·课程名称：通信原理AI
·使用教材：赵蓉等．现代通信原理教程．北京：北京邮电大学出版社，2009
·主要参考书目：
[1] 樊昌信，等．通信原理（第6版）．北京：国防工业出版社，2007．
[2] 周炯槃，等．通信原理（第3版）．北京：北京邮电大学出版社，2008．
·本次课学习的主要章节：
1.1 通信的基本概念
1.2 通信系统和通信网
1.3 模拟通信系统和数字通信系统
1.4 信息及其度量
第1章绪论
1.1 通信的基本概念
(1) 通信的定义
通信就是信息的传输与交换。
通信的目的是传输消息中所包含的信息，从这个角度讲，通信就是把消息从一个地方传送到另外一个地方。
(2) 信息与消息
消息是信息的物理表现形式，而信息则是指消息中包含的有意义的内容（有效内容），并且信息是可以度量的，详见1.4节。
1.2 通信系统和通信网
一、通信系统的组成
(1) 通信系统的定义
通常将把实现通信所需的一切设备和传输媒质所构成的总体称为通信系统。
(2) 通信系统一般模型
图1.2.1概括的描述了一个点对点通信系统的组成，反映了通信系统的共性。
图1.2.1通信系统一般模型
图中各部分的功能如下：
·信息源：将各种可能的消息转换成电信号；
·发送设备：对信源所产生的原始电信号进行处理和变换，把它变换为适合信道传输的信号；
·信道：信号的传输通道，一般指传输媒质；
·接收设备：从接收信号中恢复出相应的原始电信号；
·受信者：将原始信号转换成相应的消息；
·噪声源：噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道所固有的，并且是人们所不希望的干扰源。
(3) 本课程学习的内容
今后对通信原理的学习都是围绕着通信系统模型展开的。
内容包括：首先，将通信系统分成两大类，即模拟通信系统和数字通信系统；然后针对不同的通信系统，采用不同的分析方法，分别讨论：
﹒在无噪声时信号经过通信系统传输的全过程（简称基本原理），如信号特性、发送设备和接收设备的组成和工作原理等；
二、通信网
当多点之间相互通信时，就需用交换设备将通信系统连接起来，组成通信网，如图
1.2.2所示。
图中，T为终端，圆圈代表具有转接功能的交换设备。
图1.2.2通信网模型
1.3 模拟通信系统和数字通信系统 一、通信系统的分类
(1) 按传输媒质分为：有线通信系统和无线通信系统 ·有线通信：电磁波沿导体传播； ·无线通信：电磁波沿空间传播。
(2) 按信道中传输的信号特征分为：模拟通信系统和数字通信系统
·模拟通信：信道中所传输的信号是模拟信号； ·数字通信：信道中所传输的信号为数字信号。
二、模拟通信系统
(1) 模拟通信系统模型
关于模拟通信系统，本教材第4章重点研究调制与解调原理。
因此，在图1.3.1给出的模拟通信系统模型中，着重突出了调制器与解调器的作用。
图1.3.1 模拟通信系统模型
(2) 调制与解调
调制的功能是将模拟信息源输出的原始电信号变换成其频率适合信道传输的信号，而解调则是调制的逆过程。
调制信号、原始电信号、基带信号 已调信号
()t ()m S t
三、数字通信系统
(1) 数字通信系统模型
在数字通信系统中，信道中传输的信号是数字信号。
数字通信系统的模型图1.3.2所示，因为数字通信涉及的内容很多，所以在图1.3.2中只例举了其中几项关键技术。
图1.3.2 数字通信系统模型
(2) 数字通信系统中的关键技术
①信源编码与译码
所谓信源编码（又称有效性编码）是指将原来不适于在数字通信系统内传输的信号变换为比较理想和有效的数字信号。
信源编码有两个基本功能：
·通过某种数据压缩技术设法减少码元数目以降低码元速率，因为码元速率决定传输所占的带宽，而传输带宽反映了通信的有效性，所以信源编码可以提高信息传输的有效性。
·将信息源输出的模拟信号转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。
本教材在第7章讨论这一内容。
②信道编码与译码
信道编码或差错控制编码又称可靠性编码，是为了改善数字通信系统的传输质量。
通过信道编、译码，以实现信道与通信系统在可靠性指标上的优化。
本教材在第10章介绍这部分内容。
③数字调制与解调
单纯从概念上看，数字调制和模拟调制实现的功能是相同的。
因此，把数字基带信号变换为数字已调信号的过程称为数字调制，而把从已调信号中还原出数字基带信号的过程称为数字解调。
数字调制是本课的重点内容之一，将在第6章中讨论。
本教材还有一些章节的内容也属于数字通信范畴，如第5章、第9章等。
四、数字通信的两个主要特点
·抗干扰能力强，且噪声不积累。
·一般来说，数字通信占用更宽的系统频带。
1.4 信息及其度量
一、信息与消息
·消息是信息的物理表现形式，例如：文字、语音、数据、图片、活动图像等等都是消息所具有的不同的表现形式。
·信息则是消息中有意义、有价值的部分。
二、信息量
日常生活中经常会接收和发送各种各样的消息，但每条消息中所包含的信息量是不同的。
例1: (1) 客机失事；
(2) 私家车追尾。
例2：(1) 高材生某某考上吉林大学；
(2) 高材生某某没考上吉林大学。
显然，根据常识直观地感觉出例1中(1)是新闻报导中的大事件，故信息量多；例2中(2)情况少见，听后使人惊奇，故表明信息量大。
用统计学的术语来描述，则出现概率小的事件信息量多，即
·信息量应该是概率的单调减函数；
·信息量还应具有可加性。
因此，信息量I定义为
()
()1
l o g l o g a
a I P x P x ==- ( 1.4.1 ) 式中，()P x 是消息所示事件x 出现的概率。
信息量的单位与所用对数的底有关：
三、熵
熵是消息系列整体的平均信息量。
假设离散信源是一个由M 个符号组成的集合，其中每个符号i x ()1,2,3,,i M = 按一定的概率()i P x 独立出现，即
()
()()1
212M M x x x P x P x P x ⎡⎤⎢⎥⎣⎦ ,且有()1
1M
i
i P x ==∑
则12,,M x x x 所包含的信息量分别为
()()121l o g x P x I -=，()()222log x P x I -=，…，()()M M x P x I 2log -= 于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为 ()()()()()()1122()M M H x P x I x P x I x P x I x =+++
[][][]121222M 2M ()log ()()log ()()log ()P x P x P x P x P x P x =-+-++- M
2
1
()log
()i
i i P x P x ==-
∑ （bit/符号） ( 1.4.2 )
由于H 同热力学中的熵形式相似，故通常又称它为信息源的熵。
可以证明：式( 1.4.2 )在()1/M i P x = ()1,2,,i M = ，即每个符号等概率独立出现时，信源的熵有最大值。
例如，对于离散二进制信源，且以相等的概率发送数字“0”或“1”时，信源每个输出的信息含量为
()221
(0)(1)log log 211/2
I I bit ==== ( 1.4.3 )
在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1bit 。
当离散二进制信源发送“0”或“1”的概率不等时，信源每个输出的平均信息量将小于1bit 。