通信系统概论 第1章 基本概念

通信概论授课内容：第一章基本概念（4学时）第二章数字传输原理（8学时）第三章数据通信技术（4学时）第四章交换技术（4学时）第五章光纤通信（2学时）第六章移动通信（6学时）第七章信息安全技术（2学时）第八章通信新技术（2学时，含习题课）通信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。第一章基本概念图1-1-1基本的点对点通信的一般模型第一章基本概念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：各种信息的发出者；•发送设备：把存储信息的“消息”变成电磁信号的各种设施；•信道：把电磁信号可从源传输到宿的通道（媒介）；•接收设备：将经过信道传输的电磁信号（混杂噪声和干扰）还原为自然界信息的各种设施；•信宿：信息的接收者；网络：有各种线路、设备、转换装置等构成；通信协议：通信双方预置的共同的、双方都能理解的语言；•在同一技术规范下，不同标准化组织会定义不同的协议；•所有的通信协议都通过通信标准进行定义和规范，而通信标准是各个国家之间、机构之间、企业之间或国家内部协商确定；•还有一些行业定义了自己的标准，称为行业标准。第一章基本概念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）第一章基本概念第一章基本概念1.1信号和信道1.2信息和信息量1.3通信系统的主要性能指标1.4通信网与电信网1.5通信业务1.1信号和信道•信号：通信信道上传输的电（电磁或光）编码；•信道：传送信号的通道；•电信：以电信号（包括光信号，光信号是频率更高的电信号）驮载待传输的信息进行传输和交换的通信方式。•在通信网中，为何要引入“交换”？1.1信号和信道1.1.1正弦信号在电信号中使用最多的信号是正弦信号。正弦信号的波形如图所示。图1-1-2正弦信号正弦信号的数学表达式为：U（t）=Um×sin(ωt+φ）式中：•Um称为正弦波的振幅，表示正弦波的最大值；•ω称为正弦波的角频率。ω=2πf，f为正弦波的频率，表示正弦波随时间变化的快慢，f的单位为Hz；•φ称为正弦波的初相角；Um、ω、φ称为正弦信号的三要素。1.1信号和信道电话通信是传统的电信业务。语音信号由耳朵接收，耳朵对振幅（声音的大小）和频率（音调的高低）极为敏感；在电视网中，图像信号由眼睛接收，眼睛对初相角十分敏感。1.1信号和信道1.1.2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。1.1信号和信道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/s1.1.2信号的频域分析上述结论可以用频谱图形象地表示出来。1.1信号和信道频谱图中，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1.1信号和信道1.1.2信号的频域分析一般情况：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1.1.3信道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。1.1信号和信道图1-1-5信道示意图1.1.3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)。1.1信号和信道图1-1-6信道无失真的传输条件1.1信号和信道•信道无失真传输条件：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由上可见，信道要无失真的传输信号，要求：在语音通信中，为了节省信道带宽，使同一信道可以传输更多路的语音信号，一般取语音信号带宽B=300～3400Hz。电视视频信号的B=0～6MHz。1.1信号和信道B信号带宽信道带宽'B1.1.4模拟信号和数字信号电信号分类：•模拟信号：函数值随时间连续变化，也称为连续信号；例如：语音信号、图像信号等。函数取值连续（无限多个）；待传递的信息包含在信息的波形之中；（不允许波形失真）•数字信号：信号的自变量及函数的取值都是离散的。函数的取值为有限多个；例：二进制码组；传递的信息包含在码元的不同组合之中；（允许波形失真，不允许误码）1.1信号和信道幅度t幅度t101101图1-1-7模拟信号与数字信号1.1信号和信道1.1.4模拟信号和数字信号通信的目的是传递和交换信息。•若信道中传送的是模拟信号，称为模拟通信；•若信道中传送的是数字信号，称为数字通信；•与模拟通信相比数字通信有以下特点：1.1信号和信道1.1.4模拟信号和数字信号抗干扰能力强、无噪声积累；便于灵活地组合多种业务传送；便于加密处理。数字电路易于集成化，因而体积小、功耗低，制造简单，可靠性高。数字信号易于实现压缩编码，节省频率资源。占用信道带宽较宽。1.1信号和信道特点：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，不利于集成化信息源调制器信道解调器受信者噪声源两次变换①②1.1.5模拟通信系统与数字通信系统1.1信号和信道图1-1-8模拟通信系统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、通信设备集成化信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信减少信息冗余进行信道编码1.1.5模拟通信系统与数字通信系统1.1信号和信道图1-1-9数字通信系统1.1.6信道的分类按照传输介质信道可分为双绞线、同轴电缆、光纤、无线信道第一章基本概念纤芯包层保护套1.1.7信道噪声1.