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1、第12 通信系统的基础知识,1,目录,2,12-1 通信系统的模型及其分类,通信系统就是传递或交换信息所需的一切技术设备的总和，用以完成信息传输过程的技术系统的总称。12.1.1 通信系统模型通信系统一般由以下几部分组成。,3,信源：是发出信息的源。信源可以是离散的数字信源，也可以是连续的模拟信源。为了使原始信源适合于在信道中传输，由发送设备对原始信号完成某种变换，再送人信道。,4,信宿:是传输信息的归宿点，是将复原的原始信号转换成相应的消息。信道:指信号传输的通道，分有线信道、无线信道。噪声源:是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示，分加性噪声、乘性噪声。,整个通信系统的要求就
2、是希望恢复消息与原始发送消息一致，或控制失真在要求的范围之内，这就是可靠性的要求。此外，还希望作为信道的媒介质的利用率高一些。具体到传输媒介就是提高频带利用率；对存储媒介则希望能提高单位存储容量(信息容量)。这就是有效性的要求。,12.1.2 通信系统的分类,1、按传输媒质分一类称为有线通信，另一类称为无线通信。有线通信，是指传输媒质为架空明线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质（如电磁波）的一种通信形式。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通
3、信、散射通信和激光通信等，其形式较多。,5,当电磁波的波长达到光波范围时，这样的电信系统特称为光通信系统2.按信道中所传信号的特征分按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。,6,模拟通信系统,数字通信系统,模拟通信系统-电话通信系统电话通信的特点是通话双方要求实时对话，因而要在一个相对短暂的时间内在双方之间临时接通一条通路，故电话通信系统应具有传输和交换两种功能。这种系统通常由用户线路、交换中心、局间中继线和干线等组成。数字通信系统就是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统涉及的技术问题很多，其中有信源编码、保密编码、信道编码、数字调
4、制、信道、数字复接及多址、数字信息交换、同步问题等。,7,3 按工作频段分按通信设备的工作频率不同，通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。,8,表 1-1 通信频段、常用传输媒质及主要用途,9,4.按调制方式分根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。基带传输是将没有经过调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对各种信号调制后再送到信道中传输的总称。接收端有相应解调措施的通信方式,10,5、按业务的不同分按通信业务分，通信系统可分为话务通信和非话务通信。电话业务在电信领域中一直占主导地位，它属于人与人之间的通信。近年来，非话务通信发展迅速，它主要包括
5、数据传输、计算机通信、电子信箱、电报、传真、可视图文及会议电视、图像通信等另外从广义的角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴，因为它们都满足通信的定义。,11,6.按通信者是否运动分移动通信系统和固定通信系统另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信以及按通信对象的位置分为地面通信、对空通信、深空通信、水下通信等,12,12.2 通信介质,传输介质是连接通信设备，为通信设备之间提供信息传输的物理通道。是信息传输的实际载体。很多介质都可以作为通信中使用的传输介质，但这些介质本身有着不
6、同的属性，适用于不同的环境条件，同时通信业务本身也会对传输介质的使用提出不同的要求。因此，在实际应用中存在着多种多样的传输介质。以下是两种常见的传输介质：（1）有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方。（2）无线传输介质指我们周围得空气、电磁波等。根据电磁波的频谱可将其分为无线电波、微波、红外线、激光等。,13,1 有线传输介质：有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。有线电缆的特点是成本低，安装简单；缺点是频谱有限，而且安装后不便移动。电缆时有线通信中，特别是接入网络中最常见的传输介质。,14,双绞线把两
7、根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。“双绞线”的名字也是由此而来。双绞线分为屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，STP)与非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair，UTP)。优点：低成本，易于安装，应用广泛。缺点：带宽有限：信息传输距离短：双绞线的传输距离只能达到100m左右。抗干扰能力不强：应用场合：窄带ISDN中的基本速率接口BRI和基群速率接口PRI常使用双绞线作为传输介质。目前十兆/百兆/千兆以太网的主要传输介质都是双绞线，,15,同轴电缆可用频带宽同轴电缆可供传
