第一章 通信概论 1.1 1.1 通信系统模型 1.1.1 通信系统一般模型通信系统一般模型通信的定义广义：广义：交换信息，传输信息，把信息从一地传到另一地；交换信息，传输信息，把信息从一地传到另一地；交换信息，传输信息，把信息从一地传到另一地；交换信息，传输信息，把信息从一地传到另一地；狭义：狭义：用电子的手段传送声音、图象、数据等信息；用电子的手段传送声音、图象、数据等信息；用电子的手段传送声音、图象、数据等信息；用电子的手段传送声音、图象、数据等信息；（电通信电通信电通信电通信）通通信信工工程程是是电电子子工工程程的的一一个个分分支支。利利用用电电子子等等技技术术手手段段，借借助助电电信信号号（含含光光信信号号）实实现现从从一一地地向向另另一一地地进行消息的有效传递和交换进行消息的有效传递和交换; ;通信的目的是传输信息而非输送电能。通信的目的是传输信息而非输送电能。1计算机点到点通信实例计算机计算机计算机计算机计算机计算机计算机计算机MODEMMODEMMODEMMODEM信宿信宿信宿信宿发送器发送器发送器发送器接收器接收器接收器接收器信道信道信道信道信源信源信源信源数据流数据流数据流数据流2通信系统一般模型通信系统一般模型通信系统：通信系统：通信系统：通信系统：实现通信过程的实现通信过程的全部技术设备全部技术设备 和信道和信道( (媒质媒质) )的总和。的总和。3一、通信模型一、通信模型通信的基本目的是由信源向信宿传送消息。 通信的最基本要求是迅速和可靠。4二、通信模型组成部分及功能二、通信模型组成部分及功能信信源源。顾名思义，指信息产生的源头，可以是人或设备。其发出的信息也可以是多种多样的，如语音、文字、图像、数据等。这些信息可以是离散的，也可以是连续的。5 发发发发送送送送器器器器。种类及其功能多样化，如编码、调制、放大、滤波、发射等。发送器含有与传输线路匹配的接口，其基本作用是将信源发出的信息转换成便于传输的某种信号。模拟与数字通信系统两者的发送器功能有很大差异。6 信信道道。即信息传输通道，也是传递物质信号的媒介。信道可以是明线、电缆、波导、光纤、无线电波等。7 噪噪声声源源。是整个系统噪声与干扰的总折合，用以表征信息在信道中传输时遭受的干扰情况。在任何通信系统中，干扰的性质与强弱都是影响系统性能的重要因素。8 接接收收器器。其作用主要是接收信道中的信号，并转换成发送前相同表示形式的信息传递给信宿，与发送器功能正好相反。对接收器的要求是尽可能地从受干扰的信号中精确地提取和还原来自信源的信息。9信信宿宿。信息传输的目的地，即接收消息的人或机器。10三、通信模型工作原理三、通信模型工作原理 信源产生的发送信息可表示为随时间变化的输入信号g(t)，它通常不适于直接在信道上传输通常不适于直接在信道上传输。 g(t)需由发送设备进行某种变换，变为信号进行某种变换，变为信号s(t)s(t)，既载有信源的信息，同时又便于在信道上传输便于在信道上传输。11 通过信道后的信号为r(t)，接收设备对其进行相对于发送的逆变换逆变换。 由于信号在传输中受到了噪声受到了噪声n(t)n(t)的干扰的干扰，逆变换后的信号g g (t) (t) 仅是信号仅是信号g(t)g(t)的近似值或估计值的近似值或估计值。12 噪声的干扰实际存在于整个通信系统中干扰实际存在于整个通信系统中，为便于分析，并考虑到信道上的干扰最为严重信道上的干扰最为严重，故通信模型把噪声干扰集中在信道上表示为n(t)。13四、四、DTEDTE与与DCEDCE数据通信系统中，发送端信源和接收端的信宿称为发送端信源和接收端的信宿称为发送端信源和接收端的信宿称为发送端信源和接收端的信宿称为DTEDTEDTEDTE(数据终端设备,Data Terminal Equipment)，如计算机之类的终端设备。 发送和接收设备称为发送和接收设备称为发送和接收设备称为发送和接收设备称为DCEDCEDCEDCE (数据电路端接设备, Data Circuit Terminating Equipment)。DCE有时也称作数据通信设备(Data Communication Equipment)。