TN-0780数字通信技术第一章.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 绪论,第,1,章 绪 论,1.1,通信的概念,1.2,通信系统,1.3,通信方式,1.4,信道与噪声,1.5,信号频谱与信道通频带,1.6,信息理论的基本知识,1.7,多路复用的基本概念,1.8,通信系统的性能评价,1.9,通信技术发展简史,1.1,通信的概念,1.1.1,通信的概念,所谓通信，简单而言就是指消息的传递。因此，通信的基,本任务是解决两地之间的消息传递或交换。消息的传递或交换,就是现代所说的信息交流，显然，人类之间的沟通、交流离不,开通信。,随着通信技术的飞速发展，现代的各种“通信”基本上都是,借助电信号（含光信号）实现的，因此通常所说的“通信”，就,是指的电通信。本书所述“通信”如无特殊说明均指“电通信”；,所述的“信号”均指“电信号”。,1.1.2,通信的种类,1,按信号特征分类,按信号特征分类可以将通信分成模拟通信和数字通信。,信号的某一参量（如振幅、频率、相位等）可以取无限多个数值，且直接与消息本身的物理量变化相对应的，称为模拟信号。信号的某一参量只能取有限个数值，且时间上离散的，常常不与消息本身的物理量直接相对应的，称为数字信号。,2,按传输媒质分类,通信按照使用的传输媒质的形态可以分成有线通信和无线通信两大类。,典型的有线通信如电话、有线电视、海底光缆等，需要依靠如架空明线、同轴电缆、光导纤维或波导管等有形的传输媒质完成通信任务。而典型的无线通信如移动通信、无线广播、卫星通信等均是依靠电磁波在空间的传播来实现的通信。,3,按传输方式分类,根据信号在传输的过程中是否进行了调制，可将通信分成基带传输和频带传输两种。一般来说将消息直接转换得到的信号称为基带信号，传输基带信号的通信称为基带传输系统。基带信号经过调制后的信号称为已调信号或频带信号，如果通信中传输的信号是频带信号，则称为频带传输。,4,按工作波段分类,按照通信工作中信号的不同频段可以将其分为长波通信、中波通信、短波通信和光通信等。,5,按通信终端是否运动分类,按通信终端是否具备移动的条件划分，可将通信划分为固定通信和移动通信。移动通信是指通信双方至少有一方处于运动中的通信。,6,按通信业务分类,通信按其业务类型划分，可分为话务通信和非话务通信。电话作为话务通信的代表一直在通信领域中占据着重要的地位；但随着科技的发展和社会的进步，计算机应用技术和因特网的普及，各种数据通信、图像、视频通信等非话务业务量正大幅度增长，正逐渐成为通信业务的主流。,7,按信道的复用分类,通信的多路信号传输主要有三种信道复用技术，即频分复用、时分复用和码分复用。模拟通信主要采用频分复用方式，数字通信则主要采用时分复用和码分复用技术。,1.2,通信系统,1.2.1,通信系统的组成,实现消息传递所需的全部技术设备和传输媒介的总和称为通信系统。其模型方框图如图,1-1,所示，由信源、发送设备、信道（包括噪声）、接收设备和信宿五部分组成。,图,1-1,通信系统的基本模型,1,信源,信源又称为信息源或发终端，是信息的产生地，是各种消息转换成电信号的转换器，信源输出的信号称为基带信号。根据消息的内容不同，信源可以分成音频信源、视频信源和数据信源等。而根据转换后输出的基带信号的类型，又可将信源分为模拟信源和数字信源。,2,发送设备,发送设备的基本功能是将信源与传输媒介匹配起来，即将信源产生的基带信号转换成适合于信道传输的信号形式。变换的形式多种多样，在模拟通信系统中的主要变换方式是调制；在数字通信系统中的主要变换方式是编码。,3,信道和噪声,从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介称为信道，它可以是有线的，也可以是无线的，即信道分成有线和无线两种。,在信号的传输过程中，通信设备必然会受到来自内外各方面的噪声干扰，通信的各个环节以及每一台设备都有可能产生噪声。为了便于分析问题，将各种噪声等效为由信道引入。,4,接收设备,接收设备是接收端各种设备的总称，其功能与发送设备的功能正好相反。