北京邮电大学《通信原理》课程讲义-绪论
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通信原理——绪论
通信发展的几个阶段
第一阶段：语言、人力、马力； 第二阶段：文字发明、邮政； 第三阶段： 印刷术发明； 第四阶段： 电话、电报、广播； 第五阶段： 信息时代，现代通信。
通信和经济的关系
没有现代通信，就没有经济的高速发展 电话普及率 发达国家：50台/100人。 我国： 73.8台/100人。
我国的通信事业和设施需要跟上经济 发展的步伐，更需要赶上现代化发展速度！ 任务艰巨！
一、通信的目的及任务 交流、交换信息，传递信息。 克服距离障碍，迅速、准确的传递信息
围绕上述任务，通信技术经历了相当长时期的发展 二、通信技术的发展与演变
1、古老的通信方式—烽火－书信（快 马）， 中继方式－驿站。
2、现代通信的发展 模拟通信：1877年，贝尔实验室发明电话 数字通信：1836年，莫尔斯发明电报
（2）需要保密时，发送端需加密，接收端 则需要解密；
（3）发送端按节拍传送数字信号单元（码 元），接收端须按同样节拍接收，即要求 严格“同步”。
同步：有两种同步，“码元同步”或“位同 步”；
“码组同步”或“群同步”、“帧同步”。
三、通信系统分类
• 分类方法：
1、按消息物理特征分类，可分：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。
• 数字通信系统组成：见图3。
信加 编调信解译解 受
息 源
密 器
码制 器器
道
调码 器器
密 器
信 者
数
噪声源
字 复
发端同步
收端同步
数 字 分
接
信 基带
信 接收
接
受
息
信号 形成
道
滤波
信源器器源自者噪声源图3 数字通信系统模型
通信原理讲义第一章
考核方式
第一章 绪论
《通信原理》的分数由平时成绩和考 试成绩两部分组成。
考试成绩即期末统一考试成绩占70%。
平时成绩占30%，上课随机点名三次 不到者，平时成绩不及格。
第一章 绪论
第一章 绪论
主要内容
§1.1 引言 §1.2 通信系统的组成 §1.3 通信系统分类及通信方式 §1.4 信息及其度量 §1.5 通信系统的主要性能指标 §1.6 通信技术的64 麦克斯韦尔 电磁辐射方程 1876 贝尔 电话 1896 马可尼 无线电报 1906 真空管 1918 调幅广播 超外差接收机 1925 三路明线载波电话 多路通信 1936 调频广播 1937 脉冲编码调制PCM 1938 电视广播 1940 二战刺激 雷达和微波系统
对于电子类专业学生，也是拓宽知识面，从而为一系列 相关学科（通信电子、自控、遥控遥测、仪表、家电、智能 楼宇等）的创造性工作奠定必要的信息科学背景基础。
§1.1 引言
第一章 绪论
一、什么是通信
（1）通信的通俗定义：
一点向另一点传递消息的过程
（2）通信的专业定义：
利用信号（电、光、声音或烟火、旗帜等）的某一个或几个参数 （如电波的振幅、频率、相位等）的变化承载信息，在特定物理 媒介（称“信道”）中传输、交换和处理的过程。
主要目的
1、学习通信原 理的意义； 2、明确通信理 论和技术的部分 主要概念； 3、串接通信理 论和技术的主要 知识框架。
第一章 绪论
为什么需要学习通信原理？
物质、能源、信息是人类生存的三大要素资源。
物质与能源：大学物理课程（基本性质与基本方法）
信息：通信原理课程论述了信息传输与处理的基本过程与方 法，是进一步掌握信息科学的必由之路。
通信原理第一章
任何人、任何时候在任何地方以任意的方式进行通信。
1.1.1 通信系统的一般模型（主要培养全局系统的概念） 通信: 从一地向另一地传递和交换信息。
通信系统：实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质基于点与点之间的通信系统的模型用图1 -1 来描述。
送设备信道接收设备受信者噪声源接收端信息源：消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为基带信号。
包括：电话机、电视摄像机和电传机、计算机等。
前者是模拟信源，输出模拟信号；后者是数字信源，输出数字信号。
发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。
变换方式是多种多样的，比如：放大、调制、编码等等； 信道：指传输信号的物理媒质。
包括：大气（自由空间）、明线、电缆或光纤。
模拟信号：凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号。
数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。
通信系统分为模拟通信系统+数字通信系统。
1. 模拟通信系统模型图1-4 模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源课程重点调制器：原始基带信号变换成适合信道传输的信号；从信号与系统的角度：调制器=频带搬移。
调制后的信号称为已调信号、频带信号。
已调信号有三个基本特征：一：携带有完整的基带信息二：适合在信道中传输三：信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。
信道编译码 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。
为了减少差错，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（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。
接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。
作用：提高通信系统抗干扰能力。
数字调制与解调 把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。
基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。
北京邮电大学《通信原理》课程讲义-绪论
信道
噪声干扰
信 宿
信 源 译 码
解 密 器
信 道 译 码
解 调 器
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3. 通信系统的组成(5)
基带数字通信系统模型
