电气工程网络与通信-第二章 通信基础知识

第二章 通信基础知识,通信的基本概念与基本问题通信中的调制技术通信中的编码技术数字基带传输系统通信中的复用和多址技术通信中的同步,第一节 通信基本概念与基本问题,一、通信系统模型,第一节 通信基本概念与基本问题,一、通信系统模型1、模拟通信系统模型：信道中传输模拟信号的通信系统,图2-1 模拟通信系统模型,2.数字通信系统模型： 信道中传输数字信号的通信系统,数字通信设计的技术问题：信源编码/译码；信道编码/译码；数字调制/解调；数字复接、同步以及加密,图2-2 数字通信系统模型,信源编码的作用： 一是设法减少码元数目和降低码元速率 二是实现信号的模数转换,信道编码的作用： 为了降低误码率，提高数字通信的可靠性而采取得编码。基本思想是通过对信息序列作某种变换，使原来彼此独立，相关性极小的信息码元产生某种相关性，从而在接收端利用这种规律检查或纠正信息码元在信道传输中所造成的差错。,数字调制: 把数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。,同步: 同步使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。,数字复接: 依据时分复用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。,数字通信的优点：,抗干扰能力强，数字信号可以再生从而消除噪声累积便于进行各种数字信号处理便于实现集成化便于加密处理便于综合传递各种信息，实现综合业务数字网。,信息、消息与信号,信息：是一种不确定度的描述，是语言、文字、数据或图像等所包含的人们想知道的内容，是内在的实质的东西。具有两个明显的特征：广泛性与抽象性消息：消息是具体的，有不同的形式。消息中包含了信息，如符号、文字、语音、数据、图像等信号：信号为信息的表示形式，在通信系统中传输的实质是表现为各种消息形式的电信号。,二、通信方式,单工、半双工及全双工通信 1.单工通信： 指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。,二、通信方式,单工、半双工及全双工通信 2.半双工通信 指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式,二、通信方式,单工、半双工及全双工通信 3.全双工通信 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向通道,二、通信方式,并行传输和串行传输 1.并行传输 并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用 2.串行传输 串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式,三、信息及其度量,信息量 消息携带的信息量大小与消息出现的可能性有关，而可能性可以由消息的统计特性概率描述，离散消息携带的信息量为 信息量的单位由对数的底来确定（1）对数以2为底时，信息量的单位为比特（bit，简称b）；（2）对数以e为底时，信息量的单位为奈特（nit）；（3）对数以10为底时，信息量的单位为哈莱特（Hartley）；,三、信息及其度量,平均信息量（信源熵） 离散信源的平均信息量为： （比特/符号） 对于连续信源，其信源熵为 式中 为消息出现的概率密度,四、通信系统的主要性能指标,通信系统性能的衡量通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，评价通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。（1）有效性 是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；（2）可靠性 是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。,四、通信系统的主要性能指标,通信系统性能的衡量消息传输速率从信息论观点来说，消息传输速率是指单位时间内传输的消息中所包含的信息量。 均方误差均方误差是衡量发送的模拟信号与接收端复制的模拟信号之间误差程度的指标。均方误差越小，说明复制的信号越逼真。信噪比(S/N)信噪比是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比。在相同的条件下，系统的输出端的信噪比越大，则系统抗干扰的能力越大。,四、通信系统的主要性能指标,1、模拟通信系统的主要性能指标有效性可用有效传输频带带宽B来度量。同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出 信噪比（S/N）来度量。B越小，有效性越好，(S/N)越大，可靠信越好。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。,四、通信系统的主要性能指标,2、数字通信系统的主要性能指标有效性 有效性指标用于传输速率衡量，传输速率又分为码元传输速率和信息传输速率。 码元传输速率（RB），简称传码率，又称符号速率，指单位时间能够传送的码元数，单位为波特 (Bavd，简称B）。