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第一章绪论§1—1通信的基本概念一、消息(message)：是物质或精神状态的一种反映，在不同时期具有不同的表现形式。例如：语言、文字、音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。二、信息(information)：消息中所包含的有效内容。三、信号(signal)信号是信息的物理表现形式，或者说是传递信息的函数，而信息是信号的具体内容。例：交通灯的红、绿灯是信号，它要传递的信息是：红—停止，绿—通行。信号根据载体的不同，可以是电的，磁的，光的，声的，热的，机械的等各种信号。信号根据其变化规律，可以分为离散时间信号和连续时间信号两类。离散时间信号：也称为序列，时间离散，幅值连续。连续时间信号：时间连续，幅值可以连续也可以量化(离散)。信号按其控制参量的取值方式不同分为：模拟信号和数字信号。控制参量如连续信号的幅值、频率或相位；脉冲信号的幅度、宽度或位置等。电信号的参量取值连续(不可数，无穷多)，称为模拟信号。如话筒送出的话音信息在一定的取值范围内连续变化。电信号的参量仅取有限值，称为数字信号。如电报信号，计算机输入/输出信号，PCM信号等。消息的传递是通过它的物理载体——电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上。四、通信(communication)通信(communication)是指在不同地点间双方或多方进行的信息传输。实现通信的方式和手段很多，如手势、语言、旌旗、消息树、烽火台和击鼓传令等；现代社会的电报电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网、数据和计算机通信等，这些都是消息传递的方式和信息交流的手段。五、电信(telecommunication)电信是指电通信，简称电信。在电通信系统中，消息的传递方式是通过电信号来实现的。如1837年莫尔斯发明的有线电报就是利用金属线连接的发报机和收报机，以点、划和空格的形式来传递信息，开创了电信的时代。电通信方式具有迅速、准确、可靠；不受时间、地点、距离限制等特点，百年来获得了飞速的发展和广泛的应用。包括语音、数据和视频传输在内的个通信业务的出现和应用，通信卫星和光纤网络正在为全球提供高速通信业务。§1—2通信系统的组成一、通信系统的一般模型如图所示：通信系统(communicationsystem)的作用就是将信息从信源发信源发送设备信道接收设备信宿噪声源消息信号信号消息送到一个或多个目的地。在电通信系统中，首先把消息转变为电信号，然后在发送端经过发送设备，将信号送入信道；在接收端利用接收设备对接收信号作相应的处理后，送给信宿转换为原来的消息。1、信源(发信机)：即信息源。作用是把各种消息转换为原始电信号。消息根据种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒(把声音转换为音频信号输出)、摄像机(把图像转换成视频信号输出)等。数字信源输出离散的数字信号，如电传机(把键盘字符转换为数字信号)、计算机等各种数字设备。2、发送设备：作用是产生适合于在信道中传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力和一定的功率满足传输的需要。所以，发送过程包括变换、放大、滤波、编码、调制、多路复用等。3、信道：是将来发送设备的信号传送到接收端的物理媒质或途径(通道)。信道可以是自由空间、明线、电缆和光纤等。信道包括有线信道和无线信道，它们均有多种媒质。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。因此信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。4、接收设备：作用是将收到的信号进行放大和还原(如译码、解调等)，正确恢复出原始的电信号。此外，还要尽可能减少传输过程中噪声与干扰带来的影响。5、信宿(收信者)：功能是把原始的电信号还原成相应的消息，如扬声器、显示器等。6、噪声：指通信系统要传输信号以外的有害干扰信号，通常把周期性的、有规则的有害信号称做干扰，而把其它有害的随机干扰叫做噪声。噪声在通信系统中是不可避免的，是限制信号传输或检测的重要因素，噪声的影响使信号产生失真甚至错误。噪声的大小最终决定系统的性能。二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型通常，按照信道路中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。1、模拟通信系统模型模拟通信系统(AS，AnalogSystem)是利用模拟信号来传递信息的通信系统。如图所示：其中，信源在发送端把连续消息变换成原始电信号，信宿在接收端则进行相反的变换。原始电信号通常称为基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始的信号。如语音信号的频率范围为300HZ——3400HZ，图像信号的频率范围为0HZ——6MHZ。在有些系统中，如直流电报、实线电话和有线广播等，基带信号可以直接在信道路内传输，这些系统称为基带传输系统。把基带信号变换成适合信源调制器信道解调器信宿噪声源在信道路中传输的信号的过程称为调制，完成这一过程的设备称为调制器。经过调制后的信号称为已调信号，它通常有两个特征：一是携带有信息；二是适应在信道中传输。由于已调信号的频谱通常具有带通形式，因而已调信号又称带通信号(也称为频带信号)。所以，调制过程在通信系统中很重要的，在很大程度上决定系统的性能。通过调制主要有以下几个目标：(1)提高频率以便于辐射。在无线通信系统中，是用空间辐射方式传输信号的。由天线理论可知：只有当辐射天线的尺寸大于信号波长的的1/10是时，信号才能被天线有效地辐射。如用1米的天线，辐射频率至少需要30MHZ。调制过程可将信号频谱搬移到任何需要的频率范围，使其易于以电磁波的形式辐射出去。(2)实现信道复用。通常每个被传输信号占用的带宽小于信道带宽。所以，一个信道只传一个信号是很浪费的，此时信道工作在远小于其传输信息容量的情况下。但不能同时传输一个以上的信号，否则会将引起信号间的干扰。通过调制，使各个信号的频谱搬移到指定的位置，互不重叠，从而实现在一个信道里同时传输许多信号。由于这是在频率域内实现信道的多路复用，称为频率复用。同样，在时间域里，利用脉冲调制或编码或使各路信号交错传输，也可实现信道复用，称为时间复用。(3)改变信号带宽。