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1、通信系统概述,概 述 通信系统组成 通信系统分类 系统工作方式 信息及其度量 主要性能指标,我们所知道的通信,古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信 这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。 现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式 目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高,通信的发展简史,按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段： 第一阶段 语言 第二阶段 文字、邮政 第三阶段 印刷术、出版物 第四阶段 电报、电话、广播 第五阶段 通信与计算机
2、的结合、网络,通信的发展简史,1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。,最早的电通信设想,通信的发展简史,1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机
3、, 发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。,莫尔斯发出第一封 电报设备的复制品,最早的有线电报,通信的发展简史,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,Alekander Graham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。 1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。,最早的有线电话,贝尔获得电话 的专利证书,通信的发展简史,1887年3月21日，德
4、国物理学家赫兹（Hertz）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。,电磁波的发现,通信的发展简史,1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为
5、“无线电发明日”。,最早的无线通信,波波夫实验用的无线电接收机,通信的发展简史,1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。,人类首次远距离无线电通信,影响通信发展的重要发明或理论,1906年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器。 1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。 1941年，John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。 1947年，贝尔实验室的Steve O.Rice给出了噪声的统计 1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管
6、。 1948年，Claude E.Shannon发表了信息论。 1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始， 也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。,影响通信发展的重要发明或理论,1958年，发明了集成电路。 1964年，电子电话交换机投入使用。 1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。 1976年，出现个人计算机。 1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。 1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。 1985年，传真机（FAX）广泛使用。 1989年，卫星全球
7、定位系统（GPS）完成部署 。 1995年，互联网（Internet）及WWW浏览广泛流行。 2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字广播以及个人通信系统时代。,通信系统一般模型,通信 是从一地向另一地传递和交换信息。 通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和。,通信系统一般模型,信源 是消息的产生地， 其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。 电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。 发送设备 将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。
8、 变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。,通信系统一般模型,信道 是指传输信号的物理媒质。 在无线信道中，信道可以是大气（自由空间） 在有线信道中，信道可以是明线、 电缆或光纤。 有线和无线信道均有多种物理媒质。 媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。 根据研究对象的不同， 需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型， 以反映传输媒质对信号的影响。,通信系统一般模型,噪声源 是通信系统中各种设备以及信道中所固有的 不是人为加入的设备，并且是人们所不希望的。 噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的， 为了分析方便，
9、把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。 接收设备 完成发送设备的反变换， 即进行解调、译码、解码等。 它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。 ,通信系统一般模型,信宿 是传输信息的归宿点， 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,通信系统一般模型,消息 消息的状态 连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等 离散消息指消息的状态是可数的或离散的， 如符号、数据等。,消息 的传递是通过它的物质载体 电信号来实现的， 即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位； 脉冲波
10、的幅度、宽度或位置）。,hello,通信系统一般模型,信号 信号参量的取值方式 模拟信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，且直接与消息相对应的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。 时域离散信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，但时间上是离散的。 数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号等。,通信系统一般模型,t,f(t),0,时间连续、参量连续,时间离散、参量离散,抽样,量化,通信系统一般模型,信号 信道中传输的是模拟信号还是数字信号 模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的通信系统。 数字通信系统：
11、利用数字信号来传递信息的通信系统。,模拟通信系统,数字通信系统模型,数字通信系统主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、以及加/解密等,信源,信源编码,信道编码,加密,调制,信道,噪声,数字通信系统,模拟&数字通信系统,模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。 数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。 可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。,模拟&数字通信系统,数字通信的主要特点
12、 抗干扰能力强。 差错可控。 易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。 易于集成化， 从而使通信设备微型化。 易于加密处理， 且保密强度高。 数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。 数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。,通信系统分类,通信系统分类,通信系统分类,通信系统分类,通信方式,按消息传递的方向与时间关系分：对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系， 通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。 单工通信， 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。 半双工通信，是指通信双方都能收
13、发消息， 但不能同时进行收和发的工作方式。 全双工通信， 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。,通信方式,发送,信道,接收,单工：广播,发送,信道,接收,双工：手机,发送,信道,接收,半双工：对讲机,信息及其度量（重点）,信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。,信息及其度量,从常识的角度来感觉三条消息： 太阳从东方升起； 太阳比往日大两倍； 太
14、阳将从西方升起 。,第一条几乎没有带来任何信息 第二条带来了大量信息 第三条带来的信息多于第二条,第一事件是一个必然事件，人们不足为奇； 第三事件几乎不可能发生，它使人感到惊奇和意外，也就是说，它带来更多的信息,信息含量是与惊奇这一因素相关联的，这是不确定性或不可预测性的结果。 越是不可预测的事件， 越会使人感到惊奇，带来的信息越多。,信息及其度量,根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。 可能性越小，概率越小；反之，概率越大。 因此， 消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。,信息及其度量,假设P(x)是一个消息发生的概率，I
15、是从该消息获悉的信息根据上面的认知， 显然I与P(x)之间的关系反映为如下规律： （1） 信息量是概率的函数， 即 I= fP(x) （2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)1时， I0 P(x)0时， I （3） 若干个互相独立事件构成的消息， 所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,信息及其度量,信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为 信息量的单位与对数底数a有关。 a=2时， 信息量的单位为比特(bit)； a=e时，信息量的单位为奈特(nit)； a=10时， 信息量的单位
16、为十进制单位，叫哈特莱。 目前广泛使用的单位为比特。 【例】 设二进制离散信源， 以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为 I(0)=I(1)=log22=1 (bit),传送等概率的二进制波形之一(P=1/2）的信息量为1比特。 传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示； 传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。 对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为,信息及其度量,信息及其度量,如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集， 其中每个符号xi(i=1, 2, 3, , n)出现的概率为P(xi)， 且有P(xi)
