[信息与通信]1第一章通信绪论.ppt

现代通信原理,授课班级：10电子主讲：周涛林,第1章 绪论,主要内容：通信系统的基本概念及模型。信息及其度量。信道及信道容量通信系统的主要技术指标。,重点：通信系统模型。信息及度量。,1.1.1 通信的概念通信是信息传输或交换的过程。这个过程可以是单向的，比如广播、电视通信；这个过程也可以是双向的，如电话通信，对讲机通信等。通信是指借助现代电子通信设备实现的通信，即通常所说的电通信或电信。通信的目的是传输或交换消息中包含的信息。消息也称原始消息，如语言、文字、图片等。信息是消息中对接收者有意义的部分。在电通信系统中，消息必须转化为电信号才能实现传输。所以，信号是消息的载体。这里所说的电信号包含两种类型：一种是在电路中传输的电压或电流信号，另一种是在自由空间传播的电磁波信号。,1.1 通信系统的基本概念,下一页,返回,1.1.2 通信系统的模型通信系统是指完成通信这一过程的全部设备、软件和传输媒介的总称。需要指出的是：通信软件在现代通信系统中的地位越来越重要，甚至可以替代传统通信系统中的硬件电路，使通信系统的功能变得更强大，支撑的业务更多，可靠性更高，设备体积更小巧。因此，在定义通信系统的概念时，应加入通信软件这一关键内容。图1-1所示为通信系统的基本模型。图1-1中，信源的作用是产生或形成消息。消息有许多种类型，如语言、文字、图像、数据等。从时间上看，消息有连续消息和离散消息两种，前者如语言，活动图像等；后者如电报，数据等。,1.1 通信系统的基本概念,下一页,返回,上一页,发送设备的作用是将消息变换为适合在信道中传送的信号。变换的方式很多，有时可以将信号直接在信道中传送，有时需将信号的频谱进行搬移，有时需进行A/D转换等。通常将信号分为两类：当信号的波形和取值均为时间的连续函数时，称为模拟信号；当信号的波形和取值均为时间的离散函数时，则称为数字信号。信道是信号从发送设备传输接收设备的媒介或通道，其传输性能直接影响到通信的质量。信道种类繁多，如常见的有电话线、电缆、同轴电缆、光纤、自由空间等，概括起来有两类：有线信道和无线信道。,1.1 通信系统的基本概念,下一页,返回,上一页,噪声或干扰存在于通信系统的各处，并引起传输信号的失真，影响通信的质量。在图1-1中为方便起见将噪声源集中表示在一个方框里。接收设备与发送设备的作用相反，用来将信号转换为消息。信宿是消息传输的对象，信源进行通信的目的就在于将消息传输到信宿，信源和信宿既可以是人也可以是设备。因此，有时它们也分别被称为发终端和收终端。图1-1是通信系统的基本模型，能反映各种通信系统的共性。有时根据通信系统研究对象或关心问题的不同，会出现一些更具体的通信系统的模型。比较常见的有模拟通信系统模型和数字通信系统模型两种。,1.1 通信系统的基本概念,下一页,返回,上一页,模拟通信系统模型如图1-2所示。由于调制在模拟通信系统中起关键作用，其他如放大、滤波等过程都可认为是线性的而把它们合并到信道中。因此，发送设备和接收设备简化为调制器和解调器。调制的目的在于变换信号，使信号适合信道的传输特性或简化传送设备。数字通信系统模型如图1-3所示。信源编码的目的是对信源产生的信号进行数字压缩编码及加密。如果信源产生的消息是模拟的，则首先要对其进行模拟/数字转换，如果消息本身就是离散的，则直接进行编码。信道编码也称检纠错编码，,1.1 通信系统的基本概念,下一页,返回,上一页,其编码方式是通过在信息码元中插入若干特定规律的监督码，在接收端就可以发现或纠正在传输中出现的误码，从而提高通信系统的可靠性。数字调制在本质上和模拟调制是相同的，都是把要传输的信号（调制信号）叠加到适合信道传输的高频载波上去，只是在数字通信系统中调制信号是数字信号而已。在接收端经过数字解调、信道解码和信源解码后可正确地恢复消息，在此过程中同步起到至关重要的作用。由于同步存在于数字信号接收的诸多环节中，因此图1-3种用一个方框集中来表示。图1-3所示的数字通信系统也称数字频带传输系统，如果经过信道编码的数字信号不经数字调制就直接经信道传输到接收端，,1.1 通信系统的基本概念,下一页,返回,上一页,则称该系统为数字基带传输系统。