目录

1.1 通信的基本概念

1.1.1 通信的发展

1.1.2 消息、信息与信号

1.2 通信系统模型

1.2.1 通信系统的一般模型

各部分作用： 

1.2.2模拟通信系统模型

1.2.3数字通信系统模型

1.2.4数字通信的特点

1.3通信系统分类与通信方式

1.3.1通信系统的分类

1.3.2通信方式

1.4信息及度量

1.5通信系统主要性能指标

1.5.1有效性

1.5.2可靠性

1.6小结

通信：按照一般的理解就是传输信息。狭义上，通信的概念为传递消息中的信息。

1.1.1 通信的发展

通信是发送者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：信息的载体

信息：消息中所包含的有效内容

信号：消息的载体

模拟信号：载荷消息的信号参量取值是连续（不可数、无穷多）的

数字信号：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。

        综上，消息、信息和信号三者联系如下： 

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

1.2.1 通信系统的一般模型

图1-1通信系统一般模型

各部分作用： 

（1）信息源（信源）：把各种消息转换成原始电信号。

（2）发送设备：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：一种物理媒质，用于将来自发送设备的信号传送到接收端。

（4）接收设备：将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。

（5）信宿：把原始电信号还原成相应的消息。

1.2.2模拟通信系统模型

已调信号（经过调制以后的信号）的两个基本特征：

（1）携带有信息；

（2）其频谱通常具有带通形式，因而又称带通信号。

1.2.3数字通信系统模型

图1-2模拟通信系统模型

图1-3数字通信系统模型

 1、信源编码与译码

信源编码的两个基本功能：

（1）提高信息传输的有效性；

（2）完成模/数（A/D）转换。

2、信道编码与译码

信道编码的作用：进行差错控制，增强抗干扰能力。

3、加密与解密

作用：保证所传信息的安全。

4、数字调制与解调

作用：形成适合在信道中传输的带通信号。

· 调制→减少天线尺寸

5、同步

作用：使收发两端的信号在时间上保持步调一致。

1.2.4数字通信的特点

与模拟通信相比，数字通信具有以下优点： 

（1）抗干扰能力强，且噪声不积累；

（2）传输差错可控；

（3）便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；

（4）易于集成，使通信设备微型化，重量减轻；

（5）易于加密处理，且保密性好。

数字通信的缺点是：

（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。

1.3通信系统分类与通信方式

1.3.1通信系统的分类

1、按通信业务分类

（1）电报通信系统

（2）电话通信系统

（3）数据通信系统

（4）图像通信系统

2、按调制方式分类（根据信道中传输的信号是否经过调制）

（1）基带传输系统

（2）带通（调制）传输系统

3、按信号特征分类

（1）模拟通信系统

（2）数字通信系统

4、按传输媒质分类

（1）有线通信系统

（2）无线通信系统

5、按工作波段分类（按通信设备的工作频率或波长不同）

（1）长波通信

（2）中波通信

（3）短波通信

（4）远红外线通信

        总结：电磁波频率越高，其穿透能力和绕射能力越弱；电磁波频率越低，其穿透能力和绕射能力越强。

6、按信号复用方式分类

（1）频分复用：用频谱搬移的方法是不同信号占据不同的频率范围。

（2）时分复用：用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间。

（3）码分复用（CDM）：用正交的编码分别携带不同信号。

        - 直接序列扩频

        - 跳频

（4）波分复用

（5）空分复用

        · 复用：针对资源        · 多址：针对用户

1.3.2通信方式

        通信方式：指通信双方之间的工作方式或信号传输方式。

1、单工、半双工和全双工通信

对于点对点之间的通信，按照消息传递的方向与时间关系可分为以下方式：

（1）单工通信（Simplex）：消息只能单方向传输的工作方式。

（2）半双工通信（Half-duplex）：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（Duplex）：通信双方可同时收发消息的工作方式。

