第一章 基本概念通信系统概论

1、 通信系统概论通信系统概论 课时：课时：48学时学时 授课教师：杨光授课教师：杨光 教材：现代通信系统原理教材：现代通信系统原理 聂敏、艾达等聂敏、艾达等 电子工业出版社电子工业出版社 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 通信系统概论通信系统概论 授课内容：授课内容： 第一章第一章 基本概念基本概念 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理 第三章第三章 数据通信技

2、术数据通信技术 第四章第四章 交换技术交换技术 第五章第五章 光纤通信光纤通信 第六章第六章 移动通信移动通信 第七章第七章 信息安全技术信息安全技术 第八章第八章 通信新技术通信新技术 习题课习题课 通信系统概论通信系统概论 第一章第一章 基本概念基本概念 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 置变成电磁信号电磁信号，通过光纤、铜线、

3、无线等传送方式（信信 道道），从地球的某个角落传送到另一角落。 第一章第一章 基本概念基本概念 1.1通信系统与通信网通信系统与通信网 通信系统通信系统 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。 图1-1-1 基本的点对点通信的一般模型 点到点通信系统点到点通信系统 信源信宿发送设备接收设备信道 噪声和干扰 （发送端 ）（接收端 ） 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

4、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。 n 通信的传输方式通信的传输方式 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。及全双工通信三种。 单工通信单工通信 n是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。 n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）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

5、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。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 通信的传输方式通信的传输方式 n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。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 通信的传输方式通信的传输方式 n所谓全双工通信，是指通信双

6、方可同时进行双向传输消息的工作方式。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。 n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。信道必须是双向信道。 n生活中全双工通信的例子非常多，如普通电话、手机等。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 通信的传输方式通信的传输方式 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 信号：信号：信号是信息的表达形式，在现代通信系统信号是信息

7、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中，信号大部分是电信号或光信号. . 模拟信号模拟信号: :承载信息的参量在时间上连续，在取承载信息的参量在时间上连续，在取 值上也连续。值上也连续。 数字信号数字信号: :承载信息的参量在时间上离散，且取承载信息的参量在时间上离散，且取 值为有限多个。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与数字信号 051015202530 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 原 始 语 音 信 号 time(s) 幅度 模拟信号 数字信号 数字通信的特点数字通信的特点 抗干扰能力强 易于集成化 易于实现

8、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红实线 波形可以分解为上述两波形可以分解为上述两 个不同振幅、不同频率个不同振幅、不同频率 正弦波的叠加正弦波的叠加。 图1-1-3 合成波形 00.511.522.533.54 -2 0 2 第 一 个 信 号 00.511.522.533.54 -1 0 1 第 二 个 信 号 00.511.522.533.54 -2 0 2 合 成 信 号 时 间 /s 信号的

9、频域分析信号的频域分析 上述结论可以用频谱图形象地表示出来。 频谱图中，两条谱线的长度谱线的长度分别代表两个正弦波的振幅振幅； 谱线谱线在频率轴上的位置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=fH-fL为语音信号的信号带宽信号带宽。 051015202530 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 原 始 语 音 信 号 time(s) 幅度 0500100015002000250030003500 10 20 30 40

10、50 60 70 80 原 始 语 音 信 号 FFT频 谱 Hz 幅度 信道是指传输信号的通道。 设信道的输入电压为ui(t)，输出电压为uo(t)。 信号从发送端发出的时刻为ti，信号到达接收端的 时刻为to。 信道信道 图1-1-5 信道示意图 信道信道 定义信道的传输系数为： K(f)=uo/ui 定义信道的时延系数为： (f)=to-ti 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”： 信号频率；：信道容许通过的最低 信号频率；：信道容许通过的最高 L

11、 H LH f f ffB 信号在信道上的无失真传输条件B信号带宽信道带宽 B 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） 传输介质传输介质 纤纤 芯芯 包包 层层 保保 护护 套套 双绞线双绞线 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。 扭距 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。 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500750 MHz的带宽，目前

12、主要应用于 CATV和光纤同轴混合接入网。 外部保护套 外导体 内导体 绝缘层 同轴电缆同轴电缆 光纤光纤 外 套包 层 纤 芯 小 于 临 界 角 的 光 线 将 被 外 套 吸 收 入 射 角反 射 角 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。 多模光纤多模光纤：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。 单模光纤单模光纤：纤芯直径为410 m, 只允许光信号以一种模式通过纤