相应地，数字基带传输系统在接收端也没有数字解调环节。1.1.3通信系统的分类通信系统没有固定的分类方法，通信系统可从不同的角度对其进行分类。例如，早期的移动电话通信系统，既可称之为模拟通信系统，又可称之为无线通信系统，还可称之为移动通信系统。通常通信系统可从以下角度进行分类。1按传输信号的性质分（1）模拟通信系统:在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信”；如图1-2。（2）数字通信系统:用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式；如图1-3。,1.1 通信系统的基本概念,下一页,返回,上一页,2按传输媒质的不同分（1）有线通信系统：借助线缆线路传送信号的通信方式,如电脑（台式）、电视、电话等（2）无线通信系统：仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式，如手机、无线电话等，其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统、数字电视等都是如今最热门的无线通信技术的应用；如图1-43按通信的双方是否在移动中完成通信分（1）移动通信系统：包括1、蜂窝移动通信2、卫星移动通信3、无绳电话；如图1-5（2）固定通信系统：一般指固定电话网通信业务和国际通信设施服务业务；4按通信设备工作波段的不同分按通信设备工作波段的不同可分为长波通信、中波通信、短波通信和微波通信等。表1-1列出了无线电波端的划分及其对应的通信应用情况。,1.1 通信系统的基本概念,下一页,返回,上一页,5按工作方式不同分（1）单工通信：指消息只能单方向传输的工作方式，如遥控、遥测；（2）半双工通信：可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行（3）双工通信：指在同一时刻信息可以进行双向传输，和打电话一样，说的同时也能听，边说边听 6按信号复用方式不同分（1）频分多址：即FDMA，利用不同的频率分割成不同信道的多址技术；（2）时分多址：即TDMA，利用不同的时间分割成不同信道的多址技术；（3）码分多址：即CDMA，利用不同的码序列分割成不同信道的多址技术；（4）空分多址；即SDMA,利用不同的空间分割成不同信道的多址技术；（5）复合多址。,1.1 通信系统的基本概念,返回,上一页,信息是消息中对接收者有意义的部分，通信的目的是传递消息中包含的信息。消息是多种多样的，消息中所包含的信息量的大小也不同，但可以通过一种确定的方法将消息中所包含的信息量度量出来，而且这种度量方法具有通用性，可以用来度量任何消息。当接收者收到消息后，若事前认为消息中所描述事件发生的可能性越小，就认为这个消息的信息量越大；反之则认为越小。确知事情（其发生概率为1）带给人们的信息量为0，如“太阳从东边升起”；不可能的事情（其发生概率为0）带给人们的信息量为无穷大，如“星际旅行将会遇到什么？”会给人以无尽遐想。,1.2 信息及其度量,下一页,返回,综上所述，假设消息所代表的事件出现的概率为P(x)，消息中所含的信息量I可以按如下方法定义。式中，如果a=2，则信息量的单位为比特（bit）；如果a=e，则单位为奈特（nit）；如果a=10，则单位为哈特莱（hartley）。信息量最常使用的单位是比特，它代表出现概率为1/2的消息所包含的信息量。在数字通信系统中典型的出现概率为1/2的消息是二进制系统，在实际应用中，常把一位二进制消息（代码0或1）的信息量称为1比特。,1.2 信息及其度量,下一页,返回,上一页,如果消息是由n个事件构成，假设这n个事件发生的概率分别为P1（x）、P2（x）、Pn（x），那么可以证明该消息包含的平均信息量为 与统计热力学中熵的定义类似，所以，常将它称为信源的熵，单位为比特/符号（bit/符号）。,1.2 信息及其度量,返回,上一页,1.3.1信道的概念通俗的讲，信道是信号传输的通路，这种通路可以是有线或无线的传输介质。