第1章 通信原理 黄葆华

此，点与点之间建立的通信系统是通信的最基本形式，也是
研究其它较复杂系统的基础。 作为一门科学、一种技术，现代通信所研究的主要问题 就是如何大量、快速、准确、广泛、方便、经济、安全地传 递信息，“通信原理”就是介绍支撑各种通信系统的基本概
念、基本原理、基本技术以及数学模型的一门学科。
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1.1.2 通信系统的基本模型 图1.1.2所示的是通信系统的基本模型，包括信源、发送设 备、信道、接收设备、信宿和噪声源6个部分，是一般通信系统 的高度概括。下面简单说明其中各部分的作用。 信源即原始电信号的来源，其主要作用是将消息转换成相 应的电信号。常见的信源设备有：电话机、摄像机、计算机等。 这种直接由消息转换得到的电信号通常称做基带信号，也叫原 始信号。它们有一个很重要的特点，就是信号的主要功率或能 量大多集中在低频段，也就是说基带信号的频率比较低，如话 音基带信号的频率范围一般在300～3400 Hz之间，电视图像信 号的频率在0～6 MHz范围之内。由计算机等设备转换所得的原 始数据信号的频率范围与码元传输速率有关，其最低频率也是 非常低的。
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(3) 按通信终端之间的联系方式可分为两点间直通方式和交 换方式。直通方式是通信双方直接用专线连接，而交换方式则必 须经过一个称为交换机的设备才能联系起来，如电话系统。 (4) 按数字信号传输的顺序，在数据通信中(主要指计算机通 信)，通信方式又有串行通信和并行通信之分。 (5) 按同步方式的不同，又分为同步通信和异步通信。 事实上，一种通信方式往往具有多类性，比如广播电视既是
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由上面的介绍可知，虽然数字通信与模拟通信相比具有一系 列的优点，然而这是以占据较宽的信道频带为代价的。考虑到数
字通信和模拟通信各自的优缺点，可以预计，在最近若干年内，
模拟通信和数字通信这两种通信方式还会同时存在。当频带十分 紧张而对通信质量没有特殊要求时，仍将沿用模拟通信。而当有
待传输的数据量较多，传输可靠性和保密性要求较高时，往往宁
根据信道传输的信号种类的不同，通信系统可以分为两大类：
模拟通信系统和数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为 模拟通信系统，如目前的民用广播系统。信道中传输数字信号的 系统称为数字通信系统，如数字电话系统。
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2. 以传输媒质分类 消息从一地传至另一地要通过一定的传输媒质。按传输媒
质的不同，通信可以分为两大类：有线通信和无线通信。
号。
根据通信系统中所传送信号的类型，把通信系统分成模拟 通信系统与数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模
拟通信系统，信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。
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需要说明的是，模拟通信与数字通信是按照信道中所传送 信号的差异来区分的，而不是根据信源输出的信号划分的。因 为，数字通信系统也可以用来传送模拟信号，只不过在发送端 需要先把模拟信号变换成数字信号(这种变换称为模／数转换， 即A/D转换)，然后用数字通信方式进行传输。当然，在这种系 统中，接收端需要把数字信号再变换成模拟信号(这种变换称为 数／模转换，即D/A转换)，最后就可以还原成原始的模拟信号。
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1.1.3 模拟与数字通信 在通信系统中待传输的消息其种类是多种多样的，它可以 是符号、文字、语声、图像等。然而，所有不同的消息，都可 以被归结成两类：数字消息(离散消息)和模拟消息(连续消息)。 消息的状态是可数的或离散型的，比如符号、文字或数据等，
称为数字消息。消息的状态是连续变化的，例如，强弱连续变
动电话系统结构简图。其中，移动用户与基站之间是无线
传输方式； 基站与移动电话交换局之间，以及移动电话交 换局与移动电话交换局之间的传输媒质可能是光纤或电缆； 长途交换网之间的传输信道可以是光纤信道、卫星信道和 微波接力信道。
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图1.1.1 公共电话系统和移动电话系统结构简图
