1、第第2章章 通信系统概述通信系统概述2.1 通信定义通信定义2.2 通信系统的构成通信系统的构成2.3 通信系统的分类通信系统的分类2.4 通信传输方式通信传输方式2.5 通信系统传输的基本概念通信系统传输的基本概念2.6 数字通信系统的质量指标数字通信系统的质量指标2.7 通信滤波器的概念通信滤波器的概念2.1 通信定义通信定义u通信就是克服距离上的障碍，通信就是克服距离上的障碍，迅速而准确地交换和迅速而准确地交换和传递信息。传递信息。信息常以某种方式依附于物质载体，信息常以某种方式依附于物质载体，以以实现存储、交换、处理、变换和传输。实现存储、交换、处理、变换和传输。u借助光波与电磁波，实
2、现借助光波与电磁波，实现A、B两地的信息传递。如两地的信息传递。如图图2.1所示。所示。u图图2.1 A、B两地信息传递两地信息传递 2.2 通信系统的构成通信系统的构成u 传递或交换信息所需的一切技术设备的总和传递或交换信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。称为通信系统。通信系统的一般模型如图通信系统的一般模型如图2.2所示。所示。通信系统一般由以下几部分组成。通信系统一般由以下几部分组成。图图2.2 通信系统模型通信系统模型2.2 通信系统的构成通信系统的构成u信源：信源是发出信息的源，信源可以是离散的数字信信源：信源是发出信息的源，信源可以是离散的数字信源，源，也可以是连续的（或离散
3、的）模拟信源。也可以是连续的（或离散的）模拟信源。u信宿：是传输信息的归宿点。信宿：是传输信息的归宿点。u变换器：把信息变换成合适在信道上传输信号的设备。变换器：把信息变换成合适在信道上传输信号的设备。基本功能是使信源与传输媒介匹配起来，基本功能是使信源与传输媒介匹配起来，即将信源产生即将信源产生的信号变换为便于传送的信号形式，的信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。送往传输媒介。u反变换器：与变换器对应，把信道上接收的信号还原成反变换器：与变换器对应，把信道上接收的信号还原成原来的信息形式。原来的信息形式。u信道：分有线、无线信道。信道：分有线、无线信道。u噪声源：分加性噪声、乘性噪声
4、。噪声源：分加性噪声、乘性噪声。(1)模拟通信系统：把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如图2.3所示。图2.3 模拟通信系统u模拟信号：时时刻刻模拟（跟随着）它所反映的模拟信号：时时刻刻模拟（跟随着）它所反映的原始消息的数值变化的电信号，所反映消息的时原始消息的数值变化的电信号，所反映消息的时间函数往往可用微积分运行的连续函数。例如在间函数往往可用微积分运行的连续函数。例如在电话系统中，信源是语声，是声压的时间函数。电话系统中，信源是语声，是声压的时间函数。（2）数字通信系统：传递数字信息的通信方式，传）数字通信系统：传递数字信息的通信方式，传输数字信号的系统称为数字通信系统。如下图
5、输数字信号的系统称为数字通信系统。如下图2.4示：示：图图2.4 数字通信系统数字通信系统u数字信号是一种离散的脉冲序列，它不再是连数字信号是一种离散的脉冲序列，它不再是连续函数了，无论是文字、语声、图象，或其它续函数了，无论是文字、语声、图象，或其它消息都可转换成一种相应的数字脉冲序列。消息都可转换成一种相应的数字脉冲序列。u数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定。是否离散而定。模拟信号与数字信号有明显区模拟信号与数字信号有明显区别，但两者之间在一定条件下是可以互相转换别，但两者之间在一定条件下是可以互相转换的。的。2.3.1 数字通信系
6、统及主要技术数字通信系统及主要技术u数字通信系统就是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统就是利用数字信号来传递信息的通信系统。u 图图2.5 给出了数字通信系统的原理结构模型。给出了数字通信系统的原理结构模型。信 源信 源编 码加 密信 道编 码多 路复 接调 制多 址发 送设 备信 道接 收设 备信 宿信 源译 码解 密信 道译 码多 路分 接解 调多 址同 步 与 定 时噪 声 干 扰送 至 其 他 信 宿图2.5 数字通信系统技术示意图1.信源编码与解码信源编码与解码u 信源编码指一个模拟信号（如原始的声音和图像信号）变信源编码指一个模拟信号（如原始的声音和图像信号）变换为数字