13、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。 包层直径包层直径：125 m，外套直径为245 m。 常用波长窗口常用波长窗口：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 输入脉冲 输出脉冲单模光纤 多模光纤与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与数字通信系统

14、 信息源信息源调制器调制器信道信道解调器解调器受信者受信者 噪声源噪声源 模拟通信系统 数字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。 通信系统分类通信系统分类 按通信内容分按通信内容分语音通信、数据通信、图像通信、多媒体通信语音通信、数据通信、图像通信、多媒体通信 按信号特征分按信号特征分模拟通信系统、数字通信系统模拟通信系统、数字通信系统 按传输媒介分按传输媒介分有线通信（双绞线、同轴电缆、光纤通信）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）无线通信

15、（短波、微波、卫星） 通信网通信网 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？ 点到点全互连网点到点全互连网 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 交换式网络交换式网络 交换式结构的网络是最佳选择之一交换式结构的网络是最佳选择之一 用户线用户线 交换式网络的优点：交换式网络的优点： 节约资源，降低成本节约资源，降低成本 易于扩容，便于控制与管理易于扩容，便于控制与管理 中继线中继线 通信网的定义和构成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

16、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 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 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 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

17、化、个性化、有差异的 服务。 业务节点 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 通信网的功能结构通信网的功能结构 电话网Internet 移动网 ATM网FR网 业务网 信令网 管理网 同步网 SDH/SONET 光传送网 传送网 支撑网 图1.4 现代通信网的功能结构 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 负责向用户提供各种通信业务，采用不同交换技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术的交换节点、业务

18、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、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、多媒体、租用线、VPN等。等。 业务网业务网 负责按需为交换节点负责按需为交换节点/业务节点之间的互连分配电路，在这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。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。送网节点技术等。 主要的传送网有主要的传送网有PDH、SDH/SONET和光传送网和光传送网(OTN) 传送网传送网 负责

19、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） 通信业务通信业务 1.2 信息和信息量信息和信息量 1.2.1 信息的定义和

20、度量信息的定义和度量 （1）消息消息：是一组有序是一组有序的的符号序列（包括状态、字母、数字等）或连符号序列（包括状态、字母、数字等）或连 续时间函数续时间函数（如语音、图像等如语音、图像等），），前者称为离散消息，后者称为连续前者称为离散消息，后者称为连续 消息。消息。 （2）信息信息：是抽象的消息，一般用数据来表示。是抽象的消息，一般用数据来表示。 n“信息信息” 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。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。 n于是就有如

21、何度量消息中包含多少信息的问题，也即信息的度量问题。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：举例说明： n如果甲告诉乙消息如果甲告诉乙消息A:明天可能比今天热明天可能比今天热。乙会不以为然，因为消息。乙会不以为然，因为消息A很很 可能发生。如果甲告诉乙消息可能发生。如果甲告诉乙消息B：“明天气温接近明天气温接近65。 。C” ”。乙会大为吃惊。乙会大为吃惊 ，因为消息，因为消息B几乎不可能发生。使乙几乎不可能发生。使乙“不以为然不以为然”和和“大吃一惊大吃一惊”的原因的原因 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，在乙以往是前者属于老生常谈，没

22、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，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，事事 件越不可能，越使人感到意外和惊奇，信息量就越大。件越不可能，越使人感到意外和惊奇，信息量就越大。 n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，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， 则概率就越大则概率就越大。 1.2 信息和信息量信息和信息量 为了

23、计算信息量，消息中所含的信息量为了计算信息量，消息中所含的信息量 I 与消息与消息 x 出现的概率出现的概率 间的间的 关系式应能反映如下规律关系式应能反映如下规律： n消息中所含的信息量消息中所含的信息量 I 是出现该消息的概率是出现该消息的概率 的函数，即的函数，即 n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，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， 且当且当 时，时， n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，即息量的和，即 ( )P x ( )P x ( )II P x (

24、 )1P x 0I 1212 () () () ()II P x P xI P xI P x 1.2 信息和信息量信息和信息量 不难看出，不难看出，I与与 之间遵从如下关系：之间遵从如下关系： 如果取对数的底如果取对数的底为为2 ，则信息量的单位为比特，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二进制数字信号中，每个码元所含信息量为 ( )P x 1 loglog( ) ( ) aa IP x P x 22 1 2 1 =loglog 21bitI 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

