第一章通信系统概述

现代通信概论现代通信概论现代通信概论现代通信概论现代通信概论第一章概论1.1引言通信历史回顾1.2通信系统的基本概念和模型

1.2.2通信系统的分类1.2.3通信信道1.2.4通信系统主要性能指标1.2.5通信网1.3通信业务1.4现代通信技术发展趋势引言通信发展历史回顾历史故事远古通信手段现代通信手段历史故事原始的通信历史故事：“千金买笑”---（褒姒）马拉松故事良夜颐宫奏管簧，无端烽火烛穹苍。可怜列国奔驰苦，止博褒妃笑一场！远古通信手段击鼓“幽王烽火戏诸侯”、“梁红玉击鼓战金山”传说国外也有类似的例子。烽火台信鸽旗语驿站航行用的信号灯等工具。人类历史上最早的通信手段最早的远距离通信手段和现在一样是“无线”的，如以火光传递信息的烽火台，通常大家认为这是最早传递消息的方式了。事实上不是，在我国和非洲古代，击鼓传信是最早最方便的办法，非洲人用圆木特制的大鼓可传声至三四公里远，再通过“鼓声接力”和专门的“击鼓语言”，可在很短的时间内把消息准确地传到50公里以外的另一个部落

远古通信手段－烽火台图1摩洛哥国际电信联盟成立100周年发行的纪念邮票图2伊良纪念1975年世界电信日发行的纪念邮票远古通信手段－驿站邮票上的驿站通信：1979年5月12日希腊发行的欧罗巴邮政专题首日封，邮票为希腊乡村邮递员点燃松脂传递信号，高地筑墙，墙背面两边各有5个火炬插座，所燃火把数量和排列位置的不同，表示各种军事信息远古通信方式的弊端不论是击鼓、烽火、旗语（通过各色旗子的舞动）还是……，要实现消息的远距离传送，都需要中继站的层层传递，消息才能到达目的地。但是，远距离传递消息的速度和距离都很不如人意，迫切的需要一种新的传输手段谁能跑得又快又远呢？“电“远古通信：

目视光通信方式：在较远的距离之间较及时地完成信息的传递。现代通信：电信方式：电信：利用电信号驮载待传信息进行传输和交换的通信方式。通信（communication)作为电信（Telecomunication)是从19世纪30年代开始的。现代通信手段电报电话寻呼移动电话有线广播、无线广播有线电视、无线电视因特网现代通信发展历史回顾（1）理论发展1948年信息论问世（香农，又称shannon,仙农，山农），在理论上为数字通信准备了条件“通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似地再现另一点所选择的消息”——《通信的数学理论》用数理统计的方法来研究通信系统，影响深远的信息论解决如何精确地传送通信符号的基本技术问题。1969年“分组交换”理论问世（ARPAnet)现代通信发展历史回顾（2）技术发展1838年莫尔斯发明有线电报，标志着人类从此进入了电通信时代

(1831年法拉第）有线电报开创了人类信息交流的新纪元。“思想的瞬时大道”莫尔斯拍发的第一份电报：上帝创造了何等奇绩！

(Whathathgodwrought)SOS：的的的、嗒嗒嗒、的的的1843年，三万美金，建成了华盛顿—巴尔的摩电报线路该线路于1845年1月1日开始使用。1899年，人们首次用莫尔斯电码报道了英吉利海峡的一次海难。1912年4月15日，泰坦尼克号沉入海底，“SOS”此后被广泛使用。电报传送的是符号。人类最希望传递的是声音发送一份电报，得先将报文译成电码，再用电报机发送出去;在收报一方，要经过相反的过程，即将收到的电码译成报文，然后，送到收报人的手里。这不仅手续麻烦，而且也不能进行及时双向信息交流。因此，人们开始探索一种能直接传送人类声音的通信方式，这就是现在无人不晓的“电话”。现代通信发展历史回顾1876年贝尔发明电话（电磁感应原理制作的送话器）贝尔（1847－1922）英国人出生在苏格兰的爱丁堡1868年在伦敦工作1871年去波士顿工作1873年任波士顿大学声音生理学教授1875年发明多路电报1876年发明电话现代通信发展史的回顾