7、信号即经过如下过程：换为数字信号即经过如下过程：首先对模拟信号进行时间首先对模拟信号进行时间上的离散化处理，上的离散化处理，即取样即取样;然后再将取样样值信号量化处然后再将取样样值信号量化处理，最后进行编码。理，最后进行编码。u 解码的过程就是把量化编码的信号还原成模拟信号。解码的过程就是把量化编码的信号还原成模拟信号。2.加密与解密加密与解密u 为了保证数字信号与所传信息的安全，为了保证数字信号与所传信息的安全，一般应采取加密一般应采取加密措施。措施。数字信号比模拟信号易于加密，数字信号比模拟信号易于加密，且效果也好。且效果也好。这这是数字通信突出的优点之一。是数字通信突出的优点之一。在对要
8、求保密通信的系统中，在对要求保密通信的系统中，可在信源与信道编码之间加入加密器，可在信源与信道编码之间加入加密器，同时在接收端加入同时在接收端加入解密器。解密器。加密器可以产生密码，加密器可以产生密码，人为地将输入明文数字人为地将输入明文数字序列进行扰乱。序列进行扰乱。u解密是它的逆过程即反扰乱。解密是它的逆过程即反扰乱。3.信道编码与解码信道编码与解码u 数字信号在信道中传输时，数字信号在信道中传输时，由于噪声、由于噪声、衰落以及人为干衰落以及人为干扰等将会引起差错。扰等将会引起差错。信道编码的目的就是提高通信抗干扰信道编码的目的就是提高通信抗干扰能力，能力，尽可能地控制差错，尽可能地控制差
9、错，实现可靠通信。实现可靠通信。信道编码的一信道编码的一类基本方法是波形编码类基本方法是波形编码(或称为信号设计或称为信号设计)，它把原来的波它把原来的波形变换成新的较好的波形，形变换成新的较好的波形，以改善其检测性能。信道解码以改善其检测性能。信道解码是它的逆过程，通过控制差错，恢复原始数据序列。是它的逆过程，通过控制差错，恢复原始数据序列。4.调制与解调调制与解调u 调制器的任务是把各种数字信息脉冲转换成适于信道传调制器的任务是把各种数字信息脉冲转换成适于信道传输的调制信号波形。输的调制信号波形。这些波形要根据信道特点来选择。这些波形要根据信道特点来选择。解解调器的任务是将收到的信号转换成
10、原始数字信息脉冲。调器的任务是将收到的信号转换成原始数字信息脉冲。数数字调制技术可分为幅度键控（字调制技术可分为幅度键控（ASK）、）、频移键控（频移键控（FSK）、）、相移键控（相移键控（PSK）和连续相位调制（）和连续相位调制（CPM），），以及它们的以及它们的各种组合，各种组合，在接收端的解调可以进行相干解调或非相干解在接收端的解调可以进行相干解调或非相干解调。调。5.多路与多址多路与多址u 在一个多用户系统中，在一个多用户系统中，为了充分利用通信资源和增加为了充分利用通信资源和增加的数据通信量，的数据通信量，可以采用多路技术以满足多用户固定分可以采用多路技术以满足多用户固定分配或慢变化
11、地分享通信资源，配或慢变化地分享通信资源，采用多址技术以满足用户采用多址技术以满足用户远程或动态变化地共享通信资源。远程或动态变化地共享通信资源。实现多路与多地址的实现多路与多地址的基本方法有频分、基本方法有频分、时分、时分、码分、码分、空分和波分。空分和波分。6.信道与噪声信道与噪声u 信道指的是以传输媒质为基础的信号通路，信道指的是以传输媒质为基础的信号通路，它是传输它是传输信号的物理基础。信号的物理基础。不同的信道具有不同的特性，不同的信道具有不同的特性，而信道而信道特性如何又对整个系统及系统各部分的设计具有决定性的特性如何又对整个系统及系统各部分的设计具有决定性的影响。影响。因此，因此
12、，在设计数字通信系统时，在设计数字通信系统时，第一步就是要选第一步就是要选择合适的信道，择合适的信道，并详细地调查和了解信道的特点和特性。并详细地调查和了解信道的特点和特性。信道受到较大的外界干扰，或者遇到严重衰落以及线路等信道受到较大的外界干扰，或者遇到严重衰落以及线路等问题都会产生噪声。问题都会产生噪声。7.同步与数字复接同步与数字复接u 同步问题是数字通信技术的核心问题之一。同步问题是数字通信技术的核心问题之一。它包括它包括位（比特）同步、位（比特）同步、帧同步、帧同步、载波同步、载波同步、网同步等。网同步等。可以说，可以说，没有同步就没有数字通信。没有同步就没有数字通信。实现接收端对发
