第1章 通信基础知识Word文档格式.docx

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模拟信源输出幅度连续变化的模拟信号，即模拟基带信号，如电话机、摄像机等；

数字信源输出离散的数字信号，即数字基带信号，如电传机、计算机等。

2、发送设备：

由于基带信号频率低等原因，大多情况下不适合在信道中直接传输，因此需要通过调制过程，将信源产生的基带信号变换成适合于在信道中传输的电信号。

发送设备完成信号的调制并将信号送入信道传输。

3、信道：

信道是传输信号的物理通道，即信号的传输媒质。

信道可分为有线信道和无线信道两类，有线信道包括对称电缆、同轴电缆和光缆等；

无线信道包括地波传播、短波电离层反射、微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。

4、噪声：

信道对有用的信号提供了通路，也对噪声信号提供了通路。

噪声一般是人们所不需要的，但又是不可避免客观存在的干扰信号。

噪声的来源很多，可分为内部噪声和外部噪声。

内部噪声包括设备内部电路引起的噪声、半导体材料本身形成的噪声、电器机械运动产生的噪声等；

外部噪声包括雷电、电气设备等引起的噪声等。

5、接收设备：

接收设备完成发送设备的反过程，即进行解调、译码、解码等。

由于进入接收设备的调制信号中包含有噪声，因此接收设备需要从带有干扰的信号中正确地恢复出原始的电信号。

6、信宿：

信宿是传输信息的归宿，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。

电话接收机就是将有线信道传来的电信号转换为声音，因此就是电话传输的信宿。

1.2.2模拟通信系统

在实际通信中，消息的来源也是多种多样的，但基本可以分为两大类：

连续的和离散的。

连续消息是指消息的状态连续变化，而离散消息是指消息的状态是可数的。

对于连续消息如话音，其声波振动的幅度是随时间连续变化的，若将它转换为随时间连续变化的电信号，则信号幅度是时间的连续函数，这样的信号称作模拟信号。

因此，模拟信号是指参量取值连续变化的电信号。

对于离散消息如电报信号，其输出的电信号波形数量有限，这样的信号称作数字信号。

因此，如果信号的参数与离散消息对应而离散取值，这就是数字信号。

最常用的数字信号是幅度取值只有表示“０”和“1”两种状态的波形，这就是二进制数字信号。

模拟通信系统就是利用模拟信号来传递信息的通信系统，系统模型见图1-2。

图中信源将连续的非电信号转换成模拟基带电信号，信宿则完成相反的过程，将模拟基带电信号还原为输入端的连续非电信号。

调制器的作用是将基带电信号变换成适合于在信道中传输的频带信号，而解调器的作用相反，是将信道中传输的频带信号还原成基带电信号。

模拟通信的优点是：

信号在信道中传输所占用的频谱比较窄，因此可通过多路复用使信道的利用率得到提高。

模拟通信的缺点是：

传输的信号是连续的，不容易消除叠加在其上的噪声，抗干扰能力较差；

不容易实现保密通信；

设备不容易大规模集成；

不能适应快速发展的计算机通信的要求。

模拟通信在历史上占有主导地位，但近年来随着超大规模集成电路工艺的成熟以及计算机和数字信号处理技术的发展，使得数字通信发展迅速，大多数的模拟通信系统已被数字通信系统所取代。

