通信原理第一章[绪论]

1.1通信的基本概念

通信：是发送者（人或机器）和接收者之间通过某种媒体进行的信息传递。

电信：是利用电信号来传输信息的通信方式。

1.1.2 消息、信息与信号

​ **消息（message）**在不同的地方有不同的含义。本书指通信系统传输的对象，是信息的载体。分为连续消息和离散消息。

​ **信息（information）**是消息中所包含的有效内容。

​ **信号(signal)**是消息的传输载体。对应消息也分为两大类，模拟信号的数字信号

​ 模拟信号(analog signal)-载荷消息的信号参量取值是连续的。

​ 数字信号（digital signal）-载荷消息的信号参量只有有限个取值

​ 消息与电信号之间的转换通常由各种传感器来实现

• 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

1.2通信系统模型

1.2.2 模拟通信系统模型

两种变换

第一种变换：在发送端把连续消息变成原始电信号，在接收端进行相反的变换

第二种变换：把基带信号变换成适合在信道中传输的信号，并在接收端进行反变换。

语音信号的频域范围：300Hz~3400Hz

图像信号的频域范围：0~6MHz

1.2.3 数字通信系统模型

信源编码（Source Coding）：两个基本功能

• 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（A/D）转换，即当信号源给出的是模拟信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字传输。

信道编码（Channel Coding）:作用是进行差错控制。加入保护成分（监督码元），组成所谓“抗干扰编码”。

加密与解密：为了保证信息安全，人为地将被传输的数字序列扰乱。

**数字调制与解调：**是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。基本的数字调制方式有

• 振幅键控（ASK）
• 频移键控（FSK）
• 绝对相移键控（PSK）
• 相对（差分）相移键控（DPSK）

在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。

同步（Synchronization）：是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、正确、可靠工作的前提条件。按照同步的功用不同，分为载波同步、位同步、群（帧）同步和网同步。

1.3 通信系统分类与通信方式

1.3.1 通信系统的分类

• 按通信业务分类

  • 电报通信系统
  • 电话通信系统
  • 数据通信系统
  • 图像通信系统等

• 按调制方式分类

  • 基带传输系统（将未经调制的信号直接传送）如市内电话、有线广播
  • 带通传输系统（对各种信号调制后传输的总称）

• 按信号特征分类

  • 模拟信号 对应模拟通信系统
  • 数字信号 对应数字通信系统

• 按传输媒质分类

  • 有线通信系统
  • 无线通信系统

• 按工作波段分类

  • 长波通信

  • 中波通信

  • 短波通信

  • 远红外线通信

    

• 按信号复用方式分类

  • 频分复用

  • 时分复用

  • 码分复用

  • 波分复用

  • 空分复用

1.3.2 通信方式

1、单工、半双工、全双工通信

• 单工通信

• 半双工通信

• 全双工通信

2、并行传输和串行传输

• 并行传输：

• 串行传输

1.4 信息及其度量

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，则根据上面的认知，$I$与$P(x)$之间的关系应当反应如下规律：

1. 消息中所含的信息量是该消息出现的概率的函数，即

$$I=I[P(x)]$$

2. $P(x)$越小，$I$越大；反之，$I$越小；且当$P(x)=1$时，$I=0$;当$P(x)=0$时，$I=\infty$

3. 若干个互相独立时间构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，即
   $$I[P(x_1)P(x_2)\cdots ]=I[P(x_1)]+I[P(x_2)]+\cdots$$
   不难看出，若$I$与$P(x)$之间的关系式为:
   $$I={\log }_a\frac{1}{P(x)}=-{\log }_{a}P(x)$$
   则可满足上述三项要求，$I$为消息x所含的信息量

   信息量的单位和对数的底$a$有关。==若$a=2$，则信息量的单位时比特(bit)，可简记为b；==若$a=e$，则信息量的单位为奈特(nat)；若$a=10$，则信息量的单位为哈特莱(Hartley)。通常广泛使用的单位为比特，这时有
   $$I={\log }_2\frac{1}{P(x)}=-{\log }_{2}P(x)\text{(b)}$$
   考虑不等概率的情况，设离散信源是一个由$M$个符号组成的集合

一个例子：

1.5 通信系统主要性能指标

• 有效性：指传输一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率

• 可靠性：指传输信息的准确程度

• 适应性

• 经济型

• 标准型

• 可维护性等

  1.5.1 有效性

  对数字通信来说，频带利用率定义为单位带宽（每赫）内的传输速率，即
  $$\eta =\frac{R_B}{B}\text{(Baud/Hz)}\text{\hspace{1em}(1)}$$

或
$${\eta }_b=\frac{R_b}{B}\text{(b/(s⋅ Hz))}\text{\hspace{1em}(2)}$$
(1)式中$R_B$为码元传输速率，简称传码率。它被定义为单位时间（每秒）传输码元的数目，单位为波特(Baud)又称==$R_B$为波特率==

(2)式中$R_b$为信息传输速率，简称传信率，又称比特率。它定义为单位时间内传输的平均信息量，单位为比特/秒(b/s)

1.5.2 可靠性

模拟通信系统用 接收端输出信号与噪声功率比（S/N）来度量

数字通信系统的可靠性可用差错概率来衡量。差错概率用误码率和误信率表示

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，更确切的说，误码率是码元在传输过程中被穿错的概率，即
$$P_e=\frac{错误码元数}{传输总码元数}$$
误信率$P_b$,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
$$P_b=\frac{错误比特数}{传输总比特数}$$
显然，在二进制中有$P_b=P_e$

最后

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