它的主要任务是从接收到的带有干扰的信号中正确恢复原始基带信号，如解调、译码等。,5,信宿,信宿又称为受信者或接收终端，是信息传输的终点，其作用是将基带信号转换（还原）成原始的消息。,二、信号的分贝表示法,分贝是由贝尔,(,Bel,),导出的，贝尔是为了度量两个物理量,（,N1,和,N2,）的比值而设定的计量单位，其定义式为,R=,lg,（,N1/N2,）（,1-1,）,式中,lg,以,10,为底的常用对数。,1Bel,在实际测量中往往太大，因此，常用其,1/10,作为测量,单位，这就是,1dB,（分贝，,decibels,）由定义可得,1Bel=10dB,把该等式代入式（,1-1,）即为分贝定义式,R=10lg,（,N1/N2,）（,1-2,）,在无线电技术中，常用分贝来表示放大电路的增益和一些,物理量的大小，例如电功率、电压、电流等。,1.2.2,模拟通信系统,通信系统主要分为两大类：模拟通信系统和数字通信系统。,能够实现模拟信号的传送、接收和处理过程的通信系统称为模拟通信系统，系统构成方框图如图,1-2,所示。,图,1-2,模拟通信系统基本构成,模拟通信系统的工作过程主要完成两类变换：一是原始消息和基带电信号的相互转换，把原始消息转换成基带电信号的过程由信源完成；而把基带电信号恢复成为原始消息的过程由信宿完成。二是基带信号和频带信号的相互转换，把信源发出的基带信号转换成适合信道传输的频带信号的过程由调制器完成；而把接收到的带有噪声的频带信号转换成基带信号的过程由解调器完成。通信系统完成通信任务的过程就是对信号实现两类变换的过程，在通信过程中对信号进行滤波、放大、发射、接收和控制等都是为两类变换服务的。,在实际中由于基带信号下限频率较低，相对带宽较大，通常不适合在信道中直接传输，一般均把它变换成为较适合于信道传输的频带信号，频带信号又称为已调信号，它具有三个特点：,（,1,）携带有基带信号的信息；,（,2,）相对于基带信号，其中心频率较高；,（,3,）便于在信道中传输。,可见调制器在模拟通信系统中的作用非常重要，按照调制方式的不同调制器又可分为连续波调制系统和脉冲波调制系统，前者包括振幅调制系统、频率调制系统，后者包括脉冲幅度调制、脉冲相位调制和脉冲宽度调制等系统。,模拟通信系统的主要优点是设备简单、成本较低。缺点是抗干扰能力差、不易保密、不便于与计算机连接等。,1.2.3,数字通信系统,在系统中传输、接收和处理的是数字信号的通信系统称为数字通信系统。数字通信系统的一般构成如图,1-3,所示。,图,1-3,数字通信系统的一般构成,由图可见，数字通信系统与模拟通信系统相比就是在调制器之前增加了两个编码器，相应地在解调器之后增加了两个译码器，其余部分与模拟通信系统基本一致。,信源编码的主要任务是完成信号的模数转换和数据压缩，如果信源送来的是模拟信号，那么信源编码还需包含一个将模拟信号转换成数字信号的数模转换器。信源编码可以提高通信系统的有效性。接收端的信源译码的作用与信源编码相对应。,信道编码又称为抗干扰编码或纠错编码，它将信源编码器输出的数字基带信号按照一定的规律人为地加入多余码元，以便在接收端的信道译码器中发现或纠正码元在传输过程中出现的错误，这样可以降低码元传输的错误概率，提高通信系统的可靠性。,调制器对经过前述两种编码得到的数字基带信号进行调制，调制的方法可以和模拟通信的调制方法一致，但考虑到数字信号的特点，数字调制往往采用键控方式调制，如振幅键控（,ASK,）、频率键控（,FSK,）和相位键控（,PSK,）。解调也相应地可以采用与模拟调制一致的方法，但更多地采用与三种键控调制相对应的解调器。,显然，保持收、发端同步是数字通信系统中非常重要的问题，即数字通信系统收发两端必须同步，只有建立一种收发两端相对一致的时间关系，才能确定每一码元的起止时刻，并确保接收码组和发送码组之间的正确对应关系，最终实现通信任务。实现同步的主要形式有：位同步、码元同步、帧同步和载波同步等。,与模拟通信系统相比数字通信系统具有以下的优点：,（,1,）抗噪声性能好。可采用再生中继的办法消除噪声积累，实现高质量、远距离通信。