通信原理課件

1、通信原理課件 1.1.1通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型 通信是從一地向另一地傳遞和交換信息。 實現(xiàn)信息傳遞 所需的一切技術設備和傳輸媒質的總和稱為通信系統(tǒng)?；?點與點之間的通信系統(tǒng)的模型可用圖 1 - 1 來描述。 信源是消息的產生地， 其作用是把各種消息轉換成原始 電信號，稱之為消息信號或基帶信號。電話機、電視攝像機 和電傳機、計算機等各種數字終端設備就是信源。前者屬于 模擬信源，輸出的是模擬信號；后者是數字信源，輸出離散 的數字信號。 通信原理課件 圖 1 - 1通信系統(tǒng)的一般模型 信息源 發(fā)送設備 信息 接收設備 受信者 噪聲源 發(fā)送端接收端 通信原理課件 發(fā)送設備的基本功能是將

2、信源和信道匹配起來，即將信 源產生的消息信號變換成適合在信道中傳輸的信號。變換方 式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調制是最常見的 變換方式。對數字通信系統(tǒng)來說， 發(fā)送設備常常又可分為信 源編碼與信道編碼。 信道是指傳輸信號的物理媒質。在無線信道中，信道可 以是大氣（自由空間）， 在有線信道中，信道可以是明線、 電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質。媒質的固 有特性及引入的干擾與噪聲直接關系到通信的質量。根據研 究對象的不同， 需要對實際的物理媒質建立不同的數學模型， 以反映傳輸媒質對信號的影響。這一點將在第3章中討論。 通信原理課件 噪聲源不是人為加入的設備，而是通信系統(tǒng)中各種設備

3、 以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來源 是多樣的，它可分為內部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往 往是從信道引入的，因此，為了分析方便，把噪聲源視為各 處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。 接收設備的基本功能是完成發(fā)送設備的反變換， 即進行 解調、譯碼、解碼等。它的任務是從帶有干擾的接收信號中 正確恢復出相應的原始基帶信號來，對于多路復用信號，還 包括解除多路復用，實現(xiàn)正確分路。 信宿是傳輸信息的歸宿點， 其作用是將復原的原始信號 轉換成相應的消息。 通信原理課件 圖 1 - 1 概括地描述了一個通信系統(tǒng)的組成， 它反映了通 信系統(tǒng)的共性，因此稱之為通信系統(tǒng)的一般模型。根據研究 的對

4、象以及所關注的問題不同， 圖 1 - 1 模型中的各小方框的 內容和作用將有所不同，因而相應有不同形式的更具體的通 信模型。今后的討論就是圍繞著通信系統(tǒng)的模型而展開的。 通信原理課件 1.1.2模擬通信模型和數字通信模型模擬通信模型和數字通信模型 圖 1 - 1 中， 信源發(fā)出的消息雖然有多種形式， 但可分 為兩大類： 一類稱為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息。連續(xù) 消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數的，如語音、活動 圖片等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數的或離散的， 如 符號、數據等。 消息的傳遞是通過它的物質載體電信號來實現(xiàn)的， 即把消息寄托在電信號的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻 率或相位

5、； 脈沖波的幅度、寬度或位置）。按信號參量的取 值方式不同可把信號分為兩類，即模擬信號和數字信號。 通信原理課件 凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接 與消息相對應的信號，均稱為模擬信號，如電話機送出的語 音信號、電視攝像機輸出的圖像信號等。模擬信號有時也稱 連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化，或 者說在某一取值范圍內可以取無窮多個值，而不一定在時間 上也連續(xù)，如圖 1 - 2(b)所示的抽樣信號。 凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相 對應的信號，均稱為數字信號，如電報信號、計算機輸入/輸 出信號、PCM信號等。數字信號有時也稱離散信號，這個離 散是指信

6、號的某一參量是離散變化的，而不一定在時間上也 離散，如圖 1 - 3(b)所示的2PSK信號。 通信原理課件 O f (t) t (a) f (nT ) t PAM信號 (b) O 圖 1 2 模擬信號波形 通信原理課件 圖 1 -3數字信號波形 (a) 連續(xù)信號； (b) 抽樣信號 (a) 二進制波形； (b) 2PSK波形 100110111001 O f (nT ) t 00111001 數字信 息 PSK波形 (a) (b) 通信原理課件 因此，按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號， 可 相應地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。 1. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通

7、信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。 我們知道，信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是 指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為3003400Hz， 圖像信號為06MHz。由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量， 一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在 信道中傳輸的信號，并可在接收端進行反變換。完成這種變換 和反變換作用的通常是調制器和解調器。經過調制以后的信號 稱為已調信號。已調信號有三個基本特征： 通信原理課件 一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號的 頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調信號又稱 頻帶信號。頻帶信號。 需要指出，消息從發(fā)送端到接收端

8、的傳遞過程中，不僅 僅只有連續(xù)消息與基帶信號和基帶信號與頻帶信號之間的兩 種變換，實際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、 控制等過程。由于調制與解調兩種變換對信號的變化起決定 性作用，而其他過程對信號不會發(fā)生質的變化，只是對信號 進行了放大或改善了信號特性，因而被認為是理想的而不予 討論。 模擬通信系統(tǒng)模型可由圖 1 - 1 略加演變而成， 如圖 1 - 4 所示。圖中的調制器和解調器就代表圖 1 - 1 中的發(fā)送設備 和接收設備。 通信原理課件 圖 1-4 模擬通信系統(tǒng)模型 信息源調制器信道解調器受信者 噪聲源 通信原理課件 2 數字通信系統(tǒng)模型數字通信系統(tǒng)模型 數字通信系統(tǒng)是利用數字