图1-4单工、半双工和全双工通信方式示意图

 2、并行传输和串行传输

（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两条以上的并行信道上同时传输。

        - 优点：节省传输时间、速度快。

        - 缺点：需要n条通信线路，成本高。

（2）串行传输：将数字码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输。

        - 优点：只需一条通信信道，所需线路铺设费用低。

        - 缺点：速度慢，需要外加同步措施以解决收、发双方码组或字符的同步问题。

        按通信设备与传输线路之间的连接类型分类，可分为点与点之间通信（专线通信）和点到多点和多点之间通信（网通信）。

1.4信息及度量

        概率论告诉我们，事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。假设  表示消息发生的概率，  表示消息中所含的信息量，则根据上面的认知，与   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

（2） 越小， 越大；反之， 越小；且当  时， ；  时，。

（3）若干个互相独立事件构成的消息，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

若与之间的关系式为

则可满足上述三项要求。因此，将 与之间的关系式称为消息  所含的信息量。

         信息量的单位和上式中对数的底  有关。若  ，则信息量的单位为比特（bit），可简记为b；若  ，则信息量的单位为奈特（nat）；若  ，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

[例1]设一个离散信源，以相等的概率发送二进制数字“0”或“1”，则每个数字的信息量为

        由此可见，传送等概率的二进制波形之一的信息量为1bit。

        对于离散信源，M个波形等概率（）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为

式中：P为每一个波形出现的概率；M为传送的波形数。

        对于非等概率的情况，其平均信息量（又称信息源的熵）为

(b/符号)

        当(每个符号等概率独立出现时)，信源有最大值。

[例2]一离散信源由0，1，2，3共4个符号组成，他们出现的概率分别为 , 且每个符号的出现都是独立的。试求某条消息  201020130213001203210100321010023102002010312032100120210 的信息量。

[解]此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该条消息的信息量为

每个符号的算术平均信息量为

 /符号数 =  （b / 符号）

若用熵的概念来计算，可得平均信息量为

 (b / 符号)

则该条消息的信息量为

可证得连续消息的平均信息量为

式中：f（x）为连续消息出现的概率密度。

1.5通信系统主要性能指标

        通信系统的性能指标涉及其有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可维护性等。

        所谓有效性是指传输一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率；可靠性是指传输信息的准确程度。不同的通信系统对有效性和可靠性的要求及度量方法也不尽相同。

1.5.1有效性

        对于模拟通信系统，传输同样的信源信号，所需的传输带宽越小，频带利用率越高，有效性越好。

        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，即

或

式中， 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），因此，又称为波特率。

        设每个码元的长度为  ,则有

 式中， 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）。

        因为一个M禁止码元携带  比特的信息量，所以码元速率和信息速率有以下确定的关系，即

 或

        若每个二进制码元的持续时间为  , 则 与  有如下关系：

1.5.2可靠性

        数字通信系统的可靠性可用差错概率来衡量。差错概率常用误码率和误信率表示。

        误码率  ,是指错误接受的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输过程中被传错的概率，即

 = 错误码元数 / 传输总码元数 

        误信率  ,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

 = 错误比特数 / 传输总比特数

         显然，在二进制中有 .

1.6小结

        通信的目的是传输消息中所包含的信息。消息是信息的物理表现形式，信息是消息的有效内容。

        信号时消息的传输载体。根据携载消息的信号参量是连续取值还是离散取值，信号分为模拟信号和数字信号。

         通信系统有不同的分类方法。按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。

        数字通信已成为当前通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信系统具有抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控；数字处理灵活，可以将来自不同信源的信号综合到一起传输；易集成，成本低；保密性好等优点。缺点是占用带宽大，同步要求高。

        按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工和全双工通信。按数据码元排列的顺序可分为并行传输和穿行传输。

        信息量是对消息发生的概率（不确定性）的度量。一个二进制码元含1b 的信息量；一个M 禁止码元含有 比特的信息量。等概率发送时，信源的熵有最大值。

        有效性和可靠性是通信系统的两个主要指标。两者相互矛盾而又相对统一，且可互换。在模拟通信系统中，有效性可用带宽衡量，可靠性可用输出信噪比衡量。在数字通信系统中，有效性用频带利用率表示，可靠性用误码率、误信率表示。

        信息速率是每秒发送的比特数；码元速率是每秒发送的码元个数。码元速率在数值上小于等于信息速率。码元速率决定了发送信号所需的传输带宽。

参考书目：

[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2021.2重印

最后

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