通信原理第一章.ppt

第一章绪论 1 1引言1 2通信系统的组成1 3通信系统分类及通信方式1 4信息及其度量1 5通信系统的主要性能指标1 6信道及其容量 1 2通信系统的组成 1 2 1通信系统的一般模型我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统 以点对点通信为例 通信系统的一般模型如图1 1所示 图1 1通信系统的一般模型 图1 1中原始电信号称为基带信号 它所要完成的功能很多 例如调制 放大 滤波和发射等 在数字通信系统中发送设备又常常包含信源编码和信道编码等 信道是指信号传输通道 按传输媒介的不同 可分为有线信道和无线信道两大类 图中的噪声源 是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合 在接收端 接收设备的功能与发送设备相反 即进行解调 译码等 它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号 并将原始电信号转换成相应的信息 提供给受信者 我们以语音信号为例来说明图1 2模拟通信系统模型各部分的作用 1 发信人讲话的语音变成电信号 模拟信源 2 然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输 为了提高频带利用率 使多路信号同时在一信道中传输 原始的电信号 基带信号 一般要进行调制才能传输到信道中去 经过调制后的信号称为已调信号 3 在收端 经解调器和逆变换器还原成语音信息 1 2 3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 数字通信系统分为 1 数字频带传输通信系统2 数字基带传输通信系统 一 数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统如图1 3所示 图1 3数字通信系统模型 数字通信系统还有一个非常重要的控制单元 即同步系统 图1 3没有画出 它可以使通信系统的收 发两端或整个通信系统 以精度很高的时钟提供定时 以使系统的数据流能与发送端同步 有序而准确地接收与恢复原信息 二 数字基带传输通信系统与频带传输系统相对应 我们把没有调制器 解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统 如图1 4所示 图1 4数字基带传输系统模型 图1 4中基带信号形成器可能包括编码器 加密器以及波形变换等 接收滤波器亦可能包括译码器 解密器等 三 数字通信的主要特点数字通信技术已成为当代通信技术的主流 与模拟通信相比 它有如下优点 1 抗干扰 抗噪声性能好例 判断波形 2 差错可控可通过纠错编码技术来控制 分组 循环 卷积 3 易加密数字信号与模拟信号相比 容易加密和解密 4 数字通信设备和模拟通信设备相比 设计和制造更容易 体积更小 重量更轻 交换机 5 数字信号可以通过信源编码进行压缩 以减少冗余度 提高信道利用率 6 易于与现代技术相结合 1 3通信系统分类及通信方式 表1 3 1通信频段 常用传输媒质及主要用途 4 按调制方式分类根据信道中传输的信号是否经过调制 可将通信系统分为基带传输系统和频带 调制 传输系统 基带传输是将没有经过调制的信号直接传送 如音频市内电话 频带传输是对基带信号调制后再送到信道中传输 5 按通信业务类型分类根据通信业务类型的不同 通信系统可分为电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统和图像通信系统等 6 按信号复用方式分类按信号复用方式 通信系统又可分为频分复用 FDM 通信系统 时分复用 TDM 通信系统和码分复用 CDM 通信系统等 1 3 2通信方式 1 按信息传输的方向与时间关系划分通信方式通信方式可分为单工通信 半双工通信及全双工通信三种 全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式 如图1 5 c 所示 例如普通电话 计算机通信网络等采用的就是全双工通信方式 图1 5通信方式示意图 2 按数字信号码元排列方式划分通信方式在数字通信中按照数字码元排列顺序的方式不同 可将通信方式分为串行传输和并行传输 并行传输并行传输的优点是速度快 节省传输时间 但需占用频带宽 设备复杂 