（贝尔与电话）现代通信发展历史回顾1895年

马克尼(意大利)，波波夫（俄国）发明无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域马可尼（1874—1937），意大利人。1894年在父亲的庄园试验1895年去伦敦1897年建立无线电报公司1899年首次实现美法无线通信1939年建立世界性无线通信网曾获诺贝尔奖金曾参加法西斯党现代通信发展历史回顾1906年1957年1969年发射第一颗人造卫星，太空通信时代到来因特网（Internet）的前身ARPAnet出现，被后人称为网络之父发明电子管，进入了电子时代，开辟了模拟通信的新纪元20世纪通信技术高速发展：双绞线－同轴电缆－微波－光纤－卫星长波－中波－短波－超短波－微波－毫米波21世纪通信与信息融入生活改变生活不可缺少1.2通信系统的基本概念和模型1.通信系统：传递信息所需要的一切技术设备和传输媒介。端到端的传送系统

通信系统实例2.通信系统基本模型：（P3）为把用户非电形式的消息传送到远方，现代通信技术在发送端需经：用户终端设备将信源的消息转换成电信号，并令其经信道传送到远方的接收端，接收端用户终端设备再从所接收信号中还原出受信消息（信宿）必要的通信流程：

消息信号处理传输信号还原消息上述通信流程，可用如图1-1所示的一个单向通信系统的基本模型表示。1.2通信系统的基本模型（1）信源、信宿信源：其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。信源、信宿可以是人或设备（2）发送与接收变换器（3）噪声源（干扰）噪声源是指系统内外各种干扰影响的等效结果。干扰是一种电信号，由噪声引起的对通信产生的不良影响的效应。为了分析问题方便，模型中把从发端机到收端机存在的干扰和噪声集中用一个噪声源表示.信噪比：信噪比是衡量传输系统噪声对信号影响的重要参数。是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比(S/N)。S/N=10lg(信号功率/噪声功率)(dB)在相同的条件下，系统的输出端的信噪比越大，则系统抗干扰的能力越大。通信系统的分类通信系统的分类方法很多，这里仅讨论由通信系统模型所引出的分类：1.按信源产生消息的物理特征分类通信可分为电话通信系统、电报通信系统、数据通信系统、图像通信系统、广播电视通信系统和多媒体通信系统。这些系统可以是专用的或单一的，但通常是兼容的或并存的。通信系统的分类2.按传输信号的特征分类以信道上传送的是模拟信号还是数字信号，可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。信道上传送的是模拟信号，则信道称为模拟信道，相应的通信系统称为模拟通信系统；信道上传送的是数字信号，则信道称为数字信道，相应的通信系统称为数字通信系统。通信系统的分类模拟通信系统模型：模拟通信系统的组成信息源调制器信道解调器受信者噪声源通信系统的分类数字通信系统模型（1）数字通信系统模型加密器编码器信道调制器解调器译码器解密器受信者信息源噪声源数字通信系统的特点数字通信系统与模拟通信系统相比较，有如下特点：抗干扰能力强，无噪声积累电路易于集成化，使通信设备体积小、功耗低便于采用各种数字信号处理技术，易于与计算机接口便于实现多种业务综合通信数字信号易于加密处理，保密性能强数字信号占用信道频带较宽数字通信系统的特点①抗干扰能力强，无噪声积累（a）模拟通信(b)数字通信数字通信系统的特点对于数字通信，因为数字信号由脉冲序列组成，在传输过程中虽然也产生脉冲失真和受到噪声干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，可在适当的距离采用中继再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，因而不造成“噪声传输积累”，可实现长距离高质量的传输。中继再生：首先判决：如当信号超过某一规定（门限电平）值，如接收信号A的一半时，就判为“1”，达不到某一规定门限时则判为“0”。如：高电平5v:“1”，低电平0v:“0”，在传输时受噪声影响，5v变8v，只要大于5v的值就判为“1”。然后再生：经过判决以后，就可按所作的判断重新形成新的数字信号，即所谓再生，于是消除了干扰噪声。这个过程，每经过一个再生中继器就重复一次。通信系统的分类结论:正因为采用了中继再生和检纠错的手段，所以数字传输不仅适于较远距离的传输，也能适应性能较差的线路。通信系统的分类通信系统的分类3.按传输媒介和系统组成特点分类实用的通信系统有下述五类：短波通信系统、微波通信系统、卫星通信系统、光纤通信系统、移动通信系统。上述几种通信系统的特点有待后面章节具体讲解。通信信道4.信道(channel)是连通信源和信宿之间的通道是信号传输媒介的总称；一个实际的传输信道可以由不同的传输媒介组成（1）信道的带宽：指信道不失真传输信号的频率范围，即信道容许通过的最高与最低信号频率之差。传输系统的带宽对传输性能的影响：若要求信道无失真地传输信号，则要求信道带宽B′≥信号的带宽B。因发送的信号包含有各种的频率成分，若其中的一部分已经落到信道所能通过的频率范围之外，所收到的信号中缺少了这部分频率成分，因此使信号产生了失真。通信信道（2）信道的分类按物理特性来分，信道可分有线和无线信道。有线信道：电磁信号被约束在有线传输线上传输。架空明线、双绞线、同轴电缆及光纤等；在有线电信中，它是传送电或光信号的导线，所以有线信道又称电信线路。无线信道：电磁信号沿自由空间传输。无线信道可利用的频段从长波、中波、短波到激光，有较宽的频段。在不同的频段，利用不同性能的设备和配置方法，可组成不同的通信系统。通信信道双绞线:对于点对点模拟信号传输，带宽为250KHz。通常用于模拟话音传输的双绞线的长度不超过5～6km，更长的线路需要加中间放大器。通信信道双绞线电缆：模拟信号、数字信号均可传两根直径约0.5mm外包绝缘材料的铜芯线扭绞成有一定规则的螺旋形状，多对（如4对）再同样扭绞在一起。可以大大减少或抵消线对之间的电磁干扰。特点：成本低。屏蔽（STP,ShieldTwisted-Pair）双绞线电缆非屏蔽(UTP，UnshieldTwisted-Pair)双绞线电缆通信信道通信信道同轴电缆：同轴电缆由一根实心的铜质线作为内导体、一个空心的铜质圆形薄皮作为外导体，内外导体之间由塑料绝缘材料隔离，外导体之外再被覆聚氯乙烯或其它绝缘材料，外导体以内导体为同心轴，所以称为同轴电缆。特点：抗干扰性能很强。50Ω的同轴电缆：局域网基带传输。传输带宽为1～20M