13、实现接收端对发送端的同步方法一般可用锁相环。送端的同步方法一般可用锁相环。在时分多路复用系在时分多路复用系统中，统中，网同步不仅要解决由中心站决定全网定时问题，网同步不仅要解决由中心站决定全网定时问题，同时由于各分站的位置和距离不同，同时由于各分站的位置和距离不同，还需要确定各站还需要确定各站至中心站及相互之间收发信号的定时同步问题。至中心站及相互之间收发信号的定时同步问题。复接复接技术就是专门用来解决在同一信道中传送互不干扰的技术就是专门用来解决在同一信道中传送互不干扰的多路信号这一问题的。多路信号这一问题的。从内因来看，从内因来看，数字通信相对于模拟通信具有如下一些优点：数字通信相对于模拟
14、通信具有如下一些优点：1.数字通信抗干扰能力强，数字通信抗干扰能力强，无噪声积累，无噪声积累，能保证较高的通能保证较高的通信质量。信质量。u 数字信号是取有限个离散幅度值的信号，数字信号是取有限个离散幅度值的信号，在信道中传输时，在信道中传输时，可以在间隔适当的距离采用中继再生的办法消除噪声的积可以在间隔适当的距离采用中继再生的办法消除噪声的积累，累，还原信号，还原信号，使得数字传输质量几乎与传输距离和网络使得数字传输质量几乎与传输距离和网络布局无关。布局无关。2.数字通信便于加密处理。数字通信便于加密处理。u为了保证数字信号与所传信息的安全，为了保证数字信号与所传信息的安全，一般应采取加密措
15、一般应采取加密措施。施。数字信号比起模拟信号易于加密，数字信号比起模拟信号易于加密，且效果也好，且效果也好，这这是数字通信突出的优点之一是数字通信突出的优点之一。2.3.2 数字通信的主要特点数字通信的主要特点3.数字信号便于直接与计算机接口形成智能网。数字信号便于直接与计算机接口形成智能网。u 用现代计算机技术对数字信息进行处理，用现代计算机技术对数字信息进行处理，使得复杂使得复杂的技术问题能以极低的代价来实现，的技术问题能以极低的代价来实现，形成智能网，形成智能网，采采用开放式结构和标准接口增加和改变业务时，用开放式结构和标准接口增加和改变业务时，只需在只需在相应的计算机和数据库中改变输入
16、和相关参数即可。相应的计算机和数据库中改变输入和相关参数即可。4.卫星通信系统等一系列先进通信系统的迅速发展。卫星通信系统等一系列先进通信系统的迅速发展。u 各种系统尽管便于在数据传输的极高速率条件下进行各种系统尽管便于在数据传输的极高速率条件下进行全球通信，全球通信，但由于极高的发射费用和由此引起的对功但由于极高的发射费用和由此引起的对功率和频带的限制，率和频带的限制，因此要求寻找利用信道资源的有效因此要求寻找利用信道资源的有效技术，技术，如话音插空、如话音插空、按需分配、按需分配、时分复用等。时分复用等。数字数字通信可以更好地满足这些要求。通信可以更好地满足这些要求。5.建立同时为许多不同
17、速率和各种不同要求的用建立同时为许多不同速率和各种不同要求的用户服务的通信网，户服务的通信网，理论上将数据压缩方法和多理论上将数据压缩方法和多通路信道作为它的首要方案。通路信道作为它的首要方案。6.微电子技术的进步，微电子技术的进步，超大规模集成电路、超大规模集成电路、高高速数字信号处理器、速数字信号处理器、小型和微型计算机等的迅小型和微型计算机等的迅速发展，速发展，扩大了数字通信的理论效益，扩大了数字通信的理论效益，促使促使复杂的技术问题能以极低的代价来解决。数字复杂的技术问题能以极低的代价来解决。数字通信设备便于生产和固体化，通信设备便于生产和固体化，这从技术上带动这从技术上带动了数字通信
18、的高速发展。了数字通信的高速发展。2.4 通信传输方式通信传输方式2.4.1单工方式单工方式u信号上能单向传递，例如电视机、收音机上能接收信号而不能反向传信号上能单向传递，例如电视机、收音机上能接收信号而不能反向传递，如图递，如图2.6所示。所示。u2.4.2 半双工方式半双工方式u通信双方不能同时既发信号又收信号，只能交替进行，如无线收发两通信双方不能同时既发信号又收信号，只能交替进行，如无线收发两用机传真方式，银行联机系统用机传真方式，银行联机系统,如图如图2.7所示。所示。图图2.6单工方式单工方式图图2.7半双半双工方式工方式发送单向信道接收2.4.3 全双工方式全双工方式u信号可以同
