第一章 通信系统概论

数字通信原理授课人：曾苑机电与信息工程学院目录第一章通信系统概论第二章模拟信号数字化与信源编码第三章数字信号的基带传输第四章数字信号的频带传输第五章信道编码技术第六章信道复用与多址技术第七章同步原理第八章数字信号的最佳接收课程目标1、能力目标:（1）能够正确操作常用数字通信测量仪器（2）能用仪器测量各种技术参数并理解其含义（3）能够用仪器测量数字通信中调制解调电路的特性（4）能够用仪器测试并分析数字通信传输链路的性能（5）能够用仪器观测并分析数字通信中差错控制编码的作用2、知识目标:（1）掌握信道与噪声的特点（2）掌握模拟信号的数字传输原理（3）了解信道复用与数字复接技术的工作原理（4）理解数字信号的基带、频带传输工作原理及应用（5）掌握同步技术分类、原理及应用（6）掌握差错控制编码的分类、原理、功能及应用《数字通信原理》课程介绍教学目的《数字通信原理》是通信工程专业的一门非常重要的专业课，通过本课程的学习，能使同学们对数字通信的基本概念及数字通信系统等有个较全面的了解，并能掌握一定的数字通信的基本理论和技能。学好这门课为学习后续课程打下一个良好的基础，同时也会对将来从事通信和计算机等方面的工作有所帮助。第一章通信系统概论1.1通信的基本概念与通信系统1.2通信系统的主要性能指标1.3信道容量与香农公式1.1通信的基本概念与通信系统1.1.1通信的发展远古时代的人类用表情和动作进行信息交流,这是最原始的通信方式。后来,人类在漫长的生活中创造了语言和文字,进一步实现了语言和文字的消息交流。除此之外,人类还创造了许多消息的传递方式,如古代的烽火台、金鼓、锦旗和航行用的信号灯等,这些都是解决远距离消息传递的方式。进入19世纪后,人们开始试图用电信号进行通信。表1－1中列出了一些与通信相关的历史事件,读者可从中清晰地掌握通信发展的概貌。表1-1与通信相关的历史事件年代经历时间相关事件1826~189771年欧姆定律、有线电报、电磁辐射方程、电话、麦克斯韦理论、无线电报等1904~194036年二极管、空中辐射传输声音信号、信号放大器、有线电话传输、超外差无线接收机、抽样定律、电传机、频率调制、调频无线电广播、脉冲编码调制（PCM）、电视广播1940~196020年雷达和微波系统、晶体三极管、香农“通信的数学理论”、通信统计理论、时分多路通信、越洋电话电缆1960~197010年激光、第一颗通信卫星、PCM实验、激光通信、集成电路（IC）、数字信号处理（DSP）、探月电视实况转播、高速数字计算机、1970~198010年商用接力卫星通信（音频和数字）、Gbit数字传输速率、大规模集成电路（LSIC）、通信集成电路、陆地间的计算机通信网络、低损耗光纤、光通信系统、分组交换数字数据系统、星际间大型漫游发射、微处理器、计算机断层成像、超级计算机1980~199010年卫星“空间接线总机”、移动/蜂窝电话系统、多功能数字显示、每秒20亿取样数字示波、桌面印刷系统、可编程数字信号处理器、自动扫描数字调音接收机、芯片加密技术、单片数字编码器和解码器、红外数据/控制链、音频播放压缩盘、200000字光存储媒体、以太网、远距贝尔系统、数字信号处理器1990~今10多年全球定位系统（GPS）、高分辨率电视（HDTV）、甚小天线口径卫星（VSAT）、全球蜂窝卫星系统、综合业务数字网（ISDN）、蜂窝电话、商用因特网1.1.2通信技术的发展与展望通信技术的发展主要体现在电缆通信、微波中继通信、光纤通信、卫星通信、移动通信等几个方面。下面通过分析现代通信技术的现状来看看未来通信的发展趋势。电缆通信是最早发展起来的通信手段。其用于长途通信已有60余年历史,在通信中占有突出地位。在光纤通信和移动通信发展之前,电话、传真、电报等各用户终端与交换机的连接全靠市话电缆。电缆还曾是长途通信和国际通信的主要手段,大西洋、太平洋均有大容量的越洋电缆。由于光纤通信的发展,同轴电缆逐渐被光纤电缆所取代。微波中继通信始于20世纪60年代,它弥补了电缆通信的缺点,较一般电缆通信,具有易架设,建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一,主要用于传输长途电话和电视节目。随着数字通信的发展,数字微波成为微波中继通信的主要发展方向。光纤通信是以光导纤维(简称光纤)为传输媒质、以光波为载波的通信方式。光纤通信具有容量大、频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点,且成本低,与同轴电缆相比可以节约大量有色金属和能源。光纤通信已成卫星通信的特点是通信距离远,覆盖面积大,不受地形条件限制,传输容量大,建设周期短,可靠性高。自1965年第一颗国际通信卫星投入商用以来,卫星通信得到迅速发展,现在第六代国际通信卫星即将投入使用。目前,卫星通信的使用范围已遍及全球,仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路,80％的洲际通信业务和100％的远距离电视传输业务均采用卫星通信,卫星通信已成为国际通信的主要手段。同时,卫星通信已进入国内通信领域,许多发达国家和发展中国家均拥有国内卫星通信系统。数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区,移动用户可以从一个小区运动到另一个小区,依靠终端对基站的跟踪,使通信不中断。移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市,甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。数字蜂窝移动通信系统主要由三部分组成:控制交换中心、若干基站、诸多移动终端。通过控制交换中心进入公用有线电话网,从而实现移动电目前广泛应用的是第二代移动通信系统（2G）即GSM系统和第三代移动通信系统（3G）即CDMA系统1.1.2通信的概念1通信的定义一般意义上的通信(Communication)是指由一地向另一地进行消息的有效传递。满足此定义的例子很多，如打电话，它是利用电话(系统)来传递消息；两个人之间的对话，亦是利用声音来传递消息，不过只是通信距离非常短而已；古代“消息树”、“烽火台”和现代仍使用的“信号灯”等也是利用不同方式传递消息的，理应归属通信之列。然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称之为电信(Telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，而且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。如今，在自然科学中，“通信”与“电信”几乎是同义词了。本教材中所说的通信，均指电信。