第一章-基本概念通信系统概论

,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,现代移动通信网络技术,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,课时：,48,学时,授课教师：杨光教材：现代通信系统原理 聂敏、艾达等,电子工业出版社,西安邮电学院通信工程系,联系方式：,杨光 通信与信息工程学院 通信工程系,办公地点：,3#,实验楼,324,办公电话：,88166348,电子邮件：,考核方式：,平时（,30%,）,+,期末（,70%,）,平时成绩得分标准：共计,100,分,作业不交 每次扣,10,分,点名不到 每次扣,10,分,迟到超过,5,分钟 每次扣,5,分,3,授课内容：,第一章 基本概念,第二章 数字传输原理,第三章 数据通信技术,第四章 交换技术第五章 光纤通信,第六章 移动通信,第七章 信息安全技术第八章 通信新技术习题课,第一章 基本概念,通信工程系,21,世纪，计算机和通信技术在飞速发展，它们的结合具有划时代的意义。以计算机为代表的,IT,产业和以语音、数据通信为代表的,CT,产业，融合为了,ICT,（,Information and Communication Technology,）产业。,通信,：将内容转换成文字、声音、标识，通过某种装置变成,电磁信号,，通过光纤、铜线、无线等传送方式（,信道,），从地球的某个角落传送到另一角落。,第一章 基本概念,1.1,通信系统与通信网,通信系统,通信系统,特指使用光信号或电信号传递信息的系统。,克服时间、空间的障碍，有效而可靠地传递信息是所有通信系统的,基本任务,。,7,图,1-1-1,基本的点对点通信的一般模型,点到点通信系统,信源：,负责产生信息，,信源可以是,人或机器；,发送设备：把信源发出的信息变换成,适合信道中传输,的信号。,信道,：,信号传输,媒介,的,总称，,分有线信道、无线信道。,接收设备：将经过信道传输的信号（混杂噪声和干扰）还原为接收者可以接收的信息；,信宿,：信息的最终接收者,。,噪声源,：,是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示，分加性噪声、乘性噪声。,通信的传输方式,按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。,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。,单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。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。,发端,信道,收端,单工方式传输是只能单方向传输的通信方式,通信的传输方式,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工作方式。,半双工方式是通信双方可以收发消息，但不能同时收和发的工作方式,终端,A,终端,B,信道,发,收,发,收,终端,A,终端,B,信道,发,收,发,收,通信的传输方式,所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。,在这种方式下，双方都可同时进行收发消息。很明显，全双工通信的信道必须是双向信道。,生活中全双工通信的例子非常多，如普通电话、手机等。,终端,A,终端,B,发,收,发,收,信道,1,信道,2,全双工是通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式,通信的传输方式,模拟信号与数字信号,信号：,信号是信息的表达形式，在现代通信系统中，信号大部分是电信号或光信号,.,模拟信号,:,承载信息的参量在时间上连续，在取值上也连续。,数字信号,:,承载信息的参量在时间上离散，且取值为有限多个。,模拟信号与数字信号,模拟信号与数字信号,模拟信号,数字信号,14,数字通信的特点,抗干扰能力强,易于集成化,易于实现压缩编码,便于加密处理,便于实现综合业务数字网,便于智能化,占用信道带宽较宽,信号的频域分析,例，有两个正弦波，一个振幅为,3V,、频率为,1Hz,；另一个振幅为,1V,、频率为,3Hz,，画出它们的合成波形。,我们也可以说,红实线波形可以分解为上述两个不同振幅、不同频率正弦波的叠加,。,图,1-1-3,合成波形,信号的频域分析,上述结论可以用频谱图形象地表示出来。,频谱图中，两条,谱线的长度,分别代表两个正弦波的,振幅,；,谱线,在频率轴上,的位置,分别为两个正弦波的频率。,图1-1-,4,红实线波形的频谱图,一般情况：任何模拟波形的信号（,语音信号,）都可以,分解为若干个不同振幅、不同频率的正弦波的叠加。