通信原理及System-View仿真測試第1章-緒論-PPT課件

1、1.1 通信的基本概念1.2 通信系統(tǒng)1.3 信息第1章 緒 論1.1.1 什么是通信通信是指從一個地方向另一個地方進行消息的有效傳遞與交換， 其目的是傳遞消息中所包含的信息。 消息在不同的時期具有不同的表現(xiàn)形式， 它是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映； 信息是指消息中所包含的有效內(nèi)容， 它是人們真正關(guān)心的； 而通信是指傳輸信息的手段或方式， 它與電子技術(shù)、 計算機技術(shù)以及傳感技術(shù)等的發(fā)展息息相關(guān)， 且相互融合。 在高速發(fā)展的信息化社會， 信息和通信已成為現(xiàn)代社會的命脈， 不管是現(xiàn)在還是未來， 通信對人們的生活方式和社會的發(fā)展都會產(chǎn)生重大和深遠的影響。1.1 通信的基本概念1.1.2 通信的發(fā)展歷程1

2、9世紀(jì)中葉， 隨著電報、 電話的發(fā)明以及電磁波的發(fā)現(xiàn)， 通信產(chǎn)生了根本性的巨大變革， 人類開始利用電磁波來傳輸信息。 利用電磁波通信的歷史大致可劃分為三個階段。 (1) 電報的開始標(biāo)志著進入了通信的初級階段。(2) 1948年香農(nóng)提出的信息論標(biāo)志著近代通信的開始。 (3) 20世紀(jì)80年代以后光纖通信的應(yīng)用、 綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的崛起標(biāo)志著通信進入了現(xiàn)代通信階段。 1.2.1 通信方式通信方式是指通信雙方之間的信號傳輸方式或工作方式。 1. 并行傳輸和串行傳輸進行通信時， 根據(jù)一次傳輸數(shù)據(jù)的多少可將數(shù)據(jù)傳輸方式分為并行傳輸和串行傳輸。 1.2 通信系統(tǒng)1) 并行傳輸并行傳輸是指將代表信息的數(shù)字信號

3、碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸， 如圖1-1(a)所示。 并行傳輸?shù)膬?yōu)點是節(jié)省傳輸時間， 速度快, 這是因為并行傳輸不需要字符同步措施。 其缺點是傳輸時需要n條通信線路， 成本相對較高。 并行傳輸一般用于短距離設(shè)備間的通信或設(shè)備內(nèi)部的通信。 2) 串行傳輸串行傳輸是指將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸， 如圖1-1(b)所示。圖1-1 并行、 串行傳輸示意圖2. 單工、 半雙工和全雙工通信根據(jù)通信線路上的傳輸方向及其與時間的關(guān)系， 串行通信可分為三種方式： 單工、 半雙工、 全雙工方式。 1) 單工通信單工通信是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ?/p>

4、方式， 如圖1-2(a)所示。 在這種工作方式下， 數(shù)據(jù)始終只能在一個方向上傳輸， 任何時間不能進行反向傳輸。 常見的單工通信如廣播電視。 2) 半雙工通信半雙工通信是指通信雙方都能收發(fā)消息， 但不能同時收發(fā)的工作方式， 如圖1-2(b)所示。在這種工作方式下， 允許數(shù)據(jù)在設(shè)備間兩個方向上傳輸， 但在某一時刻只允許數(shù)據(jù)在一個方向傳輸， 即設(shè)備間只有一條傳輸通道， 所以信號只能分時傳輸。 常見的半雙工通信如對講機。圖1-2 串行通信方式示意圖3. 全雙工通信 全雙工通信是指通信雙方可同時進行收、 發(fā)消息的工作方式， 如圖1-2(c)所示。 全雙工通信解決了半雙工通信發(fā)送方和接收方之間切換所花費的

5、時間問題， 提高了傳輸速率， 允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸。 電話系統(tǒng)、 計算機網(wǎng)絡(luò)等大多數(shù)通信系統(tǒng)都采用全雙工通信方式。1.2.2 通信系統(tǒng)的分類1. 按信號特征分類根據(jù)信道傳輸信號的種類不同， 可將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 模擬通信是指用模擬信號來表示和傳遞消息的通信方式。 數(shù)字通信是指用數(shù)字信號來表示和傳遞消息的通信方式。 2. 按傳輸介質(zhì)分類按傳輸信號時所用的介質(zhì)不同， 可將通信系統(tǒng)分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。 通常我們把利用導(dǎo)線， 如電纜、 光纖等作為介質(zhì)的通信系統(tǒng)叫做有線通信系統(tǒng)， 如市話系統(tǒng)、 閉路電視系統(tǒng)、 普通的計算機局域網(wǎng)等。 所謂無線通信， 是指傳輸消

