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樊昌信《通信原理》（第7版）笔记和课后习题（含考研真题）详解试读：
第1章 绪 论
1.1 复习笔记
一、通信的基本概念
1通信的发展（1）通信的概念
通信是发送者（人或机器）和接收者之间通过某种媒体进行的信息传递。（2）通信的发展历程
①1837年，莫尔斯发明有线电报。
②1876年，贝尔发明电话。
③1918年，调幅无线电广播问世。
④1936年，商业电视广播开播。
⑤1983年，蜂窝状移动通信网（蜂窝网）在美国投入商业使用。
⑥1983年，美国国防部将阿帕网分为军网和民网，后者逐渐发展为今天的因特网。
2．消息、信息与信号（1）消息
①消息的定义
消息是指通信系统传输的对象，它是信息的载体。
②消息的分类
连续消息：消息的状态连续变化或不可数，如语音、温度数据等。
离散消息：消息具有可数的有限个状态，如符号、文字、数字数据等。（2）信息
①信息的定义
信息是消息中所包含的有效内容。
②信息与消息的关系
消息是信息的物理表现形式，而信息是消息的内涵。（3）信号
①信号的定义
信号是消息的传输载体。
②信号的分类
a．模拟信号
模拟信号是指载荷消息的信号参量取值是连续（不可数、无穷多）的信号。
b．数字信号
数字信号是指载荷消息的信号参量只有有限个取值的信号。（4）消息、信息和信号的关系
①消息是信息的物理形式；
②信息是消息的有效内容；
③信号是消息的传输载体。
二、通信系统模型
1通信系统一般模型图1-1 通信系统一般模型（1）信息源
①信息源的作用
把各种消息转换成原始电信号。
②信息源的分类
a．模拟信源
模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒、摄像机。
b．数字信源
数字信源输出离散的数字信号，如电传机、计算机等各种数字终端。（2）发送设备
①发送设备的作用
a．产生适合在信道中传输的信号；
b．使发送信号特性和信道特性相匹配；
c．使发送信号具有抗信道干扰的能力；
d．使发送信号具有足够的功率以满足远距离传输的需要。
②发送设备的内容
包含变换器、放大器、滤波器、编码器、调制器、多路复用器等过程。（3）信道
①信道的定义
信道是一种将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。
②信道的分类
无线信道和有线信道。
③信道的作用
信道传输信号的通路，并对信号产生各种干扰和噪声。（4）噪声源
噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。（5）接收设备
①接收设备的作用
从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。
②接收设备的功能
a．将信号放大和反变换。
b．对于多路复用信号，解除多路复用，实现正确分路。
c．尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。（6）信宿
①信宿的定义
信宿是传送消息的目的地。
②信宿的作用
把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。
2．模拟通信系统模型图1-2 模拟通信系统模型（1）模拟信源与信宿
①模拟信源的作用
模拟信源把连续消息变换成原始电信号，即基带信号。
②模拟信宿的作用
模拟信宿将基带信号变换为连续消息。
③基带信号
a．基带信号的定义
基带信号是从信源发出或送达信宿的信号的基本频带信号。
b．基带信号的基本特性
频谱通常从零频附近开始。
c．基带信号的实例
语音信号的频率范围为300Hz～3400Hz；
图像信号的频率范围为0～6MHz。（2）调制器与解调器
①调制器的作用
把基带信号变换成适合在信道中传输的信号。
②解调器的作用
将信道中传输的已调信号变换为基带信号。
③已调信号
定义：经过调制以后的信号。
基本特征：携带有信息；其频谱通常具有带通形式，又称带通信号。
3．数字通信系统模型图1-3 数字通信系统模型（1）信源编码与译码
①信源编码的作用
a．提高信息传输的有效性，即通过某种压缩编码技术减少码元数目以降低码元速率。
b．完成模/数转换，即实现模拟信号的数字传输。
②信源译码的作用
信源译码是信源编码的逆过程，解压缩恢复原始码元，完成数/模转换恢复模拟信号。（2）信道编码与译码
①信道编码
信道编码的作用是进行差错控制，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（监督码元），组成“抗干扰编码”。
②信道译码
信道译码是指信道译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现或纠正错误以提高通信系统的可靠性。（3）加密与解密
①加密的定义
加密是人为地将被传输的数字序列扰乱加上密码的处理过程。
②解密的定义
解密是在接收端与发送端处理过程相反的用来恢复原来信息的处理过程。（4）数字调制与解调
①数字调制
a．数字调制的作用
