通信系统概论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 通信系统概论,1.1 绪论,通信,广义上说用任何方法通过任何媒介跨时,/,空传递信息，均称为通信。,1.1 绪论,通信的定义：,是指由一地向另一地进行消息的有效传递。,通信的目的：,就是传递消息。,本课程对通信的定义：,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称为通信。,1.2 通信系统的组成,1.2.1 通信系统模型,信,源,信,宿,噪声源,信道,发送设备,接收设备,产生或发出消息的人或机器,将信源产生的消息信号,变换成便于传送的形式,从带有干扰的接收信号中正确恢复出原始信号,接受消息的人或机器,信号传输的通道,各处噪声的集中表现,1.2 通信系统的组成,信 源 ：,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。,发送设备,：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。,信道,：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的。,接收设备,： 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来。,信宿,：将复原的原始电信号转换成相应的消息。,1.2 通信系统的组成,1.2.2,模拟通信系统和数字通信系统,1.,信源消息分为两大类,连续消息,离散消息,消息的载体是电信号， 电信号的变化体现在某一参量的变化上（如连续波的幅度、频率或相位； 脉冲波的幅度、宽度或位置）。,消息的状态连续变化或是不可数的。,如语音、活动图片等,消息的状态是离散的或是可数的。,如符号、数据等,1.2 通信系统的组成,信号分类,：按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类。,模拟信号 数字信号,t,f(t),0,时间连续、参量连续,t,f(t),0,时间离散、参量离散,t,f(t),0,时间离散、参量连续,抽 样,量 化,1.2 通信系统的组成,2.,模拟通信系统模型,利用模拟信号来传递信息的通信系统,信息源,调制器,信道,解调器,受信者,噪声源,基带信号,已调信号,1.2 通信系统的组成,模拟通信系统中两种重要变换：,（1）连续消息到电信号相互变换,（2）基带信号到调制信号的变换,优点,：,技术成熟、设备简单、成本低。,缺点,：易受干扰、频带不宽、频带利用率不高、信号处理难、不易集成和设备庞大等。,1.2 通信系统的组成,3.,数字通信系统模型,利用数字信号来传递信息的通信系统,信,息,源,信,源,编,码,器,信,道,编,码,器,数,字,调,制,器,信,道,数,字,解,调,器,信,道,译,码,器,信,源,译,码,器,受,信,者,噪声源,1.2 通信系统的组成,数字通信涉及的技术内容有,：,1）编/译码包括信源编码/译码、信道编码/译码。,2）调制/解调数字调制/解调,3）数字复接,4）同步,5）加密,1.2 通信系统的组成,信源编码的作用,（,1,）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。,（,2,）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。,1.2 通信系统的组成,信道编码与译码,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”。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。,1.2 通信系统的组成,加密与解密,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,。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,。,1.2 通信系统的组成,数字调制与解调,数字调制是将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。,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,1.2 通信系统的组成,同步与数字复接,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,。,按照同步的功用不同，可分为 载波同步,位同步,群同步,网同步,1.2 通信系统的组成,数字通信的,优点,（1）,抗干扰能力强,。,（2）,差错可控,。 可以采用信道编码技术使误码率降低， 提高传输的可靠性。,（3）,易于与各种数字终端接口,，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。,（4）,易于集成化,， 从而使通信设备微型化。,（5）,易于加密处理,， 且保密强度高。,1.2 通信系统的组成,数字通信的,缺点,（1）,占据更宽的系统频带（频带利用率不高）,一路模拟电话带宽为4kHz，,一路数字电话可能要占据 2060kHz的带宽。,（2）系统设备比较复杂,数字通信的,前景,宽带信道（光纤）的发展，其缺点已可以接受，在现代通信的发展中已成为主流。,1.2 通信系统的组成,基带信号,是指信号的频谱从零频附近开始，由于这种信号具有频率很低的频谱分量， 一般不宜直接传输。,语音信号：,3003400Hz,图像信号,：,06MHz,1.2 通信系统的组成,已调信号,是指,经过调制以后的信号,有三个特征,1. 携带有信息,2. 适合在信道中传输,3. 是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频。,已调信号又称,频带信号,。,1.3 通信系统的分类与通信方式,1.3.1,通信系统的分类,按通信业务分类,话务通信：,电话通信,非话务通信：,计算机通信、数据库检索、电子信箱等。,按调制方式分类,基带传输：,将未经调制的信号直接传送,频带传输：,对各种信号调制后传输的总称,表 1 - 1 列出了一些常见的调制方式,1.3 通信系统的分类与通信方式,按信号特征分类,模拟通信系统,数字通信系统,按传输媒质分类,有线通信系统 电缆通信,光纤通信,无线通信系统 短波通信,微波中继通信,卫星通信,1.3 通信系统的分类与通信方式,按工作波段分类,长波通信,中波通信,短波通信,微波通信,工作波长和频率的换算公式为,式中，,为工作波长，,f,为工作频率，,c,为光速。,表 1 -2 列出了通信使用的频段、 常用的传输媒质及主要用途,1.3 通信系统的分类与通信方式,按信号复用方式分类,传输多路信号有三种复用方式：,1,）,频分复用,：频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。,2,）,时分复用,：时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间。,3,）,码分复用,：用正交的脉冲序列分别携带不同信号。,传统的模拟通信中都采用频分复用，随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用愈来愈广泛，码分复用主要用于空间通信的扩频通信中,。,1.3 通信系统的分类与通信方式,1.3.2,通信方式,1 按消息传递的方向与时间关系分,单工通信：,消息只能单方向传输的工作方式。,半双工通信：,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。,全双工通信：,通信双方可同时进行收发消息的工,作方式。