通信原理第二章通信的基本概念

1、2.1 通信的定義2.2 通信系統(tǒng)的構(gòu)成2.3 通信系統(tǒng)的分類2.4 通信傳輸方式2.5 通信系統(tǒng)傳輸?shù)幕靖拍?.6 數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)2.7 通信濾波器的概念本章小結(jié)2通信系統(tǒng)概述通信系統(tǒng)概述2.1 通信的定義回顧第一章的內(nèi)容什么是通信 是人與人之間、人與機(jī)器之間、機(jī)器與機(jī)器之間的信息傳輸傳輸、處理處理和再現(xiàn)再現(xiàn)信息的過(guò)程。它涉及信息的發(fā)送者、接收者和傳輸媒體。 圖2.1 A、B兩地信息傳遞BA2.2 通信系統(tǒng)的構(gòu)成傳遞或交換信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型如圖2.2所示。圖2.2 通信系統(tǒng)的一般模型噪聲源信道變換器信源反變換器信宿消息消息適于信道中傳送的信

2、號(hào)信源：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。變換器：或稱發(fā)送設(shè)備，產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。如調(diào)制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼、加密等。信道：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無(wú)線信道兩大類。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。如果通信距離較遠(yuǎn)，還必須加上中繼器，對(duì)被衰減的信號(hào)進(jìn)行放大或再生，然后再傳送。反變換器：或稱接收設(shè)備，從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。 信宿：是傳輸信息的歸宿點(diǎn)，是把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器、耳機(jī)、顯示器等。2.3 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)模擬基帶傳輸系統(tǒng)模擬調(diào)制傳輸系統(tǒng)數(shù)字通信系

3、統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制傳輸系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)：模擬通信系統(tǒng)：在信道中傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)。如圖2.3所示。圖2.3 模擬通信系統(tǒng)兩種變換：模擬消息 原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）基帶信號(hào) 已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）我們以語(yǔ)音信號(hào)為例來(lái)說(shuō)明圖2.3模擬通信系統(tǒng)模型各部分的作用。發(fā)信人講話的語(yǔ)音信息首先經(jīng)變換器將語(yǔ)音信息變成電信號(hào)（模擬信源），然后電信號(hào)經(jīng)放大設(shè)備后可以直接在信道中傳輸。為了提高頻帶利用率，使多路信號(hào)同時(shí)在信道中傳輸，原始的電信號(hào)（基帶信號(hào)）一般要進(jìn)行調(diào)制才能傳輸?shù)叫诺乐腥?。調(diào)制是信號(hào)的一種變換，通常是將不便于信道直接傳輸?shù)幕鶐盘?hào)變換成適合信道中傳輸?shù)男盘?hào)，這一過(guò)程由調(diào)制器完成，經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信

4、號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。在收端，經(jīng)解調(diào)器和逆變換器還原成語(yǔ)音信息。 數(shù)字通信系統(tǒng)：數(shù)字通信系統(tǒng)：傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)。如圖2.4所示。圖2.5 數(shù)字通信系統(tǒng)信源編碼與譯碼目的： 提高信息傳輸?shù)挠行?完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換 信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào) 同步目的：使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致 數(shù)字通信的主要特點(diǎn)：（一）優(yōu)點(diǎn)（1）抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)噪聲積累在遠(yuǎn)距離通信中，中繼器可以對(duì)數(shù)字信號(hào)波形進(jìn)行整形、再生而消除噪聲和失真的積累，但對(duì)模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，中繼器對(duì)傳輸信號(hào)放大的同時(shí)，對(duì)疊加在信號(hào)上的噪聲和失真也進(jìn)行了放大，如

5、圖2.6所示。此外還可以采用各種差錯(cuò)控制編碼方法進(jìn)一步改善傳輸質(zhì)量。圖2.6 模擬通信與數(shù)字通信抗干擾能力比較（2）便于加密處理 在數(shù)字通信中易于采用復(fù)雜、非線性長(zhǎng)周期的碼序列對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密，從而使通信具有高強(qiáng)度的保密性。（3）易于實(shí)現(xiàn)集成化，使通信設(shè)備體積小、功耗低 由于數(shù)字通信中大部分電路都是由數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，微電子技術(shù)的發(fā)展可使數(shù)字通信便于用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。（4）利于采用時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路通信 數(shù)字信號(hào)本身可以很容易用離散時(shí)間信號(hào)表示，在兩個(gè)離散時(shí)間之間可以插入多路離散時(shí)間信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用。（5）傳輸差錯(cuò)可控（6）便于處理、變換、存儲(chǔ)（二）缺點(diǎn)：（1）需要較大的傳輸帶