若每个码元传输占用的时间为TB，则传码率为 RB=1/TBRB2=RBMlog2M,四、通信系统的主要性能指标,2、数字通信系统的主要性能指标有效性信息传输率（Rb），简称传信率，又称比特率，指单位时间能够传送的平均信息量，单位为b/s。 Rb=RBlog2MRB=Rb/log2MRB=Rb,所以多进制码元占用多位二进制表示，所需传输时间长，传输速率降低。,四、通信系统的主要性能指标,2、数字通信系统的主要性能指标有效性,四、通信系统的主要性能指标,2、数字通信系统的主要性能指标有效性带宽与速率频带利用率,四、通信系统的主要性能指标,2、数字通信系统的主要性能指标 可靠性:可靠性指标用差错概率衡量，差错概率又分为误码率和误信率。 误码率（码元差错概率）Pe。误码率指接收的错误码元数在传输总码元数中所占的比例，即码元在通信系统中被传错的概率， 误信率（信息差错概率）Pb。误信率指发生差错的比特数在传输总比特数中所占地比例,五、信道容量与香农公式,信道容量C指信道中无差错传输信息的最大速率，分为连续信道的信道容量和离散信道的信道容量。 对于连续信道的信道容量，有著名的香农公式式中，S为信号的功率；B为信道带宽：S/N为信道信噪比；n0为噪声功率谱密度。,五、信道容量与香农公式,关于香农公式，作如下说明：(1) 但B无限增加时，信道容量趋于定值(3) 信道容量C一定时，带宽B与信噪比S/N可以互换。,第三节 通信中的调制技术,一、调制与解调 用基带信号（调制信号）对载波波形的某些参量（如幅度、频率、相位）进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，这种方法称为调制。与调制相反的过程，称为解调。,第三节 通信中的调制技术,基带信号：又称调制信号，包含信息的原始信号，具有较低的频谱分量，在许多信道中不适宜直接传输；载波信号：又称载波，即被调信号。参数受调制信号控制、用来承载信息的特定信号。 一般选用正弦信号。频带信号：又称已调信号，是用基带信号对载波进行调制后产生的信号。,第三节 通信中的调制技术,1、调制的作用进行频谱搬移。把调制信号的频谱搬移到希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输的已调信号。实现信道多路复用，提高信道的频带利用率。通过选择不同的调制方式改善系统传输的可靠性。,一、调制的概念,2、调制的分类按照调制信号m（t）分类： 根据调制信号m（t）取值是连续的还是离散的，可将调制分为两种类型： 模拟调制：在模拟调制中，调制信号的取值是连续的，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM 数字调制：在数字调制中，调制信号的取值是离散的，如ASK、FSK、PSK等。,一、调制的概念,2、调制的分类按照载波信号c（t）分类 根据载波信号c（t）是连续的正弦波还是脉冲波，又可将调制分为两种类型： 连续波调制。c（t）为连续正弦波，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM、FSK、PSK等 脉冲调制。c（t）为周期性脉冲波，如PCM、PAM、PDM、PPM等,一、调制的概念,2、调制的分类按照m（t）对c（t）不同参数的控制分类根据m（t）对c（t）不同参数的控制还可将调制分为幅度调制、频率调制和相位调制三种基本的调制方式。幅度调制：载波的幅度随调制信号线性变化的过程，如AM、DSB、SSB、VSB、ASK频率调制：如FM、FSK相位调制：如PM、PSK、DPSK,二、模拟调制,1、线性调制AM、DSB、SSB、VSB常规调幅（AMAmplitude Modulation） AM信号表达式为： 要求 称为包络检波不失真条件 由频谱图可知，AM信号的带宽为 AM调制的解调技术：包络检波、相干解调 AM调制的优缺点：优点是接收设备简单，缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，信号频带宽，频带利用率不高 AM调制的应用场合：中波和短波的调幅广播,二、模拟调制,1、线性调制AM、DSB、SSB、VSB常规调幅（AMAmplitude Modulation）,抑制载波的双边带调制（DSBSC） DSB-SC信号表达式为：,1、线性调制,由频谱图可知， DSB-SC信号的带宽为：,DSBSC调制的解调技术：相干解调 DSBSC调制的优缺点：优点是节省了载波功率，提高功率利用率，缺点是它的频带宽度仍是调制信号带宽的2倍DSBSC调制的应用场合：应用较少,抑制载波的双边带调制（DSBSC）,1、线性调制,单边带调制（SSB） SSB信号的带宽为：,1、线性调制,产生单边带信号的方法： 一是滤波法 二是相移法,SSB调制的解调方法：相干解调SSB调制的优缺点：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB调制的应用场合：用于频带比较拥挤的场合，如频分多路复用的载波通信系统中。,单边带调制（SSB）,1、线性调制,残留边带调制（VSB） VSB信号的带宽介于 与 之间,1、线性调制,VSB调制的解调方法：相干解调VSB调制的优缺点：综合了AM、SSB和VSB三者的优点 VSB调制的应用场合：商用电视广播系统,残留边带调制（VSB）,1、线性调制,调频的特点：1、调频波比调幅波占用的带宽大 2、在高调频指数时，调频系统的输出信噪比（即抗干扰能力）远大于调幅系统,2、非线性调制-调频FM和调相PM,调频的优点：抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换。