6、息的媒質(zhì)為看不見、 摸不著的媒質(zhì)(如電磁波)的一種通信形式。 無線通信常見的形式有微波通信、 短波通信、 移動通信、衛(wèi)星通信、 散射通信和激光通信等， 其形式較多。 3. 按調(diào)制方式分類根據(jù)是否采用調(diào)制， 可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶(調(diào)制)傳輸。 基帶傳輸是將沒有經(jīng)過調(diào)制的信號直接傳送， 如音頻市內(nèi)電話； 頻帶傳輸是對各種信號調(diào)制后再送到信道中傳輸?shù)目偡Q。4. 按照通信業(yè)務(wù)和用途分類根據(jù)通信業(yè)務(wù)和用途的不同， 可將通信系統(tǒng)分為常規(guī)通信、 控制通信等。 其中常規(guī)通信又分為話務(wù)通信和非話務(wù)通信。 話務(wù)通信業(yè)務(wù)主要以電話服務(wù)為主， 程控數(shù)字電話交換網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)就是為普通用戶提供電話通信服務(wù)。

7、非話務(wù)通信主要包含分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、 計算機通信、 傳真、 視頻通信等。 在過去很長一段時期內(nèi)， 由于電話通信網(wǎng)最為發(fā)達， 因而其他通信方式往往需要借助于公共電話網(wǎng)進行傳輸， 但是隨著因特網(wǎng)的迅速發(fā)展， 這一狀況已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化。控制通信主要包括遙測、 遙控等， 如衛(wèi)星測控、 導(dǎo)彈測控、 遙控指令通信等。 5. 按工作頻段分類按通信設(shè)備工作頻率的不同， 可將通信系統(tǒng)分為長波通信、 中波通信、 短波通信、 微波通信等。 表1-1 列出了通信中使用的頻段、 常用傳輸介質(zhì)及主要用途。 工作頻率和工作波長可互換， 其關(guān)系為式中：為工作波長， 單位為m； f為工作頻率， 單位為Hz； c=3108 m/

8、s,為電波在自由空間中的傳播速度。 表1-1 通信頻段、 常用傳輸介質(zhì)及主要用途1.2.3 通信系統(tǒng)的模型通信系統(tǒng)的一般模型如圖1-3所示。 下面對圖中各部分的作用作一簡要描述。(1) 信息源。信息源簡稱信源， 它是消息的產(chǎn)生地， 其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。 按照信息源產(chǎn)生的消息形式不同， 可將信源分為模擬信源和數(shù)字信源。 模擬信源也稱連續(xù)信源， 輸出連續(xù)的模擬信號， 如電話機、 電視攝像機等屬于模擬信源； 數(shù)字信源， 也稱離散信源， 輸出離散的數(shù)字信號， 如電傳機、 計算機等各種數(shù)字終端設(shè)備屬于數(shù)字信源。 圖1-3 通信系統(tǒng)的一般模型(2) 發(fā)送設(shè)備。發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信

9、道匹配起來， 即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴?變換方式是多種多樣的， 在需要頻譜搬移的場合， 調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說， 發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼和信道編碼。 (3) 信道。信道是指傳輸信號的物理介質(zhì)， 用來將發(fā)送設(shè)備輸出的信號傳送到接收端。 在有線信道中，信道可以是明線、 電纜和光纖； 在無線信道中， 信道可以是大氣(自由空間)。 有線信道和無線信道均有多種物理介質(zhì)， 不同介質(zhì)的固有特性及引入的干擾和噪聲將直接影響通信的質(zhì)量。 (4) 噪聲源。噪聲指的是信道中不需要的電信號， 它是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道所固有的， 即使沒有傳輸信號， 通信系統(tǒng)中

10、也有噪聲， 噪聲永遠存在于通信系統(tǒng)中。 噪聲的來源是多種多樣的，它對信號的傳輸是有害的， 它會使模擬信號發(fā)生失真， 使數(shù)字信號發(fā)生錯碼。 關(guān)于信道和噪聲的具體分析， 我們將在第4章中一一講解。 (5) 接收設(shè)備。接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換， 其目的是從接收到的衰減信號中正確地恢復(fù)出原始的電信號。 對于多路復(fù)用信號， 它還包括解除多路復(fù)用， 實現(xiàn)正確分路的功能。(6) 受信者。受信者簡稱信宿， 它是信息傳輸?shù)臍w宿點， 其作用與信源相反， 即把恢復(fù)的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。 圖1-3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(jù)所

