1第一章 通信绪论.ppt

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1、现代通信原理现代通信原理授课班级：授课班级：10电子电子主讲：周涛林主讲：周涛林第第1章章 绪论绪论主要内容主要内容：通信系统的基本概念及通信系统的基本概念及模型。模型。信息及其度量。信息及其度量。信道及信道容量信道及信道容量通信系统的主要技术指通信系统的主要技术指标。标。重点点：通信系统模型。通信系统模型。信息及度量。信息及度量。1.1.1 1.1.1 通信的概念通信的概念通信是信息传输或交换的过程。这个过程可以是单向的，比如通信是信息传输或交换的过程。这个过程可以是单向的，比如广播、电视通信；这个过程也可以是双向的，如电话通信，对讲机广播、电视通信；这个过程也可以是双向的，如电话通信，对讲

2、机通信等。通信是指借助现代电子通信设备实现的通信，即通常所说通信等。通信是指借助现代电子通信设备实现的通信，即通常所说的电通信或电信。的电通信或电信。通信的目的是传输或交换消息中包含的信息。消息也称原始消通信的目的是传输或交换消息中包含的信息。消息也称原始消息，如语言、文字、图片等。信息是消息中对接收者有意义的部分。息，如语言、文字、图片等。信息是消息中对接收者有意义的部分。在电通信系统中，消息必须转化为电信号才能实现传输。所以，信在电通信系统中，消息必须转化为电信号才能实现传输。所以，信号是消息的载体。这里所说的电信号包含两种类型：一种是在电路号是消息的载体。这里所说的电信号包含两种类型：一

3、种是在电路中传输的电压或电流信号，另一种是在自由空间传播的电磁波信号。中传输的电压或电流信号，另一种是在自由空间传播的电磁波信号。1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念下一页 返回1.1.2 1.1.2 通信系统的模型通信系统的模型通信系统是指完成通信这一过程的全部设备、软件和传输媒介通信系统是指完成通信这一过程的全部设备、软件和传输媒介的总称。需要指出的是：通信软件在现代通信系统中的地位越来越的总称。需要指出的是：通信软件在现代通信系统中的地位越来越重要，甚至可以替代传统通信系统中的硬件电路，使通信系统的功重要，甚至可以替代传统通信系统中的硬件电路，使通信系统的功能变得更强大，

4、支撑的业务更多，可靠性更高，设备体积更小巧。能变得更强大，支撑的业务更多，可靠性更高，设备体积更小巧。因此，在定义通信系统的概念时，应加入通信软件这一关键内容。因此，在定义通信系统的概念时，应加入通信软件这一关键内容。图图1-11-1所示为通信系统的基本模型。所示为通信系统的基本模型。图图1-11-1中，信源的作用是产生或形成消息。消息有许多种类型，中，信源的作用是产生或形成消息。消息有许多种类型，如语言、文字、图像、数据等。从时间上看，消息有连续消息和离如语言、文字、图像、数据等。从时间上看，消息有连续消息和离散消息两种，前者如语言，活动图像等；后者如电报，数据等。散消息两种，前者如语言，活

5、动图像等；后者如电报，数据等。1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念下一页 返回上一页发送设备的作用是将消息变换为适合在信道中传送的信发送设备的作用是将消息变换为适合在信道中传送的信号。变换的方式很多，有时可以将信号直接在信道中传送，号。变换的方式很多，有时可以将信号直接在信道中传送，有时需将信号的频谱进行搬移，有时需进行有时需将信号的频谱进行搬移，有时需进行A/DA/D转换等。通转换等。通常将信号分为两类：当信号的波形和取值均为时间的连续常将信号分为两类：当信号的波形和取值均为时间的连续函数时，称为模拟信号；当信号的波形和取值均为时间的函数时，称为模拟信号；当信号的波形和取值均

6、为时间的离散函数时，则称为数字信号。离散函数时，则称为数字信号。信道是信号从发送设备传输接收设备的媒介或通道，其信道是信号从发送设备传输接收设备的媒介或通道，其传输性能直接影响到通信的质量。信道种类繁多，如常见传输性能直接影响到通信的质量。信道种类繁多，如常见的有电话线、电缆、同轴电缆、光纤、自由空间等，概括的有电话线、电缆、同轴电缆、光纤、自由空间等，概括起来有两类：有线信道和无线信道。起来有两类：有线信道和无线信道。1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念下一页 返回上一页噪声或干扰存在于通信系统的各处，并引起传输信号的噪声或干扰存在于通信系统的各处，并引起传输信号的失真，影响