数字信 息源 波形 形成 信 道 接收 滤波 受信 者
噪声 源
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3. 通信系统的组成(5)
数字通信的优点：
抗干扰能力强(消除噪声积累；差错可控) 便于处理和管理，便于传输和交换 便于与各种数字终端接口，进行处理、加工、变 换、存储，形成智能网； 便于集成化，微型化； 便于加密处理
根据信号复用方式
频分复用(FDM) 时分复用(TDM) 码分复用(CDM)
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4.2 点到点的通信方式(1)
按消息传送方向与时间关系
单工：遥测、遥控、寻呼 半双工：无线电对讲机(同一载频) 全双工通信：电话 发送端 发送端 信道 接收端 发送端 接收端 信道 信道 接收端 接收端 发送端
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信道
接收端 发送端
(统计概率概念)
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6.信息论初步(第七章)
信源的分类及其统计特性描述 信息量的定义 离散信源的信息量 连续信源的信息量 Shannon信道容量公式
32
7 .2 信源的分类及其统计特性描述
1 信源的分类：离散信源与连续信源
离散信源：文字、电报、各类数据 连续信源：语音、图像…
2 单消息（符号）信源
18世纪，提出用电流进行通信的设想 1838年，F.B. Morse 发明有线电报 1864年，J.C. Maxwell提出电磁辐射方程 1876年，A. G. Bell 发明电话 1896年，G. Marconi发明无线电报 1901年，横跨大西洋的无线通信成功 1906年，Lee deForst 发明真空管 1918年，E.H. Armstrong发明AM广播，超外差 接收机 1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通 信
通信原理讲义
通信原理讲义第一章绪论1．1 通信系统的组成1．1．1 通信一般系统模型点对点通信模型：反映了通信系统的共性。
连续消息：状态连续变化的消息（如语音、图像），也称为模拟消息。
●消息与电信号之间必须建立单一的对应关系。
通常，消息被载荷在电信号的某以参量上。
数字信号：电信号的参量携带离散消息，该参量离散取值。
模拟信号：电信号的参量携带连续消息，参量连续取值。
●相应的通信系统分成两类数字通信系统模拟通信系统●模拟信号与数字信号之间可以相互转换在信息源中使用模-数（数-模）转换器，接受端使用数-模（模-数）转换器。
●数字通信比模拟通信更能适应对通信技术越来越高的要求（1）数字传输的抗干扰能力强，中继时可以消除噪声的积累；（2）传输差错可以控制；（3）便于使用现代数字信号处理技术对信息进行处理；（4）易于加密处理；（5）可以综合传递各种消息，增强系统功能。
●模拟通信系统模型（点对点）调制器：将基带信号转变为频带信号的设备。
解调器：将频带信号转变为基带信号的设备。
模拟通信强调变换的线性特性，既已调参量与基带信号成比例。
● 数字通信系统模型（点对点） 强调已调参量与基带信号之间的一一对应。
数字通信需要解决的问题：（2） 编码与解码：通过差错控制编码消除噪声或干扰造成的差错； （3） 加密和解密：对基带信号进行人为“搅乱”；（4） 同步：发送和接收节拍一致，包括：位同步（码元同步）和群同步、帧同步、句同步或码组同步。
数字通信模型：1．2 通信系统的分类及通信方式 1．2．1 通信系统分类● 按消息的物理特征分类电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统图像通信系统 ● 按调制方式分类基带传输线性调制载波调制 非线性调制 频带传输 数字调制脉冲模拟调制脉冲调制消息 消息消息消息脉冲数字调制●按信号特征分类模拟通信系统数字通信系统●按传输媒介分类有线无线1．2．2 通信方式分类●点对点通信，按传送方向与时间关系：单工通信：消息只能单方向传输半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发全双工通信：通信双方可同时进行收发●数字通信中，按数据信号码元排列方式：串行传输：数字信号码元序列按时间顺序一个接一个的在信道中传输，适合远距离传输。
通信原理第一章
P7
特点：随机性的，无法预知的。
信号：反映消息的电信号。
信息：把消息中的内容用概率统计的方法抽象出来。 信息是消息和信号中包含的某种有意义的抽象的东西。
2、信息量：是信息或消息的一种度量。信息的 大小由信息量来衡量。
不同的消息人们对它的反映是不同的，如：下雨、地震
（太阳从东方升起） 下雨：经常发生，不足为奇，信息量小； 地震：不常发生，很惊讶，信息量大。 （太阳从西方升起）
P（x）：消息的概率 a ：2的整数次幂 P8
信息量的单位的确定取决于底数a：
若对数以2为底时单位是“比特”（bit — binary unit的缩 写）；
若以e为底时单位是“奈特”（nat—nature unit的缩写）；
若以10为底时单位是“哈特”（Hart — Hartley的缩写）。
数字通信系统还有一个非常重要的控制单元， 即同步系统。使收发两端的信号在时间上保持 步调一致
3、数字通信的主要特点 目前，无论是模拟通信还是数字通信， 在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。 但是，数字通信更能适应现代社会对通信技 术越来越高的要求，数字通信技术已成为当 代通信技术的主流。
与模拟通信相比，它有如下优点： 1、抗干扰、抗噪声性能好 2、差错可控 3、易加密 4、数字通信设备和模拟通信设备相比，设计 和制造更容易，体积更小，重量更轻。 5、数字信号便于计算机处理，数字信号可以 通过信源编码进行压缩，以减少冗余度，提 高信道利用率。 6、易于与现代技术相结合。
消息出现的概率越大，则消息中包含的信息量 越小； 消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量 越大。
信息量：I information ∵ P（x）＝1 必然事件 P（x）＝0 不可能发生事件 I＝0 I＝∞
通信原理——绪论17782ppt课件
来，是与消息对应的某种物理量，通常是时间 的函数，例如随着时间变化的电压(电流)。 通信系统中传送的是信号.
