掌握数字通信系统的基本组成

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1、课程名称：通信原理 使用教材：通信原理，樊昌信，曹丽娜编著， 国防工业出版社，2006.9第6版 授课学时：72，其中实验8 考核方式：考试 课程简介： 通信原理是电子、通信、计算机、信息处理等专 业的重要专业基础课。 课程主要讲述现代通信系统的基本组成、基本性 能指标和基本分析方法。以各种调制技术的分析作为 主线，紧紧围绕通信系统的有效性和可靠性这对矛盾 进行分析，并对各种通信系统的性能指标进行评价与 比较。 课程要求： 1、掌握模拟通信和数字通信的基本理论，各种 调制解调性能比较，为进一步学习各种信息传输系统 打下理论基础。 2、掌握数字通信系统的基本组成、工作原理、 常用的性能指标。 3

2、、理解模拟信号数字化的过程，掌握脉码调制 等常用的数字化方法。 5、掌握数字通信中常用的调制和解调方法。 第1章 绪论 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统的分类与通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系统的主要性能指标 传统通信的几种形式 古 代 峰 火 边 防 海 军 旗 语 信 鸽 传 书 1.1 通信的基本概念 无线广播 移 动 通 信 移动电视 电视广播 雷达 卫星广播 现代通信的几种形式 所谓通信，就是信息的传递。传递是一种信息传输的 过程或方式。 消息包括话音、文字、数据、图片、视频等。信息是 消息中的有用内容。消息中包含信息，是信息的载体。得

3、到消息，从而获得信息。 所讨论的通信均指电通信，即利用各种电信号，包括 光信号作为通信信号。 现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息 大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安 全地从信源通过传输介质传送到信宿。 通信原理就是介绍支撑各种通信技术的基本概念和数 学理论基础。 1.2 通信系统的组成 一、 通信系统一般模型 用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合 叫做通信系统。 过去对通信系统的定义没有软件部分，但随着计算 机进入通信系统，通信软件就成为组成通信系统的基本 要素，因此在定义中加入软件这一模块。 从硬件上看，通信系统主要由信源、发送设备、信 道、接收设备、信宿

4、（受信者）五部分组成。干扰可以 理解为是通信系统的一部分，因为在实际应用中，一个 通信系统无法彻底消除干扰。 通信系统的一般模型 信源：把各种消息转换成原始电信号。原始电信号 称为基带信号，信号的频谱是从零附近开始，具有较低 的频率。 发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。 信道：一种物理媒质，将发射设备的信号传送到接 收端。 接收设备：从接收信号中恢复出原始电信号。 信宿：把基带信号还原成原有的消息。 自由空间的信道不能直接传输基带信号，需要进行 调制，调制后的信号称为已调信号。 已调信号的特点：一是携带有信号；二是适应在信 道中传输。已调信号又称为带通信号。 l例：广播通信系统包括话筒、

5、发送设备、 无线电波传输、接收设备、扬声器等。 二、模拟通信系统和数字通信系统 根据信道传输信号种类的不同，通信系统可分为两大 类：模拟通信系统和数字通信系统。 模拟信号是一系列连续变化的电磁波或电压信号，这 些信号直接与消息相对应，如亮度连续变化的电视图像。 模拟信号在时间上不一定连续。 数字信号是一系列断续变化的电压脉冲或光脉冲，具 有有限个取值，如电报。 信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如电 话、广播和电视系统。 信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统，比如 数字电话通信系统。 数字通信系统与模拟通信系统比较，主要区别是多了 信源编码(解码)和信道编码(解码)功能模块。 信源

6、编码完成的是将模拟信息(模拟信号)转换成数字 信号的功能。信源编码的另一个作用是提高信息传输的有 效性，即通过数据压缩的方法减少码元数目，并降低码元 速率。 (信源解码功能相反) 信道编码是将信源编码输出的数字信号变成适合于信 道传输的码型(信道解码功能相反)，增强数字信号的抗干 扰能力，提高传输的可靠性。 数字通信系统还包括数字调制和数字解调以及同步等 ，参见图1-5。 三、数字通信的特点 1、抗干扰能力强 数字信号的取值个数有限(大多数情况只有0和1两个 值)，因此在传输过程中不太关心信号的绝对值，只注意 相对值。 比如设高电平5V为1，低电平0V为0，在传输时受噪 声影响，5V变成8V，

7、而我们只要看到大于5V的值认为是 5V就行了。一般可以将大于2.5v的信号都判为1，小于 2.5v都判为0。 如果0V受干扰也可能变成8V，以致于把数据0误认 为数据1。但经过信道编码后，数据0不是用简单的低电 平表示，因此，这种误码出现的可能性很小。 2、传输中继器可再生信号，消除噪声积累 比如一个中继器收到一个受干扰而变成8V的信号， 若是模拟通信，中继器就会原封不动地把这个8V信号放 大后送往下一级，下一级接着放大再往下送，这样一级 一级下去，噪声被不断地放大，形成噪声积累直到通信 终端。 如果是数字通信，第一个收到这个8V信号的中继器 先认为该信号为一高电平信号，然后并不将该信号往下

