通信原理及System-View仿真测试第1章-绪论-PPT课件.ppt

1、第1章 绪 论1.1 通信的基本概念1.2 通信系统1.3 信息第第1 1章章 绪绪 论论第1章 绪 论1.1.1 什么是通信什么是通信通信是指从一个地方向另一个地方进行消息的有效传递与交换，其目的是传递消息中所包含的信息。消息在不同的时期具有不同的表现形式，它是物质或精神状态的一种反映；信息是指消息中所包含的有效内容，它是人们真正关心的；而通信是指传输信息的手段或方式，它与电子技术、计算机技术以及传感技术等的发展息息相关，且相互融合。在高速发展的信息化社会，信息和通信已成为现代社会的命脉，不管是现在还是未来，通信对人们的生活方式和社会的发展都会产生重大和深远的影响。1.1 1.1 通信的基本

2、概念通信的基本概念第1章 绪 论1.1.2 通信的发展历程通信的发展历程19世纪中叶，随着电报、电话的发明以及电磁波的发现，通信产生了根本性的巨大变革，人类开始利用电磁波来传输信息。利用电磁波通信的历史大致可划分为三个阶段。(1)电报的开始标志着进入了通信的初级阶段。(2)1948年香农提出的信息论标志着近代通信的开始。(3)20世纪80年代以后光纤通信的应用、综合业务数字网的崛起标志着通信进入了现代通信阶段。第1章 绪 论1.2.1 通信方式通信方式通信方式是指通信双方之间的信号传输方式或工作方式。1.并行传输和串行传输并行传输和串行传输进行通信时，根据一次传输数据的多少可将数据传输方式分为

3、并行传输和串行传输。1.2 1.2 通信系统通信系统第1章 绪 论1)并行传输并行传输是指将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，如图1-1(a)所示。并行传输的优点是节省传输时间，速度快,这是因为并行传输不需要字符同步措施。其缺点是传输时需要n条通信线路，成本相对较高。并行传输一般用于短距离设备间的通信或设备内部的通信。2)串行传输串行传输是指将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输，如图1-1(b)所示。第1章 绪 论图1-1 并行、串行传输示意图第1章 绪 论2.单工、单工、半双工和全双工通信半双工和全双工通信根据通信线路上的

4、传输方向及其与时间的关系，串行通信可分为三种方式：单工、半双工、全双工方式。1)单工通信单工通信是指消息只能单方向传输的工作方式，如图1-2(a)所示。在这种工作方式下，数据始终只能在一个方向上传输，任何时间不能进行反向传输。常见的单工通信如广播电视。第1章 绪 论2)半双工通信半双工通信是指通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式，如图1-2(b)所示。在这种工作方式下，允许数据在设备间两个方向上传输，但在某一时刻只允许数据在一个方向传输，即设备间只有一条传输通道，所以信号只能分时传输。常见的半双工通信如对讲机。第1章 绪 论图1-2 串行通信方式示意图第1章 绪 论3.全双工通信全双

5、工通信 全双工通信是指通信双方可同时进行收、发消息的工作方式，如图1-2(c)所示。全双工通信解决了半双工通信发送方和接收方之间切换所花费的时间问题，提高了传输速率，允许数据同时在两个方向上传输。电话系统、计算机网络等大多数通信系统都采用全双工通信方式。第1章 绪 论1.2.2 通信系统的分类通信系统的分类1.按信号特征分类按信号特征分类根据信道传输信号的种类不同，可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信是指用模拟信号来表示和传递消息的通信方式。数字通信是指用数字信号来表示和传递消息的通信方式。第1章 绪 论2.按传输介质分类按传输介质分类按传输信号时所用的介质不同，可将通信系统分

6、为有线通信系统和无线通信系统。通常我们把利用导线，如电缆、光纤等作为介质的通信系统叫做有线通信系统，如市话系统、闭路电视系统、普通的计算机局域网等。所谓无线通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质(如电磁波)的一种通信形式。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信等，其形式较多。3.按调制方式分类按调制方式分类根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带(调制)传输。基带传输是将没有经过调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对各种信号调制后再送到信道中传输的总称。第1章 绪 论4.按照通信业务和用途分类按照通信业务和用途分类根据通信业务和