通信是一种产业，它生产的是一种信息在空 间转移的效应
11 通信原理
2. 通信的发展简史
12 通信原理
最早的电通信设想
1753年2月17日，《苏格兰人》杂志上发表了一封署名 C.M 的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通 信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延 伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在 一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电 机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上
概率论与随机过程 线性代数 信号与系统
5 通信原理
关于课程
学习方式：课堂教学/课后作业 考试方式：闭卷 成绩评定：70%考试成绩 + 30%平
6 通信原理
主要参考书
樊昌信等编，通信原理，国防工业出版社 周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社 曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社 Digital and Analog Communication Systems Edition). 清华大学出版社 Simon Haykin, Communication Systems, 电子工 业出版社 J.G.Proakis. Digital Communication(4rd Edition). 电子工业出版社 通信原理习题
7 通信原理
课程的基本内容
通信基本概念 确定信号和随机信号分析 模拟调制系统 数字基带传输系统 正弦载波数字调制系统 数字信号的最佳接收 模拟信号的数字传输
8 通信原理
第1章 绪论 什么是通信？ 通信的发展简史 通信系统的组成 通信系统的分类和通信方式 信息及其度量 通信系统的主要性能指标 信道及其模型 噪声
通信原理课件第1章 绪论
2021/1/17
6
1.2.3 数字通信系统模型
1.数字通信系统模型
信
信
数
数信
信
信
源
加
道
字
信
字
道
解
源
信
编
编
调
解译
译
源
码
密
码
制
道
调
码
密
码
宿
器
器
器
器器
器
噪声源
图1.3 数字频带通信系统模型 ★ 一般数字通信系统的收端要有同步的功能
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2. 数字通信的优点
（1） 抗干扰能力强，可多次再生，无噪声积累； （2）自动检错、纠错，降低误码率，提高传输质量； （3）便于对信息处理、变换、存储； （4）设备便于集成化、小型化； （5）便于加密处理，保密性好。
2021/1/17
发
接
送
收
设
设
备
备
(a)串行传输
发
接
送
收
设
设
备
备
（b）并行传输
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3.按同步方式分类
按同步方式的不同，可分为同步通信和异步通信。
同步通信——是指在约定的通信速率下， 发送端和接收 端的时钟信号频率始终保持一致。“同步通信”的通信 双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频 率。收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。 异步通信——是指通信中两个字符之间的时间间隔是不 固定的，而在一个字符内各位的时间间隔是固定的。
消息中所含信息量的大小与消息发生的概率有关。 一件事发生的概率愈小，愈使人感到意外的惊喜，在 这种情况下消息所含的信息量就愈大。 若消息出现的概率0，说明消息的信息量趋于无穷大； 若消息出现的概率1，说明消息的信息量为0。
北京邮电大学《通信原理》课程讲义-模拟信号的传输
在给定输入信号概率密度p(x)及量化级数M，如
何进行最佳量化，使量化噪声的平均功率最小，
量化信噪比最大？
2006-6-16
北京邮电大学信息工程学院 Jrlin@
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模拟信号的量化
2. 均匀量化器(线性量化器)
量化间隔Δk相等，即Δk =Δ
量化范围(-V,V)及量化级数M时
信息源
调制器
信道
解调器
信宿
模拟 信息源
抽样、量化 和编码
数字 通信系统
译码和低 通滤波
m(t) 模拟随机信号
{sk} 数字随机序列
{sk}
m(t)
数字随机序列 模拟随机信号
数字通信
2006-6-16
北京邮电大学信息工程学院 Jrlin@
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模拟信号数字化的基本原理
抽样 量化 编码
– 抽样、量化、编码
• 模拟信号的抽样 • 模拟信号的量化 • 脉冲编码调制PCM
2006-6-16
北京邮电大学信息工程学院 Jrlin@
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模拟信号的抽样
抽样定理：
一个频带限制在(0, fH) 赫内的时间连续信号m(t)， 如果以Ts≤1/(2fH)秒的间隔对它进行等间隔（均匀） 抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。
北京邮电大学信息工程学院 Jrlin@
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模拟信号的量化
1. 标量量化的基本原理 标量量化(一维量化)：每个样值独立地进行量化
x∈{xk-1, xk}时， y=Q( x)=yk k =1,2,…, M， M为量化级数
量化误差 eq = x − yk = x − Q(x)
m(t )
mS (t)
m~ S (t) 低通滤 m~(t)
北京邮电大学 移动通信原理课件完整版
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BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center
• 就接入网而言，客观上看可分为有线接入与无 线接入，这里仅讨论无线接入，再细致一些无 线接入又可分为室内无线接入比如红外、蓝牙 等；小范围的无线局域网接入比如IEEE802.11 系列等；中等及大范围的蜂窝移动接入和覆盖 全球的卫星接入。 • 本书讨论内容仅限于陆地系统的蜂窝移动网， 它是实现宏伟的个人通信蓝图的第一步，仅这 一步目前已经历了第一代(1G)、第二代(2G)系 统，正在向第三代(3G)系统过渡。
第一章 绪 论
• §1.1 移动通信的主要特点
• 移动通信是通信领域中最具有活力，最具有发 展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中 最具有个性化特征的通信手段。它的发展与普 及改变了社会也改变了人类的生活方式，它让 人们领悟到现代化与信息化的气息。 • 移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动” 二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式 通信，而是动态的移动式通信。
2
BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center
• 传统的固定式通信，又称为有线通信。它的最 大特点是静态的，信道是封闭的，且是人造 的，从而是优质的。它的最大缺点是缺乏动态 性，不适应现代人快节奏的生活需求，特别是 快速移动的需求。 • 无线通信针对上述静态的缺点，以开放式传播 来传递信息，它的代价是牺牲了全封闭式的优 质人造信道，换取了无需采用固体介质专用线 路的开放式传输的灵活性，但是信道的开放性 必然引起了信道的时变性和随机性，从而大大 降低了通信容量和质量。
通信原理第01章绪论 ppt课件
信道编码与译码目的：增强抗干扰能力 加密与解密目的：保证所传信息的安全 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 同步目的：使收发两通端信的原理信第0号1章在绪论时间上保持步调一致
第1章 绪论
1.2.3 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 便于处理、变换、存储 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输 易于集成，使通信设备微型化，重量轻 易于加密处理，且保密性好
在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实 现的。
通信原理第01章绪论
第1章 绪论
1.2 通信系统的组成
1.2.1 通信系统的一般模型
信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信 号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。
发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。 信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理
串行/并行 转换器
优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用
缺点：速度慢，需要外加码组或字ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ同步措施
其他分类方式：
同步通信和异步通信
（异步：发送帧首尾有标志；同步：发送端和接收端时间同步）
专线通信和网通信
通信原理第01章绪论
第1章 绪论
1.4 信息及其度量
信息：是消息中包含的有效内容 如何度量离散消息中所含的信息量?