8、输的频谱宽度最高可达G赫兹，比双绞线更适合于提供视频或者宽带接入业务，也可以采用调制和复用技术来支持多信道传输。抗干扰能力强：误码率低，但这会受到屏蔽层接地质量的影响。性价比高：虽然同轴电缆的成本要高于双绞线，但是它也有着明显优于双绞线的传输性能，而且绝对成本并不很高，因此其性能价格比还是比较合适的。,16,安装比较复杂双绞线和同轴电缆一样，线缆都是制作好的，我们使用时需要的是截取相应的长度并与相应的连接件相连。在这一环节中，由于同轴电缆的铜导体较粗，因此一般需要通过焊接与连接件相连。其安装闭双绞线更为复杂。同轴电缆的应用同轴电缆以其良好的性能在很多方面得到了应用，有线电视，闭路监控系统、电信
9、企业的传输部门。如局域网；电话通信网中局端设备之间的连接；有线电视CATV系统的信号线（直接与用户电视机相连的电视电缆多是采用同轴电缆）；射频信号线（同轴电缆业经常在通信设备中用作射频信号线，例如基站设备中功率放大器与天线之间的连接器。）,17,光纤是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。在多模光纤中，芯的直径是15m50m，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8m10m。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。优点：频带宽：采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，
10、进行波分复用，可以容纳上百万个频道。损耗低比同轴电缆的功率损耗要小一倍，使其能传输的距离要远得多。,18,重量轻光纤非常细。用448根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。抗干扰能力强光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响保真度高光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引人新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。工作性能可靠光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的
11、寿命都很长，成本不断下降,19,12.3通信的传输方式,按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。单工通信是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。这里，信号（消息）只从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和 BP 机上。,20,发端,信道,收端,单工方式传输是只能单方向传输的通信方式,半双工通信方式，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。,21,半双工方式是通信双方可以收发消息，但不能同时收和发的工作方式,所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。在
12、这种方式下，双方都可同时进行收发消息。很明显，全双工通信的信道必须是双向信道。生活中全双工通信的例子非常多，如普通电话、手机等,22,终端A,终端B,发,收,发,收,信道1,信道2,全双工是通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式,串行传输将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行，在一条传输线路上一位一位地传输的方式称为串行传输方式。在信道中一个码元一个码元地依次传递时速度慢、成本低，通信距离长时用此方式，,23,并行传输构成一个编码的所有码元都同时传输为并行传输。并行传输速度快、成本高，适用短距离通信，如计算机与外设(打印机等)通信，,24,异步传输异步传输利用起止法来达到收发同步的目的。
13、每次只能传送一个字符，用起始位和停止位来指示传输字符的开始和结束。同步传输 同步传输不是以一个字符而是以一个数据块进行信息传输的。在数据块前后各加一个前文和后文表示开始和结束。,25,12-4通信系统的质量评价,12.4.1 码元在数字通信中数据是以某种编码的形式存在的。表示一个数据单元的编码被称为码字(也称为字符)；码字由码元(也称为符号)构成；码元是指任何进制数据中每一位数据的长度。由二进制代码(0或1)组成(也可以是多进制代码)。二进制代码也称为二进制码元。三者的关系如图所示。,26,12.4.2 数字信号波形与码元、电平之间的关系 数据信息常常用数字序列来表示，尤其是用二进制数字序列来