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带通信号。
b．数字调制的基本方式
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）。
②数字解调
a．数字解调的作用
从数字带通信号中还原出数字基带信号。
b．数字解调的基本方式
相干解调、非相干解调。（5）同步
①同步的作用
使收发两端的信号在时间上保持步调一致。
②同步的分类
按照同步的功用不同，分为载波同步、位同步、群（帧）同步和网同步。
4．数字通信的特点（1）优点
①抗干扰能力强，且噪声不积累；
②传输差错可控；
③便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；
④易于集成，使通信设备微型化，重量减轻；
⑤易于加密处理，保密性好。（2）缺点
①需要较大的传输带宽；
②对同步要求高，系统设备复杂。
三、通信系统分类与通信方式
1通信系统的分类（1）按通信业务分类
根据通信业务的类型不同，分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。（2）按调制方式分类
根据传输的信号是否经过调制，分为基带传输系统和带通传输系统。（3）按信号特征分类
按传输的信号是模拟信号还是数字信号，分为模拟通信系统和数字通信系统。（4）按传输媒质分类
按传输媒介的不同，分为有线通信系统（导线作为传输媒质完成通信）和无线通信系统（依靠电磁波在空间传播完成通信）。（5）按工作波段分类
按通信设备的工作频率或波长不同，分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等。（6）按信号复用方式分类
按信号复用的方式不同，分为频分复用、时分复用、码分复用、波分复用、空分复用等。
①频分复用
频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。
②时分复用
时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间。
③码分复用
码分复用是用正交的编码分别携带不同信号。
④波分复用
波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号经复用器汇合在一起并耦合到光线路中同一根光纤中进行传输。
⑤空分复用
空分复用是指让同一个频段在不同的空间内得到重复利用。
2．通信方式（1）通信方式的定义
通信方式是指通信双方之间的工作方式或信号传输方式。（2）通信工作方式的分类
对于点对点的通信，按消息传递的方向与时间的关系可分为单工、半双工和全双工通信。
①单工通信
单工通信是通信双方中只有一个可以进行发送，另一个只能接收的单方向传输的工作方式。
②半双工通信
半双工通信是通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。
③全双工通信
全双工通信是通信双方可同时收发消息的工作方式。（3）通信传输方式的分类
在数据通信中，按数据码元传输方式不同可分为并行传输和串行传输。
①并行传输
a．并行传输的定义
并行传输是指将代表信息的数字码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。
b．并行传输的特点
优点：节省传输时间，速度快。
缺点：需多条通信信道，成本高。
c．并行传输的示意图图1-4 并行传输
d．并行传输的应用
一般只用于设备之间的近距离通信。
②串行传输
a．串行传输的定义
串行传输是指将数字码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输。
b．串行传输的特点
优点：只需一条通信信道，所需线路铺设费用低。
缺点：速度慢，需外加同步措施以解决收、发双方码组或字符的同步问题。
c．串行传输的示意图图1-5 串行传输
d．串行传输的应用
应用于远距离数字传输通信。
四、信息及其度量
1信息量的定义
假设P(x)表示消息发生的概率，I表示消息中所含的信息量，则消息x所含的信息量为
2．信息量的单位
信息量单位和公式（1-1-1）中对数的底a有关。（1）比特单位
若a＝2，则信息量的单位为比特（bit），简记为b。
通常广泛使用的单位为比特，这时有（2）奈特单位
若a＝e，则信息量的单位为奈特（nat）。（3）哈特莱单位
若a＝10，则信息量的单位为哈特莱（Hartley）。
3．信息量的计算（1）等概率离散信号信息量
对于离散信源，M个波形等概率（P＝1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为（2）非等概率离散信号信息量
①信息源的熵的定义
设离散信源是一个由M个符号组成的集合，其中每个符号x（i＝i1，2，3，…，M）按一定的概率P(x)独立出现。则平均信息量为i
②信息源的熵的性质
当P(x)＝1／M（每个符号等概率独立出现）时，信源的熵有最i大值。（3）连续信号信息量
假设f(x)为连续消息出现的概率密度，则连续消息的平均信息量为
五、通信系统主要性能指标