,例：语音信号的波形和频谱,称,B=f,H,-f,L,为语音信号的,信号带宽,。,信道是指传输信号的通道。,设信道的输入电压为,u,i,(,t,)，,输出电压为,u,o,(,t,),。,信号从发送端发出的时刻为,t,i,，,信号到达接收端的时刻为,t,o,。,信道,图,1-1-5,信道示意图,信道,定义信道的传输系数为：,K,(,f,)=,u,o,/u,i,定义信道的时延系数为：,(,f,)=,t,o,-t,i,通常,K,和,都是频率,f,的函数，所以式中分别表示为,K,(,f,)、,(,f,),理想信道特性,理想的信道：在信号带宽范围内，传输系数和时延系数不随频率而改变，为一条水平直线。,定义“信道带宽”：,信号在信道上的无失真传输条件,按照传输方式介质分为有线介质（双绞线、同轴电缆、光纤）和无线介质（无线电、微波、红外线）,传输介质,纤芯,包层,保护套,西安邮电学院通信工程系,双绞线,双绞线结构：绝缘扭绞铜导线,+,护套。,采用双线扭绞的形式主要是为减少线间的低频干扰，扭绞得越紧密抗干扰能力越好。,双绞线优点：便宜，易于安装,缺点：串音随频率的升高而增加，抗干扰能力差，带宽一般较低，传输距离较近。,西安邮电学院通信工程系,优点：抗干扰能力强于双绞线，适合于高频宽带传输,缺点：成本高，不易安装埋设。,同轴电缆通常能提供,500,750 MHz,的带宽，目前主要应用于,CATV,和光纤同轴混合接入网。,同轴电缆,光纤,高折射率,低折射率,光纤特点,(1),大容量。,(2),体积小、重量轻。,(3),低衰减、抗干扰能力强,本身也不向外部辐射能量。,西安邮电学院通信工程系,多模光纤,：纤芯直径为,50 m,或,62.5 m,，允许多个光传导模式同时通过光纤。存在模式色散，影响传输速率和距离。主要用于短距低速传输，比如接入网和局域网，一般传输距离应小于,2 km,。,单模光纤,：纤芯直径为,4,10 m,只允许光信号以一种模式通过纤芯。传输特性好，带宽高，距离远。目前长途传输主要采用单模光纤。,包层直径,：,125 m,，外套直径为,245 m,。,常用波长窗口,：,850 nm,、,1310 nm,和,1550 nm,。在局域网中较常采用,850 nm,，而在长距离和高速率的传输条件下的城域网和长途网中均采用,1550 nm,波长。,光纤分类：多模光纤和单模光纤,西安邮电学院通信工程系,输入脉冲,输出脉冲,单模光纤,多模光纤与单模光纤,输入脉冲,输出脉冲,多模光纤,特点：模拟通信系统,传输连续的模拟信号、占用带宽少,、,抗干扰能力较弱、不适与远距离传输、系统和设备庞大，不利于集成化。,模拟通信系统与数字通信系统,模拟通信系统,数字通信系统,特点：,传输离散的数字信号、占用带宽较大,、,抗干扰能力强、实现远距离高质量传输、实现综合业务数字化、易于加密，安全性强、通信设备集成化。,通信系统分类,按通信内容分,语音通信、数据通信、图像通信、多媒体通信,按信号特征分,模拟通信系统、数字通信系统,按传输媒介分,有线通信（双绞线、同轴电缆、光纤通信）,无线通信（短波、微波、卫星）,通信网,点到点通信系统只能解决两方通信的问题，为解决多方通信问题，需要组建通信网络。,问题：采用什么样的结构？,30,西安邮电学院通信工程系,点到点全互连网,特点,简单,高可靠性,高成本,难以实现集中控制管理,仅适于少量用户的互连,西安邮电学院通信工程系,交换式网络,交换式结构的网络是最佳选择之一,用户线,交换式网络的优点：,节约资源，降低成本,易于扩容，便于控制与管理,中继线,西安邮电学院通信工程系,通信网的定义和构成,定义：通信网是由一定数量的,节点,和连接这些节点的,传输系统,有机地结合在一起，按约定,信令和协议,完成任意用户间信息交换的通信体系。,构成要素,软件设施：信令、协议、控制、管理、计费,硬件设施：终端节点,交换节点,业务节点,传输系统,西安邮电学院通信工程系,电话机、传真机、计算机、视频终端和,PBX,等,(1),用户信息的处理,(2),信令信息的处理,终端节点,西安邮电学院通信工程系,如电话交换机、分组交换机、路由器,(1),用户业务的集中和接入功能。,(2),交换功能。,(3),信令功能。,(4),其他控制功能。,交换节点,西安邮电学院通信工程系,如业务控制节点,(SCP),、智能外设、语音信箱系统，,Internet,上的各种信息服务器等。,(1),实现独立于交换节点的业务的执行和控制。,(2),实现对交换节点呼叫建立的控制。,(3),为用户提供智能化、个性化、有差异的服务。,业务节点,西安邮电学院通信工程系,传输系统为信息的传输提供传输信道，并将网络节点连接在一起。,硬件组成包括：传输媒介、线路接口设备、交叉连接设备等。,传输系统,西安邮电学院通信工程系,通信网的功能结构,从功能的角度看，一个完整的现代通信网可分为相互依存的三部分：业务网、传送网、支撑网,西安邮电学院通信工程系,负责向用户提供各种通信业务，采用不同交换技术的交换节点、业务节点等设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网。