现代通信原理：第一章 通信概论

1、第一章 通信概论 1.1 通信系统模型 1.1.1 通信系统一般模型通信的定义广义：交换信息，传输信息，把信息从一地传到另一地；狭义：用电子的手段传送声音、图象、数据等信息；（电通信）通信工程是电子工程的一个分支。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和交换;通信的目的是传输信息而非输送电能。1计算机点到点通信实例计算机计算机MODEMMODEM信宿发送器接收器信道信源数据流2通信系统：实现通信过程的全部技术设备 和信道(媒质)的总和。3一、通信模型通信的基本目的是由信源向信宿传送消息。 通信的最基本要求是迅速和可靠。4二、通信模型组成部分及功能信源。顾

2、名思义，指信息产生的源头，可以是人或设备。其发出的信息也可以是多种多样的，如语音、文字、图像、数据等。这些信息可以是离散的，也可以是连续的。5 发送器。种类及其功能多样化，如编码、调制、放大、滤波、发射等。发送器含有与传输线路匹配的接口，其基本作用是将信源发出的信息转换成便于传输的某种信号。模拟与数字通信系统两者的发送器功能有很大差异。6 信道。即信息传输通道，也是传递物质信号的媒介。信道可以是明线、电缆、波导、光纤、无线电波等。7 噪声源。是整个系统噪声与干扰的总折合，用以表征信息在信道中传输时遭受的干扰情况。在任何通信系统中，干扰的性质与强弱都是影响系统性能的重要因素。8 接收器。其作用主

3、要是接收信道中的信号，并转换成发送前相同表示形式的信息传递给信宿，与发送器功能正好相反。对接收器的要求是尽可能地从受干扰的信号中精确地提取和还原来自信源的信息。9信宿。信息传输的目的地，即接收消息的人或机器。10三、通信模型工作原理 信源产生的发送信息可表示为随时间变化的输入信号g(t)，它通常不适于直接在信道上传输。 g(t)需由发送设备进行某种变换，变为信号s(t)，既载有信源的信息，同时又便于在信道上传输。11 通过信道后的信号为r(t)，接收设备对其进行相对于发送的逆变换。 由于信号在传输中受到了噪声n(t)的干扰，逆变换后的信号g(t) 仅是信号g(t)的近似值或估计值。12 噪声的

4、干扰实际存在于整个通信系统中，为便于分析，并考虑到信道上的干扰最为严重，故通信模型把噪声干扰集中在信道上表示为n(t)。13四、DTE与DCE数据通信系统中，发送端信源和接收端的信宿称为DTE(数据终端设备,Data Terminal Equipment)，如计算机之类的终端设备。 发送和接收设备称为DCE (数据电路端接设备, Data Circuit Terminating Equipment)。DCE有时也称作数据通信设备(Data Communication Equipment)。DTEDTEDCEDCE14五、通信模型的说明 该通信模型示意图是原理性的，表面上描述的是一个一对一的单向

5、通信系统，但它却是适于各种通信系统的一个抽象模型，概括地反映了各种通信系统实际应用中的共性。 实际应用中通信系统往往是双向的，而且可能是多个信源与多个信宿间的通信。如DCE到DCE，一般不是简单的点对点的关系，而是涉及比较复杂的网络结构，包含交换技术、路由选择等内容；图中的同步也只是一种时间上协调的会意性描述。151.2 通信系统分类 1.2.1 按信号特征分类模拟通信系统用来传送模拟信号的通信系统数字通信系统用来传送数字信号通信系统16模拟通信系统模型信源调制器解调器信宿干扰信道原始电信号基带信号调制信号已调信号频带信号原始电信号频带信号射频信号载波信号17模拟通信系统研究的主要问题 对基带

6、信号（原始电信号）的分析 调制解调器的原理与性能 噪声特性及对信号的影响 信道特性及对信号的影响18数字通信系统模型数字通信系统以数字信号形式来传输消息的通信方式信源直接发出数字信号或由模拟信号变换为数字信号数字通信系统模型19信源信源编码信道编码调制信道收信者信源译码信道译码解调噪声干扰数字通信系统组成(数字电话通信系统为例)20将信源的模拟信号转变成数字信号，即AD变换降低数字信号的数码率，即数据压缩信源信源编码信道编码调制信道收信者信源译码信道译码解调噪声干扰 信源编/译码（提高数字信号传输的有效性）21加、解密数字加密归并到信源编/译码器加密器可以产生密码，人为地将输人明文数字序列进行

7、扰乱。在接收端对接收到的数字序列进行解密，恢复明文。22信道编/译码（提高数字信号传输的可靠性）波形编码：改善波形检测性能。双极性波形、正交波形、多元波形、双正交波形等。差错控制编码：在信息码组中按一定的规则附加若干监督码元,增强相关性,在接收端利用相关性来检错及纠错)信源信源编码信道编码调制信道收信者信源译码信道译码解调噪声干扰23 用于建立通信系统收发两端相对一致的时间关系。同步系统：强调模拟通信系统也存在同步问题，如模拟电视传输系统。24研究的主要问题：信源编、译码信道编、译码加、解密技术调制、解调技术同步技术抗噪声性能数字基带传输最佳接收理论25 数字通信的特点抗干扰能力强、可靠性高（

