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1、第1章 绪 论,1.1 通信的概念 1.2 通信系统 1.3 通信方式 1.4 信道与噪声 1.5 信号频谱与信道通频带 1.6 信息理论的基本知识 1.7 多路复用的基本概念 1.8 通信系统的性能评价 1.9 通信技术发展简史,1.1 通信的概念,1.1.1 通信的概念 所谓通信，简单而言就是指消息的传递。因此，通信的基 本任务是解决两地之间的消息传递或交换。消息的传递或交换 就是现代所说的信息交流，显然，人类之间的沟通、交流离不 开通信。 随着通信技术的飞速发展，现代的各种“通信”基本上都是 借助电信号（含光信号）实现的，因此通常所说的“通信”，就 是指的电通信。本书所述“通信”如无特殊
2、说明均指“电通信”； 所述的“信号”均指“电信号”。,1.1.2 通信的种类 1按信号特征分类 按信号特征分类可以将通信分成模拟通信和数字通信。 信号的某一参量（如振幅、频率、相位等）可以取无限多个数值，且直接与消息本身的物理量变化相对应的，称为模拟信号。信号的某一参量只能取有限个数值，且时间上离散的，常常不与消息本身的物理量直接相对应的，称为数字信号。 2按传输媒质分类 通信按照使用的传输媒质的形态可以分成有线通信和无线通信两大类。 典型的有线通信如电话、有线电视、海底光缆等，需要依靠如架空明线、同轴电缆、光导纤维或波导管等有形的传输媒质完成通信任务。而典型的无线通信如移动通信、无线广播、卫
3、星通信等均是依靠电磁波在空间的传播来实现的通信。,3按传输方式分类 根据信号在传输的过程中是否进行了调制，可将通信分成基带传输和频带传输两种。一般来说将消息直接转换得到的信号称为基带信号，传输基带信号的通信称为基带传输系统。基带信号经过调制后的信号称为已调信号或频带信号，如果通信中传输的信号是频带信号，则称为频带传输。 4按工作波段分类 按照通信工作中信号的不同频段可以将其分为长波通信、中波通信、短波通信和光通信等。 5按通信终端是否运动分类 按通信终端是否具备移动的条件划分，可将通信划分为固定通信和移动通信。移动通信是指通信双方至少有一方处于运动中的通信。,6按通信业务分类 通信按其业务类型
4、划分，可分为话务通信和非话务通信。电话作为话务通信的代表一直在通信领域中占据着重要的地位；但随着科技的发展和社会的进步，计算机应用技术和因特网的普及，各种数据通信、图像、视频通信等非话务业务量正大幅度增长，正逐渐成为通信业务的主流。 7按信道的复用分类 通信的多路信号传输主要有三种信道复用技术，即频分复用、时分复用和码分复用。模拟通信主要采用频分复用方式，数字通信则主要采用时分复用和码分复用技术。,1.2 通信系统,1.2.1 通信系统的组成 实现消息传递所需的全部技术设备和传输媒介的总和称为通信系统。其模型方框图如图1-1所示，由信源、发送设备、信道（包括噪声）、接收设备和信宿五部分组成。,
5、图1-1 通信系统的基本模型,1信源 信源又称为信息源或发终端，是信息的产生地，是各种消息转换成电信号的转换器，信源输出的信号称为基带信号。根据消息的内容不同，信源可以分成音频信源、视频信源和数据信源等。而根据转换后输出的基带信号的类型，又可将信源分为模拟信源和数字信源。 2发送设备 发送设备的基本功能是将信源与传输媒介匹配起来，即将信源产生的基带信号转换成适合于信道传输的信号形式。变换的形式多种多样，在模拟通信系统中的主要变换方式是调制；在数字通信系统中的主要变换方式是编码。,3信道和噪声 从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介称为信道，它可以是有线的，也可以是无线的，即信道分成有线和
