第一章基本概念通信系统概论

通信系统概论课时：48学时授课教师：杨光教材：现代通信系统原理聂敏、艾达等电子工业出版社西安邮电学院通信工程系联系方式：杨光通信与信息工程学院通信工程系办公地点：3#实验楼324办公电话：88166348电子邮件：[e-mail]考核方式：平时（30%）+期末（70%）平时成绩得分标准：共计100分作业不交每次扣10分点名不到每次扣10分迟到超过5分钟每次扣5分3通信系统概论授课内容：第一章基本概念第二章数字传输原理第三章数据通信技术第四章交换技术第五章光纤通信第六章移动通信第七章信息安全技术第八章通信新技术习题课通信系统概论第一章基本概念通信工程系21世纪，计算机和通信技术在飞速发展，它们的结合具有划时代的意义。以计算机为代表的IT产业和以语音、数据通信为代表的CT产业，融合为了ICT（InformationandCommunicationTechnology）产业。通信：将内容转换成文字、声音、标识，通过某种装置变成电磁信号，通过光纤、铜线、无线等传送方式（信道），从地球的某个角落传送到另一角落。第一章基本概念1.1通信系统与通信网通信系统通信系统特指使用光信号或电信号传递信息的系统。克服时间、空间的障碍，有效而可靠地传递信息是所有通信系统的基本任务。7图1-1-1基本的点对点通信的一般模型点到点通信系统信源信宿发送设备接收设备信道噪声和干扰（发送端）（接收端）•信源：负责产生信息，信源可以是人或机器；•发送设备：把信源发出的信息变换成适合信道中传输的信号。•信道：信号传输媒介的总称，分有线信道、无线信道。•接收设备：将经过信道传输的信号（混杂噪声和干扰）还原为接收者可以接收的信息；•信宿：信息的最终接收者。噪声源：是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示，分加性噪声、乘性噪声。通信的传输方式按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。单工通信是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。这里，信号（消息）只从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和BP机上。发端信道收端单工方式传输是只能单方向传输的通信方式通信的传输方式半双工通信方式，是指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。半双工方式是通信双方可以收发消息，但不能同时收和发的工作方式终端A终端B信道发收发收终端A终端B信道发收发收通信的传输方式所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。在这种方式下，双方都可同时进行收发消息。很明显，全双工通信的信道必须是双向信道。生活中全双工通信的例子非常多，如普通电话、手机等。终端A终端B发收发收信道1信道2全双工是通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式通信的传输方式模拟信号与数字信号•信号：信号是信息的表达形式，在现代通信系统中，信号大部分是电信号或光信号.•模拟信号:承载信息的参量在时间上连续，在取值上也连续。•数字信号:承载信息的参量在时间上离散，且取值为有限多个。模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号051015202530-0.6-0.4-0.200.20.40.6原始语音信号time(s)幅度模拟信号数字信号14数字通信的特点抗干扰能力强易于集成化易于实现压缩编码便于加密处理便于实现综合业务数字网便于智能化占用信道带宽较宽信号的频域分析例，有两个正弦波，一个振幅为3V、频率为1Hz；另一个振幅为1V、频率为3Hz，画出它们的合成波形。我们也可以说红实线波形可以分解为上述两个不同振幅、不同频率正弦波的叠加。