,宽带调频的缺点： 频带利用率低，存在门限效应,调频的应用场合：宽带调频广泛应用于长距离高质量的通信系统中；窄带调频主要用在接收信号弱、干扰大的情况下。,3、数字调制技术,数字调制的原理,数字调制和解调分类,（一）二进制数字调制,原理：利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。 有载波输出时表示发送“1”， 无载波输出时表示发送“0”。,二进制数字振幅键控(2ASK，Amplitude Shift Keying), 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。, 2ASK信号带宽B2ASK是单极性数字基带信号Bg的两倍。当数字基带信号是单极性时，Bg=1/Tb。则 2ASK的带宽为:,结论： 二进制振幅键控（2ASK）, 2ASK应用于早期电报通信，但抗噪性能力差（对信道衰减敏感），数字通信中很少用，但它是研究其他数字调制方式的基础。,结论： 二进制振幅键控（2ASK）, 相干解调的误码率小于非相干解调，即相干解调的抗噪声性能好,二进制数字频移键控(2FSK) 原理1） 载波的频率携带数字信息2）只有两种载波频率，分别对应数字信息“1”和“0”；,2FSK信号带宽,2FSK方式频带利用率低，只适用于中低速数据传输，在话带内进行2FSK数据传输，速率1200b/s。,二进制数字频移键控(2FSK),3、 数字相位调制,数字相位调制（相移键控）,相对相移键控（DPSK）,绝对相移键控（PSK）,二进制移相键控（2PSK）,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控（2PSK）信号。,在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180度的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒”现象和“反向”现象，从而使得2PSK方式很少在实际中应用。,绝对相移：指某一码元所对应的已调波与参考载波的初相差,0 表示 “0”, 表示 “1”,1 0 0 1 0 1 1,S( t ), 0 0 0 ,未调载波,4、二进制差分相位键控（2DPSK）,2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为 ，可定义一种数字信息与 之间的关系：,0，表示数字信息“0”；，表示数字信息“1”。,0，表示数字信息“1”；，表示数字信息“0”。,或,1 0 0 1 0 1 1,S( t ),参考点,0,2DPSK波形的规则：为1变，0不变；且有两个反相的波形。,2DPSK信号波形,相对相移 ：后码元已调波的初相2与前相邻码元已调波的末相1的差值,= 2 - 1,0 表示 “0”, 表示 “1”,单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，只有知道了移相方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息。2DPSK信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再对相对码进行2PSK调制而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助2PSK调制与解调的方法。2DPSK解调时避免了2PSK方式中的“倒 ”现象发生。,2PSK与2DPSK比较,（二）多进制数字调制,分类多进制数字振幅调制（MASK)多进制数字频带调制（MFSK)多进制数字相位调制（MPSK),二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方式，具有较好的抗干扰能力。由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际应用中受到一些限制。在信道频带受限时 为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。 ,（二）多进制数字调制,由RB=Rb/ log2M可知，在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数M，可以降低码元传输速率，从而减小信号带宽，节约频带资源，提供系统频带利用率在码元传输速率不变的情况下，通过增加进制数M，可以增大信息传输速率（即比特率），从而在相同的带宽中传输更多的信息量，有效性提高。但随着M增大，接收端判决信号之间距离变小，误判可能性大，误码率增大，可靠性变差。,（二）多进制数字调制,（三）其他数字调制方式,1、正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation） 正交振幅调制就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。,。 正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。,（三）其他数字调制方式,2、网格编码调制（Trellis Coded Modulation） 它是将纠错编码与调制技术相