传输距离1～1.2km75Ω的同轴电缆：闭路电视系统（CATV）。频分多路复用50个信道。支持的带宽：300～450MHz。距离：100km通信信道光纤通信信道(3)信道的作用:信道是通信系统的重要组成部分，信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰或噪声以造成损害。损害表现为使信号产生畸变或衰弱（减），它们统称为信道的损耗。传输媒质的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。通信信道补充概念:衰减、增益和失真衰减：信号经过传输系统传输后，信号功率的减少。增益：信号经过传输系统传输后，信号功率的增加。通常用分贝来表示衰耗和增益。分贝是两个功率电平差别的度量，是无量纲的量。D=10lg(p2/p1)dB或D=10lg(p出/p入)dB如采用同轴电缆（SYV－75－9）作为传输介质，传输信号频率为200MHz时，每米对信号衰减0.1dB，所以每隔500米加一个放大器解决信号经过同轴电缆造成的衰减。双绞线传模拟信号每隔5～6km需加放大器，数字信号每隔2～3km加转发器（中继器）（由于用户线路的衰减为每公里1dB，而电话线通用标准为最大损耗低于6dB，所以每隔6km接一放大器）例:如果10mW功率的信号加到传输线上，而在某距离上测得的功率为是5mW则在这段线路上的衰减：Loss=10lg(5/10)=10(-0.3)=-3dB分贝有时也用来度量电压或电流的差别：因为有P=V2/R或

P=I2R则有D=10lg(P2/P1)=20lg(V2/V1)=20lg(I2/I1)