7、通信的质量。在失真，影响通信的质量。在图图1-11-1中为方便起见将噪声源集中为方便起见将噪声源集中表示在一个方框里。中表示在一个方框里。接收设备与发送设备的作用相反，用来将信号转换为消接收设备与发送设备的作用相反，用来将信号转换为消息。信宿是消息传输的对象，信源进行通信的目的就在于息。信宿是消息传输的对象，信源进行通信的目的就在于将消息传输到信宿，信源和信宿既可以是人也可以是设备。将消息传输到信宿，信源和信宿既可以是人也可以是设备。因此，有时它们也分别被称为发终端和收终端。因此，有时它们也分别被称为发终端和收终端。图图1-11-1是通信系统的基本模型，能反映各种通信系统的是通信系统的基本模型

8、，能反映各种通信系统的共性。有时根据通信系统研究对象或关心问题的不同，会共性。有时根据通信系统研究对象或关心问题的不同，会出现一些更具体的通信系统的模型。比较常见的有模拟通出现一些更具体的通信系统的模型。比较常见的有模拟通信系统模型和数字通信系统模型两种。信系统模型和数字通信系统模型两种。1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念下一页 返回上一页模拟通信系统模型如模拟通信系统模型如图图1-21-2所示。由于调制在模拟通信系统中起所示。由于调制在模拟通信系统中起关键作用，其他如放大、滤波等过程都可认为是线性的而把它们合关键作用，其他如放大、滤波等过程都可认为是线性的而把它们合并到信道

9、中。因此，发送设备和接收设备简化为调制器和解调器。并到信道中。因此，发送设备和接收设备简化为调制器和解调器。调制的目的在于变换信号，使信号适合信道的传输特性或简化传送调制的目的在于变换信号，使信号适合信道的传输特性或简化传送设备。设备。数字通信系统模型如数字通信系统模型如图图1-31-3所示。所示。信源编码的目的是对信源产生的信号进行数字压缩编码及加密。信源编码的目的是对信源产生的信号进行数字压缩编码及加密。如果信源产生的消息是模拟的，则首先要对其进行模拟如果信源产生的消息是模拟的，则首先要对其进行模拟/数字转换，数字转换，如果消息本身就是离散的，则直接进行编码。信道编码也称检纠错如果消息本身

10、就是离散的，则直接进行编码。信道编码也称检纠错编码，编码，1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念下一页 返回上一页其编码方式是通过在信息码元中插入若干特定规律的监督码，其编码方式是通过在信息码元中插入若干特定规律的监督码，在接收端就可以发现或纠正在传输中出现的误码，从而提高通信系在接收端就可以发现或纠正在传输中出现的误码，从而提高通信系统的可靠性。数字调制在本质上和模拟调制是相同的，都是把要传统的可靠性。数字调制在本质上和模拟调制是相同的，都是把要传输的信号（调制信号）叠加到适合信道传输的高频载波上去，只是输的信号（调制信号）叠加到适合信道传输的高频载波上去，只是在数字通信系统中

11、调制信号是数字信号而已。在接收端经过数字解在数字通信系统中调制信号是数字信号而已。在接收端经过数字解调、信道解码和信源解码后可正确地恢复消息，在此过程中同步起调、信道解码和信源解码后可正确地恢复消息，在此过程中同步起到至关重要的作用。由于同步存在于数字信号接收的诸多环节中，到至关重要的作用。由于同步存在于数字信号接收的诸多环节中，因此因此图图1-31-3种用一个方框集中来表示。种用一个方框集中来表示。图图1-31-3所示的数字通信系统也称数字频带传输系统，如果经过信所示的数字通信系统也称数字频带传输系统，如果经过信道编码的数字信号不经数字调制就直接经信道传输到接收端，道编码的数字信号不经数字调

12、制就直接经信道传输到接收端，1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念下一页 返回上一页则称该系统为数字基带传输系统。相应地，数字基带传输系统在接收端也没有则称该系统为数字基带传输系统。相应地，数字基带传输系统在接收端也没有数字解调环节。数字解调环节。1.1.31.1.3通信系统的分类通信系统的分类通信系统没有固定的分类方法，通信系统可从不同的角度对其进行分类。例如，通信系统没有固定的分类方法，通信系统可从不同的角度对其进行分类。例如，早期的移动电话通信系统，既可称之为模拟通信系统，又可称之为无线通信系统，还早期的移动电话通信系统，既可称之为模拟通信系统，又可称之为无线通信系统，还可

