现代通信技术基础第1章方案课件.ppt

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1、第1章 绪论,1.1 通信技术的历史演进1.2 通信的基本概念1.3 通信网概述1.4 通信技术的社会作用和发展趋势,1.1 通信技术的历史演进,略,1.2 通信的基本概念,1.2.1消息、信号和信息一、基本概念 通信的目的是为了获取信息。信息是人类社会和自然界中需要传递、交换、存储和提取的抽象内容。,我们将表示信息的语言、文字、图像和数据等称为消息。通信中消息的传送是通过信号来进行的，如：电压、电流信号等。我们将运载消息的光、声、电等物理量称为信号。信号是消息的载荷者。,二、信号的分类及描述1、信号的分类信号的分类方法有很多，可以从不同的角度对信号进行分类。（1）确知信号与随机信号确知信号是

2、指能够以确定的时间函数表示的信号，它在定义域内任意时刻都有确定的函数值。,（2）周期信号与非周期信号周期信号满足下列条件,式中T为周期非周期信号是不具有重复性的信号。,（3）模拟信号与数字信号,按照信号参量的取值方式及其与消息之间的关系，可将信号划分为两类，即模拟信号与数字信号。模拟信号是指代表消息的信号参量（幅度、频率或相位）随消息连续变化的信号。数字信号是指它不仅在时间上离散，而且在幅度取值上也是离散的信号。,图1-20所示为时间连续和时间离散的模拟信号。图1-21所示的二进制数字信号就是以“1”和“0”两种状态的不同组合来表示不同的消息。模拟信号和数字信号可以通过一定的方法实现相互转换。

3、,（a）时间连续的模拟信号（b）时间离散的模拟信号,图1-20模拟信号,图1-21 数字信号示意图,2、信号的特性,信号的特性表现为它的时间特性和频率特性。确知信号和随机信号都可用它们的时域特性和频域特性来表示。时域特性表示信号电压或电流随时间的变化关系。频域特性指任意信号总可以表示为许多不同频率正弦信号的线性组合，这些正弦信号,所包含的频率范围，称为该信号的频谱，通常用函数 表示时域信号 的频谱。称信号 的绝对带宽为频谱 的带宽，单位为赫兹Hz。,例1.2-1 设有一个信号为,则信号 的信号特征如图1-22所示，图（a）为信号 的时域图，图（b）为对应 的频谱图，其频谱从（Hz）延续到（Hz

4、），其带宽为 Hz。,（a）时域波形（b）频谱图,图1-22 的信号特征图,图（b）中，每一条谱线代表一个正弦分量，谱线的高度代表这一正弦分量的振幅，谱线的位置代表这一正弦分量的角频率。,根据傅里叶变换的原理，任何一个周期为T的周期信号只要满足狄里赫利条件，则可展开为傅里叶级数,为基波角频率；,的均值（直流分量）,的第n次余弦波的振幅,的第n次正弦波的振幅,并且，由图1-22（b）可知，周期信号的频谱是离散谱。,例1.2-2 已知 为如图1-23（a）所示的方波周期信号，试分析其信号特性。,解：用傅里叶级数对其展开后为,可作出的频谱示意图如图1-24所示，可见周期信号的频谱是离散谱。,图1-2

5、3 周期方波的分解与合成过程,图1-23（b）为 的基波，图（c）为3次谐波，图（d）为5次谐波，图（e）为7次谐波等。把这些谐波相加，又可以反过来合成为方波。如图（f）是基波与3次谐波和5次谐波合成的结果，图（g）是基波和3次谐波直到9次谐波合成的结果，图（h）是基波和3次谐波直到27次谐波合成的结果。可见，含有的高次谐波次数越多，合成后的波形越逼近原来的方波。,图1-24 周期方波的频谱示意图,对非周期信号，其频谱将是连续的频谱，则傅里叶级数就变成了傅里叶积分，可表示为,其中,上两式分别称为傅里叶反变换和傅里叶正变换，两式称为傅里叶变换对，表示为,可简记为,三、信息的度量,通信的目的在于信

