1、绪 论第1章3教学要求教学要求1、通信的定义、目的2、模拟信号与数字信号的区别3、通信系统模型、通信系统分类及通信方式4、数字通信系统的主要特点5、离散消息的信息量、平均信息量6、码元速率,信息速率,频带利用率,误码率4内内 容容1、通信发展简史、现状及趋势2、通信系统模型3、通信系统分类与通信方式4、信息及其度量5、通信系统的主要性能指标51.1 引言通信发展简史、现状和趋势通信的基本概念；模拟信号和数字信号 -广义地讲,传递信息就是通信。如面对面交谈。-在此专指电通信,即通过电信设备进行的信息交换,如打电话。6通信发展简史通信发展简史1838年：摩尔斯发明有线电报1864年：麦克斯韦提出电
2、磁辐射方程1876年：贝尔发明电话1896年：马可尼发明无线电报1906年：发明真空管1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世1925年：开始采用三路明线载波电话、多路通信1936年：调频无线电广播开播1937年：发明脉冲编码调制原理1938年：电视广播开播4045年：二战刺激了雷达和微波通信系统的发展1948年：发明晶体管；信息论、通信统计理论问世1950年：时分多路通信应用于电话7通信发展简史通信发展简史1956年：敷设了越洋电缆1957年：发射第一颗人造卫星1958年：发射第一颗通信卫星1960年：发明激光1961年：发明集成电路1962年：发射第一颗同步通信卫星；脉冲编码调制技术进
3、入实际应用阶段6070年：彩色电视机问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论和技术迅速发展；高速数字计算机出现7080年：大规模集成电路、商用通信卫星、程控数字交 换机、光纤通信系统、微处理机等迅速发展80年以后：超大规模集成电路、长波长光纤通信系统广泛 应用；综合业务数字网崛起8通信发展趋势通信发展趋势传输手段 有线传输采用光缆作主干线、电缆作分支线的综合方式 无线传输采用卫星微波、地面中继、区域基站传输等综合方式。通信网络 发展趋势是多网合一,即综合业务数据网、电信网、广播电视网的大统一。网络管理，重点推广智能网。通信服务 由点到点的电信、移动等简单服务,逐步发展到个人通信,即任何人、任何时
4、间、任何地方、采用任何方式、任何设备均可以进行通信。9有线通信有线通信有线通信 指信息的传输通过电线、电缆或光缆等实际线路进行的通信。电缆通信：模拟通信中主要采用模拟单边带调制和频分多路复用（SSB/FDM）；数字通信中大力发展脉冲编码调制时分多路信号在同轴电缆中的基带传输技术。光缆通信：容量大、不怕电磁干扰。主要发展方向是单模长波长光纤通信、大容量数字传输技术和相干光通信。10无线通信无线通信无线通信 利用无线电波在空间的传播来传递信息。采用的通信形式主要有：无绳电话 无线寻呼 移动通信11固定通信与移动通信固定通信与移动通信固定通信 指通信双方的地理位置相对固定,通信时必须双方俱在。如程控
5、长途市话系统。移动通信 是指通信的一方或双方处于运动状态下的信息交换。如无线寻呼系统、蜂窝移动系统。12模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的,且直接与消息相对应的信号,均称为模拟信号 如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。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以连续变化,或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值,而不一定在时间上也连续,如图 1-1-1(b)所示的抽样信号。13Of(t)t(a)f(nT)tPAM信号(b)O 图 1-1-1 模拟信号(a)连续信号；(b)抽样信号14模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号凡信号参
6、量只能取有限个值,并且常常不直接与消息相对应的信号,均称为数字信号 如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号,这个离散是指信号的某一参量是离散变化的,而不一定在时间上也离散,如图 1-1-2(b)所示的2PSK信号。15 图 1-1-2数字信号(a)二进制信号；(b)2PSK信号 100110111001Of(nT)t00111001数字信息PSK波形(a)(b)161.21.2通信系统模型通信系统模型通信系统泛指传递信息所需的一切技术设备的总和17通信系统的一般模型通信系统的一般模型信源：原始电信号转换为消息信号或基带信号；发送设备：对基带信号处理,适合于信道
7、中传输；传输媒介：传输信息的电通道,如有线、无线信道；接收设备：作用与发送设备相反,恢复基带信号；信宿：还原出原始信号,如声音、图象等；噪声干扰：信道中的噪声及其它噪声。传输媒介接受设备发送设备信宿信 源噪声干扰18通信系统的类型通信系统的类型根据信号类型可以简单地分为：模拟通信系统 数字通信系统根据信道的类型可以分为：有线通信 无线通信根据用户的状况可以分为：固定通信 移动通信19信源信源信源发出的消息虽然有多种形式,但可分为两类：连续消息；指消息的状态连续变化或是不可数的,如语音、图像。离散消息 指消息的状态是可数的或离散的,如符号、数据消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的,即把消息
8、寄托在电信号的某一参量上(如连续波的幅度、频率或相位;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:模拟信号 数字信号20模拟通信系统模拟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。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3003400Hz,图像信号为06MHz。基带信号具有频率很低的频谱分量,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信道中传输的信号,并可在接收端进行反变换。完成变换和反变换作用的常是调制器和解调器经过调制以后的信号称为已调信号。21模拟通信系统模拟通信系统已调信号有三个基本特征：携带有
9、信息 适合在信道中传输 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需要指出,消息从发送端到接收端的传递过程中,不仅仅只有连续消息与基带信号和基带信号与频带信号之间的两种变换,实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用,而其他过程对信号不会发生质的变化,只是对信号进行了放大或改善了信号特性,因而被认为是理想的而不予讨论。22模拟通信系统模型模拟通信系统模型模拟通信系统模型大体上与一般通信系统模型一致 发射设备：包括调制、放大、发射等装置，接收设备：包括接收、放大、解调等装置。调制、放大、发射等噪声源信道接收、放大
10、、解调等信源信宿23数字通信系统数字通信系统数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统,如图 1 所示。数字通信涉及的技术问题很多,其中主要有:信源编码/译码 信道编码/译码 数字调制/解调 数字复接 同步 加密24信源编码与译码信源编码与译码信源编码的作用:是设法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。当信源给出的是模拟语音信号时,信源编码器将其转换成数字信号,实现模拟信号的数字化传输 第6章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式脉冲编码调制(PCM)增量调制(M)。信源译码是信源编码的逆过程。25信道编码与译
11、码信道编码与译码数字信号在信道传输时,由于噪声、衰落以及人为干扰等,将会引起差错。为了减少差错,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(监督元),组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码,从解码过程中发现错误或纠正错误,从而提高通信系统抗干扰能力,实现可靠通信。26加密与解密加密与解密在需要实现保密通信的场合,为了保证所传信息的安全,人为将被传输的数字序列扰乱,即加上密码,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数字序列进行解密,恢复原来信息,叫解密。27数字调制与解调数字调制与解调数字调制 把数字基带信号的频谱搬移到高频处,形成适合在信
12、道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有:振幅键控ASK 频移键控FSK 绝对相移键控PSK 相对(差分)相移键控DPSK对这些信号可采用相干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,一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。数字调制是本教材的重点内容之一，将在第5章中讨论。28同步与数字复接同步与数字复接同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致按照同步的功用不同,可分为 载波同步 位同步 群同步 网同步数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号,以扩大传输容量和提高传输效率。29数字通信
13、系统数字通信系统图 1是数字通信系统的一般化模型,实际的数字通信系统不一定包括图 中的所有环节。如在某些有线信道中,若传输距离不太远且通信容量不太大时,数字基带信号无需调制,可以直接传送,称之为数字信号的基带传输。模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输,数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。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模拟电话线路传输,但这时必须使用调制解调器将数字基带信号进行正弦调制,以适应模拟信道的传输特性。30数字通信的主要特点数字通信的主要特点抗干扰能力强差错可控 采用信道编码技术使误码率降低,提高传输的可靠性易于与各种数字终端接口,用现
14、代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。易于集成化,从而使通信设备微型化易于加密处理,且保密强度高数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的 以电话为例,一路模拟电话通常只占据4kHz带宽,但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据 2060kHz的带宽,因此数字通信的频带利用率不高。1.1.3 3 通信系统的分类通信系统的分类及通信方式及通信方式32通信系统分类通信系统分类按通信业务分 通信系统有话务通信和非话务通信电话业务在电信领域中一直占主导地位，它属于人与人之间的通信。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交
