通信系统的组成

1.1通信系统的组成1.2通信系统分类与通信方式1.3信息及其度量1.4主要性能指标1.5通信发展趋势第1章绪论返回主目录第1章绪论1.1通信系统的组成消息与信息消息——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，用于表达信息。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。本书中的通信均指电通信。1.1.1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。图1-1通信系统的一般模型1、信源——是消息的产生来源，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、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。模拟信源与数字信源模拟信源输出的是模拟信号；而数字信源输出信号是离散的数字信号。2、发送设备——将信源和信道匹配起来的设备，它将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式有调制变换方式、信源编码、信道编码。3、信道——是指传输信号的物理媒质。分为有线信道和无线信道。在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤；在无线信道中，信道是自由空间。4、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。噪声按产生的来源可分为内部噪声和外部噪声，外部噪声是从信道引入的，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。5、接收设备——完成发送设备的反变换的设备，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。6、受信者——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。图1-1概括地描述了一个通信系统的组成，它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。根据研究的对象以及所关注的问题不同，图1-1模型中的各小方框的内容和作用将有所不同，因而相应有不同形式的更具体的通信模型。今后的讨论就是围绕着通信系统的模型而展开的。1.1.2连续消息:消息的状态连续变化或是不可信源消息分为两大类：数的，如语音、活动图片等离散消息:消息的状态是可数的或离散的,如符号、数据等。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）。信号分类——按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号。模拟信号——凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。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，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图1-2(b)所示的抽样信号。Of(t)t(a)f(nT)tPAM信号(b)O图1–2模拟信号波形数字信号——凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散，如图1-3(b)所示的2PSK信号。图1-3(a)连续信号；(b)抽样信号(a)二进制波形；(b)2PSK波形100110111001Of(nT)t00111001数字信息PSK波形(a)(b)模拟通信系统通信系统分为数字通信系统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。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，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。消息从发送端到接收端的传递过程中，主要有两种变换：1）、基带信号变为频带信号（调制变换）2）、频带信号变为基带信号（解调变换）另外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，因而不在通信原理讨论范畴。图1-4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。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：（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。第7章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(ΔM)。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）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DPSK。数字调制是本教材的重点内容之一，将在第6章中讨论。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，这些问题将集中在第11章中讨论。数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。图1-5是数字通信系统的一般化模型，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图1–5数字通信系统模型实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。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，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，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。3.数字通信的主要特点目前，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：（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。缺点：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。数字通信的频带利用率不高。例如：一路模拟电话带宽为4kHz，而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。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。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通信系统分类与通信方式1.2.1通信系统的分类话务通信1．非话务通信。非话务通信——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。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、遥信和遥调等控制通信业务。2．按调制方式分类根据是否采用调制，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调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB载波通信、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数据传输相位键控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．按信号特征分类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、波导等）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300kHz~3MHz102~103m中频MF同轴电缆短波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m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30~300MHz1~10mVHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航续表（2）频率范围波长符号传输媒质用途300MHz~3GHz10~100cmUHF无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz