通信原理黄葆华课件

1、1.1 通信的概念及系统模型 1.2 通信系统的分类及通信方式 1.3 信息的度量及香农公式 1.4 通信系统的主要性能指标 1.5 通信的发展过程 本章小结 习题,第1章 绪 论,1.1 通信的概念及系统模型 1.1.1 通信的概念 从广义上讲，通信就是将消息从一个地方传递到另一个地方。实现通信的方式很多，古代的烽火台、鸣金击鼓，现在的信函、电报、电话、传真、电视等，均属于通信的范畴。邮政通信和电通信的主要区别在于邮政通信传递的是实物信息，而电通信传递的是电信号。随着现代科学技术的发展， 人们对传送消息的要求越来越高，在各种各样的通信方式中，电通信的使用越来越广泛。这是因为，电通信能使消息在几乎任意的通信距离上实现迅速而可靠的传送。通信原理课程研究的就是电通信。,实现消息传递所需的一切设备、传输媒质和通信协议的总和称为通信系统。从现代通信系统的构成来看，一个通信系统的技术设备可能非常多，拥有成千上万的用户终端，而且在系统内部的不同环节，其传输媒质和信号传输方式也可能有所不同。图1.1.1所示的是公共电话系统和移动电话系统结构简图。其中，移动用户与基站之间是无线传输方式； 基站与移动电

2、话交换局之间，以及移动电话交换局与移动电话交换局之间的传输媒质可能是光纤或电缆； 长途交换网之间的传输信道可以是光纤信道、卫星信道和微波接力信道。,图1.1.1 公共电话系统和移动电话系统结构简图,不论一个通信系统有多么复杂，从两个用户之间的一次通信过程来看，都可以看成一个点到点之间的通信系统。因此，点与点之间建立的通信系统是通信的最基本形式，也是研究其它较复杂系统的基础。 作为一门科学、一种技术，现代通信所研究的主要问题就是如何大量、快速、准确、广泛、方便、经济、安全地传递信息，“通信原理”就是介绍支撑各种通信系统的基本概念、基本原理、基本技术以及数学模型的一门学科。,1.1.2 通信系统的基本模型 图1.1.2所示的是通信系统的基本模型，包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源6个部分，是一般通信系统的高度概括。下面简单说明其中各部分的作用。 信源即原始电信号的来源，其主要作用是将消息转换成相应的电信号。常见的信源设备有：电话机、摄像机、计算机等。这种直接由消息转换得到的电信号通常称做基带信号，也叫原始信号。它们有一个很重要的特点，就是信号的主要功率或能量大多集中在低频段，

3、也就是说基带信号的频率比较低，如话音基带信号的频率范围一般在3003400 Hz之间，电视图像信号的频率在06 MHz范围之内。由计算机等设备转换所得的原始数据信号的频率范围与码元传输速率有关，其最低频率也是非常低的。,图1.1.2 通信系统的基本模型,发送设备对信源所产生的原始电信号进行各种加工处理和变换，使它适合在信道中传输。不同通信系统中，发送设备对信源输出信号的处理方式不同，所以发送设备所包含的部件也不同。如在无线通信系统中，发送设备需要由调制器、振荡器、放大器、滤波器等部件组成。而在数字基带传输系统中，发送设备则由码型变换器和波形变换器组成。但不管进行什么样的处理，目的只有一个：使信源输出的信号适合在信道上传输。 信道就是发送设备和接收设备之间用于传输信号的传输媒质。目前常用的信道有双绞线、电缆、光纤等有线信道，以及短波电离层反射信道、超短波无线电中继信道、卫星中继信道等无线信道。,信号在信道中传输时，不可避免地会混入噪声。此外，通信系统的其它各部件也会产生噪声。图1.1.2中的噪声源模块是信道中的噪声和通信系统其它部件所产生噪声的集中表示。这样表示并不影响通信过程中主要问题