6、息的传递和交换。信息是对事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。用数学语言来讲，不确定性就是随机性，具有不确定性的事件就是随机事件。因此可运用研究随机事件的数学工具概率来测度不确定性的大小。我们把消息用随机事件表示，而发出这些消息的信源则用随机变量来表示。,我们把某个消息 出现的不确定性的大小定义为该消息 所携带的信息量，用 表示。在信息论中，与消息 出现的概率 的关系式为,信息量 同时也表示这个消息 所包含的信息量，也就是能够提供给收信者的最大信息量。,例1.2-3 设英文字母E出现的概率为0.105，x出现的概率为0.002。试求E及x的信息量。,解：英文字母E出现的概率为，其信息量为,字

7、母x出现的概率为,其信息量为,上面我们讨论了信源发单一离散消息所携带的信息量。实际上离散信源（或消息源）发出的并不是单一消息，而是多个消息（或符号）的集合。例如，经过数字化的黑白图像信号，每个像素可能有256种灰度，这256种灰度可用256个不同的符号来表示。在这种情况下，我们希望计算出每个消息或符号能够给出的平均信息量。,设离散信息源是一个由n个符号组成的集合，称符号集。符号集中的每一个符号 在消息中是按一定概率 独立出现的，又设符号集中各符号出现的概率为,，且有,则 所包含的信息量分别为,，,，,于是，该信源每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为,由于H同热力学中熵的定义式类似，故

8、通常又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。由式（1.2-11）可知，不同的离散信息源可能有不同的熵值。可以证明，当离散信源的每一符号等概率出现时，即,（1.2-11）,此时的熵最大。最大熵值为,例1.2-4 某信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。试求该信息源符号的平均信息量。,解：该信息源符号的平均信息量为,以上我们讨论了离散消息的度量。类似，关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。可以证明，连续消息的平均信息量（相对熵）为,式中 是连续消息出现的概率密度。有兴趣的读者，可参考信息论有关专著。,1.2.2

9、通信系统的组成,1、通信系统的一般模型,我们把实现消息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，通信系统的一般模型如图1-26所示。,图1-26通信系统的一般模型,信源（信息源）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，该原始电信号称为基带信号。,发送设备的基本功能是将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。信道是指信号传输的通道，按传输媒介的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。通信系统还要受到系统内外各种噪声干扰的影响。,在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号。信宿（

10、也称受信者）是将复原的原始电信号转换成相应的消息。按照信道中所传信号的形式不同，通信可以分为模拟通信和数字通信，为了进一步了解它们的组成及特点，下面分别加以介绍。,2、模拟通信系统模型,模拟通信系统是指信源是模拟信号，信道中传输的也是模拟信号的系统。,图1-28模拟通信系统模型,对于图1-28所示的模拟通信系统，它主要包含两种重要变换：第一种是在发送端将连续消息变换成原始电信号，或在接收端进行相反的变换，它是由信息源或受信者完成；经第一种变换得到的原始电信号（基带信号）具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去，因此模拟通信系统常常需要第二种变换，即将基带信号转换成适合信道

11、传输的信号，这一变换由调制器完成。在收,端同样需经相反的变换，将信道中传输的信号恢复成原始电信号，这一过程由解调器完成。经过调制后的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号。,需要指出，消息从发送端到接收端的传递过程中，不仅仅只有连续消息与基带信号、基带信号与频带信号之间的两种变换，实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，它们是保证通信质量的关键。至于滤波、放大、天线辐射等过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或

12、改,善了信号特性，因而被看作是理想线性的，可将其合并到信道中去。模拟通信系统在信道中传输的是模拟信号，其占有频带一般都比较窄，因此其频带利用率较高。缺点是抗干扰能力差，不易保密，设备元器件不易大规模集成，不能适应飞速发展的数字通信的要求。,3、数字通信系统模型,信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统和数字基带传输通信系统。,（1）数字频带传输通信系统,数字频带传输通信系统如图1-29所示。,图1-29,（2）数字基带传输系统,图1-30 数字基带传输系统模型,图1-30中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译

