通信課件一三

第一章緒論

1.1通信系統(tǒng)的組成

1.2通信系統(tǒng)分類與通信方式

1.3信息及其度量

1.4主要性能指標(biāo)

1.5通信發(fā)展趨勢1.1通信系統(tǒng)的組成

從古到今，人類的社會活動總離不開消息的傳遞和交換，古代的消息樹、烽火臺和驛馬傳令，以及現(xiàn)代社會的文字、書信、電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測等，這些都是消息傳遞的方式或信息交流的手段。人們可以用語言、文字、數(shù)據(jù)或圖像等不同的形式來表達信息。但是這些語言、文字、數(shù)據(jù)或圖像本身不是信息而是消息，信息是消息中所包含的人們原來不知而待知的內(nèi)容。因此，通信的根本目的在于傳輸含有信息的消息，否則，就失去了通信的意義?；谶@種認識，“通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸”。實現(xiàn)通信的方式很多，隨著社會的需求、生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，目前的通信越來越依賴利用“電”來傳遞消息的電通信方式。由于電通信迅速、準確、可靠且不受時間、地點、距離的限制，因而近百年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。當(dāng)今，在自然科學(xué)領(lǐng)域涉及“通信”這一術(shù)語時，一般均是指“電通信”。廣義來講，光通信也屬于電通信，因為光也是一種電磁波。

本書中的通信均指電通信。

1.1.1通信系統(tǒng)的一般模型

通信是從一地向另一地傳遞和交換信息。

實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)?；邳c與點之間的通信系統(tǒng)的模型可用圖1-1來描述。

信源是消息的產(chǎn)生地，

其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱之為消息信號或基帶信號。電話機、電視攝像機和電傳機、計算機等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。前者屬于模擬信源，輸出的是模擬信號；后者是數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號。

信源發(fā)信機信道收信機收信者噪聲源消息信號信號消息圖1-1通信系統(tǒng)模型

發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì)。在無線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對象的不同，需要對實際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對信號的影響。這一點將在第3章中討論。

噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的，因此，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號來，對于多路復(fù)用信號，還包括解除多路復(fù)用，實現(xiàn)正確分路。信宿是傳輸信息的歸宿點，其作用是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。1.1.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型

圖1-1中，信源發(fā)出的消息雖然有多種形式，但可分為兩大類：一類稱為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息。連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語音、活動圖片等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，如符號、數(shù)據(jù)等。消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體——電信號來實現(xiàn)的，即把消息寄托在電信號的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置）。按信號參量的取值方式不同可把信號分為兩類，即模擬信號和數(shù)字信號。

凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為模擬信號，如電話機送出的語音信號、電視攝像機輸出的圖像信號等。模擬信號有時也稱連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值，而不一定在時間上也連續(xù)，如圖1-2(b)所示的抽樣信號。凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為數(shù)字信號，如電報信號、計算機輸入/輸出信號、PCM信號等。數(shù)字信號有時也稱離散信號，這個離散是指信號的某一參量是離散變化的，而不一定在時間上也離散，如圖1-3(b)所示的2PSK信號。圖1–2模擬信號波形1.模擬通信系統(tǒng)模型

