《現(xiàn)代通信原理與技術(shù)》課件第1章

第1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)

思考題

1.1-通信系統(tǒng)的組成

通信就是從一地向另一地傳遞消息。通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。人們可以用語言、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等不同形式的消息來表達(dá)信息。信息是消息的內(nèi)涵,即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(rèn)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,如手勢、語言、旌旗、消息樹、烽火臺、金鼓和驛馬傳令,以及現(xiàn)代社會的電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)、數(shù)據(jù)和計算機(jī)通信等,這些都是消息傳遞的方式和信息交流的手段。隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,目前使用最廣泛的通信方式是電通信。由于電通信迅速、準(zhǔn)確、可靠且不受時間、地點、距離的限制,因而一百多年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。如今,在自然科學(xué)領(lǐng)域凡是涉及“通信”這一術(shù)語時,一般均指“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。本書中討論的通信均指電通信

1.1.1-通信系統(tǒng)的一般模型

通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信源傳送到一個或多個目的地。實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備(包括信道)的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型如圖1-1所示。圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

圖中各部分的功能簡述如下:

信息源(簡稱信源)是消息的發(fā)源地,其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(稱為消息信號或基帶信號)。根據(jù)消息種類的不同,信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。模擬信源送出的是模擬信號,如麥克風(fēng)(聲音→音頻信號)、攝像機(jī)(圖像→視頻信號);數(shù)字信源輸出離散的數(shù)字信號,如電傳機(jī)(鍵盤字符→數(shù)字信號)、計算機(jī)等各種數(shù)字終端。

發(fā)送設(shè)備的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)男盘枴Ｒ虼?發(fā)送設(shè)備涵蓋的內(nèi)容很多,可以是不同的變換器,如放大、濾波、編碼、復(fù)用等。在需要頻譜搬移的場合,調(diào)制是最常見的變換方式。

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、光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。信道在給信號提供通路的同時,也會對信號產(chǎn)生各種干擾和噪聲。信道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。

噪聲源不是人為加入的設(shè)備,而是信道中的噪聲以及通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。噪聲通常是隨機(jī)的,其形式是多種多樣的,它的存在干擾了正常信號的傳輸。關(guān)于信道與噪聲的內(nèi)容將在第3章中討論。

接收設(shè)備的功能是放大和反變換(如濾波、譯碼、解調(diào)、分路等),其目的是從受到干擾和減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。

受信者(信宿)是傳送消息的目的地,其功能與信源相反,即將復(fù)原的原始電信號還原成相應(yīng)的消息,如揚聲器等。

圖1-1概括地描述了一個通信系統(tǒng)的組成,它反映了通信系統(tǒng)的共性,因此稱之為通信系統(tǒng)的一般模型。根據(jù)研究的對象以及所關(guān)注的問題不同,圖1-1模型中的各小方框的內(nèi)容和作用將有所不同,因而相應(yīng)有不同形式的更具體的通信模型。今后的討論就是圍繞著通信系統(tǒng)的模型展開的。

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)是連續(xù)變化或不可數(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。

凡信號參量的取值連續(xù)(不可數(shù),無窮多)的,稱為模擬信號。如電話機(jī)送出的語音信號、電視攝像機(jī)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,如圖1-2(a)所示;但模擬信號不一定在時間上也連續(xù),如圖1-2(b)所示的抽樣信號。

(a)連續(xù)信號;(b)抽樣信號圖1-2模擬信號波形

凡信號參量只可能取有限個值的,稱為數(shù)字信號。如電報信號、計算機(jī)輸入輸出信號等。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,如圖1-3(a)所示;但數(shù)字信號不一定在時間上也離散,如圖1-3(b)所示的2PSK信號。圖1-3數(shù)字信號波形(a)二進(jìn)制波形;(b)2PSK波形

1.模擬通信系統(tǒng)模型

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),如圖1-4所示。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適合在信道中傳輸?shù)男盘?并在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換的通常是調(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,三是信號的頻譜通常具有帶通形式,因而已調(diào)信號又稱帶通信號或頻帶信號。圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型

2.數(shù)字通信系統(tǒng)的模型

數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng),如圖1-5所示。數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多,其中主要有信源編碼與譯碼、信道編碼與譯碼、加密與解密、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、同步等。下面對這些技術(shù)作簡要介紹。圖1-5數(shù)字通信系統(tǒng)模型

1)信源編碼與譯碼

信源編碼的作用之一是提高信息傳輸?shù)挠行?即通過某種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來減少信息的冗余度(減少信息碼元數(shù)目)和降低數(shù)字信號的碼元速率。