,（,2,）由于采用了信道编码技术使通信误码率降低，大大提高了通信的可靠性。,（,3,）便于加密，保密性好。,（,4,）便于与计算机等数字终端设备连接，方便地实现信号的处理、存储和交换。,（,5,）易于实现集成化、小型化。,当然，数字通信系统也由一些缺点。如系统和设备较复杂、占用频带较宽等。其中最突出的就是占用频带过宽问题。,1.3,通信方式,通信方式指通信双方或各方之间的工作形式和信号传输方式，根据不同角度考虑，通信方式有多种分类方法。,1.3.1,从通信终端的数量分类,点到点通信，在两个通信终端之间的进行的通信；点到多点通信，一个终端对多个终端之间的通信；多点到多点之间的通信，多个终端与多个终端之间的通信，如图,1-4,所示。,图,1-4,通信终端的数量分类,1.3.2,从信号的传输方向和时间分类,单工通信，在任何时刻，信号都只能向一个方向单向传输的方式，如广播等；,半双工传输，信号可以在两个方向传输，但不能实现同时双向传输，如对讲机等；,全双工传输，任何时刻，信号都可以同时在两个方向传输，如电话机等，这种方式使用最多。三种通信方式示意图，如图,1-5,所示。,图,1-5,信号的传输方向和时间分类,1.3.3,从信号的传输顺序分类,根据信号的传送顺序主要有两种信号传输方式：串行传输和并行传输。,所谓串行传输是指各路信号在同一条信道上一个接一个依次传送的方式。而并行传输则是指各路信号在多条信道上同时进行传送的方式，如图,1-6,所示。,图,1-6,信号的传输顺序分类,1.3.4,从通信终端的连接方式分类,直联方式是指各通信终端之间均有直联线路，可以直接进行通信的方式；而交换方式则是指通信终端之间没有直联线路，需要经过交换设备进行连接的通信方式。如图,1-7,所示。,图,1-7,通信终端的连接方式分类,1.3.5,从同步方式不同分类,按同步方式不同可分为异步传输和同步传输两种。,异步传输，收发两端不需进行同步控制的通信方式；,同步传输，收发两端必须进行同步控制的通信方式。,1.4,信道与噪声,1.4.1,信道的概念,一般而言，信号的传输通道就称为信道。在通信理论中，通常将仅包含传输介质的信道称为狭义信道。另一方面，除了传输介质之外，信号的传输还将经过很多设备，如馈线与天线、调制器和解调器、放大器等，显然这些设备也是信号的传输通道，均应包含在信道以内，称为广义信道。,狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，其特性在很大程度上决定了通信系统通信效果的好坏。,广义信道是从信号传输的观点出发，从功能上可以将广义信道划分为调制信道和编码信道，其划分如图,1-8,所示。,图,1-8,调制信道和编码信道划分,1,调制信道,调制信道的输入和输出均是已调信号，既可以是数字已调信号，也可以是模拟已调信号。由于已调信号的瞬时值是连续变化的，所以又常将调制信道称为连续信道或模拟信道。,根据信道特性参数的变化速度，可将调制信道分为恒参信道和随参信道。恒参信道的参数随时间的变化缓慢或不随时间变化。随参信道（或称变参信道）的参数随时间随机变化。一般情况下可以认为：有线信道基本上是恒参信道，无线信道基本上是随参信道。,2,编码信道,编码信道是从研究编码和解码的角度定义的，无论是信源编码或是信道编码，传输的都是离散的数字信号，所以编码信道又称为离散信道。编码信道中传输的是数字信息，根据传输信息的码元差错与前后码元差错是否相关，可将编码信道划分为无记忆信道和有记忆信道。如果当前码元的错误与前后码元的错误无关，则称该信道为无记忆信道。如果当前的码元错误与前后码元的错误相互关联，则称该信道为有记忆信道。,由图可见，编码信道包含调制信道，故其性能会受调制信道性能的影响。,1.4.2,传输介质,传输介质主要指传输信号的物理介质，它属于狭义信道，按照其特性可分为有线和无线介质。,1,有线介质,有线介质包括架空明线、电缆、波导和光纤等可以看得见的、有形的传输介质。,2,无线介质,无线介质主要由无线电波和光波作为传输载体。在光波中常用的信号载体是激光、红外线等。在无线电波中主要有中长波地表传播、短波电离层反射、微波视距传播（含微波接力和卫星通信）等传播方式。