第一章 通信系统概论

第一章通信系统概论1.1绪论1.2通信系统的组成1.3通信系统的分类与通信方式1.4通信系统的质量指标1.5通信技术的发展1.1绪论通信广义上说用任何方法通过任何媒介跨时/空传递信息，均称为通信。1.1绪论通信的定义：是指由一地向另一地进行消息的有效传递。通信的目的：就是传递消息。本课程对通信的定义：利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号)实现从一地向另一地进行消息的有效传递称为通信。1.2通信系统的组成1.2.1通信系统模型信源信宿噪声源信道发送设备接收设备产生或发出消息的人或机器将信源产生的消息信号变换成便于传送的形式从带有干扰的接收信号中正确恢复出原始信号接受消息的人或机器信号传输的通道各处噪声的集中表现1.2通信系统的组成信源：把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。信道：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的。接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。信宿：将复原的原始电信号转换成相应的消息。1.2通信系统的组成1.2.2模拟通信系统和数字通信系统1.信源消息分为两大类连续消息离散消息消息的载体是电信号，电信号的变化体现在某一参量的变化上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。消息的状态连续变化或是不可数的。如语音、活动图片等消息的状态是离散的或是可数的。如符号、数据等1.2通信系统的组成信号分类：按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类。模拟信号数字信号tf(t)0时间连续、参量连续tf(t)0时间离散、参量离散tf(t)0时间离散、参量连续抽样量化1.2通信系统的组成2.模拟通信系统模型利用模拟信号来传递信息的通信系统信息源调制器信道解调器受信者噪声源基带信号已调信号1.2通信系统的组成•模拟通信系统中两种重要变换：（1）连续消息到电信号相互变换（2）基带信号到调制信号的变换•优点：技术成熟、设备简单、成本低。•缺点：易受干扰、频带不宽、频带利用率不高、信号处理难、不易集成和设备庞大等。1.2通信系统的组成3.数字通信系统模型利用数字信号来传递信息的通信系统信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源1.2通信系统的组成数字通信涉及的技术内容有：1）编/译码——包括信源编码/译码、信道编码/译码。2）调制/解调——数字调制/解调3）数字复接4）同步5）加密1.2通信系统的组成信源编码的作用（1）设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。（2）当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。1.2通信系统的组成信道编码与译码数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，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（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。1.2通信系统的组成加密与解密在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。1.2通信系统的组成数字调制与解调•数字调制是将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频带信号。•数字调制方式有：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DPSK1.2通信系统的组成同步与数字复接•同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。•按照同步的功用不同，可分为载波同步位同步群同步网同步1.2通信系统的组成•数字通信的优点（1）抗干扰能力强。（2）差错可控。可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性。（3）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。（4）易于集成化，从而使通信设备微型化。（5）易于加密处理，且保密强度高。1.2通信系统的组成•数字通信的缺点（1）占据更宽的系统频带（频带利用率不高）一路模拟电话带宽为4kHz，一路数字电话可能要占据20～60kHz的带宽。（2）系统设备比较复杂•数字通信的前景宽带信道（光纤）的发展，其缺点已可以接受，在现代通信的发展中已成为主流。1.2通信系统的组成•基带信号是指信号的频谱从零频附近开始，由于这种信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。•语音信号：300~3400Hz•图像信号：0~6MHz1.2通信系统的组成•已调信号是指经过调制以后的信号•有三个特征1.携带有信息2.适合在信道中传输3.是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频。•已调信号又称频带信号。1.3通信系统的分类与通信方式1.3.1通信系统的分类1.按通信业务分类话务通信：电话通信非话务通信：计算机通信、数据库检索、电子信箱等。2.按调制方式分类基带传输：将未经调制的信号直接传送频带传输：对各种信号调制后传输的总称表1-1列出了一些常见的调制方式1.3通信系统的分类与通信方式3.按信号特征分类模拟通信系统数字通信系统4.按传输媒质分类有线通信系统电缆通信光纤通信无线通信系统短波通信微波中继通信卫星通信……1.3通信系统的分类与通信方式5.按工作波段分类长波通信中波通信短波通信微波通信工作波长和频率的换算公式为式中，λ为工作波长，f为工作频率，c为光速。)