13、称之为移动通信系统。可称之为移动通信系统。通常通信系统可从以下角度进行分类。通常通信系统可从以下角度进行分类。1 1按传输信号的性质分按传输信号的性质分（1 1）模拟通信系统）模拟通信系统:在用户线上传输模拟信号的通信方式称为在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信模拟通信”；如如图图1-21-2。（2 2）数字通信系统）数字通信系统:用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式进行数字调制后再传输的通信方式；如图1-3。1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念下一页 返回上一页2 2按传输

14、媒质的不同分按传输媒质的不同分（1 1）有线通信系统：）有线通信系统：借助线缆线路传送信号的通信方式借助线缆线路传送信号的通信方式,如电脑（台式）、电视、电话等（2 2）无线通信系统：）无线通信系统：仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式，如手机、无线电话等，其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统、数字电视等都是如今最热门的无线通信技术的应用；如图1-43 3按通信的双方是否在移动中完成通信分按通信的双方是否在移动中完成通信分（1 1）移动通信系统：包括）移动通信系统：包括1 1、蜂窝移动通信、蜂窝移动通信2 2、卫星移动通信、卫星移动通信3 3、

15、无绳电话；如、无绳电话；如图图1-51-5（2 2）固定通信系统：一般）固定通信系统：一般指固定电话网通信业务和国际通信设施服务业务；指固定电话网通信业务和国际通信设施服务业务；4 4按通信设备工作波段的不同分按通信设备工作波段的不同分按通信设备工作波段的不同可分为长波通信、中波通信、短波通信和微波通信等。按通信设备工作波段的不同可分为长波通信、中波通信、短波通信和微波通信等。表表1-11-1列列出了无线电波端的划分及其对应的通信应用情况。出了无线电波端的划分及其对应的通信应用情况。1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念下一页 返回上一页5 5按工作方式不同分按工作方式不同分（1

16、 1）单工通信：）单工通信：指消息只能单方向传输的工作方式，如遥控、遥测指消息只能单方向传输的工作方式，如遥控、遥测；（2 2）半双工通信：）半双工通信：可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行轮流交替地进行（3 3）双工通信：）双工通信：指在同一时刻信息可以进行双向传输，和打电话一样，说的同指在同一时刻信息可以进行双向传输，和打电话一样，说的同时也能听，边说边听时也能听，边说边听 6 6按信号复用方式不同分按信号复用方式不同分（1 1）频分多址：即）频分多址：即FDMAFDMA，利用不同的频率分割成不同信道的多址技

17、术利用不同的频率分割成不同信道的多址技术；（2 2）时分多址：即）时分多址：即TDMATDMA，利用不同的时间分割成不同信道的多址技术利用不同的时间分割成不同信道的多址技术；（3 3）码分多址：即）码分多址：即CDMACDMA，利用不同的码序列分割成不同信道的多址技术；利用不同的码序列分割成不同信道的多址技术；（4 4）空分多址；即）空分多址；即SDMA,SDMA,利用不同的空间分割成不同信道的多址技术利用不同的空间分割成不同信道的多址技术；（5 5）复合多址。）复合多址。1.1 1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念返回上一页信息是消息中对接收者有意义的部分，通信的目的是传递消息信息是

18、消息中对接收者有意义的部分，通信的目的是传递消息中包含的信息。消息是多种多样的，消息中所包含的信息量的大小中包含的信息。消息是多种多样的，消息中所包含的信息量的大小也不同，但可以通过一种确定的方法将消息中所包含的信息量度量也不同，但可以通过一种确定的方法将消息中所包含的信息量度量出来，而且这种度量方法具有通用性，可以用来度量任何消息。出来，而且这种度量方法具有通用性，可以用来度量任何消息。当接收者收到消息后，若事前认为消息中所描述事件发生的可当接收者收到消息后，若事前认为消息中所描述事件发生的可能性越小，就认为这个消息的信息量越大；反之则认为越小。确知能性越小，就认为这个消息的信息量越大；反之

19、则认为越小。确知事情（其发生概率为事情（其发生概率为1 1）带给人们的信息量为）带给人们的信息量为0 0，如，如“太阳从东边升太阳从东边升起起”；不可能的事情（其发生概率为；不可能的事情（其发生概率为0 0）带给人们的信息量为无穷大，）带给人们的信息量为无穷大，如如“星际旅行将会遇到什么？星际旅行将会遇到什么？”会给人以无尽遐想。会给人以无尽遐想。1.2 1.2 信息及其度量信息及其度量下一页 返回综上所述，假设消息所代表的事件出现的概率为综上所述，假设消息所代表的事件出现的概率为P P(x x)，消息中，消息中所含的信息量所含的信息量I I可以按如下方法定义。可以按如下方法定义。式中，如果式