4、的研究，而且可以给分析问题带来许多方便。 由于经信道传送到接收端的信号是除有用信号外叠加有噪声的混合信号，因此接收设备的主要作用是从接收到的混合信号中，最大限度的提取有用信号，抑制噪声，以便恢复出原始信号。,信宿即原始信号的最终接收者。它的作用是把接收设备恢复出来的原始电信号转换成相应的消息，如通过扬声器将话音信号转换成声音；通过荧光屏将电视信号转换成电视图像等。信宿可以是人，也可以是包括计算机在内的各种终端设备。 图1.1.2概括地描述了通信系统的组成，反映了通信系统的共性，通常把它称为通信系统的基本模型。在今后的学习中，根据所要研究的对象和所关心的问题的不同，还会得出比较具体的其它形式的通信系统模型。对通信系统原理的研究，通常就是以通信系统的模型为基础而展开的。,1.1.3 模拟与数字通信 在通信系统中待传输的消息其种类是多种多样的，它可以是符号、文字、语声、图像等。然而，所有不同的消息，都可以被归结成两类：数字消息(离散消息)和模拟消息(连续消息)。消息的状态是可数的或离散型的，比如符号、文字或数据等，称为数字消息。消息的状态是连续变化的，例如，强弱连续变化的语声， 亮度连续变化

5、的图像等，称为模拟消息。 信息与消息严格地说是两个既紧密联系又有所区别的概念，信息可以理解为消息中所包含的对受信者有意义的内容。传输和交换消息，有时也称为传输和交换信息，按照信息论的观点，在进行有意义的通信时，传输了消息就是传输了信息，基于此，本书对消息和信息不作严格区分，两者可以混用。,电信号(简称为信号)是与消息一一对应的电参量。它是消息的物质载体，为了实现消息的传输与交换， 消息通常被寄托在电信号的某一参量上(如电信号的幅度、频率和相位等)。如果电信号的参量携带离散消息，则该参量必将取有限个数值，这样的信号称为数字信号。如果电信号的参量携带着连续消息，则该参量必将是连续取值的，这样的信号称为模拟信号或连续信号。 根据通信系统中所传送信号的类型，把通信系统分成模拟通信系统与数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。,需要说明的是，模拟通信与数字通信是按照信道中所传送信号的差异来区分的，而不是根据信源输出的信号划分的。因为，数字通信系统也可以用来传送模拟信号，只不过在发送端需要先把模拟信号变换成数字信号(这种变换称为模数转换，即

6、A/D转换)，然后用数字通信方式进行传输。当然，在这种系统中，接收端需要把数字信号再变换成模拟信号(这种变换称为数模转换，即D/A转换)，最后就可以还原成原始的模拟信号。这种通信方式通常称为模拟信号的数字化传输。,目前，不论是模拟通信还是数字通信，在实际的通信业务中都得到了广泛的应用。不过，近年来随着数字通信的迅速发展，数字通信在整个通信领域中所占的比重日益增长。与模拟通信相比，数字通信有许多优点，归纳起来主要有以下几点： (1) 抗噪声性能好。数字通信传送的信号是数字信号，它的取值有限，因此，在有噪声的情况下，接收端易于识别。尤其在远距离传输过程中，各中继站可以对数字信号波形进行整形再生而消除噪声的积累。此外，还可以采用各种差错控制编码方法，使抗噪声性能进一步得到提高。,(2) 便于使用现代计算机技术对所传输的信息进行处理，接口问题也容易解决。 (3) 数字信号易于进行加密，有利于实现通信保密。 (4) 数字通信可以传递各种消息，使通信系统变得通用、灵活。 (5) 数字通信系统中绝大部分部件采用数字电路，而近年来，由于生产技术的迅速发展，大规模集成电路已被广泛应用，因而数字通信设备容

7、易做到体积小，功耗低，制造简单，可靠性高。 数字通信的主要缺点是它所占用的系统带宽要比模拟通信的宽。以电话为例，一路模拟电话通常占据4 kHz带宽，而一路数字电话可能要占据2060 kHz的带宽。,由上面的介绍可知，虽然数字通信与模拟通信相比具有一系列的优点，然而这是以占据较宽的信道频带为代价的。考虑到数字通信和模拟通信各自的优缺点，可以预计，在最近若干年内，模拟通信和数字通信这两种通信方式还会同时存在。当频带十分紧张而对通信质量没有特殊要求时，仍将沿用模拟通信。而当有待传输的数据量较多，传输可靠性和保密性要求较高时，往往宁可牺牲一些系统带宽而采用数字通信。当然，在诸如毫米波通信、光通信等频带资源丰富的通信系统中，无疑应选择数字通信方式。 模拟通信系统和数字通信系统的基本原理框图，将在后面的相关章节中介绍。,1.2 通信系统的分类及通信方式 1.2.1 通信系统的分类 通信系统从不同的角度有不同的分类方法。 1. 以信道传输的信号特征分类 根据信道传输的信号种类的不同，通信系统可以分为两大类：模拟通信系统和数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如目前的民用广播系统。信