13、码器、解密器等。,1.2.3 通信系统的分类,按照不同的分法，通信可分成许多类别，下面我们介绍几种较常用的分类方法。1、按传输媒质分类 可分为有线通信和无线通信两大类。2、按信号的特征分类 按照携带信息的信号是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信分为模拟通信与数字通信。,3、按工作频段分类 按通信设备的工作频段不同，通信可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。4、按调制方式分类 根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信可分为基带传输和频带（调制）传输。5、按通信业务类型分类,根据通信业务类型的不同，通信可分为电报通信、电话通信、数据通信和图像通信等。6、按终端用户移动性分类 通信还

14、可以按终端用户是否移动分为移动通信和固定通信。另外，通信还有其他一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信等。,1.2.4 通信系统的主要性能指标,从研究信息传输方面考虑，通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。1、有效性：是指消息传输的“速度”问题。2、可靠性：主要是指消息传输的“质量”问题。在实际通信系统中，对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的，提高系统的有效性会降低可靠性，反之亦然。,一、模拟通信系统的主要性能指标 有效性指标：用所传信号的有效传输带宽来表征。当信道容许传输带宽一定，而进行多路频分复用

15、时，每路信号所需的有效带宽越窄，信道内复用的路数就越多。显然，信道复用的程度越高，信号传输的有效性就越好。信号的有效传输带宽与系统采用的调制方法有关。同样的信号用不同的方法调制得到的有效传输带宽是不一样的。,可靠性指标：用整个通信系统的输出信噪比来衡量。信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小。显然，信噪比越高，通信质量就越好。,二、数字通信系统的主要性能指标1、有效性指标 数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来表征。（1）传输速率 传输速率有两种表示方法：码元传输速率和信息传输速率。码元传输速率（又称为码元速率），简称传码率，它是指系统每

16、秒钟传送码元的数目，单位是波特（Baud）。,信息传输速率（又称为信息速率），简称传信率，它是指系统每秒钟传送的信息量，单位是比特/秒，常用符号“bit/s”表示。两者之间的关系：式中，为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。,当离散信源的每一符号等概率出现时，熵有最大值为，信息速率也达到最大，即（1.2-14）或（1.2-15）式中，为符号的进制数，在二进制下，码元速率与信息速率数值相等，但单位不同。,（2）频带利用率 频带利用率有两种表示方式：码元频带利用率和信息频带利用率。码元频带利用率是指单位频带内的码元传输速率，即（1.2-16）信息频带利用率是指每秒钟在单位频带上传输的信息量，即（

17、1.2-17）,2、可靠性指标（1）误码率：指接收到的错误码元数和总的传输码元个数之比，即在传输中出现错误码元的概率，记为（1.2-18）（2）误信率：又叫误比特率，是指接收到的错误比特数和总的传输比特数之比，即在传输中出现错误信息量的概率，记为（1.2-19）,例1.2-5 设一信息源的输出由128个不同符号组成。其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现概率为1/224。信息源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立。试计算该信息源的平均信息速率。解：每个符号的平均信息量为 已知码元速率，故该信息源的平均信息速率为,例1.2-6 已知某八进制数字通信系统的信息速率为 3000bit

18、/s，在收端10分钟内共测得出现18个错误码元，试求该系统的误码率。解：依题意 则由式（1.2-18）得系统的误码率,1.3 通信网概述,1.3.1 通信网的概念 所谓通信网是指由一定数量的节点（包括终端设备和交换设备）和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系。1、通信网的组成 现代通信网一般由用户终端设备、传输系统、交换设备三大部分组成。,终端设备是通信网中的源点和终点。终端设备的主要功能在于将输入信息变换为易于在信道中传送的信号，并参与控制通信工作。传输系统是网络节点的连接媒体，也是信息与信号的传输通路。它由传输介质和各种通信装置组成。交换设备是

19、通信网的核心。交换设备的功能有交换、控制、管理及执行等。,但是只有以上这些设备还不能形成一个完善的通信网。还必须有一套软件，如信令、协议和各种标准，正是这些软件构成了通信网的核心，并决定了网的性能，从而使用户之间、用户和网络之间、各个转接点之间都能快速接通和相互交换信息。2、通信网的基本功能 一般来说通信网必须具备以下几个具体功能：,（1）信息传输。这是通信网的基本功能。（2）差错控制。现实的通信线路可能会受到这样或那样的干扰，因此误码是不可能完全避免的。另一方面，由于网络设备可能出现各种故障或异常，还会导致某些数据的丢失。所以采用差错控制措施，将误码率控制在一定的范围内是通信网必备的功能。,