一般来说，有线介质的传输特性稳定、可靠性高；无线介质则具有方便、灵活、可移动等特点。,1.4.3,噪声,1,信号,在通信技术中，任何消息都是以电信号的形式描述，并加以处理、存储和传输的，因此，我们把能够表示信息的电压、电流及电磁波（或光波）统称为信号。信号的基本特征是具有可观测性、可变化性和可实现性。,信号有多种形式和类型，通常可作以下分类：,（,1,）信息载体分类：光信号和电信号；,（,2,）信息内容分类：语音、图像、数据等；,（,3,）是否调制分类：基带信号和频带信号；,（,4,）信号特征分类：模拟信号和数字信号；,（,5,）传输介质分类：有线信号和无线信号；,（,6,）变化特点和规律分类：周期信号和非周期信号；确定信号和随机信号。,2,噪声,概括地讲，通信系统中不携带有用信息的信号均可称为噪声。,噪声的种类很多，按照其来源划分，可以分成人为噪声、自然噪声和内部噪声三种。,根据噪声的性质，可将噪声划分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。,根据噪声的统计特性划分，常见的是白噪声，白噪声的功率谱密度函数在整个频域内是常数，服从均匀分布，因其功率谱分布类似于可见光谱内的白光，故称为白噪声。,另外一种常见的噪声类型是高斯噪声，是指噪声的概率密度函数服从高斯分布（正态分布）。对于功率谱密度函数为常数，同时概率密度函数又服从高斯分布的噪声则称为高斯型白噪声或高斯白噪声。,1.5,信号频谱与信道通频带,1.5.1,频谱,对信号的描述可以有两种描述方法，即时域法和频域法。信号在时间域和频率域的特性是不同的。时间域主要研究信号幅度随时间变化的情况，可以用信号的时间波形来反映。频率域研究的是信号幅度在频率域中的分布情况，或者说信号中所含的频率成分在频率域的分布，也可以理解为信号在频率域的“波形”,可用信号的频谱图来反映。,可见所谓频谱就是信号中所含的频率成分在频率域的分布情况。如音频信号的频率范围大约是,20Hz20kHz,，即其频谱分布在,20Hz20kHz,之间。,1.5.2,周期信号频谱,由数学知识知道，一个周期信号总是可以近似地用一直流分量、基波（与该周期信号同频率的正弦波）和一系列谐波（基波频率的整数倍）频率成分的线性叠加表示。这些频率成分在频率域的分布，就是该周期信号的频谱。对于一个周期性的方波信号，可以把它看作为其基波和各次谐波的线性叠加，如图,1-9,所示，图中分别示出了含基波、,3,次谐波、,5,次谐波和,7,次谐波叠加波形的情况以及频谱的大致分布情况。显然随着谐波次数的增加，波形越接近方波（图中虚线所示）。,图,1-9,方波及其谐波逼近、频谱分布示意图,由图可知，周期信号的基波决定信号波形的大体形状，谐波决定信号波形的细节。周期信号的频谱具有三个特点：,（,1,）离散性，频谱线只出现在基波频率的整数倍处，即各次谐波点上，且谱线间隔就是基频。,（,2,）谐波性，各次谐波幅度（谱线高低）随谐波次数的增加而逐步减小。,（,3,）收敛性，谐波幅度的衰减速度与信号的时域波形有关，信号时域波形变化得越慢，频谱衰减越快，说明信号中高频成分少。反之，信号时域波形变化越快，频谱衰减越慢，说明信号中高频成分多。,1.5.3,非周期信号频谱,任何一个信号都具有频谱，对于非周期信号，其频谱具有连续性，非周期性的特点。但根据其频谱分布范围分为频带有限信号和频带无限信号。,频带有限信号又分为低通型信号和带通型信号，如图,1-10,所示。前面讨论的基带信号就是低通型信号，频带信号就是带通型信号。,图,1-10,低通型和带通型信号频谱分布示意图,1.5.4,信道通频带,要实现通信，信号必须经由信道传输，任何一种信道（不论是广义信道还是狭义信道）都必然会对信号传输有一定的影响，信道对信号的影响主要表现在两方面：,（,1,）对信号中不同频率成分幅度的衰减，即信号经过信道后，信号幅度随频率变化的关系，又称为信道的幅频特性。,（,2,）对信号中不同频率成分相位的延时，即信号经过信道后，信号的相位随频率变化的关系，又称为信道的相频特性。,信道对信号这两方面的影响统称为信道的频率特性。