20、中，如果a a=2=2，则信息量的单位为比特（，则信息量的单位为比特（bitbit）；如果）；如果a a=e e，则单位为奈特（，则单位为奈特（nitnit）；如果）；如果a a=10=10，则单位为哈特莱（，则单位为哈特莱（hartleyhartley）。）。信息量最常使用的单位是比特，它代表出现概率为信息量最常使用的单位是比特，它代表出现概率为1/21/2的消息所的消息所包含的信息量。在数字通信系统中典型的出现概率为包含的信息量。在数字通信系统中典型的出现概率为1/21/2的消息是二的消息是二进制系统，在实际应用中，常把一位二进制消息（代码进制系统，在实际应用中，常把一位二进制消息（代码0

21、 0或或1 1）的信）的信息量称为息量称为1 1比特。比特。1.2 1.2 信息及其度量信息及其度量下一页 返回上一页如果消息是由如果消息是由n n个事件构成，假设这个事件构成，假设这n n个事件发生的概个事件发生的概率分别为率分别为P P1 1（x x）、）、P P2 2（x x）、）、P Pn n（x x），那么可以证），那么可以证明该消息包含的平均信息量为明该消息包含的平均信息量为 与统计热力学中熵的定义类似，所以，常将它称为信与统计热力学中熵的定义类似，所以，常将它称为信源的熵，单位为比特源的熵，单位为比特/符号（符号（bit/bit/符号）。符号）。1.2 1.2 信息及其度量信息及

22、其度量返回上一页1.3.11.3.1信道的概念信道的概念通俗的讲，信道是信号传输的通路，这种通路可以是有线或无通俗的讲，信道是信号传输的通路，这种通路可以是有线或无线的传输介质。理想信道可以保证有用信号无失真的传输，阻断信线的传输介质。理想信道可以保证有用信号无失真的传输，阻断信号频带以外的各种干扰；实际信道可以保证信号通过，但又给信号号频带以外的各种干扰；实际信道可以保证信号通过，但又给信号以限制和损害，造成信号的失真。以限制和损害，造成信号的失真。通常将仅指信号传输媒介的信道称为狭义信道，如架空明线、通常将仅指信号传输媒介的信道称为狭义信道，如架空明线、光导纤维等。但在通信系统的分析研究中

23、，为简化系统模型和突出光导纤维等。但在通信系统的分析研究中，为简化系统模型和突出重点，常把信道的范围适当扩大，除了传输介质外，还包括系统的重点，常把信道的范围适当扩大，除了传输介质外，还包括系统的有关部件和电路，如天线、混频器、放大器及调制解调器等，我们有关部件和电路，如天线、混频器、放大器及调制解调器等，我们把这种扩大了的信道称为广义信道。把这种扩大了的信道称为广义信道。1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回1.3.21.3.2信道的分类信道的分类狭义信道通常按具体介质的不同分为有线信道和无线信道。所狭义信道通常按具体介质的不同分为有线信道和无线信道。所谓有线信道是指传输介

24、质为架空明线、对称电缆、同轴电缆、光缆谓有线信道是指传输介质为架空明线、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导管等这类能看得见的介质。有线信道是现代通信网中最常用及波导管等这类能看得见的介质。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一，如光缆广泛应用于（长途）干线传输，对称电缆则常的信道之一，如光缆广泛应用于（长途）干线传输，对称电缆则常用作近程（市内电话）传输。无线信道是指传输介质为自由空间的用作近程（市内电话）传输。无线信道是指传输介质为自由空间的信道。无线信道具有方便灵活的特点，在移动通信中只能采用无线信道。无线信道具有方便灵活的特点，在移动通信中只能采用无线信道，但其传输特性没有有线信道稳定可靠。

25、信道，但其传输特性没有有线信道稳定可靠。广义信道通常也可分为两种：调制信道和编码信道。调制信道广义信道通常也可分为两种：调制信道和编码信道。调制信道是从研究调制和解调的基本问题出发而定义的，是从研究调制和解调的基本问题出发而定义的，1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页包括从调制器的输出端至解调器的输入端的所有环节。从调制包括从调制器的输出端至解调器的输入端的所有环节。从调制和解调的角度来看，从调制器的输出端至解调器的输入端的所有电和解调的角度来看，从调制器的输出端至解调器的输入端的所有电路和传输介质，仅仅是对已调信号进行了某种形式的变换，我们只路和传输介质，仅仅是对已