20、（3）寻址和路由。在通信网中，信源的信息到达信宿一般不能直接完成，而要经过中间节点的转发。在转发时通常都有多种可能的选择，这时通信网必须具备选择最佳路由的功能。,（4）网络管理。通信网是由软件和硬件按一定方式组织起来的一个复杂的通信系统。网络管理负责网络的运营管理、维护管理和资源管理，使通信网在各种情况下都能提供良好的服务质量，或为查找和排除故障提供帮助。,1.3.2 通信网的组网结构 通信网的基本组网结构主要有网状型网、星型网、复合型网、环型网、总线型网和树型网等。,1、网状型网 网状型网如图1-31（a）所示，网内任何两个节点之间均有直达线路相连。如果有N个节点，则需要有 条传输链路。显然

21、当节点数增加时，传输链路将迅速增大。这种网络结构的冗余度较大，稳定性较好，但线路利用率不高，经济性较差，适用于局间业务量较大或分局量较少的情况。,图1-31（b）所示为网孔型网，它是网状型网的一种变型，也就是不完全网状型网。其大部分节点相互之间有线路直接相连，一小部分节点可能与其他节点之间没有线路直接相连。网孔型网与网状型网相比，可适当节省一些线路，即线路利用率有所提高，经济性有所改善，但稳定性会稍降低。,2、星型网 星型网也称为辐射网，它将一个节点作为辐射点，该点与其他节点均有线路相连，如图1-31（c）所示。星型网的辐射点就是转接交换中心，其余N-1个节点间的相互通信都要经过转接交换中心的

22、交换设备，因而该交换设备的交换能力和可靠性会影响网内的所有用户。,由于星型网比网状型网的传输链路少、线路利用率高，所以当交换设备的费用低于相关传输链路的费用时，星型网比网状型网经济性较好，但中心节点一旦出现故障会造成全网瘫痪。,3、复合型网 复合型网由网状型网和星型网复合而成，如图1-31（d）所示。根据网中业务量的需要，以星型网为基础，在业务量较大的转接交换中心区间采用网状型结构，可以使整个网络比较经济且稳定性较好。复合型网具有网状型网和星型网的优点，是通信网中常采用的一种网络结构，但网络设计应以交换设备和传输链路的总费用最小为原则。,4、环型网 环型网如图1-31（e）所示。它的特点是结构

23、简单，实现容易。而且由于可以采用自愈环对网络进行自动保护，所以其稳定性比较高。另外，还有一种叫线型网的网络结构，它与环型网不同的是首尾不相连。,5、总线型网 总线型网是所有节点都连接在一个公共传输通道总线上，如图1-31（f）所示。这种网络结构需要的传输链路少，增减节点比较方便，但稳定性较差，网络范围也受到限制。,6、树型网 树型网如图1-31（g）所示，它可以看成是星型拓扑结构的扩展。在树型网中，节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下节点之间进行。树型结构主要用于用户接入网或用户线路网中，另外，主从网同步方式中的时钟分配网也采用树型结构。,图1-31 通信网组网结构示意图,1.3.3 通信

24、网的质量要求 为了使通信网能快速、有效、可靠地传递信息，通常对通信网提出接通的任意性与快速性、信号传输的透明性与传输质量的一致性、网络的可靠性与经济合理性这3项要求。1、接通的任意性与快速性 接通的任意性与快速性是指网内的一个用户应能快速地接通网内任一其他用户。影响因素有：,第一，通信网的拓扑结构不合理会增加转接次数，使阻塞率上升、时延增大；第二，通信网的网络资源不足造成增加阻塞概率；第三，通信网的可靠性降低，会造成传输链路或交换设备出现故障，甚至丧失其应有的功能。,2、信号传输的透明性与传输质量的一致性 信号传输的透明性是指在规定业务范围内对用户信息不加任何限制，都可以在网内传输；传输质量的