经过信道输出的信号幅度与频率变化之间的关系曲线叫频率响应曲线，简称频响曲线。,通常我们以信号输出幅度最大值为标准，定义信号输出幅度下降到最大值的,70%,时的频率称为截止频率，上下截止频率之间的频段称为信道的通频带。如果换算为分贝（,dB,），则上下截止频率点正好是信号下降,3,分贝的频率点，因此，工程上又称信道通频带为,3,分贝带宽。,实际工程上，对信道通频带的要求通常是带宽尽量宽比较好，但有些情况下也需要窄带，如选频网络，如图,1-11,所示。其次就是信道的频响曲线在通频带内越平坦越好。,图,1-11,通频带示意图,1.6,信息理论的基本知识,1.6.1,信息及其度量,传递信息是通信系统的基本任务。在传输过程中，信息是以各种具体的电信号形式表现出来的。为了对通信系统进行深入的分析，需要对信息进行度量，我们把能够衡量信息大小的物理量定义为信息量，用,I,表示。,信息理论研究表明，信息量的大小与消息中事件的发生概率有关。事件发生概率越小，信息量越大。显然，若消息中包含的事件必然发生，即事件发生的概率为,1,，则此消息包含的信息量为,0,。,据此，可得信息量与事件概率之间的关系为,（,1-1,）,P,（,x,）是事件发生的概率，,I,为发生该事件的消息包含的信息量。信息量的单位由对数的底,a,的取值决定，若,a=2,，则信息量的单位是比特（,bit,）；若,a=e,，则信息量的单位是奈特（,nit,）；若,a=10,，则信息量的单位是哈特莱。使用最多的信息量单位是比特。,（,1,）若有,M,个独立的消息，每个消息出现的概率相同，即,P,（,x,）,=1/M,，则,（,1-2,）,若,M=2,，则,I=1bit,；若,M=2k,，则,I=k bit,。,（,2,）若,n,个符号组成的集合中，每一个符号,x,i,在消息中是按一定的概率,P,（,x,i,）独立出现的，且 ，则整个消息的信息量为,（,1-3,）,【,例,1-1】,已知二元信源只有“,0”,、“,1”,两种符号，如“,0”,出现的概率为,1/3,，求,1,所包含的信息量。,解：据题意可知，“,1”,出现的概率是,2/3,，则其包含的信息量为,【,例,1-2】,已知英文字母,e,和,z,出现的概率分别为,0.105,和,0.001,，求英文字母,e,和,z,的信息量。,解：,e,的信息量为,z,的信息量为,【,例,1-3】,某离散信息源由,0,、,1,、,2,、,3,四种符号组成，它们出现的概率分别为,3/8,、,1/4,、,1/4,、,1/8,，试求消息,201020130213001203210100321010023102002010312032100120210,的信息量。,解：在此消息中，,0,出现,23,次，,1,出现,14,次，,2,出现,13,次，,3,出现,7,次，于是可得消息的信息量为,当消息很长时，用符号出现的概率计算信息量很烦琐，采用平均信息量的计算方法比较方便。所谓平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值，又称为信息源的熵，其单位是,bit/,符号。,n,个符号的离散消息的平均信息量计算公式为,（,1-4,）,对于例,1-3,可求出消息中各符号的平均信息量（或信源的熵）为,因此，上述含有,57,个符号消息的总信息量为,从计算结果看，与例,1-3,相比略有差异，原因在于两者平均处理的方法不同。随着消息中符号数的增加，这种误差会逐渐减小。,需要注意的是，信源的熵越大越好，这说明信源的信息有效性高。信源的最大熵发生在每一个符号等概率出现时，即 ，且最大熵等于,bit/,符号。,1.6.2,信道容量与香农公式,单位时间内信道上所能传输的最大信息量称为信道容量。它可用信道的最大信息传输速率来表示。,以无限小的差错率和无限大的速率传输信息是人们对通信系统的理想要求。可是信道传输信号的功率和信道的带宽均是有限的，信号在信道中传输要受到干扰的影响，在实际的工程应用中往往采用折衷方案，即在满足可靠性的前提下尽可能地提高信息速率。那么，在怎样的情况下，信道可以不失真地将信息以尽量高的速率传输呢？