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)傳輸的基本概念2.6 數字通信系統(tǒng)的質量指標2.7 通信濾波器的概念本章小結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容什么是通信 是人與人之間、人與機器之間、機器與機器之間的信息傳輸傳輸、處理處理和再現再現信息的過程。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)的構成傳遞或交換信息所需的一切技術設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、號信源：把各種消息轉換成原始電信號，如麥克風。信源可分為模擬信源和數字信源。變換器：或稱發(fā)送設備，產生適合于在信道中傳輸的信號。如調制、模數轉換、編碼、加密等。信道：將來自發(fā)送設備的信號傳送到接收端的物理媒質。分為有線信道和無線信道兩大類。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，還必須加上中繼器，對被衰減的信號進行放大或再生，然后再傳送。反變換器：或稱接收設備，從受到減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。 信宿：是傳輸信息的歸宿點，是把原始電信號還原成相應的消息，如揚聲器、耳機、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)模擬調制傳輸系統(tǒng)數字通信系

3、統(tǒng)數字基帶傳輸系統(tǒng)數字調制傳輸系統(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（基帶信號）基帶信號 已調信號（帶通信號）我們以語音信號為例來說明圖2.3模擬通信系統(tǒng)模型各部分的作用。發(fā)信人講話的語音信息首先經變換器將語音信息變成電信號（模擬信源），然后電信號經放大設備后可以直接在信道中傳輸。為了提高頻帶利用率，使多路信號同時在信道中傳輸，原始的電信號（基帶信號）一般要進行調制才能傳輸到信道中去。調制是信號的一種變換，通常是將不便于信道直接傳輸的基帶信號變換成適合信道中傳輸的信號，這一過程由調制器完成，經過調制后的信

4、號稱為已調信號。在收端，經解調器和逆變換器還原成語音信息。 數字通信系統(tǒng)：數字通信系統(tǒng)：傳輸數字信號的系統(tǒng)。如圖2.4所示。圖2.5 數字通信系統(tǒng)信源編碼與譯碼目的： 提高信息傳輸的有效性 完成模/數轉換 信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數字調制與解調目的：形成適合在信道中傳輸的帶通信號 同步目的：使收發(fā)兩端的信號在時間上保持步調一致 數字通信的主要特點：（一）優(yōu)點（1）抗干擾能力強，無噪聲積累在遠距離通信中，中繼器可以對數字信號波形進行整形、再生而消除噪聲和失真的積累，但對模擬信號來說，中繼器對傳輸信號放大的同時，對疊加在信號上的噪聲和失真也進行了放大，如

5、圖2.6所示。此外還可以采用各種差錯控制編碼方法進一步改善傳輸質量。圖2.6 模擬通信與數字通信抗干擾能力比較（2）便于加密處理 在數字通信中易于采用復雜、非線性長周期的碼序列對信號進行加密，從而使通信具有高強度的保密性。（3）易于實現集成化，使通信設備體積小、功耗低 由于數字通信中大部分電路都是由數字電路來實現的，微電子技術的發(fā)展可使數字通信便于用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路來實現。（4）利于采用時分復用實現多路通信 數字信號本身可以很容易用離散時間信號表示，在兩個離散時間之間可以插入多路離散時間信號實現時分多路復用。（5）傳輸差錯可控（6）便于處理、變換、存儲（二）缺點：（1）需要較大的傳輸帶

6、寬數字通信系統(tǒng)的許多優(yōu)點是用比模擬信號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，而一路數字電話卻要占用20kHz64kHz的帶寬。不過，隨著信道帶寬很寬的數字微波、衛(wèi)星和光纖通信等系統(tǒng)的利用以及數字頻帶壓縮技術的發(fā)展，數字通信占用頻帶寬的問題將可以逐步獲得解決。（2）對同步要求高同步問題是數字通信技術的核心問題之一。它包括位同步、幀同步、載波同步、網同步等。2.4 通信系統(tǒng)的性能指標 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。 有效性有效性指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸的“速度”問題。 可靠性可靠性指接收信息的準

7、確程度，也就是傳輸的“質量”問題。 有效性和可靠性這兩個要求通常是矛盾的。提高有效性會降低可靠性，反之亦然。因此，在實際設計系統(tǒng)時，須根據具體情況尋求適當的折中解決辦法。模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)對這兩個指標要求的具體內容有很大差別，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度量。信道的傳輸頻 帶越寬，則能夠容納的信息量就越大。可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。信噪比指輸出信號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，通信質量越好10lg()SdBN幾個基本概念碼元：碼元：承載信息量的基本信號單位，指的是任何進制數據中每