26、调信号进行了某种形式的变换，我们只关心变换的最终结果，而不关心这个变换的过程。因此，在研究调关心变换的最终结果，而不关心这个变换的过程。因此，在研究调制和解调的基本问题时，采用调制信道是方便和恰当的。制和解调的基本问题时，采用调制信道是方便和恰当的。在数字通信系统中，如果仅着眼于编码和译码问题，则可定义在数字通信系统中，如果仅着眼于编码和译码问题，则可定义另一种广义信道另一种广义信道编码信道。编码信道是指从编码器的输出端至译编码信道。编码信道是指从编码器的输出端至译码器的输入端所有环节。从编译码角度来看，编码器输出为某一数码器的输入端所有环节。从编译码角度来看，编码器输出为某一数字序列，译码器

27、的输入为进行了某种变换的数字序列。因此，从编字序列，译码器的输入为进行了某种变换的数字序列。因此，从编码器的输出端至译码器的输入端码器的输出端至译码器的输入端,1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页所有电路和传输介质可以用一个可以进行数字序列变换的信道所有电路和传输介质可以用一个可以进行数字序列变换的信道加以概括，此信道称为编码信道。加以概括，此信道称为编码信道。调制信道和编码信道的示意图如调制信道和编码信道的示意图如图图1-61-6所示。另外，根据研究对所示。另外，根据研究对象和关心问题的不同，也可以定义其他形式的广义信道编码器输出象和关心问题的不同，也可以定义其他形

28、式的广义信道编码器输出调制器发转换器传输介质收转换器解调器译码器输入调制信道编码调制器发转换器传输介质收转换器解调器译码器输入调制信道编码信道信道1.3.31.3.3信道的模型信道的模型通常，为了方便地描述信道的一般特性，有必要引入信道模型通常，为了方便地描述信道的一般特性，有必要引入信道模型的概念。的概念。1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页1 1调制信道模型调制信道模型调制信道的输入、输出为连续信号（模拟信号），也可称为连调制信道的输入、输出为连续信号（模拟信号），也可称为连续信道。通过对调制信道的大量观察后，可得出它具有如下主要特续信道。通过对调制信道的大量观察

29、后，可得出它具有如下主要特性：性：（1 1）具有一对（或多对）输入、输出端；）具有一对（或多对）输入、输出端；（2 2）绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理；）绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理；（3 3）信号通过信道会有一定的延时；）信号通过信道会有一定的延时；（4 4）信号通过信道会有一定的损耗（固定损耗或时变损耗）；）信号通过信道会有一定的损耗（固定损耗或时变损耗）；1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页（5 5）没有信号输入时，信道输出端仍有噪声输出。）没有信号输入时，信道输出端仍有噪声输出。根据以上特性，最基本的单端输入、单端输出调制信道可以用根据以上特性，

30、最基本的单端输入、单端输出调制信道可以用图图1-71-7所示模型来等效。该模型对于多端输入、多端输出的调制信道所示模型来等效。该模型对于多端输入、多端输出的调制信道同样适用。同样适用。其输入信号和输出信号之间的关系可以用下式来表示：其输入信号和输出信号之间的关系可以用下式来表示：即调制信道的一般数学模型。即调制信道的一般数学模型。k k(t t)称为乘性因子，是一个很复称为乘性因子，是一个很复杂的函数，它反映信道特性，表征信道传输特性对信号的影响，这杂的函数，它反映信道特性，表征信道传输特性对信号的影响，这种影响包括各种失真，如线性失真、非线性失真、传输衰减及延迟种影响包括各种失真，如线性失真

31、、非线性失真、传输衰减及延迟等。等。1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页一般来讲，它是时间一般来讲，它是时间t t的函数，因此调制信道可等效为一线性时的函数，因此调制信道可等效为一线性时变网络。若变网络。若k k(t t)随时间随机变化，则可称这种调制信道为随机参量随时间随机变化，则可称这种调制信道为随机参量信道，简称随参信道；若信道，简称随参信道；若k k(t t)基本上不随时间改变，或则变化极小，基本上不随时间改变，或则变化极小，则将这种信道称为恒定参量信道，简称恒参信道。因此，调制信道则将这种信道称为恒定参量信道，简称恒参信道。因此，调制信道也可分为随参信道和恒