25、一致性是指网内任何两个用户通信时，应具有相同或相仿的传输质量，而与用户之间的距离无关。通信网的传输质量直接影响通信的效果。因此要制定传输质量标准并进行合理分配，使网中的各部分均满足传输质量指标的要求。,3、网络的可靠性与经济合理性 可靠性是使通信网平均故障间隔时间（两个相邻故障间隔时间的平均值）达到要求。提高可靠性往往要影响其经济合理性，因此应根据实际需要在可靠性与经济性之间取得折衷和平衡。,4、能适应通信新技术和通信新技术的发展 通信网的组网结构、信令方式、编码计划、计费方式、网管模式等应能灵活适应新业务和新技术的发展。传统的通信网是为支持单一业务而设计的，不能适应新业务和新技术的发展；面向

26、未来的下一代网络应能适应不断发展的通信技术和新业务应用。,1.4 通信技术的社会作用和发展趋势,1.4.1 通信技术的社会作用 通信技术被公认为国民经济发展的“加速器”和社会效益的“倍增器”，现代通信技术是改变人们生活方式的“催化剂”，是信息时代和信息社会的生命线。其作用可表现为以下几个方面：,1、通信的“诱发”效应,据统计，对通信技术和通信事业的适度投资会产生显著的社会经济效益。2、通信发展能够缩短时间和空间的跨度，加快资金周转。3、通信技术的发展可以明显地缓和交通运输的压力，大大减少人员的流动及实物的流通总量，节约能源的消耗。,4、通信可以实现数据库等资源的共享，为发展经济提供更多的成功机

27、会5、通信可以促进劳动生产率和工作效率的提高6、通信技术与计算机技术的结合，使现代战争变成了“电子信息战争”7、通信技术的发展正在改变着人类以往的生活方式8、现代通信技术为政府机关、企事业单位提供了快速高效、灵活便捷的工作平台,1.4.2 通信技术发展趋势,目前，通信技术已脱离纯技术驱动的模式，正在走向技术与业务相结合、互动的新模式。预计在未来至年间，从市场应用和业务需求的角度看，最大和最深刻的变化将是从话音业务向数据业务的战略性转变，这种转变将深刻地影响通信技术的走向。从技术角度看，将呈现如下趋势：,融合趋势 融合将成为下一代通信技术发展的“主旋律”。随着网络应用加速向IP汇聚，网络将逐渐向

28、着对IP业务最佳的分组化网的方向演进和融合。下一代网络将是电信网与因特网的融合和发展。,2、交换技术从电路到分组交换转变,随着业务从话音向数据的转移，从传统的电路交换技术逐步转向分组交换技术特别是无连接IP技术为基础的整个电信新框架将是一个发展趋势。,3、传送技术从点到点通信到光互联网转变 WDM技术的出现和发展为电信网提供了巨大的容量和低廉的传输成本，有力地支撑了上层业务和应用的发展。但点到点WDM系统只提供了原始的传输带宽，需要有灵活的网络节点才能实现高效的组网能力。自动交换光网络（ASON）的出现吸取了IP网的智能化经验，有效解决了IP层与光网层的融合问题，代表了下一代光网络的研究方向。

29、,4、接入技术从窄带到宽带转变,有线接入除发展xDSL和以太网等宽带接入技术外，以EPON为代表的宽带光接入技术以及城域以太网技术将成为主要的研发方向和应用重点。无线接入技术方面除了第三代移动通信和无线以太网技术等现有宽带接入技术会大量应用外，具有更高速率、频谱效率和智能的新一代宽带移动通信技术将成为新的发展方向。,5、无线技术从3G到4G，从单一无线环境到通用无线环境 在宽带业务需求不断增长的情况下，无线传输作为个人通信的重要手段，其矛盾显得十分突出。,尽管第三代移动通信系统（3G）能提供Mbps量级的传输速率，但与宽带业务的发展需求相比还相差甚远，远远不能满足未来个人通信的要求。具有高数据

30、率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的未来无线移动通信系统（4G）可将无线通信的传输容量和速率提高数十倍甚至数百倍。,同时根据各种接入技术的特点，构建分层的无缝隙全覆盖整合系统，形成“通用无线电环境”，并实现各系统之间的互通，将是通往未来无线与移动通信系统的必然途径。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,