2)信道編碼與譯碼

數(shù)字信號在信道傳輸時,由于噪聲、衰落以及人為干擾等,將會引起差錯。為了減小差錯,信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分(監(jiān)督元),組成所謂的“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼,從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤,從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力,實現(xiàn)可靠通信。

3)加密與解密

在需要實現(xiàn)保密通信的場合,為了保證所傳信息的安全,人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂,即加上密碼,這種處理過程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密,恢復(fù)原來信息

4)數(shù)字調(diào)制與解調(diào)

數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處,形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號?；镜臄?shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對(差分)相移鍵控DPSK。對這些信號可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號。對高斯噪聲下的信號檢測,一般用相關(guān)器接收機(jī)或匹配濾波器。

5)同步

同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的前提條件。按照同步的功用不同,可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步,這些問題將集中在第11章中討論。

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1-5中的所有環(huán)節(jié),如在某些有線信道中,數(shù)字基帶信號無需調(diào)制就可以直接傳送,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。

3.數(shù)字通信的主要特點

目前,無論是模擬通信還是數(shù)字通信,在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是,數(shù)字通信的發(fā)展速度已明顯超過模擬通信,成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比,數(shù)字通信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會對通信技術(shù)越來越高的要求,其特點是:

(1)抗干擾能力強(qiáng),且噪聲不積累。

(2)差錯可控。

(3)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(jìn)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(qiáng)度高。

數(shù)字通信的缺點是,可能需要較大的帶寬。另外,由于數(shù)字通信對同步要求高,因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。不過,隨著新的寬帶傳輸信道(如光導(dǎo)纖維)的采用、窄帶調(diào)制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,數(shù)字通信的這些缺點已經(jīng)弱化。因此,數(shù)字通信的應(yīng)用會越來越廣泛。

1.2通信系統(tǒng)分類與通信方式

1.2.1

通信系統(tǒng)的分類1.按通信業(yè)務(wù)分類

按通信業(yè)務(wù)分,通信系統(tǒng)可分為話務(wù)通信系統(tǒng)和非話務(wù)通信系統(tǒng)。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。

2.按調(diào)制方式分類

根據(jù)是否采用調(diào)制,可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶(調(diào)制)傳輸系統(tǒng)?；鶐鬏斒侵笇⑽唇?jīng)調(diào)制的信號直接傳送,如音頻市內(nèi)電話。頻帶傳輸是對各種信號調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q。調(diào)制方式很多,表1-1

列出了一些常見的調(diào)制方式。

3.按信號特征分類

按照信道中所傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號,相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

4.按傳輸媒質(zhì)分類

按傳輸媒質(zhì)分,通信系統(tǒng)可分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大類。有線通信是用導(dǎo)線(如架空明線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)等)作為傳輸媒質(zhì)完成通信的,如市內(nèi)電話、有線電視、海底電纜通信等。無線通信是依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞消息的目的的,如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。

5.按工作波段分類

按通信設(shè)備的工作頻率不同,通信系統(tǒng)可分為長波通信系統(tǒng)、中波通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)紅外線通信系統(tǒng)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。

工作波長和頻率的換算公式為

式中,λ為工作波長,f為工作頻率,c為光速。

6.按信號復(fù)用方式分類

傳輸多路信號有三種復(fù)用方式,即頻分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用。頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據(jù)不同的頻率范圍;時分復(fù)用是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間;碼分復(fù)用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復(fù)用;隨著數(shù)字通信的發(fā)展,時分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用愈來愈廣泛;碼分復(fù)用主要用于空間通信的擴(kuò)頻通信中。

1.2.2通信方式

前述通信系統(tǒng)是單向通信系統(tǒng),但在多數(shù)場合下,信源兼為信宿,需要雙向通信,電話就是一個最好的例子,這時通信雙方都要有發(fā)送和接收設(shè)備,并需要各自的傳輸媒質(zhì),如果通信雙方共用一個信道,就必須用頻率或時間分割的方法來共享信道。因此,通信過程中涉及通信方式與信道共享問題。下面只對通信方式作簡單介紹。

1.按消息傳遞的方向與時間關(guān)系分

對于點與點之間的通信,按消息傳遞的方向與時間關(guān)系,通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。

單工通信,是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?因此只占用一個信道,如圖1-6(a)所示。廣播、遙測、遙控、無線尋呼等就是單工通信方式的例子。

半雙工通信,是指通信雙方都能收發(fā)消息,但不能同時進(jìn)行收和發(fā)的工作方式,如圖1-6(b)所示。例如,使用同一載頻的對講機(jī),收發(fā)報機(jī)以及問詢、檢索、科學(xué)計算等數(shù)據(jù)通信都是半雙工通信方式。