这里不妨对通信重新定义：把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和交换称为通信。通信从本质上讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有存储、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。2通信的分类常用的通信分类方法有以下几种。1.按传输媒质分按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。所谓有线通信，是指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。导线可以是架空明线、电缆、光缆及波导等。所谓无线通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质(如电磁波)的一种通信形式。通常，有线通信亦可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信等。2.按信道中所传信号的不同分信道是传输信号的通路。通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号，由此，通信亦可凡信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等)可以取无限多个数值，且直接与消息相对应的，称为模拟信号。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化(即可以取无限多个值)，例如强弱连续变化的语音信号，亮度连续变化的电视图像信号等都是模拟信号。凡信号的某一参量只能取有限个数值，并且常常不直接与消息相对应的，称为数字信号。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某参量是离散(不连续)变化的，而不一定在时间上也离散。3.按工作频段分根据通信设备的工作频率不同，通信通常可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。为了比较全面地对通信中所使用的频段有所了解，下面把通信使用的频段及说明列入表1－2中。频率范围(f)波长(λ)符号常用传输媒介用途3Hz~30kHz108~104m甚低频VLF有线线对、长波无线电音频、电话、数据终端、长距离导航、时标30~300kHz104~103m低频LF有线线对、长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz103~102m中频MF同轴电缆、中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz102~10m高频HF同轴电缆、短波无线电移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电30~300MHz10~1m甚高频VHF同轴电缆、米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航、集群通信、无线寻呼300MHz~3GHz100~10cm特高频UHF波导、分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信3~30GHz10~1cm超高频SHF波导、厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz10~1mm极高频EHF波导、毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学105~107GHz3×10-3~3×10-5mm紫外、可见光红外光纤、激光空间传播光通信通信中工作频率和工作波长可互换，公式为式中，λ为工作波长；f为工作频率；C为电波在自由空间中的传播速度，通常认为C=3×10^8m/s。fC(1-1)4.根据消息在送到信道之前是否采用调制，通信可分为基带传输和频带传输。所谓基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式，而频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，收端有相应解调措施的通信系统。表1-3常用的调制方式调制方式用途常规双边带调幅AM广播抑制载波双边带调幅DSB立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传线性调制残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真频率调制FM微波中继、卫星通信、广播非线性调制相位调制PM中间调制方式幅度键控ASK数据传输频率键控FSK数据传输相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信连续波调制数字调制其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM中间调制方式脉冲模拟调制脉位调制PPM遥测、光纤传输脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码脉冲调制脉冲数字调制其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话3通信的方式1.按消息传送的方向与时间分通常，如果通信仅在点对点之间进行，或一点对多点之间进行，那么，按消息传送的方向与时间不同，通信的工作方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，如图1－1(a)所示。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。所谓半双工通信方式，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的形式，如图1－1(b)所示。例如对讲机、收发报机等都是这种通信方式。所谓全双工通信方式，是指通信双方可同时进行收发信息的工作方式。如图1-1（c）所示。例如普通电话、手机都是这种通信方式。图1-1(a)单工方式；(b)半双工方式；(c)全双工方式2.按数字信号排序分在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同，可将通信方式分为串行传输和发送方01100100接收方01100100并行/串行转换器串行/并行转换器011001008比特依次发送所谓串行传输，即是将代表信息的数字信号序列按时间顺