因此，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。我們知道，信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300~3400Hz，圖像信號為0~6MHz。由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?，并可在接收端進行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個基本特征：一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。需要指出出，消息息從發(fā)送送端到接接收端的的傳遞過過程中，，不僅模擬通信系統(tǒng)模型可由圖1-1略加演變而成，如圖1-4所示。圖中的調(diào)制器和解調(diào)器就代表圖1-1中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。圖1-4模模擬通信信系統(tǒng)模型2．?dāng)?shù)字通信信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)統(tǒng)是利用數(shù)字字信號來傳遞遞信息的通信信系統(tǒng)，如如圖1-5所示。數(shù)字通通信涉及的技技術(shù)問題很多多，其中主要要有信源編碼碼/譯碼、信道編編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)復(fù)接、同步以以及加密等。。下面對這些些技術(shù)作簡要要介紹。1)信源編碼與譯譯碼信源編碼的作作用之一是設(shè)設(shè)法減少碼元元數(shù)目和降低低碼元速率，，即通常所說說的數(shù)據(jù)壓縮縮。碼元速率率將直接影響響傳輸所占的的帶寬，而傳傳輸帶寬又直直接反映了通通信的有效性性。作用之二二是，當(dāng)信息息源給出的是是模擬語音信信號時，信源源編碼器將其其轉(zhuǎn)換成數(shù)字字信號，以實實現(xiàn)模擬信號號的數(shù)字化傳傳輸。第6章中將討論模模擬信號數(shù)字字化傳輸?shù)膬蓛煞N方式：脈脈沖編碼調(diào)制制(PCM)和增量調(diào)制(ΔM)。信源譯碼是信信源編碼的逆逆過程。2）信道編碼碼與譯碼數(shù)字信號在信信道傳輸時，，由于噪聲、、衰落以及人人為干擾等，，將會引起差差錯。為了減減少差錯，信信道編碼器對對傳輸?shù)男畔⑾⒋a元按一定定的規(guī)則加入入保護成分（（監(jiān)督元），，組成所謂““抗干擾編碼碼”。接收端端的信道譯碼碼器按一定規(guī)規(guī)則進行解碼碼，從解碼過過程中發(fā)現(xiàn)錯錯誤或糾正錯錯誤，從而提提高通信系統(tǒng)統(tǒng)抗干擾能力力，實現(xiàn)可靠靠通信。3）加密與解解密在需要實現(xiàn)保保密通信的場場合，為了保保證所傳信息息的安全，人人為將被傳傳輸?shù)臄?shù)字序序列擾亂，即即加上密碼碼，這種處理理過程叫加密密。在接收端端利用與發(fā)送送端相同的密密碼復(fù)制品對對收到的數(shù)字字序列進行解解密，恢復(fù)原原來信息，叫叫解密。4）數(shù)字調(diào)制制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是是把數(shù)字基帶帶信號的頻譜譜搬移到高頻頻處，形5）同步與數(shù)數(shù)字復(fù)接同步是保證數(shù)數(shù)字通信系統(tǒng)統(tǒng)有序、準確確、可靠工作作的不可缺少少的前提條件件。同步是使使收、發(fā)兩端端的信號在時時間上保持步步調(diào)一致。按按照同步的功功用不同，可可分為載波同同步、位同步步、群同步和網(wǎng)同步。數(shù)字復(fù)接就是是依據(jù)時分復(fù)復(fù)用基本原理理把若干個低低速數(shù)字信需要說明的是，圖1-5是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般化模型，實際的數(shù)字通信系統(tǒng)不一定包括圖1-1中的所有環(huán)節(jié)。如在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠且通信容量不太大時，數(shù)字基帶信號無需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)，詳見第5章。應(yīng)該指出的是，模擬信號經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，數(shù)字電話系統(tǒng)就是以數(shù)字方式傳輸模擬語音信號的例子。當(dāng)然，數(shù)字信信號也可以在在模擬通信系系統(tǒng)中傳輸，，如計算機數(shù)數(shù)據(jù)可以通過過模擬電話線線路傳輸，但但這時必須使使用調(diào)制解調(diào)調(diào)器（Modem））將數(shù)字基帶信信號進行正弦弦調(diào)制，以適適應(yīng)模擬信道道的傳輸特性性?？梢?，模模擬通信與數(shù)數(shù)字通信的區(qū)區(qū)別僅在于信信道中傳輸?shù)牡男盘柗N類。。圖1–5數(shù)字字通信系統(tǒng)模模型3.數(shù)字通信的主主要特點目前，無論是是模擬通信還還是數(shù)字通信信，在不同的的通信業(yè)務(wù)中中都得到了廣廣泛的應(yīng)用。。但是，數(shù)字字通信的發(fā)展展速度已明顯顯超過模擬通通信，成為當(dāng)當(dāng)代通信技術(shù)術(shù)的主流。與與模擬通信相相比，數(shù)字通信更能能適應(yīng)現(xiàn)代社社會對通信技技術(shù)越來越高高的要求，其其特點是：1）抗干擾能能力強。以二二進制為例，，信號的取值值只有兩個，，這樣接收端端只需判別兩兩種狀態(tài)。信信號在傳輸過過程中受到噪噪聲的干擾，，必然會發(fā)生生波形畸變，，接收端對其其進行抽樣判判決，以辨別別是兩個狀態(tài)態(tài)中的哪一個個。只要噪聲聲的大小不足足以影響判決決的正確，就就能正確接收收。而模擬通通信系統(tǒng)中傳傳輸?shù)氖沁B續(xù)續(xù)變化的模擬擬信號，它要要求接收機能能夠高度保真真地重現(xiàn)信號號波形，如果果模擬信號疊疊加上噪聲后后，即使噪聲聲很小，也很很難消除它。。此外，在遠遠距離傳輸，，如微波中繼繼通信時，各各中繼站可利利用數(shù)字通信信特有的判決決再生接收方方式，對數(shù)字字信號波形進進行整形再生2）差錯可控?？梢圆捎眯诺谰幋a技術(shù)使誤碼率降低，提高傳輸?shù)目煽啃?。?）易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算技術(shù)對信號進行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網(wǎng)（4）易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。（5）易于加密處理，且保密強度高。