图1-1-3合成波形00.511.522.533.54-202第一个信号00.511.522.533.54-101第二个信号00.511.522.533.54-202合成信号时间/s信号的频域分析上述结论可以用频谱图形象地表示出来。频谱图中，两条谱线的长度分别代表两个正弦波的振幅；谱线在频率轴上的位置分别为两个正弦波的频率。图1-1-4红实线波形的频谱图一般情况：任何模拟波形的信号（语音信号）都可以分解为若干个不同振幅、不同频率的正弦波的叠加。例：语音信号的波形和频谱称B=fH-fL为语音信号的信号带宽。051015202530-0.6-0.4-0.200.20.40.6原始语音信号time(s)幅度05001000150020002500300035001020304050607080原始语音信号FFT频谱Hz幅度信道是指传输信号的通道。设信道的输入电压为ui(t)，输出电压为uo(t)。信号从发送端发出的时刻为ti，信号到达接收端的时刻为to。信道图1-1-5信道示意图信道•定义信道的传输系数为：K(f)=uo/ui•定义信道的时延系数为：τ(f)=to-ti•通常K和τ都是频率f的函数，所以式中分别表示为K(f)、τ(f)理想信道特性•理想的信道：在信号带宽范围内，传输系数和时延系数不随频率而改变，为一条水平直线。•定义“信道带宽”：信号频率；：信道容许通过的最低信号频率；：信道容许通过的最高'''''LHLHffffB信号在信道上的无失真传输条件B信号带宽信道带宽'B按照传输方式介质分为有线介质（双绞线、同轴电缆、光纤）和无线介质（无线电、微波、红外线）传输介质纤芯包层保护套西安邮电学院通信工程系双绞线双绞线结构：绝缘扭绞铜导线+护套。采用双线扭绞的形式主要是为减少线间的低频干扰，扭绞得越紧密抗干扰能力越好。扭距双绞线优点：便宜，易于安装缺点：串音随频率的升高而增加，抗干扰能力差，带宽一般较低，传输距离较近。西安邮电学院通信工程系优点：抗干扰能力强于双绞线，适合于高频宽带传输缺点：成本高，不易安装埋设。同轴电缆通常能提供500～750MHz的带宽，目前主要应用于CATV和光纤同轴混合接入网。外部保护套外导体内导体绝缘层同轴电缆光纤外套包层纤芯小于临界角的光线将被外套吸收入射角反射角高折射率低折射率光纤特点(1)大容量。(2)体积小、重量轻。(3)低衰减、抗干扰能力强,本身也不向外部辐射能量。西安邮电学院通信工程系多模光纤：纤芯直径为50μm或62.5μm，允许多个光传导模式同时通过光纤。存在模式色散，影响传输速率和距离。主要用于短距低速传输，比如接入网和局域网，一般传输距离应小于2km。单模光纤：纤芯直径为4～10μm,只允许光信号以一种模式通过纤芯。传输特性好，带宽高，距离远。目前长途传输主要采用单模光纤。包层直径：125μm，外套直径为245μm。常用波长窗口：850nm、1310nm和1550nm。在局域网中较常采用850nm，而在长距离和高速率的传输条件下的城域网和长途网中均采用1550nm波长。光纤分类：多模光纤和单模光纤西安邮电学院通信工程系输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤特点：模拟通信系统传输连续的模拟信号、占用带宽少、抗干扰能力较弱、不适与远距离传输、系统和设备庞大，不利于集成化。模拟通信系统与数字通信系统信息源调制器信道解调器受信者噪声源模拟通信系统数字通信系统特点：传输离散的数字信号、占用带宽较大、抗干扰能力强、实现远距离高质量传输、实现综合业务数字化、易于加密，安全性强、通信设备集成化。通信系统分类按通信内容分语音通信、数据通信、图像通信、多媒体通信按信号特征分模拟通信系统、数字通信系统按传输媒介分有线通信（双绞线、同轴电缆、光纤通信）无线通信（短波、微波、卫星）通信网点到点通信系统只能解决两方通信的问题，为解决多方通信问题，需要组建通信网络。问题：采用什么样的结构？30西安邮电学院通信工程系点到点全互连网特点简单高可靠性高成本难以实现集中控制管理仅适于少量用户的互连西安邮电学院通信工程系交换式网络交换式结构的网络是最佳选择之一用户线交换式网络的优点：节约资源，降低成本易于扩容，便于控制与管理中继线西安邮电学院通信工程系通信网的定义和构成定义：通信网是由一定数量的节点和连接这些节点的传输系统有机地结合在一起，按约定信令和协议完成任意用户间信息交换的通信体系。