第一章通信系统概论课件

1、v第一章 通信系统概论v第二章 模拟信号数字化与信源编码v第三章 数字信号的基带传输v第四章 数字信号的频带传输v第五章 信道编码技术v第六章 信道复用与多址技术v第七章 同步原理v第八章 数字信号的最佳接收v1、能力目标: （1）能够正确操作常用数字通信测量仪器 （2）能用仪器测量各种技术参数并理解其含义 （3）能够用仪器测量数字通信中调制解调电路 的特性 （4）能够用仪器测试并分析数字通信传输链路 的性能 （5）能够用仪器观测并分析数字通信中差错控 制编码的作用v2、知识目标: （1）掌握信道与噪声的特点 （2）掌握模拟信号的数字传输原理 （3）了解信道复用与数字复接技术的工作原理 （4）

2、理解数字信号的基带、频带传输工作原理及应用 （5）掌握同步技术分类、原理及应用 （6）掌握差错控制编码的分类、原理、功能 及应用v教学目的 数字通信原理是通信工程专业的一门非常重要的专业课，通过本课程的学习，能使同学们对数字通信的基本概念及数字通信系统等有个较全面的了解，并能掌握一定的数字通信的基本理论和技能。 学好这门课为学习后续课程打下一个良好的基础，同时也会对将来从事通信和计算机等方面的工作有所帮助。v1.1 通信的基本概念与通信系统v1.2 通信系统的主要性能指标v1.3 信道容量与香农公式v1.1.1通信的发展通信的发展 远古时代的人类用表情和动作进行信息交流,这是最原始的通信方式。

3、后来,人类在漫长的生活中创造了语言和文字,进一步实现了语言和文字的消息交流。除此之外,人类还创造了许多消息的传递方式,如古代的烽火台、金鼓、锦旗和航行用的信号灯等,这些都是解决远距离消息传递的方式。 进入19世纪后,人们开始试图用电信号进行通信。表11中列出了一些与通信相关的历史事件,读者可从中清晰地掌握通信发展的概貌。 通信技术的发展主要体现在电缆通信、微波中继通信、光纤通信、卫星通信、移动通信等几个方面。下面通过分析现代通信技术的现状来看看未来通信的发展趋势。 电缆通信是最早发展起来的通信手段。其用于长途通信已有60余年历史,在通信中占有突出地位。在光纤通信和移动通信发展之前,电话、传真、

4、电报等各用户终端与交换机的连接全靠市话电缆。电缆还曾是长途通信和国际通信的主要手段,大西洋、太平洋均有大容量的越洋电缆。由于光纤通信的发展,同轴电缆逐渐被光纤电缆所取代。 微波中继通信始于20世纪60年代,它弥补了电缆通信的缺点,较一般电缆通信,具有易架设,建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一,主要用于传输长途电话和电视节目。随着数字通信的发展,数字微波成为微波中继通信的主要发展方向。 光纤通信是以光导纤维(简称光纤)为传输媒质、以光波为载波的通信方式。光纤通信具有容量大、频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点,且成本低,与同轴电缆相比可以节约大量有色金属和能源。光纤通

5、信已成为各种通信干线的主要传输手段。 卫星通信的特点是通信距离远,覆盖面积大,不受地形条件限制,传输容量大,建设周期短,可靠性高。自1965年第一颗国际通信卫星投入商用以来,卫星通信得到迅速发展,现在第六代国际通信卫星即将投入使用。目前,卫星通信的使用范围已遍及全球,仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路,80的洲际通信业务和100的远距离电视传输业务均采用卫星通信,卫星通信已成为国际通信的主要手段。同时,卫星通信已进入国内通信领域,许多发达国家和发展中国家均拥有国内卫星通信系统。 v 数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区,移动用户可以从一个小区运动到另一个小区,依靠终端对

6、基站的跟踪,使通信不中断。移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市,甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。数字蜂窝移动通信系统主要由三部分组成:控制交换中心、若干基站、诸多移动终端。通过控制交换中心进入公用有线电话网,从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信。v 目前广泛应用的是第二代移动通信系统（2G）即GSM系统和第三代移动通信系统（3G）即CDMA系统v1 通信的定义通信的定义 一般意义上的通信(Communication)是指由一地向另一地进行消息的有效传递。满足此定义的例子很多，如打电话，它是利用电话(系统)来传递消息；两个人之间的对话，亦是利用声音来传递消息，不

