《通信原理》第1章(绪论)学习笔记

第 1 章 绪论

1.1 通信的基本概念

1.1.1 通信的发展

• 通信：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：利用电信号来传输信息的通信方式
• “通信”这一术语一般是指“电信”

1.1.2 消息、信息与信号

• 消息：通信系统传输的对象，它是信息的载体

  • 连续消息：消息的状态连续变化或不可数的
  • 离散消息：消息具有可数的有限个状态

• 信息：消息中所包含的有效内容

  • 消息是信息的物理表现形式，而信息是消息的内涵

• 信号：消息的传输载体

  • 模拟信号（连续信号）：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

• 总结

  • 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
  • 电信就是利用电信号传输消息中所包含的信息

1.2 通信系统模型

1.2.1 通信系统一般模型

• 通信的目的：传输信息

• 通信系统的作用：将信息从信源发送到一个或多个目的地

• 通信系统一般模型

• 各部分的功能简述

  • 信息源（简称信源）
    • 作用：把各种消息转换成原始电信号
    • 分类（根据消息的种类）
      • 模拟信源：输出连续的模拟信号（经数字化处理后也可送出数字信号）
      • 数字信源：输出离散的数字信号
  • 发送设备
    • 作用：产生合适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
  • 信道
    • 信道是一种物理媒质，用来将来自发送设备的信号传送到接收端
    • 无线信道：自由空间
    • 有线信道：明线、电缆和光纤
    • 信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声
    • 信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量
    • 噪声源：信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示
    • 噪声通常是随机的，形式多样的，它的出现干扰了正常信号的传输
  • 接收设备
    • 功能：将信号放大和反变换（如译码、解调等）
    • 目的：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号
  • 信宿
    • 信宿是传送消息的目的地
    • 功能：把原始电信号还原成相应的消息

• 通信系统（按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号）

  • 模拟通信系统
  • 数字通信系统

1.2.2 模拟通信系统模型

• 模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的通信系统

• 两种重要变换
  • 在发送端把连续消息变换成原始电信号，在接收端进行相反的变换（由信源和信宿来完成）
    • 原始电信号：基带信号
    • 基带：基本频带，即从信源发出或送达信宿的信号的频带，它的频谱通常从零频附近开始
  • 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（通常由调制器和解调器完成）
    • 已调信号：经过调制以后的信号
      • 携带有信息
      • 其频谱通常具有带通形式（又称带通信号）

1.2.3 数字通信系统模型

• 数字通信系统：利用数字信号来传递信息的通信系统

• 信源编码与译码
  • 信源编码的两个基本功能
    • 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，即当信息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
  • 信源译码是信源编码的逆过程
• 信道编码与译码
  • 信道编码的作用：差错控制
    • 信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督码元），组成所谓“抗干扰编码”
• 加密与解密
  • 加密：在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为地将被传输的数字序列扰乱，即加上密码
  • 解密：在接收端利用与发送端处理过程相反的过程对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息
• 数字调制与解调
  • 数字调制：把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中出输的带通信号
  • 基本的数字调制方式
    • 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）
  • 在接收端还原数字基带信号
    • 相干解调
    • 非相干解调
• 同步
  • 同步：使收发两端的信号在时间上保持步调一致
  • 分类（按照同步的功用不同）
    • 载波同步
    • 位同步
    • 群（帧）同步
    • 网同步

1.2.4 数字通信的特点

• 优点
  • 抗干扰能力强，且噪声不积累
  • 传输差错可控
  • 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
  • 易于集成，使通信设备微型化，重量减轻
  • 易于加密处理，且保密性好
• 缺点
  • 需要较大的传输带宽
  • 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

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

2. 按调制方式分类

   • 基带传输系统（未经调制）
   • 带通传输系统（经调制）

3. 按信号特征分类

   • 模拟通信系统
   • 数字通信系统

4. 按传输媒质分类

   • 有线通信系统
   • 无线通信系统

5. 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

   工作波长和频率的换算公式为
   $$\begin{gathered} \lambda =\frac{c}{f}=\frac{3\times 10^8}{f} \\ 式中：\lambda 为工作波长；f为工作频率（Hz）；c为光速（m/s） \end{gathered}$$

6. 按信号复用方式分类

   • 频分复用
   • 时分复用
   • 码分复用

1.3.2 通信方式

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

   点与点之间的通信方式分类（按消息传递的方向与时间关系）

   • 单工通信：消息只能单方向传输的工作方式，通信双方中只有一个可以进行发送，另一个只能接收
   • 半双工通信：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
   • 全双工通信：通信双方可同时收发消息的工作方式

2. 并行传输和串行传输

   数据通信分类（按数据码元传输方式不同）

   • 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
   • 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

1.4 信息及其度量

1.4.1 离散消息的度量

• 消息x所含的信息量
  $$I=lo{g}_a\frac{1}{P(x)}=-lo{g}_{a}P(x)$$

  • 若a=2，则信息量的单位为比特（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）

• 信息源的熵（平均信息量）
  $$\begin{gathered} H(x)=P(x_1)[-lo{g}_{2}P(x_1)]+P(x_2)[-lo{g}_{2}P(x_2)]+\cdots +P(x_M)[-lo{g}_{2}P(x_M)] \\ =-\sum _{i=1}^{M}P(x_i)lo{g}_{2}P(x_i)(b/符号) \\ 当P(x_i)=1/M（每个符号等概率独立出现）时，此时信源的熵有最大值 \end{gathered}$$

1.4.2 连续消息的度量

• 连续消息的平均信息量
  $$\begin{gathered} H(x)=-{\int }_{-\infty }^{\infty }f(x)lo{g}_{a}f(x)dx \\ 式中：f(x)为连续消息出现的概率密度 \end{gathered}$$

1.5 通信系统主要性能指标

1.5.1 有效性

• 传输一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率

• 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
  • 调幅信号的有效性比调频的好

• 数字通信系统

  • 频带利用率

    单位带宽（每赫）内的传输速率，即
    $$\begin{gathered} \eta =\frac{R_B}{B}(Baud/Hz) \\ 或 \\ {\eta }_b=\frac{R_b}{B}(b/(s\cdot Hz)) \end{gathered}$$

  • 码元传输速率（传码率、波特率）

    单位时间（每秒）传输码元的数目，单位为波特（Baud）
    $$\begin{gathered} 设每个码元的长度为T_B(s)，则有 \\ {R}_B=\frac{1}{T_B}(Baud) \end{gathered}$$

  • 信息传输速率（传信率、比特率）

    单位时间内传输的平均信息量，单位为比特/秒（b/s）

  • 码元速率和信息速率的关系
    $$\begin{gathered} R_b=R_{B}lo{g}_{2}M(b/s) \\ 或 \\ {R}_B=\frac{R_b}{lo{g}_{2}M}(Baud) \end{gathered}$$

1.5.2 可靠性

• 模拟通信系统

  • 通常用接收端输出信号与噪声功率比（S/N）来度量
  • 有效性和可靠性是一对矛盾

• 数字通信系统

  • 用差错概率来衡量

  • 误码率

    • 错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例（码元在传输过程中被传错的概率）
      $$P_e=\frac{错误码元数}{传输总码元数}$$

  • 误信率（误比特率）

    • 错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例
      $$P_b=\frac{错误比特数}{传输总比特数}$$