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1、第12 通信系统的基础知识,1,目录,2,12-1-1通信系统模型,3,传递信息的通道,发出信息的基本设施,接收信息的基本设施,把待传输的消息转换成原始电信号,把接收到的原始电信号转换成消息,系统内各种干扰影响的等效结果,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。,通信系统一般由以下几部分组成。,12-1-1,4,将信源发出的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号,从接收到的信号中恢复出相应的原始电信号,12-1-1,5,AD转换编码调制,解调解码DA转换,12-1-2通信系统分类,6,有线通信,无线通信,按照传输媒质分类,2.按信道中所传信号的
2、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。,7,模拟通信系统,数字通信系统,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 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。,10,11,按照通信业务特征分
3、类,按传输内容分类：单媒体通信（如电话、传真等）多媒体通信（如电视、可视电话、远程教学等）,按传输方向分类：单向传输（如广播、电视等）交互传输（如电话、视频点播等）,按传输带宽分类：窄带通信（如电话等）宽带通信（如视频会议等）,按传输时间分类：实时通信（如电话、电视等）非实时通信（如Email等）,12-1-3通信系统的质量评价,12,有效性,可靠性,数字通信系统的可靠性用传输差错率来衡量。传输差错率常用误比特率表示。误比特率又称比特差错率，是指在传输过程中产生差错的比特数与传输的总比特数之比，也称平均误比特率。,12-1-4通信行业技术标准,13,通信行业中的技术标准主要由各种技术标准化团体
4、及相关的行业协会负责制定。典型的标准化组织包括国际电信联盟（ITU，International Telecommunications Union）、电气和电子工程师协会（IEEE）等。,1865年5月17日，法，德，俄，意，奥等20个欧洲国家的代表在巴黎签订了国际电报公约，国际电报联盟（Internationa lTelegraph Union，ITU）。自1934年1月1日起正式改称为“国际电信联盟”（International Telecommunication Union）。经联合国同意，1947年10月15日国际电信联盟成为联合国的一个专门机构，其总部由瑞士伯尔尼迁至到日内瓦。,12-
5、1-5通信网的组成,14,通信网一般由终端设备、传输系统和交换设备按照某种结构组成，以实现多个节点之间的信息传递,终端设备终端设备是通信网中的源点和终点，除对应于信源和信宿外，终端设备还包括一部分变换和反变换装置。常见的终端设备包括电话、电视、计算机、智能多媒体终端设备等。,终端设备的功能包括：将发送端发送的信息转变成适合在信道中传送的信号，将接收端接收的信号恢复成能被利用的信息；产生和识别网内所需的信令信号或规则，以便相互联系和应答。,15,交换设备在通信网中，交换功能由交换节点（即交换设备）完成。不同的通信网络，由于所支持的业务特性不同，其交换设备也不尽相同。,交换设备根据寻址信息和网络控
6、制质量，进行链路连接或信号导向，从而使通信网中的多对用户建立信号通路。,16,传输系统传输系统是完成信号传输的媒介和设备的总称。它包括终端设备之间、终端设备与交换设备之间以及交换设备之间的各种传输介质和设备。,如用户线（用户终端与交换节点之间的连接线路）、链路（交换节点与交换节点之间的连接线路）等。,通信网的特性,17,使用的便捷性,网络服务的可靠性,网络的可扩展性,服务种类的多样性,连通的任意性,通信网络的结构,18,19,星型网中央节点控制全网工作，各个用户间需要通信时，都需要通过中央节点转接。与网状网相比，星型网具有传输链路少的优点，但由于所有通信必须通过中央节点，因此一旦中央节点出现故
7、障，将全网瘫痪。,20,复合型网复合型网以星型网为基础，并在信息量较大的区域构成网状网结构。该网络兼取了网状网和星型网的优点，较经济合理并具有一定的可靠性。实际通信网中，复合型网络结构较为常见。,21,环型网在环形网中，任何两个节点之间都要通过闭合环路互相通信。单条环路往往只支持单一方向的通信，所以任何两个节点通信信息都要围绕环路循环一周。,22,总线型网在总线型网中，互相通信的总线必须能够实现双向传输。总线型结构具有良好的扩充性能，不需要中央控制器，有利于分布式控制，因此在计算机局域网中获得广泛的应用。,通信网的分类,23,三网融合,24,我国的四大骨干互联网络,25,12.2 通信介质,传
8、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。传输介质分类：（1）有线传输介质（2）无线传输介质,26,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。,27,双绞线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：成本低，易于制作；应用广泛，缺点：带宽有限，信号传输距离短，抗干扰能力不强，应用场合：双绞线一直被广泛用于电话通信以及局域
9、网建设中。目前十兆/百兆/千兆以太网的主要传输介质都是双绞线，,28,双绞线分类,29,同轴电缆,30,局域网、局间中继线路、有线电视（CATV）系统的信号线、射频信号线等。,可用频带宽抗干扰能力强性价比高安装比较复杂,应用：,光纤光纤通信是指以光波为载频、光导纤维为传输媒质的一种通信方式。工程中，一般将多条光纤固定在一起构成光缆。,31,单模光纤 当光纤直径较小时，只允许一个方向的光通过，称为单模光纤。多模光纤 当光纤直径较大时，可以允许光以多个入射角射入并传播，称为多模光纤；,分类,优点,32,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，进行波分复用，可以
10、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。重量轻光纤非常细。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，不会因为放大引入新的非线性失真。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，加上光纤设备的寿命都很长，成本不断下降,无线通信,33,所谓无线信道就是指无线通信的传输媒质。与有线信道相比，无线信道更
11、为复杂，主要体现为：传播环境十分复杂，传播机理多种多样由于用户端的移动性，传播参数随时变化。需要构建各类无线信道模型，以便在设计无线通信技术或进行移动通信网络建设之前，对信号的传播特性、通信环境中可能受到的系统干扰等进行评估。,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。,34,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。例如，对讲机,35,半双工方式是通信双方可以收发消