常用的模拟通信系统包括中波、短波无线电广播，模拟电视广播，调频立体声广播等。

1.2.3数字通信系统

1、数字通信系统模型

数字通信系统是利用数字信号传递消息的通信系统，系统模型如图1-3所示。

数字通信系统比模拟通信系统的组成要复杂一些，其中包括了信源编码、信号加密、信道编码、数字调制、信道解调、信号解密、信源译码等一些区别于模拟通信系统的问题。

（1）信源编码与译码

信源编码的作用包含两个方面，一是将模拟基带信号转换成数字基带信号，即模/数转换；

二是进行数据压缩，用以减小数字信号的冗余度，从而减少存储空间，提高传输和处理效率。

编码比特率在通信中直接影响传输所占的带宽，而传输所占的带宽又直接反应了通信的有效性。

信源译码是信源编码的逆过程。

（2）信号加密与解密

加密技术是以某种特殊的算法改变原有的信息数据，使得未授权用户即使获得了信息，也无法获知信息的内容。

解密技术则是将接收到加密信号再用相同方法或不同的方法进行还原的过程。

（3）信道编码与译码

数字信号在传输中由于各种原因，会使传送的数据流产生误码，从而产生诸如接收端产生图象跳跃、不连续、马赛克等现象。

为使系统具有一定的纠错能力或抗干扰能力，提高通信的可靠性，可在信源编码的基础上，按一定规律加入一些新的监督码元，这一过程称为信道编码。

信道译码则是按编码相对应的反向规律恢复编码前的信号。

（4）数字调制与解调

与模拟基带信号相类似，数字基带信号在很多情况下也不适合于在信道中直接传输，需要进行转换，将信号的频谱搬移到高频处，从而形成适合于在信道传输的调制信号。

数字调制就是以数字信号作为调制信号对载波进行调制的技术。

数字解调过程与数字调制正好相反，是将已调数字信号还原为数字基带信号。

2、数字通信的主要特点

数字通信的主要优点表现在：

（1）抗干扰能力强，无噪声积累。

这是数字通信最突出的优点。

由于信号在传输过程中不可避免地会叠加噪声，这些噪声会随着传输距离的增加而积累，从而使传输质量下降。

对于数字信号，由于信号的波形为有限个离散值，比如对二进制信号只有两个取值，在传输过程中受到噪声干扰并恶化到一定程度时，可通过判决再生的方法，使恢复出原有数字信号的状态，从而达到噪声不积累的效果。

（2）便于加密处理。

数字信号的加密处理比模拟信号要容易得多，一些加密过程甚至可通过简单的逻辑运算来编写。

（3）便于存储、处理和交换。

数字通信的信号与计算机的信号一致，因此便于用计算机对信号进行存储、处理和交换，也便于计算机之间的网络联接。

（4）可通过差错控制编码的方法，来减小信息传输中的误码率，提高通信系统的可靠性。

数字通信的主要缺点表现在：

（1）需要较大的传输带宽。

一路模拟电话的带宽大约是4KHz，而一路数字电话的带宽大约为20KHz~60KHz。

（2）需要严格的同步系统。

同步是数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提，为了实现信号的同步，需要相对复杂的设备支持。

需要指出的是，随着通信技术朝着小型化、智能化、高速和大容量的方向迅速发展，数字通信的缺点将会逐步淡化，最终会完全取代模拟通信。

1.3通信系统的分类

　　通信系统有多种不同的分类方法，主要有以下几种情况。

1、按照传输信号的特征分类

当信道中传输的是模拟信号时所对应的通信系统称之为模拟通信系统；

当信道中传输的是数字信号所对应的通信系统称之为数字通信系统。

2、按照通信业务类型分类

通信业务有包括符号、文字、语言、数据、视频在内的多种类型，因此通信系统可分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图象通信系统等。

这些通信系统可以是专用的，但通常是兼容的或并存的。

长期以来，电话业务在电信领域中占主导地位，因而其它通信常常借助于公共的电话通信系统进行。

然而，近年来非电话业务通信发展迅速，包括计算机通信、电子邮件、可视图文、会议视频等数据通信逐步成为通信的主流。

3、按调制方式分类

根据是否将信源信号进行调制，可将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统。

基带传输是将未经调制的信号直接在信道中传送，这既可以是模拟基带信号也可以是数字基带信号；

频带传输则是对各种信号进行调制后进行传输。

按载波是连续波还是数字脉冲，调制方式可以分为连续波调制和脉冲调制。

连续波调制用正弦波或余弦波作为载波，而脉冲调制用数字脉冲作为载波。

连续波调制又可分为模拟调制与数字调制。

如果将模拟基带信号对载波波形的某些参量，如幅度、频率、相位进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，则是模拟调制。