6、寬數(shù)字通信系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)是用比模擬信號(hào)占用更寬的頻帶而換得的。以電話為例，一路模擬電話僅占用約4kHz帶寬，而一路數(shù)字電話卻要占用20kHz64kHz的帶寬。不過(guò)，隨著信道帶寬很寬的數(shù)字微波、衛(wèi)星和光纖通信等系統(tǒng)的利用以及數(shù)字頻帶壓縮技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信占用頻帶寬的問(wèn)題將可以逐步獲得解決。（2）對(duì)同步要求高同步問(wèn)題是數(shù)字通信技術(shù)的核心問(wèn)題之一。它包括位同步、幀同步、載波同步、網(wǎng)同步等。2.4 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 衡量通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，最重要的是看它的有效性和可靠性。 有效性有效性指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題。 可靠性可靠性指接收信息的準(zhǔn)

7、確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。 有效性和可靠性這兩個(gè)要求通常是矛盾的。提高有效性會(huì)降低可靠性，反之亦然。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，須根據(jù)具體情況尋求適當(dāng)?shù)恼壑薪鉀Q辦法。模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)要求的具體內(nèi)容有很大差別，因此分別予以介紹。模擬通信系統(tǒng)：模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶來(lái)度量。信道的傳輸頻 帶越寬，則能夠容納的信息量就越大?？煽啃裕嚎捎媒邮斩俗罱K輸出信噪比來(lái)度量。信噪比指輸出信號(hào)的平均功率和輸出噪聲的平均功率之比，并用分貝值作為衡量的單位，即 。信噪比越大，通信質(zhì)量越好10lg()SdBN幾個(gè)基本概念碼元：碼元：承載信息量的基本信號(hào)單位，指的是任何進(jìn)制數(shù)據(jù)中每

8、一位數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。 二進(jìn)制碼、多進(jìn)制碼（P17）信息：信息：是消息中包含的有效內(nèi)容如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無(wú)關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)關(guān)。消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)【例】 “今年冬天的氣候要比去年冬天的更冷些”與 “今年冬天的氣候?qū)⑴c去年夏天一樣熱”兩條消息哪一個(gè)包含有更多的信息？ 上例表明：消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。 度量信息量的方法事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來(lái)描述：消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。 設(shè)：P(x) 消息發(fā)生的概率， I 消息中所含的信息量， 則 P(x) 和 I

9、 之間應(yīng)該有如下關(guān)系： I 是 P(x) 的函數(shù)： I I P(x) P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時(shí)，I 0； P(x) = 0時(shí)，I ； 滿足上述3條件的關(guān)系式如下：信息量的定義)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa上式中對(duì)數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡(jiǎn)記為b 若a = e，信息量的單位稱為奈特(nit)， 若 a = 10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley) 。通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有(b)【例例】 設(shè)一個(gè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個(gè)輸出的

10、信息含量為 在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特)(log)(1logxPxPIaa221loglog( )( )IP xP x )b(12log2/11log) 1 ()0(22 II若有M個(gè)等概率波形（P = 1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即 M = 2k，則有當(dāng)M = 4時(shí)，即4進(jìn)制波形，I = 2比特，當(dāng)M = 8時(shí)，即8進(jìn)制波形，I = 3比特。非等概論情況(略)。思考題：思考題：設(shè)一信息源的輸出由128個(gè)不同符號(hào)組成，每個(gè)符號(hào)均以等概率出現(xiàn)。試計(jì)算出該信息源中每個(gè)符號(hào)所包含的信息量。)b(log/11log1log22

11、2MMPI2log 2( )kIkb數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)衡量。 碼元傳輸速率RB：定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡(jiǎn)記為B。式中T 碼元的持續(xù)時(shí)間（秒） 信息傳輸速率Rb：定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，簡(jiǎn)記為 b/s ，或bps 例題2.1,2.2 )B(1TRB碼元速率和信息速率的關(guān)系或 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)：M = 2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對(duì)于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M = 8）中，若碼元速率為1200 B，則信息速率為3600 b/s。 （二進(jìn)制傳碼率）與 （N進(jìn)制傳碼率）關(guān)系