15、换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。由于电话通信最为发达，因而其他通信常常借助于公共的电话通信系统进行。未来的综合业务数字通信网中各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输。此外,还有遥测、遥控、遥信和遥调等控制通信业务。33通信系统分类通信系统分类按调制方式分类 基带传输:将未经调制的信号直接传送,如音频市内电话 频带（调制）传输：对各种信号调制后传输的总称。按信号特征分类 模拟通信系统 数字通信系统 按传输媒质分类 有线通信系统 用导线(架空明线、光纤等)作为传输媒质完成通信。如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。无线通信系统 依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的，如短波
16、电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。34常见的调制方式常见的调制方式调 制 方 式 用途 连续波调制线性调制常规双边带调制广播 抑制载波双边带调幅 立体声广播 单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅VSB 电视广播、数传、传真 非线性调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播 相位调制PM 中间调制方式 数字调制幅度键控ASK 数据传输 相位键控数据传输 相位键控PSK、QPSK数据传输 数字微波 空间通信 QAM、MSK等 数字微波、空间通信 35常见的调制方式常见的调制方式调 制 方 式 用途 脉冲调制脉冲模拟调制脉幅调制PAM 中间调制方式、遥测 脉宽调制PDM(PW
17、M)中间调制方式 脉位调制PPM 遥测、光纤传输 脉冲数字调制脉码调制PCM 市话、卫星、空间通信 增量调制DM 军用、民用电话 差分脉码调制DPCM 电视电话、图像编码 其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC 中低速数字电话 36通信系统分类通信系统分类按通信设备的工作频率不同可分为:长波通信、中波通信、短波通信和远红外线通信等按信号复用方式分类 频分复用 用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围 时分复用 用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间 码分复用 用正交的脉冲序列分别携带不同信号37频率范围 波长 符号 传输媒质 用途3 Hz30 kHz 104108 m 甚低频VL
18、F 有线线对长波无线电 音频、电话、数据终端长距离导航、时标 30300 kHz 103104 m 低频LF 有线线对长波无线电 导航、信标、电力线通信 300 kHz3 MHz 102103 m 中频MF 同轴电缆短波无线电 调幅广播、移动陆地通信、业余无线电 330 MHz 10102 m 高频HF 同轴电缆短波无线电 移动无线电话、短波广播定点军用通信业余无线电 30300 MHz 110 m 甚高频VHF 同轴电缆米波无线电 电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航 通信波段与常用传输媒质通信波段与常用传输媒质38频率范围 波长 符号 传输媒质 用途300 MHz3 GHz 1010
19、0 cm 特高频UHF 波导分米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 330 GHz 110 cm 超高频SHF 波导厘米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 30300 GHz 110 mm 极高频EHF 波导毫米波无线电 雷达、微波接力、射电天文学 107108 GHz 310-5 310-4 cm紫外可见光红外 光纤激光空间传播 光通信 通信波段与常用传输媒质通信波段与常用传输媒质39通信方式通信方式前述通信系统是单向通信系统,但在多数场合下,信源兼为信宿,需要双向通信,电话就是一个最好的例子,这时通信双方都要有发送和接收设备,并需要各自的传输媒质。如果通信双方共用一个信道,就必
20、须用频率或时间分割的方法来共享信道。通信过程中涉及通信方式与信道共享问题。按消息传递的方向与时间关系,通信方式可分为 单工 半双工 全双工 40串行和并行传输串行和并行传输串行和并行传输示意图 1.1.4 4 信息极其度量信息极其度量42信息及其度量信息及其度量对接收者来说,只有消息中不确定的内容才构成信息;否则,信源输出已确切知晓,就没有必要再传输它了。信息是消息的内涵（信号是消息的载体）。信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。越是不可预测的事件,越会使人感到惊奇,带来的信息越多。任何信源产生的输出都是随机的,也就是说,信源输出是用统计方法来定性的。43信息及其度量信息及其度量事件的不确定
21、性可用事件出现的概率来描述。消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小,消息中包含的信息量就越大。假设P(x)是一个消息发生的概率,I是从该消息获悉的信息 信息量是概率的函数,即 I=f P(x)P(x)越小,I越大;反之,I越小,且 P(x)1时,I0 P(x)0时,I 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之和,也就是说,信息具有相加性 I P(x1)P(x2)=I P(x1)I P(x2)441.41.4信息及其度量信息及其度量信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系为)(log)(1logxPxPIaa信息量的单位与对数底数a有关。a=2时,