理想信道可以保证有用信号无失真的传输，阻断信号频带以外的各种干扰；实际信道可以保证信号通过，但又给信号以限制和损害，造成信号的失真。通常将仅指信号传输媒介的信道称为狭义信道，如架空明线、光导纤维等。但在通信系统的分析研究中，为简化系统模型和突出重点，常把信道的范围适当扩大，除了传输介质外，还包括系统的有关部件和电路，如天线、混频器、放大器及调制解调器等，我们把这种扩大了的信道称为广义信道。,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,1.3.2信道的分类狭义信道通常按具体介质的不同分为有线信道和无线信道。所谓有线信道是指传输介质为架空明线、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导管等这类能看得见的介质。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一，如光缆广泛应用于（长途）干线传输，对称电缆则常用作近程（市内电话）传输。无线信道是指传输介质为自由空间的信道。无线信道具有方便灵活的特点，在移动通信中只能采用无线信道，但其传输特性没有有线信道稳定可靠。广义信道通常也可分为两种：调制信道和编码信道。调制信道是从研究调制和解调的基本问题出发而定义的，,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,包括从调制器的输出端至解调器的输入端的所有环节。从调制和解调的角度来看，从调制器的输出端至解调器的输入端的所有电路和传输介质，仅仅是对已调信号进行了某种形式的变换，我们只关心变换的最终结果，而不关心这个变换的过程。因此，在研究调制和解调的基本问题时，采用调制信道是方便和恰当的。在数字通信系统中，如果仅着眼于编码和译码问题，则可定义另一种广义信道编码信道。编码信道是指从编码器的输出端至译码器的输入端所有环节。从编译码角度来看，编码器输出为某一数字序列，译码器的输入为进行了某种变换的数字序列。因此，从编码器的输出端至译码器的输入端,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,所有电路和传输介质可以用一个可以进行数字序列变换的信道加以概括，此信道称为编码信道。调制信道和编码信道的示意图如图1-6所示。另外，根据研究对象和关心问题的不同，也可以定义其他形式的广义信道编码器输出调制器发转换器传输介质收转换器解调器译码器输入调制信道编码信道1.3.3信道的模型通常，为了方便地描述信道的一般特性，有必要引入信道模型的概念。,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,1调制信道模型调制信道的输入、输出为连续信号（模拟信号），也可称为连续信道。通过对调制信道的大量观察后，可得出它具有如下主要特性：（1）具有一对（或多对）输入、输出端；（2）绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理；（3）信号通过信道会有一定的延时；（4）信号通过信道会有一定的损耗（固定损耗或时变损耗）；,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,（5）没有信号输入时，信道输出端仍有噪声输出。根据以上特性，最基本的单端输入、单端输出调制信道可以用图1-7所示模型来等效。该模型对于多端输入、多端输出的调制信道同样适用。其输入信号和输出信号之间的关系可以用下式来表示：即调制信道的一般数学模型。k(t)称为乘性因子，是一个很复杂的函数，它反映信道特性，表征信道传输特性对信号的影响，这种影响包括各种失真，如线性失真、非线性失真、传输衰减及延迟等。,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,一般来讲，它是时间t的函数，因此调制信道可等效为一线性时变网络。