第一章 绪论

笔记 评论
  • **通信（Communication）**按照一般理解就是传输信息，是发送者（人或机器）和接收者之间通过某种媒介进行的信息传递。
  • **电信（Telecommunication）**是利用电信号来传输信息的通信方式。
  • “通信”这术语一般是指“电信”。广义来讲，光通信也属于电信，因为光也是一种电磁波。

信息、消息与信号

  • **消息（Message）是指通信系统传输的对象，它是消息的载体。**例如：语音、音乐、活动图片、文字、符号、数据等。

    • 连续消息
    • 离散消息

  • **信息（Information）是消息中所包含的有效内容。**消息与信息的关系：消息是信息的物理表现形式，而信息是消息的内涵，例如：语音是天气预报的表现形式，而天气情况是语音的内涵。

  • **信号（Signal）是消息的传输载体。**在电信系统中，传输的是电信号。

    • 模拟信号（Analog signal）
    • 数字信号（Digital signal）
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通信系统模型

通信的目的是传输信息。通信系统是完成通信过程中所需的电子设备和信道的总体，作用是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

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    • **信息源（简称信源）**的作用是把各种消息转换成原始电信号。
      • 模拟信源
      • 数字信源
    • 发送设备的作用是产生适合于在信道中传输的信号
    • 信道是一种物理媒介，用来将来自发送设备的信号传送到接收端。噪声源干扰正常信号的传输。
    • 接收设备的功能是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原始电信号。
    • 信宿是传送消息的目的地，其目的是把原始电信号还原成相应的消息。

  • 模拟通信系统模型

    模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，包含两种变换。

    • 第一种变换：在发送端把连续消息变换成原始电信号（基带信号，基带的含义是基本频带 300Hz~3400Hz），在接收端进行相反的变换。这种变换、反变换由信源和信宿来完成。
    • 第二种变换在模拟通信系统中常常需要进行：把基带信号变换成合适在信道中传输的信号，并在接收端进行反变换。这种变换、反变换由调制器和解调器完成，调制后的信号称为已调信号/带通信号（基本特征：携带有信息；其频谱通常具有带通形式）。
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  • 数字通信系统模型

    数字通信系统模型是利用数字信号来传递信息的通信系统，涉及：编码/译码、调制/解调、加密/解密、同步

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    • **信源编码（Source Coding）**有两个基本功能：一是提高信息传输的有效性（减少码元数目）；二是完成模/数（A/D）转换（模拟信号 -> 数字信号）。信息译码为逆过程。

    • **信道编码（Channel Coding）**的作用是进行差错控制；信道译码按逆规则解码发现错误和纠正错误，提高通信系统的可靠性（增强抗干扰能力）。

    • **加密（Encryption）和解密（Decryption）**为保证所传信息的安全。

    • 数字调制是把数字基带信号的频谱搬移到高频，形成合适在信道中传输的带通信号。

      • 调制：把信息寄托到载波上参数
      • 解调：从已调信号中卸载信息

    • **同步（Synchronization）**是时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、准确、可靠工作的前提条件。（时钟信号）

      数字通信特点：

      • 抗干扰能力强，且噪声不积累
      • 传输差错可控
      • 便于处理、变换、存储
      • 易于集成
      • 易于加密处理

信息和信息度量

通信的根本目的在于传输消息中所包含的信息。信息可以说是消息中不确定内容构成，可以利用“信息量”（对这种不确定的定量的描述）去衡量。

对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息，而且信息量的多少与接受者收到消息时感到惊讶程度有关。消息所表达的事件越不可能发生，越不可预测，信息量就越大。

根据概率论，消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。

  • 假设P(x)表示消息发生的概率，I表示消息中所含信息量，规律可表示为：
I = f[P(x)]\\ I= \log_{a}\frac{1}{P(x)}=-\log_{a}P(x)\\ P(x)越小，I越大；反之，I越小；且当P(x)=1时，I=0；P(x)=0时，I=\infty.
  • 信息量的单位和式中对数的底a有关。若a = 2，则信息量的单位为比特(bit，简记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)。广泛使用的是比特：