如基本话音、数据、多媒体、租用线、,VPN,等。,业务网,西安邮电学院通信工程系,负责按需为交换节点,/,业务节点之间的互连分配电路，在这些节点之间提供信息的透明传输通道。,构成传送网的主要技术要素有：传输介质、复用体制、传送网节点技术等。,主要的传送网有,PDH,、,SDH/SONET,和光传送网,(OTN),传送网,西安邮电学院通信工程系,负责提供业务网正常运行所必须的信令、同步、网络管理、业务管理、运行管理等功能。包括,:,信令网,实现节点间的信令的的传输和转接,同步网,实现设备间的信号时钟同步,管理网,提高全网服务质量、充分利用全网资源,支撑网,通信业务是电信部门利用通信系统，按用户的需求为用户传递信息，提供各类通信服务项目。,按信息载体分：话音、数据,（短信）,、图文,（彩信）,、多媒体,（手机视频）,；,按用户活动状态分：固定业务,（固定网本地电话）,和移动业务,（移动电话）,；,按业务提供方式分：基本业务,（语音电话业务）,和增值业务,（可视电话会议服务）,通信业务,1.2 信息和信息量,1.,2,.,1,信息的定义和度量,（,1,）,消息,：,是一组有序,的,符号序列（包括状态、字母、数字等）或连续时间函数,（,如语音、图像等,），,前者称为离散消息，后者称为连续消息。,（,2,）,信息,：,是抽象的消息，一般用数据来表示。,“信息” 可被理解为消息中包含的有意义的内容。每一个消息都传递了一些信息，但某些消息比另外一些消息传递了更多的信息。,于是就有如何度量消息中包含多少信息的问题，也即信息的度量问题。,举例说明：,如果甲告诉乙消息,A:,明天可能比今天热,。乙会不以为然，因为消息,A,很可能发生。如果甲告诉乙消息,B,：“明天气温接近,65,。,C,”。乙会大为吃惊，因为消息,B,几乎不可能发生。使乙“不以为然”和“大吃一惊”的原因是前者属于老生常谈，没什么新的信息；而后者是违背常规的，在乙以往储备的信息中完全没有这种认识，是全新的信息。从此事例可以看出，,事件越不可能，越使人感到意外和惊奇，信息量就越大。,概率论告诉我们，事件的不确定程度，可以用其出现的概率来描述。亦即事件出现的可能性越小，则概率就越小，概率性小即不确定性大；反之，则概率就越大,。,1.2 信息和信息量,为了计算信息量，消息中所含的信息量,I,与消息,x,出现的概率,间的关系式应能反映如下规律,：,消息中所含的信息量,I,是出现该消息的概率,的函数，即,消息的出现概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当,时，,若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即,1.2 信息和信息量,不难看出，,I,与,之间遵从如下关系：,如果取对数的底,为,2,，则信息量的单位为比特,( bit),。,二进制数字信号中，每个码元所含信息量为,用二进制代码，即一个“,0,”或“,1,，传送两个等概率消息中的任何一个，最少需要,1,个二进制代码，每一个二进制代码所包含的信息量定义为,1,比特。,1.2 信息和信息量,码元,：携带信息的数字单元称作码元。它是指在数字信道中传送数字信号的一个波形符号，它可能是二进制的，也可能是多进制的。,比特：,是信息的度量单位。一位二进制数所携带的信息量即为一比特（,bit,缩写为,b,）。,例如，,10010110,，八位二进制数字，所携带的信息量为,8,比特。,1.2 信息和信息量,1.,2,.,2,二进制与多进制,例 求下图,1-2-1,所示分别为二进制和四进制码元序列的信息量,1.2 信息和信息量,图1-2-1 二进制和四进制码元序列,对于图1-2-1（,a,）,所示的二进制码元序列，只有两个计数符号，0和1出现的概率相等：,P,(0)=,P,(1)=1/2，,则任何一个0或1码元的信息量为：,I,=,log,2,1/,P,(0)=,log,2,1/,P,(1）=,log,2,2=1(,bit,),1.2 信息和信息量,对于图1-2-1,(,b,),所示的四进制码元序列，其有四个计数符号,0,、,1,、,2,、,3,，且出现概率均为,1/4,，,P,(0)=,P,(1)=,P,(2)=,P,(3)= 1/4，,则四进制一个码元的信息量为：,1.2 信息和信息量,I = log,2,1/P = log,2,4 = 2(bit),1.2 信息和信息量,二进制传输与多进制传输的比较：,由于多进制每个码元包含的信息量大，,所以采用多进制，信息传输效率高；,从图,1-2-1,可见，采用二进制时，噪声电平大于,E/2,，才会引起误码；而采用四进制，只要噪声电平大于,E/6,，就会引起误码。所以，,进制数越多，抗干扰能力越差；,1.2.3,信道容量,信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信道容量的单位是比特,/,秒,(b/s),，即信道的最大比特率。