6、无线两种。 在信号的传输过程中，通信设备必然会受到来自内外各方面的噪声干扰，通信的各个环节以及每一台设备都有可能产生噪声。为了便于分析问题，将各种噪声等效为由信道引入。 4接收设备 接收设备是接收端各种设备的总称，其功能与发送设备的功能正好相反。它的主要任务是从接收到的带有干扰的信号中正确恢复原始基带信号，如解调、译码等。 5信宿 信宿又称为受信者或接收终端，是信息传输的终点，其作用是将基带信号转换（还原）成原始的消息。,二、信号的分贝表示法 分贝是由贝尔 (Bel) 导出的，贝尔是为了度量两个物理量 （N1和N2）的比值而设定的计量单位，其定义式为 R=lg（N1/ N2） （1-1） 式中
7、 lg以10为底的常用对数。 1Bel在实际测量中往往太大，因此，常用其1/10作为测量 单位，这就是1dB（分贝，decibels）由定义可得 1Bel=10dB 把该等式代入式（1-1）即为分贝定义式 R=10lg（N1/ N2） （1-2） 在无线电技术中，常用分贝来表示放大电路的增益和一些 物理量的大小，例如电功率、电压、电流等。,1.2.2 模拟通信系统 通信系统主要分为两大类：模拟通信系统和数字通信系统。 能够实现模拟信号的传送、接收和处理过程的通信系统称为模拟通信系统，系统构成方框图如图1-2所示。,图1-2 模拟通信系统基本构成,模拟通信系统的工作过程主要完成两类变换：一是原始
8、消息和基带电信号的相互转换，把原始消息转换成基带电信号的过程由信源完成；而把基带电信号恢复成为原始消息的过程由信宿完成。二是基带信号和频带信号的相互转换，把信源发出的基带信号转换成适合信道传输的频带信号的过程由调制器完成；而把接收到的带有噪声的频带信号转换成基带信号的过程由解调器完成。通信系统完成通信任务的过程就是对信号实现两类变换的过程，在通信过程中对信号进行滤波、放大、发射、接收和控制等都是为两类变换服务的。,在实际中由于基带信号下限频率较低，相对带宽较大，通常不适合在信道中直接传输，一般均把它变换成为较适合于信道传输的频带信号，频带信号又称为已调信号，它具有三个特点： （1）携带有基带信
9、号的信息； （2）相对于基带信号，其中心频率较高； （3）便于在信道中传输。 可见调制器在模拟通信系统中的作用非常重要，按照调制方式的不同调制器又可分为连续波调制系统和脉冲波调制系统，前者包括振幅调制系统、频率调制系统，后者包括脉冲幅度调制、脉冲相位调制和脉冲宽度调制等系统。 模拟通信系统的主要优点是设备简单、成本较低。缺点是抗干扰能力差、不易保密、不便于与计算机连接等。,1.2.3 数字通信系统 在系统中传输、接收和处理的是数字信号的通信系统称为数字通信系统。数字通信系统的一般构成如图1-3所示。,图1-3 数字通信系统的一般构成,由图可见，数字通信系统与模拟通信系统相比就是在调制器之前增加
10、了两个编码器，相应地在解调器之后增加了两个译码器，其余部分与模拟通信系统基本一致。,信源编码的主要任务是完成信号的模数转换和数据压缩，如果信源送来的是模拟信号，那么信源编码还需包含一个将模拟信号转换成数字信号的数模转换器。信源编码可以提高通信系统的有效性。接收端的信源译码的作用与信源编码相对应。 信道编码又称为抗干扰编码或纠错编码，它将信源编码器输出的数字基带信号按照一定的规律人为地加入多余码元，以便在接收端的信道译码器中发现或纠正码元在传输过程中出现的错误，这样可以降低码元传输的错误概率，提高通信系统的可靠性。,调制器对经过前述两种编码得到的数字基带信号进行调制，调制的方法可以和模拟通信的调
11、制方法一致，但考虑到数字信号的特点，数字调制往往采用键控方式调制，如振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）和相位键控（PSK）。解调也相应地可以采用与模拟调制一致的方法，但更多地采用与三种键控调制相对应的解调器。 显然，保持收、发端同步是数字通信系统中非常重要的问题，即数字通信系统收发两端必须同步，只有建立一种收发两端相对一致的时间关系，才能确定每一码元的起止时刻，并确保接收码组和发送码组之间的正确对应关系，最终实现通信任务。实现同步的主要形式有：位同步、码元同步、帧同步和载波同步等。,与模拟通信系统相比数字通信系统具有以下的优点： （1）抗噪声性能好。可采用再生中继的办法消除噪声积累，实现高