DTEDTEDTEDTEDCEDCEDCEDCE14五、通信模型的说明五、通信模型的说明 该通信模型示意图是原理性的，表面上描述的是一个一对一的单向通信系统，但它却是适于各种适于各种通信系统通信系统的一个抽象模型，概括地反映了各种通信概括地反映了各种通信系统实际应用中的共性系统实际应用中的共性。 实际应用中通信系统往往是双向的，而且可能是多个信源与多个信宿间的通信。如DCE到DCE，一一般不是简单的点对点的关系般不是简单的点对点的关系，而是涉及比较复杂的网络结构，包含交换技术、路由选择等内容；图中的同步也只是一种时间上协调的会意性描述同步也只是一种时间上协调的会意性描述。151.2 1.2 通信系统分类通信系统分类 1.2.1 按信号特征分类按信号特征分类模拟通信系统用来传送模拟信号的通信系统数字通信系统用来传送数字信号通信系统16模拟通信系统模型信源调制器解调器信宿干扰信道原始电信号原始电信号基带信号基带信号基带信号基带信号调制信号调制信号已调信号已调信号频带信号频带信号原始电信号原始电信号频带信号频带信号射频信号射频信号射频信号射频信号载波信号载波信号载波信号载波信号17模拟通信系统研究的主要问题 对基带信号（原始电信号）的分析 调制解调器的原理与性能 噪声特性及对信号的影响 信道特性及对信号的影响18数字通信系统模型数字通信系统以以数字信号数字信号形式来传输消息的通信方式形式来传输消息的通信方式信源直接发出数字信号或由模拟信号变换为数字信号信源直接发出数字信号或由模拟信号变换为数字信号数字通信系统模型19信源信源编码信道编码调制信道收信者信源译码信道译码解调噪声干扰数字通信系统组成(数字电话通信系统为例)20将信源的模拟信号转变成数字信号，即AD变换降低数字信号的数码率，即数据压缩信源信源编码信道编码调制信道收信者信源译码信道译码解调噪声干扰 信源编信源编/译码译码（提高数字信号传输的有效性）21加、解密加、解密n n数字加密归并到信源编/译码器n n加密器可以产生密码，人为地将输人明文数字序列进行扰乱。n n在接收端对接收到的数字序列进行解密，恢复明文。22信道编信道编/译码译码（提高数字信号传输的可靠性）波形编码：改善波形检测性能。双极性波形、正交波形编码：改善波形检测性能。双极性波形、正交波形、多元波形、双正交波形等。波形、多元波形、双正交波形等。差错控制编码：在信息码组中按一定的规则附加若差错控制编码：在信息码组中按一定的规则附加若干监督码元干监督码元, ,增强相关性增强相关性, ,在接收端利用相关性来检在接收端利用相关性来检错及纠错错及纠错) )信源信源编码信道编码调制信道收信者信源译码信道译码解调噪声干扰23 用于建立通信系统收发两端相对一致的时间关系。同步系统：同步系统：强调模拟通信系统也存在同步问题，如模拟电视传输系统。24研究的主要问题：研究的主要问题：信源编、译码信道编、译码加、解密技术调制、解调技术同步技术抗噪声性能数字基带传输最佳接收理论25 数字通信的特点数字通信的特点抗干扰能力强、可靠性高（可利用再生中继去除噪抗干扰能力强、可靠性高（可利用再生中继去除噪声积累）声积累）可以综合传递各种信息可以综合传递各种信息易于加密易于加密便于用现代数字信号处理技术对信号进行处理、滤便于用现代数字信号处理技术对信号进行处理、滤波、存储、变换等波、存储、变换等传输中的差错容易控制，改善了传输质量传输中的差错容易控制，改善了传输质量容易集成化容易集成化优点：优点：26压缩频带压缩频带提高频带利用率提高频带利用率缺点缺点： 系统设备复杂，对同步要求高，占用频系统设备复杂，对同步要求高，占用频带宽。带宽。 克服办法：克服办法：选用宽频带的传输介质选用宽频带的传输介质271.2.2 按消息的物理特征分类按消息的物理特征分类电报通信系统 传送数码与字母语音通信系统 电话 图像通信系统 传真，电视数据通信系统 计算机通信业业 务务 类类 型型281.2.3 按传输介质分类按传输介质分类有线有线通信 电缆、明线、双绞线、光纤无线无线通信 包括长波、中波、短波、超短波、微波、卫星等29无无 线线 电电 波波 段段 划划 分分频频 率率波长范围波长范围缩缩 写写传输媒质传输媒质主要用途或场合主要用途或场合30300kHz104 103mLF（低频）低频） 双绞线双绞线无线电长波无线电长波导航、信标、电力线导航、信标、电力线通信通信300k3MHz103 102mMF 