通信原理与通信技术_张卫钢_第1章_通信与通信系统的基本概念

第1章通信与通信系统的基本概念第1章通信与通信系统的基本概念•1.1通信的概念•1.2通信系统•1.3通信方式•1.4信道和传输介质•1.5信号与噪声•1.6信号频谱与信道通频带第1章通信与通信系统的基本概念•1.7信息的度量与香农公式•1.8多路复用的基本概念•1.9常用的通信手段•1.10通信系统的性能评价•1.11通信技术发展史第1章通信与通信系统的基本概念1.1通信的概念•谈到通信，我们每个人都不陌生。古代的烽火报警，就是把敌人入侵的消息通过烽火传达给远方的人们(类似的例子还有抗日战争时期的“消息树”)；舰船上的灯语和旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰船或港口进行无声的对话；第1章通信与通信系统的基本概念•传统的信函以文字形式把游子的思乡之情浓缩于尺素之中，再利用邮政媒体送达家人；在各种建设工地上，工人们经常使用对讲机相互联络，协调工作；在电影电视中经常看到军人或警察利用无线电台进行作战指挥；还有电报、电传、电话、寻呼、移动电话、有线广播、无线广播、有线电视、无线电视等当代最为普及的通信手段都是现实生活中我们所熟悉的通信实例。•在上述实例中我们发现，无论是远古狼烟滚滚的烽火，还是今天四通八达的电话，无论是饱含情谊的书信，还是绚丽多彩的电视画面，第1章通信与通信系统的基本概念•尽管通信的方式各种各样，传递的内容千差万别，但都有一个共性，那就是进行信息的传递。因此，我们对通信下一个简练的定义：所谓通信，就是信息的传递。这里“传递”可以认为是一种信息传输的过程或方式。随着计算机技术和计算机网络技术的飞速发展，计算机网络通信也进入了我们的生活。通过因特网(Internet)，我们足不出户就可看报纸、听新闻、查资料、逛商店、玩游戏、上课、看病、下棋、购物、发电子邮件。网络通信丰富多彩的功能极大地拓宽了通信技术的应用领域，使通信渗入到人们物质与精神生活的各个角落，第1章通信与通信系统的基本概念•成为人们日常生活中不可缺少的组成部分，有关通信方面的知识与技术也就成为当代人应该了解和掌握的热门知识之一。在这里我们所讨论的通信不是广义上的通信，而是特指利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光通信。作为一门科学、一种技术，现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。“通信原理”就是介绍支撑各种通信技术的通信基本概念和数学理论基础。第1章通信与通信系统的基本概念1.2通信系统•1.2.1通信系统的定义与组成•用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合叫做通信系统。需要强调的是，过去对通信系统的定义没有软件部分，但随着计算机进入通信系统，通信软件就成为组成通信系统的基本要素，因此我们在定义中加入软件这一模块。第1章通信与通信系统的基本概念•从硬件上看，通信系统主要由信源、信宿、传输介质和收信、发信设备五部分组成，如图1―1所示(注意，图中的干扰可以理解为是通信系统的一部分，因为在实际应用中，一个通信系统无法彻底消除干扰)。第1章通信与通信系统的基本概念图1―1模拟通信系统的一般模型信源发送设备传输介质接收设备信宿干扰第1章通信与通信系统的基本概念•比如电话通信系统就包括：送话器、电线、交换机、载波机、受话器等要素。广播通信系统包括麦克风、放大器、发送设备、无线电波、收音机等。两个通信系统实例示意图如图1―2所示。第1章通信与通信系统的基本概念图1―2通信系统实例示意图发射设备接收设备(a)有线长途电话系统示意图(b)广播通信系统示意图载波机载波机导线话筒扬声器第1章通信与通信系统的基本概念•1.2.2通信系统的分类•1.按信号特征分类•根据信道传输信号种类的不同，通信系统可分为两大类：模拟通信系统和数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如大家熟悉的电话、广播和电视系统；信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统(模型如图1―3(a)所示)，比如数字电话通信系统。