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2007年9月7/13/20241内容简介内容简介本课程主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论信息的传输、交换和通信网的基本原理，讨论系统的组成和性能指标。通过原理的分析和实例讲解，学习者应该领会到：构建一个通信系统应注意的基本问题，如何评价一个通信系统。7/13/20242第第1章章 绪绪 论论 1.1 引言引言 1.2 通信系统的组成通信系统的组成 1.3 通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式1.4 信息及其度量信息及其度量 1.5 主要性能指标主要性能指标 7/13/202431.1 引言引言一、通信一、通信通信的定义：通信的定义：是指由一地向另一地进是指由一地向另一地进行消息的有效传递。行消息的有效传递。通信的目的：通信的目的：就是传递消息。就是传递消息。本书对通信的定义：本书对通信的定义：利用电子等技术利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号）实现从一手段，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称为通信。地向另一地进行消息的有效传递称为通信。7/13/20244二、信号、消息和信息二、信号、消息和信息.各种通信业务中传输的内容，统称为消息。.信息可被理解为消息中包含的有意义的内容，是消息的内涵。.信号是消息的替代物，是通信的直接对象。（消息与电信号一一对应）7/13/20245三、通信网三、通信网、概念：为了完成多用户中任意两个用户之间信源与信宿之间的通信过程，需要建立一个网络，这个多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网(理论)、构成：a.终端设备：电话、电报、监视器（摄像头）等b.传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等7/13/20246c.交换设备：程控交换、交换、光交换等。d.协议和准则7/13/202477/13/20248交 换 的 产 生实际模型7/13/202491.2 通信系统的组成通信系统的组成图图1-1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型 信源信源（信息源，也称发终端）：把待传（信息源，也称发终端）：把待传输的消息转换成原始电信号，称之为消息信输的消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。号或基带信号。1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型 7/13/202410 发送设备发送设备：将信源和信道匹配起来，：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，发送设备常常又可对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。分为信源编码与信道编码。7/13/202411 信道信道：信号传输的通道，可以是有线的，：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。在无线信道中，信道可以是大气、自由空间在无线信道中，信道可以是大气、自由空间（电磁波）（电磁波）在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。有线和无线信道均有多种物理媒质。7/13/202412 噪声源：噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多种多样的，可分为：内部噪声和外部噪声 为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。7/13/202413 接收设备接收设备：基本功能是完成发送设备的反变换，：基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。即进行解调、译码、解码等。任务是从带有干扰的接收信号中正确的恢复出相应任务是从带有干扰的接收信号中正确的恢复出相应的原始电信号来。的原始电信号来。对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。确分路。信宿信宿：是传输信息的归属点。：是传输信息的归属点。其作用是将复原的原始电信号转换成相应的消息。其作用是将复原的原始电信号转换成相应的消息。7/13/202414v按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。7/13/202415v连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。v离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。v消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。7/13/202416v按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号。v凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。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，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，v凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。7/13/202417v模拟信号波形(a)连续信号；(b)抽样信号7/13/202418v数字信号波形(a)二进制波形；(b)2PSK波形 7/13/202419.模拟通信系统的模型模拟通信系统的模型 1.2.2 模拟通信系统模拟通信系统.信道中传输的是模拟信号。（电信号的参量连续取值）7/13/202420v信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如：v语音信号为3003400Hz，图象信号为06MHz。