度量信息量的原则
能度量任何消息，并与消息的种类无关。 度量方法应该与消息的重要程度无关。 消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关
【例】 “某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这 条消息包含有更多的信息。
上例表明： 消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。
通信原理第01章绪论
第1章 绪论
第1章 绪论
1.2.3 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 便于处理、变换、存储 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输 易于集成，使通信设备微型化，重量轻 易于加密处理，且保密性好
在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实 现的。
通信原理第01章绪论
第1章 绪论
1.2 通信系统的组成
1.2.1 通信系统的一般模型
信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信 号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。
发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。 信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理
串行/并行 转换器
优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用
缺点：速度慢，需要外加码组或字ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ同步措施
其他分类方式：
同步通信和异步通信
（异步：发送帧首尾有标志；同步：发送端和接收端时间同步）
专线通信和网通信
通信原理第01章绪论
第1章 绪论
1.4 信息及其度量
信息：是消息中包含的有效内容 如何度量离散消息中所含的信息量?
度量信息量的原则
能度量任何消息，并与消息的种类无关。 度量方法应该与消息的重要程度无关。 消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关
【例】 “某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这 条消息包含有更多的信息。
上例表明： 消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。
通信原理第01章绪论
第1章 绪论
SimpleMind 北邮通信原理 思维导图 第一章 绪论
80年 代 发 展 成 数 字 无 绳 电 话 90年 代 初 ， 西 欧 各 国 相 继 开 通 采 用 时 分 多 址 （ TDMA） 的 GSM系 统
美 国 开 发 了 码 分 多 址 （ CDMA） 的 IS-95系 统
最近，发展宽带多媒体的第三代蜂窝移动通信系统
个人通信：任何人，在任何时间，任何地点， 可与任何对象（人或计算机），互通任何信息
分组交换
90年 代 移 动 通 信 GSM系 统 的 引 入
时分多址
PCM调 制
1. 易 于 加 密 2. 无 噪 声 积 累
促进数据通信的发展
计算机通视
软件无线电
在 射 频 进 行 模 数 （ A/D） 转 换 ， 把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化
1948年
勃拉登等发明了晶体管
集成电路
与通信技术相结合，使通信设备日益计算机化， 而计算机借助通信日益网络化
超大规模集成电路
使刚出现的数字计算机得到迅猛的发展
1. 数 字 化
1937年 ， 里 夫 提 出 用 脉 码 调 制 对 语 音 信 号 编 码
1971年 ， 阿 帕 网 开 始 投 入 使 用
1948年勃拉登等发明了晶体管集成电路超大规模集成电路使刚出现的数字计算机得到迅猛的发展与通信技术相结合使通信设备日益计算机化而计算机借助通信日益网络化器件和技术影响电信技术和电信产业4个发展方向数字化1937年里夫提出用脉码调制对语音信号编码pcm调制无噪声积累1971年阿帕网开始投入使用分组交换促进数据通信的发展计算机通信从局域网向广域网以至因特网发展90年代移动通信gsm系统的引入时分多址数字广播与数字电视软件无线电在射频进行模数ad转换把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化使设备超小型化并具有多种功能远程和大容量化1
美 国 开 发 了 码 分 多 址 （ CDMA） 的 IS-95系 统
最近，发展宽带多媒体的第三代蜂窝移动通信系统
个人通信：任何人，在任何时间，任何地点， 可与任何对象（人或计算机），互通任何信息
分组交换
90年 代 移 动 通 信 GSM系 统 的 引 入
时分多址
PCM调 制
1. 易 于 加 密 2. 无 噪 声 积 累
促进数据通信的发展
计算机通视
软件无线电
在 射 频 进 行 模 数 （ A/D） 转 换 ， 把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化
1948年
勃拉登等发明了晶体管
集成电路
与通信技术相结合，使通信设备日益计算机化， 而计算机借助通信日益网络化
超大规模集成电路
使刚出现的数字计算机得到迅猛的发展
1. 数 字 化
1937年 ， 里 夫 提 出 用 脉 码 调 制 对 语 音 信 号 编 码
1971年 ， 阿 帕 网 开 始 投 入 使 用
1948年勃拉登等发明了晶体管集成电路超大规模集成电路使刚出现的数字计算机得到迅猛的发展与通信技术相结合使通信设备日益计算机化而计算机借助通信日益网络化器件和技术影响电信技术和电信产业4个发展方向数字化1937年里夫提出用脉码调制对语音信号编码pcm调制无噪声积累1971年阿帕网开始投入使用分组交换促进数据通信的发展计算机通信从局域网向广域网以至因特网发展90年代移动通信gsm系统的引入时分多址数字广播与数字电视软件无线电在射频进行模数ad转换把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化使设备超小型化并具有多种功能远程和大容量化1
北邮通信原理课件(第一章)
I log a 1 p(x) log a p ( x )
（1.4-1）
《通信原理课件》
28
I代表两种含义：当事件x发生以前，表示事件x发生的 不确定性；当事件x发生以后，表示事件x所含有（或所提 供）的信息量。 信息量的单位由对数底的取值决定。若对数以2为底时 单位是“比特”（bit — binary unit的缩写）；若以e为 底时单位是“奈特”（nat—nature unit的缩写）；若以 10为底时单位是“哈特”（Hart — Hartley的缩写）。 通常采用“比特”作为信息量的实用单位。
《通信原理课件》
32
1.5.1模拟通信系统的主要性能指标
