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1通信系统的组成2通信系统分类与通信方式3信息及其度量4主要性能指标5通信发展趋势返回主目录1.通信系统的组成从古到今,人类的社会活动总离不开消息的传递和交换,古代的消息树、烽火台和驿马传令,以及现代社会的文字、书信、电报、电话、广播、电视、遥控、遥测等,这些都是消息传递的方式或信息交流的手段。人们可以用语言、文字、数据或图像等不同的形式来表达信息。但是这些语言、文字、数据或图像本身不是信息而是消息,信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。因此,通信的根本目的在于传输含有信息的消息,否则,就失去了通信的意义。基于这种认识,“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。实现通信的方式很多,随着社会的需求、生产力的发展和科学技术的进步,目前的通信越来越依赖利用“电”来传递消息的电通信方式。由于电通信迅速、准确、可靠且不受时间、地点、距离的限制,因而近百年来得到了迅速的发展和广泛的应用。当今,在自然科学领域涉及“通信”这一术语时,一般均是指“电通信”。广义来讲,光通信也属于电通信,因为光也是一种电磁波。通信的定义消息从发信者到收信者的有效传递–非电信号–电信号电信号传输的目的–电能的传输波形已知–信息的传输波形未知1.1通信是从一地向另一地传递和交换信息。实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。基于点与点之间的通信系统的模型可用图1-1来描述。信源是消息的产生地,其作用是把各种消息转换成原始电信号,称之为消息信号或基带信号。电话机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源,输出的是模拟信号;后者是数字信源,输出离散的数字信号。图1-1通信系统的一般模型通信系统的组成信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源发送端接收端发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来,即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的,在需要频谱搬移的场合,调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说,发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中,信道可以是大气(自由空间),在有线信道中,信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同,需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型,以反映传输媒质对信号的影响。噪声源不是人为加入的设备,而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的,并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的,它可分为内部噪声和外部噪声,而且外部噪声往往是从信道引入的,因此,为了分析方便,把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换,即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来,对于多路复用信号,还包括解除多路复用,实现正确分路。信宿是传输信息的归宿点,其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。1.2按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号,可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。1.模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。我们知道,信源发出的原始电信号是基带信号,基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始,如语音信号为300~3400Hz,图像信号为0~6MHz。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,这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号,并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特征:一是携带有信息,二是适合在信道中传输,三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频,因而已调信号又称频带信号。需要指出,消息从发送端到接收端的传递过程中,不仅仅只有连续消息与基带信号和基带信号与频带信号之间的两种变换,实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用,而其他过程对信号不会发生质的变化,只是对信号进行了放大或改善了信号特性,因而被认为是理想的而不予讨论。模拟通信系统模型可由图1-1略加演变而成,如图1-4所示。图中的调制器和解调器就代表图1-1中的发送设备和接收设备。图1-4模拟通信系统模型模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源发送端接收端2.数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统,如图1-5所示。数字通信涉及的技术问题很多,其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、同步以及加密等。下面对这些技术作简要介绍。1)信源编码与译码信源编码的作用之一是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。作用之二是,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。信源译码是信源编码的逆过程。2)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。3)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。4)数字调制与解调数字调制就是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频带信号。基本的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DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测,一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。5)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、群同步和网同步。需要说明的是,图1-5是数字通信系统的一般化模型,实际的数字通信系统不一定包括图1-1中的所有环节。如在某些有线信道中,若传输距离不太远且通信容量不太大时,数字基带信号无需调制,可以直接传送,称之为数字信号的基带传输,其模型中就不包括调制与解调环节。应该指出的是,模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输,数字信号也可以在模拟通信系统中传输。图1–5数字通信系统模型数字通信系统模型信源信源编码器信道编码器带通调制器信宿信源译码器信道译码器数字解调器信道模拟或数字信号二进制数字序列噪声数字带通信号波形二进制数字序列模拟或数字信号二进制数字序列数字基带信号波形基带脉冲生成器数字基带信号波形采样判决器数字带通信号波形二进制数字序列目前,无论是模拟通信还是数字通信,在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是,数字通信的发展速度已明显超过模拟通信,成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比,数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求,其特点是:3.数字通信的主要特点(1)抗干扰能力强。以二进制为例,信号的取值只有两个,这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过程中受到噪声的干扰,必然会发生波形畸变,接收端对其进行抽样判决,以辨别是两个状态中的哪一个。只要噪声的大小不足以影响判决的正确,就能正确接收。而模拟通信系统中传输的是连续变化的模拟信号,它要求接收机能够高度保真地重现信号波形,如果模拟信号叠加上噪声后,即使噪声很小,也很难消除它。此外,在远距离传输,如微波中继通信时,各中继站可利用数字通信特有的判决再生接收方式,对数字信号波形进行整形再生而消除噪声积累。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。但是,数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。以电话为例,一路模拟电话通常只占据4kHz带宽,但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据20~60kHz的带宽,因此数字通信的频带利用率不高。另外,由于数字通信对同步要求高,因而系统设备比较复杂。不过,随着新的宽带传输信道(如光导纤维)的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展,数字通信的这些缺点已经弱化。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用,数字通信在今后的通信方式中必将逐步取代模拟通信而占主导地位。通信系统举例-基带传输系统集线器通信系统举例-模拟电话链路PSTNPSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)公共开关电话网络;一种常用旧式电话系统ModemModemPSTNModem通信系统举例-拨号上网链路数字通信与模拟通信比较(1)模拟系统接收机必须处理无穷多个波形数字系统接收机处理已知波形集中有限个波形之一数字通信系统的优点–更好的抗失真和干扰的能力–容易实现,成本低,更具灵活性–更适合数字业务,容易实现多网合一数字通信与模拟通信比较(2)数字通信系统的缺点–同步设备复杂模拟系统性能衡量指标–信噪比、百分比失真度、发送端波形和接收波形的期望均方误差等。2通信系统分类与通信方式2.1通信系统的分类1.按通信业务分,通信系统有话务通信和非话务通信。电话业务在电信领域中一直占主导地位,它属于人与人之间的通信。近年来,非话务通信发展迅速,非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。由于电话通信最为发达,因而其他通信常常借助于公共的电话通信系统进行。未来的综合业务数字通信网中各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输。此外,还有遥测、遥控和遥调等控制通信业务。2.根据是否采用调制,可将通信系统分为基带传输和频带(调制)传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送,如音频市内电话。频带传输是对各种信号调制后传输的总称。调制方式很多,表1-1列出了一些常见的调制方式。表1-1常见的调制方式调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调幅广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB无线电台、数传残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制幅度键控ASK数据传输频率键控FSK数据传输调制方式用途脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制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、图像编码其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话续表(2)3.按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号,相应地把通信系统分成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质分,通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。有线通信是用导线(如架空明线、同轴电缆、光导纤维等)作为传输媒质完成通信的,如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的,如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。5.按工作波段分类按通信设备的工作频率不同可分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等。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。表1–2频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~30kHz104~108m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30~300kHz103~104m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信30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