1.1 通信系统的组成

1、主要内容主要内容n 课程简介：通信的一般处理规则课程简介：通信的一般处理规则n 考核方式：考核方式：30%平时平时+70%笔试笔试n 主要参考书：主要参考书：张辉，张辉，现代通信原理与技术现代通信原理与技术（第（第2版）西安电版）西安电子科技大学出版社子科技大学出版社 樊昌信，樊昌信， 通信原理通信原理(第第6版版) 国防工业出版社国防工业出版社周炯槃，通信原理，北京邮电大学出版社周炯槃，通信原理，北京邮电大学出版社Simon Haykin, Communication Systems, 电子工电子工业出版社（影印版：通信系统）业出版社（影印版：通信系统）第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨

2、理工大学课程的基本内容课程的基本内容n 绪论绪论n 随机过程随机过程n 信道与噪声信道与噪声n 模拟通信系统模拟通信系统n 数字信号的基带传输数字信号的基带传输n 数字信号的频带传输数字信号的频带传输n 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输n 数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学关于本课程关于本课程 通信原理为专业技术基础课程，要求重通信原理为专业技术基础课程，要求重点掌握通信系统的基本概念和分析方法，以点掌握通信系统的基本概念和分析方法，以及信息传输的基本原理；熟悉各种通信技术及信息传输的基本原理；熟悉各种通信技术的基本特点以及性能；在此基础上，

3、研究通的基本特点以及性能；在此基础上，研究通信系统的设计，了解通信发展方向。信系统的设计，了解通信发展方向。第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学 1.1 通信系统基本概念及组成通信系统基本概念及组成 1.2 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式 1.3 信息及其度量信息及其度量 1.4 通信系统性能指标通信系统性能指标 1.5 通信发展趋势通信发展趋势第第 1 1 章章 绪论绪论第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学n18世纪，提出用电流进行通信的设想世纪，提出用电流进行通信的设想n1838年，年，F.B. Morse 发

4、明有线电报发明有线电报n1864年，年，J.C. Maxwell提出电磁辐射方程提出电磁辐射方程n1876年，年，A. G. Bell 发明电话发明电话n1896年，年，G. Marconi发明无线电报发明无线电报n1901年，横跨大西洋的无线通信成功年，横跨大西洋的无线通信成功n1906年，年，Lee deForst 发明真空管发明真空管n1918年，年，E.H. Armstrong发明发明AM广播，超外差接收机广播，超外差接收机n1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通信年，开始采用三路明线载波电话，多路通信n1936年，年，E. H. Armstrong发明发明FM广播广播n1937

5、年，年，A. Reeves发明发明PCM调制原理调制原理2. 通信发展简史通信发展简史第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学n1938年，电视广播开始年，电视广播开始n1940-45年，二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展年，二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展n1948年，发明了晶体三极管；统计理论建立；年，发明了晶体三极管；统计理论建立；Shannon发发表表通信的数学理论通信的数学理论n1950年，时分多路通信应用于电话年，时分多路通信应用于电话n1953年，敷设了第一条越洋电话电缆年，敷设了第一条越洋电话电缆(36话路话路)n1957年，前苏联发射第一颗人造地球通信卫星年，

6、前苏联发射第一颗人造地球通信卫星n1958年，发明第一块集成电路（年，发明第一块集成电路（TI）n1961年，年，FM立体声广播开播立体声广播开播n1964年，第一台全电子电话系统问世年，第一台全电子电话系统问世n1972年，年，Motorola发明蜂窝电话发明蜂窝电话n1989年，年，GPS发明发明n1990，超大规模集成电路的大量使用，计算机和通信正，超大规模集成电路的大量使用，计算机和通信正向着兼容互补的方向发展向着兼容互补的方向发展第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学（1）通信系统的一般模型）通信系统的一般模型通信系统的作用就是将信息从信源传送到一个或多个通信系统的作用就是将

7、信息从信源传送到一个或多个目的地。实现信息传递所需的一切技术设备目的地。实现信息传递所需的一切技术设备(包括信道包括信道)的的总和称为通信系统。通信系统的一般模型如下图所示。总和称为通信系统。通信系统的一般模型如下图所示。 3. 通信系统的组成通信系统的组成图 1 1 通信系统一般模型第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学图中各部分的功能简述如下图中各部分的功能简述如下:信息源信息源(简称信源简称信源)是消息的发源地是消息的发源地,其作用是把各种消其作用是把各种消息转换成原始电信号息转换成原始电信号(称为消息信号或基带信号称为消息信号或基带信号)。根据消。根据消息种类的不同息种类的不同

