通信的基本概念通信系統(tǒng)的組成演示文稿

通信的基本概念通信系統(tǒng)的組成演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)《通信原理》電子教案授課班級(jí)：通信1103班、通信1104班授課教師：廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院梁能當(dāng)前第2頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)第1章緒論

本章主要介紹通信的基本概念，使學(xué)生對(duì)通信的基本概念、術(shù)語(yǔ)以及本課程所要研究的主要對(duì)象有一個(gè)初步了解。本章是通信原理與技術(shù)的基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容：

1.1通信的基本概念1.2通信系統(tǒng)的組成1.3通信系統(tǒng)分類及通信方式1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)6/12/20233當(dāng)前第3頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.1通信的基本概念通信的定義：是指由一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞。古代：烽火臺(tái)、驛站。近代：雞毛信、消息樹?，F(xiàn)代：電話、廣播、電視。通信的目的是傳遞消息，消息（message）具有不同的形式，例如：語(yǔ)言、文字、數(shù)據(jù)、圖像、符號(hào)等等。

6/12/20234當(dāng)前第4頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)要素一地、另一地：發(fā)信、收信方。消息：有待于傳輸?shù)恼Z(yǔ)音、圖象、符號(hào)、數(shù)字、圖片等－－概率論意義上的“事件”。消息帶有需要送給收信者的信息（information）。消息以信號(hào)的形式在系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)：電子系統(tǒng)、語(yǔ)音系統(tǒng)、聲光系統(tǒng)等。通信系統(tǒng)：完成通信這一過(guò)程的全部技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介。

通信（communication）是信號(hào)與系統(tǒng)的集合。6/12/20235當(dāng)前第5頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)信號(hào)：是消息的載荷者，與消息一一對(duì)應(yīng)的東西。在電信系統(tǒng)里，載荷者為“電”，對(duì)應(yīng)－－消息被載荷在電信號(hào)的某參量上，如電壓、電流或電波等物理量（進(jìn)一步還可以是該物理量的幅度、相位或頻率等）。此時(shí)的信號(hào)為電信號(hào)，習(xí)慣上簡(jiǎn)稱為信號(hào)（signal）。模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)。傳輸電信號(hào)的通信系統(tǒng)為電信通信系統(tǒng)，常簡(jiǎn)稱之通信系統(tǒng)。6/12/20236當(dāng)前第6頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)通信的再定義：利用電子等技術(shù)手段，借助電信號(hào)（含光信號(hào)）實(shí)現(xiàn)從一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞稱為通信。6/12/20237當(dāng)前第7頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.2通信系統(tǒng)的組成圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

信源（信息源，也稱發(fā)終端）：把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如電話系統(tǒng)中電話機(jī)可看成是信源。

發(fā)送設(shè)備：將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。

1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型

6/12/20238當(dāng)前第8頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)信道：信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無(wú)線的，甚至還可以包含某些設(shè)備。噪聲源：是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。非人為加入。接收設(shè)備：任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號(hào)來(lái)。信宿（受信者、收終端）：將復(fù)原的原始電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。

6/12/20239當(dāng)前第9頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.2.2模擬通信系統(tǒng)

信道中傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)，稱為模擬通信系統(tǒng)。可由一般通信系統(tǒng)模型略加改變而成。

1.研究的問(wèn)題（1）模擬通信系統(tǒng)中兩種重要變換：

●消息←→原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）●調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）←→已調(diào)信號(hào)（頻帶信號(hào)）（2）信號(hào)受噪聲干擾的影響－－噪聲背景下的信號(hào)傳輸。6/12/202310當(dāng)前第10頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)（2）調(diào)制的功用●提高頻率，便于輻射；●頻率分配；●實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用；●改善系統(tǒng)性能。6/12/202311當(dāng)前第11頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特性：

