1、第二部分第二部分 通信系统通信系统第第8章章 通信系统简介通信系统简介2022-12-202第二部分第二部分 通信系统通信系统意义：意义：1 1）通信在实际生活中具有重要意义；）通信在实际生活中具有重要意义；2 2）通信系统是前面所讲的信号分析的一个很好的应用；）通信系统是前面所讲的信号分析的一个很好的应用；3 3）信息论的相关理论来自对通信系统的研究；）信息论的相关理论来自对通信系统的研究；2022-12-203第二部分第二部分 通信系统通信系统主要内容：主要内容：1)1)通信系统简介通信系统简介2 2）随机信号与噪声的研究）随机信号与噪声的研究随机过程；随机过程；3 3）模拟调制系统；）模
2、拟调制系统；4 4）数字基带传输；）数字基带传输；5 5）模拟信号的数字传输；）模拟信号的数字传输；6 6）信道编码）信道编码差错控制编码。差错控制编码。2022-12-204第第8章章 通信系统简介通信系统简介8.18.1通信系统模型通信系统模型通信的目的就是信息的传输与交换。而信息附着在各种通信的目的就是信息的传输与交换。而信息附着在各种形式的消息中，例如符号、文字、语音、图像等；形式的消息中，例如符号、文字、语音、图像等；通信的过程也就是传递消息的过程。通信的过程也就是传递消息的过程。在本课中所讨论的通信系统只考虑点对点通信的设计与在本课中所讨论的通信系统只考虑点对点通信的设计与分析。分
3、析。点对点通信系统的基本模型如下图所示：点对点通信系统的基本模型如下图所示：信源 发送设备 信道 接收设备 信宿 噪声源2022-12-205第第8章章 通信系统简介通信系统简介1 1信源和信宿信源和信宿信源：信号的产生者；信源：信号的产生者；信宿：信号的接收者；信宿：信号的接收者；根据所产生信号的类型不同，可以分成两类信源：模拟根据所产生信号的类型不同，可以分成两类信源：模拟信源和数字信源；信源和数字信源；模拟信号：以平滑或连续方式随时间变化的物理量；模拟信号：以平滑或连续方式随时间变化的物理量；数字信号：从一组有限的离散元素集合中选择的有序符数字信号：从一组有限的离散元素集合中选择的有序符
4、号序列。号序列。模拟信号可以通过抽样和量化变换成数字信号。模拟信号可以通过抽样和量化变换成数字信号。2022-12-206第第8章章 通信系统简介通信系统简介2 2发送设备发送设备发送设备的基本功能使将信源和传输媒介匹配起来，即发送设备的基本功能使将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消息信号变换为便于传送的信号形式，将信源产生的消息信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介，变换形式是多种多样的，考虑到不送往传输媒介，变换形式是多种多样的，考虑到不同信道对频谱的要求，一般需要进行调制。同信道对频谱的要求，一般需要进行调制。信源 调制器 信道 解调器 信宿 噪声源2022-12-207第第8
5、章章 通信系统简介通信系统简介对于数字通信系统来说，发送设备还往往包括编码。编对于数字通信系统来说，发送设备还往往包括编码。编码分成两类：信源编码和信道编码；信源编码是为码分成两类：信源编码和信道编码；信源编码是为了降低信号的复杂度，在基本保持同样信息量的前了降低信号的复杂度，在基本保持同样信息量的前提下，降低对信道带宽的要求。信道编码则是为了提下，降低对信道带宽的要求。信道编码则是为了降低噪声对信号的干扰，提高信号传输的可靠性。降低噪声对信号的干扰，提高信号传输的可靠性。发送设备还包括为达到某种特殊要求所进行的各种处理，发送设备还包括为达到某种特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理等
6、。如多路复用、保密处理等。信源 加 密 器 信道 信宿 噪声源 编 码 器 调 制 器 解 调 器 解 码 器 解 密 器2022-12-208第第8章章 通信系统简介通信系统简介3.3.信道信道信道是连接信源和目的地的媒介。它可以是有线的，也信道是连接信源和目的地的媒介。它可以是有线的，也可以是无线的，例如电线、同轴电缆、无线电波或可以是无线的，例如电线、同轴电缆、无线电波或激光束等。激光束等。不同的传输媒介允许通过的带宽不同。不同的传输媒介允许通过的带宽不同。电话的普通电线频率范围是电话的普通电线频率范围是3 3Hz-30kHzHz-30kHz；调幅广播使用的同轴电缆频带为调幅广播使用的同
7、轴电缆频带为300300kHz-3MHzkHz-3MHz；移动通讯使用的同轴电缆频带范围是移动通讯使用的同轴电缆频带范围是3 3MHz-30MHzMHz-30MHz；电视、调频广播或导航的同轴电缆频带范围是电视、调频广播或导航的同轴电缆频带范围是3030MHz-MHz-300MHz300MHz；光纤的允许频带为光纤的允许频带为100,000-10,000,000100,000-10,000,000GHzGHz。2022-12-209第第8章章 通信系统简介通信系统简介 传输过程中必定引入干扰，即各类噪声。噪传输过程中必定引入干扰，即各类噪声。噪声是不可避免的，当它累加在载有信息的信声是不可避免