若k(t)随时间随机变化，则可称这种调制信道为随机参量信道，简称随参信道；若k(t)基本上不随时间改变，或则变化极小，则将这种信道称为恒定参量信道，简称恒参信道。因此，调制信道也可分为随参信道和恒参信道两大类。一般来讲，无线信道基本属于随参信道，有线信道基本属于恒参信道。N(t)表示信道噪声，由于不管有无信号，在信道输出端总有噪声输出，因此它是以叠加的形式作用于信道，可以用一个叠加网络来表示。理想的调制信道k(t)等于1，n(t)等于0，即信号经过该信道实际不失真，也不叠加噪声。,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,2编码信道模型编码信道的输入、输出为数字序列，由图1-4可看出编码信道包含了调制信道。由于调制信道的非理想特性，数字序列在通过编码信道时会出现差错，如二进制序列中的“0”变为“1”或是“1”变为“0”。所以，可以用错误概率来描述编码信道的特性，这种错误概率常称为转移概率，用P(b/a)来表示，其含义是：当输入为符号a时，输出为符号b的概率。图1-8为常见的二进制无记忆（当前码元的差错与其前后码元的差错没有依赖关系）编码信道的模型。,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,1.3.4信道容量在有干扰的信道中，由于信道的带宽限制和噪声的存在，信道传输信息的最大能力是有限的。信道容量是指信道传输信息的最大极限速率。根据香农（Shannon）信息论，对于连续信道，如果信道带宽为B，并受到加性高斯白噪声的干扰，其信道的容量C的理论公式为式中，N为白噪声平均功率，S为信号平均功率，S/N为信噪比。虽然式时在一定条件下获得的，但对一般情况也可近似使用。该式即著名的香农公式，是研究和评价通信系统原理和性能的理论基础。,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,根据香农公式可以得出以下重要结论：（1）任何一个信道，都有信道容量C。如果信源的信息速率R小于或等于信道容量C，那么在理论上存在一种方法使信源的输出能以任意小的差错概率通过信道传输；如果R大于信道容量C，则无差错传输在理论上是不可能实现的。（2）当信道噪声为高斯白噪声且单位频带内的噪声功率为n0（W/Hz）时，噪声平均功率N=n0B，若信道带宽趋于无穷大，此时的信道容量C将为,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,（3）给定的信道容量C可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。若减小带宽，则必须增大信噪比S/N，即增加信号功率，反之亦然。因此，当信噪比太小而不能保证通信质量时，可采用宽带系统传输，用增加带宽降低对信噪比的要求，以改善通信质量。这就是所谓的用带宽换功率的措施。应当指出，带宽和信噪比的互换不是自动完成的，必须变换信号使之具有所要求的带宽。实际上这是由各种类型的调制和编码完成的，调制和编码的过程就是实现带宽和信噪比之间的互换手段。（4）由于信息速率C=I/T，T为传输时间，代入式可得,1.3 信道及信道容量,下一页,返回,上一页,可见，当S/N一定时，给定的信息量可以用不同的带宽和时间T的组合来传输。和带宽与信噪比互换类似，带宽与时间也可以互换。（5）由式可知，若n00，则C，这意味着无干扰信道容量为无穷大。,1.3 信道及信道容量,返回,上一页,通信的任务是能快速、准确地传递信息，因此评价一个通信系统最重要的指标是它的有效性和可靠性。有效性是指系统传送信息的速度，即传送信息的快慢程度。可靠性指系统传送信息的准确度，即送信息的好坏程度。有效性和可靠性是通信系统中最重要的两个性能指标，整个通信系统的设计和评价是围绕着这两个指标进行的。通信系统的有效性和可靠性指标始终是一对矛盾。一般情况下，提高有效性会降低可靠性，反之亦然。在工程应用中必须根据具体情况寻求适当的解决方案。,1.4 通信系统的主要性能指标,下一页,返回,1.4.1通信系统的有效性1模拟通信系统的有效性指标模拟通信系统的有效性通常可用有效传输带宽来衡量。