噪声的定义噪声是指通信系统中有用信号以外的有害干扰信号2.噪声的分类按照来源：人为噪声；自然噪声按照性质：脉冲噪声、窄带噪声、起伏噪声3.高斯白噪声幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。第一章基本概念05001000150020002500-8-6-4-20246810时间轴幅度第一章基本概念图1-1-9高斯白噪声第一章基本概念1.1信号和信道1.2信息和信息量1.3通信系统的主要性能指标1.4通信网与电信网1.5通信业务1.2信息和信息量、二进制和多进制•消息：一般将语言、文字、图像或数据统称为消息；•信息：给予受信者的新知识；或者是指对消息接受者来说预先不知道的报道。•信息具备的特征如下：信息的普遍性即信息普遍存在于客观世界；信息的无限性即信息的资源是无限的，不仅可以再生，而且可以无损耗地转让、继承；1.2.1信息的定义1.2信息和信息量、二进制和多进制•信息具备的特征如下：信息的商品性即信息的价值在交换过程中实现，但并不失去其使用价值，交换次数越多，使用价值越大；信息的传递性即信息可以通过媒体广泛传播与反馈；信息的共享性即信息可以同时让许多使用者共用，而本身所含信息量并不减少；信息的时效性信息的及时性与有效性成正比；信息的可转换性即信息可转化为多种表现形式，如语言、文字、图像、符号等等。1.2信息和信息量、二进制和多进制信息的度量:信息量（I）：定义为消息出现概率倒数的对数。即：221log()logIbitPP其中：P：消息出现的概率；bit：信息量的单位，比特；上式说明：消息出现的概率越大，所含的信息量越少如果事件是必然的（概率为1），它传递的信息量为0如果事件是不可能的（概率为0），它所包含的信息量为无穷1.2.2信息量的定义码元：携带信息的数字单元称作码元。它是指在数字信道中传送数字信号的一个波形符号，它可能是二进制的，也可能是多进制的。比特：是信息的度量单位。一位二进制数所携带的信息量即为一比特（bit,缩写为b）。例如，10010110，八位二进制数字，所携带的信息量为8比特。1.2信息和信息量、二进制和多进制1.2.3二进制与多进制例求下图1-2-1所示分别为二进制和四进制码元序列的信息量1.2信息和信息量、二进制和多进制图1-2-1二进制和四进制码元序列对于图1-2-1（a）所示的二进制码元序列，只有两个计数符号，0和1出现的概率相等：P(0)=P(1)=1/2，则任何一个0或1码元的信息量为：I=log21/P(0)=log21/P(1）=log22=1(bit)1.2信息和信息量、二进制和多进制对于图1-2-1(b)所示的四进制码元序列，其有四个计数符号0、1、2、3，且出现概率均为1/4，P(0)=P(1)=P(2)=P(3)=1/4，则四进制一个码元的信息量为：1.2信息和信息量、二进制和多进制I=log21/P=log24=2(bit)1.2信息和信息量、二进制和多进制•二进制传输与多进制传输的比较：由于多进制每个码元包含的信息量大，所以采用多进制，信息传输效率高；从图1-2-1可见，采用二进制时，噪声电平大于E/2，才会引起误码；而采用四进制，只要噪声电平大于E/6，就会引起误码。所以，进制数越多，抗干扰能力越差；信道容量是指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量其中B是信道的带宽(Hz)，S为信道的功率(W)，N为噪声的功率(W),C是信道容量，上式称香农公式任何一个连续信道都有信道容量增加信噪比S/N、或增加带宽B都可以增加信道容量1.2信息和信息量1.2.4信道容量2log1/SCBbitsN第一章基本概念1.1信号和信道1.2信息和信息量1.3通信系统的主要性能指标1.4通信网与电信网1.5通信业务通信系统的主要性能指标包括有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性、维护性等，其中最主要的性能指标是有效性与可靠性。有效性指标用于衡量系统的传输效率。可靠性指标用于衡量系统的传输质量。有效性与可靠性的关系：一对矛盾。有效性越高，可靠性越差；可靠性越高，有效性越差。主要的性能指标有：传输速率、频带利用率、差错率等1.3通信系统的主要性能指标1．传输速率传输速率是指在单位时间内通过信道的平均信息量，一般有比特速率和码元速率两种表示方法。（1）符号速率：符号速率又称信号速率，指系统每秒钟传输的符号个数，用RB表示，即每秒的符号个数。单位是波特(Baud)。（2）比特速率：比特速率又称信息速率，指系统每秒钟传送的比特数，用Rb表示。单位是比特/秒(bit/s)。1.3通信系统的主要性能指标1.2通信基本概念2.频带利用率频带利用率是指单位频带内的调制速率或传信速率，即每赫兹的波特数(Bd/Hz)或每赫兹每秒的比特数(bit/s·Hz),用η表示。η＝系统的调制速率(NBaud)/系统的频带宽度(Hz)(Bd/Hz)η＝系统的传信速率(bit/s)/系统的频带宽度(Hz)(bit/s