I=log21P(x)=−log2P(x)(b)I= \log_{2}\frac{1}{P(x)}=-\log_{2}P(x)\qquad(b)

​ **在等概率出现的离散消息的度量情况。**传送二进制波形之一的信息量为1b。在工程应用中，习惯把一个二进制码元成为1b。

​ 综上，对于离散信源，M个波形等概率（P = 1/M）发送，且每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：

I= \log_{2}\frac{1}{P}=\log_{2}\frac{1}{1/M}=\log_{2}M\qquad(b)\\ I=\log_{2}2^{k}=k\qquad(b)
  • **在非等概率的离散消息的度量情况。设离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号x（i = 1，2，…，M）按一定规律P(x)出现，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量**为：
\begin{aligned} H(x)&=P(x_{1})[-\log_{2}P(x_{1})]+P(x_{2})[-\log_{2}P(x_{2})]+...+P(x_{M})[-\log_{2}P(x_{M})]\\ &=-\sum_{i=1}^{M}P(x_{i})\log_{2}P(x_{i})\qquad (b/符号)\\ 由于&H同热力学中熵的形式相似，故通常称它为信息源的熵(Entropy)，其单位为b/符号。显然当\\ 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\log_{2}M。\\\\ &\qquad\qquad\qquad\qquad I_{总}=M*H(x)\qquad(b) \end{aligned}

通信系统主要性能指标

性能指标也称质量指标，通信系统的性能指标：有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可维护性等。从研究信息传输的角度来说，有效性和可靠性是通信系统的主要性能指标。

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有效性

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

  • 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。信号带宽与调制方式有关，调幅信号的有效性比调频的好。

  • 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：

    \eta = \frac{R_{B}}{B}\qquad(Baud/Hz)\\ 或\qquad\eta_{b}=\frac{R_{b}}{B}\qquad(b/(s·Hz))\\ 其中，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)\\。因此，R_{B}又称为波特率。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）。B为带宽，\eta为频带利用率，即单位带宽（每赫）内的传输速率。\qquad\qquad

    • 设每个码元的长度为$T_{B}(s) $ ，则有：

      RB=1TB(Baud)R_{B}= \frac{1}{T_{B}}\qquad(Baud)

    • 因为一个MM 进制码元携带log2M\log_{2}M 比特信息量，所以码元速率和信息速率的关系：

      R_{b}=R_{B}\log_{2}M\qquad(b/s)\\ 或 \qquad R_{B}=\frac{R_{b}}{\log_{2}M}\qquad(Baud)

    • 若设每个二进制码元的持续时间为TbT_{b} ，则**TBT_{B} 与TbT_{b} 的关系**：

TB=Tb⋅log2MT_{B}=T_{b}\cdot\log_{2}M

可靠性

可靠性是指传输信息的准确程度。

  • 模拟通信系统的可靠性通常用接收端输出信号与噪声功率比（S/N，信噪比）来度量，它反映了信号经传输后的“保真”程度和抗噪声能力。

​ S/N与调制方式有关，调频信号的S/N比调幅的高，即抗噪能力强；但调频信号所需的传输频带比调幅的宽。

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

    • 误码率PeP_{e} 是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PbP_{b} ，又称误比特率。
    P_{b}=\frac{错误比特数}{传输总比特数}

显然，在二进制中有Pb=PeP_{b}=P_{e} 。

通信系统分类和通信方式

通信系统分类

  • 按通信业务分类，分为：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，分为：基带传输系统和带通传输系统。
  • 按信号特征分类，分为：模拟通信系统和数字通信系统。
  • 按传输媒质分类，分为：有线通信系统和无线通信系统。
  • 按工作波段分类，分为：长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等。
  • 按信号复用方式分类，分为：频分复用、时分复用和码分复用。

通信方式

  • 单工、半双工和全双工通信
  • 并行传输和串行传输

EurekaStudy Notes & Supplement

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