32、参信道两大类。一般来讲，无线信道基本属也可分为随参信道和恒参信道两大类。一般来讲，无线信道基本属于随参信道，有线信道基本属于恒参信道。于随参信道，有线信道基本属于恒参信道。N N(t t)表示信道噪声，由于不管有无信号，在信道输出端总有噪表示信道噪声，由于不管有无信号，在信道输出端总有噪声输出，因此它是以叠加的形式作用于信道，可以用一个叠加网络声输出，因此它是以叠加的形式作用于信道，可以用一个叠加网络来表示。理想的调制信道来表示。理想的调制信道k k(t t)等于等于1 1，n n(t t)等于等于0 0，即信号经过该信，即信号经过该信道实际不失真，也不叠加噪声。道实际不失真，也不叠加噪声。1

33、.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页2 2编码信道模型编码信道模型编码信道的输入、输出为数字序列，由图编码信道的输入、输出为数字序列，由图1-41-4可看出编码信道包可看出编码信道包含了调制信道。由于调制信道的非理想特性，数字序列在通过编码含了调制信道。由于调制信道的非理想特性，数字序列在通过编码信道时会出现差错，如二进制序列中的信道时会出现差错，如二进制序列中的“0 0”变为变为“1 1”或是或是“1 1”变变为为“0 0”。所以，可以用错误概率来描述编码信道的特性，这种错误。所以，可以用错误概率来描述编码信道的特性，这种错误概率常称为转移概率，用概率常称为转移概率，

34、用P(bP(b/a)/a)来表示，其含义是：当输入为符号来表示，其含义是：当输入为符号a a时，输出为符号时，输出为符号b b的概率。的概率。图图1-81-8为常见的二进制无记忆（当前码元为常见的二进制无记忆（当前码元的差错与其前后码元的差错没有依赖关系）编码信道的模型。的差错与其前后码元的差错没有依赖关系）编码信道的模型。1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页1.3.41.3.4信道容量信道容量在有干扰的信道中，由于信道的带宽限制和噪声的存在，信道在有干扰的信道中，由于信道的带宽限制和噪声的存在，信道传输信息的最大能力是有限的。信道容量是指信道传输信息的最大传输信息的

35、最大能力是有限的。信道容量是指信道传输信息的最大极限速率。根据香农（极限速率。根据香农（ShannonShannon）信息论，对于连续信道，如果信道）信息论，对于连续信道，如果信道带宽为带宽为B B，并受到加性高斯白噪声的干扰，其信道的容量，并受到加性高斯白噪声的干扰，其信道的容量C C的理论公的理论公式为式为式中，式中，N N为白噪声平均功率，为白噪声平均功率，S S为信号平均功率，为信号平均功率，S/NS/N为信噪比。为信噪比。虽然式时在一定条件下获得的，但对一般情况也可近似使用。该式虽然式时在一定条件下获得的，但对一般情况也可近似使用。该式即著名的香农公式，是研究和评价通信系统原理和性能

36、的理论基础。即著名的香农公式，是研究和评价通信系统原理和性能的理论基础。1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页根据香农公式可以得出以下重要结论：根据香农公式可以得出以下重要结论：（1 1）任何一个信道，都有信道容量）任何一个信道，都有信道容量C C。如果信源的信息速率。如果信源的信息速率R R小小于或等于信道容量于或等于信道容量C C，那么在理论上存在一种方法使信源的输出能以，那么在理论上存在一种方法使信源的输出能以任意小的差错概率通过信道传输；如果任意小的差错概率通过信道传输；如果R R大于信道容量大于信道容量C C，则无差错，则无差错传输在理论上是不可能实现的。传输

37、在理论上是不可能实现的。（2 2）当信道噪声为高斯白噪声且单位频带内的噪声功率为）当信道噪声为高斯白噪声且单位频带内的噪声功率为n n0 0（W/HzW/Hz）时，噪声平均功率）时，噪声平均功率N N=n n0 0B B，若信道带宽趋于无穷大，此时，若信道带宽趋于无穷大，此时的信道容量的信道容量C C将为将为 1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页（3 3）给定的信道容量）给定的信道容量C C可以用不同的带宽和信噪比的组合来传可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。若减小带宽，则必须增大信噪比输。若减小带宽，则必须增大信噪比S/NS/N，即增加信号功率，反之亦，即增加信号

38、功率，反之亦然。因此，当信噪比太小而不能保证通信质量时，可采用宽带系统然。因此，当信噪比太小而不能保证通信质量时，可采用宽带系统传输，用增加带宽降低对信噪比的要求，以改善通信质量。这就是传输，用增加带宽降低对信噪比的要求，以改善通信质量。这就是所谓的用带宽换功率的措施。应当指出，带宽和信噪比的互换不是所谓的用带宽换功率的措施。应当指出，带宽和信噪比的互换不是自动完成的，必须变换信号使之具有所要求的带宽。实际上这是由自动完成的，必须变换信号使之具有所要求的带宽。实际上这是由各种类型的调制和编码完成的，调制和编码的过程就是实现带宽和各种类型的调制和编码完成的，调制和编码的过程就是实现带宽和信噪比之