如果将数据信号寄生在载波的幅度、频率、相位上，即用数据信号来进行幅度、频率和相位调制，则是数字调制。

4、按传输介质分类

按传输介质的不同，可将通信系统分为有线通信系统和无线通信系统。

有线通信系统需要以传输缆线作为传输介质，比如对称电缆、同轴电缆、光纤等。

无线通信系统则是无线电波在自由空间的传输，比如移动通信、微波通信、卫星通信等。

5、按信号的复用方式分类

复用是指将多路信号组合成一路信号进行传输的过程，目的是为了更好地共享信道资源，适应信道传输。

按信号的复用方式可分为频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）和波分复用（WDM）等。

频分复用将传输信道的总带宽划分成若干个子信道，每个子信道传输1路信号，为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，在各子信道之间设立隔离带，以保证各路信号互不干扰。

时分复用是用脉冲调制的方法使不同的信号占据不同的时间区间，即利用不同时段来传输不同的信号。

码分复用是利用互相正交的码型来区分各路原始信号，各路信号可在通信时间内使用同样的频带，每路信号分配一个地址码，互不重叠。

波分复用与频分复相类似，是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术。

6、按工作频段分类

由于不同电磁波频率具有不同的传输特点和业务容纳能力，为了更好地管理和利用无线电频谱资源，同时体现技术及应用发展的历程和现状，需要对频率范围进行合理的分类。

表1-1列出了频率在3000GHz以下的无线电频谱划分与典型应用，3000GHz以上的电磁波已属于光通信系统的范畴。

表1-1无线电频谱划分与典型应用

频带名称

频率范围

波段名称

波长范围

典型应用

至低频（TLF）

0.03－0.3 Hz

至长波或千兆米波

10 000－1 000兆米（Mm）

0.3－3 Hz

至长波或百兆米波

1 000－100兆米（Mm）

极低频（ELF）

3－30 Hz

极长波

100－10兆米（Mm）

远程导航，水下通信

超低频（SLF）

30－300 Hz

超长波

10－1兆米（Mm）

水下通信

特低频（ULF）

300－3 000 Hz

特长波

1 000－100千米（km）

远程通信

甚低频（VLF）

3－30 kHz

甚长波

100－10千米（km）

远程通信、水下通信、声呐

低频（LF）

30－300 kHz

长波

10－1千米（km）

导航、水下通信、无线电信标

中频（MF）

300－3 000 kHz

中波

1 000－100米（m）

广播、海事通信、测向、遇险求救

高频（HF）

3－30 MHz

短波

100－10米（m）

短波广播、电报、定点军用通信、业余无线电　

甚高频（VHF）

30－300 MHz

米波

10－1米（m）

电视、调频广播、空中管制、导航、车辆通信

特高频（UHF）

300－3 000 MHz

分米波

10－1分米（dm）

微波接力、卫星通信、电视、雷达

超高频（SHF）

3－30 GHz

厘米波

10－1厘米（cm）

微波接力、卫星通信、雷达、移动通信

极高频（EHF）

30－300 GHz

毫米波

10－1毫米（mm）

雷达、卫星通信、铁路业务、射电天文学

至高频（THF）

300－3 000 GHz

丝米波或亚毫米波

10－1丝米（dmm）

7、按照通信方式分类

通信方式是指通信双方之间的工作方式或信号传输方式。

对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种，如图1-4所示。

（1）单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，例如遥控、遥测、广播。

单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；

接收端只能接收信息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的。

（2）半双工通信，是指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。

也就是说，通信信道的每一端都可以是发送端，也可以是接收端，但同一时刻，信息只能有一个传输方向。

典型的半双工通信有无线对讲机、数据检索等。

（3）全双工通信，是指通信的双方可以同时发送和接收数据，即在通信的任意时刻，线路上存在双向信号传输。

全双工通信要求通信系统的每一端都设置有发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。

全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟。

典型的全双工通信有电话、手机、计算机高速数据通信等。

对数字通信，按数字信号排列的顺序的不同，还可分为串行通信传输和并行传输，如图1-5所示。

串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度，只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，节省了传输线，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

并行通信是指一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，其特点是传输速度快、效率高，多用在实时、快速的场合，由于传输所需要数据线根数多，因此传输的成本较高，不太适合远距离传输。