25、含的信 息量定义为1比特。 1.2 信息和信息量信息和信息量 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 信息和信息量信息和信息量 1.2.2 二进制与多进制二进制与多进制 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 信息和信息量信息和信息量 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

26、(0)=P(1)=1/2， 则任何一个0或1码元的信息量为： I=log21/P(0)=log21/P(1）=log22=1(bit) 1.2 信息和信息量信息和信息量 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 信息和信息量信息和信息量 I = log21/P = log24 = 2(bit) 1.2 信息和信息量信息和信息量 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，所以采用多所以采用多 进制，信息传输效率高；进制，

27、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，抗干扰能进制数越多，抗干扰能 力越差；力越差； 1.2.3 1.2.3 信道容量信道容量 n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。 n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 信息和信息量信息和信息量 1.2.3 1.2.3 信道容量信道容量 n模拟信道的信道容量可以根据香农公式计算。香农 (Sh

28、annon)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 nS/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。 2 lo g1/ S CBb its N 1.2 信息和信息量信息和信息量 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、

29、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。 n有效性有效性指标用于衡量系统的传输效率传输效率。 n可靠性可靠性指标用于衡量系统的传输质量传输质量。 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。 数字系统数字系统的主要的性能指标有：传输速率、频带利用率、传输速率、频带利用率、 差错率等。差错率等。 1.3 通信系统的主要性能指标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： n码元传输速率 n信息传输速率 1.3 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 （1）码元传输速

30、率码元传输速率 n码元传输速率码元传输速率 指数字通信系统单位时间指数字通信系统单位时间（每秒每秒）内内 传输的码元传输的码元（符号符号）个数。个数。 n其单位为波特其单位为波特(Baud )，常用符号，常用符号“B”表示。表示。 n码元传输速率仅仅表征单位时间内传输的码元数目，而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。可以是二进制的。 n码元传输速率为码元传输速率为 是码元宽度，是码元宽度， 单位为波特单位为波特。 b T B R 1 B b R T B R 1.3 通

31、信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 【例【例1】系统】系统2s内共传送内共传送4 800个码元，则系统码元传个码元，则系统码元传 输速率为多少输速率为多少? n 码元传输速率码元传输速率 是二进制传码率是二进制传码率； n 是是N进制传码率。进制传码率。 14800 2400B 2s B b R T 个码元 2B R BN R 1.3 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 （2）信息传输速率信息传输速率 n信息传输速率信息传输速率 简称传信率，又称信息速率或简称传信率，又称信息速率或比特率比特率 。它表示单位时间它表示单位时间（每秒每秒）内传送信息的数量，单位为内传送信息的数量

32、，单位为 bit/s，可记为，可记为“b/s”或或“bps。 n其中，其中，N为符号的进制数。为符号的进制数。 ， n传输二进制信息时，传输二进制信息时，信息信息传输速率和码元传输速率是一传输速率和码元传输速率是一 致的，记为致的，记为 N2 log bB RRN b R 22bB RR 【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？ 2 1200bit/s bB RR 1.3 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 【例【例3 3】已知二进制系统在】已知二进制系统在2min2min内共传递了内共传递了72007200个码元，求：个码元，求

33、： 码元速率码元速率 和信息速率和信息速率 各为多少？各为多少？ 如果码元宽度不变如果码元宽度不变( (即码元速率不变即码元速率不变) )，但改为八进制数字信，但改为八进制数字信 号，则码元速率号，则码元速率 为多少？信息速率为多少？信息速率 为多少？为多少？ 解：解： 若改为八进制系统，则若改为八进制系统，则 此例说明此例说明：系统系统 不变，对不同进制信号传输的信息量不一样。不变，对不同进制信号传输的信息量不一样。 2B R b2 R 2 17200 60 B 2 60 B b R T 22 60 bit/s bB RR 8B R b8 R 8 7200 60 B 260 B R 88 860 3180 bB RR 2 logbit/s B R 1.3 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 2. 误码率误码率-数字系统的可靠性指标数字系统的可靠性指标 n数数字字传输系统的可靠性指标是平均误码率，它是衡量数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率