39、间的互换手段。信噪比之间的互换手段。（4 4）由于信息速率）由于信息速率C=I/TC=I/T，T T为传输时间，代入式可得为传输时间，代入式可得1.3 1.3 信道及信道容量信道及信道容量下一页 返回上一页可见，当可见，当S/NS/N一定时，给定的信息量可以用不同的带宽和时间一定时，给定的信息量可以用不同的带宽和时间T T的组合来传输。和带宽与信噪比互换类似，带宽与时间也可以互换。的组合来传输。和带宽与信噪比互换类似，带宽与时间也可以互换。（5 5）由式可知，若）由式可知，若n n0 000，则，则C C，这意味着无干扰信道容量，这意味着无干扰信道容量为无穷大。为无穷大。1.3 1.3 信道及

40、信道容量信道及信道容量返回上一页通信的任务是能快速、准确地传递信息，因此评价一个通信系通信的任务是能快速、准确地传递信息，因此评价一个通信系统最重要的指标是它的有效性和可靠性。统最重要的指标是它的有效性和可靠性。有效性是指系统传送信息的速度，即传送信息的快慢程度。可有效性是指系统传送信息的速度，即传送信息的快慢程度。可靠性指系统传送信息的准确度，即送信息的好坏程度。有效性和可靠性指系统传送信息的准确度，即送信息的好坏程度。有效性和可靠性是通信系统中最重要的两个性能指标，整个通信系统的设计和靠性是通信系统中最重要的两个性能指标，整个通信系统的设计和评价是围绕着这两个指标进行的。通信系统的有效性和

41、可靠性指标评价是围绕着这两个指标进行的。通信系统的有效性和可靠性指标始终是一对矛盾。一般情况下，提高有效性会降低可靠性，反之亦始终是一对矛盾。一般情况下，提高有效性会降低可靠性，反之亦然。在工程应用中必须根据具体情况寻求适当的解决方案。然。在工程应用中必须根据具体情况寻求适当的解决方案。1.4 1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标下一页 返回1.4.11.4.1通信系统的有效性通信系统的有效性1 1模拟通信系统的有效性指标模拟通信系统的有效性指标模拟通信系统的有效性通常可用有效传输带宽来衡量。在指定模拟通信系统的有效性通常可用有效传输带宽来衡量。在指定带宽的信道里，同时传输的信

42、号路数越多，信号传输的有效性就越带宽的信道里，同时传输的信号路数越多，信号传输的有效性就越好。这就是通信系统采用多路复用技术和多址技术的目的。单路信好。这就是通信系统采用多路复用技术和多址技术的目的。单路信号的有效带宽与模拟调制方式有关，在同等条件下，单路信号所占号的有效带宽与模拟调制方式有关，在同等条件下，单路信号所占带宽越窄，则同时允许传输的信号路数越多，效率越高，有效性越带宽越窄，则同时允许传输的信号路数越多，效率越高，有效性越好。好。1.4 1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标下一页 返回上一页2 2数字通信系统的有效性指标数字通信系统的有效性指标数字通信系统的有效性具

43、体可用信道的信息传送速率来衡量，数字通信系统的有效性具体可用信道的信息传送速率来衡量，传输速率越高，系统的有效性就越好。一般数字通信系统传输速率传输速率越高，系统的有效性就越好。一般数字通信系统传输速率有以下三种定义方法。有以下三种定义方法。（1 1）码元传输速率（）码元传输速率（R RB B）码元传输速率又称传码率或波特率，是指系统每秒钟传送码元码元传输速率又称传码率或波特率，是指系统每秒钟传送码元的数目，用的数目，用R RB B表示。单位为波特（表示。单位为波特（BaudBaud），常用符号），常用符号“B B”表示。表示。（2 2）信息传输速率（）信息传输速率（R Rb b）信息传输速率

44、又称传信率或比特率，是指系统每秒钟传送二进信息传输速率又称传信率或比特率，是指系统每秒钟传送二进制码元的数目，用制码元的数目，用R Rb b表示。表示。1.4 1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标下一页 返回上一页单位为比特单位为比特/秒（秒（bit/sbit/s），常用符号），常用符号“bpsbps”表示。表示。由于码元所包含的信息比特多少取决于码元的进制，因此，在由于码元所包含的信息比特多少取决于码元的进制，因此，在指明系统的传码率时，必须指出码元的进制。假定某系统的码元进指明系统的传码率时，必须指出码元的进制。假定某系统的码元进制数为制数为N N，这该系统的传码率，这该系