12、质量、远距离通信。 （2）由于采用了信道编码技术使通信误码率降低，大大提高了通信的可靠性。 （3）便于加密，保密性好。 （4）便于与计算机等数字终端设备连接，方便地实现信号的处理、存储和交换。 （5）易于实现集成化、小型化。 当然，数字通信系统也由一些缺点。如系统和设备较复杂、占用频带较宽等。其中最突出的就是占用频带过宽问题。,1.3 通信方式,通信方式指通信双方或各方之间的工作形式和信号传输方式，根据不同角度考虑，通信方式有多种分类方法。 1.3.1 从通信终端的数量分类 点到点通信，在两个通信终端之间的进行的通信；点到多点通信，一个终端对多个终端之间的通信；多点到多点之间的通信，多个终端与
13、多个终端之间的通信，如图1-4所示。,图1-4 通信终端的数量分类,1.3.2 从信号的传输方向和时间分类 单工通信，在任何时刻，信号都只能向一个方向单向传输的方式，如广播等； 半双工传输，信号可以在两个方向传输，但不能实现同时双向传输，如对讲机等； 全双工传输，任何时刻，信号都可以同时在两个方向传输，如电话机等，这种方式使用最多。三种通信方式示意图，如图1-5所示。,图1-5 信号的传输方向和时间分类,1.3.3 从信号的传输顺序分类 根据信号的传送顺序主要有两种信号传输方式：串行传输和并行传输。 所谓串行传输是指各路信号在同一条信道上一个接一个依次传送的方式。而并行传输则是指各路信号在多条
14、信道上同时进行传送的方式，如图1-6所示。,图1-6 信号的传输顺序分类,1.3.4 从通信终端的连接方式分类 直联方式是指各通信终端之间均有直联线路，可以直接进行通信的方式；而交换方式则是指通信终端之间没有直联线路，需要经过交换设备进行连接的通信方式。如图1-7所示。,图1-7 通信终端的连接方式分类,1.3.5 从同步方式不同分类 按同步方式不同可分为异步传输和同步传输两种。 异步传输，收发两端不需进行同步控制的通信方式； 同步传输，收发两端必须进行同步控制的通信方式。,1.4 信道与噪声,1.4.1 信道的概念 一般而言，信号的传输通道就称为信道。在通信理论中，通常将仅包含传输介质的信道
15、称为狭义信道。另一方面，除了传输介质之外，信号的传输还将经过很多设备，如馈线与天线、调制器和解调器、放大器等，显然这些设备也是信号的传输通道，均应包含在信道以内，称为广义信道。 狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，其特性在很大程度上决定了通信系统通信效果的好坏。,广义信道是从信号传输的观点出发，从功能上可以将广义信道划分为调制信道和编码信道，其划分如图1-8所示。,图1-8 调制信道和编码信道划分,1调制信道 调制信道的输入和输出均是已调信号，既可以是数字已调信号，也可以是模拟已调信号。由于已调信号的瞬时值是连续变化的，所以又常将调制信道称为连续信道或模拟信道。 根据信道特性参数的变化速度，
16、可将调制信道分为恒参信道和随参信道。恒参信道的参数随时间的变化缓慢或不随时间变化。随参信道（或称变参信道）的参数随时间随机变化。一般情况下可以认为：有线信道基本上是恒参信道，无线信道基本上是随参信道。,2编码信道 编码信道是从研究编码和解码的角度定义的，无论是信源编码或是信道编码，传输的都是离散的数字信号，所以编码信道又称为离散信道。编码信道中传输的是数字信息，根据传输信息的码元差错与前后码元差错是否相关，可将编码信道划分为无记忆信道和有记忆信道。如果当前码元的错误与前后码元的错误无关，则称该信道为无记忆信道。如果当前的码元错误与前后码元的错误相互关联，则称该信道为有记忆信道。 由图可见，编码信道包含调制信道，故其性能会受调制信道性能的影响。,1.4.2