（1）攜帶有消息；（2）適合在信道中傳輸（如輻射：天線尺寸>1/10波長(zhǎng)）；（3）頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠(yuǎn)離零頻－－頻帶信號(hào)。如：衛(wèi)星電視信號(hào)（中心頻率6/4GHz、帶寬36MHz）相應(yīng)地，原始電信號(hào)的頻譜具有低通形式，直流/低頻分量豐富－－基帶信號(hào)。

如：話音信號(hào)：300～3.4kHz;電視基帶信號(hào)：0～8MHz。6/12/202312當(dāng)前第12頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)

（1）定義：信道中傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。（2）基本特征●消息或信號(hào)具有“數(shù)字”的特性；●強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量與代表消息的數(shù)字信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系（模擬：強(qiáng)調(diào)變換的線性特性，即強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量與代表消息的基帶信號(hào)之間的比例特性）。6/12/202313當(dāng)前第13頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)（3）數(shù)字通信的主要特點(diǎn)

●抗干擾能力強(qiáng)：抗噪聲性能好、消除噪聲積累；●信道噪聲或干擾所造成的差錯(cuò)，原則上是可以控制的－－差錯(cuò)可控：檢錯(cuò)、糾錯(cuò)；●易加密（進(jìn)行人為的擾亂）；●易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合（數(shù)字終端、計(jì)算機(jī)等）。（4）數(shù)字通信需要解決的問(wèn)題：●差錯(cuò)可控：通過(guò)差錯(cuò)控制編碼即信道編碼實(shí)現(xiàn)；●加密：通過(guò)加密、解密實(shí)現(xiàn)；●節(jié)拍一致：位同步/幀同步。（5）分類●數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)●數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)●模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸6/12/202314當(dāng)前第14頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)－－數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型圖1-3數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)的模型注：

●加密/解密、編碼/譯碼不為必須，但一旦存在，必須成對(duì)；

●關(guān)鍵－－必需含調(diào)制/解調(diào)器。6/12/202315當(dāng)前第15頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)注：基帶信號(hào)形成器：可能包括編碼器、加密器以及波形變換等；接收濾波器：可能包括譯碼器、解密器等。關(guān)鍵：不含調(diào)制/解調(diào)器。

圖1-4數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型2.數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)

6/12/202316當(dāng)前第16頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)3.模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)解決問(wèn)題：模擬信源、數(shù)字通信系統(tǒng)。

圖1-5模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)模型關(guān)鍵：模擬信號(hào)數(shù)字化及其反之。A/D轉(zhuǎn)換器組成：抽樣、量化、編碼。發(fā)端將模擬信號(hào)數(shù)字化，即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；接收端需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換。6/12/202317當(dāng)前第17頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.2.4數(shù)字通信的主要特點(diǎn)

1.數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)（1）抗干擾能力強(qiáng)；（2）差錯(cuò)可控；（3）易加密；（4）易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。2.亟待解決的問(wèn)題

（1）提高頻帶利用率；（2）簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)。6/12/202318當(dāng)前第18頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.3通信系統(tǒng)分類及通信方式1.3.1通信的分類1.按傳輸媒質(zhì)分：有線通信和無(wú)線通信；●有線通信是指?jìng)鬏斆劫|(zhì)為架空明線、電纜、光纜、波導(dǎo)等形式的通信，其特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見(jiàn)，摸得著。●無(wú)線通信是指?jìng)鬏斚⒌拿劫|(zhì)為看不見(jiàn)、摸不著的媒質(zhì)（如電磁波）的一種通信形式?！裼芯€通信可進(jìn)一步再分類，如明線通信、電纜通信、光纜通信等?！駸o(wú)線通信常見(jiàn)的形式有微波通信、短波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、散射通信和激光通信、紅外通信等，其形式較多。6/12/202319當(dāng)前第19頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)

2.按信道中所傳信號(hào)特征分：模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)；3.按工作頻段分：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。地波、天波、反射波、視距波