v调制器的作用是将这种具有低频分量的基带信号（一般不宜直接传输）变换成其频带适合在信道中传输的信号（已调信号）。v解调器完成与调制器相反的变换。7/13/202421.已调信号有三个基本特性：已调信号有三个基本特性：（1）携带有消息；）携带有消息；（2）适合在信道中传输）适合在信道中传输 （3）频谱具有带通形式，且中心频率远）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。（因而已调信号又称频带信号）离零频。（因而已调信号又称频带信号）.模拟通信系统中两种重要变换：模拟通信系统中两种重要变换：（1 1）连续消息到电信号相互变换；）连续消息到电信号相互变换；（2 2）基带信号到调制信号的变换；）基带信号到调制信号的变换；7/13/202422.模拟通信的主要特点：1）抗干扰能力差2）不易于保密通信3）设备不易于大规模集成4）不适应飞速发展的计算机通信的要求5）简单、易于实现7/13/2024231.2.3 数字通信系统数字通信系统 信道中传输数字信号（电信号的参量携信道中传输数字信号（电信号的参量携带离散消息）的系统，称为数字通信系统，带离散消息）的系统，称为数字通信系统，它包括以下三种：它包括以下三种：1.数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统 基本特征基本特征：消息或信号具有：消息或信号具有“离散离散”或或“数字数字”的特性，同时强调已调参量与代表的特性，同时强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。消息的数字信号之间的一一对应关系。7/13/202424 数字通信的优势和存在的问题：数字通信的优势和存在的问题：（1）可实现）可实现差错控制编码即信道编码差错控制编码即信道编码；（2）容易）容易实现保密通信；实现保密通信；（3）数字通信中必须有数字通信中必须有“同步同步”。图图1-3 数字频带传输通信系统的模型数字频带传输通信系统的模型7/13/202425v技术问题主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。7/13/2024261)信源编码与译码v作用一:是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。v作用二:是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。v信源编码方法：PCM、ADPAM、DM等 v信源译码是信源编码的逆过程。7/13/2024272）信道编码与译码v数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。v接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。v信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。7/13/2024283）加密与解密v在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。v在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。7/13/2024294）数字调制与解调v数字调制就是把数字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。v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。v对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。v对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。7/13/2024305）同步与数字复接v同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。v按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步v数字复接就是依据时分复用基本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。7/13/202431正弦载波调制：用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。7/13/202432 2.数字基带传输通信系统数字基带传输通信系统 基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以及波形变换等；及波形变换等；接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。图图1-4 数字基带传输系统模型数字基带传输系统模型7/13/202433 3.模拟信号数字化传输通信系统模拟信号数字化传输通信系统 发端将模拟信号数字化，即进行发端将模拟信号数字化，即进行A/DA/D转换；转换；接收端需进行相反的转换，即接收端需进行相反的转换，即D/AD/A转换。转换。图图1-5模拟信号数字化传输系统模型模拟信号数字化传输系统模型7/13/2024341.2.4 数字通信的主要特点数字通信的主要特点 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；）抗干扰能力强；（2）差错可控；）差错可控；（3）易加密；）易加密；（4）易于与现代技术相结合。）易于与现代技术相结合。2.亟待解决的问题亟待解决的问题 （1）提高频带利用）提高频带利用；（2）简化系统设备结构。）简化系统设备结构。7/13/202435v练习通信系统一般模型模拟通信模型数字通信系统模型7/13/2024361.3 通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式1.3.1 通信的分类通信的分类 1.按传输媒质分：按传输媒质分：有线通信和无线通有线通信和无线通信；信；2.按信道中所传信号的特征分：按信道中所传信号的特征分：模拟模拟通信系统与数字通信系统；通信系统与数字通信系统；3.按按工工作作频频段段分分：长长波波通通信信、中中波波通通信信、短短波波通通信信、微微波波通通信信等等。具具体体情情况况见见表表1-1；7/13/202437 4.按调制方式分：按调制方式分：基带传输和频带传输；基带传输和频带传输；5.按业务的不同分：按业务的不同分：电报、电话、电传电报、电话、电传 6.