()/(1038Hzfsmfc表1-2列出了通信使用的频段、常用的传输媒质及主要用途1.3通信系统的分类与通信方式6.按信号复用方式分类•传输多路信号有三种复用方式：•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：用正交的脉冲序列分别携带不同信号。传统的模拟通信中都采用频分复用，随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用愈来愈广泛，码分复用主要用于空间通信的扩频通信中。1.3通信系统的分类与通信方式1.3.2通信方式1．按消息传递的方向与时间关系分单工通信：消息只能单方向传输的工作方式。半双工通信：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。全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式。三种方式示例比较三种方式示意图1.3通信系统的分类与通信方式2.按数字信号排列顺序分并行传输：将代表信息的数字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。适用于设备之间的近距离通信串行传输：数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。适用于远距离数字通信并行和串行通信方式示意图1.3通信系统的分类与通信方式1.3通信系统的分类与通信方式发送信道接收单工：广播发送信道接收双工：手机发送信道接收半双工：对讲机1.3通信系统的分类与通信方式发端收端信道终端A终端B信道发收收发终端A终端B信道信道发收收发(a)单工(b)半双工(c)全双工1.4数字通信系统性能指标•有效性和可靠性是评价一个通信系统优劣的主要性能指标•有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，是传输的“速度”问题；•可靠性是指接收信息的准确程度，是传输的“质量”问题。1.4数字通信系统性能指标1.模拟通信系统性能指标（1）有效性：有效的传输频带（2）可靠性：输出信噪比2.数字通信系统性能指标（1）有效性：传输速率和系统频带利用率（2）可靠性：差错率1.4数字通信系统性能指标传输速率有两种表示方法（1）码元传输速率（又称传码率）：系统每秒钟传送码元的数目，单位是波特，常用符号“B”表示。例如，若2秒内传4800个码元，则传码率为•数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关。2400B)(1BTRB1.4数字通信系统性能指标（2）信息传输速率（又称传信率、比特率）：单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps。•两者之间既有联系，也有区别Rb=RBlog2N(bit／s)）（BlogR2BNRb【思考讨论题】某一数字通信系统传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，而另一通信系统传输的是十六进制码元，6s传输了7200个码元。2logbBRRN根据哪个系统传输速度快？四进制码元：RB=2000B；Rb=4000bit/s十六进制码元：RB=1200B；Rb=4800bit/s【答】1.4数字通信系统性能指标多进制信息传输速率对于N进制码元的传输，每一个N进制码元可用log2N个二进制码元表示（N=2n，n为每位多进制码元所用二进制码元表示的位数）传输一个N进制码元相当于传输了log2N个二进制码元。在码元速率（RB）保持不变条件下，二进制信息速率与N进制信息速率之间关系为：NRRbb22Nlog【思考1】已知八进制数字信号的传输速率为1600波特。试问变换成二进制数字信号时的传输速率为多少？解：Rb=RbN㏒2N=1600×㏒28=4800b/s【思考2】已知二进制数字信号的传输速率为2400b/s。试问变换成四进制数字信号时，传输速率为多少波特？解：Rb=RbN㏒2NRbN=Rb／㏒2N=2400/2=1200波特1.4数字通信系统性能指标系统频带利用率通信系统所占的频带越宽，传输信息的能力就越强。系统频带利用率表示数字通信系统的有效性。对于采用二进制传输时的系统频带利用率表示为1.4数字通信系统性能指标差错率（1）误码率（码元差错率）（2）误比特率（比特差错率）传输总码元数目传错码元的数目误码率eP传输总的比特数目传错比特的数目误比特率bPsbit/1021012525066传输时间传输比特的数目信息传输速率【例】设在125‬微秒内传输250个二进制码元，计算信息传输速率；若该信码在2秒内有3个码元产生误码，试问其误码率是多少？解：6630.75102102eP传错码元的数目误码率传输总码元数目1.5通信技术的发展古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信•这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式•目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。1.5通信技术的发展按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：•第一阶段语言•第二阶段文字、邮政•第三阶段印刷术、出版物•第四阶段电报、电话、广播•第五阶段通信与计算机的结合、网络1.5通信技术的发展•1753年2月17日，《苏格兰人》杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。最早的电通信设想1.5通信技术的发展•1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。最早的有线电报莫尔斯发出第一封电报设备的复制品1.5通信技术的发展•1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,AlekanderGraham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