在通信系统中传输的常用信号类型(音频、视频或其它)的频谱占用许多倍频程。频率范围越宽，传输特性变化越大，所以传输媒介将引入一些不可控制的对频率的选择作用。所以可以通过调制后将信号频谱搬移到某个载频附近的频带内，有效带宽限相对而言就很小了，是一个窄带带通信号。在很窄的频带内，传输特性的变化就小一些了。(4)改善系统性能。由于通信系统的输出信噪比是信号带宽的函数。根据信息论的原理，宽带通信系统通常有较好的抗干扰性能。即将信号变换，使它占据较大的带宽，它将具有较强的抗干扰性。如宽带调频信号的传输带宽比调幅信号宽，所以它的搞干扰性能比调幅高。带宽和信噪比相互矛盾又相对统一，它们之间的互换可由各种类型的调制来完成。解调器则进行相反的变换。此外，在实际通信系统中，可能还有滤波、放大、天线辐射等过程。调制和解调两种过程起主要作用，而其他过程不会使信号发生质的变化，只是对信号进行放大和改善信号特性等。2、数字通信系统模型数字通信系统(DCS，DigitalCommunicationSystem)是利用数字信号来传递信息的通信系统，如图所示：(1)信源编码与译码信源数字调制信道数字解调信宿噪声源信道编码加密信源编码信道译码信源译码解密信源编码有两个基本功能：一是提高信息传输的有效性，即通过某种数据技术设法减少码元数目和降低码元速率。码元速率决定了传输所占的带宽，而传输带宽反映了通信的有效性。二是完成模/数(A/D)转换，即当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器半其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码是信源编码的相反过程。(2)信道编码与译码数字信号在信道传输时受到噪声等影响后会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分形成“抗干扰编码”。这样，通过信道编码就增强了数字信号的抗干扰能力。(3)加密与解密在需要进行保密通信时，人为地将传输的数字序列扰乱，这种处理过程就叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息。(4)数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道路中传输的带通信号。基本的数字调制方式有振幅键控(ASK，AmplitudeShiftKeying)，频移键控(FSK，FrequencyShiftKeying)，绝对相移键控(PSK，PhraseShiftKeying)，相对(差分)相移键控(DPSK，DifferentialPhraseShiftKeying)。在接收端还原数字基带信号有相干解调，或非相干解调两种。在对高斯噪声下的信号检测，通常用相关器或匹配滤波器来实现。(5)同步同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。按照同步的功用不同分为载波同步，位同步，群(帧)同步和网同步等。此外，模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，如数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的。同样，数字信号也可以通过传统的电话网来传输，但需使用调制解调器(Modem)。三、数字通信的特点1、抗干扰能力强，且噪声不积累在数字通信系统中传输的是离散取值的数字波形，接收端的目标是从受到哭声干扰的信号中判决出发送端所发送的是哪一个波形，而不需要精确地还原被传输的波形。以二进制为例，信号的取值只有两个，要求在接收端能正确判决发送的是两个状态中的哪一个即可。在远距离传输时，如微波中断通信，各中继站可利用数字通信特有的抽样判决再生的接收方式，使数字信号再生且噪声不积累。而模拟通信系统中传输的是连续变化的模拟信号，它要求接收机能够能够高度保真地重现信号波形，一旦信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。2、传输差错可控。在数字通信系统中，可通过信道编码技术进行树倒猢狲散和纠错，降低误码率，提高传输质量。3、便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换和存储。这种数字处理的灵活性表现为可以将来自信源的信号综合在一起传输。4、易于加密处理，且保密性好。5、易于集成，使通信设备微型化，重量轻。6、需要较大的带宽。如一路模拟电话通常只占4KHZ带宽，但一路接近同样语音质量的数字电话可能要占据20KHZ～60KHZ的带宽。利用高效的数据压缩技术及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。7、对同步要求高，系统设备复杂。随着微电子技术，计算机技术，超大规模集成电路的应用，数字系统的设备复杂程度会大大降低。§1—3通信系统分类和通信方式一、通信系统的分类1、按通信业务分类根据通信业务的类型不同，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。其中电话通信网最为普及，其它一些通信业务也常通过公用电话通信网传输，如电报通信和远距离数据通信都可通过电话信道传输。综合数字通信网适用于各种类型业务的消息传输。2、按调制方式分类根据信道中传输的信号是否否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统和带通(频带或调制)传输系统。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如市内电话，有线广播等。带通传输是对各种调制后传输的总称。常见的调制方式如下表：调制方式用途举例连续波调制线性调制常规双边带调幅AM广播双边带调幅DSB立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数据传输残留边带调幅VSB电视广播、数据传输、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制振幅键控ASK数据传输频移键控FSK数据传输相移键控PSK、DPSK、OPSK数据传输、数字微波、空间通信其它高效数字调制QAM、MSK数字微波、空间通信脉冲调制脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM(ΔM)军用、民用数字电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其它语音编码方式ADPCM中速数字电话