为1（必然事件），则此消息所含的信息量为零。在信息论中，消息所含的信息量I与消息x出现的概率P(x)的关系式为)(log)(1logxpxpIaa（1.4-1）27I代表两种含义：当事件x发生以前，表示事件x发生的不确定性；当事件x发生以后，表示事件x所含有（或所提供）的信息量。信息量的单位由对数底的取值决定。若对数以2为底时单位是“比特”（bit—binaryunit的缩写）；若以e为底时单位是“奈特”（nat—natureunit的缩写）；若以10为底时单位是“哈特”（Hart—Hartley的缩写）。通常采用“比特”作为信息量的实用单位。2829以上我们讨论了离散消息的度量。类似，关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。可以证明，连续消息的平均信息量（相对熵）为()()log()caHxfxfx（1.4-3）式中,f(x)是连续消息出现的概率密度。有兴趣的读者，可参考信息论有关专著。301.5通信系统的主要性能指标设计和评价一个通信系统，往往要涉及到许多性能指标，如系统的有效性、可靠性、适应性、经济性及使用维护方便性等。这些指标可从各个方面评价通信系统的性能，但从研究信息传输方面考虑，通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。所谓有效性，是指消息传输的“速度”问题，而可靠性主要是指消息传输的“质量”问题。在实际通信系统中，对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的，提高系统的有效性会降低可靠性，反之亦然。因此在设计通信系统时，对两者应统筹考虑。311.5.1模拟通信系统的主要性能指标模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽来表征。当信道容许传输带宽一定，而进行多路频分复用时，每路信号所需的有效带宽越窄，信道内复用的路数就越多。显然，信道复用的程度越高，信号传输的有效性就越好。信号的有效传输带宽与系统采用的调制方法有关。同样的信号用不同的方法调制得到的有效传输带宽是不一样的。模拟通信系统的可靠性指标用整个通信系统的输出信噪比来衡量。信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小。显然，信噪比越高，通信质量就越好。输出信噪比一方面与信道内噪声的大小和信号的功率有关，同时又和调制方式有很大关系。例如宽带调频系统的有效性不如调幅系统，但是调频系统的可靠性往往比调幅系统好。321.5.2数字通信系统的主要性能指标一、有效性指标数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来表征。1、传输速率传输速率有两种表示方法：码元传输速率RB和信息传输速率Rb。码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它是指系统每秒钟传送的信息量，单位是比特/秒，常用符号“bit/s”表示。3334353637解：依题意3000/bRbits则82/log81000BbRRBaud由式（1.5-6）得系统的误码率51036010100018eP381.6信道及其容量任何一个通信系统，均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成。因此，信道是通信系统必不可少的组成部分，信道特性的好坏直接影响到系统的总特性。本节将重点讨论信道特性及其对信号传输的影响，并介绍信道中加性噪声的一般特性及信道容量的概念。1.6.1信道的定义和分类通常对信道的定义有两种理解：一种是指信号的传输媒质，如对称电缆、同轴电缆、超短波及微波视距传播路径、短波电离层反射路径、对流层散射路径以及光纤等，称此种类型的信道为狭义信道。另一种是将传输媒质和各种信号形式的转换、耦合等设备都归纳在一起，包括发送设备、接收设备，馈线与天线、调制器等部件和电路在内的传输路径或传输通路，这种范围扩大了的信道称为广义信道。39广义信道按照它包含的功能，可以划分为调制信道与编码信道。在模拟通信系统中，主要是研究调制和解调的基本原理，其传输信道可以用调制信道来定义。所谓调制信道是指图1-7中调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不管其中间过程如何，只是对已调信号进行某种变换，因此可以将其视为一个整体。在研究调制、解调问题时，定义一个调制信道是非常方便的。40图1-7调制信道和编码信道41在数字通信系统中，如果我们只关心编码和译码问题，可以定义编码信道来突出研究的重点。所谓编码信道是指图1-7中编码器输出端到译码器输入端的部分。因为从编码和译码的角度来看，编码器是把信源所产生的消息信号变换为数字信号，译码器则是将数字信号恢复成原来的消息信号，而编码器输出端至译码器输入端之间的一切环节只是起到了传输数字信号的作用，所以可以将其归为一体来讨论。图1-7为调制信道与编码信道的示意图。421.6.2信道数学模型信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，它反映信道输出和输入之间的关系。下面我们简要描述调制信道和编码信道这两种广义信道的数学模型。1、调制信道模型调制信道属于模拟信道，发现它具有如下共性：（1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；（2）绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；（3）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且它还会受到（固定的或时变的）损耗；43图1-8调制信道模型（4）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。根据以上几条性质，调制信道可以用一个线性时变网络来表示，如图1-8所示。4445由以上分析可见，信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t)；二是加性干扰n(t)。如果了解和的特性，则信道对信号的具体影响就能确定。信道的不同特性反映在信道模型上有不同的k(t)和n(t)。通常，把前面提到的架空明线、电缆、波导、中长波地波传播、超短波及微波视距传播、卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的信道称为恒参信道；而将短波电离层反射，超短波流星余迹散射，超短波及微波对流层散射，超短波电离层散射以及超短波视距绕射等传输媒质所分别构成的信道称为随参信道。462、编码信道模型编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。它与调制信道模型有明显的不同：调制信道对信号的影响是通过和使信号的模拟波形发生变化。而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。故有时把调制信道看成是一种模拟信道，而把编码信道看成是一种数字信道。在常见的二进制数字传输系统中，编码信道的简单模型如图1-9所示。47图1-9二进制编码信道模型48图1-9的模型中，P(0)和P(1)分别表示发送“0”符号和“1”符号的先验概率，P(0/0)与P(1/1)是正确转移的概率，而P(1/0)与P(0/1)是错误转移的概率。信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，错误转移条件概率P(1/0)与P(0/1)也就越大；反之，错误转移条件概率P(1/0)与P(0/1)就越小。信道输出总的错误概率为Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)（1.6-3）由概率论的性质可知P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1转移概率完全由编码信道的特性决定，一个特定的编