4.按調(diào)制方式分：基帶傳輸和頻帶傳輸（AM、SSB、DSB、VSB；ASK、FSK、PSK、DPSK；PAM、PCM、△M等）；5.按業(yè)務(wù)的不同分：話務(wù)通信和非話務(wù)通信；●電話業(yè)務(wù)在電信領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位，它屬于人與人之間的通信。●非話務(wù)通信主要包括數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)通信、電子信箱、電報(bào)、傳真、可視圖文及會(huì)議電視、圖像通信等。電話通信最為發(fā)達(dá)，其它通信常借助于公共的電話通信系統(tǒng)進(jìn)行。未來(lái)的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)中，各種用途的消息都能在一個(gè)統(tǒng)一的通信網(wǎng)中傳輸?！窳?從廣義的角度來(lái)看，廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控、遙測(cè)等也應(yīng)列入通信的范疇。但已從通信中派生出來(lái)，形成了獨(dú)立的學(xué)科。6/12/202320當(dāng)前第20頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)6.按收信者是否運(yùn)動(dòng)分：移動(dòng)通信和固定通信。

另外，通信還有其它一些分類方法，如按多地址方式可分為頻分多址通信（FDMA）、時(shí)分多址通信（TDMA）、碼分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）通信等；按用戶類型可分為公用通信和專用通信等。

6/12/202321當(dāng)前第21頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.3.2通信方式

1.按消息傳送的方向與時(shí)間分

通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。

6/12/202322當(dāng)前第22頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)2.按數(shù)字信號(hào)排序分

可將通信方式分為串序傳輸和并序傳輸。

6/12/202323當(dāng)前第23頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)

3.按通信網(wǎng)絡(luò)形式分通信的網(wǎng)絡(luò)形式通?？煞譃槿N：兩點(diǎn)間直通方式、分支方式和交換方式。

圖1-8按網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式（a）兩點(diǎn)間直通方式；（b）分支方式；（c）交換方式6/12/202324當(dāng)前第24頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)注：●分支方式及交換方式均屬網(wǎng)通信的范疇。與點(diǎn)與點(diǎn)直通方式相比，有其特殊的一面。例：通信網(wǎng)中有一套具體的線路交換與消息交換的規(guī)定、協(xié)議等；通信網(wǎng)中既有信息控制問(wèn)題，也有網(wǎng)同步問(wèn)題等?！窬W(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信。●本課程只研究：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而不涉及通信網(wǎng)的其它問(wèn)題（移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)通信、程控交換等）。

6/12/202325當(dāng)前第25頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.4.1一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面:（1）有效性：通信系統(tǒng)傳輸消息的“速率”問(wèn)題，即快慢問(wèn)題。（2）可靠性：通信系統(tǒng)傳輸消息的“質(zhì)量”問(wèn)題，即好壞問(wèn)題。（3）適應(yīng)性：通信系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性。（4）經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)的成本問(wèn)題。（5）保密性：系統(tǒng)對(duì)所傳信號(hào)的加密措施。對(duì)軍用系統(tǒng)尤為重要。（6）標(biāo)準(zhǔn)性：系統(tǒng)的接口、各種結(jié)構(gòu)及協(xié)議是否合乎國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。（7）維修性：系統(tǒng)是否維修方便。（8）工藝性：通信系統(tǒng)各種工藝要求。通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息，從研究消息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)說(shuō)，有效性和可靠性是評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)。6/12/202326當(dāng)前第26頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)

對(duì)于模擬通信來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的有效性和可靠性具體可用系統(tǒng)頻帶利用率和輸出信噪比（或均方誤差）來(lái)衡量。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的可靠性和有效性具體可用誤碼率和傳輸速率來(lái)衡量。

6/12/202327當(dāng)前第27頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.4.2信息及其度量

（1）信息定義：消息中包含的有意義的內(nèi)容?！靶畔ⅰ币辉~在概念上與消息的意義相似，但它的含義卻更具普遍性、抽象性。消息可以有各種各樣的形式，但消息的內(nèi)容可統(tǒng)一用信息來(lái)表述。（2）信息量傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量”進(jìn)行衡量。