19、时在两个方向上传输，如电话通信，宽带信号可以同时在两个方向上传输，如电话通信，宽带上网。如图上网。如图2.8所示。所示。图图2.8全双全双工方式工方式http:/ 串行传输串行传输u将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行，在一将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行，在一条传输线路上一位一位地传输的方式称为串行传输方式。条传输线路上一位一位地传输的方式称为串行传输方式。在信道中一个码元接着一个码元依次传递，速度慢成本在信道中一个码元接着一个码元依次传递，速度慢成本低，通信距离长时用此方式。如图低，通信距离长时用此方式。如图2.9所示。所示。图图2.9串行传输串行传输方式方式2.4.4 并
20、行传输并行传输u构成一个编码的所有码元都同时传输、速度快、构成一个编码的所有码元都同时传输、速度快、成本高，适用短距离通信。如计算机与外设成本高，适用短距离通信。如计算机与外设（打印机等）（打印机等）,如图如图2.10所示。所示。图图2.10 并行传输并行传输方式方式http:/ 异步传输异步传输u用起始位和结束位来同步发、收双方，一个字符接一用起始位和结束位来同步发、收双方，一个字符接一个字符传递个字符传递,如图如图2.11所示。所示。2.4.6 同步传输同步传输u用起始和结束位，但传递是一个数据块。（数据块用起始和结束位，但传递是一个数据块。（数据块计算机数据存贮），如图计算机数据存贮），
21、如图2.12所示。所示。图图2.11 异步传输异步传输方式方式图图2.12 同步传输同步传输方式方式2.5 通信系统传输的基本概念通信系统传输的基本概念2.5.1电磁波定义：电波和光波的总称。电磁波定义：电波和光波的总称。1 电波电波300GHz且以下电磁波（微波、短波、且以下电磁波（微波、短波、长波等）长波等）2 光波光波105107GHz红外线、可见光、紫外红外线、可见光、紫外线、线、X射线、射线、射线射线3 电磁波的工作频率电磁波的工作频率f，工作波长，工作波长，速度，速度C3103m/s，三者之间关系如下：，三者之间关系如下：fc4 各种电磁波工作的示意图各种电磁波工作的示意图2.13
22、所示。所示。图图2.13 电磁波工作的示意图电磁波工作的示意图2.5 数字通信系统的质量指标数字通信系统的质量指标u数字信号可以由许多不同形式的电信号来代表，最数字信号可以由许多不同形式的电信号来代表，最基本的形式是由矩形脉冲来作为数据信号。基本的形式是由矩形脉冲来作为数据信号。2.5.1 二进制码的概念二进制码的概念u码元是指任何进制数据中，每一位数据的长度。二码元是指任何进制数据中，每一位数据的长度。二进制数据的每一位是进制数据的每一位是“0”或或“1”码，在数字脉冲序码，在数字脉冲序列中，每一码元只能取两个电平数值之一，我们称列中，每一码元只能取两个电平数值之一，我们称这种码为二进制码。
23、这种码为二进制码。u下图下图2.14 以以10110为例，代表二进制数字序列的各为例，代表二进制数字序列的各类脉冲信号，尽管每个码中两个电平的取值不同或类脉冲信号，尽管每个码中两个电平的取值不同或有归零和不归零的区别，但都是二进制码。有归零和不归零的区别，但都是二进制码。u图中所示的单极性矩形脉冲，每一码元的宽度为图中所示的单极性矩形脉冲，每一码元的宽度为Tb，每一码元与次码元的间隔也为，每一码元与次码元的间隔也为Tb。上述信。上述信号波形是全宽码即非归零码。归零码也可以有单号波形是全宽码即非归零码。归零码也可以有单极性和双极性两种，如图极性和双极性两种，如图2.14.中所示。如所示的中所示。