7、过只是通信距离非常短而已；古代“消息树”、“烽火台”和现代仍使用的“信号灯”等也是利用不同方式传递消息的，理应归属通信之列。 然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称之为电信(Telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，而且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。如今，在自然科学中，“通信”与“电信”几乎是同义词了。本教材中所说的通信，均指电信。这里不妨对通信重新定义：把利用电子等技术手段，借助电信号(含光信号)实现从一地向另一地进行消息的有效传递和交换称为通信

8、。 通信从本质上讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有存储、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。 v2 通信的分类通信的分类 常用的通信分类方法有以下几种。v1.按传输媒质分按传输媒质分 按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。所谓有线通信，是指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。导线可以是架空明线、电缆、光缆及波导等。所谓无线通信，是

9、指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质(如电磁波)的一种通信形式。 通常，有线通信亦可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信等。 v 2.按信道中所传信号的不同分按信道中所传信号的不同分 信道是传输信号的通路。通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号，由此，通信亦可分为数字通信和模拟通信。 凡信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等)可以取无限多个数值，且直接与消息相对应的，称为模拟信号。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(即可以取无限多个值)，例如强弱

10、连续变化的语音信号，亮度连续变化的电视图像信号等都是模拟信号。 凡信号的某一参量只能取有限个数值，并且常常不直接与消息相对应的，称为数字信号。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某参量是离散(不连续)变化的，而不一定在时间上也离散。v 3.按工作频段分按工作频段分 根据通信设备的工作频率不同，通信通常可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。为了比较全面地对通信中所使用的频段有所了解，下面把通信使用的频段及说明列入表12中。通信中工作频率和工作波长可互换，公式为 式中，为工作波长；f 为工作频率；C 为电波在自由空间中的传播速度，通常认为C=3108 m/s。fC(1-1)v 4

11、. 按调制方式分按调制方式分 根据消息在送到信道之前是否采用调制， 通信可分为基带传输和频带传输。所谓基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式，而频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，收端有相应解调措施的通信系统。 v3 通信的方式通信的方式v 1.按消息传送的方向与时间分按消息传送的方向与时间分 通常，如果通信仅在点对点之间进行，或一点对多点之间进行，那么，按消息传送的方向与时间不同，通信的工作方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。 v 所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，如图11(a)所示。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等

12、，这里，信号(消息)只从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和BP机上。v 所谓半双工通信方式，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的形式，如图11(b)所示。例如对讲机、收发报机等都是这种通信方式。v 所谓全双工通信方式，是指通信双方可同时进行收发信息的工作方式。如图1-1（c）所示。例如普通电话、手机都是这种通信方式。图 1-1 按消息传送的方向和时间划分的通信方式(a) 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式v 2.按数字信号排序分按数字信号排序分 在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同，可将通信方式分为串行传输和并行传输。所谓串行传输，即是

13、将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的方式，如图12(a)所示；优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施 如果将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时并行在信道上传输，则称为并行传输通信方式优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要 n 条通信线路，成本高 v 3.按通信网络形式分按通信网络形式分 通信的网络形式通常可分为三种：点到点通信方式、点到多点通信(分支)方式和多点到多点通信(交换)方式，它们的示意图如图13所示。 点到点通信方式是通信网络中最为简单的一种形式，终端A与终端B之间的线路是专

14、用的； 在点到多点通信(分支)方式中，它的每一个终端(A,B,C,N)经过同一信道与转接站相互连接，此时，终端之间不能直通信息，而必须经过转接站转接，此种方式只在数字通信中出现； 多点到多点通信(交换)方式是终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换的一种方式，即把要求通信的两终端之间的线路接通(自动接通)，或者通过程序控制实现消息交换，即通过交换设备先把发方来的消息存储起来，然后再转发至收方，这种消息转发可以是实时的，也可是延时的。 图 1-3 按网络形式划分的通信方式(a) 两点间直通方式； (b) 分支方式； (c) 交换方式v1 通信系统的模型通信系统的模型v通信的任务是完成消息的传递和交