14、表示。这些二进制数字序列，当然还有多进制数字序列，映射到传输线路中就是一个个信号波形。码字对应着数字序列，码元是构成码字的单位，而二进制代码就是这些“码字”与计算机或其他智能通信设备进行交流的语言。,27,数字信号可以用不同的脉冲波形表示。图给出了几种脉冲波形。,28,（a）在一个码元持续时间T内电平维持不变，用高电平代表二进制代码“1”，低电平代表二进制代码“0”。,（b）用正电位代表二进制代码“1，负电位表示二进制代码“0，正幅度和负幅度相等，所以称为双极性码。,（c）当发送1码时，送出正电流，但是时间短于一个码元的时间，即发个窄脉冲；发0码时，不发脉冲。这样发1码时有一部分的时间没有脉冲
15、，幅度是零。所以这种码称为单极性归零码。,（d）其由1码发一个正的窄脉冲，0码发一个负的窄脉冲，两个码元的间隔时间可以大于一个码的窄脉冲宽度。,（a）和（b）是在另一码元全部时间内发出或不发出电流，或者全部码元时间内发出正电流或负电流。这两种显然属于全宽码，即每一码元占用全部码元宽度，重复发送1码，势必连续发送正电流;重复发送0码，势必连续没有发送电流或连续发送负电流，这一位码和下一位码之间没有间隔，不易互相识别。,29,多电平信号二进制的数据信号中，每个码元(或符号)只有二种状态。如果采用多进制传输，如四进制(电平)，那么每个码元有4种状态，每码元信息量为二进制的一倍，所以采用多电平传输，可
16、以在相同码元速率(码元周期相同)下提高比特率。例如，四进制码由4个不同电平值表示。这4个不同电平值可以是0、1，2，3或-3、-1、1、3等等。图(a)、(b)分别画出了两种四进制码的波形。,30,(a)正电平;(b)正、负电平,二进制码与多进制码之间可以相互转换，例如，四进制码与二进制码的转换。表2.2示出了四进制和二进制码元的对应关系。实际中许多数字通信系统常常采用多进制数字调制，这是因为多进制数字调制增大了码元宽度，增加了码元的能量，减小了信道特性引起的码间干扰的影响。,31,2)波形中的电平、码元中的状态及进制 波形由不同的电平表示，电平是对波形“等级”的描述，同属一种波形，有+3V,
17、+1V,-1V,-3V的“等级”区别。码元由不同的状态表示。状态是对码元数量的描述，一种码元有 状态。进制是用进制形式对波形电平或码元状态的表述。在数字通信领域，常用的进制或者是二进制本身，或者是以二进制为基础实现的。例如:四进制(4=22)，八进制(8=23),64进制(64=26)。其他数字进制(如3进制，5进制)用的较少。,32,信息的度量,(1)消息消息是一组有序符号序列（包括状态、字母、数字等）或连续时间函数，如语音、图像等。前者称为离散消息，后者称为连续消息。(2)信息信息是抽象的消息，一般用数据来表示。“信息”一词在概念上与“消息”的意义相近，但它的含义却更普遍化、抽象化。信息可
18、被理解为消息中包含的有意义的内容。每一个消息都传递了一些信息，但某些消息比另外一些消息传递了更多的信息。于是就有如何度量消息中包含多少信息的问题，也即信息的度量问题。,33,举例说明：如果甲告诉乙消息A:明天可能比今天热。乙会不以为然，因为消息A很可能发生。如果甲告诉乙消息B：“明天气温接近65。C”。乙会大为吃惊，因为消息B几乎不可能发生。使乙“不以为然”和“大吃一惊”的原因是前者属于老生常谈，没什么新的信息；而后者是违背常规的，在乙以往储备的信息中完全没有这种认识，是全新的信息。从此事例可以看出，事件越不可能，越使人感到意外和惊奇，信息量就越大。概率论告诉我们，事件的不确定程度，可以用其出
19、现的概率来描述。亦即事件出现的可能性越小，则概率就越小，概率性小即不确定性大；反之，则概率就越大。由若干个独立事件构成的消息，那么这时得到的总的信息量就是若干个独立事件的信息量的总和。,34,为了计算信息量，消息中所含的信息量 I 与消息 x 出现的概率 间 的关系式应能反映如下规律。(1)消息中所含的信息量 I 是出现该消息的概率 的函数，即(2)消息的出现概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当 时，(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的和，即,35,不难看出，若I与 之间遵从如下关系：如果取对数的底，则信息量的单位为比特(bit)。二进制数字信号中
20、，每个码元所含信息量为,36,用二进制代码，即一个“0”或“1，(用电路实现就是有波形或无波形)传送两个等概率消息中的任何一个，最少需要1个二进制代码，每一个二进制代码所包含的信息量定义为1比特。,四进制数字信号中，每个码元所含信息量为八进制信号中，每个码元所含信息量为,37,传送4个消息之一。如果这些消息由二进制代码(波形)来传送，则每个消息需要由2个二进制代码组成的二进制码组来表示。每个二进制代码能取两种状态(0或1)，因此，2个代码的码组能构成4个不同的波形图样分别表示4个消息。,通信系统有效指标的计算及概念,1 码元传输速率码元传输速率指数字通信系统单位时间(每秒)内传输的码元(符号)