在指定带宽的信道里，同时传输的信号路数越多，信号传输的有效性就越好。这就是通信系统采用多路复用技术和多址技术的目的。单路信号的有效带宽与模拟调制方式有关，在同等条件下，单路信号所占带宽越窄，则同时允许传输的信号路数越多，效率越高，有效性越好。,1.4 通信系统的主要性能指标,下一页,返回,上一页,2数字通信系统的有效性指标数字通信系统的有效性具体可用信道的信息传送速率来衡量，传输速率越高，系统的有效性就越好。一般数字通信系统传输速率有以下三种定义方法。（1）码元传输速率（RB）码元传输速率又称传码率或波特率，是指系统每秒钟传送码元的数目，用RB表示。单位为波特（Baud），常用符号“B”表示。（2）信息传输速率（Rb）信息传输速率又称传信率或比特率，是指系统每秒钟传送二进制码元的数目，用Rb表示。,1.4 通信系统的主要性能指标,下一页,返回,上一页,单位为比特/秒（bit/s），常用符号“bps”表示。由于码元所包含的信息比特多少取决于码元的进制，因此，在指明系统的传码率时，必须指出码元的进制。假定某系统的码元进制数为N，这该系统的传码率RB与传信率Rb之间的转换关系为或（3）消息传输速率（Rm）消息传输速率又称消息速率，是指单位时间内传输的消息数，用Rm表示。由于消息的衡量单位形式多样，故有各种不同的含义。,1.4 通信系统的主要性能指标,下一页,返回,上一页,1.4.2通信系统的可靠性1模拟通信系统的可靠性指标模拟通信系统的可靠性通常可用接收端最终输出信噪比来衡量。显然，在系统具有相同信道信噪比条件下，接收端最终输出信噪比越高，通信质量就越好，系统的可靠性就越好。必须指出，不同调制方式在同样的信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。例如，调频制抗干扰的能力比调幅要好。因此，改变调制方式可以提高系统的可靠性。,1.4 通信系统的主要性能指标,下一页,返回,上一页,2数字通信系统的可靠性指标数字通信系统的可靠性指标可用差错率来衡量，常用误码率和误信率来表示。（1）误码率（Pe）误码率又称码元差错率，是指错误接收的码元在传输码元总数中所占的比例。更确切地说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率，可用下式表示：,1.4 通信系统的主要性能指标,下一页,返回,上一页,（2）误信率（Pb）误信率又称信息差错率或误比特律，是指错误接收的比特在传输比特总数中所占的比例。可用下式表示：数字通信系统的可靠性指标还有一些其他衡量方法，如误字率、功率利用率等，但都不太常用。,1.4 通信系统的主要性能指标,返回,上一页,图1-1 通信系统的基本模型,各处的噪声之和,信号源,发送设备,信 道,接收设备,受信者,噪声源,发送端,接收端,返回,图1-1 通信系统的基本模型,各处的噪声之和,信号源,发送设备,信 道,接收设备,受信者,噪声源,发送端,接收端,返回,图1-2 模拟通信系统模型,信号源,调制器,解调器,接收端,信 道,基 带 信 号,频 带 信 号,返回,图1-2 模拟通信系统模型,信号源,调制器,解调器,接收端,信 道,基 带 信 号,频 带 信 号,返回,频带信号,基带信号,图1-3 数字通信系统模型,编 码 器,噪 声 源,加 密 器,信 息 源,调 制 器,信 道,信 宿,解 密 器,译 码 器,解 调 器,注：缺省同步系统。,返回,频带信号,基带信号,图1-3 数字通信系统模型,编 码 器,噪 声 源,加 密 器,信 息 源,调 制 器,信 道,信 宿,解 密 器,译 码 器,解 调 器,注：缺省同步系统。,返回,表1-1通信用无线电波段划分表,返回,图1-6 调制信道与编码信道,离散信号,发转换器,媒 质,收转换器,解 调 器,译 码 器,编 码 器,调制信道,编码信道,连续信号,调 制 器,返回,图1-7 调制信道模型,返回,图1-8 二进制编码信道模型,返回,图1-4 无线通信,返回,图1-5 移动通信系统,返回,