典型的并行传输例子是打印机与计算机之间的通信传输。

1.4通信技术发展概况

真正意义上的电通信始于1837年美国画家莫尔斯发明的有线电报，他利用电流交替地通电和切断产生不同的信号，即点、划和空白，以这三者不同组合创造了表达26个字母和数字的莫尔斯电码。

1876年，美国人亚历山大·

贝尔发明了电话，这是通信发展历史上具有划时代意义的事件，通过电话可以把语音转化为电信号直接进行传输。

1864年，英国物理学家麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在，并将电和光统一起来，这是19世纪物理学发展的最光辉的成果。

1887年，德国物理学家赫兹通过实验的方法产生了无线电波，并测量了波长和速度。

赫兹实验不仅从实验方面证实了麦克斯韦电磁理论正确性，更为无线电、电视和雷达等现代通信技术的发展找到了新的途径。

1896年，意大利无线电工程师马可尼成功地发明了无线电报，并于1901年成功进行了跨大西洋的越洋无线电信号的接收，这使无线通信达到实用阶段。

1904年，英国物理学家弗莱明研制出世界上第一只电子管，即真空二极管，这标志着世界从此进入了电子时代。

1906年，美国发明家福雷斯特对真空二极管加以改进，研制出真空三极管，从而可将微弱的电信号放大成强信号，解决了无线电的接收问题，这是人类打开电子时代大门过程中的重要事件。

1918年，美国发明家阿姆斯特朗研究成功超外差接收机，这是为了适应远程通信对高频率、弱信号接收的需要，在外差原理的基础上发展而来的，至今仍广泛应用于远程信号的接收。

1927年，美国物理学院奈奎斯特提出了著名的抽样定理，确定了要使模拟信号抽样后能够不失真还原，其抽样频率必须大于信号最高频率的两倍。

1933年，阿姆斯特朗发明了调频无线电收发机系统，这一新的辉煌成就在无线电、电视、微波中继通信以及卫星通信中得到广泛应用。

1946年，世界上第一台电子计算机ENIAC诞生，这个庞然大物占地面积达170平方米，重达30吨，可在1秒钟内进行了5000次加法运算和500次乘法运算，这比当时最快的继电器计算机的运算速度要快1000多倍。

在ENIAC中，电子管是最基本的元件。

1947年，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。

这使得人们能用一个小巧的、低功耗的电子器件来代替体积大、功率消耗大的电子管。

晶体管是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。

1948年香农发表了著名的论文《通信中的数学理论》，提出了信息熵、信道容量等概念，定量地揭示了通信的实质问题，成为信息论的开端。

1957年，前苏联发射了世界上第一颗人造卫星，人类开始了空间通信。

1962年，美国发射了具有转发和放大功能的民用通信卫星，实现了电话和电视信号的传播。

中国也于1970年发射了东方红1号人造卫星。

1958年，美国德州仪器公司的基尔比发明了称之为“相移振荡器”的集成电路，他将包括晶体管、电阻、电容在内的所有元件用同一种半导体材料制成，彼此没有干扰。

集成电路的发明开创了世界微电子学的历史。

1960年，美国科学家梅曼发明了第一个红宝石激光器，与普通光相比，激光谱线很窄，方向性及相干性极好，是一种理想的相干光源和光载波。

由激光发展起来的激光通信有高度的相干性和空间定向性，通信容量大、体积较小并且有较高的保密性。

所以激光是光通信的理想光源，它的出现是光通信发展的重要一步。

1966年，中国香港物理学家高锟提出了用玻璃代替铜线的大胆设想，即利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号，从而使传输的信息量更多、速度更快、距离更远。

随着第一个光纤系统于1981年成功问世，改变了世界的通信格局，光纤通信以其超大的容量，逐步取代了电线、电缆和微波接力，成为现代电信网的骨干。

移动通信是世界上最先进的通信方式之一，是移动体之间或移动体与固定体之间的通信。

由于移动通信电波传播环境恶劣，信号会受到人为噪声和自然噪声的干扰等，因此对技术的要求比固定通信复杂得多，只有在通信理论、集成电路技术发展到上世纪80年代，普及移动通信的条件才完全成熟。