从图1―3(a)中我们看到，数字通信系统与图1―1的主要区别是多了信源编码(解码)和信道编码(解码)功能模块，而这正是数字通信系统的特点所在。第1章通信与通信系统的基本概念•信源编码完成的是将模拟信息(模拟信号)转换成数字信号的功能(信源解码功能相反)；信道编码是将信源编码输出的数字信号(一般是经自然编码后的数字信号。自然编码指的是用高电平表示“1”，低电平表示“0”的简单编码方式)变成适合于信道传输的码型(信道解码功能相反)，以提高传输的有效性和可靠性。有关内容我们在后面会有详细介绍。第1章通信与通信系统的基本概念图1―3数字通信系统示意图信源信道模拟通信信宿信源信宿信道数字通信数据通信信道信源信宿(b)三种通信系统示意图(a)数字通信系统模型第1章通信与通信系统的基本概念•需要说明的是，自从有了数据通信系统之后，这种以信道传输信号的种类为标准对通信系统进行的分类就显得不够严谨，因为数据通信系统的信道可以是传输数字信号的信道，也可以是传输模拟信号的信道，或者说数据通信中的数据信号既可以以数字信号的形式在数字信道中传输(比如局域网)，也可以转换成模拟信号在模拟信道中传输(比如通过“猫”——调制解调器上网)。第1章通信与通信系统的基本概念•根据通信技术的现状，我们认为应该在传统分类方式的基础上，结合信源和信宿所处理的信号种类对通信系统重新进行分类。这样，我们就把通信系统分为三种：模拟通信系统、数字通信系统和数据通信系统。•这里需要明确模拟通信、数字通信和数据通信的概念：•(1)模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和信道传输的都是模拟信号的通信过程或方式。因此，模拟通信系统可以说是以模拟信道传输模拟信号的系统。第1章通信与通信系统的基本概念•(2)数字通信是指信源发出和信宿接收的是模拟信号，而信道传输的是数字信号的通信过程或方式。因此，数字通信系统可以说是以数字信号的形式传输模拟信号的系统。•(3)数据通信是随计算机和计算机网络的发展而出现的一种新的通信方式，它是指信源、信宿处理的都是数字信号，而传输信道既可以是数字信道也可以是模拟信道的通信过程(方式)。通常，数据通信主要指计算机(或数字终端)之间的通信。有关数据通信的内容将在第二篇详细介绍。图1―3(b)是三种通信系统(方式)的简单示意图。第1章通信与通信系统的基本概念•数字通信产生的直接原因是为了提高模拟通信的质量，所以，数字通信可以理解为是模拟通信的升级。因为对通信双方而言，它们接触的仍然是模拟信号(或模拟信息)，如果只从信号传输的角度上看(不考虑保密等)，数字通信与模拟通信的主要差别仅仅是前者信宿接收到的信号质量更好一点而已，但它们的信号传输方式(传输系统)却迥然不同；而数据通信在信号传输上与数字通信大致相同(先不考虑模拟信道传输)，但它的信息源一般为数字信息(离散信息)，所以数据通信在功能上可以认为是数字通信的延伸或分支。因此，从技术体制上看，通信方式仍然只分为模拟通信和数字通信两种。第1章通信与通信系统的基本概念•数字通信具有以下特点：•①抗干扰能力强。由于数字信号的取值个数有限(大多数情况只有0和1两个值)，因此在传输过程中我们不太关心信号的绝对值，只注意相对值即可。比如设高电平5V为1，低电平0V为0，在传输时受噪声影响，5V变成8V，而我们只要看到大于5V的值认为是5V就行了(当然，0V受干扰也可能变成8V，以致于把数据0误认为数据1。但经过信道编码后，数据0不是用简单的低电平表示，因此，这样的误码就不会出现)。第1章通信与通信系统的基本概念•同时，传输中继器可再生信号，消除噪声积累。比如一个中继器收到一个受干扰而变成8V的信号，若是模拟通信，中继器就会原封不动地把这个8V信号放大后送往下一级，下一级接着放大再往下送，这样一级一级下去，噪声被不断地放大，形成噪声积累直到通信终端。如果是数字通信，第一个收到这个8V信号的中继器先认为该信号为一高电平信号，然后并不将该信号往下传，而是重新生成一个标准高电平信号(比如为5V)传往下一级，这样，噪声就不会像模拟通信那样被一级一级地放大，而是被中继器“隔离”，从而消除了噪声积累。第1章通信与通信系统的基本概念•②便于进行信号加工与处理。