香农定理为我们解决了这个问题。,香农定理的内容是，若信息源发出的信息速率小于或等于信道容量，则信息可以在信道中无失真地传输；反之，则无法正确传输信息。,对于给定的有扰信道，香农公式给出了信道容量、信道带宽和高斯白噪声干扰信号（或信道输出信噪比）之间的关系：,(bit/s),（,1-5,）,式中，,C,为信道容量（单位,bit/s,），,B,为信道带宽（,Hz,），,S,为信号功率（,W,），,n,0,为输入端加性高斯白噪声的单边功率谱密度（,W/Hz,），,N=,n,0,B,为噪声功率（,W,）。,根据香农公式，我们可以得出以下结论：,（,1,）当信道的带宽,B,和信噪比,S/N,一定时，信道的极限传输能力（信道容量）,C,确定。当信道的实际传输速率小于,C,时，可以做到无差错传输。也就是说，信道的实际传输速率不能大于,C,，除非允许存在一定的差错率。,（,2,）提高信噪比可以提高信道容量。,（,3,）当信道容量,C,一定时，带宽,B,和信噪比,S/N,之间可以互换。也就是说可以通过调整带宽,B,和信噪比,S/N,之间的关系来保持一定的信道容量。,（,4,）增加带宽,B,并不能无限制地增大信道容量。当,B,时，,C1.44S/,n,0,。这是因为此时的噪声功率,n,0B,也趋向于无穷大。,理论上把以极限速率传输信息（达到信道容量值）且能达到任意小差错率的通信系统称为理想通信系统。香农证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出具体的实现方法。所以，理想通信系统只能作为实际通信系统的理论界限。,1.7,多路复用的基本概念,1.7.1,多路复用技术,1,物理和逻辑信道概念,物理信道指信号在通信系统中传输时经过的通信设备和传输介质，如电线、电缆、无线电频道、放大器等，它强调物质的存在性和信号传输过程。,逻辑信道指在通信系统中实现信号传输的技术路径，如时隙、码型等，它则强调通信终端间的逻辑连接和信号的传输结果。,2,复用技术,使多个通信终端共享信道的容量，这种共享技术就是多路复用技术。或者说多路复用技术就是能够实现在一条物理信道上传输多路信号的方法或技术。,1.7.2,多路复用技术类别,实现多路复用，关键在于发送端多路信号的汇合，以及在接收端各路信号的正确分离。汇合与分离信号的依据是信号之间的差别，信号之间的差别可以是频率上的不同、出现时间上的不同、码型结构上的不同。因此，目前最基本的多路复用技术有三种：频分多路复用,(FDM),、时分多路复用,(TDM),、码分多路复用（,CDM,）。,1,频分复用,所谓频分复用，简单说就是对物理信道进行频率划分以实现多路信号复用的方法。在频分多路复用系统中，要传输的多路信号带宽之和必须小于物理信道的通频带宽度，对物理信道进行频段划分，通过调制技术将多路信号的频谱搬迁到不同的频段上，并且使得相邻的频谱不会相互重叠，从而达到多路信号复用一条物理信道的目的。,频分复用的特点是多路信号在频域上是分开的，而在时域上是混叠在一起的。在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器就可分离出各路信号。,2,时分多路复用,简单而言，时分复用就是各路信号分时占用同一个物理信道的多路复用技术。时分复用是以时间作为分割信号的依据，利用各信号抽样值之间的时间空隙，使各路信号相互穿插而不重叠，从而达到在一个信道中同时传输多路信号的目的。,时分复用的特点是多路信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。,图,1-12,三种复用技术的示意图,3,码分多路复用,码分复用是利用调制编码的不同来区分各路信号，从而实现多路信号复用一条物理信道的信号传输方式。它是将多路信号用一组两两正交的序列编码来调制，使得调制后的信号可以同时在同一个信道上传输而互不干扰。接收端利用编码的正交性，可以恢复出相应的各路信号。,码分复用的特点是多路信号不论在时域上，还是在频域上是混叠在一起的，但它们在码型上是分开的，三种复用技术的示意图如图,1-12,所示。