8、,信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源送出的是模拟信号源送出的是模拟信号,如麦克风如麦克风(声音声音音频信号音频信号)、摄像机、摄像机(图像图像视频信号视频信号);数字信源输出离散的数字信号数字信源输出离散的数字信号,如电传如电传机机(键盘字符键盘字符数字信号数字信号)、计算机等各种数字终端。并且、计算机等各种数字终端。并且,模拟信源送出的信号经数字化处理后也可送出数字信号。模拟信源送出的信号经数字化处理后也可送出数字信号。 发送设备发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。：产生适合于在信道中传输的信号。第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学 噪声

9、源噪声源不是人为加入的设备不是人为加入的设备,而是信道中的噪声以及通信而是信道中的噪声以及通信系统其他各处噪声的集中表示。噪声通常是随机的系统其他各处噪声的集中表示。噪声通常是随机的,其形式是其形式是多种多样的多种多样的,它的存在干扰了正常信号的传输。关于信道与噪它的存在干扰了正常信号的传输。关于信道与噪声的内容将在第声的内容将在第3章中讨论。章中讨论。接收设备接收设备的功能是放大和反变换的功能是放大和反变换(如滤波、译码、解调如滤波、译码、解调等等),其目的是从受到干扰和减损的接收信号中正确恢复出原其目的是从受到干扰和减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。始电信号。受信者受信者(信宿信宿)是

10、传送消息的目的地。其功能与信源相反是传送消息的目的地。其功能与信源相反,即将复原的原始电信号还原成相应的消息即将复原的原始电信号还原成相应的消息,如扬声器等。如扬声器等。第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学4. 模拟通信模型和数字通信模型模拟通信模型和数字通信模型 上图中，信源发出的消息虽然有多种形式，上图中，信源发出的消息虽然有多种形式， 但可分为但可分为两大类：两大类： 一类称为连续消息；另一类称为离散消息。连续消一类称为连续消息；另一类称为离散消息。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。离散消息则是指

11、消息的状态是可数的或离散的，片等。离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的， 如符如符号、数据等。号、数据等。 消息的传递是通过它的物质载体消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的，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；率或相位； 脉冲波的幅度、宽度或位置）。按信号参量的取脉冲波的幅度、宽度或位置）。按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号。值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号。 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学凡信号参量的取值连续凡信号参量的取值连续

12、(不可数不可数,无穷多无穷多),则称为模拟信号。则称为模拟信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。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这个连续是指信号的某一参量可以连续变化以连续变化,或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值,而不而不一定在时间上也连续一定在时间上也连续,如图如图1-2(b)所示的抽样信号。所示的抽样信号。 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学图 1 2 模拟信号波形 (a)连续信号; (b)抽样信号 第 1 章 绪论20

13、22-5-4哈尔滨理工大学 图 1 -3数字信号波形 (a) 二进制波形； (b) 2PSK信号波形 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学 （1）模拟通信系统模型）模拟通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。 我们知道，信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是我们知道，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，如语音信号为指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz， 图像信号为图像信号为06MHz。由于这种信号具有频率很低的频谱分量，。由于这种信号具有频率很低的频谱

14、分量， 一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。经过调制以后的信号和反变换作用的通常是调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特征：一是携带有信息，称为已调信号。已调信号有三个基本特征：一是携带有信息，二是适合在信道中传输，三是信号的频谱具有带通形式且中心二是适合在信道中传输，三是信号的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。频率远离零频

15、，因而已调信号又称频带信号。第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学需要指出需要指出,消息从发送端到接收端的传递过程中消息从发送端到接收端的传递过程中,不仅不仅仅只有连续消息与基带信号、基带信号与频带信号之间的仅只有连续消息与基带信号、基带信号与频带信号之间的两种变换两种变换,实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。由于以上两种变换对信号的变化起决定射、控制等过程。由于以上两种变换对信号的变化起决定性作用性作用,而其他过程对信号不会发生质的变化而其他过程对信号不会发生质的变化,因此因此,本书中本书中关于模拟通信系统的研究重点是关于模