使用分贝可方便计算整个系统的衰耗或增益整个传输线路上的衰减或增益等于各分段线路上的衰减与增益的代数和。失真：信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变，波形的畸变称为失真。(4)信道的损耗对传输距离的影响传输的距离越远，信号的衰减就越严重。当信号衰减到一定程度，接收方无法辨认出接收到的信号时，通信将不能继续下去。为了进行长距离的通信，往往需要在传输线路中设立许多中继站，像接力赛跑一样，将衰减了的信号进行放大，然后接着往下传。通信方式通信方式：指通信双方（或多方）之间的工作形式和信号传输方式。根据不同的标准，通信方式也有多种分类法。

1.按通信对象数量的不同通信方式2.按信号传送的方向与传输时间的不同，两点（点与点）之间进行的通信，有三种基本的通信方式：单工通信:

如遥控、无线电广播、电视、将计算机的信息向打印机输出的场合都属于这种方式。半双工通信:典型例子是使用同一载波频率的无线电对讲机。全双工通信:电话通信、计算机之间的信息交换以及利用光波的光纤通信就属于这种通信方式。3）数字通信中,按照数字信号传输顺序的不同，通信方式可分为：串行传输：将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。并行传输：将数字信号码元分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。串行与并行通常情况下，并行通信用于距离较近的情况，串行通信用于距离较远的情况。这是因为实现串行数据传输的硬件具有经济性和实用性。在并行数据传输中，至少有8个数据位同时从一个设备传送到另一个设备，发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备。接收设备在收到这些数据后，不需经过任何改变就可以直接使用。计算机内部的总线数据传送通常都是以并行方式进行传输的。在串行数据传输中，每次由源地传到目的地的数据只有一位，与同时传输好几位数据的并行传输相比，串行数据传输的传输速度要比并行传输慢，但在实际应用中往往选择串行数据传输，通信系统的主要性能指标性能指标从研究信息的传输来说，通信的有效性与可靠性将是衡量通信系统性能的主要的指标。有效性是指消息传输的“速度”问题，可靠性主要是指消息的传输的“质量”问题，两者是相互矛盾的问题，只能依据实际要求取得相对的统一。通信系统的有效性和可靠性有效性指给定信道内传送信息的能力。可靠性指系统接收端恢复信息的准确度。1.模拟通信系统的有效性和可靠性（1）有效性：在模拟通信系统中，有效性通常可用有效传输带宽来衡量。工程上常用给定信道内可同时传输的电话路数来衡量传输信息的多少。因此，系统有效性的高低，就转化为在给定信道内可传话路数的多少。通信系统的主要性能指标（2）可靠性：模拟通信系统的可靠性常用系统输出端的信噪比来衡量。信噪比越高，通信质量就越好。如普通电话要求信噪比为30dB，电视图象则要求信噪比在40dB以上。在模拟通信系统中，传送的信号是一个模拟的电波形，它要求接收设备能够高保真的重现原始波形信号。所以模拟通信系统中追求的主要质量指标是较高的信噪比通信系统的主要性能指标2.数字通信系统的有效性和可靠性数字通信系统的有效性用数字信号的传输速率来衡量。可靠性用差错率来衡量。通信系统的主要性能指标（1）有效性—数字信号的传输速率常用信息的传输速率(信息速率和传信率)来表示。信道每秒种所传送的信息量。信息量的单位是“比特”（bit）。显然信息速率的单位是“比特/秒”（bit/s或b/s或bps）。用二进制数字0和1取值时，规定传送一个二进制数字时的信息量就是1bit，所以信息速率又称为比特率。通信系统的主要性能指标（2）可靠性—用误码率来衡量误码率，指收信机收到的数字信号码元出现错误的概率。常用误比特率来表示：是指错误接收的比特数在总传送比特数中所占的比例。误比特率=错误比特数/传输总比特数通信系统的主要性能指标数字通信系统的误码率越低，则系统的可靠性越高，通信质量越好。数字信号的传输可靠性要求与模拟信号的要求不同：模拟信号的传输要求接收端无波形失真—较高信噪比。数字信号的传输要求接收端无差错地恢复成原来的二进数码(可以允许接收波形失真，只要不影响正确恢复信码即可)—较低的误码率。通信系统的主要性能指标通信网的组成

通信网组成的基本要素是：终端设备、传输链路、转接交换设备。

终端设备是通信网中的源点和终点

传输链路是网络节点的链接媒