15、换。以点对点通信为例，可以看出要实现消息从一地向另一地的传递，必须有三个部分：一是发送端，二是接收端，三是收发两端之间的信道，如图14所示。v模型中各部分功能如下：(1) 信源 信源是指发出信息的信息源，或简单地说是信息的发出者。信息源(简称信源)的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源，信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号，是指没有经过调制的原始信号，其特点是频率较低。基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号。(2) 变换器 变换器的功能是把信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。 (3) 信道 信道是信号传输的通路,是信号传输媒介的总称。信道中自然会叠

16、加上噪声。 (4)反变换器 在接收端，接收设备的功能正好相反于发送设备，它将从收到的信号中恢复出相应的原始信号。 (5)信宿 受信者(也称信宿或收终端)是将复原的原始信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。 (6)噪声源 噪声源是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其他各处噪声的集合。图中这种表示并非指通信中一定要有一个噪声源，而是为了在分析和讨论问题时便于理解而人为设置的。 v根据信号物理参量基本特征的不同，信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号。v 1.模拟通信系统模拟通信系统 我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成(通常也称为模型)可由一

17、般通信系统模型略加改变而成，如图15所示。图15模拟通信系统模型v 对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号(发端信息源完成)和把电信号恢复成最初的连续消息(收端受信者完成)。v 由信源输出的电信号(基带信号)具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其频带适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；v 在接收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是具有较高频率成分。v图1-6语声模拟通信系统示意

18、图v 2.数字通信系统数字通信系统 与模拟通信相对应，信源所发出的信息经变换和处理后，送往信道上传输的是数字信号的通信系统称为数字通信系统。语声信号的数字通信系统构成如下图1-7所示。图1-7语声数字通信系统示意图v 信源编码的作用： 1. 将模拟电信号转化为数字电信号，即模数转换（A/D转换）。 2. 尽量降低数字信号的传输数码率，即数据压缩编码技术，信源编码技术很大程度上是围绕压缩编码技术来展开的，以提高通信系统的性能。v 信源解码的作用： 是信源编码的逆过程，将接收端收到的数字信号还原为原来的模拟信号，即数模转换（D/A转换）。v 信道编码的作用： 信道环境很复杂，经过信源编码后的数字信

19、号在信道传输过程中会受到各种各样的噪声干扰，难免会发生差错，为提高通信系统的抗干扰能力，尽可能地对传输过程中产生的差错进行控制，实现可靠通信，我们就采用了差错控制编码，也称为信道编码。v 信道解码的作用： 信道解码是信道编码的逆过程，功能是将传输过程中增加的差错控制编码恢复成原来的信号。 v 1. 数字通信的主要优点数字通信的主要优点 (1)抗干扰能力强 在数字通信中，由于数字信号的幅度值为有限个数的离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中受到噪声干扰虽然也要叠加噪声，但当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法即可消除噪声干扰，将信号再生成原发送的信号，如图1.9(b)所示

20、。 图1.9 两类通信方式抗干扰性能比较 （2）便于加密处理，且保密性强 信息传输的安全性和保密性越来越受到重视，数字通信的加密处理比模拟通信更容易实现。以语声数字通信为例，经过数字变换后的信号就可以用简单的数字逻辑运算进行加密处理，如图1.10所示。图1.10 数字通信加密方法示意v （3）差错可控 数字信号通过差错控制编码，可采用纠错和检错技术，可提高通信的可靠性。 v （4）易于集成化，从而使通信设备微型化 由于数字通信系统中大部分电路都是由数字电路来实现的，微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电路来实现。v （5）易于与各种数字终端接口v 2.数字通信的缺点数字通信的

21、缺点 (1)数字信号比模拟信号占的频带宽，频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路数字电话一般要占据约2060kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4 kHz带宽。如果系统传输带宽一定的话， 模拟电话的频带利用率要高出数字电话的515倍。 (2) 系统设备比较复杂，同步要求较高。数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求收端和发端保持严格同步。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。 如何评价一个通信系统的性能优劣是选择和使用一个通信系统所面临的首要问题。因此，必须找出能够反映通信系统性能的技术指标，然而，研究通信系统的性能指标是一个非常复杂的问题，它包含有多方面