16、拟通信系统的研究重点是:调制与解调原理以及噪调制与解调原理以及噪声对信号传输的影响声对信号传输的影响(详见第详见第4章章)。 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学图 1-4 模拟通信系统模型模拟通信系统两种变换：模拟通信系统两种变换：模拟消息模拟消息 原始电信号（基带信号）原始电信号（基带信号）基带信号基带信号 已调信号（带通信号）已调信号（带通信号）第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学（2） 数字通信系统模型数字通信系统模型 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学n1) 信源编码与译码信源编码与译码 信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降信源编码的作用之一是设法

17、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。作用之二是，当信息源给反映了通信的有效性。作用之二是，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。第数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。第6章章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制编码调制(PCM)和增量调制和增量调制(M)。信源译码是信。信源译码是

18、信源编码的逆过程。源编码的逆过程。 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学2)信道编码与译码信道编码与译码数字信号在信道传输时数字信号在信道传输时,由于噪声、衰落以及人为干扰等由于噪声、衰落以及人为干扰等,将会引起差错。为了减小差错将会引起差错。为了减小差错,信道编码器对传输的信息码元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按一定的规则加入保护成分(监督元监督元),组成所谓组成所谓“抗干扰编抗干扰编码码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码。接收端的信道译码器按一定规则进行解码,从解码过程从解码过程中发现错误或纠正错误中发现错误或纠正错误,从而提高通信系统抗干扰能力从而提高

19、通信系统抗干扰能力,实现可实现可靠通信。靠通信。 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学3)加密与解密加密与解密在需要实现保密通信的场合在需要实现保密通信的场合,为了保证所传信息的安全为了保证所传信息的安全,人为将被传输的数字序列扰乱人为将被传输的数字序列扰乱,即加上密码即加上密码,这种处理过程叫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数字序列进行解密,恢复原来信息。恢复原来信息。 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学4)数字调制与解调数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到

20、高频处数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处,形形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控振幅键控ASK、频移键控、频移键控FSK、绝对相移键控、绝对相移键控PSK、相对、相对(差分差分)相移键控相移键控DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非。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。对高斯噪声下的信号检测相干解调还原为数字基带信号。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。一般用相关器接收机或匹配滤波器。 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学5)同步同步同步是保证数字通信系统有

21、序、准确、可靠工作的前同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。提条件。需要说明的是需要说明的是,图图1-5是数字通信系统的一般化模型是数字通信系统的一般化模型,实实际的数字通信系统不一定包括图际的数字通信系统不一定包括图1-5中的所有环节中的所有环节,如在某如在某些有线信道中些有线信道中,数字基带信号无需调制就可以直接传送数字基带信号无需调制就可以直接传送,称称之为数字信号的基带传输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其模型中就不包括调制与解调环节节,详见第详见第5章。章。应该指出的是应该指出的是,模拟信号经过数字编码后可以在数字通模拟信号经过数字编码后可以在数字

22、通信系统中传输信系统中传输,数字电话系统就是以数字方式传输模拟话音数字电话系统就是以数字方式传输模拟话音信号的例子。当然信号的例子。当然,数字信号也可以在模拟通信系统中传输数字信号也可以在模拟通信系统中传输,如计算机数据可以通过传统的电话网来传输如计算机数据可以通过传统的电话网来传输,但这时必须使但这时必须使用调制解调器用调制解调器(Modem),以适应模拟信道的传输特性。以适应模拟信道的传输特性。 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学（3） 数字通信的主要特点数字通信的主要特点 目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得

23、到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相显超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求，比，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求， 其特点是：其特点是： 第 1 章 绪论2022-5-4哈尔滨理工大学 抗干扰能力强抗干扰能力强,且噪声不积累。且噪声不积累。以二进制为例以二进制为例,数字信号的数字信号的取值只有两个取值只有两个,这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过程中受到噪声的

24、干扰程中受到噪声的干扰,必然会发生波形畸变必然会发生波形畸变,接收端对其进行抽接收端对其进行抽样判决样判决,以辨别是两个状态中的哪一个。只要噪声的大小不足以辨别是两个状态中的哪一个。只要噪声的大小不足以影响判决的正确，就能正确接收。而模拟通信系统中传输以影响判决的正确，就能正确接收。而模拟通信系统中传输的是连续变化的模拟信号，它要求接收机能够高度保真地重的是连续变化的模拟信号，它要求接收机能够高度保真地重现信号波形，如果模拟信号叠加上噪声后，即使噪声很小，现信号波形，如果模拟信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。此外，在远距离传输，如微波中继通信时，也很难消除它。此外，在远距离传输，如微波中继通信时，各中继站可利用数字通信特有的判决再生接收方式，对数字各中继站可利用