按收信者是否运动分：按收信者是否运动分：移动通信和固定移动通信和固定通信。通信。另外，通信还有其它一些分类方法，如另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信、时分多按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等；按用户类型可分址通信、码分多址通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信等。为公用通信和专用通信等。7/13/2024381.3.2 通信方式通信方式 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 通通信信方方式式可可分分为为单单工工通通信信、半半双双工工通通信信及全双工通信三种。及全双工通信三种。（通信方式通信方式）7/13/202439 2.按数字信号排序分（按数字信号排序分（通信方式通信方式）可将通信方式分为串序传输和并序传输。可将通信方式分为串序传输和并序传输。7/13/202440 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：两点间通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式，直通方式、分支方式和交换方式，图图1-8 按网络形式划分的通信方式按网络形式划分的通信方式（a）两点间直通方式；（）两点间直通方式；（b）分支方式；）分支方式；（c）交换方式）交换方式7/13/2024411.4 信息及其度量信息及其度量 信息定义：信息定义：消息中包含的有意义的内容。消息中包含的有意义的内容。信信息息量量与与消消息息出出现现的的概概率率有有关关，具具体体可可以以描述为如下规律：描述为如下规律：（1）消消息息中中所所含含信信息息量量是是消消息息出出现现概概率率的的函函数；数；（2）消消息息出出现现的的概概率率愈愈小小，它它所所含含信信息息量量愈愈大；反之信息量愈小；大；反之信息量愈小；7/13/202442 （3）若若干干个个互互相相独独立立事事件件构构成成的的消消息息所所含含信息量等于各独立事件信息量的和。信息量等于各独立事件信息量的和。信息量信息量 I 和消息出现概率和消息出现概率P(x)的关系为：的关系为：信息量的单位取决于对数底数信息量的单位取决于对数底数a的取值：的取值：a=2 单位为比特（单位为比特（bit，简写为，简写为b）；）；a=e 单位为奈特（单位为奈特（nat，简写为，简写为n）；）；a=10 单位为哈特莱。单位为哈特莱。7/13/202443例例1.1 设设二二进进制制离离散散信信源源，数数字字0或或1以以相相等等的概率出现，试计算每个符号的信息量。的概率出现，试计算每个符号的信息量。解解:二进制等概率时二进制等概率时 有有 即二进制等概时，每个符号的信息量相即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为等，为1bit。7/13/202444 当各个符号出现的概率不相等时，当各个符号出现的概率不相等时，计算计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。消息的信息量，常用到平均信息量的概念。平均信息量定义：每个符号所含信息的平均信息量定义：每个符号所含信息的平均值。用符号平均值。用符号 表示。表示。多进制时，设各符号出现的概率为：多进制时，设各符号出现的概率为：且且 7/13/202445则平均信息量（信息源的熵）为：由于H同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。7/13/2024461.主要性能指标主要性能指标一、一、一般通信系统的性能指标一般通信系统的性能指标 一般通信系统的性能指标归纳起来有以下一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面几个方面:有有效效性性、可可靠靠性性、适适应应性性、经经济济性性、保保密密性性标标准准性性、维维修修性性、工工艺艺性性等等。而而本本书书只只研研究究通信系统的通信系统的有效性和可靠性。有效性和可靠性。7/13/202447 对对于于模模拟拟通通信信来来说说，系系统统的的有有效效性性和和可可靠靠性性具具体体可可用用系系统统频频带带利利用用率率和和输输出出信信噪噪比比（或或均方误差）来衡量。均方误差）来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性和对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。7/13/202448二、二、有效性指标的具体表述有效性指标的具体表述 1.码元传输速率码元传输速率 定义：定义：单位时间内传输码元的数目；单位时间内传输码元的数目；单位：单位：波特（波特（Baud），用符号），用符号“B”表示；表示；符号：符号：Tb为码元宽度。为码元宽度。7/13/202449 2.信息传输速率信息传输速率 定义：定义：单位时间内传输的信息量；单位时间内传输的信息量；单位：单位：比特比特/秒秒(bit/s)，简记为，简记为b/s或或bps；符号：符号：,它它与与N有关。有关。3.与与 之间的互换之间的互换 它们之间在数值上有如下关系：它们之间在数值上有如下关系：7/13/202450 4.多进制与二进制传输速率之间的关系多进制与二进制传输速率之间的关系 码码元元速速率率不不变变，二二进进制制信信息息速速率率与与多多进进制信息速率之间的关系：制信息速率之间的关系：系统信息速率不变，多进制码元速率与系统信息速率不变，多进制码元速率与二进制码元速率之间的关系：二进制码元速率之间的关系：7/13/202451三、三、可靠性指标的具体表述可靠性指标的具体表述 数数字字通通信信系系统统可可靠靠性性的的指指标标是是利利用用差差错错率来衡量。差错率通常有两种表示方法。率来衡量。差错率通常有两种表示方法。1.码元差错率（码元差错率（误码率误码率）发发生生差差错错的的码码元元数数在在传传输输总总码码元元数数中中所所占占的的比比例例，也也就就是是说说，误误码码率率就就是是码码元元在在传传输系统中被传错的概率。输系统中被传错的概率。7/13/202452结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
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