1有效性（1）有效性的定义
有效性是指传输一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率。（2）有效性的度量
①模拟通信系统中的度量
传输同样的信源信号，所需的传输带宽越小，频带利用率越高，有效性越好。
②数字通信系统中的度量
a．频带利用率
频带利用率是单位带宽（每赫）内的传输速率，即
或
b．码元传输速率RB
码元传输速率是单位时间（每秒）传输码元的数目，单位为波特（Baud），简称传码率。
c．信息传输速率Rb
信息传输速率是单位时间内传输的平均信息量，单位为比特／秒（b／s），简称传信率。
2．可靠性（1）可靠性的定义
可靠性是指传输信息的准确程度。（2）可靠性的度量
①模拟通信系统中的度量
通常用接收端输出信号与噪声功率比（S／N）来度量，它反映了信号经传输后的“保真”程度和抗噪声能力。
②数字通信系统中的度量
a．误码率Pe
误码率是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，即
b．误信率Pb
误信率是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例，又称误比特率，即
1.2 课后习题详解
思考题1-1 以无线广播和电视为例，说明教材图1-3模型中信源、信宿及信道包含的具体内容是什么？
答：（1）在无线电广播中
①信源：从声音转换而成的原始电信号。
②信宿：从复原的原始电信号转换成的声音。
③信道：载有声音和影像的无线电波。（2）在电视系统中
①信源：从影像转换而成的电信号。
②信宿：从复原的原始电信号转换成的影像。
③信道：载有声音和影像的无线电波。
1-2 何谓数字信号？何谓模拟信号？两者的根本区别是什么？
答：（1）数字信号是指载荷消息的信号参量仅有有限个取值的信号；模拟信号是指载荷消息的信号参量取值为连续（不可数、无穷多）的信号。（2）两者的根本区别在于载荷消息信号参量的取值是连续的还是离散可数的。时间域上的连续与否不能作为区分模拟信号和数字信号的标准。
1-3 何谓数字通信？数字通信有哪些优缺点？
答：（1）数字通信是指利用数字信号来传递信息的一种通信系统。其中主要有信源编码与译码、数字调制与解调、同步以及加密与解密等组成部分。（2）数字通信的优缺点：
①优点：
a．抗干扰能力强，且噪声不积累。数字通信特有的抽样判决再生的接收方式使得其拥有较强的抗干扰能力。
b．传输差错可控。在数字通信系统中，可通过信道编码技术进行检错与纠错，降低误码率，提高传输质量。
c．易于加密处理，且保密性好。
d．便于存储、处理和交换；数字通信的信号形式和计算机所用的信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储，处理和交换，可使通信网的管理，维护实现自动化，智能化。
e．易于集成，使通信设备微型化，重量减轻。
f．便于构成综合数字网和综合业务数字网。采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。
②缺点：可能需要较大的传输带宽。
1-4 数字通信系统的一般模型中各组成部分的主要功能是什么？
答：数字通信系统的一般模型中各组成部分的主要功能是：（1）信源编码与译码功能是提高信息传输的有效性和进行模数转换；（2）信道编码和译码功能是进行差错控制，从而增强数字信号的抗干扰能力；（3）加密与解密的功能是保证传输信息的安全；（4）数字调制和解调功能是把数字基带信号搬移到高频处以便在信道中传输；（5）同步的功能是在首发双方时间上保持一致，保证数字通信系统的有序，准确和可靠的工作。
1-5 按调制方式，通信系统如何分类？
答：按调制方式，通信系统分为：（1）基带传输系统。基带传输系统是将未经调制的信号直接传送，如市内电话、有线广播，一般的无线传输很少用到基带传输系统。（2）带通传输系统。带通传输是对各种信号调制后输出的信号。带通传输系统的应用非常广泛，无线传输领域基本上都是利用带通传输系统。
1-6 按传输信号的特征，通信系统如何分类？
答：按传输信号的特征，通信系统分为：（1）模拟通信系统。模拟通信系统是指系统信道中所传输的信号为模拟信号的通信系统。（2）数字通信系统。数字通信系统是指系统信道中所传输的信号为数字信号的通信系统。
1-7 按复用方式，通信系统如何分类？
答：按复用方式，通信系统分为：（1）频分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。（2）时分复用。时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间。（3）码分复用。码分复用是用正交的编码分别携带不同的信号。
1-8 单工、半双工及全双工通信方式是按什么标准分类的？解释它们的工作方式并举例说明。
答：（1）单工、半双工及全双工通信方式是按照消息传递的方向与时间关系分类的。（2）工作方式：
①单工通信是指消息只能单向传输的工作方式，通信双方只有一个进行发送，另一个只能接受，如广播，遥测，无线寻呼等。
②半双工通信是指通信双方都能进行收发信息，但是不能同时进行收发的工作方式，如使用同一载频的普通对讲机、问询及检索等。
