《通信原理》結閤“信息論與編碼”和“通信原理”兩部分內容，沿著以信息理論作為理論指導，以通信係統作為應用實現的思路撰寫。《通信原理》介紹瞭模擬通信係統和數字通信係統的特性、關鍵技術和應用。主要內容包括信源的描述、信號和噪聲分析、信息的度量、信源編碼、模擬調製技術、數字信號的基帶傳輸、模擬信號的數字傳輸、數字調製技術、同步原理、信道和信道編碼定理、**接收、信道編碼、多路復用與多址技術等。在編寫過程中注重語言描述通俗易懂，原理闡述深入淺齣，邏輯推理嚴謹簡潔，並配閤豐富的應用實例。力圖將經典理論的研究成果與現代通信的實際應用相結閤。本《通信原理》每章都有小結和習題或思考題。

作者介紹

文摘

章緒論
通信原理是在信息理論的指導下不斷發展的一門科學。信息論是為瞭解決噪聲與乾擾中的通信問題而誕生的一門科學。信息理論的不斷發展對通信係統的設計及通信技術的實現起著越來越重要的作用。
信息論的創始人是美國的數學傢香農(Shannon，1916-2001)。信息理論利用概率論、過程和數理統計等數學方法來研究信息的存儲、度量、編碼、傳輸和處理。目前已逐步滲透到經濟、管理和社會的各個領域，産生一般信息論、廣義信息論等分支。
通信係統是指將信息從信源傳送到信宿的電子係統。信息可以是數字消息或模擬消息。數字消息通常是指幅度或時間上離散的序列，而典型的模擬消息則是一個時間連續的波形。數字通信係統代錶著通信係統的方嚮，係統設計的目標是在成本、功耗和復雜度限製條件下，設計和構建錯誤傳輸概率盡可能低的通信係統。
本章從通信與信息的關係著手，分析消息、信號、信息、通信的關係，並給齣通信係統的基本架構。
1.1通信與信息的基本概念
通信的目的是傳遞消息，而信息是消息中包含的有意義的內容，消息是信息的載體。信息是用於交流的，如果不交流，信息就沒有意義。從這個角度看，信息和通信密不可分。
通常將語言、文字、圖像、數據等統稱為消息。消息是客觀存在的，它的傳遞需要藉助載體，如記錄文字的紙，記錄語音、圖像和數據的光盤等。如果載體是電、磁、光等，則將這種消息的載體稱為信號，它使無形的消息具體化。
1.1.1信號、信息與通信
從古代的烽火狼煙到近現代的航海旗語、交警手勢，以及現代的電話、電視等，都是傳遞消息的方式，因此都可以稱為通信，但是現代的通信通常特指“電通信”，即以電信號作為載體進行信息的傳遞。
信號理論是一門通過時域、頻域及其他變換域來研究信號的波形、頻譜等特徵的科學。
在有意義的通信中，雖然消息的傳遞意味著信息的傳遞，但對接收者而言，信源發齣的消息可能是已知的，也可能是未知的，可能是有用的，也可能是無用的，也就是說，某些消息可能比另外一些消息能夠傳遞更多的信息。此外，人的主觀因素也會影響到對消息的判斷。對這些問題的進一步研究就産生瞭信息理論的各種分支，如廣義信息理論等。
通信的任務是快速、準確地傳遞信息。因此，從研究消息傳輸的角度而言，有效性和可靠性是評價通信係統優劣的*主要的兩個性能指標。
一方麵，消息中通常包含大量的冗餘，在送入信道傳輸之前，通常需要先進行一些去除多餘度的處理，從而提高通信的有效性。信源編碼的主要任務是解決通信的有效性問題。
另一方麵，消息在傳輸過程中通常會引入各種乾擾或噪聲，從而使接收到的消息與發送的消息産生誤差，這就要求信宿能夠對接收到的消息進行判斷、糾正和恢復，從而提高通信的可靠性。信道編碼的主要任務是解決通信的可靠性問題。
通信係統的有效性和可靠性是一對矛盾。信息理論*初是從解決這一對矛盾入手的，逐步發展成為一門新興學科，即信息科學。
1.1.2信息的本質與特徵
概括地說，通信係統傳輸的是信號，信號是消息的載體，消息中的未知成分是信息。消息、信號和信息密不可分。事實上，如果接收方(信宿)事先完全知道信源發齣的消息是什麼，這種通信就失去瞭意義。因此人們更感興趣的是消息中所包含的未知或者不確定的成分，這種成分就是包含在消息中的信息。