但是，數(shù)字通信信的許多優(yōu)點都是是用比模擬通信占占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻頻帶為代價而換取取的。以電話為例例，一路模擬電話話通常只占據(jù)4kHz帶寬，但一路接近近同樣話音質(zhì)量的的數(shù)字電話可能要要占據(jù)20～60kHz的帶寬，因此數(shù)字字通信的頻帶利用用率不高。另外，，由于數(shù)字通信對對同步要求高，因因而系統(tǒng)設(shè)備比較較復(fù)雜。不過，隨隨著新的寬帶傳輸輸信道（如光導(dǎo)纖纖維）的采用、窄窄帶調(diào)制技術(shù)和和超大規(guī)模集成電電路的發(fā)展，數(shù)字字通信的這些缺點點已經(jīng)弱化。隨著著微電子技術(shù)和計計算機技術(shù)的迅猛猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用用，數(shù)字通信在今今后的通信方式中中必將逐步取代模模擬通信而占主導(dǎo)導(dǎo)地1.2通信系統(tǒng)分類與通通信方式1.2.1通信系統(tǒng)的分類1．按通信業(yè)務(wù)分類類按通信業(yè)務(wù)分，通通信系統(tǒng)有話務(wù)務(wù)通信和非話務(wù)通通信。電話業(yè)務(wù)務(wù)在電信領(lǐng)域中一一直占主導(dǎo)地位，，它屬于人與人之之間的通信。近近年來，非話務(wù)通通信發(fā)展迅速，非非話務(wù)通信主要要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)務(wù)、計算機通信、、數(shù)據(jù)庫檢索、電電子信箱、電子數(shù)數(shù)據(jù)交換、傳真存存儲轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖圖文及會議電視、、圖像通信等。由由于電話通信最最為發(fā)達，因而其其他通信常常借助助于公共的電話通通信系統(tǒng)進行。未來的綜合業(yè)務(wù)數(shù)數(shù)字通信網(wǎng)中各2．按調(diào)制方式分分類根據(jù)是否采用調(diào)制制，可將通信系統(tǒng)統(tǒng)分為基帶傳輸和和頻帶（調(diào)制）傳傳輸?；鶐鬏斒鞘菍⑽唇?jīng)調(diào)制的信信號直接傳送，如如音頻市內(nèi)電話。。頻帶傳輸是對各各種信號調(diào)制后傳傳輸?shù)目偡Q。調(diào)調(diào)制方式很多，表1-1列出了一些常見的的調(diào)制方式。3．按信號特征分分類按照信道中所傳輸輸?shù)氖悄M信號還還是數(shù)字信號，相相應(yīng)地把通信系系統(tǒng)分成模擬通信信系統(tǒng)和數(shù)字通信信系統(tǒng)。4．按傳輸媒質(zhì)分分類按傳輸媒質(zhì)分，通通信系統(tǒng)可分為有有線通信系統(tǒng)和無無線通信系統(tǒng)兩大大類。有線通信是5．按工作波段分類