12、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,36,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，,37,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
13、离通信，如计算机与外设(打印机等)通信，,38,异步传输,异步传输：将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长利用起止法来达到收发同步的目的。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,39,每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。,传输机制,异步传输的开始位使信号变成0，其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化。最后，停止位使信号重新变回1，该信号一直保持到下一个开始位到达。,思考？在键盘上怎么用异步传输的方法传输数字“1”。,40,1的A
14、SCII码是49,00110001,应用：异步传输常用于低速设备。,扩展为8位的ASCII码,同步传输同步传输是以同步的时钟节拍来发送数据信号的，数据帧,41,Sync:同步字符 Data block:数据区块,传输机制数据帧的第一部分包含一组同步字符，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。帧的最后一部分是一个帧结束标记。,同步传输的优点：同步传输通常要比异步传输快速得多。同步传输的开销也比较少。同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。,42,同步与异步传输的区别异步传输的单位是字符而同
15、步传输的单位是帧。异步传输通过字符起止的开始和停止码再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。异步传输相对于同步传输效率较低。,43,12-4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。码字：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。,44,12.4.2 数字信号波形与码元、电平之间的关系数字信号可以用不同的脉冲波形表
16、示。,45,下图给出了二进制系统的几种脉冲波形。,46,（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，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。,多电平信号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
17、.每码元信息量为二进制的一倍，所以采用多电平传输，可以在相同码元速率(码元周期相同)下提高比特率。图(a)、(b)分别画出了两种四进制码的波形。,47,(a)正电平;(b)正、负电平,总结,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。例如有+3V,+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。,48,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
18、)内传输的码元个数其单位为波特(Baud)，常用符号“B”表示。,49,【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?,解：,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：,50,2 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，信息传输速率和码元传输速率是一致的，记为,51,【12-2】某信
19、源1s内传递1200个符号，且每个符号的信息量为1 bit，则该信源的信息传输率,【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：,52,若改为八进制系统，则,53,此例说明系统 不变，对不同进制信号传输的信息量不一样。,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，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。误码率一般
20、记为 Pe，即,54,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：,55,根据公式,4、误比特率误比特率用 表示Pb，即5.频带利用率数字通信传输系统的频带利用率定义为：所传输的信息速率（或符号速率）与系统带宽之比值，其单位为bit/s/HZ（或为Baud/Hz).,56,或,其中，是系统码元速率，是系统信息速率。,如果实际系统传输的不是二进制码元，须折合成二进
21、制码元来计算。,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。,57,以上各种噪声源产生的随机噪声在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
22、称为白噪声。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。,58,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。限带滤波器输出噪声被称为限带白噪声或有色噪声。,高斯噪声指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。这是考查一个信号的两个不同方面的问题。热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。,59,（2）信噪比SNR 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
23、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,60,7、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)，即信道的最大比特率。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。,61,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。,62,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。,63,Thank You!,64,