成本高 故较少采用 一般适用于计算机和其他高速数字系统 特别适用于设备之间的近距离通信 串行传输是 一般的远距离数字通信都采用这种传输方式 图1 6并行和串行通信方式 3 按照网络结构划分通信方式通信系统按照网络结构可分为线型 星型 树型 环型等类型 专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信 多点间的通信属于网通信 网通信的基础仍是点对点通信 因此 本书重点讨论点对点通信的原理 信息量它仅与消息中包含的不确定度有关 也就是说消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关 消息发生概率愈小 愈使人感到意外和惊奇 则此消息所含的信息量愈大 例如 一方告诉另一方一件几乎不可能发生的消息包含的信息量比可能发生的消息包含的信息量大 如果消息发生的概率趋于零 不可能事件 则它的信息量趋于无穷大 如果消息发生的概率为1 必然事件 则此消息所含的信息量为零 在信息论中 消息所含的信息量I与消息x出现的概率P x 的关系式为 1 4 1 I代表两种含义 当事件x发生以前 表示事件x发生的不确定性 当事件x发生以后 表示事件x所含有 或所提供 的信息量 信息量的单位由对数底的取值决定 若对数以2为底时单位是 比特 bit binaryunit的缩写 若以e为底时单位是 奈特 nat natureunit的缩写 若以10为底时单位是 哈特 Hart Hartley的缩写 通常采用 比特 作为信息量的实用单位 以上我们讨论了离散消息的度量 类似 关于连续消息的信息量可用概率密度来描述 可以证明 连续消息的平均信息量 相对熵 为 1 4 3 式中 f x 是连续消息出现的概率密度 有兴趣的读者 可参考信息论有关专著 1 5通信系统的主要性能指标 设计和评价一个通信系统 往往要涉及到许多性能指标 如系统的有效性 可靠性 适应性 经济性及使用维护方便性等 这些指标可从各个方面评价通信系统的性能 但从研究信息传输方面考虑 通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标 所谓有效性 是指消息传输的 速度 问题 而可靠性主要是指消息传输的 质量 问题 在实际通信系统中 对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的 提高系统的有效性会降低可靠性 反之亦然 因此在设计通信系统时 对两者应统筹考虑 1 5 1模拟通信系统的主要性能指标模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽来表征 当信道容许传输带宽一定 而进行多路频分复用时 每路信号所需的有效带宽越窄 信道内复用的路数就越多 显然 信道复用的程度越高 信号传输的有效性就越好 信号的有效传输带宽与系统采用的调制方法有关 同样的信号用不同的方法调制得到的有效传输带宽是不一样的 模拟通信系统的可靠性指标用整个通信系统的输出信噪比来衡量 信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比 信噪比越高 说明噪声对信号的影响越小 显然 信噪比越高 通信质量就越好 输出信噪比一方面与信道内噪声的大小和信号的功率有关 同时又和调制方式有很大关系 例如宽带调频系统的有效性不如调幅系统 但是调频系统的可靠性往往比调幅系统好 1 5 2数字通信系统的主要性能指标一 有效性指标数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来表征 1 传输速率传输速率有两种表示方法 码元传输速率RB和信息传输速率Rb 码元传输速率RB简称传码率 又称符号速率等 它表示单位时间内传输码元的数目 单位是波特 Baud 记为B 信息传输速率Rb简称传信率 又称比特率等 它是指系统每秒钟传送的信息量 单位是比特 秒 常用符号 bit s 表示 解 依题意 则 由式 1 5 6 得系统的误码率 1 6信道及其容量 任何一个通信系统 均可视为由发送端 信道和接收端三大部分组成 因此 信道是通信系统必不可少的组成部分 信道特性的好坏直接影响到系统的总特性 本节将重点讨论信道特性及其对信号传输的影响 并介绍信道中加性噪声的一般特性及信道容量的概念 1 6 1信道的定义和分类通常对信道的定义有两种理解 