7、用途的不同，可将通信系统分为常规通信、控制通信等。其中常规通信又分为话务通信和非话务通信。话务通信业务主要以电话服务为主，程控数字电话交换网络的主要目标就是为普通用户提供电话通信服务。非话务通信主要包含分组数据业务、计算机通信、传真、视频通信等。在过去很长一段时期内，由于电话通信网最为发达，因而其他通信方式往往需要借助于公共电话网进行传输，但是随着因特网的迅速发展，这一状况已经发生了显著的变化。控制通信主要包括遥测、遥控等，如卫星测控、导弹测控、遥控指令通信等。第1章 绪 论5.按工作频段分类按工作频段分类按通信设备工作频率的不同，可将通信系统分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。表1

8、-1 列出了通信中使用的频段、常用传输介质及主要用途。工作频率和工作波长可互换，其关系为式中：为工作波长，单位为m；f为工作频率，单位为Hz；c=3108 m/s,为电波在自由空间中的传播速度。cf第1章 绪 论表表1-1 通信频段、通信频段、常用传输介质及主要用途常用传输介质及主要用途第1章 绪 论1.2.3 通信系统的模型通信系统的模型通信系统的一般模型如图1-3所示。下面对图中各部分的作用作一简要描述。(1)信息源。信息源简称信源，它是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号。按照信息源产生的消息形式不同，可将信源分为模拟信源和数字信源。模拟信源也称连续信源，输出连续的模拟信号，

9、如电话机、电视摄像机等属于模拟信源；数字信源，也称离散信源，输出离散的数字信号，如电传机、计算机等各种数字终端设备属于数字信源。第1章 绪 论图1-3 通信系统的一般模型第1章 绪 论(2)发送设备。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信源编码和信道编码。(3)信道。信道是指传输信号的物理介质，用来将发送设备输出的信号传送到接收端。在有线信道中，信道可以是明线、电缆和光纤；在无线信道中，信道可以是大气(自由空间)。有线信道和无线信

10、道均有多种物理介质，不同介质的固有特性及引入的干扰和噪声将直接影响通信的质量。第1章 绪 论(4)噪声源。噪声指的是信道中不需要的电信号，它是通信系统中各种设备以及信道所固有的，即使没有传输信号，通信系统中也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。噪声的来源是多种多样的，它对信号的传输是有害的，它会使模拟信号发生失真，使数字信号发生错码。关于信道和噪声的具体分析，我们将在第4章中一一讲解。(5)接收设备。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，其目的是从接收到的衰减信号中正确地恢复出原始的电信号。对于多路复用信号，它还包括解除多路复用，实现正确分路的功能。第1章 绪 论(6)受信者。受信者简称信宿

11、，它是信息传输的归宿点，其作用与信源相反，即把恢复的原始电信号转换成相应的消息。图1-3概括地描述了一个通信系统的组成，它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。根据所关注的问题和研究对象的不同，模型中的各小方框的内容和作用也将有所不同，与之对应的也有更加具体的通信模型，后面的讨论将围绕系统的模型来展开。根据前面介绍的通信系统的分类可知，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可将通信系统相应地分为模拟通信系统和数字通信系统。下面分别介绍这两种通信系统。第1章 绪 论1.模拟通信系统模拟通信系统模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。模拟通信系统的模型如图1-4所示。它是由

12、图1-3所示的一般模型略加演变而来的。图中的调制器和解调器就代表图1-3所示的发送设备和接收设备。第1章 绪 论图1-4 模拟通信系统模型第1章 绪 论在通信系统中，有两种重要的变换和反变换过程。一是在发送端要将信源发出的连续消息变换成原始电信号，即基带信号，在接收端要作相反的处理，能够完成这种变换和反变换的是信源和信宿；二是要将基带信号变换成调制信号，这是因为通常基带信号具有频率很低的频谱分量，如语音信号的频率范围为300 Hz3400 Hz，它们一般不适宜直接传输，这就需要把基带信号变换成适合在信道中传输的信号，并在接收端进行相应的反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。有