,1.8,通信系统的性能评价,1.8.1,有效性和可靠性,如何评价一个通信系统的性能优劣是选择和使用一个通信系统所面临的首要问题。因此，必须找出能够反映通信系统性能的技术指标，然而，研究通信系统的性能指标是一个非常复杂的问题，它包含有多方面的指标，如有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性和维护的便利性等，这些指标从不同的角度对通信系统的优劣做出评价。但是通信的基本任务是快速、准确地传递信息，所以通信系统的诸多性能指标中起决定作用的主要是快速（有效性）和准确（可靠性）。,有效性即信息传递的速度，是指在给定的信道内，单位时间内传输的信息量的多少。通常总是希望在单位时间里传输更多的信息。,可靠性即信息传输的准确性，是指在给定信道内接收信息的准确程度。通常总是希望通信系统接收的信息都是准确的。,显然，有效性和可靠性是两个互相矛盾的指标，提高有效性往往就意味着降低可靠性，反之，提高可靠性必然会降低有效性。工程实际中经常采用在保证一定的可靠性指标的情况下，尽可能地提高信息传输速率；或者在维持一定的有效性的条件下，尽量提高信息传输的质量。,1.8.2,模拟通信系统的性能评价,1,有效性,-,传输带宽,模拟通信系统中有效性方面的指标是用传输频带宽度来衡量的。如模拟通信的多路频分复用传输，当每一路的有效带宽一定时，信道带宽越宽，可以容纳的路数就越多，也就意味着系统的有效性越好。当然模拟通信系统的有效带宽与系统采用的调制方式有关，如调频方式就要比调幅方式占用更大的带宽。不同调制方法得到的有效带宽不一样，系统的有效性也不同。,2,可靠性,-,输出信噪比,模拟通信系统的可靠性指标是用接收端输出信噪比评价的。信噪比是信号的平均功率,S,和噪声的平均功率,N,的比值。信噪比越大，说明噪声对信号的影响越小，通信的质量就越好，即系统的可靠性越高。输出信噪比不仅仅与信道内的信号功率和噪声功率有关，还与信号的调制方式有很大关系。如调频系统的信噪比就比调幅系统的要高。,1.8.3,数字通信系统的性能评价,1,有效性,-,传输速率,通常，评价数字通信系统有效性的指标是传输速率。传输速率又分为码元传输速率和信息传输速率。,（,1,）码元传输速率,RB,码元传输速率,RB,又称为码元速率，简称传码率。是指系统在单位时间内传输的码元数目，单位为波特（,Baud,），常用符号“,B”,表示。例如系统,1,秒钟传输,3600,个码元，则称码元速率为,3600,波特（,B,）。,（,2,）信息传输速率,Rb,信息传输速率,Rb,又称为信息速率，简称传信率。是指系统在单位时间内传输的平均信息量或比特数。单位是,bit/s,或,bps,。,码元速率和信息速率都属于数字通信系统的有效性指标，两者之间既有联系，也有区别。它们之间的关系如下：,（,bit/s,）（,1-6,）,或 （,B,）（,1-7,）,式中，,N,代表码元的进制数。从表达式中可以看出，当,N,等于,2,时，,Rb,=,RB,。,（,3,）系统频带利用率,在比较不同数字通信系统的有效性时，某些情况下单纯看信息传输速率是不够的，两个信息传输速率相同的系统所占用的信道频带宽度可能不同，这时，所占频带窄的系统传输信息的能力更强。所以系统频带利用率（）是全面评价数字通信系统有效性的指标。,=,（,B/Hz,）,(1-8),对于采用二进制传输时的系统频带利用率可以表示为：,=,（,bps/Hz,）,(1-9),2,可靠性,-,差错率,衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。是指通信终端接收到的数字信号发生错误的概率。,（,1,）误码率,P,e,误码率,P,e,又称为码元差错率，是指发生差错的码元在传输码元总数之中所占的比率，即码元在通信系统中被传错的概率。,（,1-10,）,（,2,）误信率,P,b,误信率又称为信息差错率，是指接收的错误信息量与传输信息总量之间的比值。,（,1-11,）,显然，误码率和误信率越低，数字通信系统的可靠性就越高，质量越好，在二进制系统中,P,e,=,P,b,。