,信道容量是一定,S/N,下的信道能达到的最大信息传输速率，实际通信系统的信息传输速率一般低于信道容量。,1.2 信息和信息量,1.2.3,信道容量,模拟信道的信道容量可以根据香农公式计算。香农,(Shannon),公式指出：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率,(,信道容量,)C,为,S/N,为平均信号,/,噪声功率比，噪声为正态分布的加性白噪声；,B,为信道带宽；,C,为信道容量。,1.2 信息和信息量,香农定理指出了达到一个既定信道的最大容量，却没有提及如何实现它，所以香农容量这是一个衡量实际通信系统性能的尺度。,以上关于信道噪声的讨论都是以高斯白噪声为前提的，对于其他类型的噪声，香农公式需要修正才能适用实际的情况。,1.2 信息和信息量,通信系统的主要性能指标包括有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性、维护性等，其中最主要的性能指标是有效性与可靠性。,有效性,指标用于衡量系统的,传输效率,。,可靠性,指标用于衡量系统的,传输质量,。,有效性与可靠性的关系：一对矛盾。有效性越高，可靠性越差；可靠性越高，有效性越差。,数字系统,的主要的性能指标有：,传输速率、频带利用率、差错率等。,1.,3,通信系统的主要性能指标,1传输速率,-,数字系统的有效性指标,传输速率是指在单位时间内通过信道的平均信息量，一般有：,码元传输速率,信息传输速率,1.,3,通信系统的主要性能指标,（,1,）,码元传输速率,码元传输速率,指数字通信系统单位时间,（,每秒,）,内传输的码元,（,符号,）,个数。,其单位为波特,(Baud ),，常用符号“,B,”表示。,码元传输速率仅仅表征单位时间内传输的码元数目，而没有限定码元是何种进制，即码元可以是多进制的，也可以是二进制的。,码元传输速率为,是码元宽度，,单位为波特,。,1.,3,通信系统的主要性能指标,【例,1,】系统,2s,内共传送,4 800,个码元，则系统码元传输速率为多少,?,码元传输速率,是二进制传码率,；,是,N,进制传码率。,1.,3,通信系统的主要性能指标,（,2,）,信息传输速率,信息传输速率,简称传信率，又称信息速率或,比特率,。,它表示单位时间,（,每秒,）,内传送信息的数量，单位为,bit/s,，可记为“,b/s,”或“,bps,。,其中，,N,为符号的进制数。,，,传输二进制信息时，,信息,传输速率和码元传输速率是一致的，记为,【,例,2】,某信源,1s,内传递,1200,个符号，且每个符号的信息量为,1 bit,，则该信源的传信率,？,1.,3,通信系统的主要性能指标,【例,3,】已知二进制系统在,2min,内共传递了,7200,个码元，求：码元速率,和信息速率,各为多少？,如果码元宽度不变,(,即码元速率不变,),，但改为八进制数字信号，则码元速率,为多少？信息速率,为多少？,解：,若改为八进制系统，则,此例说明,：,系统,不变，对不同进制信号传输的信息量不一样。,1.,3,通信系统的主要性能指标,2.,误码率,-,-,数字系统的可靠性指标,数,字,传输系统的可靠性指标是平均误码率，它是衡量数字通信系统在正常工作情况下可靠性的主要指标。误码率通常以二进制码元,(,二进制代码,),作为计算的基准。,误码率定义,为：接收端收到的二进制码元中发生错误的码元个数,( n,e,),与发送端已发送的总码元个数,(n),之比。,如果实际系统传输的不是二进制码元，须折合成二进制码元来计算。,误码率一般记为,P,e,，即,1.,3,通信系统的主要性能指标,【例,4,】已知八进制数字通信系统的信息速率,为,12 kbit/s,，在接收端,30min,内共测得出现,216,个错误码元，试求系统的误码率,。,解：,根据公式,1.,3,通信系统的主要性能指标,2.,误码率,-,数字系统的可靠性指标,误比特率,：,用,P,b,表示,，即,：,1.,3,通信系统的主要性能指标,3.,频带利用率,在比较不同通信系统的效率时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的频带宽度。,通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力越大。所以，真正用来衡量数字通信系统传输效率,（有,效性,）,的指标应当是单位频带内的传输速率，即,：,或,其中，,是码元,传输,速率，,是信息,传输,速率。,1.,3,通信系统的主要性能指标,思考题,什么是通信？什么是信息？,什么是模拟信号，什么是数字信号。,画图说明一般的数字通信系统模型。并说明数字通信系统的优点。,通信系统的主要性能指标有哪些？分别是如何定义的？,从功能上看，电信网由哪三部分构成？各部分作用是什么？,