11、關(guān)注的問題和研究對象的不同， 模型中的各小方框的內(nèi)容和作用也將有所不同， 與之對應(yīng)的也有更加具體的通信模型， 后面的討論將圍繞系統(tǒng)的模型來展開。 根據(jù)前面介紹的通信系統(tǒng)的分類可知， 按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號， 可將通信系統(tǒng)相應(yīng)地分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 下面分別介紹這兩種通信系統(tǒng)。 1.模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。 模擬通信系統(tǒng)的模型如圖1-4所示。 它是由圖1-3所示的一般模型略加演變而來的。 圖中的調(diào)制器和解調(diào)器就代表圖1-3所示的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。 圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型在通信系統(tǒng)中， 有兩種重要的變換和反變換過程。 一是在發(fā)送

12、端要將信源發(fā)出的連續(xù)消息變換成原始電信號， 即基帶信號， 在接收端要作相反的處理， 能夠完成這種變換和反變換的是信源和信宿； 二是要將基帶信號變換成調(diào)制信號， 這是因為通?；鶐盘柧哂蓄l率很低的頻譜分量， 如語音信號的頻率范圍為300 Hz3400 Hz， 它們一般不適宜直接傳輸， 這就需要把基帶信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枺?并在接收端進行相應(yīng)的反變換。 完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。 有關(guān)模擬信號調(diào)制和解調(diào)的內(nèi)容我們將在第5章詳細講解。 經(jīng)過調(diào)制的信號稱為已調(diào)信號。 已調(diào)信號有三個基本特征： 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

13、率遠離零頻， 所以又稱已調(diào)信號為頻帶信號。 模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點是： 信號頻譜較窄， 信道利用率高。其缺點是：(1) 信號連續(xù)混入噪聲后不易清除， 即抗干擾能力差， 不宜保密； (2) 設(shè)備不易大規(guī)模集成化， 不適應(yīng)飛速發(fā)展的計算機通信要求。 2. 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)， 如圖1-5所示。 數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題較多， 其中主要包括信源編碼與譯碼、 信道編碼與譯碼、 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、 加密與解密、 同步與復(fù)接等。 1) 信源編碼與譯碼當(dāng)信源給出的是模擬語音信號時， 通過信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸， 對于數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)壓縮，

14、提高通信效率。 接收端的信源譯碼器按一定規(guī)則解碼。 圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型2) 信道編碼與譯碼數(shù)字信號在信道中傳輸時， 由于噪聲、 衰落以及人為干擾等影響， 將會引起差錯。 為了減少差錯， 信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護成分(監(jiān)督碼元)， 組成所謂“抗干擾編碼”。 接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進行譯碼， 在譯碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤， 從而提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力， 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， 人為地將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼， 這種處理過程稱為加密。 在接收端， 利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列

15、解除密碼， 恢復(fù)原來信息， 稱為解密。 4) 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處， 形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號。 基本的數(shù)字調(diào)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(diào)或非相干解調(diào)， 將其還原為數(shù)字基帶信號。 對高斯噪聲下的信號檢測， 一般用相關(guān)接收機或匹配濾波器實現(xiàn)。 5) 同步與復(fù)接同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、 準(zhǔn)確、 可靠工作的不可缺少的前提條件， 它使收、 發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致。 按照功用的不同， 可將同步分為載波同步、 位同步、 群同步和網(wǎng)同步。

16、圖1-5所示是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型。 實際的數(shù)字通信系統(tǒng)不一定包括圖中的所有環(huán)節(jié)。 如在某些有線信道中， 當(dāng)傳輸距離不太遠且通信容量不太大時， 數(shù)字基帶信號無需調(diào)制， 可以直接傳送， 稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸， 其模型中就可以不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)。還應(yīng)該指出的是， 模擬信號經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸， 數(shù)字電話系統(tǒng)就是以數(shù)字方式傳輸模擬語音信號的例子。 數(shù)字通信系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(1) 抗干擾能力強。由于在數(shù)字通信中， 傳輸?shù)男盘柗仁请x散的， 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， 必然會使波形失真， 接收端對其進行

17、抽樣判決， 以辨別是兩種狀態(tài)中的哪一個。 只要噪聲的大小不足以影響判決的正確性， 就能正確接收(再生)。 而在模擬通信中， 傳輸?shù)男盘柗仁沁B續(xù)變化的， 一旦疊加上噪聲， 即使噪聲很小， 也很難消除它。 數(shù)字通信抗噪聲性能好， 還表現(xiàn)在微波中繼通信時， 它可以消除噪聲積累。 這是因為數(shù)字信號在每次再生后， 只要不發(fā)生錯碼， 它仍然像信源中發(fā)出的信號一樣， 沒有噪聲疊加在上面。因此， 即使中繼站再多， 數(shù)字通信仍具有良好的通信質(zhì)量。 而模擬通信中繼時， 只能增加信號能量(對信號放大)， 而不能消除噪聲。 (2) 差錯可控。數(shù)字信號在傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤(差錯)， 可通過糾錯編碼技術(shù)來控制， 以提