22、信息量的单位为比特(bit)；a=e时,信息量的单位为奈特(nit)；a=10时,信息量的单位为十进制单位,叫哈特莱。目前广泛使用的单位为比特。45信息量信息量例:设二进制离散信源,以相等的概率发送数字0或1,则信源每个输出的信息含量为)(121log)1()0(2bitII传送等概率二进制波形之一(P=1/2)的信息量为1比特传送等概率的四进制波形之一(P=1/4)的信息量为2比特,这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示传送等概率的八进制波形之一(P=1/8)的信息量为3比特,这时至少需要3个二进制脉冲。46信息量信息量对于离散信源,M个波形等概率(P=1/M)发送,且每一个波形的出现
23、是独立的,即信源是无记忆的,则传送M进制波形之一的信息量为)(log/11log1log222bitMMPI)(2log2bitKIK P为每一个波形出现的概率,M为传送的波形数。若M是2的整幂次,比如M=2K(K=1,2,),则：式中,K是二进制脉冲数目,即传送每一个M(M=2K)进制波形的信息量就等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目K。47信源熵信源熵设离散信源是一个由n个符号组成的符号集,其中每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为P(xi),且 则x1,x2,xn 所包含的信息量分别为：-log2 P(x1),-log2 P(x2)，-log2 P(xn)。每个符号所含信息量
24、的统计平均值,即平均信息量niixP11)(121222221()()log()()log()()log()()log()(/nnniiiH xPxPxPxPxPxPxp xp x bit 符）48例：一离散信源由0,1,2,3四个符号组成,它们出现的概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8,且每个符号的出现都是独立的。求201920190213001203210100321010023102019010312032100120210的信息量。解：该消息的信息量为每个符号的算术平均信息量为若用熵的概念来计算)(1088log74log134log1438log232222bitI符号位）符号位
25、/(89.157108bitII符号）/(906.181log8141log4183log83222bitH）bitI(64.108906.157两种算法的结果有一定误差,但当消息很长时,用熵的概念来计算比较方便,且随着消息序列长度的增加,两种计算误差将趋于零。1.1.5 5 主要性能指标主要性能指标50通信系统的质量指标通信系统的质量指标通信系统的质量优劣,必须采用性能指标来衡量。质量指标广泛涉及到通信的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等。就传输来说有效性和可靠性是最重要的基本指标。：传输一定的信息量所需要的信道资源(带宽或时间)：指接收信息的准确程度。有效性和可靠性通常是矛
26、盾的,需要依据技术水平尽可能取得一定程度的统一。模拟通信与数字通信对这两个指标的内容不一。51模拟通信系统的质量指标模拟通信系统的质量指标有效性 模拟通信系统的有效性采用有效传输带宽来度量 同样的消息采用不同的调制方式,需要不同的频带宽度。占用的频带宽度越窄,则有效性越好。可靠性 模拟通信系统的可靠性采用接收端最终的输出信噪比来度量。信噪比越高,则表示通信质量越高 如普通电话要求信噪比大于20dB,电视图象要求信噪比大于40dB。一般调频信号的抗干扰能力强,其信噪比高,可靠性好,但需传输带宽较宽。52数字通信系统的质量指标数字通信系统的质量指标有效性 数字通信系统的有效性采用传输速率表示。可靠
27、性 数字通信系统的可靠性采用差错率衡量。差错率常用误码率和误信率表示。53传输速率传输速率码元传输速率RB(传码率,符号速率)表示单位时间内传输码元的数目,单位是波特(B)若1秒内传2400个码元则传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分,但码元速率与进制数无关,只与传输的码元长度Ts有关:)(1BTRsB)(log22BMRRBMB在保证信息速率不变的情况下,M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：54传输速率传输速率信息传输速率Rb(传信率,比特率)表示单位时间内传递的平均信息量或比特数,单位是比特/秒,可记为bit/s,或 b/s,或bps。每个码元或符
28、号通常都含有一定bit数的信息量,因此码元速率和信息速率有确定的关系,即)/(sbHRRBb)/(log2sbMRRBb 式中,H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。等概传输时,熵有最大值log2M,信息速率也达到最大,即 若码元速率为1200B,采用八进时,信息速率为3600b/s;采用二进制时,信息速率为1200b/s,即二进制的码元速率和信息速率在数量上相等,有时简称它们为数码率。55传输速率传输速率频带利用率 比较不同通信系统的有效性时,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信道的频带宽度。真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率,即)/(HzBBRB)/(HzsbBRb 为了比较不同系统的传输效率,定义频带利用率56差错率差错率误码率Pe(码元差错率)发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例 误码率是码元在传输系统中被传错的概率,即 传输总码元数错误码元数ep传输总比特数错误比特数数bp误信率Pb(信息差错率)发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例在二进制中有 Pb=Pe