模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽 来表征。当信道容许传输带宽一定，而进行多路频分复用 时，每路信号所需的有效带宽越窄，信道内复用的路数就 越多。显然，信道复用的程度越高，信号传输的有效性就 越好。信号的有效传输带宽与系统采用的调制方法有关。 同样的信号用不同的方法调制得到的有效传输带宽是不一 样的。 模拟通信系统的可靠性指标用整个通信系统的输出信噪 比来衡量。信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N 之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小。显然， 信噪比越高，通信质量就越好。输出信噪比一方面与信道 内噪声的大小和信号的功率有关，同时又和调制方式有很 大关系。例如宽带调频系统的有效性不如调幅系统，但是 调频系统的可靠性往往比调幅系统好。
《通信原理课件》
10
1.2.3 数字通信系统模型
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信 系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输 通信系统和数字基带传输通信系统。 一、数字频带传输通信系统 数字频带传输通信系统如图1-3 所示。 图1-3中，变换器的作用是把信息转换成数字基带 信号。信源编码的主要任务是提高数字信号传输的 有效性。信源编码器的输出就是信息码元,此外，话 音和图像压缩编码等都是在信源编码器内完成。接 收端信源译码则是信源编码的逆过程
（1.4-1）
《通信原理课件》
28
I代表两种含义：当事件x发生以前，表示事件x发生的 不确定性；当事件x发生以后，表示事件x所含有（或所提 供）的信息量。 信息量的单位由对数底的取值决定。若对数以2为底时 单位是“比特”（bit — binary unit的缩写）；若以e为 底时单位是“奈特”（nat—nature unit的缩写）；若以 10为底时单位是“哈特”（Hart — Hartley的缩写）。 通常采用“比特”作为信息量的实用单位。
《通信原理课件》
32
1.5.1模拟通信系统的主要性能指标
模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽 来表征。当信道容许传输带宽一定，而进行多路频分复用 时，每路信号所需的有效带宽越窄，信道内复用的路数就 越多。显然，信道复用的程度越高，信号传输的有效性就 越好。信号的有效传输带宽与系统采用的调制方法有关。 同样的信号用不同的方法调制得到的有效传输带宽是不一 样的。 模拟通信系统的可靠性指标用整个通信系统的输出信噪 比来衡量。信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N 之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小。显然， 信噪比越高，通信质量就越好。输出信噪比一方面与信道 内噪声的大小和信号的功率有关，同时又和调制方式有很 大关系。例如宽带调频系统的有效性不如调幅系统，但是 调频系统的可靠性往往比调幅系统好。
《通信原理课件》
10
1.2.3 数字通信系统模型
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信 系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输 通信系统和数字基带传输通信系统。 一、数字频带传输通信系统 数字频带传输通信系统如图1-3 所示。 图1-3中，变换器的作用是把信息转换成数字基带 信号。信源编码的主要任务是提高数字信号传输的 有效性。信源编码器的输出就是信息码元,此外，话 音和图像压缩编码等都是在信源编码器内完成。接 收端信源译码则是信源编码的逆过程
通信原理第1章 绪论
I0 I1 I2 I3 log2 4 2 b
评注 概率相同，每个符号蕴含的信息量也相同；
二进制的每个码元含 1 （b) 四进制的每个码元含 2 （b)
每个四进制符号可用 2 个二进制符号表示。
推广：M进制的每个码元含 log2M （b)
2.离散信源的平均信息量
——信源中每个符号所含信息量的统计平均值。 设
按传输方向和时间划分
单工通信：
发端 信道 (a) 单工方式 发端 (A） 信道 收端 (A） (b) 半双工方式 发端 (A） 收端 (B） 收端 (B） 发端 (B） 收端
（单向）
半双工通信：
（双向、不同时）
全双工通信：
（双向、同时）
收端 (A）信道A 信Fra bibliotekB发端 (B）
(c) 全双工方式
H与热力学中的熵形式一样，故称为信源的熵。
M
例
【1-3】 四进制信源（0，1，2， 3）， P(0)=3/8， P(1)= P(2)= 1/4， P(3)=1/8， 试求信源的平均信息量。
解
1 H p ( xi ) log 2 p ( xi ) i 1
M
1 I log 2 P( x)
x1 , , x i , , x M P ( x ), , P ( x ), , P ( x ) 且 i M 1
P( x ) 1
i i
M
则 统计独立的M个符号的离散信源的平均信息量为
1 H p ( xi ) log 2 (b / 符号） p ( xi ) i 1
RB B
(Baud/Hz)
Rb b B
b log 2 M
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(统计概率概念)
31
6.信息论初步(第七章)
信源的分类及其统计特性描述 信息量的定义 离散信源的信息量 连续信源的信息量 Shannon信道容量公式
32
7 .2 信源的分类及其统计特性描述
1 信源的分类：离散信源与连续信源
离散信源：文字、电报、各类数据 连续信源：语音、图像…
2 单消息（符号）信源
通信原理
电信工程学院 通信网中心
桑 林
sanglin@ 62283592
关于课程
先修课程： 《信号与系统》、《概率论与随机过程》 学习方式：课堂教学/课后作业 考试方式：期中、期末 成绩评定：80%考试成绩 + 20%平时 通信原理: http://202.112.96.131/teach
13
模拟信号
14
数字信号
15
3. 通信系统的组成(3)
模拟通信系统模型
模拟信 息源
基带 信号
调制 器
已调 信号
信 道
已调 信号
解调 器
基带 信号
受信 者
调制的作用
与信道相适配 更充分地利用信道 改善通信系统的性能
噪声 源
16
3. 通信系统的组成(4)
数字通信系统模型
信 源 信 源 编 码 加 密 器 信 道 编 码 调 制 器
26
5. 主要性能指标(2)
实现最佳通信系统设计的关键。 设计原则(基本出发点)：在一定代价下使系统 最优化 在一定可靠性的要求下，如何尽可能地去 提高系统的有效性； 在一定有效性的要求下，如何最大限度地 去提高可靠性。 这种矛盾的相对统一也是通信技术发展的基 本动力
27
5. 主要性能指标(3)
b s 2
Rs ＝ Rb /log2 N (baud) 频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为 bit/s/Hz或Baud/Hz
30
5. 主要性能指标(6)
误符号率(误码率) ：符号在传输系统中被传错 的概率 错误符号数 Ps = 传输总符号数 误比特率(误信率)：符号信息量在传输系统中 被丢失的概率 错误比特数 Pb = 传输总比特数
5
课程的基本内容
通信基本概念 确定信号和随机信号分析 信道 模拟调制系统 数字基带传输系统 正弦载波数字调制系统 数字信号的最佳接收 模拟信号的数字传输
6
第一章 绪论
什么是通信？ 通信的发展简史 通信系统的组成 通信系统的分类和通信方式 信息及其度量 通信系统的主要性能指标
7
1. 什么是通信?