中频中频Middle同轴电缆同轴电缆无线电中波无线电中波AM广播广播330MHz102 10mHF 高频高频同轴电缆同轴电缆无无线线电电短波短波移动电话、短波广播移动电话、短波广播30300MHz10 1mVHF 甚高频甚高频同轴电缆同轴电缆无无线线电电超短波超短波FM广播、广播、TV、导航导航移动电话移动电话300M3GHz100 10cmUHF 特高频特高频Ultra同轴线同轴线波导波导分米波无分米波无线线电电TV 、遥测、雷达、遥测、雷达、蜂窝电话，蜂窝电话，GPS330GHz10 1cmSHF 超高频超高频波导波导厘米波无厘米波无线线电电微波通信、卫星通信、微波通信、卫星通信、雷达雷达30300GHz10 1mmEHF 极高频极高频Extra波导波导毫米波无毫米波无线线电电微波通信、雷达、射微波通信、雷达、射电天文学电天文学105107GHz310-4 310-6cm紫外、红外、紫外、红外、可见光可见光光纤光纤激光激光光通信光通信30电 磁 波 频 谱 图311.2.4 按调制方式分类按调制方式分类 调制传输：又称频带传输调调制制：对输入基带信号进行频域变换，将其频带搬移到适合于信道传输的频带上无线通信需要频带传输基带传输： 信号未经调制直接传输如市内电话局间传输，计算机局域网等32调制方式及用途调制方式及用途调制方式调制方式用途用途连连续续波波调调制制线线性性AM常规双边带调幅常规双边带调幅广播广播DSB抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅立体声广播立体声广播SSB单边带调幅单边带调幅载波通信、无线电台、数传载波通信、无线电台、数传VSB残留边带调幅残留边带调幅电视广播、数传、传真电视广播、数传、传真非非线线性性FM频率调制频率调制微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播PM相位调制相位调制中间调制方式中间调制方式数数字字ASK幅度键控幅度键控数据传输数据传输FSK频率键控频率键控数据传输数据传输PSK、DPSK、QPSK、MPSK等相位键等相位键控控数据传输、数字微波、空间通信数据传输、数字微波、空间通信QAM、MSK等其它高效数字调制等其它高效数字调制（提高频带利用率）数字微波、空间通信（提高频带利用率）数字微波、空间通信脉脉冲冲调调制制脉脉冲冲模模拟拟PAM脉幅调制脉幅调制中间调制方式、遥测中间调制方式、遥测PDM（PWM）脉宽调制脉宽调制中间调制方式中间调制方式PPM脉位调制脉位调制遥测、光纤传输遥测、光纤传输脉脉冲冲数数字字PCM脉码调制脉码调制市话、卫星、空间通信市话、卫星、空间通信DM、CVSD、DVSD等增量调制等增量调制军用、民用电话军用、民用电话差分脉码调制差分脉码调制DPCM电视电话、图象编码电视电话、图象编码ADPCM、APC、LPC等其它语音编码方等其它语音编码方式式中、低速数字电话中、低速数字电话331.2.5 按传输方向分类按传输方向分类单工传输消息只能单方向传输。 双工传输通信双方都可以同时收发消息 半双工传输 通信双方中至少一方收、发消息时需要在人工或自动的收/发转换装置控制下进行。34单工双工半双工示意图(a) 单工；单工； (b) 半双工；半双工； (c) 全双工全双工351.2.6 按数据传输并发性分类按数据传输并发性分类 串行传输数据被数据被依次逐位依次逐位送出送出；通常通常最低位最低位b0b0在先，最高位在先，最高位b7b7最后最后。并行传输数据各位（数据各位（b0b0b7b7）被）被同时同时/ /同步同步送出送出；需要需要N N条数据线条数据线；在在单线速率相同单线速率相同情况下，情况下，数据传输速率数据传输速率可达可达串行的串行的N N倍倍。36码组的串行传输码组的串行传输 37码组的并行传输码组的并行传输 381.2.7 按数据传输是否分包按数据传输是否分包同步传输同步传输每个码元占用每个码元占用相等的时隙相等的时隙（time slottime slot）。）。各码组（帧）之间以及各码元之间均不留各码组（帧）之间以及各码元之间均不留间隔，接连传送间隔，接连传送 。 异步传输异步传输 每个码元占用相等的时隙每个码元占用相等的时隙。