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不论一个通信系统有多么复杂，从两个用户之间的一次 通信过程来看，都可以看成一个点到点之间的通信系统。因
化的语声， 亮度连续变化的图像等，称为模拟消息。 信息与消息严格地说是两个既紧密联系又有所区别的概念，
信息可以理解为消息中所包含的对受信者有意义的内容。传输
和交换消息，有时也称为传输和交换信息，按照信息论的观点， 在进行有意义的通信时，传输了消息就是传输了信息，基于此，
本书对消息和信息不作严格区分，两者可以混用。
样表示并不影响通信过程中主要问题的研究，而且可以给分析 问题带来许多方便。
由于经信道传送到接收端的信号是除有用信号外叠加有噪
声的混合信号，因此接收设备的主要作用是从接收到的混合信 号中，最大限度的提取有用信号，抑制噪声，以便恢复出原始 信号。
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信宿即原始信号的最终接收者。它的作用是把接收设备恢
结构是否发生变化，又可分为线性调制和非线性调制系统。
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1.2.2 通信的方式 通信方式是指通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传 输方式，它是通信各方在通信实施之前首先要确定的问题。根 据不同的标准，通信方式有多种分类方法。 (1) 按通信对象的不同，通信方式可分为点到点通信(即通 信是在两个对象之间进行)，点到多点通信(一个对象和多个对 象之间的通信)和多点到多点通信三种(多个对象和多个对象之
质。目前常用的信道有双绞线、电缆、光纤等有线信道，以及
短波电离层反射信道、超短波无线电中继信道、卫星中继信道 等无线信道。
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信号在信道中传输时，不可避免地会混入噪声。此外，通 信系统的其它各部件也会产生噪声。图1.1.2中的噪声源模块是
信道中的噪声和通信系统其它部件所产生噪声的集中表示。这
航模(点到点)、寻呼等也均属此类通信。 半双工通信(half-duplex)：在任何一个时刻，信号只能单向
传输，或从甲方到乙方，或从乙方到甲方，每一方不能同时收发
信息，比如对讲机、收发报机，以及问询、检索等之间的通信。 双工通信(full-duplex)：在任何一个时刻，信号能够双向传输，
每一方都能同时进行收信和发信工作。比如普通电话、手机等。
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1.1 通信的概念及系统模型 1.2 通信系统的分类及通信方式 1.3 信息的度量及香农公式 1.4 通信系统的主要性能指标
1.5 通信的发展过程
本章小结 习题
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1.1 通信的概念及系统模型
1.1.1 通信的概念 从广义上讲，通信就是将消息从一个地方传递到另一个 地方。实现通信的方式很多，古代的烽火台、鸣金击鼓，现 在的信函、电报、电话、传真、电视等，均属于通信的范畴。 邮政通信和电通信的主要区别在于邮政通信传递的是实物信 息，而电通信传递的是电信号。随着现代科学技术的发展， 人们对传送消息的要求越来越高，在各种各样的通信方式中，
电通信的使用越来越广泛。这是因为，电通信能使消息在几
乎任意的通信距离上实现迅速而可靠的传送。通信原理课程 研究的就是电通信。
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实现消息传递所需的一切设备、传输媒质和通信协议 的总和称为通信系统。从现代通信系统的构成来看，一个
通信系统的技术设备可能非常多，拥有成千上万的用户终
端，而且在系统内部的不同环节，其传输媒质和信号传输 方式也可能有所不同。图1.1.1所示的是公共电话系统和移
复出来的原始电信号转换成相应的消息，如通过扬声器将话音
信号转换成声音；通过荧光屏将电视信号转换成电视图像等。 信宿可以是人，也可以是包括计算机在内的各种终端设备。 图1.1.2概括地描述了通信系统的组成，反映了通信系统的 共性，通常把它称为通信系统的基本模型。在今后的学习中， 根据所要研究的对象和所关心的问题的不同，还会得出比较具 体的其它形式的通信系统模型。对通信系统原理的研究，通常 就是以通信系统的模型为基础而展开的。
根据传输的信号是否经过调制，通信系统可分为基带通信系
统和频带通信系统。信道中传输基带信号的通信系统称为基带通 信系统(简称基带系统)。信道中传输已调制信号的通信系统称为 频带通信系统(简称频带系统)。在基带系统的发送设备中，不需 对基带信号进行调制，而是将经过放大、滤波等处理后的基带信 号直接送入信道传输。在频带系统的发送设备中，需要对基带信 号进行调制，变换成已调制的频带信号，再送入信道传输。 4. 以通信业务分类