第一代移动通信（1G）商业化是从上世纪80年代开始的，主要特点是模拟信号频率调制、频分双工和频分多址、基于电路交换技术。

由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。

第一代移动通信缺点是容量有限、制式太多、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和自动漫游等。

第二代移动通信（2G）采用了数字调制，是多时隙共有一个载波，具有保密性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等优势。

2G不仅提供语音业务，也提供数据传输。

80年代中期，欧洲推出了泛欧数字移动通信网（GSM），并于1991年投入商用，此后这种数字蜂窝移动通信席卷全球，我国于1993年开通第一个GSM数字移动电话通信网。

第三代移动通信（3G）是一种在第二代移动通信技术基础上进一步演进的以宽带CDMA技术为主的新一代移动通信系统。

1996年，国际电信联盟（ITU）提出了IMT-2000（国际移动通信2000年）的灵活的无线接入标准，2000年，ITU确定WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入第三代移动通信系统技术指导性文件。

其中TD-SCDMA标准是由中国提出的、具有自主知识产权的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准，这是我国电信史上重要的里程碑。

正当3G移动通信正在如火如荼地推广应用的时候，第四代移动通信（4G）亦已悄然来临。

第四代移动通信系统在技术和应用上与第三代移动通信相比有质的飞跃，可在不同的固定和无线平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，对无线频率的使用效率比第三代系统高得多，且抗信号衰落性能更好，上网速度将比第三代移动通信超过50倍，能够以100Mbps的速度下载，上传的速度也能达到20Mbps，更接近于个人通信，能实现高清晰度的三维图像传输等。

2010年，上海世博会园区开通覆盖园区的TD-LTE演示网，这是一张具有我国自主知识产权的面向4G标准升级的网络。

TD-LTE是3G技术TD-SCDMA的演进技术，是国际4G标准体系中我国唯一拥有核心知识产权的技术标准，是对TD-SCDMA原有关键技术的继承和进一步创新，可以最大限度地利用TD-SCDMA现有技术和已有投资。

TD-LTE技术系统的理论数据吞吐能力可以达到下行100Mbps，上行50Mbps，约为现在主流3G网络的几十倍，同时具有高带宽和高移动性的技术特点，特别适合承载高速数据业务。

其超快的数据传输速率，将引发未来新一轮网络革命。

1.5信息的量度

1.5.1信息量的定义

通信的目的是为了传输消息中所包含的信息，信息是消息中所包含的有效内容，因此需要采用一定方式来对被传输的信息进行量度，这个物理量称之为信息量。

消息是多种多样的，因此度量消息中所含信息的方法，必须能够用来度量任何消息的信息量，而与消息种类无关。

同时，这种度量方法也与消息的重要程度无关。

香农信息论指出，信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述，可运用概率来量度这种不确定性的大小。

在信息论中，把消息用随机事件来表示，而发出这些消息的信源则用随机变量来表示。

让我们先从以下天气预报来感知三个不同的消息：

（1）明天晴转多云；

（2）明天有大暴雨；

（3）明天温度将超过45０C。

这三条消息中，第一条带来的信息量较小，因为这样的事件发生很正常，人们不感到惊奇；

第二条带来了较大的信息量，因为人们对这样的极端天气重视程度很高，需要提前做好防范；

第三条带来的信息高于第二条，因为这样的事件在一般情况下几乎是不可能发生的，听后使人感到十分吃惊。

这个例子表明，对接收者而言，事件越不可能，越不可预测，越能使人感到意外和惊奇，所包含的信息量也就越大。

哈特莱首先提出采用消息出现概率的对数作为离散消息的信息量表示，即某离散消息x所携带的信息量为

式中，P（x）为消息x发生的概率。

当底数a=2时，信息量单位用比特（bit）表示；

当底数a=e时，信息量单位用奈持（nit）表示；

底数a=10时，信息量单位用哈特莱（Hartley）表示。

三种单位中以比特（bit）最为适用，因此本书中都是以比特作为信息量的单位，即

式（1.5-1）实际上反映了信息量的大小与消息出现的概率之间存在如下对应关系：

（1）事件出现的概率