●在一切有意義的通信中，雖然消息的傳遞意味著信息的傳遞，但對(duì)接收者而言，某些消息比另外一些消息的傳遞具有更多的信息。例:非?？赡馨l(fā)生的事情：“今年秋季比去年秋季冷”。極不可能發(fā)生的事情：“今年秋季比去年冬季冷”。事件愈不可能發(fā)生，愈會(huì)使人感到意外和驚奇，信息量就愈大。6/12/202328當(dāng)前第28頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)（2）信息量●事件愈不可能發(fā)生，愈會(huì)使人感到意外和驚奇，信息量就愈大?！穸攘肯⒅兴男畔⒘康姆椒?，必須能夠用來(lái)估計(jì)任何消息的信息量，且與消息種類無(wú)關(guān)?！裣⒅兴畔⒌亩嗌僖矐?yīng)和消息的重要程度無(wú)關(guān)。另：由概率論可知，事件的不確定程度，可用事件出現(xiàn)的概率來(lái)描述：事件出現(xiàn)（發(fā)生）的可能性愈小，則概率愈?。环粗?，概率愈大。●基于這種認(rèn)識(shí)，得：消息中的信息量與消息發(fā)生的概率緊密相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率愈小，則消息中包含的信息量就愈大。且概率為零時(shí)（不可能事件）信息量為無(wú)窮大；概率為1時(shí)（必然事件）信息量為0。6/12/202329當(dāng)前第29頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)綜上：信息量與消息出現(xiàn)的概率有關(guān)，具體可以描述為如下規(guī)律：（1）消息中所含信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)：（2）消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小，且：（3）若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息（）所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量的和。6/12/202330當(dāng)前第30頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)信息量I和消息出現(xiàn)概率P(x)的關(guān)系為：信息量的單位取決于對(duì)數(shù)底數(shù)a的取值：

a=2單位為比特（bit，簡(jiǎn)寫為b）；

a=e單位為奈特（nat，簡(jiǎn)寫為n）；

a=10單位為哈特萊。6/12/202331當(dāng)前第31頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)例1.1設(shè)二進(jìn)制離散信源，數(shù)字0或1以相等的概率出現(xiàn)，試計(jì)算每個(gè)符號(hào)的信息量。

解:二進(jìn)制等概率時(shí)有即二進(jìn)制等概時(shí)，每個(gè)符號(hào)的信息量相等，為1bit。6/12/202332當(dāng)前第32頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)式中，P=1/M為每一個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率。一般情況下M=2K，則上式可改寫成例：對(duì)于M進(jìn)制離散信源，若M個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)，且每一個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無(wú)記憶的，則每個(gè)符號(hào)的信息量相等，為結(jié)論：獨(dú)立等概情況下M進(jìn)制的每一符號(hào)包含的信息量，是二進(jìn)制每一符號(hào)包含信息量的K倍（K是每一個(gè)M進(jìn)制符號(hào)用二進(jìn)制符號(hào)表示時(shí)所需的符號(hào)數(shù)目）。6/12/202333當(dāng)前第33頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)（3）平均信息量當(dāng)各個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率不相等時(shí)，計(jì)算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。

平均信息量定義：每個(gè)符號(hào)所含信息的平均值。用符號(hào)表示。多進(jìn)制時(shí)，設(shè)各符號(hào)出現(xiàn)的概率為：則平均信息量（信息源的熵）為：6/12/202334當(dāng)前第34頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)顯然，當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)獨(dú)立等概出現(xiàn)時(shí)，式（1.4-6）即成為（1.4-4）。可以證明，此時(shí)信息源的熵為最大值。

信息源的熵：6/12/202335當(dāng)前第35頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期日\(chéng)16點(diǎn)1.4.3有效性指標(biāo)的具體表述

數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來(lái)衡量，傳輸速率越高，系統(tǒng)的有效性越好。有效性通常有兩種表示方法。1.碼元傳輸速率RB