18、高傳輸?shù)目煽啃浴?(3) 易加密。與模擬信號相比， 數(shù)字信號容易加密和解密。 因此， 數(shù)字通信保密性好。 4) 易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。 由于計算機技術(shù)、 數(shù)字存儲技術(shù)、 數(shù)字交換技術(shù)以及數(shù)字處理技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展， 許多設(shè)備、 終端接口均是數(shù)字信號， 因此極易與數(shù)字通信系統(tǒng)相連接。 數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點有：(1) 頻帶利用率不高。數(shù)字通信中， 數(shù)字信號占用的頻帶寬。 以電話為例， 一路模擬電話通常只占據(jù) 4 kHz 帶寬，但一路接近同樣話音質(zhì)量的數(shù)字電話可能要占據(jù)20 kHz 60 kHz的帶寬。 因此， 如果系統(tǒng)傳輸帶寬一定， 則模擬電話的頻帶利用率是數(shù)字電話的515倍。 (2) 系統(tǒng)設(shè)備

19、比較復(fù)雜。數(shù)字通信中， 要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號， 接收端需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)， 以保持收端和發(fā)端嚴(yán)格的節(jié)拍一致、 編組一致。 因此， 數(shù)字通信系統(tǒng)及設(shè)備一般都比較復(fù)雜， 體積較大。 另外， 數(shù)字通信系統(tǒng)對于同步的要求也比較高。 不過， 隨著新的寬帶傳輸信道(如光導(dǎo)纖維)的采用、 窄帶調(diào)制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展， 數(shù)字通信的這些缺點已經(jīng)弱化。 隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用， 數(shù)字通信在今后的通信方式中必將逐步取代模擬通信而占主導(dǎo)地位。 1.2.4 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1. 碼元傳輸速率碼元傳輸速率指單位時間內(nèi)傳送碼元的數(shù)目， 簡稱傳碼率， 又稱為碼元速率和調(diào)制速率， 單位為波特

20、， 記作Baud。 如果每個碼元的長度為T秒， 則根據(jù)碼元傳輸速率的定義， 可得 2. 信息傳輸速率信息傳輸速率定義為單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)， 單位為比特/秒， 簡記為b/s。(1-1)3. 碼元傳輸速率和信息傳輸速率之間的關(guān)系在M進制數(shù)字通信系統(tǒng)中， 若M=2k， 它表示每k個二進制符號與M進制符號之一相對應(yīng)， 則M進制的碼元速率與二進制的信息速率之間的關(guān)系為(1-2)或者(1-3)4. 頻帶利用率頻帶利用率指單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速率， 即 或者定義為 對不同通信系統(tǒng)的有效性進行衡量時， 除了考慮它們的傳輸速率之外， 還應(yīng)該考慮其在相應(yīng)的傳輸速率下所占用的信道頻帶寬度。 所以頻帶

21、利用率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)有效性的另一個重要指標(biāo)。 (1-4)(1-5)5. 誤碼率誤碼率指碼元在傳輸過程中被傳錯的概率， 即 (1-6)6. 誤信率誤信率指發(fā)生差錯的比特數(shù)在傳輸總比特數(shù)中所占的比例， 即 (1-7)1.3.1 信息的基本概念信息(information)是消息所包含的內(nèi)容。 例如， 每天的天氣預(yù)報是一種消息， 預(yù)報中告知某日某時的真實天氣情況如何， 就是該消息所包含的“信息”， 即消息的含義。 同一種信息的內(nèi)容可用不同形式的消息來表達。 例如， 天氣預(yù)報可用文字消息來表達， 也可用話音消息來表達。 1.3 信 息1.3.2 信息的度量方法1. 信息量在通信系統(tǒng)中， 傳輸信息的多少可以采用信息量來度量， 信息量的大小取決于信息內(nèi)容消除人們認(rèn)識的不確定程度。 比如, 在炎熱的夏天, 天氣預(yù)報說“明天下雪”， 我們一定會感覺很驚訝， 因為這一事件發(fā)生的概率極??； 反過來如果預(yù)報說“明天37攝氏度”， 我們就覺得不足為奇了。 相比這兩條消息， 第一條消息的不確定性更大， 它提供給我們的信息量也更大。 由此可見， 消除的不確定程度大， 則發(fā)出的信息量就大； 消除的不確定程度小， 則發(fā)出的信息量就小。 如果事先就確切地知道消息的內(nèi)容， 那么消息中所包含的信息量就等于零。 事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的