8、的，当它累加在载有信息的信号上时，信号可能部分地或完全地被破坏，号上时，信号可能部分地或完全地被破坏，所以在考虑信道的特性时，必须考虑信道噪所以在考虑信道的特性时，必须考虑信道噪声的影响。声的影响。噪声通常是随机的。噪声通常是随机的。2022-12-2010第第8章章 通信系统简介通信系统简介4.4.接收设备接收设备如果信号与信道不相匹配，接收到的传输信号就会有失如果信号与信道不相匹配，接收到的传输信号就会有失真，所以接收设备首先针对接收到的信号在信道中真，所以接收设备首先针对接收到的信号在信道中的损失进行补偿；的损失进行补偿；考虑信道中不同噪声的影响，去掉噪声；考虑信道中不同噪声的影响，去掉
9、噪声；实行与发送设备相反的变换，如解调、译码、解密等。实行与发送设备相反的变换，如解调、译码、解密等。前面所示的都是单向或称单工的传输系统。前面所示的都是单向或称单工的传输系统。双向传输则要求在每一端都有一个发射设备和一个接收双向传输则要求在每一端都有一个发射设备和一个接收设备。全双工系统有一个允许同时进行双向传输的设备。全双工系统有一个允许同时进行双向传输的信道。半双工系统可进行双向传输，但不能同时进信道。半双工系统可进行双向传输，但不能同时进行。行。2022-12-2011第第8章章 通信系统简介通信系统简介8.2 8.2 通信系统的主要限制通信系统的主要限制带宽和噪声是信息传输的基本限制
10、。带宽和噪声是信息传输的基本限制。一个系统跟踪信号变化的能力，或者说对信号的反应速一个系统跟踪信号变化的能力，或者说对信号的反应速度，是与它的频率响应的带宽成正比的。在通信系度，是与它的频率响应的带宽成正比的。在通信系统中，这种带宽称为传输带宽。因为所有的系统中统中，这种带宽称为传输带宽。因为所有的系统中都包含有储能元件，储能元件不能突变，也就是说都包含有储能元件，储能元件不能突变，也就是说该系统对于信号的反应速度不能无限快。根据前面该系统对于信号的反应速度不能无限快。根据前面的讨论，一个通信系统具有一个有限的带宽，它限的讨论，一个通信系统具有一个有限的带宽，它限制了信号的变化速度。制了信号的
11、变化速度。2022-12-2012第第8章章 通信系统简介通信系统简介在实时条件下，通信要求足够的传输带宽，以适应信号在实时条件下，通信要求足够的传输带宽，以适应信号的频谱，否则将导致严重的失真。例如，电视视频的频谱，否则将导致严重的失真。例如，电视视频信号要求几兆赫兹的带宽，而慢速变化的语音信号信号要求几兆赫兹的带宽，而慢速变化的语音信号之要求带宽约为之要求带宽约为3K3K赫兹。对于没有实时限制的信号赫兹。对于没有实时限制的信号传输，可用带宽决定最大的信号速度。因此说，传传输，可用带宽决定最大的信号速度。因此说，传送一定量的信息所需要的时间与带宽成反比。送一定量的信息所需要的时间与带宽成反比
12、。在信息传输中，噪声是不可避免的。虽然通常噪声功率在信息传输中，噪声是不可避免的。虽然通常噪声功率相当小，但是在长距离传输中，传输损失会把接收相当小，但是在长距离传输中，传输损失会把接收信号功率降低到与噪声功率相差不大。这样信号与信号功率降低到与噪声功率相差不大。这样信号与噪声就很难分开，从而对原信号造成严重失真。噪声就很难分开，从而对原信号造成严重失真。在通信系统中所采取的一切措施都是针对这两种限制进在通信系统中所采取的一切措施都是针对这两种限制进行的。行的。2022-12-2013第第8章章 通信系统简介通信系统简介8.3 8.3 通信系统的分类通信系统的分类1.1.按消息的物理特征分类按
13、消息的物理特征分类电报通信系统，电话通信系统，数据通信系统，图像通电报通信系统，电话通信系统，数据通信系统，图像通信系统等。这些系统可以是专用的，但通常是兼容信系统等。这些系统可以是专用的，但通常是兼容的或并存的。未来的综合数字通信网，就是希望各的或并存的。未来的综合数字通信网，就是希望各类型的消息都能在一个统一的通信网中传输、交换类型的消息都能在一个统一的通信网中传输、交换和处理。和处理。2.2.按调制方式分类按调制方式分类根据是否采用调制，可以分为基带传输和调制传输。根据是否采用调制，可以分为基带传输和调制传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如市内电话等。基带传输是将未经调制的信号直
14、接传送，如市内电话等。2022-12-2014第第8章章 通信系统简介通信系统简介调制传输是对信号进行某些变换后再传输。其优点表现调制传输是对信号进行某些变换后再传输。其优点表现在：在：1 1）使信号与信道相适应，便于传送；）使信号与信道相适应，便于传送；2 2）能减少噪声和干扰；）能减少噪声和干扰；3 3）调制可便于多路复用。）调制可便于多路复用。3 3按传输信号的特征分类按传输信号的特征分类按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地分为模拟通信系统和数字通信系统。地分为模拟通信系统和数字通信系统。电报电报数字通信数字通信 184418