按通信設(shè)備的工作頻率不同可分為長波通信、中波通信、短波通信、遠紅外線通信等。表1-2列出了通信使用的頻段、常用的傳輸媒質(zhì)及主要用途。工作波長和頻率的的換算公式為式中，λ為工作波長，f為工作頻率，c為光速。λ=c／f6．按信號復(fù)用方方式分類傳輸多路信號有三三種復(fù)用方式，即即頻分復(fù)用、時分分復(fù)用和碼分復(fù)用用。頻分復(fù)用是用用頻譜搬移的方法法使不同信號占據(jù)據(jù)不同的頻率范圍圍；時分復(fù)用是用用脈沖調(diào)制的方法法使不同信號占據(jù)據(jù)不同的時間區(qū)間間；碼分復(fù)用是是用正交的脈沖序序列分別攜帶不同同信號。傳統(tǒng)的模模擬通信中都采用用頻分復(fù)用，隨著著數(shù)字通信的發(fā)展展，時分復(fù)用通信信系統(tǒng)的應(yīng)用愈來來愈廣泛，碼分復(fù)復(fù)用主要用于空間通信的的擴頻通信中.1.2.2通信方式前述通信系統(tǒng)是單單向通信系統(tǒng)，但但在多數(shù)場合下，，信源兼為信宿，，需要雙向通信，，電話就是一個最最好的例子，這時時通信雙方都要有有發(fā)送和接收設(shè)備備，并需要各自的的傳輸媒質(zhì)，如果果通信雙方共用一一個信道，就必須須用頻率或時間分分割的方法來共享享信道。因此，通通信過程中涉及通通信方式與信道共共享問題。下面面只對通信方式作作一簡單介紹。1．按消息傳遞的的方向與時間關(guān)系系分對于點與點之間的的通信，按消息傳傳遞的方向與時間間關(guān)系，通信方方式可分為單工、、半雙工及全雙工工通信三種。單工通信，是指消消息只能單方向傳傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，，因此只占用一個個信道，如圖1-6(a)所示。廣播、遙測測、遙控、無線尋尋呼等就是單工通通信方式的例子。。半雙工通信，是指指通信雙方都能收收發(fā)消息，但不不能同時進行收和和發(fā)的工作方式，，如圖1-6(b)所示。例如，使用用同一載頻的對講講機，收發(fā)報機以以及問詢、檢索、、科學(xué)計算等數(shù)據(jù)據(jù)通信都是半雙工工通信方式。全雙工通信，是是指通信雙方可同同時進行收發(fā)消息息的工作方式。一一般情況全雙工通通信的信道必須是是雙向信道，如圖圖1-6(c)所示。普通電話話、手機都是最最常見的全雙工工通信方式，計算機之2．按數(shù)字信號排列順序分在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸，如圖1-7（a）所示。并行傳輸?shù)膬?yōu)點是節(jié)省傳輸時間，但需要傳輸信道多，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計算機和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸，如圖1-7(b)所示。通常，一般的遠距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。此外，還可以按通信的網(wǎng)絡(luò)形式劃分。由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點與點之間的通信，所以本課程的重點放在點與點之間的通信上。1.5通信發(fā)展趨勢在過去三四十年年間，對數(shù)據(jù)傳傳輸需求的增長長以及大規(guī)模集集成電路的發(fā)展展，促進了數(shù)字字通信的發(fā)展。。目前數(shù)字通信信在衛(wèi)星通信、、光纖通信、移移動通信、微波波通信等領(lǐng)域有有了新的進展。。下面我們就就從這幾個方面面來了解通信的的現(xiàn)狀和未來發(fā)發(fā)展趨勢。1．衛(wèi)星通信系系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是2．光纖通信系系統(tǒng)光纖通信是以光光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)作為傳輸媒質(zhì)、、以光波為運載載工具（載波））的通信方式。。光纖通信具有有容量大、頻頻帶寬、傳輸損損耗小、抗電磁磁干擾能力強、、通信質(zhì)量高等等優(yōu)點，且成本本低，與同軸電目前，單波長光通信系統(tǒng)速率已達10Gb/s，其潛力已不大，采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)來擴容是當(dāng)前實現(xiàn)超大容量光傳輸?shù)闹匾夹g(shù)。近年來，DWDM技術(shù)取得了較大的進展，美國AT&T實驗室等機構(gòu)已成功地完成了Tb/s的傳輸實驗。光傳送網(wǎng)是通信網(wǎng)未來的發(fā)展方向，它可以處理高速率的光信號，擺脫電子瓶頸，實現(xiàn)靈活、動態(tài)的光層聯(lián)網(wǎng)，透明地支持各種格式的信號以及實現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。因此，世界上許多國家紛紛進行研究、試驗，驗證由波分復(fù)用、光交叉連接設(shè)備及色散位移光纖組成的高容量通信網(wǎng)今后的可行性。3．?dāng)?shù)字