9、信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)， 如圖 1 - 5 所示。數字通信涉及的技術問題很多，其中主要有 信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數字調制/解調、數字復接、 同步以及加密等。下面對這些技術作簡要介紹。 1) 信源編碼與譯碼 信源編碼的作用之一是設法減少碼元數目和降低碼元速 率，即通常所說的數據壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占 的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。作用之二 是，當信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼器將其轉 換成數字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數字化傳輸。第6章中將討 論模擬信號數字化傳輸的兩種方式：脈沖編碼調制(PCM)和增 量調制(M)。信源譯碼是信源編碼的逆過程。 通信原理課

10、件 2） 信道編碼與譯碼 數字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾 等，將會引起差錯。為了減少差錯，信道編碼器對傳輸的信 息碼元按一定的規(guī)則加入保護成分（監(jiān)督元），組成所謂 “抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進行解碼， 從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干 擾能力，實現(xiàn)可靠通信。 3） 加密與解密 在需要實現(xiàn)保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全， 人為將被傳輸的數字序列擾亂， 即加上密碼，這種處理過程 叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復制品對收到的 數字序列進行解密，恢復原來信息，叫解密。 通信原理課件 4） 數字調制與解調 數字調制就是把數字基帶信號

11、的頻譜搬移到高頻處， 形成 適合在信道中傳輸的頻帶信號?；镜臄底终{制方式有振幅鍵 控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對（差分）相 移鍵控DPSK。對這些信號可以采用相干解調或非相干解調還原 為數字基帶信號。對高斯噪聲下的信號檢測，一般用相關器接 收機或匹配濾波器實現(xiàn)。數字調制是本教材的重點內容之一， 將在第7章中討論。此外，第9章還將介紹一些現(xiàn)代調制技術。 5） 同步與數字復接 同步是保證數字通信系統(tǒng)有序、準確、可靠工作的不可缺 少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調 一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同 步和網同步，這些問題將集中在第11章中

12、討論。 通信原理課件 數字復接就是依據時分復用基本原理把若干個低速數字 信號合并成一個高速的數字信號，以擴大傳輸容量和提高傳 輸效率。 復用與復接概念將在第10章中介紹。 需要說明的是， 圖 1 - 5 是數字通信系統(tǒng)的一般化模型， 實際的數字通信系統(tǒng)不一定包括圖 1 - 1中的所有環(huán)節(jié)。 如在 某些有線信道中，若傳輸距離不太遠且通信容量不太大時， 數字基帶信號無需調制，可以直接傳送，稱之為數字信號的 基帶傳輸，其模型中就不包括調制與解調環(huán)節(jié)，詳見第5章。 應該指出的是，模擬信號經過數字編碼后可以在數字通信 系統(tǒng)中傳輸，數字電話系統(tǒng)就是以數字方式傳輸模擬語音信 號的例子。 通信原理課件 圖 1

13、 5 數字通信系統(tǒng)模型 信 息 源 信 源 編 碼 器 信 道 編 碼 器 數 字 調 制 器 信 道 數 字 解 調 器 信 道 譯 碼 器 信 源 譯 碼 器 受 信 者 噪聲源 通信原理課件 當然，數字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，如計算 機數據可以通過模擬電話線路傳輸，但這時必須使用調制解 調器（Modem）將數字基帶信號進行正弦調制，以適應模擬 信道的傳輸特性?？梢?，模擬通信與數字通信的區(qū)別僅在于 信道中傳輸的信號種類。 3. 數字通信的主要特點數字通信的主要特點 目前，無論是模擬通信還是數字通信，在不同的通信業(yè) 務中都得到了廣泛的應用。但是，數字通信的發(fā)展速度已明 顯超過模擬通信

14、，成為當代通信技術的主流。與模擬通信相 比，數字通信更能適應現(xiàn)代社會對通信技術越來越高的要求， 其特點是： 通信原理課件 （1） 抗干擾能力強。以二進制為例，信號的取值只有兩 個，這樣接收端只需判別兩種狀態(tài)。信號在傳輸過程中受到 噪聲的干擾，必然會發(fā)生波形畸變，接收端對其進行抽樣判 決，以辨別是兩個狀態(tài)中的哪一個。只要噪聲的大小不足以 影響判決的正確，就能正確接收。而模擬通信系統(tǒng)中傳輸的 是連續(xù)變化的模擬信號，它要求接收機能夠高度保真地重現(xiàn) 信號波形，如果模擬信號疊加上噪聲后，即使噪聲很小，也 很難消除它。此外，在遠距離傳輸，如微波中繼通信時，各 中繼站可利用數字通信特有的判決再生接收方式，對數字信 號波形進行整形再生而消除噪聲積累。 通信原理課件 2） 差錯可控。 可以采用信道編碼技術使誤碼率降低， 提高傳輸的可靠性。 （3） 易于與各種數字終端接口，用現(xiàn)代計算技術對信號 進行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網。 （4） 易于集成化， 從而使通信設備微型化。 （5） 易于加密處理， 且保密強度高。 通信原理課件 但是， 數字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占據更 寬的