13、关模拟信号调制和解调的内容我们将在第5章详细讲解。第1章 绪 论经过调制的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特征：一是携带有信息；二是适合在信道中传输；三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，所以又称已调信号为频带信号。模拟通信系统的优点是：信号频谱较窄，信道利用率高。其缺点是：(1)信号连续混入噪声后不易清除，即抗干扰能力差，不宜保密；(2)设备不易大规模集成化，不适应飞速发展的计算机通信要求。第1章 绪 论2.数字通信系统数字通信系统数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，如图1-5所示。数字通信涉及的技术问题较多，其中主要包括信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调

14、、加密与解密、同步与复接等。1)信源编码与译码当信源给出的是模拟语音信号时，通过信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输，对于数字信号进行数据压缩，提高通信效率。接收端的信源译码器按一定规则解码。第1章 绪 论图1-5 数字通信系统模型第1章 绪 论2)信道编码与译码数字信号在信道中传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等影响，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分(监督码元)，组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行译码，在译码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统的抗干扰能力，实现可靠通信。3)加密与解密在需要实现保密

15、通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为地将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程称为加密。在接收端，利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列解除密码，恢复原来信息，称为解密。第1章 绪 论4)数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、相对(差分)相移键控(DPSK)。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调，将其还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关接收机或匹配滤波器实现。5)同步与复接同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可

16、缺少的前提条件，它使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照功用的不同，可将同步分为载波同步、位同步、群同步和网同步。第1章 绪 论图1-5所示是数字通信系统的一般模型。实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。如在某些有线信道中，当传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就可以不包括调制与解调环节。还应该指出的是，模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。第1章 绪 论数字通信系统具有如下优点：(1)抗干扰能力强。由于在数字通信中，传输的信号幅度是离散的，以二进制为例，

17、信号的取值只有两个，这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过程中受到噪声的干扰，必然会使波形失真，接收端对其进行抽样判决，以辨别是两种状态中的哪一个。只要噪声的大小不足以影响判决的正确性，就能正确接收(再生)。而在模拟通信中，传输的信号幅度是连续变化的，一旦叠加上噪声，即使噪声很小，也很难消除它。第1章 绪 论数字通信抗噪声性能好，还表现在微波中继通信时，它可以消除噪声积累。这是因为数字信号在每次再生后，只要不发生错码，它仍然像信源中发出的信号一样，没有噪声叠加在上面。因此，即使中继站再多，数字通信仍具有良好的通信质量。而模拟通信中继时，只能增加信号能量(对信号放大)，而不能消除噪声。(2)差

18、错可控。数字信号在传输过程中出现的错误(差错)，可通过纠错编码技术来控制，以提高传输的可靠性。(3)易加密。与模拟信号相比，数字信号容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。第1章 绪 论4)易于与现代技术相结合。由于计算机技术、数字存储技术、数字交换技术以及数字处理技术等现代技术飞速发展，许多设备、终端接口均是数字信号，因此极易与数字通信系统相连接。数字通信系统的缺点有：(1)频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带宽。以电话为例，一路模拟电话通常只占据 4 kHz 带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据20 kHz 60 kHz的带宽。因此，如果系统传输带宽一定，则模拟电话的

19、频带利用率是数字电话的515倍。第1章 绪 论(2)系统设备比较复杂。数字通信中，要准确地恢复信号，接收端需要严格的同步系统，以保持收端和发端严格的节拍一致、编组一致。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。另外，数字通信系统对于同步的要求也比较高。不过，随着新的宽带传输信道(如光导纤维)的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，数字通信在今后的通信方式中必将逐步取代模拟通信而占主导地位。第1章 绪 论1.2.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标1.码元传输速率码元传输速率码元传输速率指单位时