15、44年年 电话电话模拟通信模拟通信 18761876年年2022-12-2015第第8章章 通信系统简介通信系统简介数字通信的优点：数字通信的优点：第一，数字传输的抗干扰能力强，尤其在中继时，数字第一，数字传输的抗干扰能力强，尤其在中继时，数字信息可以再生而消除噪声的积累；信息可以再生而消除噪声的积累；第二，便于使用现代信号处理技术对数字信息进行处理；第二，便于使用现代信号处理技术对数字信息进行处理；第三，数字信息易于作高保密性的加密处理；第三，数字信息易于作高保密性的加密处理；第四，数字通信可以综合传递各种信息，使通信系统功第四，数字通信可以综合传递各种信息，使通信系统功能增强。能增强。第五
16、，便于多路复用。第五，便于多路复用。数字通信的缺点：比模拟通信占据更宽的系统频带。数字通信的缺点：比模拟通信占据更宽的系统频带。一路模拟电话占据一路模拟电话占据4kHz4kHz带宽带宽 一路传输质量相同的数字电话占用数十千赫的带宽。一路传输质量相同的数字电话占用数十千赫的带宽。2022-12-2016第第8章章 通信系统简介通信系统简介4 4按传送信号的复用方式分类按传送信号的复用方式分类传送多路信号由三种复用方式，即频分复用（传送多路信号由三种复用方式，即频分复用（FDMFDM）、）、时分复用时分复用(TDM)(TDM)、码分复用、码分复用(CDMA)(CDMA)。频分复用是用。频分复用是用
17、频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用适用脉冲调制的方法使不同信号占据不同时分复用适用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用则是用一组正交的脉冲序列的时间区间；码分复用则是用一组正交的脉冲序列分别携带不同信号。分别携带不同信号。5 5按传输媒介分类按传输媒介分类按传输媒介，可以分为有线和无线两类。按传输媒介，可以分为有线和无线两类。2022-12-2017第第8章章 通信系统简介通信系统简介8.4 8.4 通信系统的性能度量通信系统的性能度量一个通信系统的好坏依赖于多个方面，例如此系统的费一个通信系统的好坏依赖于多个方面，
18、例如此系统的费用，信道带宽，传输功率，信噪比，时间延迟，以用，信道带宽，传输功率，信噪比，时间延迟，以及数字通信中错误比特数等。及数字通信中错误比特数等。传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。有效性是指在给定信道内能传输的信息内容的标。有效性是指在给定信道内能传输的信息内容的多少，而可靠性是指接收信息的准确程度。多少，而可靠性是指接收信息的准确程度。模拟通信系统模拟通信系统:有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。的调制方式，则需要不同的频带宽度。
19、可靠性用接收端最终输出信噪比来度量，如通常电话可靠性用接收端最终输出信噪比来度量，如通常电话要求信噪比为要求信噪比为20-40dB20-40dB，电视则要求，电视则要求40dB40dB以上以上。2022-12-2018第第8章章 通信系统简介通信系统简介数字通信系统：数字通信系统：有效性有效性信息速率（比特率）信息速率（比特率）b/sb/s 码元速率码元速率 N N进制下，有进制下，有可靠性可靠性错误率错误率误比特率误比特率误码元率误码元率传输电话时，误比特率通常要求为传输电话时，误比特率通常要求为sRbRNRRsb2log传输总比特数错误比特数bP传输总码元数错误码元数bP631010202
20、2-12-2019第第8章章 通信系统简介通信系统简介编码：将数字消息转变成一种新的符号序列；编码：将数字消息转变成一种新的符号序列；译码：将编码后的序列变回到原来的消息。译码：将编码后的序列变回到原来的消息。二进制码和二进制码和M M进制码的比较：进制码的比较：1 1）二进制码实现简单，噪声的影响小；）二进制码实现简单，噪声的影响小；2 2）二进制码需要更大的带宽。）二进制码需要更大的带宽。数字通信系统中有两种编码方式：数字通信系统中有两种编码方式：信源编码信源编码减少传输码元个数，实现压缩减少传输码元个数，实现压缩 信道编码（差错控制编码）信道编码（差错控制编码）降低错误率降低错误率2022-12-2020第第8章章 通信系统简介通信系统简介哈特莱哈特莱仙农定理：仙农定理：信息传输速率不可能超过信道容量信息传输速率不可能超过信道容量其中其中 为系统带宽，为系统带宽，为信号功率，为信号功率，为噪声功率。为噪声功率。信息论的相关定理：信息论的相关定理：如果一个信源所发出的信息速率不超过信道容量，则尽如果一个信源所发出的信息速率不超过信道容量，则尽管有噪声存在，我们也可以找到一种编码方式，是管有噪声存在，我们也可以找到一种编码方式，是全部信息以任意小的差错频度传过信道。全部信息以任意小的差错频度传过信道。)(logNSBC12BSN
