第1章_概论

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1、第1章 概论,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统 1.3 通信网 1.4 通信信道 1.5 通信系统中的噪声 1.6 信息论基础,第1章 概论,1.1.1 消息、信息、信号与通信,.1 通信的基本概念,1.1.2 通信方式、传输方式、同步方式、复用方式,1.1.3 通信频段,1.1.4 通信发展简史,第1章 概论,1.1.1 消息、信息、信号与通信,消息：包含具体内容的文字、符号、数据、语音、图片、图象等等，是信息的具体表现形式，也是特定的信息。 信息：消息的统称，是消息的概括和抽象，可理解为消息中包含的有意义的内容，用信息量来衡量。 信号：搭载或反映信息的载体，通常以某种客观物理量（电

2、压、电流）表现出来。,第1章 概论,消息(Message)、信息(Information)、信号(Signal)是与通信(Communication)密切相关的三个概念，信息一词在概念上与消息相似，但其含义却更具普遍性、抽象性。消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述，传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。信号是消息的载体和通信的客观对象，而信息是信号的内涵。 通信就是把信息从一个地方有效可靠地传送到另一个地方。,第1章 概论,彩条消息（图像）,彩条信号（电压）,图1.1 彩条消息与彩条信号,第1章 概论,1.1.2 通信方式、传输方式、同步方式、复用方式,图1.2 简

3、单点到点通信系统框图,信源：把各种消息转换成原始电信号。该信号含有丰富的低频成分甚至直流分量，因此又称基带信号。 信道：信号传输的通道。 信宿：将复原的原始电信号转换成相应的消息。 噪声源：噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。,第1章 概论,图1.3 通信系统的基本模型,发送设备(变换器)：基带信号一般不适合直接上信道传输，通过发送设备对原始电信号进行各种变换（如编码、调制、滤波、放大、发射等），使其适合在信道中传输。 接收设备(反变换器)：与发送设备的功能相反，从来自信道的各种传输信号和噪声中恢复出相应的原始电信号。,第1章 概论,1、通

4、信方式,按消息传递的方向与时间关系分，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。,第1章 概论,单工通信(Simplex Communication) ：是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。如广播、遥测、遥控、无线寻呼等。,半双工通信(Half-duplex Communication) ：是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。如使用同一载频的对讲机、收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信。,第1章 概论,全双工通信(Duplex Communication) ：是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式， 计

5、算机之间的高速数据通信也是这种方式。,第1章 概论,2、传输方式,按照数字信号的各个二进制位(又称比特)是否同时传输，数据的传输方式可分为并行传输和串行传输两种。,图1.5 传输方式 （a）并行传输 （b）串行传输,第1章 概论,并行传输(Parallel Transmission)是将组成字符的各位数据同时在多条并行信道上进行传输。优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，故一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。,第1章 概论,串行传输(Serial Transmission)是将组成字符的各位数据以串行方式一个接一个地在同一条信道上传输。通常，一般的远距

6、离数字通信都采用这种传输方式。常见的串行接口标准有RS 232C、RS 422/485和20mA电流环等。,3、同步方式,针对串行传输的字符同步问题，目前有两种解决方法，即异步传输方式和同步传输方式。,第1章 概论,同步传输(Synchronous Transfer)时的数据帧由同步字符(SYN)、数据字符和校验字符(CRC)组成，即在传送一组字符时需要加入1到2个同步字符和1到2个校验字符。,同步方式,异步方式,第1章 概论,异步传输(Asynchronous Transfer)是一种利用字符的再同步技术，即在字符的首末分别设置1位起始位和1位或1.5位或2位停止位，用它们分别表示字符的开始

7、和结束，用头尾信息来进行同步。,4、复用方式,多路复用技术(multiplex)：实现在同一条通信线路上传送多路信号的技术，以提高传输信道的利用率。,（1）频分复用(Frequency Division Multiplexing),信号的分割参量是频率，只要使各路信号的频谱在频率轴上互不重合，接收端就可用滤波器将它们分开。,第1章 概论,波分复用(Wavelength Division Multiplexing),在同一光纤上同时传输不同波长的相隔很近的多路光载波，使总的传输数据率增为每一路数据率的多倍。,第1章 概论,（2）时分复用(Time Division Multiplexing),多

8、个用户按时间次序占用频道进行的通信。,三路信号时分复用示意图,第1章 概论,FDM与TDM的比较,频道,时隙,第1章 概论,（3）码分复用(Code Division Multiplexing),第1章 概论,扩频码：高速伪随机序列,1.1.3 通信频段,第1章 概论,1.1.4 通信发展简史,通信的历史可大致划分为三个阶段：1838年以电报传输开始的通信初级阶段；1948年以香农提出信息论开始的近代通信阶段；1980年以后光纤通信、移动通信、综合业务数字网、互联网崛起的现代通信阶段。 现代通信技术的发展趋势可概括为“六化”： （1）通信技术数字化。 （2）通信业务综合化。 （3）通信网络融合