数字通信的缺点：
频带利用率低：一路模拟电话：4KHz，接近同样话 音质量的一路数字电话：20-60KHz。 对同步要求高，系统设备比较复杂。
19
3. 通信系统的组成(6)
两种应用
利用数字通信系统传送模拟消息
A/D，D/A变换，例如电话
利用模拟通信系统传送数字信号
加装数字终端，例如调制解调器
电话网
因特网
18世纪，提出用电流进行通信的设想 1838年，F.B. Morse 发明有线电报 1864年，J.C. Maxwell提出电磁辐射方程 1876年，A. G. Bell 发明电话 1896年，G. Marconi发明无线电报 1901年，横跨大西洋的无线通信成功 1906年，Lee deForst 发明真空管 1918年，E.H. Armstrong发明AM广播，超外差 接收机 1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通 信
2
课程性质
现代通信系统的基本理论，是工科电子、 信息、通信等专业的必修课。
3
研究的问题：
通信系统是如何工作的？
微积分运算及性质 富氏变换及性质 卷积变换及性质
通信系统在有噪声时的性能如何？
概率论，随机过程 特殊函数
4
主要参考书
樊昌信等编，通信原理，国防工业出版社 周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社 曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社 Digital and Analog Communication Systems Edition). 清华大学出版社 Simon Haykin, Communication Systems, 电子工业 出版社 J.G.Proakis. Digital Communication(4rd Edition). 电子工业出版社 通信原理习题
模拟通信系统的性能指标
有效性：用所传信号的有效传输带宽来表 征。显然信道的传输频带越宽，则能够容纳 的信息量就越大。 可靠性：均方误差
输出信噪比(仅考虑加性干扰)：接收端输出的信 号平均功率与噪声平均功率之比(SNR)
电话：SNR > 40dB, 话音清晰度>95% 电视：SNR = 40~60dB
00 01 10 11
1 T 1 T 1 T T -1 2T t 2T t 29 2T t 2T t
5. 主要性能指标(5)
数字通信系统的性能指标：传输速率和差错率
符号(码元)传输速率：每秒钟传送的符号数量，单 位为“波特”(baud或B)，又称传码率 信息传输速率：每秒钟传送的信息速率，单位为 “比特/秒”(bit/s)，又称传信率 符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为 Rs，信息速率为Rb，每个符号有 N 种可能状态，则 有 R ＝ R log N (bit/s)
信源仅输出一个消息（符号），这个消息是一个不确定量，（如 二进制数中的“0 ”或“1 ” ，英文26 个字母中的一个字母…） 单消息（符号）离散信源， 单消息（符号）连续信源
3 消息（符号）序列信源
实际信源输出的消息往往是一个序列 离散信源：随机序列 连续信源：随机过程
33
单消息信源的统计描述
离散信源的统计描述：设离散信源可发出N 种符号，x1, x2, …, xN , 每个符号出现的概率分别为P(x1), P(x2), …, P(xN), 则可以 用概率场表示为
4.2 点到点的通信方式(2)
按数字信号的码元排列方法
串行传输：远距离数字通信 并行传输：近距离数字通信 发 送 设 备
1 0 1
接 收 设 备
发 送 设 备
. . .
接 收 设 备
实际通信系统：专线和通信网
25
5. 主要性能指标(1)
有效性： 可靠性： 信息论观点，有效性和可靠性常常是一对矛盾。 形成矛盾的根本原因：信道不理想 带宽、时间受限 噪声和干扰
10
2. 通信的发展简史(3)
1958年，发明第一块集成电路 1961年，FM立体声广播开播 1964年，第一台全电子电话系统问世 1972年，Motorola发明蜂窝电话 1976年，个人PC问世 1989年，“便携式”蜂窝电话问世 1990－，超大规模集成电路的大量使用，计 算机和通信正向着兼容互补的方向发展
20
业务网
电话网 移动电话网 IP电话网 数据通信网 智能网 N-ISDN B-ISDN
21
4.1 通信系统的分类(1)
根据信号特征 模拟通信系统 数字通信系统 根据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等 根据调制方式 基带传输： 频带传输： 根据传输媒介 有线传输 无线传输
22
4.1 通信系统的分类(2)
⎛ x1 , ⎜ ⎜ P ( ), ⎝ x1
x, P ( x ),
2 2
, ,
x P(xຫໍສະໝຸດ N⎞ N ⎟, ∑ P ( x i ) = 1 ⎟ ) ⎠ i =1 N
注：此处仅考虑无记忆信源。 连续信源的统计描述：
⎡ X ⎤ ⎡ x ∈ ( a, b) ⎤ ⎥ ⎢ P( x)⎥ = ⎢ p ( x) ⎦ ⎣ ⎦ ⎣
通信：交流，传递消息；信息的传输与交换
消息——文字、图象、符号、声音…. 信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而 来，是与消息对应的某种物理量，通常是时间 的函数，例如随着时间变化的电压(电流)。 通信系统中传送的是信号.
