通信原理第二章通信的基本概念课件

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1、2.1 通信的定义2.2 通信系统的构成2.3 通信系统的分类2.4 通信传输方式2.5 通信系统传输的基本概念2.6 数字通信系统的质量指标2.7 通信滤波器的概念本章小结2通信系统概述通信系统概述2.1 通信的定义回顾第一章的内容什么是通信 是人与人之间、人与机器之间、机器与机器之间的信息传输传输、处理处理和再现再现信息的过程。它涉及信息的发送者、接收者和传输媒体。图2.1 A、B两地信息传递BA2.2 通信系统的构成传递或交换信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。通信系统的一般模型如图2.2所示。图2.2 通信系统的一般模型噪声源信道变换器信源反变换器信宿消息消息适于信道中传送的信号

2、信源：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。变换器：或称发送设备，产生适合于在信道中传输的信号。如调制、模数转换、编码、加密等。信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。如果通信距离较远，还必须加上中继器，对被衰减的信号进行放大或再生，然后再传送。反变换器：或称接收设备，从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。信宿：是传输信息的归宿点，是把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器、耳机、显示器等。2.3 通信系统的分类通信系统模拟通信系统模拟基带传输系统模拟调制传输系统数字通信系统数

3、字基带传输系统数字调制传输系统模拟通信系统：模拟通信系统：在信道中传输模拟信号的系统。如图2.3所示。图2.3 模拟通信系统两种变换：模拟消息 原始电信号（基带信号）基带信号 已调信号（带通信号）我们以语音信号为例来说明图2.3模拟通信系统模型各部分的作用。发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。为了提高频带利用率，使多路信号同时在信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。调制是信号的一种变换，通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后的信号称

4、为已调信号。在收端，经解调器和逆变换器还原成语音信息。数字通信系统：数字通信系统：传输数字信号的系统。如图2.4所示。图2.5 数字通信系统信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性 完成模/数转换 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力加密与解密目的：保证所传信息的安全数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 数字通信的主要特点：（一）优点（1）抗干扰能力强，无噪声积累在远距离通信中，中继器可以对数字信号波形进行整形、再生而消除噪声和失真的积累，但对模拟信号来说，中继器对传输信号放大的同时，对叠加在信号上的噪声和失真也进行了放大，如图2.6

5、所示。此外还可以采用各种差错控制编码方法进一步改善传输质量。图2.6 模拟通信与数字通信抗干扰能力比较（2）便于加密处理 在数字通信中易于采用复杂、非线性长周期的码序列对信号进行加密，从而使通信具有高强度的保密性。（3）易于实现集成化，使通信设备体积小、功耗低 由于数字通信中大部分电路都是由数字电路来实现的，微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电路来实现。（4）利于采用时分复用实现多路通信 数字信号本身可以很容易用离散时间信号表示，在两个离散时间之间可以插入多路离散时间信号实现时分多路复用。（5）传输差错可控（6）便于处理、变换、存储（二）缺点：（1）需要较大的传输带宽数字通

6、信系统的许多优点是用比模拟信号占用更宽的频带而换得的。以电话为例，一路模拟电话仅占用约4kHz带宽，而一路数字电话却要占用20kHz64kHz的带宽。不过，随着信道带宽很宽的数字微波、卫星和光纤通信等系统的利用以及数字频带压缩技术的发展，数字通信占用频带宽的问题将可以逐步获得解决。（2）对同步要求高同步问题是数字通信技术的核心问题之一。它包括位同步、帧同步、载波同步、网同步等。2.4 通信系统的性能指标 衡量通信系统性能的优劣，最重要的是看它的有效性和可靠性。有效性有效性指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。可靠性可靠性指接收信息的准确程度，也就

7、是传输的“质量”问题。有效性和可靠性这两个要求通常是矛盾的。提高有效性会降低可靠性，反之亦然。因此，在实际设计系统时，须根据具体情况寻求适当的折中解决办法。模拟通信系统和数字通信系统对这两个指标要求的具体内容有很大差别，因此分别予以介绍。模拟通信系统：模拟通信系统：有效性：可用有效传输频带来度量。信道的传输频 带越宽，则能够容纳的信息量就越大。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。信噪比指输出信号的平均功率和输出噪声的平均功率之比，并用分贝值作为衡量的单位，即 。信噪比越大，通信质量越好10lg()SdBN几个基本概念码元：码元：承载信息量的基本信号单位，指的是任何进制数据中每一位数据的长度

8、。二进制码、多进制码（P17）信息：信息：是消息中包含的有效内容如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例】“今年冬天的气候要比去年冬天的更冷些”与“今年冬天的气候将与去年夏天一样热”两条消息哪一个包含有更多的信息？上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。度量信息量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。设：P(x)消息发生的概率，I 消息中所含的信息量，则 P(x)和 I 之间应该有如下关系：I 是 P(