,三种方式示例比较,三种方式示意图,1.3 通信系统的分类与通信方式,2. 按数字信号排列顺序分,并行传输：,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。,适用于设备之间的近距离通信,串行传输：,数字序列以串行方式一个接一个地在一条,信道上传输。,适用于远距离数字通信,并行和串行通信方式示意图,1.3 通信系统的分类与通信方式,1.3 通信系统的分类与通信方式,发送,信道,接收,单工：广播,发送,信道,接收,双工：手机,发送,信道,接收,半双工：对讲机,1.3 通信系统的分类与通信方式,1.4 数字通信系统性能指标,有效性,和,可靠性,是评价一个通信系统优劣的主要性能指标,有效性,是指在给定信道内所,传输,的信息内容的多少，是传输的“,速度,”问题；,可靠性,是指,接收,信息的准确程度，是传输的“,质量,”问题。,1.4 数字通信系统性能指标,1. 模拟通信系统性能指标,（1）有效性：,有效的传输频带,（2）可靠性：,输出信噪比,2. 数字通信系统性能指标,（1）有效性：,传输速率和系统频带利用率,（2）可靠性：,差错率,1.4 数字通信系统性能指标,传输速率,有两种表示方法,（,1,）,码元传输速率,（,又称,传码率,）,：,系统每秒钟传送码元的数目，单位是,波特,，常用符号“,B,”,表示。,例如，若,2,秒内传,4800,个码元，则传码率为,数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度,T,有关。,2400B,1.4 数字通信系统性能指标,（2）,信息传输速率,（,又称,传信率、比特率,）,：,单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。,两者之间既有联系，也有区别,R,b,= R,B,log,2,N (bits),【思考讨论题】,某一数字通信系统传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，而另一通信系统传输的是十六进制码元，6s传输了7200个码元。,哪个系统传输速度快？,四进制码元：,R,B,=2000B；R,b,=4000bit/s,十六进制码元：,R,B,=1200B；R,b,=4800bit/s,【答】,1.4 数字通信系统性能指标,多进制信息传输速率,对于,N,进制码元的传输，每一个,N,进制码元可用,log,2,N,个二进制码元表示,（,N=2,n,，,n,为每位多进制码元所用二进制码元表示的位数）,传输一个,N,进制码元相当于传输了,log,2,N,个二进制码元。,在码元速率（,R,B,）保持不变条件下，二进制信息速率与,N进制信息速率之间关系为：,【思考1 】,已知八进制数字信号的传输速率为1600波特。试问变换成二进制数字信号时的传输速率为多少？,解：,R,b,= R,bN,2,N = 1600 ,2,8 = 4800 b/s,【思考2】,已知二进制数字信号的传输速率为2400b/s 。试问变换成四进制数字信号时，传输速率为多少波特？,解：,R,b,= R,bN,2,N,R,bN,= R,b,2,N = 2400/2=1200,波特,1.4 数字通信系统性能指标,系统频带利用率,通信系统所占的频带越宽，传输信息的能力就越强。系统频带利用率表示数字通信系统的有效性。,对于采用二进制传输时的系统频带利用率表示为,1.4 数字通信系统性能指标,差错率,（,1,）误码率（码元差错率）,（,2,）误比特率（比特差错率）,【例】,设在125微秒内传输250个二进制码元，计算信息传输速率；若该信码在2秒内有3个码元产生误码，试问其误码率是多少？,解：,1.5 通信技术的发展,古代：,烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信,这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。,现代：,电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式,目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。,1.5 通信技术的发展,按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：,第一阶段 语言,第二阶段 文字、邮政,第三阶段 印刷术、出版物,第四阶段 电报、电话、广播,第五阶段 通信与计算机的结合、网络,1.5 通信技术的发展,1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。,最早的电通信设想,1.5 通信技术的发展,1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机, 发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。,最早的有线电报,莫尔斯发出第一封,电报设备的复制品,1.5 通信技术的发展,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,Alekander Graham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。,1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。,最早的有线电话,1.5 通信技术的发展,1887年3月21日，德国物理学家赫兹（Hertz）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。,电磁波的发现,1.5 通信技术的发展,1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。,最早的无线通信,1.5 通信技术的发展,1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。,人类首次远距离无线电通信,1.5 通信技术的发展,在过去三四十年间，对数据传输需求的增长以及大规模集成电路的发展，促进了数字通信的发展。目前数字通信在,卫星通信,、,光纤通信,、,移动通信,、,微波通信,等领域有了新的进展。 下面我们就从这几个方面来了解通信的现状和未来发展趋势。,1.5 通信技术的发展,1 卫星通信系统,卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站，它能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站， 从而实现两个或多个地域之间的通信。根据通信卫星与地面之间的位置关系，可以分为静止通信卫星(或同步通信卫星)和移动通信卫星。静止通信卫星是轨道在赤道平面上的卫星，它离地面高度为35 780 km，采用三个相差120的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外)。,1.5 通信技术的发展,2 光纤通信系统,光纤通信是以光导纤维(简称光纤)作为传输媒质、以光波为运载工具（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大量节约有色金属和能源。自从1977年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来， 光纤通信发展迅速，已成为各种通信干线的主要传输手段。,1.5 通信技术的发展,3数字蜂窝移动通信系统,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。,