构成要素软件设施：信令、协议、控制、管理、计费硬件设施：终端节点交换节点业务节点传输系统西安邮电学院通信工程系电话机、传真机、计算机、视频终端和PBX等(1)用户信息的处理(2)信令信息的处理终端节点西安邮电学院通信工程系如电话交换机、分组交换机、路由器(1)用户业务的集中和接入功能。(2)交换功能。(3)信令功能。(4)其他控制功能。交换节点西安邮电学院通信工程系如业务控制节点(SCP)、智能外设、语音信箱系统，Internet上的各种信息服务器等。(1)实现独立于交换节点的业务的执行和控制。(2)实现对交换节点呼叫建立的控制。(3)为用户提供智能化、个性化、有差异的服务。业务节点西安邮电学院通信工程系传输系统为信息的传输提供传输信道，并将网络节点连接在一起。硬件组成包括：传输媒介、线路接口设备、交叉连接设备等。传输系统西安邮电学院通信工程系通信网的功能结构电话网Internet移动网ATM网FR网业务网信令网管理网同步网SDH/SONET光传送网传送网支撑网图1.4现代通信网的功能结构从功能的角度看，一个完整的现代通信网可分为相互依存的三部分：业务网、传送网、支撑网西安邮电学院通信工程系负责向用户提供各种通信业务，采用不同交换技术的交换节点、业务节点等设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网。如基本话音、数据、多媒体、租用线、VPN等。业务网西安邮电学院通信工程系负责按需为交换节点/业务节点之间的互连分配电路，在这些节点之间提供信息的透明传输通道。构成传送网的主要技术要素有：传输介质、复用体制、传送网节点技术等。主要的传送网有PDH、SDH/SONET和光传送网(OTN)传送网西安邮电学院通信工程系负责提供业务网正常运行所必须的信令、同步、网络管理、业务管理、运行管理等功能。包括:信令网实现节点间的信令的的传输和转接同步网实现设备间的信号时钟同步管理网提高全网服务质量、充分利用全网资源支撑网通信业务是电信部门利用通信系统，按用户的需求为用户传递信息，提供各类通信服务项目。按信息载体分：话音、数据（短信）、图文（彩信）、多媒体（手机视频）；按用户活动状态分：固定业务（固定网本地电话）和移动业务（移动电话）；按业务提供方式分：基本业务（语音电话业务）和增值业务（可视电话会议服务）通信业务1.2信息和信息量1.2.1信息的定义和度量（1）消息：是一组有序的符号序列（包括状态、字母、数字等）或连续时间函数（如语音、图像等），前者称为离散消息，后者称为连续消息。（2）信息：是抽象的消息，一般用数据来表示。“信息”可被理解为消息中包含的有意义的内容。每一个消息都传递了一些信息，但某些消息比另外一些消息传递了更多的信息。于是就有如何度量消息中包含多少信息的问题，也即信息的度量问题。举例说明：如果甲告诉乙消息A:明天可能比今天热。乙会不以为然，因为消息A很可能发生。如果甲告诉乙消息B：“明天气温接近65。C”。乙会大为吃惊，因为消息B几乎不可能发生。使乙“不以为然”和“大吃一惊”的原因是前者属于老生常谈，没什么新的信息；而后者是违背常规的，在乙以往储备的信息中完全没有这种认识，是全新的信息。从此事例可以看出，事件越不可能，越使人感到意外和惊奇，信息量就越大。概率论告诉我们，事件的不确定程度，可以用其出现的概率来描述。亦即事件出现的可能性越小，则概率就越小，概率性小即不确定性大；反之，则概率就越大。1.2信息和信息量为了计算信息量，消息中所含的信息量I与消息x出现的概率间的关系式应能反映如下规律：消息中所含的信息量I是出现该消息的概率的函数，即消息的出现概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当时，若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即()Px()Px[()]IIPx()1Px0I1212[()()