12、為： 各自碼元寬度不一樣 各自碼元寬度一樣)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB2BRBNR222logBBNBBNRRNRR頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即或可靠性：可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率誤信率，又稱誤比特率在二進(jìn)制中有例2.3,2.4練習(xí)題:P23 2.8,2.9,2.12)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb傳輸總碼元數(shù)錯(cuò)誤碼元數(shù)eP傳輸總比特?cái)?shù)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)bPebPP 2.5 通信傳輸方式信息的傳輸方式可以有以下幾種分類：按通過(guò)傳輸線路信息的形式不同可以將傳輸方式分為模擬傳輸和數(shù)字傳輸；按信號(hào)在信道中的傳輸方向可分為單工、半雙工和全雙工

13、三種通信方式；按編碼的傳輸方法可分為串行傳輸和并行傳輸；按是否要求收發(fā)同步可分為同步傳輸和異步傳輸。1模擬傳輸和數(shù)字傳輸 根據(jù)信道中傳送的是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，將通信傳輸方式分成模擬傳輸方式和數(shù)字傳輸方式。應(yīng)當(dāng)指出，模擬傳輸方式和數(shù)字傳輸方式是以信道傳輸信號(hào)的差異為標(biāo)準(zhǔn)的，而不是根據(jù)原始輸出的信號(hào)來(lái)劃分。若將原始輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模/數(shù)變換，成為數(shù)字信號(hào)，就可以用數(shù)字傳輸方式傳送，在接收端再進(jìn)行相反的數(shù)/模變換，即可還原出原始的模擬信號(hào)。 2單工、半雙工和全雙工通信（1）單工通信 單工通信是指信息的流動(dòng)方向始終固定為一個(gè)方向的通信方式。雖然能夠逆向傳輸應(yīng)答監(jiān)視信號(hào)，但不能在反方向傳輸信息。

14、例如，電視機(jī)、收音機(jī)只能接收信號(hào)，而不能反方向傳送信號(hào)，它是一種類似于單行道的通信方式。（2）半雙工通信 這是一種信息流動(dòng)方向可以隨時(shí)改變的通信方式，但任何時(shí)刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)，如圖所示。由于傳輸方向不斷交換，所以傳輸效率會(huì)有所下降。 例如，無(wú)線電收、發(fā)兩用機(jī)和銀行的聯(lián)機(jī)系統(tǒng)都屬于這種方式。它是一種類似于單向交互通行道路的通信方式。 （3）全雙工通信 全雙工通信是指可以同時(shí)向兩個(gè)方向傳輸信息的通信方式。這種通信方式可以相互交換大量的信息。雖然是同時(shí)雙向傳輸信息，但不一定非要在兩個(gè)方向上分別敷設(shè)傳輸線路，如將發(fā)送、接收的信號(hào)頻率分離，引入頻分復(fù)用技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)雙向通信。 例

15、如，電話通信、寬帶上網(wǎng)等都是屬于這種通信方式。它是一種類似于雙向通行道路的通信方式。3. 并行傳輸并行傳輸和串行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施缺點(diǎn)：需要 n 條通信線路，成本高 串行傳輸 ：將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施4. 同步與異步傳輸 異步傳輸:發(fā)端預(yù)先將數(shù)據(jù)分組,并在每組數(shù)據(jù)的前后安置起始位和停止位.允許各組數(shù)據(jù)以不同的速率傳送.收端根據(jù)起始位和停止位識(shí)別數(shù)據(jù)組.起始位校驗(yàn)位停止位(1,1.5, 2數(shù)據(jù)寬度)5 7 數(shù)據(jù)位奇偶校驗(yàn)或不用 異步傳輸不要求位同步和字同步.優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便而靈活缺點(diǎn)：傳輸效率低 同步傳輸:發(fā)端用定時(shí)信號(hào)控制數(shù)據(jù)勻速發(fā)送,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以幀為單位,只在每幀的前后加SYN(同步)標(biāo)記.收端從接收信號(hào)中提取定時(shí),達(dá)到收