一种是指信号的传输媒质 如对称电缆 同轴电缆 超短波及微波视距传播路径 短波电离层反射路径 对流层散射路径以及光纤等 称此种类型的信道为狭义信道 另一种是将传输媒质和各种信号形式的转换 耦合等设备都归纳在一起 包括发送设备 接收设备 馈线与天线 调制器等部件和电路在内的传输路径或传输通路 这种范围扩大了的信道称为广义信道 广义信道按照它包含的功能 可以划分为调制信道与编码信道 在模拟通信系统中 主要是研究调制和解调的基本原理 其传输信道可以用调制信道来定义 所谓调制信道是指图1 7中调制器输出端到解调器输入端的部分 从调制和解调的角度来看 调制器输出到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质 不管其中间过程如何 只是对已调信号进行某种变换 因此可以将其视为一个整体 在研究调制 解调问题时 定义一个调制信道是非常方便的 图1 7调制信道和编码信道 在数字通信系统中 如果我们只关心编码和译码问题 可以定义编码信道来突出研究的重点 所谓编码信道是指图1 7中编码器输出端到译码器输入端的部分 因为从编码和译码的角度来看 编码器是把信源所产生的消息信号变换为数字信号 译码器则是将数字信号恢复成原来的消息信号 而编码器输出端至译码器输入端之间的一切环节只是起到了传输数字信号的作用 所以可以将其归为一体来讨论 图1 7为调制信道与编码信道的示意图 1 6 2信道数学模型 信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性 它反映信道输出和输入之间的关系 下面我们简要描述调制信道和编码信道这两种广义信道的数学模型 1 调制信道模型调制信道属于模拟信道 发现它具有如下共性 1 有一对 或多对 输入端和一对 或多对 输出端 2 绝大多数的信道都是线性的 即满足线性叠加原理 3 信号通过信道具有一定的延迟时间 而且它还会受到 固定的或时变的 损耗 图1 8调制信道模型 4 即使没有信号输入 在信道的输出端仍可能有一定的输出 噪声 根据以上几条性质 调制信道可以用一个线性时变网络来表示 如图1 8所示 由以上分析可见 信道对信号的影响可归纳为两点 一是乘性干扰k t 二是加性干扰n t 如果了解和的特性 则信道对信号的具体影响就能确定 信道的不同特性反映在信道模型上有不同的k t 和n t 通常 把前面提到的架空明线 电缆 波导 中长波地波传播 超短波及微波视距传播 卫星中继 光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的信道称为恒参信道 而将短波电离层反射 超短波流星余迹散射 超短波及微波对流层散射 超短波电离层散射以及超短波视距绕射等传输媒质所分别构成的信道称为随参信道 2 编码信道模型编码信道是包括调制信道及调制器 解调器在内的信道 它与调制信道模型有明显的不同 调制信道对信号的影响是通过和使信号的模拟波形发生变化 而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换 即把一种数字序列变成另一种数字序列 故有时把调制信道看成是一种模拟信道 而把编码信道看成是一种数字信道 在常见的二进制数字传输系统中 编码信道的简单模型如图1 9所示 图1 9二进制编码信道模型 图1 9的模型中 P 0 和P 1 分别表示发送 0 符号和 1 符号的先验概率 P 0 0 与P 1 1 是正确转移的概率 而P 1 0 与P 0 1 是错误转移的概率 信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多 错误转移条件概率P 1 0 与P 0 1 也就越大 反之 错误转移条件概率P 1 0 与P 0 1 就越小 信道输出总的错误概率为Pe P 0 P 1 0 P 1 P 0 1 1 6 3 由概率论的性质可知P 0 0 P 1 0 1P 1 1 P 0 1 1转移概率完全由编码信道的特性决定 一个特定的编码信道就会有其相应确定的转移概率关系 而编码信道的转移概率一般需要对实际信道做大量的统计分析才能得到 由无记忆二进制编码信道模型可以容易地推广到多进制无记忆编码信道模型 图1 10给出了一个多进制无记忆编码信道模型 图1 10多进制无记忆编码信道模型 由于编码信道包含调制信道 且它的特性也紧密地依赖于调制信道 故下面我们主要讨论调制信道特性对信号传输的影响 