信息論的創始人香農把信息看作“一種解除不確定性”的量，用所解除的不確定性的程度來錶示信息量的多少。因此，信息論中的信息，就是指被解除的不確定性。從這個角度看，信息和信息量是同一個概念。即在信息論中，信息量公式就是對信息*明確的定義。
香農的狹義信息論從通信的角度將信息定義為人們對事物瞭解的不確定性的消除或減少。因此，在無乾擾的理想情況下，信源發齣的信號與信宿接收的信號一一對應。
信息具有如下特徵。
(1)不確定性。這是信息的*基本屬性。對於接收消息的一方，消息從未知到已知，等效為不確定性元素的減少。由此，可以利用概率論和過程來描述信息的傳輸。
(2)可度量性。這也是信息的基本屬性之一，它使信息可以進行比較。
(3)其他屬性。包括可識彆性、可轉換性、可傳遞性、特定範圍有效性、可擴充性、主客體二重性及能動性。需要指齣的是，信息受主觀和客觀雙重因素的影響，這使它既具有能量和物質的某些屬性，又不同於能量。
1.2信息論與信息科學
1.2.1信息論與信息科學
信息的上述特徵使人們可以運用概率論與數理統計來研究信息傳輸和處理中的一般規律。需要解決的核心問題是信息傳輸的有效性和可靠性以及兩者之間的關係。
香農在1948年和1949年分彆發錶瞭Themathematicaltheoryofmunication和Communicationinthepresenceofnoise兩篇文章，提齣瞭信息及其度量、信息特徵、信息傳輸速率、信道容量即信息在信道中的傳輸極限、乾擾對信息傳輸的影響、在允許失真的條件下信息的進一步壓縮等問題，成為信息論誕生的標誌。在香農信息論中，信息量、信道容量、熵、香農的3個定理、香農公式等明確迴答瞭這些問題。
下麵舉一個例子來進一步理解信息的本質和特徵。
某人某日收到兩條消息：一條是2015年12月22日將進入鼕至；另一條是2030年9月15日一顆小行星將撞擊地球。
顯然，這兩個事件齣現的概率有很大的不同。**條是必然事件，如果此人事先已有這方麵的知識，則這條消息並沒有給他帶來信息。但是如果事先不知道，則他仍會從中獲得信息。第二條事件齣現的概率極小，如果它真的齣現瞭，就會帶來極大的信息量。
再舉一個例子，某人收到一箱禮物，並且知道這是一箱蘋果，打開箱子看到蘋果後，實際上他並沒有得到新的信息；如果他事先隻知道箱子裏可能是蘋果也可能是梨，打開箱子後，不管看到的是蘋果還是梨，他都得到1bit的信息(假設兩種水果齣現的可能性相等)；如果可能性不止兩種，他得到的信息將大於1bit。但是如果事先得知箱子裏裝的是蘋果，但打開來一看，卻是另外一種東西，這種情況就超齣瞭狹義信息論的研究內容，屬於廣義信息論範疇。
*初的信息論隻對信息進行定量的描述，而沒有考慮信息的語義和效用等問題。隨著信息論從通信領域滲透到自動控製、信息處理、係統工程、人工智能等領域，要求對信息的本質、語義和效用等問題進行更深入的研究，建立更一般的理論，從而産生瞭信息科學。信息和控製是信息科學的基礎和核心。
信息産業的概念是在知識産業研究的基礎上産生和發展起來的，它將社會經濟劃分為農業、工業、服務業、信息業四大類，其中信息産業是與信息的獲取、存儲、傳輸、加工處理和利用等直接相關的産業的總稱。
1.2.2信息論的研究範疇
目前關於信息論的研究範疇可以分成3種：狹義信息論、一般信息論和廣義信息論，如圖1.1所示。
圖1.1信息論的研究範疇
狹義信息論又稱為香農信息論、經典信息論等，它是關於通信技術的理論，是以通信係統模型為對象，以概率論和數理統計為工具研究通信技術中關於信息的傳輸和變換規律的一門科學。香農信息論在信息可以度量的基礎上，研究如何在通信係統中有效可靠地傳輸信息。本書主要涉及狹義信息論的內容。
香農信息論研究通信過程中的信源、信道、信宿、編碼和譯碼、信息的度量及信息容量等問題。狹義信息論主要從量的方麵描述信息的傳輸和提取，所以有時也稱為統計信息論。
本書中討論的經典信息論的主要內容如下。
(1)信息及其度量：給齣瞭信息量及熵的概念，是信息論的基礎。
(2)無失真信源編碼：包括香農**定理及各種無失真的信源編碼方法。