8、一位數據的長度。 二進制碼、多進制碼（P17）信息：信息：是消息中包含的有效內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，并與消息的種類無關。度量方法應該與消息的重要程度無關。消息中所含信息量和消息內容的不確定性有關【例】 “今年冬天的氣候要比去年冬天的更冷些”與 “今年冬天的氣候將與去年夏天一樣熱”兩條消息哪一個包含有更多的信息？ 上例表明：消息所表達的事件越不可能發(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的概率來描述：消息出現的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。 設：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、 之間應該有如下關系： I 是 P(x) 的函數： I I P(x) P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時，I 0； P(x) = 0時，I ； 滿足上述3條件的關系式如下：信息量的定義)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa上式中對數的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡記為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，這時有(b)【例例】 設一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數字“0”或“1”，則信源每個輸出的

10、信息含量為 在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特)(log)(1logxPxPIaa221loglog( )( )IP xP x )b(12log2/11log) 1 ()0(22 II若有M個等概率波形（P = 1/M），且每一個波形的出現是獨立的，則傳送M進制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即 M = 2k，則有當M = 4時，即4進制波形，I = 2比特，當M = 8時，即8進制波形，I = 3比特。非等概論情況(略)。思考題：思考題：設一信息源的輸出由128個不同符號組成，每個符號均以等概率出現。試計算出該信息源中每個符號所包含的信息量。)b(log/11log1log22

11、2MMPI2log 2( )kIkb數字通信系統(tǒng)數字通信系統(tǒng)有效性：有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。 碼元傳輸速率RB：定義為單位時間（每秒）傳送碼元的數目，單位為波特（Baud），簡記為B。式中T 碼元的持續(xù)時間（秒） 信息傳輸速率Rb：定義為單位時間內傳遞的平均信息量或比特數，單位為比特/秒，簡記為 b/s ，或bps 例題2.1,2.2 )B(1TRB碼元速率和信息速率的關系或 對于二進制數字信號：M = 2，碼元速率和信息速率在數量上相等。 對于多進制，例如在八進制（M = 8）中，若碼元速率為1200 B，則信息速率為3600 b/s。 （二進制傳碼率）與 （N進制傳碼率）關系

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制中有例2.3,2.4練習題:P23 2.8,2.9,2.12)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb傳輸總碼元數錯誤碼元數eP傳輸總比特數錯誤比特數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字傳輸；按信號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模擬傳輸和數字傳輸 根據信道中傳送的是模擬信號還是數字信號，將通信傳輸方式分成模擬傳輸方式和數字傳輸方式。應當指出，模擬傳輸方式和數字傳輸方式是以信道傳輸信號的差異為標準的，而不是根據原始輸出的信號來劃分。若將原始輸出的模擬信號經過模/數變換，成為數字信號，就可以用數字傳輸方式傳送，在接收端再進行相反的數/模變換，即可還原出原始的模擬信號。 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方向始終固定為一個方向的通信方式。雖然能夠逆向傳輸應答監(jiān)視信號，但不能在反方向傳輸信息。

14、例如，電視機、收音機只能接收信號，而不能反方向傳送信號，它是一種類似于單行道的通信方式。（2）半雙工通信 這是一種信息流動方向可以隨時改變的通信方式，但任何時刻只能由其中的一方發(fā)送數據，另一方接收數據，如圖所示。由于傳輸方向不斷交換，所以傳輸效率會有所下降。 例如，無線電收、發(fā)兩用機和銀行的聯(lián)機系統(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向兩個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。雖然是同時雙向傳輸信息，但不一定非要在兩個方向上分別敷設傳輸線路，如將發(fā)送、接收的信號頻率分離，引入頻分復用技術就可實現雙向通信。 例

15、如，電話通信、寬帶上網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：將代表信息的數字信號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傳輸 優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施缺點：需要 n 條通信線路，成本高 串行傳輸 ：將數字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設費用缺點：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)端預先將數據分組,并在每組數據的前后安置起始位和停止位.允許各組數據以不同的速率傳送.收端根據起始位和停止位識別數據組.起始位校驗位停止位(1,1.5, 2數據寬度)5 7 數據位奇偶校驗或不用 異步傳輸不要求位同步和字同步.優(yōu)點：簡便而靈活缺點：傳輸效率低 同步傳輸:發(fā)端用定時信號控制數據勻速發(fā)送,數據長度以幀為單位,只在每幀的前后加SYN(同步)標記.收端從接收信號中提取定時,達到收