全雙工通信,是指通信雙方可同時進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況下全雙工通信的信道必須是雙向信道,如圖1-6(c)所示。普通電話、手機(jī)都是最常見的全雙工通信方式,計算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。圖1-6單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

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(jī)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(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。圖1-7并行和串行通信方式示意圖

1.3信息及其度量

前已指出,信號是消息的載體,而信息是其內(nèi)涵。任何信源產(chǎn)生的輸出信號都是隨機(jī)的,也就是說,信源輸出是用統(tǒng)計方法來定性的。對接收者來說,只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息;否則,信源輸出已確切知曉,就沒有必要再傳輸它了。因此,信息含量就是對消息中這種不確定性的度量。

首先,讓我們從常識的角度來感覺三條消息:①太陽從東方升起;②太陽比往日大兩倍;③太陽將從西方升起。第一條幾乎沒有帶來任何信息,第二條帶來了大量信息,第三條帶來的信息多于第二條。究其原因,第一事件是一個必然事件,人們不足為奇;第三事件幾乎不可能發(fā)生,它使人感到驚奇和意外,也就是說,它帶來更多的信息。因此,信息含量是與驚奇這一因素相關(guān)聯(lián)的,這是不確定性或不可預(yù)測性的結(jié)果。越是不可預(yù)測的事件,越會使人感到驚奇,帶來的信息越多。

根據(jù)概率論知識,事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來描述?？赡苄栽叫?概率越小;反之,概率越大。因此,消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率越小,消息中包含的信息量就越大。假設(shè)P(x)是一個消息發(fā)生的概率,I是從該消息獲悉的信息,根據(jù)上面的認(rèn)知,顯然I與P(x)之間的關(guān)系反映為如下規(guī)律:

(1)信息量是概率的函數(shù),即

(2)P(x)越小,I越大;反之,I越小,即

(3)若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息,所含信息量等于各獨立事件信息量之和,也就是說,信息具有相加性,即

綜上所述,信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系應(yīng)為

信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時,信息量的單位為比特(bit);a=e時,信息量的單位為奈特(nit);a=10時,信息量的單位為十進(jìn)制單位,叫哈特萊。目前廣泛使用的單位為比特。

【例1-1】設(shè)二進(jìn)制離散信源,以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1,則信源每個輸出的信息含量為

可見,傳送等概率的二進(jìn)制波形之一(P=1/2)的信息量為1比特。同理,傳送等概率的四進(jìn)制波形之一(P=1/4)的信息量為2比特,這時每一個四進(jìn)制波形需要用2個二進(jìn)制脈沖表示;傳送等概率的八進(jìn)制波形之一(P=1/8)的信息量為3比特,這時至少需要3個二進(jìn)制脈沖。

綜上所述,對于離散信源,M個波形等概率(P=1/M)發(fā)送,且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的,即信源是無記憶的,則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為

式中,P為每一個波形出現(xiàn)的概率,M為傳送的波形數(shù)。若M是2的整冪次,比如M=2K(K=1,2,3,…),則式(1.33)可改寫為

式中,K是二進(jìn)制脈沖數(shù)目。也就是說,傳送每一個M(M=2K)進(jìn)制波形的信息量就等于用二進(jìn)制脈沖表示該波形所需的脈沖數(shù)目K。

【例1-2】一離散信源由0,1,2,3四個符號組成,它們出現(xiàn)的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8,且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。

以上我們介紹了離散消息所含信息量的度量方法。對于連續(xù)消息,信息論中有一個重要結(jié)論,就是任何形式的待傳信息都可以用二進(jìn)制形式表示而不失主要內(nèi)容。抽樣定理告訴我們:一個頻帶受限的連續(xù)信號,可以用每秒一定數(shù)目的抽樣值代替,而每個抽樣值可以用若干個二進(jìn)制脈沖序列來表示。因此,以上信息量的定義和計算同樣適用于連續(xù)信號。

1.4主要性能指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)的有效性可用有效傳輸頻帶來度量,同樣的消息用不同的調(diào)制方式,則需要不同的頻帶寬度?？煽啃杂媒邮斩俗罱K輸出信噪比來度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。如調(diào)頻信號抗干擾能力比調(diào)幅好,但調(diào)頻信號所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來衡量?？煽啃钥捎貌铄e率來衡量。

1.傳輸速率

碼元傳輸速率RBd

簡稱傳碼率,又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目,單位是波特(Baud),記為Bd。例如,若1秒內(nèi)傳2400個碼元,則傳碼率為2400Bd。數(shù)字信號有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分,但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān),只與傳輸?shù)拇a元長度TS有關(guān):

信息傳輸速率Rb

簡稱傳信率,又稱比特率等。它表示單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù),單位是比特/秒,可記為bit/s,或b/s