9、x)的函数：I I P(x)P(x)，I ；P(x)，I；P(x)=1时，I 0；P(x)=0时，I ；满足上述3条件的关系式如下：信息量的定义)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa上式中对数的底：若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b 若a=e，信息量的单位称为奈特(nit)，若 a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)【例例】设一个二进制离散信源，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 在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特)(log)(1logxPxP

10、Iaa221loglog()()IP xP x)b(12log2/11log)1()0(22 II若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为若M是2的整幂次，即 M=2k，则有当M=4时，即4进制波形，I=2比特，当M=8时，即8进制波形，I=3比特。非等概论情况(略)。思考题：思考题：设一信息源的输出由128个不同符号组成，每个符号均以等概率出现。试计算出该信息源中每个符号所包含的信息量。)b(log/11log1log222MMPI2log 2()kIkb数字通信系统数字通信系统有效性：有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。码元传输速率RB

11、：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。式中T 码元的持续时间（秒）信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为 b/s，或bps 例题2.1,2.2 )B(1TRB码元速率和信息速率的关系或 对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为3600 b/s。（二进制传码率）与 （N进制传码率）关系为：各自码元宽度不一样 各自码元宽度一样)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB2BRBNR222logBBNBBNRRNRR频

12、带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即或可靠性：可靠性：常用误码率和误信率表示。误码率误信率，又称误比特率在二进制中有例2.3,2.4练习题:P23 2.8,2.9,2.12)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb传输总码元数错误码元数eP传输总比特数错误比特数bPebPP 2.5 通信传输方式信息的传输方式可以有以下几种分类：按通过传输线路信息的形式不同可以将传输方式分为模拟传输和数字传输；按信号在信道中的传输方向可分为单工、半双工和全双工三种通信方式；按编码的传输方法可分为串行传输和并行传输；按是否要求收发同步可分为同步传输和异步传输。1模拟传输和数字传输 根据信道中传送的是模

13、拟信号还是数字信号，将通信传输方式分成模拟传输方式和数字传输方式。应当指出，模拟传输方式和数字传输方式是以信道传输信号的差异为标准的，而不是根据原始输出的信号来划分。若将原始输出的模拟信号经过模/数变换，成为数字信号，就可以用数字传输方式传送，在接收端再进行相反的数/模变换，即可还原出原始的模拟信号。2单工、半双工和全双工通信（1）单工通信 单工通信是指信息的流动方向始终固定为一个方向的通信方式。虽然能够逆向传输应答监视信号，但不能在反方向传输信息。例如，电视机、收音机只能接收信号，而不能反方向传送信号，它是一种类似于单行道的通信方式。（2）半双工通信 这是一种信息流动方向可以随时改变的通信方

14、式，但任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据，如图所示。由于传输方向不断交换，所以传输效率会有所下降。例如，无线电收、发两用机和银行的联机系统都属于这种方式。它是一种类似于单向交互通行道路的通信方式。（3）全双工通信 全双工通信是指可以同时向两个方向传输信息的通信方式。这种通信方式可以相互交换大量的信息。虽然是同时双向传输信息，但不一定非要在两个方向上分别敷设传输线路，如将发送、接收的信号频率分离，引入频分复用技术就可实现双向通信。例如，电话通信、宽带上网等都是属于这种通信方式。它是一种类似于双向通行道路的通信方式。3.并行传输并行传输和串行传输和串行传输并行传输：将代表信息的数字信

15、号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要 n 条通信线路，成本高 串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施4.同步与异步传输 异步传输:发端预先将数据分组,并在每组数据的前后安置起始位和停止位.允许各组数据以不同的速率传送.收端根据起始位和停止位识别数据组.起始位校验位停止位(1,1.5,2数据宽度)5 7 数据位奇偶校验或不用 异步传输不要求位同步和字同步.优点：简便而灵活缺点：传输效率低 同步传输:发端

16、用定时信号控制数据匀速发送,数据长度以帧为单位,只在每帧的前后加SYN(同步)标记.收端从接收信号中提取定时,达到收发同步.优点：比异步传输的传输效率高,更适合高速数据传输.缺点：要求严格的位同步和字同步SYN帧定位字段控制字段控制字段数据字段(接下一帧)图2.7 电波的传播路径 表2.1 常用传输介质及其主要用途本章小结n通信的定义及发展史n通信系统的构成及分类n模拟通信系统、数字通信系统、数字通信特点n单工、半双工、全双工通信，并行传输和串行传输，同步传输和异步传输n通信系统的有效性和可靠性n信息及其度量n码元传输速率、信息传输速率、误码率、误比特率作业：P23 2.7,2.11，2.12