(3)信道容量：主要內容是香農公式即信道容量公式，給齣瞭信息傳輸能力的極限值。
(4)信息率失真理論：描述瞭在允許失真的情況下信息傳輸能力的極限，包括信息率失真理論、香農第三定理、信息價值等。
(5)信道編碼和差錯控製理論：主要內容是香農第二定理及各種信道編碼方法，如綫性分組碼、循環碼、捲積碼等。
一般信息論是在狹義信息論的基礎上發展起來的，主要研究信息傳輸的一般理論，包括信號與噪聲理論、信號過濾與檢測、調製與信息處理等問題。
廣義信息論則超齣瞭通信技術的範圍來研究信息問題，它以各種係統、各門科學中的信息為對象，廣泛地研究信息的本質和特點，以及信息的取得、計量、傳輸、儲存、處理、控製和利用的一般規律。
1.3信源描述
信源是信息的來源，即消息或消息序列的源頭。如前所述，不確定性和可度量性是信息的兩個基本屬性，因此用概率論和過程對信源建模是一種有效的手段。由此給齣信源空間的定義。
定義1.1如果信源的輸齣是N個事件的集閤X，其齣現概率為P(X)，則它們所構成的集閤，稱為信源的概率空間，簡稱信源空間。
信源空間可以用如下數學錶達式描述：
信源空間應是一個完備集，即
其中，N是自然數。
概率空間能夠完整地錶徵離散信源的統計特性，也就是說，當信源給定時，其相應的概率空間就已給定；反之，概率空間給定，就錶示相應的信源已給定。
對信源進行分類的方法很多，例如，從信源消息是模擬的還是數字的，可將信源分為模擬信源和數字信源；從信源發齣的消息在時間和幅度上的分布情況，可將信源分為離散信源和連續信源；根據消息符號之間的關聯性，可將信源分為無記憶信源和有記憶信源；從描述信源消息的過程的平穩性角度，可將信源分為平穩信源和非平穩信源；若根據過程的類彆，還可將信源分為高斯信源、馬爾可夫信源等。此外，從人們對信源消息的感知角度，可將信源分為數據信源、語音信源、文本信源、圖像信源等，其中語音信源和文本信源通稱為自然語信源。
1.3.1離散信源
離散信源是指發齣在時間和幅度上都是離散分布的離散消息的信源，如文字、數字、數據等。離散信源分為離散無記憶信源和離散有記憶信源兩類，其中離散無記憶信源又可分為單符號離散無記憶信源和符號序列離散無記憶信源。
1.單符號離散無記憶信源
現實生活中有很多這樣的信源。例如，拋硬幣時嚮上的一麵、信件上的文字、阿拉伯數字、計算機代碼等。這些信源輸齣的都是單個符號或代碼消息，一個符號就代錶一條完整的消息，其符號集的取值都是有限或無限可列的，可以用一維離散型變量集閤X來描述這些信源的輸齣，這樣的信源可以看作單符號離散信源。
如果單符號離散信源X發齣N個不同符號x1，x2，，xi，，xN分彆代錶N種不同的消息，各個符號的概率分彆為P(x1)，P(x2)，，P(xi)，，P(xN)且相互統計獨立，則稱這種信源為單符號消息離散無記憶信源。
例如，扔一顆骰子，研究其朝上一麵的點數。這種信源輸齣消息必定是朝上的麵是1點、2點 6點，這6個不同的消息中的一個。每次試驗隻齣現一種消息，齣現哪一種消息是的，但是必定齣現這6個消息集閤中的某一個，不可能齣現這個集閤以外的其他消息。這6個不同的消息構成互不相容的基本事件集閤，可以用離散型變量集閤X來描述。統計試驗錶明，這6個消息齣現的概率都是1/6。如果用符號X錶示這個變量的樣本空間，而X的概率分布就是各消息齣現的先驗概率，即P(x1)=P(x2)= =P(x6)=l/6。信源空間的數學模型為
並滿足
2.符號序列離散無記憶信源
很多實際信源輸齣的消息往往是由一係列符號序列組成的。例如，在由英文構成的信源中，樣本空間是由26個英文字母、空格和標點符號組成的序列。
如果信源發齣的消息是由K個離散符號構成的符號序列XlX2 XK，其中K為自然數，並且消息之間相互統計獨立，則稱這種信源為發齣符號序列消息的離散無記憶信源。
實際上，發齣符號序列消息的信源本質上都是單符號離散信源的某種擴展。因此可以把這種用序列X描述的信源稱為單符號離散無記憶信源X的K次擴展信源，記為
可見，K次擴展信源是由離散無記憶信源輸齣K長的序列構成的信源。如果符號序