,1.9,通信技术发展简史,回顾通信技术的发展史能够使我们了解通信技术特别是电通信技术的发生、发展、技术、设备、体制的演变过程，认识通信技术对人类社会发展的重要推动作用，从而更好地学习掌握通信技术知识。,1837,年，莫尔斯发明的电磁式电报机标志着电通信时代的正式开始。之后利用电进行通信的研究取得了长足的进步，在信息传递的数量、传播的速度和范围等方面均获得了迅速的发展。,1866,年，利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。,1876,年，贝尔发明了电话，利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变得既迅速又准确。,1896,年，马可尼发明了无线电报，并于,1901,年实现了横跨大西洋的无线电报通信。,1906,年，真空电子管的发明，放大器的实现，使电报、电话的传播距离更加遥远。,1948,年，半导体晶体管面世。,20,世纪,60,年代，随着集成电路的出现与普及，无线通信迅速发展。伴随人造地球卫星的发射，电子计算机和光导纤维等现代科技成果的问世，使通信技术在各个方面都取得了巨大的成功。首先是微波中继通信使长距离、大容量的通信成为现实；移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地通信的愿望得以实现；光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前想象不到的地步；而电子计算机的出现，则将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，特别是因特网的出现，将世界变成了地球村。,随着科学技术的发展和社会的不断进步，通信技术正在向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。,小 结,1,通信的概念,所谓通信就是指消息的传递。通信的基本任务是解决两地之间的消息传递或交换。通信的种类有很多，按通信系统传输信号的特征可以将通信分为模拟通信和数字通信。,2,通信系统,实现消息传递所需的全部技术设备和传输媒介的总和称为通信系统。其基本组成包括五部分：信源、发送设备、信道（包括噪声）、接收设备和信宿。,3,信道、信号和噪声,信号的通道就称为信道，通常我们将仅指传输媒质的信道称为狭义信道。狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。,信号的基本特征是具有可观测性、可变化性和可实现性。,从广义上讲，通信系统中有用信号以外的有害信号均可称为噪声。习惯上把周期性的、有规律的有害信号称为干扰，把其他有害信号称为噪声。,4,频谱和通频带,所谓频谱就是信号中所含的频率成分在频率域的分布情况。定义信号输出幅度下降到最大值的,70%,时的频率称为截止频率，上下截止频率之间的频段称为信道的通频带。,5,信息的度量及香农公式,信息量的大小与消息中事件的发生概率有关。事件发生概率越小，信息量越大。使用最多的信息量单位是比特（,bit,）。,信源的熵越大越好，这说明信源的信息有效性高。信源的最大熵发生在每一个符号等概率出现时，即 ，且最大熵,等于,bit/,符号。,香农定理的内容是：若信息源发出的信息速率小于或等于信道容量，则信息可以在信道中无失真地传输；反之，则无法正确传输信息。,对于给定的有扰信道，香农公式给出了信道容量、信道带宽和高斯白噪声干扰信号（或信道输出信噪比）之间的关系：,(bit/s),6,多路复用技术,多路复用技术就是能够实现在一条物理信道上传输多路信号的方法或技术，也即在一条物理信道内形成多个逻辑信道的技术。目前最基本的多路复用技术有三种：频分多路复用,(FDM),、时分多路复用,(TDM),、码分多路复用（,CDM,）。,7,通信系统主要的性能指标,衡量通信系统性能好坏的两个主要指标是有效性和可靠性。对于模拟通信系统而言这两个指标对应的是传输带宽和信噪比；对数字通信系统则对应的是码元速率、信息速率和误码率、误信率等指标。,