8、传，而是重新生成一个标准高电平信号(比如为5V)传往下 一级，这样，噪声就不会像模拟通信那样被一级一级地 放大，而是被中继器“隔离”，从而消除了噪声积累。 3、便于进行信号加工与处理 由于信号可以储存，因此可以像处理照片一样对信号随 意加工处理(在技术允许的范围内)。 4、传输中出现的差错(误码)可以设法控制，提高了传输质量 5、数字信息易于加密且保密性强。 6、能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系统 的灵活性和通用性。 数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价的。比如 ，一路模拟电话信号的带宽为4kHz，而一路数字电话信号一 般为64kHz的带宽，这说明数字通信的频带利用率低。这

9、一缺 点在在系统频带紧张场合很突出，但目前在微波通信、光通 信场合，数字通信这些弱点被弱化，数字通信几乎成了唯一 选择。 1.3 通信系统分类与通信方式 一、通信系统的分类 1.按传输介质分类 分为无线通信系统与有线通信系统。 利用无线电波、红外线、激光等进行通信的系统统 称为无线通信系统。广播系统、移动电话系统、传呼通 信系统、电视系统等都是无线通信系统。 用导线(包括电缆、光缆和波导等)作为介质的通信系 统为有线通信系统，如市话系统、闭路电视系统、普通 的计算机局域网等。 单纯的有线或无线通信系统越来越少，实际通信系 统常常是无线与有线相结合。当代的无线通信、有线通 信和计算机网络三者的关

10、系密不可分。 通 信 系 统 有线通信有线通信系统 有线载波通信有线载波通信光通信光通信 架架 空空 明明 线线 对 称 电 缆 同 轴 电 缆 空 间 光 通 信 光 纤 通 信 无线通信系统 微微 波波 中中 继继 通通 信信 卫卫 星星 通通 信信 移移 动动 通通 信信 微微 波波 散散 射射 通通 信信 流流 星星 余余 迹迹 通通 信信 2. 按调制方式分类 按调制与否，可分为基带通信系统和调制通信系统。 基带通信系统，传输的是基带信号(指没有经过任何调制 处理的信号)。 调制通信系统，传输的是调制后的信号。 3. 按通信业务分类 按传送信息的物理特征分为电话通信系统、电报通信系

11、统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。 4. 按工作波段分 按使用波长可分为长波通信系统、中波通信系统、短波 通信系统、微波通信系统和光通信系统等。表1-2：频段划分 。 一种通信系统可以分属不同的种类，比如无线电广播既 是中波通信系统(短波通信系统)，调制通信系统、模拟通信系 统，也是无线通信系统。 注意点： 无论怎样划分通信系统，都只是在信号处理和传输方 式或传输介质等外在特征上做文章，其通信的实质并没改 变，即大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济 地、安全地传送信息。 在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时， 只要抓住通信的实质，就不会被系统复杂的结构、先进的 技

12、术和生涩的技术术语所迷惑。 二、通信方式 l通信方式指通信双方(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必须首先确 定的问题。 根据不同的标准，通信方式有多种分类法： 1、按通信对象数量的不同，可分为点到点通信(通信 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、根据信号传输方向与传输时间的不同，任意 两点间的通信方式可分为： 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、电视台与电视机的通 信(点到多点

13、)、遥控玩具、航模(点到点)、寻呼等均 属此类。 半双工通信(HalfDuplex)：在任何一个时刻，信 号只能单向传输，或从甲方向乙方，或从乙方向甲方， 每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机、收发报机 等之间的通信。 双工通信(FullDuplex)：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与发信工作。 比如普通电话、手机。 通信方式示意图 3、按通信终端之间的连接方式可划分为两点间 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；而交换式 的通信双方必须经过一个称为交换机的设备才能连接 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

14、信)，通信方式又有串行通信与并行通信 之分。并行传输速度快，但需要多条线路。串行传输 速度慢，只需要一条线路。 5、按同步方式的不同，又分为同步通信和异步 通信。 视频：模拟与数字通信 1.4 信息及其度量 l传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程中 ，信息是以各种具体的电信号或光信号形式表现 出来的。为了对通信系统的性能与质量进行定量 的分析、研究与评价，就需要对信息进行度量。 l定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通 常用I表示。 l信息是一个抽象的概念，能否被量化？如何量化？ 例：信息“明天太阳从东边出来”和“明天太阳从西边出 来”，后者对信息的受者更有吸引力。 l表明信息有量值可

15、言，并且信息所包含的事件越不可 发生，人们就越感兴趣，信息量就越大。显然，信息 量与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信 息量就越大；必然事件的概率为1，则它传递的信息量 就为0。 l信息量与事件概率之间的关系式为： lP表示某事件发生的概率，I为从该事件发生的信息中得 到的信息量。 l如果消息由若干个互相独立的事件构成，则该消息所含 信息量等于各独立事件所含信息量之和。 l信息量单位的确定取决于上式中的对数底a。如果取对数 的底a=2，则信息量的单位为比特(bit)；如果取e为对数的 底，则信息量的单位为奈特(nat)；若取10为底，则信息 量的单位称为十进制单位，或叫笛特(det)。 l广泛使用的单位为比特。 讨论等概率出现的离散消息的度量： l若要传递的离散消息是在M个消息中独立地选择其一 ，且认为每个消息的出现概率是相同的，则可采用一 个M进制的波形进行传送。也就是说，传送M个消息 之一与传送M进制波形之一是完全等价的。在等概率 出现时，每个波形(或每个消息)的出现概率为1/M，取 对数底为2，则信息量为 l当M=2，即二进制时，I=1，也就是说，每个二进制波形 等概率出现时所含信息量是1bit。 l