22、的指标，如有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性和维护的便利性等，这些指标从不同的角度对通信系统的优劣做出评价。但是通信的基本任务是快速、准确地传递信息，所以通信系统的诸多性能指标中起决定作用的主要是快速（有效性）和准确（可靠性）。v 有效性即信息传递的速度，是指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。即在给定的信道内，单位时间内传输的信息量的多少。通常总是希望在单位时间里传输更多的信息。v 可靠性即信息传输的准确性，是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。v 显然，有效性和可靠性是两个互相矛盾的指标，提高有效性往往就意味着降低可靠

23、性，反之，提高可靠性必然会降低有效性。工程实际中经常采用在保证一定的可靠性指标的情况下，尽可能地提高信息传输速率；或者在维持一定的有效性的条件下，尽量提高信息传输的质量。 模拟通信系统中有效性：用有效传输频带来度量。即用传输频带宽度来衡量。 如模拟通信的多路频分复用传输，当每一路的有效带宽一定时，信道带宽越宽，可以容纳的路数就越多，也就意味着系统的有效性越好。当然模拟通信系统的有效带宽与系统采用的调制方式有关，如调频方式就要比调幅方式占用更大的带宽。不同调制方法得到的有效带宽不一样，系统的有效性也不同。v可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。 模拟通信系统的可靠性指标是用接收端输出信噪比评价

24、的。信噪比是信号的平均功率S和噪声的平均功率N的比值。信噪比越大，说明噪声对信号的影响越小，通信的质量就越好，即系统的可靠性越高。输出信噪比不仅仅与信道内的信号功率和噪声功率有关，还与信号的调制方式有很大关系。如调频系统的信噪比就比调幅系统的要高。v1有效性有效性-传输速率传输速率 通常，评价数字通信系统有效性的指标是传输速率。传输速率又分为码元传输速率和信息传输速率。 （1）码元传输速率RB 码元传输速率RB又称为码元速率，简称传码率。是指系统在单位时间内传输的码元数目，单位为波特（Baud），常用符号“B”表示。例如系统1秒钟传输3600个码元，则称码元速率为3600波特（B）。例如：二进

25、制调频波，一个例如：二进制调频波，一个1或或0符号的持续时间为符号的持续时间为sT610833，则码元速率为多少？，则码元速率为多少？解：码元速率为解：码元速率为120010833116TRBBaudv（2）信息传输速率Rb 信息传输速率Rb又称为信息速率，简称传信率。是指系统在单位时间内传输的平均信息量或比特数。单位是bit/s或bps。 码元速率和信息速率都属于数字通信系统的有效性指标，两者之间既有联系，也有区别。它们之间的关系如下： （bit/s） （1-6） 或 （B） （1-7） 式中，N代表码元的进制数。从表达式中可以看出，当N等于2时， Rb = RB 。NRRbB2log/NR

26、RBb2log 对于二进制数字信号：M = 2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M = 8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为多少？22log1200log 81200*33600bBRRN例例：设一数字传输系统传送二进制码元的速率为：设一数字传输系统传送二进制码元的速率为1200Baud，试求该系统的信息速率；若该系统改为传送十六进制信号码试求该系统的信息速率；若该系统改为传送十六进制信号码元，码元速率为元，码元速率为2400Baud，则这时的系统信息速率为多少？，则这时的系统信息速率为多少？解解（1） （2）12002loglog22BBbRNRR比特比特

27、/秒秒96004240016log2BbRR比特比特/秒秒练习练习：已知二进制数字信号的传输速率为：已知二进制数字信号的传输速率为2400b/s，试问变换，试问变换成四进制数字信号时的传输速率为多少成四进制数字信号时的传输速率为多少Baud。解：解：12002/24004log/2bBRRBaud/sv2可靠性可靠性-差错率差错率 衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。是指通信终端接收到的数字信号发生错误的概率。 （1）误码率Pe 误码率Pe又称为码元差错率，是指接收端错误接收的码元数与所接收的总码元数的比值，即码元在通信系统中被传错的概率。 （1-10） （2）误信率