9、化。 （4）网络传输宽带化。 （5）网络管理智能化。 （6）通信服务个人化。,第1章 概论,1.2.1 通信系统的类型,.2 通信系统,1.2.2 通信系统的模型,1.2.3 通信系统的特点,1.2.4 通信系统的主要性能指标,第1章 概论,根据通信业务的不同或消息的物理特征，可分为电报、电话、传真、数据和图像通信系统等。 根据传输媒质的不同，可分为有线和无线两类。有线通信系统的传输媒质包括双绞线、电缆、光纤、波导等；无线通信包括短波通信、微波通信、移动通信、散射通信、激光通信等。 根据信道中传输信号的特征可分为模拟系统和数字系统两类。 根据系统是否采用了调制可分为频带传输系统和基带传输系统。

10、常用调制方式如下：,1.2.1 通信系统的类型,第1章 概论,1.2.2 通信系统的模型,1、模拟通信系统模型,图1.6 模拟通信系统的模型,调制器的作用是把不适合信道传输的基带信号通过频谱搬移变换成适合信道传输的频带信号，再送上信道；接收端解调器则完成相反的变换，即从频带信号中解调出基带信号。,第1章 概论,模拟信号波形举例 (a) 连续信号 (b) 已抽样信号,PAM：脉冲幅度调制 T：抽样间隔,第1章 概论,数字信号波形举例 (a) 二进制波形 (b) 2PSK波形,2PSK：二进制相移键控,第1章 概论,2、数字通信系统模型,图1.7 数字通信系统的模型,信源编码有三个作用，其一是当信

11、源给出的是模拟语音信号时，通过PCM、ADPAM或M等方法将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输；其二是设法减少码元数目和降低码元速率，即数据压缩；其三是当需要保密通信时进行保密编码。,图1.7 数字通信系统的模型,信道编码是一种可靠性编码，又叫纠错编码、差错控制编码，其目的是提高通信系统的抗干扰能力，尽量控制差错，保证通信质量。,1.2.3 数字通信系统的特点,（1）抗干扰能力强，无噪声累计。 （2）可采用差错控制技术，提高信号传输可靠性。 （3）便于进行各种数字信号处理，也可通过计算机存储和处理，使数字通信和计算机技术相结合，组成综合化、智能化的数字通信网。 （4）数字通信系统使传

12、输与交换相结合，电话、数据与图像传输相结合，有利于实现综合业务数字网。 （5）器件和设备易于实现集成化、微型化。,第1章 概论,两类通信方式抗干扰性能比较 (a)模拟信号；(b)数字信号,第1章 概论,1.2.4 通信系统的主要性能指标,有效性和可靠性。 有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题； 可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。 这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。,第1章 概论,如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。,模拟通信系统主要性能指标,有效性可用有效传输频带宽度来度量，同样的消息用不同

13、的调制方式，则需要不同的频带宽度（传输带宽）。,第1章 概论,可靠性用接收端最终输出信噪比（如解调输出信噪比）来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。,数字通信系统主要性能指标,1、有效性可用传输速率来衡量。,（1）码元传输速率: 码元速率是指每秒钟内传输码元的数目，通常又可称为码元速率、传码率、码率、符号率或波特率等，用符号RB来表示。单位为波特（Bd），常用符号“B”表示（注意，不能用小写）。 数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率RB与信号的进制数N无关，只与码元宽度TB(即码元持续时间)有关,即,(1-2),第1章 概论,（2）信息传输速率 :

14、是指每秒钟内传送的信息量。信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。信息传输速率用符号Rb表示。单位为比特/秒（bit/s），简记为b/s或bps。 因为信息量与信号进制数N 有关，因此，信息传输速率与N 有关。信源共发出N个符号，就是N进制。,第1章 概论,（3）RB与Rb之间的互换 在二进制中，码元速率RB同信息速率Rb在数值上相等，但单位不同。 在多（N）进制中，RB与Rb之间数值、单位均不同。它们之间在数值上有如下关系式 :,(1-5),式中H为信源中每个符号所含的平均信息量（信源的熵）。 等概传输时，熵有最大值 ，信息速率也达到最大，即,(1-3),第1章 概论,【例】已知

15、二进制数字信号在2min内共传送了72000个码元，(1) 问其码元速率和信息速率各为多少? (2) 如果码元宽度不变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号， 则其码元速率为多少? 信息速率又为多少? 解 (1) 在260s内传送了72000个码元 RB2=72000/(260)=600 (B) Rb2=RB2=600 (b/s) (2) 若改为8进制 则 RB8=72 000/(260)=600 (B) Rb8=RB8log28=1 800 (b/s) ,第1章 概论,（4）频带利用率 在比较不同通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还应看在这样传输速率下所占的信道的频带宽度。因为

16、传输速率越高，所占用的信道频带越宽，因此，能够真正体现出信息的传输效率的指标应该是频带利用率，即单位频带内的传输速率。,(1-7),(1-8),第1章 概论,误信率（信息差错率、误比特率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例：,2、衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。,(1-10),(1-9),误码率（码元差错率）Pe是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，即码元在传输系统中被传错的概率：,第1章 概论,【例】已知某八进制数字通信系统的信息速率为12000 b/s，在收端半小时内共测得出现了216个错误码元，试求系统的误码率。,解：,第1章 概论,通信系统的主要性能指标,第1章 概论,1.3.1 通信网的定义、组成及类型,.3 通信网,1.3.2 通信网的拓扑结构,1.3.3 现代通信网的分层结构,第1章 概论,1.3.1 通信网的定义、组成及类型,定义1：通信网是由一定数量的节点(