1 6 3调制信道特性对信号传输的影响一 恒参信道对信号传输的影响由于恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的 因此 其传输特性可以等效为一个线性时不变网络 该线性网络的传输特性可以用幅度 频率特性和相位 频率特性来表征 1 信号不失真传输的条件对于信号传输而言 通常追求的是信号通过信道时不产生失真或者失真小到不易察觉的程度 由 信号与系统 课程可知 线性网络传输特性H 通常可用幅度 频率特 可见 对于理想的无失真信道 如果相频特性是线性的 则群时延 频率特性是 条水平直线 如图1 11 c 所示 图1 11理想的幅 频特性 相 频特性 群时延 频率特性 2 信号两种主要失真及其影响信号经过恒参信道时 若信道的幅度特性在信号频带内不是常数 则信号的各频率分量通过信道后将产生不同的幅度衰减 从而引起信号波形的失真 我们称这种失真为幅 频失真 幅 频失真对模拟通信影响较大 导致信噪比下降 若信道的相频特性在信号频带内不是频率的线性函数 则信号的各频率分量通过信道后将产生不同的时延 从而引起波形的群时延失真 我们称这种失真为相 频失真 相 频失真对语音通信影响不大 但对数字通信影响较大 会引起严重的码间干扰 造成误码 多径传播使包络产生的起伏虽然比信号的周期缓慢 但是其周期仍然可能是在秒的数量级 故通常将由多径效应引起的衰落称为 快衰落 多径传播不仅会造成上述的衰落和频率弥散 同时还可能发生频率选择性衰落 在多径传播时 由于各条路径的等效网络传输函数不同 于是各网络对不同频率的信号衰减也就不同 这就使接收点合成信号的频谱中某些分量衰减特别严重 这种现象称为频率选择性衰落 下面通过一个例子来建立这个概念 相关带宽表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔 如果信号的带宽比相关带宽宽 则将产生严重的频率选择性衰落 为了减小频率选择性衰落 就应使信号的带宽小于相关带宽 在工程设计中 为了保证接收信号质量 通常选择信号带宽为相关带宽的1 5 1 3 当在多径信道中传输数字信号时 特别是传输高速数字信号 频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰 为了减小码间干扰的影响 就必须限制数字信号传输速率 图1 14选择性衰落特性 随参信道的衰落 将会严重地影响系统的性能 为了抗快衰落 通常可采用多种措施 例如 各种抗衰落的调制解调技术 抗衰落接收技术及扩频技术等 其中较为有效且常用的抗衰落措施是分集接收技术 按广义信道的含义 分集接收可看作是随参信道中的一个组成部分或一种改造形式 改造后的随参信道的衰落特性将得到改善 衰落信道中接收的信号是到达接收机的各路径分量的合成 如果在接收端同时获得几个不同路径的信号 把这些信号适当合并构成总的接收信号 这样就能大大减小衰落的影响 这就是分集接收的基本思想 分集 两字就是把代表同一信息的信号分散传输 以求在接收端获得若干衰落样式不相关的复制品 然后用适当的方法加以集中合并 从而达到以强补弱的效果 获取不相关衰落信号的方法是将分散得到的几个合成信号集中 合并 只要被分集的几个信号之间是统计独立的 经适当的合并后就能大大改善系统的性能 1 6 4信道中的噪声 我们将信道中不需要的电信号统称为噪声 通信系统中没有传输信号时也有噪声 噪声永远存在于通信系统中 由于这样的噪声是叠加在信号上的 所以有时将其称为加性噪声 噪声对于信号的传输是有害的 它能使模拟信号失真 使数字信号发生错码 并随之限制着信息的传输速率 一 按照来源分类噪声可以分为人为噪声和自然噪声两大类 1 人为噪声 它是由人类的活动产生的 例如电钻和电气开关瞬态造成的电火花 汽车点火系统产生的电火花 荧光灯产生的干扰 其它电台和家电用具产生的电磁波辐射等 2 自然噪声 它是自然界中存在的各种电磁波辐射 例如闪电 大气噪声 以及来自太阳和银河系等的宇宙噪声 此外还有一种很重要的自然噪声 即热噪声 热噪声来自一切电阻性元器件中电子的热运动 例如 导线 电阻和半导体器件等均会产生热噪声 所以热噪声无处不在 不可避免地存在于一切电子设备中 二 按照性质分类噪声可以分为脉冲噪声 窄带噪声和起伏噪声三类 1 脉冲噪声 它是突发性地产生的幅度很大 持续时间很短 间隔时间很长的干扰 由于其持续时间很短 故其频谱较宽 