28、Pb 误信率又称为比特差错率，是指接收端的错误接收的比特数与所接收的总比特数的比值。 （1-11） NPNe传输总码数发生误码个数nlimNPNb传输总比特数发生错误比特数nlim 显然，误码率和误信率越低，数字通信系统的可靠性就越高，质量越好，在二进制系统中Pe = Pb。v例1：某系统经长期测定，它的误码率Pe=10（-5），系统码元速率为1200B，问平均在多长时间内可能收到360个误码元。v例2：已知某4进制数字传输系统的传信率为2400bit/s，接收端在半个小时内共收到216个错误码元，试计算该系统的误码率Pe。v3. 系统频带利用率系统频带利用率 在比较不同数字通信系统的有效性时

29、，某些情况下单纯看信息传输速率是不够的，两个信息传输速率相同的系统所占用的信道频带宽度可能不同，这时，所占频带窄的系统传输信息的能力更强。所以系统频带利用率是全面评价数字通信系统有效性的指标。 = （B/Hz） (1-8) 对于采用二进制传输时的系统频带利用率可以表示为： = （bps/Hz） (1-9)频带宽度码元传输速率频带宽度信息传输速率一、信息及其度量一、信息及其度量信息：消息中所包含的有效的内容。信息：消息中所包含的有效的内容。信息量：消息出现概率的函数。消息出现的概率越小，所包含信息量：消息出现概率的函数。消息出现的概率越小，所包含的信息量越大。的信息量越大。一个符号或事件，以概率

30、一个符号或事件，以概率P出现，则这个符号携带的信息量为：出现，则这个符号携带的信息量为：pIa1log信息量的单位与对数的底有关。底为信息量的单位与对数的底有关。底为2，单位为比特（，单位为比特（bit)，底为底为e，单位为奈特，单位为奈特(nit)，底为，底为10，单位为哈特，单位为哈特(hart)。例例1：已知二进制离散信源（：已知二进制离散信源（0，1），每一符号波形等概发送），每一符号波形等概发送，求传送二进制波形符号的信息量。，求传送二进制波形符号的信息量。解：由于每一波形出现的概率为解：由于每一波形出现的概率为P=1/2，故其信息量为：，故其信息量为：12log1log22pI比特

31、（比特（bit）例例2：已知四进制离散信源（：已知四进制离散信源（0，1，2，3），独立等概发送，求），独立等概发送，求传送每一波形的信息量。传送每一波形的信息量。解：由于每一波形出现的概率为解：由于每一波形出现的概率为P=1/4，故其信息量为：，故其信息量为：24log1log22pI比特（比特（bit）例例3：已知二进制离散信源（：已知二进制离散信源（0，1），若），若“0”出现概率为出现概率为1/3，求出求出“1”符号携带的信息量。符号携带的信息量。解：由于解：由于“1”符号出现的概率为符号出现的概率为P=2/3，故其信息量为：，故其信息量为：585.023log1log22pI比特（比

32、特（bit）585.13log1log220pI比特（比特（bit）平均信息量：是指信源中每个符号所含信息量的统计平均值。平均信息量：是指信源中每个符号所含信息量的统计平均值。定义：统计独立的定义：统计独立的M个符号的离散信息源的平均信息量为：个符号的离散信息源的平均信息量为：iMiippH1log1比特比特/符号符号H 也称为信源熵。也称为信源熵。例例3 中每个符号的平均信息量为：中每个符号的平均信息量为：92. 0585. 131585. 032H比特比特/符号符号v 单位时间内信道上所能传输的最大信息量称为信道容量。它可用信道的最大信息传输速率来表示。v 以无限小的差错率和无限大的速率传输信息是人们对通信系统的理想要求。可是信道传输信号的功率和信道的带宽均是有限的，信号在信道中传输要受到干扰的影响，在实际的工程应用中往往采用折衷方案，即在满足可靠性的前提下尽可能地提高信息速率。那么，在怎样的情况下，信道可以不失真地将信息以尽量高的速率传输呢？香农定理为我们解决