取值有限，因此，在有噪声的情况下，接收端易于识别。尤其在 远距离传输过程中，各中继站可以对数字信号波形进行整形再生 而消除噪声的积累。此外，还可以采用各种差错控制编码方法， 使抗噪声性能进一步得到提高。
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(2) 便于使用现代计算机技术对所传输的信息进行处理，接 口问题也容易解决。 (3) 数字信号易于进行加密，有利于实现通信保密。 (4) 数字通信可以传递各种消息，使通信系统变得通用、灵
活。
(5) 数字通信系统中绝大部分部件采用数字电路，而近年来， 由于生产技术的迅速发展，大规模集成电路已被广泛应用，因
而数字通信设备容易做到体积小，功耗低，制造简单，可靠性
高。 数字通信的主要缺点是它所占用的系统带宽要比模拟通信
的宽。以电话为例，一路模拟电话通常占据4 kHz带宽，而一路
数字电话可能要占据20~60 kHz的带宽。
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电信号(简称为信号)是与消息一一对应的电参量。它是消息 的物质载体，为了实现消息的传输与交换， 消息通常被寄托在 电信号的某一参量上(如电信号的幅度、频率和相位等)。如果电 信号的参量携带离散消息，则该参量必将取有限个数值，这样 的信号称为数字信号。如果电信号的参量携带着连续消息，则 该参量必将是连续取值的，这样的信号称为模拟信号或连续信
可牺牲一些系统带宽而采用数字通信。当然，在诸如毫米波通信、 光通信等频带资源丰富的通信系统中，无疑应选择数字通信方式。 模拟通信系统和数字通信系统的基本原理框图，将在后面的 相关章节中介绍。
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1.2 通信系统的分类及通信方式
1.2.1 通信系统的分类 通信系统从不同的角度有不同的分类方法。 1. 以信道传输的信号特征分类
间的通信)。
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(2) 按信号的传输方向和传输时间的不同，两点之间的通信 方式可分为单工通信、半双工通信和双工通信。 单工通信(simplex)：在任何一个时刻，信号只能从甲方向乙 方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信。比如广播电台与收
音机、电视台与电视机之间的通信(点到多点)。另外，遥控玩具、
按通信业务的不同，通信系统可分为电话通信系统、电报通
信系统、电视通信系统、数据通信系统等。
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5. 以工作波段分类 按使用的波长不同，通信系统可分为长波通信系统、中波通 信系统、短波通信系统和微波通信系统等。 6. 以调制方式分类 常规的通信系统根据载波是正弦波还是周期脉冲信号分为连 续波调制和脉冲调制。根据基带信号是模拟信号还是数字信号， 可分为模拟调制系统、数字调制系统等。根据调制后信号的频谱
这种通信方式通常称为模拟信号的数字化传输。
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目前，不论是模拟通信还是数字通信，在实际的通信业务中 都得到了广泛的应用。不过，近年来随着数字通信的迅速发展， 数字通信在整个通信领域中所占的比重日益增长。与模拟通信相 比，数字通信有许多优点，归纳起来主要有以下几点：
(1) 抗噪声性能好。数字通信传送的信号是数字信号，它的
有线通信使用导线作为传输媒质。这里的导线可以是架空 明线、各种电缆、波导以及光导纤维等。市话系统、闭路电视、 普通的计算机局域网等都是有线通信系统。 无线通信则不需要架设导线，而是利用无线电波在空间的 传播来传送消息。广播、移动电话、卫星通信等都是无线通信 系统。
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3. 以传输的信号是否经过调制分类
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图1.1.2 通信系统的基本模型
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发送设备对信源所产生的原始电信号进行各种加工处理和 变换，使它适合在信道中传输。不同通信系统中，发送设备对 信源输出信号的处理方式不同，所以发送设备所包含的部件也 不同。如在无线通信系统中，发送设备需要由调制器、振荡器、 放大器、滤波器等部件组成。而在数字基带传输系统中，发送 设备则由码型变换器和波形变换器组成。但不管进行什么样的 处理，目的只有一个：使信源输出的信号适合在信道上传输。 信道就是发送设备和接收设备之间用于传输信号的传输媒