21、个数。其单位为波特(Baud)，常用符号“B”表示。码元传输速率仅仅表征单位时间内传输的码元数目，而没有限定码元是何种进制的，即码元可以是多进制的，也可以是二进制的。码元传输速率为 是码元宽度，单位为波特，。也称数码脉冲,38,【例12-1】系统2s内共传送4 800个码元，则系统码元传输速率为多少?码元传输速率 是二进制传码率，是N进制传码率。当 与 在各自的码元宽度 不一样的前提下，它们之间有如下转换关系：当 与 在各自的码元宽度 一样的前提下，它们之间有如下转换关系：,39,2 信息传输速率信息传输速率简称传信率，又称信息速率或比特率，。它表示单位时间(每秒)内传送数据信息的数量，单位为
22、bit/s，可记为“b/s”或“bps。其中，N为符号的进制数。，传输二进制信息时，传输速率和码元传输速率是一致的，记为,40,【12-2】某信源1s内传递1200个符号，且每个符号的信息量为1 bit，则该信源的传信率,【例12-3】已知二进制系统在2 min内共传递了7 200个码元，求：码元速率 和信息速率 各为多少？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，则码元速率 为多少？信息速率 为多少？解：,41,若改为八进制系统，则此例说明系统 不变，对不同进制信号传输的信息量不一样。,42,3（平均）误码率数据传输系统的基本可靠性指标是平均误码率，它是衡量数字通信系统在正常
23、工作情况下可靠性的主要指标。误码率通常以二进制码元(二进制代码)作为计算的基准。误码率定义为：接收端收到的二进制码元中发生错误的码元个数(ne)与发送端已发送的总码元个数(n)之比。如果实际系统传输的不是二进制码元，须折合成二进制码元来计算。误码率一般记为 Pe，即,43,这个指标应当是较长时间、多次统计结果的平均值，因而是平均误码率。误码率只代表传输错误的概率，并不是实践中任何时候都可能出现的错误码元比率。,【例12-4】已知八进制数字通信系统的信息速率 为12 kbit/s，在接收端30min内共测得出现216个错误码元，试求系统的误码率.解：,44,根据公式,4、误比特率误比特率用 表示
24、Pb，即5.频带利用率在比较不同通信系统的效率时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的频带宽度。通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力越大。所以，真正用来衡量数字通信系统传输效率(有效性)的指标应当是单位频带内的传输速率，即,45,或其中，是系统码元速率，是系统信息速率。,46,6 信噪比（1）噪声 信道上是有噪声的。信道里的高斯白噪声、突发噪声、衰减失真等都会造成对信道上传输的信号产生影响，使信号丢失或者误码。一般将噪声大致分为自然噪声、人为噪声和电路噪声。人为噪声指电气设备、内燃机引擎等产生的噪声。自然噪声是指宇宙噪声和大气噪声，宇宙噪声和大气噪声通常是经过接收天线进
25、入系统的。电路噪声，即通常所说的热噪声和散粒噪声。热噪声是由导体中的自由电子随机运动产生的，散粒噪声是由电子器件中电子的随机扩散和发射产生的。电路噪声是不能消除的。,47,以上各种噪声源产生的随机噪声在直到 Hz的很宽频率范围内都有均匀功率分布(超过此频率则按量子理论的规律衰减)。这样的噪声一般被称为白噪声(之所以称其为白噪声，是因为它类似于光学中包含了全部可见光光谱的白色光)。白噪声n(t)的功率谱密度 在(-，)的整个频率范围内都是均匀分布的。,48,为单边功率谱密度，单位为瓦/赫（W/Hz）,由于通信电路一般是限带的，所以更实际的应用时白噪声通过限定带宽的滤波器后的噪声。限带滤波器输出噪
26、声被称为限带白噪声或有色噪声。,当噪声的任意n维概率分布服从高斯分布时，这类噪声被称为高斯噪声。热噪声和散粒噪声的任意n维概率分布都服从高斯分布，因此，都属于高斯噪声。（2）信噪比在有噪声的情况下，带宽增加就不一定相应的增加传输速率，因为带宽越高，由于频带的展宽，相应的高斯白噪声也会增多，对数据的影响也会相应增加。用信噪比SNR(sinal-to-Noise Ratio)来衡量信号功率相对噪声功率的强度。定义：SNR为信道输出的信号功率S与输出高斯白噪声功率N的比值,49,7、信道及其信道容量信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信道容量的单位是比特/秒(b/s)，即信道的最大比特
27、率。模拟信道的信道容量可以根据香农公式计算。香农(Shannon)公式指出：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率(信道容量)C为:S/N为平均信号/噪声功率比，噪声为正态分布的加性白噪声；B为信道带宽；C为信道容量。信道容量是一定S/N下的信道能达到的最大信息传输速率，实际通信系统的信息传输速率一般低于信道容量。,50,由于高斯白噪声的功率N与信道带宽B有关，若噪声的功率谱密度为，则功率噪声N将等于。因此香农公式转化为由此可以看出，增大带宽B并不一定能使C不断增加。当 时，C是一个给定的有效值。,51,香农定理指出了达到一个既定信道的最大容量，却没有提及如何实现它，所以香农容量这是一个衡量实际通信系统性能的尺度。以上关于信道噪声的讨论都是以高斯白噪声为前提的，对于其他类型的噪声，香农公式需要修正才能适用实际的情况。,52,Thank You!,53,