45、统的传码率R RB B与传信率与传信率R Rb b之间的转换关系为之间的转换关系为或或（3 3）消息传输速率（）消息传输速率（R Rm m）消息传输速率又称消息速率，是指单位时间内传输的消息数，消息传输速率又称消息速率，是指单位时间内传输的消息数，用用RmRm表示。由于消息的衡量单位形式多样，故有各种不同的含义。表示。由于消息的衡量单位形式多样，故有各种不同的含义。1.4 1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标下一页 返回上一页1.4.21.4.2通信系统的可靠性通信系统的可靠性1 1模拟通信系统的可靠性指标模拟通信系统的可靠性指标模拟通信系统的可靠性通常可用接收端最终输出信噪比

46、来衡量。模拟通信系统的可靠性通常可用接收端最终输出信噪比来衡量。显然，在系统具有相同信道信噪比条件下，接收端最终输出信噪比显然，在系统具有相同信道信噪比条件下，接收端最终输出信噪比越高，通信质量就越好，系统的可靠性就越好。必须指出，不同调越高，通信质量就越好，系统的可靠性就越好。必须指出，不同调制方式在同样的信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同制方式在同样的信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。例如，调频制抗干扰的能力比调幅要好。因此，改变调制方式的。例如，调频制抗干扰的能力比调幅要好。因此，改变调制方式可以提高系统的可靠性。可以提高系统的可靠性。1.4 1.4 通信系统的主

47、要性能指标通信系统的主要性能指标下一页 返回上一页2 2数字通信系统的可靠性指标数字通信系统的可靠性指标数字通信系统的可靠性指标可用差错率来衡量，常用误码率和数字通信系统的可靠性指标可用差错率来衡量，常用误码率和误信率来表示。误信率来表示。（1 1）误码率（）误码率（P Pe e）误码率又称码元差错率，是指错误接收的码元在传输码元总数误码率又称码元差错率，是指错误接收的码元在传输码元总数中所占的比例。更确切地说，误码率就是码元在传输系统中被传错中所占的比例。更确切地说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率，可用下式表示：的概率，可用下式表示：1.4 1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主

48、要性能指标下一页 返回上一页（2 2）误信率（）误信率（P Pb b）误信率又称信息差错率或误比特律，是指错误接收的误信率又称信息差错率或误比特律，是指错误接收的比特在传输比特总数中所占的比例。可用下式表示：比特在传输比特总数中所占的比例。可用下式表示：数字通信系统的可靠性指标还有一些其他衡量方法，数字通信系统的可靠性指标还有一些其他衡量方法，如误字率、功率利用率等，但都不太常用。如误字率、功率利用率等，但都不太常用。1.4 1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标返回上一页表表1-1通信用无线电波段划分表通信用无线电波段划分表返回波 段波长范围频率范围频段主要用途超长波10100

49、 km330 kHz甚低频（VLF）高功率、长距离、点对点通信。如声纳、水下通信等长 波110 km30300 kHz低频（LF）长距离点对点通信，如导航、越洋通信等中 波1001000 m3003000 kHz中频（MF）广播、遇险求救通信，港口船舶调度通信等短 波10100 m330 MHz高频（HF）中远距离的各种广播与通信，如电离层反射通信等米 波110 m30300 MHz甚高频（VHF）短距离通信、雷达、电视、交通管制及散射通信等分米波10100 cm3003000 MHz特高频（UHF）卫星通信、微波接力通信、雷达、导航、全球定位等厘米波110 cm330 GHz超高频（SHF）

50、短距离通信、波导通信、微波接力、雷达、空间通信等毫米波110 mm30300 GHz极高频（EHF）遥感遥测、光通信等亚毫米波300 GHz图图1-6 调制信道与编码信道调制信道与编码信道离离散散信信号号 发发转转换换器器 媒媒 质质 收收转转换换器器 解解 调调 器器 译译 码码 器器 编编 码码 器器 调制信道调制信道编码信道编码信道连连续续信信号号 调调 制制 器器返回图图1-7 调制信道模型调制信道模型返回时变线性网络k(t)n(t)ei(t)eo(t)图图1-8 二进制编码信道模型二进制编码信道模型返回0101发送端接收端P(0/0)P(1/1)P(1/0)P(0/1)图1-4 无线