20、间内传送码元的数目，简称传码率，又称为码元速率和调制速率，单位为波特，记作Baud。如果每个码元的长度为T秒，则根据码元传输速率的定义，可得 2.信息传输速率信息传输速率信息传输速率定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为b/s。B1RT(1-1)第1章 绪 论3.码元传输速率和信息传输速率之间的关系码元传输速率和信息传输速率之间的关系在M进制数字通信系统中，若M=2k，它表示每k个二进制符号与M进制符号之一相对应，则M进制的码元速率与二进制的信息速率之间的关系为(1-2)或者(1-3)bB2logRRMbBlbRRM第1章 绪 论4.频带利用率频带利用率频带利用率指单

21、位频带内的码元传输速率，即 或者定义为 对不同通信系统的有效性进行衡量时，除了考虑它们的传输速率之外，还应该考虑其在相应的传输速率下所占用的信道频带宽度。所以频带利用率是衡量数字通信系统有效性的另一个重要指标。(1-4)(1-5)B(Baud/Hz)RBbb(b/s Hz)RB第1章 绪 论5.误码率误码率误码率指码元在传输过程中被传错的概率，即(1-6)6.误信率误信率误信率指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即(1-7)bP 错误接收码元数传输总码元数bP 错误接收比特数传输总比特数第1章 绪 论1.3.1 信息的基本概念信息的基本概念信息(information)是消息所包含的

22、内容。例如，每天的天气预报是一种消息，预报中告知某日某时的真实天气情况如何，就是该消息所包含的“信息”，即消息的含义。同一种信息的内容可用不同形式的消息来表达。例如，天气预报可用文字消息来表达，也可用话音消息来表达。1.3 1.3 信信 息息第1章 绪 论1.3.2 信息的度量方法信息的度量方法1.信息量信息量在通信系统中，传输信息的多少可以采用信息量来度量，信息量的大小取决于信息内容消除人们认识的不确定程度。比如,在炎热的夏天,天气预报说“明天下雪”，我们一定会感觉很惊讶，因为这一事件发生的概率极小；反过来如果预报说“明天37摄氏度”，我们就觉得不足为奇了。相比这两条消息，第一条消息的不确定

23、性更大，它提供给我们的信息量也更大。第1章 绪 论由此可见，消除的不确定程度大，则发出的信息量就大；消除的不确定程度小，则发出的信息量就小。如果事先就确切地知道消息的内容，那么消息中所包含的信息量就等于零。事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述，所以我们可以利用概率来度量信息：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。设某消息发生的概率为P(x)，该消息中所包含的信息量为I，则信息量和概率的关系可定义如下：(1-8)aa1loglog()()IP xP x 第1章 绪 论信息量的单位与对数的底数a有关。当a=2时，信息量的单位为比特(bit)；当a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；

24、当a=10时，信息量的单位为哈特莱(Hartly)。例例1-1 已知二进制信源码元“0”和“1”出现的概率分别为1/4和3/4，试求“0”和“1”的信息量各为多少。解解 “0”的信息量为 “1”的信息量为01lb2(b)4I 13lb0.412(b)4I 第1章 绪 论2.平均信息量平均信息量1)离散信源的平均信息量设一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,M)按一定的概率P(xi)独立出现，即且有 1212,.,.,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x第1章 绪 论则x1,x2,xM所包含的信息量分别为lbP(x1)，lbP(x2)，lbP(xM)于是，

25、每个符号所包含的平均信息量为 (1-9)11221()()lb()()lb().()lb()()lb()MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP xP x 第1章 绪 论例例1-2 设有四个消息符号A、B、C、D，系统传送字母的符号速率为100 Baud，求：(1)若不同的字母是等可能出现的，计算传输的平均信息速率；(2)若每个字母出现的可能性分别为PA=，PB=，PC=，PD=，计算传输的平均信息速率。解解：(1)等概率出现时，每个符号的信息量为I0=2(b)所以传输的平均信息速率为Rb=RB2=200(b/s)1514143101lb4第1章 绪 论(2)由条件可知，每个符号所包含的平均信息量为传输的平均信息速率为Rb=RB1.985=198.5(b/s)111310lb5lb4lb4lb1.985(b)544103H 第1章 绪 论2)连续信源的平均信息量连续信源的信息量可用概率密度函数来描述。可以证明，连续信源的平均信息量为(1-10)a()logdH xf xf xx