1 通信导论-绪论-教材

2011-2-271通信导论信息与通信工程学院1罗涛2011年2月27日Sunday通信系统概述„通信的基本概念„通信„通信系统2„通信网络„通信的发展历程„通信的发展趋势„本书概述通信„通信的定义„消息、信息与信号3通信的定义„通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等。任何一个通信系统，都是从一个称为信息源的时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息的。„通信是传送信息的手段、即将信息从发送器传送到接收器。„通信的目的：是为了完成信息的传输和交换。„通信网络已经成为支撑现代社会的最重要的基础结构之一。4相关概念„信息：可被理解为消息中包含的有意义的内容。信息一词在概念上与消息的意义相似，但它的含义却更普通化、抽象化。„消息：消息是信息的表现形式，消息具有不同的形式，例如符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等。也就是说，一条信息可以用多种形式的消息来表示、不同形式的消息可以包含相同的信息。（天气预报）„信号：信号是消息的载体。消息是靠信号来传递的，信号一般为某种形式的电磁能(电信号、无线电、光)。5消息、信息与信号„一般将话音、文字、图像或数据称为消息，将消息给予受信者的新知识称为信息。有的消息根本不包含任何信息，为了更合理地评价一个通信系统传递信息的能力、需要对信息进行量化，即用“信息量”这一概表度来考念表示信息的多少，一般从接收者的角度来考虑。„事件出现的不确定性，可以用其出现的概率来描述。因此，消息中信息量的大小与消息出现的概率P密切相关。如果一个消息所表示的事件是必然事件，即该事件出现的概率为100％，则该消息所包含的信息量为0；如果一个消息表示的是不可能事件，即该事件出现的概率为0，则这一消息的信息量为无穷大。62011-2-272消息、信息与信号„科学家哈莱特：消息出现概率倒数的对数—信息量。„定义：若一个消息出现的概率为P，则其所含信息量II＝loga1/P„a＝2，信息量单位为比特(bit)；目前应用最广泛，信息量单位为特()；目前应用最广泛„a=e，信息量单位为奈特(nit)；„a＝10，信息量单位为哈莱特。„以下举例说明信息量的含义„不可能事件P＝0，I＝∞；„小概率事件P＝0.125．I＝3；„大概率事件P=0.5，I＝1;„必然事件P＝1，I＝0。„信息量I是事件发生概率P的单调递减函数。7消息、信息与信号„对于双极性二进制码元系列，只有两个计数符号(0和1)的进制码系列，01概率相)0(1P8如果0、1出现的概率相等)(12log)0(1log)1(1log222bitPP===消息、信息与信号„对于四进制码元系列，共有四种不同状态：0、1、2。3。每种状态须用位进制9态必须用两位二进制码元表示，即00、01、10、11；如果每一种码元出现的概率相等，即P(0)＝P(1)＝P(2)＝P(3)，则)(24log)3(1log)2(1log)1(1log)0(1log22222bitPPPPI======消息、信息与信号„多进制码元包含的信息量大，所以采用多进制信息编码时，信息传输效率高。„当采用二进制时，噪声电压大于E/2，才会引起误码；当采用四进制时、只要噪声电压大于E/4，就会引起误码。显然，进制数越大，抗干扰能力也就越差。10消息、信息与信号„信号的时域分析„时域：信号的表示形式是时间的函数形式是时间的函数0()cos()mtUtμωϕ=+11消息、信息与信号„信号的频域分析在通信领域中，信号的频域观点比时域观点更为重要。12如果不考虑相位，正弦波的时域表达式为：根据傅立叶变换，其频域表达式为)2cos()cos()(00tfUtUtmmπωμ==)]()([)(00ωωδωωδπωμ−++=mU2011-2-273信号的时域与频域之间的变换关系„两条线的长度分别代表两个正弦波的幅度，谱线在频率轴的位置分别代表两个正弦波的频率。„信号的时间周期越长，则频率越低；反之，信号的时间周期越短．则频率越高。„利用傅里叶变换，任何信号都可以被表示为各种频率的正弦波的组合。信号在时域缩减．叫做频域展宽；信号在时域展宽，叫做频域缩减。13频率与通信BatsUltrasonicsDogs140Hz20kHz40kHz60kHzHumans300Hz3.4kHzTelephoneFrequency电磁波的频率VisibleLightOpticalFibres15RadioWaves(microwaves,radio,TV,mobilecellular)InfraredUltraVioletX-RaysGammaRays4x1014Hz3x1013Hz7.5x1014Hz1017Hz1020Hz1024Hz3x103(3kHz)Fibres话音信号的频率ngth16SignalStrenFrequency300Hz3.4kHzSpeechBandwidth(3.1kHz)话音信号的频率„话带的含义„话音的音域„话音质量与经济性„带宽的含义„速度„容量17模拟与数字的概念07:501807:502011-2-274模拟与数字的概念19模拟与数字的意义:„模拟：连续描述事务的状态„数字：间断描述事务的状态，通过快速抽样表示。数字信号ON1BIT200100110ONOFF1BIT1通信的基本概念„通信系统：通信系统是以实现通信为目标的硬件、软件以及人的集合。