可以从低频一直分布到甚高频 但是频率越高其频谱的强度越小 电火花就是一种典型的脉冲噪声 2 窄带噪声 它可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波 或简单地就是一个幅度恒定的单一频率的正弦波 通常它来自相邻电台或其它电子设备 窄带噪声的频率位置通常是确知的或可以测知的 3 起伏噪声 它是在时域和频域内都普遍存在的随机噪声 热噪声 电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等都属于起伏噪声 上述各种噪声中 脉冲噪声不是普遍地 持续地存在的 对于话音通信的影响也较小 但是对于数字通信可能有较大影响 同样 窄带噪声也是只存在于特定频率 特定时间和特定地点 所以它的影响也是有限的 只有起伏噪声无处不在 所以 在讨论噪声对于通信系统的影响时 主要是考虑起伏噪声 特别是热噪声 它是通信系统最基本的噪声源 通信系统模型中的 噪声源 就是分散在通信 系统各处加性噪声 主要是起伏噪声 的集中表示 它概括了信道内所有的热噪声 散弹噪声和宇宙噪声等 根据大量的实践证明 起伏噪声是一种高斯噪声 且在相当宽的频率范围内其频谱是均匀分布的 好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布那样 所以起伏噪声又常称为白噪声 因此 通信系统中的噪声常常被近似地表述成高斯白噪声 在讨论通信系统性能受噪声的影响时 我们主要分析的就是高斯白噪声的影响 香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率 达到极限信息速率并且差错率为零的通信系统称为理想通信系统 但是 香农公式只证明了理想通信系统的 存在性 却没有指出这种通信系统的实现方法 因此 理想通信系统的实现还需要我们不断地努力 1 6 6几种常用信道 一 话音信道话音信道是指传输频带在300 3400Hz的音频信道 按照与话音终端设备连接的导线数量 话音信道可分为二线信道和四线信道 在二线信道上 收发在同一线对上进行 在四线信道上 收发分别在两对不同的线对上进行 二 数字信道数字信道是直接传输数字信号的信道 数字通信常使用的数字信道有数字光纤信道 数字微波中继信道和数字卫星信道 1 数字光纤信道 1 光纤及传输模式 光纤 OpticalFiber 的材质是极细小的玻璃纤维 纤芯直径4 75 m 非常适合传输光波信号 光纤利用在圆柱型光波导内的电磁波传播实现光信号的定向传输 以 1 和 0 两种状态表征的数字信号用光脉冲的 有 和 无 来分别表示并送入光纤信道传输 按传输模式分 目前在光纤信道中传输的电磁波有多模与单模两种 具有多种传播模式的光纤称为多模光纤 只传播一种模式的光纤称为单模光纤 与多模光纤相比 由于单模光纤具有色散小的突出优点 可使传输容量和传输距离大幅度提高 所以得到广泛应用 2 光纤信道数字光纤信道是以光波为载波 用光纤作为传输介质的数字信道 光波在近红外区 波长范围为0 76 15 m 频率范围为20 390THz 光纤信道由光发射机 光纤线路 光接收机三个基本部分构成 通常将光发射机和光接收机统称为光端机 光发射机主要由光源 基带信号处理器和光调制器组成 光源是光载波发生器 目前广泛采用半导体发光二极管或半导体激光器作为光源 光调制器采用光强度调制 光纤线路采用单模光纤或多模光纤组成的光缆 根据传输距离等具体情况 在光纤线路中可设中继器 光接收机由光探测器和基带信号处理器组成 光探测器采用PIN 光电二极管 或APD 雪崩光电二极管 完成光强度的检测 光纤信道的组成如图1 15所示 图1 15光纤信道的一般组成 3 数字光纤信道的特点及其应用数字光纤信道与其它信道比较 有许多突出的特点 频带宽 信息容量大 传输损耗小 目前使用的单模光纤 每公里的传输损耗在0 2dB左右 特别适合于远距离传输 目前的光纤信道无中继传输距离可达200km左右 抗干扰能力强 光纤传输密封性好 有很强的抗电磁干扰性能 不易引起串音与干扰 保密性能好 光波在光纤中传输时 光能向外的辐射微乎其微 从外部很难接收到光纤中的光信号 因此 光纤信道的保密性能好 2 数字微波中继信道 1 数字微波中继信道组成数字微波中继信道是指工作频率在0 3 300GHz 电波基本上沿视线传播 传输距离依靠接力方式延伸的数字信道 数字微波中继信道由两个终端站和若干个中继站组成