通信是一种产业，它生产的是一种信息在空 间转移的效应
8
2. 通信的发展简史(1)
11
3. 通信系统的组成(1)
通信系统模型
信息 源 发送 设备 传输 媒介 接收 设备 受信 者
噪声 源
12
3. 通信系统的组成(2)
模拟通信和数字通信
模拟(连续)消息：状态连续变化，例如语音，图像 数字(离散)消息：状态可数或离散，如符号，文 字，数据 模拟信号：载荷消息的电参量连续取值 数字信号：载荷消息的电参量离散取值 模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话 数字通信系统：信道中传输数字信号，例如电报
根据信号复用方式
频分复用(FDM) 时分复用(TDM) 码分复用(CDM)
23
4.2 点到点的通信方式(1)
按消息传送方向与时间关系
单工：遥测、遥控、寻呼 半双工：无线电对讲机(同一载频) 全双工通信：电话 发送端 发送端 信道 接收端 发送端 接收端 信道 信道 接收端 接收端 发送端
24
信道
接收端 发送端
…xL)
35
消息（符号）序列信源的统计描述(2)
离散序列信源可分为无记忆与有记忆两类 ( 1 ）离散无记忆序列信源 序列中的前后符号相互统计独立时称为无记忆，这时消 息序列的L维联合概率为
P( x1
xL ) = ∏ P ( xl )
l =1
L
( 2 ）离散有记忆序列信源 前、后符号间不满足统计独立的条件,描述较困难，特别 是序列符号间记忆长度L 很大时，需全部记忆区域内L 维的概率统计特性。 实际往往作简化，序列中任一个符号仅与前面一个符号 有直接统计关联，或者推而广之，消息序列中K 个符号 组成的一个消息状态仅与前面K 个符号组成的前一消息 状态有直接统计关联时，称该信源为一阶马氏链信源。
36
7 . 3 信息嫡H ( X )
31
6.信息论初步(第七章)
信源的分类及其统计特性描述 信息量的定义 离散信源的信息量 连续信源的信息量 Shannon信道容量公式
32
7 .2 信源的分类及其统计特性描述
1 信源的分类：离散信源与连续信源
离散信源：文字、电报、各类数据 连续信源：语音、图像…
2 单消息（符号）信源
通信原理
电信工程学院 通信网中心
桑 林
sanglin@ 62283592
关于课程
先修课程： 《信号与系统》、《概率论与随机过程》 学习方式：课堂教学/课后作业 考试方式：期中、期末 成绩评定：80%考试成绩 + 20%平时 通信原理: http://202.112.96.131/teach
13
模拟信号
14
数字信号
15
3. 通信系统的组成(3)
模拟通信系统模型
模拟信 息源
基带 信号
调制 器
已调 信号
信 道
已调 信号
解调 器
基带 信号
受信 者
调制的作用
与信道相适配 更充分地利用信道 改善通信系统的性能
噪声 源
16
3. 通信系统的组成(4)
数字通信系统模型
信 源 信 源 编 码 加 密 器 信 道 编 码 调 制 器
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5. 主要性能指标(2)
实现最佳通信系统设计的关键。 设计原则(基本出发点)：在一定代价下使系统 最优化 在一定可靠性的要求下，如何尽可能地去 提高系统的有效性； 在一定有效性的要求下，如何最大限度地 去提高可靠性。 这种矛盾的相对统一也是通信技术发展的基 本动力
27
5. 主要性能指标(3)
b s 2
Rs ＝ Rb /log2 N (baud) 频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为 bit/s/Hz或Baud/Hz
30
5. 主要性能指标(6)
误符号率(误码率) ：符号在传输系统中被传错 的概率 错误符号数 Ps = 传输总符号数 误比特率(误信率)：符号信息量在传输系统中 被丢失的概率 错误比特数 Pb = 传输总比特数
5
课程的基本内容
通信基本概念 确定信号和随机信号分析 信道 模拟调制系统 数字基带传输系统 正弦载波数字调制系统 数字信号的最佳接收 模拟信号的数字传输
6
第一章 绪论
什么是通信？ 通信的发展简史 通信系统的组成 通信系统的分类和通信方式 信息及其度量 通信系统的主要性能指标
7
1. 什么是通信?