8、道中传输数字信号的系统称为数字通信系统，如数字电话系统。,2. 以传输媒质分类 消息从一地传至另一地要通过一定的传输媒质。按传输媒质的不同，通信可以分为两大类：有线通信和无线通信。 有线通信使用导线作为传输媒质。这里的导线可以是架空明线、各种电缆、波导以及光导纤维等。市话系统、闭路电视、普通的计算机局域网等都是有线通信系统。 无线通信则不需要架设导线，而是利用无线电波在空间的传播来传送消息。广播、移动电话、卫星通信等都是无线通信系统。,3. 以传输的信号是否经过调制分类 根据传输的信号是否经过调制，通信系统可分为基带通信系统和频带通信系统。信道中传输基带信号的通信系统称为基带通信系统(简称基带系统)。信道中传输已调制信号的通信系统称为频带通信系统(简称频带系统)。在基带系统的发送设备中，不需对基带信号进行调制，而是将经过放大、滤波等处理后的基带信号直接送入信道传输。在频带系统的发送设备中，需要对基带信号进行调制，变换成已调制的频带信号，再送入信道传输。 4. 以通信业务分类 按通信业务的不同，通信系统可分为电话通信系统、电报通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。,5. 以工作波段分类

9、 按使用的波长不同，通信系统可分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统和微波通信系统等。 6. 以调制方式分类 常规的通信系统根据载波是正弦波还是周期脉冲信号分为连续波调制和脉冲调制。根据基带信号是模拟信号还是数字信号，可分为模拟调制系统、数字调制系统等。根据调制后信号的频谱结构是否发生变化，又可分为线性调制和非线性调制系统。,1.2.2 通信的方式 通信方式是指通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传输方式，它是通信各方在通信实施之前首先要确定的问题。根据不同的标准，通信方式有多种分类方法。 (1) 按通信对象的不同，通信方式可分为点到点通信(即通信是在两个对象之间进行)，点到多点通信(一个对象和多个对象之间的通信)和多点到多点通信三种(多个对象和多个对象之间的通信)。,(2) 按信号的传输方向和传输时间的不同，两点之间的通信方式可分为单工通信、半双工通信和双工通信。 单工通信(simplex)：在任何一个时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机之间的通信(点到多点)。另外，遥控玩具、航模(点到点)、寻呼等也均属此类通信。 半双工通信(half-duplex)：在任何一个时刻，信号只能单向传输，或从甲方到乙方，或从乙方到甲方，每一方不能同时收发信息，比如对讲机、收发报机，以及问询、检索等之间的通信。 双工通信(full-duplex)：在任何一个时刻，信号能够双向传输，每一方都能同时进行收信和发信工作。比如普通电话、手机等。,(3) 按通信终端之间的联系方式可分为两点间直通方式和交换方式。直通方式是通信双方直接用专线连接，而交换方式则必须经过一个称为交换机的设备才能联系起来，如电话系统。 (4) 按数字信号传输的顺序，在数据通信中(主要指计算机通信)，通信方式又有串行通信和并行通信之分。 (5) 按同步方式的不同，又分为同步通信和异步通信。 事实上，一种通信方式往往具有多类性，比如广播电视既是一种单工通信方式也是一种点到多点的通信形式。,1.3 信息的度量及香农公式 1.3.1 信息的度量 通信的目的在于传递信息。为了以后对通信系统的主要性能作定量分析，需要先对信息这个术语的定义及其度量做扼要的讨论。 信息一词在概念上与消息相似，但它的含义更普遍化、抽象化。可以这

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