由于信号可以储存，因此可以像处理照片一样对信号随意加工处理(在技术允许的范围内)。•③传输中出现的差错(误码)可以设法控制，提高了传输质量。•④数字信息易于加密且保密性强。•⑤能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系统的灵活性和通用性。第1章通信与通信系统的基本概念•总之，数字通信的优点很多，但事物总是一分为二的。数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价的。比如，一路模拟电话信号的带宽为4kHz，而一路数字电话信号大概要占20～60kHz的带宽。这说明数字通信的频带利用率低。尽管如此，数字通信仍将是未来通信的发展方向。第1章通信与通信系统的基本概念•2.按传输介质分类•按传输介质的不同，通信系统又有无线通信系统与有线通信系统之分。利用无线电波、红外线、超声波、激光进行通信的系统统称为无线通信系统。广播系统、移动电话系统、传呼通信系统、电视系统等都是无线通信系统。而用导线(包括电缆、光缆和波导等)作为介质的通信系统就是有线通信系统，如市话系统、闭路电视系统、普通的计算机局域网等。随着通信技术、计算机技术和网络技术的飞速发展，第1章通信与通信系统的基本概念•单纯的有线或无线通信系统越来越少，实际通信系统常常是“无线”中有“有线”，“有线”中有“无线”。因此，无论是作为科学知识还是学科专业，当代的无线通信、有线通信和计算机网络三者的关系密不可分。第1章通信与通信系统的基本概念•3.按调制方式分类•按调制与否，可分为基带通信系统和调制通信系统。所谓基带系统，传输的是基带信号(指没有经过任何调制处理的信号)，而调制通信传输的是已调信号。第1章通信与通信系统的基本概念•4.按通信业务分类•按传送信息的物理特征分为电话通信系统、电报通信系统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。•5.按工作波段分类•按使用波长可分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、微波通信系统和光通信系统等。•一种通信系统可以分属不同的种类，比如我们所熟悉的无线电广播既是中波通信系统(短波通信系统)，调制通信系统、模拟通信系统，也是无线通信系统。第1章通信与通信系统的基本概念•无论怎样划分通信系统，都只是在信号处理方式、传输方式或传输介质等外在特征上做文章，其通信的实质并没改变，即大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地传送信息。因此，我们在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时，只要抓住这个实质，就不会被系统复杂的结构、先进的技术和生涩的技术术语所迷惑。第1章通信与通信系统的基本概念1.3通信方式•通信方式指通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传输方式，它是通信各方在通信实施之前必须首先确定的问题。•根据不同的标准，通信方式也有多种分类法。第1章通信与通信系统的基本概念•(1)按通信对象数量的不同，通信方式可分为点到点通信(即通信是在两个对象之间进行)、点到多点通信(一个对象和多个对象之间的通信)和多点到多点通信三种(多个对象和多个对象之间的通信)，如图1―4(a)所示。•(2)根据信号传输方向与传输时间的不同，任意两点间的通信方式可分为单工通信(Simplex)：在任何一个时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信(点到多点)、遥控玩具、航模(点到点)、寻呼等均属此类。第1章通信与通信系统的基本概念图1―4通信方式示意图AB点到点通信信道信道信道半双工方式全双工方式甲方发信端甲方发信端甲方收信端甲方发信端甲方收信端乙方收信端乙方发信端乙方收信端乙方收信端乙方发信端BCDA点到多点通信DEFABC多点到多点通信(a)(b)单工方式第1章通信与通信系统的基本概念•半双工通信(Half―Duplex)：在任何一个时刻，信号只能单向传输，或从甲方向乙方，或从乙方向