通信原理-第一章-绪论

通信原理-第一章-绪论

1. 通信、消息、信息和信号

通信：利用电（光）信号传输消息中的信息；

消息：信息的物理表现形式；

信息：消息的内涵；

信号：消息的运输载体。消息携载在电信号的幅度、频率或相位等。

2. 模拟信号和数字信号

信号按照**载荷消息的信号参量取值 **是连续还是离散的分为模拟信号和数字信号。

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，如电话机送出的语音信号；

数字信号：载荷消息的信号参量只有有限个取值，如电报机、计算机输出的信号。

3. 通信系统的组成、分类和通信方式

通信系统：传递信息所需的一切技术设备和信道的总体。

涉及技术：编码、译码、调制、解调、同步等。

组成：

一般模型

1. 信息源：将消息变化成原始电信号（基带信号）；受信者功能与其相反；
2. 发送设备：将原始电信号变化成合适在信道中传输的形式；接收设备功能与其相反；
3. 信道：传输信号的通道；
4. 噪声源：通信系统中各种噪声的集中表示；

模拟通信系统

利用模拟信号传输信息的通信系统

两种重要变换：
$$\begin{gathered} 1.消息\rightleftharpoons 原始电信号(基带信号) \\ 2.基带信号\rightleftharpoons 已调信号 \end{gathered}$$

数字通信系统

利用数字信号传输信息的通信系统

1. 信源编码：原始电信号转化为数字信号；提高信息传输的有效性，压缩数字信号，减少冗余；
2. 加密：提高所传信息的安全性；
3. 信道编码：差错控制，提高信息传输的可靠性，对发送的码元按照一定的规则加入保护成分，组成所谓的“抗干扰编码”；信道译码按相应规则进行解码，发现和纠正错误；
4. 调制：使信号适应信道的特征；
5. 同步是数字通信系统所必须的。

分类：

同一个通信系统可以属于不同的分类

按信道信号特征分类	按传输媒介分类	按传输方式分类	按通信业务分类	按工作波段分类	按复用方式分类
模拟通信、数字通信	有线通信、无线通信	基带传输、带通传输	电话通信、数据通信、图像通信、遥控通信等	长波信道、短波信道、微波信道、光通信等	频分复用、时分复用、码分复用等

通信方式：

指的是通信双方之间的工作方式

按传输的方向与时间关系	按数字码元传输的时序	按系统结构
双工通信(电话通信)、半双工通信(普通对讲机)、单工通信(广播、无线寻呼)	并行传输、串行传输	点到点通信(专线通信)、点到多点通信、多点之间通信(网通信)

4.数字通信的优缺点

优点

1. 可以将来自不同信源的信号综合到一起传输，便于进行信号处理、变换和存储；
2. 提高信息传输有效性、可靠性；
3. 抗干扰能力强，且无噪声积累；
4. 易于加密处理、且保密性好；
5. 差错控制；
6. 易于集成，使通信设备小型化；

缺点

1. 占用较大的传输带宽；
2. 对同步要求高，系统较复杂；

说明

随着压缩技术、调制技术和集成电路的发展，以及宽带传输介质(如光纤)的使用，缺点在弱化。

5.信息度量的方法

信息量：用信息量来度量消息中的信息；

信息量的影响因素：消息中的不确定的内容才构成信息，而这种不确定程度可以用概率描述，故消息中所含的信息量与消息发生的概率密切相关，而与消息的种类和重要程度无关；消息出现的概率越小，所含的信息量越大。

1. 离散消息的信息量：
   $$\begin{gathered} 设某离散消息x发生的概率为P(x),则x所携带的信息量为： \\ I=lo{g}_a\frac{1}{P(x)}=-lo{g}_{a}P(x) \end{gathered}$$
   a影响的是信息量的单位，a=2，单位比特(bit,b)；a=e，单位奈特(net)；a=10，单位哈特莱(Hartly)；

   常用的为a=2，有
   $$\begin{gathered} I=lo{g}_2\frac{1}{P(x)}=-lo{g}_{2}P(x)(bit) \\ 若M进制等概率传输，则I=lo{g}_{2}M \end{gathered}$$

2. 离散消息的平均信息量

   用熵H(x)表示，熵表示信源的不确定性；
   $$\begin{gathered} H(x)=-\sum _{i=1}^{M}P(x_i)lo{g}_{2}P(x_i)(b/符号) \\ 当M个符号等概率独立出现时候，不确定性最大，H(x)=lo{g}_{2}M \end{gathered}$$

3. 离散消息的总信息量
   $$n个符号传递的总信息量I=n\ast H(x)(bit)$$

6.通信系统主要性能指标

有效性：指传输一定信息量所占用的信道资源；

可靠性：指传输信息的准确程度；

1. 模拟通信系统：

   有效性：由信道带宽决定。传递相同的消息(可以有不同的调制方式), 占用信道带宽越小的方式，有效性越好，信号带宽越小；对于多路复用系统，在给定的信道带宽内，复用的用户路数越多，有效性越好；

   可靠性：输出信噪比。

2. 数字通信系统：

   有效性： 频带利用率，定义为单位带宽内的传输速率，即
   $$\eta =\frac{R_B}{B}(Boud/Hz)或\eta =\frac{Rb}{b}(bit/(s\cdot Hz))$$

   1. RB：码元传输速率（传码率、波特率），指单位时间内传输的码元个数，单位波特(Baud)

      ​ RB仅与码元宽度（码元持续时间）TB有关，与码元进制和其他因素无关
      $$R_B=\frac{1}{T_B}(Baud)$$

   2. Rb：信息传输速率（传信率、比特率），指单位时间内传输的平均信息量，单位bit\s

      ​ Rb不仅与码元宽度有关，还与码元进制和信源的统计特性有关

   3. RB与Rb关系
      $$\begin{gathered} 设每个码元所含的平均信息量为H，则Rb=R_B\cdot H(bps), \\ 若M个码元等概率相互独立传输，则Rb=R_B\cdot lo{g}_{2}M(b/s) \\ 二进制传输R_B=Rb \end{gathered}$$

   4. 若设每个二进制码元的持续时间为Tb，则Tb和TB的关系
      $$T_B=Tb\cdot lo{g}_{2}M$$

   可靠性：差错概率，包括误码率和误信率

   1. 误码率

   $$Pe=\frac{错误接受的码元数}{传输的总码元数}$$

   2. 误信率
      $$Pb=\frac{错误接受的比特数}{传输的总比特数}$$

   3. 两者关系：二进制时，有Pe =Pb;M进制，有Pe > Pb.

遗留问题

1. 模拟信号和数字信号：连续和无限取值，离散和有限个取值的关系；为什么图1-2(b)是数字信号；
2. 同步在数字通信系统中占据的重要性；
3. 通信方式按照基带传输和带通传输，什么是基带和带通传输；
4. 如何理解数字通信优点抗干扰能力强，且无噪声积累；易于集成，使通信设备小型化；
5. 如何理解对于多路复用系统，在给定的信道带宽内，复用的用户路数越多，有效性越好。
6. 在有效性上面，模拟通信系统和数字通信系统计算有效性的差异；

参考资料

https://wenku.baidu.com/view/5ba42634b14e852459fb5753.html

通信原理（第7版）学习辅导与考研指导 曹丽娜、樊昌信编著