③全双工通信是指通信双方能同时进行收发消息的工作方式，如电话和计算机之间的高速数据通信等。
1-9 并行传输和串行传输的适用场合及特点？
答：（1）并行传输和串行传输的适用场合分别为：
①并行传输一般适用于设备之间的近距离通信。比如一般的计算机内部通信。
②串行传输一般适用于远距离传输。普通的通信系统都是采用串行传输。（2）并行传输和串行传输的特点分别为：
①并行传输
a．优点：传输速度快，节省时间，无需附加设备就能实现收发双方字符同步。
b．缺点：需要多条通信线路，成本高。
②串行传输
a．优点：只需一条通信线路，成本低。
b．缺点：传输速度慢，需要外加同步措施解决收发双方码组或字符同步。
1-10 通信系统的主要性能指标是什么？
答：通信系统的主要性能指标是有效性和可靠性。有效性是指一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率；可靠性是指传输信息的准确程度。
1-11 衡量数字通信系统有效性和可靠性的性能指标有哪些？
答：（1）衡量数字通信系统的有效性的性能指标：码元传输速率和频带利用率。传输同样的信源信号，所需的传输带宽越小，频带利用率越高，有效性越好；传输同样的信源信号，所需的时间越少，即码元传输速率越大，则有效性越高。（2）衡量数字通信系统的可靠性的性能指标：差错概率。差错概率常用误码率和误信率表示。误码率是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输过程中被传错的概率；误信率又称误比特率，是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例。
1-12 何谓码元速率和信息速率？它们之间的关系如何？
答：（1）码元速率（R）是指每秒钟传送码元的数目，单位为B波特；信息速率（R）是指每秒钟传送的平均信息量，单位是bit/s。b（2）码元速率与信息速率的关系为：R＝R㏒M（M进制码元携bB2带㏒M比特的信息量）。信息速率总是码元速率的整数倍。
2
1-13 何谓误码率和误信率？它们之间的关系如何？
答：（1）误码率和误信率的定义分别为：
①误码率是指码元在传输系统中被传错的概率，即错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，。
②误信率是指码元在传输系统中被丢失的概率，即错误接收地比特数在传输总比特数中所占的比例，。（2）误码率和误信率的关系：它们是描述差错率的两种不同表述。在二进制中，二者数值相等。
1-14 消息中包含的信息量与以下哪些因素有关？（1）消息出现的概率；（2）消息的种类；（3）消息的重要程度。
答：由信息论以及概率论可知，信息量的度量为
这种度量消息中信息量的方式必须能够用来度量任何消息，而与消息的种类无关。同时，这种度量方法也应该与消息的重要程度无关。因此消息中包含的信息量与（1）有关。习题
1-1 已知英文字母e出现的概率为0.105，x出现的概率为0.002，试求e和x的信息量。
解：e的信息量为
x的信息量为
1-2 设有四个符号，其中前三个符号的出现概率分别为1/4，1/8，1/8，且各符号的出现是相互独立的。试计算该符号集的平均信息量。
解：因为各符号的概率之和等于1，所以第四个符号的概率为1/2，故该符号集的平均信息量为
1-3 某信源符号集由字母A、B、C、D组成，若传输每一个字母用二进制码元编码，“00”代替A，“01”代替B，“10”代替C，“11”代替D，每个二进制码元宽度为5ms。（1）不同的字母是等可能出现时，试计算传输的平均信息速率；（2）若每个字母出现的可能性分别为
试计算传输的平均信息速率。
解：（1）由于每个二进制码元宽度为5ms，又一个字母由两个二进制码元组成，所以一个字母的持续时间为T＝2×5msB
则传送字母的符号速率为
故不同字母等可能出现时，传输的平均信息速率为（2）该信号源符号集的平均信息量为
故传输的平均信息速率为
1-4 一部电话机键盘上有10个数字键（0～9）。设发送数字1的概率为0.3，发送数字3和8的概率分别为0.14，发送数字2，4，5，6，7，9和0的概率分别为0.06，试求：（1）每键的平均信息量（熵）；（2）如果按键速率为2个/s，试计算传送的信息速率。
解：（1）每键的平均信息量为（2）由题可知，R＝2个/s，故传送的信息速率为BR＝R·H＝2×3.02＝6.04（b/s）bB
1-5 设某信源的输出由128个不同的符号组成。其中16个出现的概率为1/32，其余112个的出现概率为1/224。信源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立。试计算该信源的平均信息速率。
解：每个符号的平均信息量为
又已知符号速率R＝1000Baud，故平均信息速率为B
1-6 设二进制数字传输系统每隔0.4ms发送一个码元。试求：（1）该系统的信息速率；（2）若改为传送十六进制信号码元，发送码元间隔不变，则系统
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]