但但各码组（帧）各码组（帧）之间间隔不等之间间隔不等，传送过程中需要在数据帧，传送过程中需要在数据帧的开始和结尾处附加相应的的开始和结尾处附加相应的“起始码元起始码元”、“终止码元终止码元”。常设置有。常设置有校验码校验码。39 通信的根本任务就是迅速、准确地传递信通信的根本任务就是迅速、准确地传递信息，两大主要性能指标：息，两大主要性能指标：!有效性有效性 通信系统在给定信道内单位时间内所能传通信系统在给定信道内单位时间内所能传输信息量的多少，即输信息量的多少，即传输效率传输效率。 !可靠性可靠性 传输信息的准确程度，即传输信息的准确程度，即传输质量传输质量。1.3 1.3 通信系统的性能度量通信系统的性能度量401.3.1 模拟通信的性能度量模拟通信的性能度量模拟通信的有效性指标：有效传输带宽模拟通信的有效性指标：有效传输带宽有效传输带宽是指有效传输带宽是指“正确正确”传输指定模拟信号传输指定模拟信号所需占用的模拟信道频带宽度。所需占用的模拟信道频带宽度。 对于同一个模拟信源信号，不同的模拟调制对于同一个模拟信源信号，不同的模拟调制方式，传输占用的信道带宽是不同的。占用信方式，传输占用的信道带宽是不同的。占用信道带宽越少，有效性越好。因为在一定的信道道带宽越少，有效性越好。因为在一定的信道资源（通频带）下，该种调制通信方式可以在资源（通频带）下，该种调制通信方式可以在单位时间传输更多的信息。单位时间传输更多的信息。41模拟通信的可靠性指标：均方传输误差模拟通信的可靠性指标：均方传输误差 在相同的信号发射功率、信道传输特性和在相同的信号发射功率、信道传输特性和信道噪声级别下，通信系统输出的模拟波形信道噪声级别下，通信系统输出的模拟波形与输入波形越接近，均方传输误差越小，可与输入波形越接近，均方传输误差越小，可靠性越高。靠性越高。421.3.2 数字通信的性能度量数字通信的性能度量数字通信的有效性指标：频带利用率数字通信的有效性指标：频带利用率 频带利用率频带利用率单位信道带宽内，所能达到的信息传输速率。单位信道带宽内，所能达到的信息传输速率。其值越大，有效性越好。其值越大，有效性越好。两个概念：码元速率两个概念：码元速率R RB B，信息速率信息速率RbRb43码元速率码元速率 R RB B 又称又称传码率、波特率传码率、波特率；每秒传送的每秒传送的码元数码元数；单位单位波特波特(Baud)=(Baud)=符号符号/ /秒、码元秒、码元/ /秒。秒。信息速率信息速率 RbRb 又称又称传信率、比特率传信率、比特率; ;每秒传送的每秒传送的信息量信息量；单位是单位是 bit/sbit/s，或英文缩写为或英文缩写为bpsbps 44对对二进制二进制信号：信号：传信率和传码率有相同的数值；传信率和传码率有相同的数值；Rb2Rb2RB2RB2对对N N进制进制信号：信号：每个码元占用每个码元占用 loglog2 2N bitN bit； 传信率传信率RbRb和传码率和传码率RBRB之间的关系之间的关系: :RbRb = RBlog = RBlog2 2N N45数字通信的可靠性指标：误信率数字通信的可靠性指标：误信率 误码率（相对指标）误码率（相对指标） PePe= =错误接收码元数错误接收码元数/ /传输的总码元数传输的总码元数误信率（绝对指标）误信率（绝对指标） PbPb= =错误接收的信息量错误接收的信息量/ /传输的总信息量传输的总信息量对于传输的同一组数字信号，有对于传输的同一组数字信号，有PePe PbPb。错误率越低，可靠性越好错误率越低，可靠性越好 46!有效性和可靠性是一对矛盾有效性和可靠性是一对矛盾 应该指出，通信系统的有效性与可应该指出，通信系统的有效性与可靠性是不能同时无限提高的，因而对数靠性是不能同时无限提高的，因而对数字系统而言，并不总是提高进制数就是字系统而言，并不总是提高进制数就是最好的选择，主要应根据对具体系统的最好的选择，主要应根据对具体系统的要求来综合考虑、兼顾有效性和可靠性。要求来综合考虑、兼顾有效性和可靠性。这一点，下一章将从这一点，下一章将从申农信道容量公式申农信道容量公式得到反映。得到反映。47本章要点通信的定义、分类通信系统模型通信系统的性能度量思考题：简述通信的分类方法。调制有哪些种类？划分依据是什么？通信系统性能度量指标有什么具体意义？48