8、可利用再生中继去除噪声积累）可以综合传递各种信息易于加密便于用现代数字信号处理技术对信号进行处理、滤波、存储、变换等传输中的差错容易控制，改善了传输质量容易集成化优点：26压缩频带提高频带利用率缺点： 系统设备复杂，对同步要求高，占用频带宽。 克服办法：选用宽频带的传输介质271.2.2 按消息的物理特征分类电报通信系统 传送数码与字母语音通信系统 电话 图像通信系统 传真，电视数据通信系统 计算机通信业 务 类 型281.2.3 按传输介质分类有线通信 电缆、明线、双绞线、光纤无线通信 包括长波、中波、短波、超短波、微波、卫星等29无 线 电 波 段 划 分频 率波长范围缩 写传输媒质主要用

9、途或场合30300kHz104 103mLF（低频） 双绞线无线电长波导航、信标、电力线通信300k3MHz103 102mMF 中频Middle同轴电缆无线电中波AM广播、业余无线电330MHz102 10mHF 高频同轴电缆无线电短波移动电话、短波广播业余无线电30300MHz10 1mVHF 甚高频同轴电缆无线电超短波FM广播、TV、导航移动电话300M3GHz100 10cmUHF 特高频Ultra同轴线波导分米波无线电TV 、遥测、雷达、蜂窝电话，GPS330GHz10 1cmSHF 超高频波导厘米波无线电微波通信、卫星通信、雷达30300GHz10 1mmEHF 极高频Extra波

10、导毫米波无线电微波通信、雷达、射电天文学105107GHz310-4 310-6cm紫外、红外、可见光光纤激光光通信30电 磁 波 频 谱 图311.2.4 按调制方式分类 调制传输：又称频带传输调制：对输入基带信号进行频域变换，将其频带搬移到适合于信道传输的频带上无线通信需要频带传输基带传输： 信号未经调制直接传输如市内电话局间传输，计算机局域网等32调制方式及用途调制方式用途连续波调制线性AM常规双边带调幅广播DSB抑制载波双边带调幅立体声广播SSB单边带调幅载波通信、无线电台、数传VSB残留边带调幅电视广播、数传、传真非线性FM频率调制微波中继、卫星通信、广播PM相位调制中间调制方式数字

11、ASK幅度键控数据传输FSK频率键控数据传输PSK、DPSK、QPSK、MPSK等相位键控数据传输、数字微波、空间通信QAM、MSK等其它高效数字调制（提高频带利用率）数字微波、空间通信脉冲调制脉冲模拟PAM脉幅调制中间调制方式、遥测PDM（PWM）脉宽调制中间调制方式PPM脉位调制遥测、光纤传输脉冲数字PCM脉码调制市话、卫星、空间通信DM、CVSD、DVSD等增量调制军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图象编码ADPCM、APC、LPC等其它语音编码方式中、低速数字电话331.2.5 按传输方向分类单工传输消息只能单方向传输。 双工传输通信双方都可以同时收发消息 半双工传输 通信双

12、方中至少一方收、发消息时需要在人工或自动的收/发转换装置控制下进行。34单工双工半双工示意图(a) 单工； (b) 半双工； (c) 全双工351.2.6 按数据传输并发性分类 串行传输数据被依次逐位送出；通常最低位b0在先，最高位b7最后。并行传输数据各位（b0b7）被同时/同步送出；需要N条数据线；在单线速率相同情况下，数据传输速率可达串行的N倍。36码组的串行传输 37码组的并行传输 381.2.7 按数据传输是否分包同步传输每个码元占用相等的时隙（time slot）。各码组（帧）之间以及各码元之间均不留间隔，接连传送 。 异步传输 每个码元占用相等的时隙。但各码组（帧）之间间隔不等，

13、传送过程中需要在数据帧的开始和结尾处附加相应的“起始码元”、“终止码元”。常设置有校验码。39 通信的根本任务就是迅速、准确地传递信息，两大主要性能指标：!有效性 通信系统在给定信道内单位时间内所能传输信息量的多少，即传输效率。 !可靠性 传输信息的准确程度，即传输质量。1.3 通信系统的性能度量401.3.1 模拟通信的性能度量模拟通信的有效性指标：有效传输带宽有效传输带宽是指“正确”传输指定模拟信号所需占用的模拟信道频带宽度。 对于同一个模拟信源信号，不同的模拟调制方式，传输占用的信道带宽是不同的。占用信道带宽越少，有效性越好。因为在一定的信道资源（通频带）下，该种调制通信方式可以在单位时

14、间传输更多的信息。41模拟通信的可靠性指标：均方传输误差 在相同的信号发射功率、信道传输特性和信道噪声级别下，通信系统输出的模拟波形与输入波形越接近，均方传输误差越小，可靠性越高。421.3.2 数字通信的性能度量数字通信的有效性指标：频带利用率频带利用率单位信道带宽内，所能达到的信息传输速率。其值越大，有效性越好。两个概念：码元速率RB，信息速率Rb43码元速率 RB 又称传码率、波特率；每秒传送的码元数；单位波特(Baud)=符号/秒、码元/秒。信息速率 Rb 又称传信率、比特率;每秒传送的信息量；单位是 bit/s，或英文缩写为bps 44对二进制信号：传信率和传码率有相同的数值；Rb2RB2对N进制信号：每个码元占用 log2N bit； 传信率Rb和传码率RB之间的关系:Rb = RBlog2N45数字通信的可靠性指标：误信率误码率（相对指标） Pe=错误接收码元数/传输的总码元数误信率（绝对指标） Pb=错误接收的信息量/传输的总信息量对于传输的