24、如所示的双极性归零码，其由双极性归零码，其由1码发一个正的窄脉冲，码发一个正的窄脉冲，0码码发一个负的窄脉冲。发一个负的窄脉冲。图图2.14二进制数字序列的各类脉冲信号二进制数字序列的各类脉冲信号 2.5.2多进制码的概念多进制码的概念u三进制以上数字脉冲序列中，每一个码元可以取多个数值三进制以上数字脉冲序列中，每一个码元可以取多个数值之一，这种码称为多进制码。如图之一，这种码称为多进制码。如图2.15所示例为四进制码。所示例为四进制码。图图2.15四进制码波形图四进制码波形图u二进制码与多进制码之间可以相互转换，例如，表二进制码与多进制码之间可以相互转换，例如，表2.1示示给出了四进制数和二
25、进制数的对应关系。给出了四进制数和二进制数的对应关系。表表2.1u四进制码与二进制码的转换如图四进制码与二进制码的转换如图2.16所示所示.。u采用多进制码的目的是在码元速率一定时提高信息速率。采用多进制码的目的是在码元速率一定时提高信息速率。图图2.16四进制码与二进制码对应四进制码与二进制码对应2.5.3 信息信息1 消息：消息是一组有序符号序列（包括状态、消息：消息是一组有序符号序列（包括状态、字字母、母、数字等）或连续时间函数，数字等）或连续时间函数，如语音、如语音、摄影摄影机摄下的活动图像等。机摄下的活动图像等。前者称为离散消息，前者称为离散消息，后后者称为连续消息。者称为连续消息。
26、2 信息：把消息抽象化（一般用电信号脉冲序列表信息：把消息抽象化（一般用电信号脉冲序列表示）后进行量值（度量）的结果。示）后进行量值（度量）的结果。u信息量（每个码元）：信息量与进制数有关。信息量（每个码元）：信息量与进制数有关。比特（比特（bit）(2-2)u信号与信息间的关系是：电信号是信息的一种电信号与信息间的关系是：电信号是信息的一种电磁表示方法，用电压、电流、频率、光波强度来磁表示方法，用电压、电流、频率、光波强度来携带信息的载体。携带信息的载体。NI2log2.5.4数字通信系统有效指标的计算数字通信系统有效指标的计算u码元传输速率（传码率，波特率）：指数字通信码元传输速率（传码率
27、，波特率）：指数字通信系统单位时间（每秒）内传输的码元（符号）个系统单位时间（每秒）内传输的码元（符号）个数。其单位为波特数。其单位为波特(Baud),简称波特率，常用符简称波特率，常用符号号“B”表示。表示。（波特，（波特，Bound）是码元宽度，是码元宽度，单位为波特（单位为波特（B），），也称数码脉冲重复频率也称数码脉冲重复频率 bBTR1bbTf1u信息传输速率：信息传输速率简称传信率，信息传输速率：信息传输速率简称传信率，又又称信息速率或比特率。称信息速率或比特率。它表示单位时间（每秒）它表示单位时间（每秒）内传送数据信息的比特数，单位为比特内传送数据信息的比特数，单位为比特/秒，秒
28、，可记为可记为“bit/s”。N2logBNRbNR),/bit/(bpss秒，比特KbitMbit3101bitKbit3101其中其中,N为符号的进制数。为符号的进制数。，对二进制信息进行传输时，对二进制信息进行传输时，其传输速率和信息速率其传输速率和信息速率是一致的，是一致的，这时传输速率可记为这时传输速率可记为22BbRRu码元差错率码元差错率(误码率误码率)：在传输过程中发生误码：在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元个数之比，的码元个数与传输的总码元个数之比，称为误称为误码率，码率，用用Pe表示，表示，即即u误比特率误比特率Pb传输总码元数接收错误码元数eP传输总比特数接收错
29、误比特数bPu 频带利用率：在比较不同通信系统的效率时，频带利用率：在比较不同通信系统的效率时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样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频带宽度。通信系统占用的传输速率下所占的频带宽度。通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力应该越大。所以，的频带越宽，传输信息的能力应该越大。所以，真正用来衡量数字通信系统传输效率（有效性）真正用来衡量数字通信系统传输效率（有效性）的指标应当是单位频带内的传输速率，即的指标应当是单位频带内的传输速率，即)/(HzBBRB)/(HzbitBRbBRbR其中其中是系统码元速率，是系统码元速率，是系统信息速率。是系统信息速率。