数字通信的缺点：
频带利用率低：一路模拟电话：4KHz，接近同样话 音质量的一路数字电话：20-60KHz。 对同步要求高，系统设备比较复杂。
19
3. 通信系统的组成(6)
两种应用
利用数字通信系统传送模拟消息
A/D，D/A变换，例如电话
利用模拟通信系统传送数字信号
加装数字终端，例如调制解调器
电话网
因特网
18世纪，提出用电流进行通信的设想 1838年，F.B. Morse 发明有线电报 1864年，J.C. Maxwell提出电磁辐射方程 1876年，A. G. Bell 发明电话 1896年，G. Marconi发明无线电报 1901年，横跨大西洋的无线通信成功 1906年，Lee deForst 发明真空管 1918年，E.H. Armstrong发明AM广播，超外差 接收机 1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通 信
2
课程性质
现代通信系统的基本理论，是工科电子、 信息、通信等专业的必修课。
3
研究的问题：
通信系统是如何工作的？
微积分运算及性质 富氏变换及性质 卷积变换及性质
通信系统在有噪声时的性能如何？
概率论，随机过程 特殊函数
4
主要参考书
樊昌信等编，通信原理，国防工业出版社 周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社 曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社 Digital and Analog Communication Systems Edition). 清华大学出版社 Simon Haykin, Communication Systems, 电子工业 出版社 J.G.Proakis. Digital Communication(4rd Edition). 电子工业出版社 通信原理习题
模拟通信系统的性能指标
有效性：用所传信号的有效传输带宽来表 征。显然信道的传输频带越宽，则能够容纳 的信息量就越大。 可靠性：均方误差
输出信噪比(仅考虑加性干扰)：接收端输出的信 号平均功率与噪声平均功率之比(SNR)
电话：SNR > 40dB, 话音清晰度>95% 电视：SNR = 40~60dB
00 01 10 11
1 T 1 T 1 T T -1 2T t 2T t 29 2T t 2T t
5. 主要性能指标(5)
数字通信系统的性能指标：传输速率和差错率
符号(码元)传输速率：每秒钟传送的符号数量，单 位为“波特”(baud或B)，又称传码率 信息传输速率：每秒钟传送的信息速率，单位为 “比特/秒”(bit/s)，又称传信率 符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为 Rs，信息速率为Rb，每个符号有 N 种可能状态，则 有 R ＝ R log N (bit/s)
信源仅输出一个消息（符号），这个消息是一个不确定量，（如 二进制数中的“0 ”或“1 ” ，英文26 个字母中的一个字母…） 单消息（符号）离散信源， 单消息（符号）连续信源
3 消息（符号）序列信源
实际信源输出的消息往往是一个序列 离散信源：随机序列 连续信源：随机过程
33
单消息信源的统计描述
离散信源的统计描述：设离散信源可发出N 种符号，x1, x2, …, xN , 每个符号出现的概率分别为P(x1), P(x2), …, P(xN), 则可以 用概率场表示为
4.2 点到点的通信方式(2)
按数字信号的码元排列方法
串行传输：远距离数字通信 并行传输：近距离数字通信 发 送 设 备
1 0 1
接 收 设 备
发 送 设 备
. . .
接 收 设 备
实际通信系统：专线和通信网
25
5. 主要性能指标(1)
有效性： 可靠性： 信息论观点，有效性和可靠性常常是一对矛盾。 形成矛盾的根本原因：信道不理想 带宽、时间受限 噪声和干扰
10
2. 通信的发展简史(3)
1958年，发明第一块集成电路 1961年，FM立体声广播开播 1964年，第一台全电子电话系统问世 1972年，Motorola发明蜂窝电话 1976年，个人PC问世 1989年，“便携式”蜂窝电话问世 1990－，超大规模集成电路的大量使用，计 算机和通信正向着兼容互补的方向发展
20
业务网
电话网 移动电话网 IP电话网 数据通信网 智能网 N-ISDN B-ISDN
21
4.1 通信系统的分类(1)
根据信号特征 模拟通信系统 数字通信系统 根据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等 根据调制方式 基带传输： 频带传输： 根据传输媒介 有线传输 无线传输
22
4.1 通信系统的分类(2)
⎛ x1 , ⎜ ⎜ P ( ), ⎝ x1
x, P ( x ),
2 2
, ,
x P(xຫໍສະໝຸດ N⎞ N ⎟, ∑ P ( x i ) = 1 ⎟ ) ⎠ i =1 N
注：此处仅考虑无记忆信源。 连续信源的统计描述：
⎡ X ⎤ ⎡ x ∈ ( a, b) ⎤ ⎥ ⎢ P( x)⎥ = ⎢ p ( x) ⎦ ⎣ ⎦ ⎣
通信：交流，传递消息；信息的传输与交换
消息——文字、图象、符号、声音…. 信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而 来，是与消息对应的某种物理量，通常是时间 的函数，例如随着时间变化的电压(电流)。 通信系统中传送的是信号.
通信是一种产业，它生产的是一种信息在空 间转移的效应
8
2. 通信的发展简史(1)
11
3. 通信系统的组成(1)
通信系统模型
信息 源 发送 设备 传输 媒介 接收 设备 受信 者
噪声 源
12
3. 通信系统的组成(2)
模拟通信和数字通信
模拟(连续)消息：状态连续变化，例如语音，图像 数字(离散)消息：状态可数或离散，如符号，文 字，数据 模拟信号：载荷消息的电参量连续取值 数字信号：载荷消息的电参量离散取值 模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话 数字通信系统：信道中传输数字信号，例如电报
根据信号复用方式
频分复用(FDM) 时分复用(TDM) 码分复用(CDM)
23
4.2 点到点的通信方式(1)
按消息传送方向与时间关系
单工：遥测、遥控、寻呼 半双工：无线电对讲机(同一载频) 全双工通信：电话 发送端 发送端 信道 接收端 发送端 接收端 信道 信道 接收端 接收端 发送端
24
信道
接收端 发送端
…xL)
35
消息（符号）序列信源的统计描述(2)
离散序列信源可分为无记忆与有记忆两类 ( 1 ）离散无记忆序列信源 序列中的前后符号相互统计独立时称为无记忆，这时消 息序列的L维联合概率为
P( x1
xL ) = ∏ P ( xl )
l =1
L
( 2 ）离散有记忆序列信源 前、后符号间不满足统计独立的条件,描述较困难，特别 是序列符号间记忆长度L 很大时，需全部记忆区域内L 维的概率统计特性。 实际往往作简化，序列中任一个符号仅与前面一个符号 有直接统计关联，或者推而广之，消息序列中K 个符号 组成的一个消息状态仅与前面K 个符号组成的前一消息 状态有直接统计关联时，称该信源为一阶马氏链信源。
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7 . 3 信息嫡H ( X )