„通信系统的模型„模拟通信系统与数字通信系统21通信系统的模型„信息源——把各种可能消息转换成原始电信号；„发送设备——为了使原始电信号适合在信道中传输，将原始电信号变换成与传输„信道相匹配的传输信号；根据所研究对象和所关心问题重点的不向，可采用形式不同的具体模型。„信道——信号传输的通道；„接收设备——从接收信号中恢复出原始电信号；„受信者——将复原的原始电信号转换成相应的消息。22模拟通信系统与数字通信系统„通信系统中的消息可以分为：„连续消息(模拟消息)：消息状态连续变化，如语音、图像；„离散消息(数字消息)：消息状态可数或离散，如符号、文字、数据。„信号同样可以分为：„模拟信号：电信号的参量连续取值．如普通电话机收发的话音信号：„数字信号：电信号的参量离散取值、如计算机内PCI/ISA总线的信号。„模拟信号和数字信号可以互相转换，因此，任何一个消息既可以用模拟信号表示，也可用数字信号表示。„通信系统可分为模拟通信系统与数字通信系统两大类23模拟通信系统„基带信号—由消息转化而来的原始模拟信号，一般含有直流和低频成分，不宜直接传输；„已调信号—由基带信号转化来的、频域特件适合价通传输的信号，又称为频带信号。„对模拟通信系统进行研究的主要内容就是研究不同信道条件下的不同调制解调方法。242011-2-275数字通信系统„数字通信系统：在信道中传输的是数字信号；„信源编解码器：实现模拟信号与数字信号之间的转换„加/解密器：实现数字信号的保密传输；„信道编解码器：实现差错控制功能，用以对抗误码；实字复„调制/解调器：实现数字信号的传输与复用。25数字通信系统与复用数字传输线路话音视频26数字传输线路数字复用器音乐数据文本272011-2-2727休息一会儿休息一会儿……噪声对模拟信号的干扰Fog28g模拟信号的噪声积累29噪声对数字信号的影响30Fog2011-2-276数字信号的再生判决门限值传输的数字信号010011031判决门限值畸变的信号经过再生处理的数字信号0100110数字通信系统的特点„数字电路易于集成化．因此数字通信设备功耗低、易于小型化；„再生中继无噪声累积，抗干扰能力强；„信号易于进行加密处理，保密性强；信号易于进行密处理，保密性强；„可以通过信道编码和信源编码进行差错控制，改善传输质量；„支持各种消息的传送；„数字信号占用信道频带较宽，因此频带利用率较低。„需要同步技术。32通信系统的分类„通信系统有不同的分类方法。„按消息分：电报系统、电话系统、数据系统、图像系统；„按调制方式分：基带传输、频带传输(调幅、调频、调相、脉幅、脉宽、脉位)；按质信号分模系统数字系统„按媒质上的信号分：模拟系统、数字系统；„按传输媒质(信道)分：有线系统(架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤、波导)、无线系统(长波、中波、短波、微波、卫星)；„按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用；„按消息传送的方向和时间分：单工、半双工、全双工；„按数字信号的排列顺序分：串行、并行；„按连接形式分：专线直通(点对点)、交换网络(多点对多点)。33通信的基本概念„通信网络„通信网络的组成„通信网络的分类34通信网络的组成„众多的用户要想完成互相之间的通信过程，则依靠由传输媒质组成的网络来完成信息的传输和交换，这样就构成了通信网络。35通信网络的组成SwitchSwitch36TransmissionNetworkAccessNetworkSwitchSwitchAccessNetworkAccessNetwork2011-2-277通信网络的组成„通信网络从功能上可以划分为接入设备、交换设备、传输设备：„接入设备：包括电话机、传真机等各类用户终端。以及集团电话用户小交换机集群设备接入网以及集团电话、用户小交换机、集群设备、接入网等；„交换设备：包括各类交换机和交叉连接设备；„传输设备：包括用户线路、中继线路和信号转换设备，如双绞线、电缆、无线基站收发设备、光电转换器、卫星、微波收发设备等。37通信网络的组成„通信网络正常运行需要相应的支撑网络存在，支撑网络主要包括数字同步网、信令网、电信管理网。„数字同步网：保证网络中的各节点同步工作；„数字同步网：保证网络中的各节点同步工作；„信令网：可以看作是通信网的神经系统，利用各种信令完成保证通信网络正常运作所需的控制功能；„电信管理网：完成电信网和电信业务的性能管理、配置管理、故障管理、计费管理、安全管理等。38通信网络的分类„按照信源的内容可以分为：电话网、数据网、电视节目网和综合业务数字网等，其中数据网又包括电报网、电传网、计算机网等。按通信网络所覆盖的地域范围又可以分为个„按通信网络所覆盖的地域范围又可以分为：个域网、局域网、城域网、广域网等；„按通信网络所使用的传输信道可以分为：有线(包括光纤)网、短波网、微波网、卫星网等。39通信的发展历程„通信技术的发展历程„最原始的光通信系统：古代的烽火、古希腊火炬的位置表示字母符号；„声信号的传输：击鼓鸣金；„声信号的传输：击鼓鸣金；„传送信息的方法：信鸽、旗语、驿站。„1837年摩尔斯发明电报，用点、划、空组合代表字母数字；„1876年贝尔发明电话，声音信号---〉电信号；„19世纪末：研究用电磁波传送电信号，1901年，马可尼首先实现了跨越大西洋的无线电通信;„20世纪20年代起，用铜线实现市内/长途有线通信，用短波实现远距离无线通信和国际通信。40通信技术的发展历程„30一40年代起，利用铜线传输载波电话，使长途通信容量加大．电信号的频分多路技术开始步入实用；„50一60年代起，半导体晶体管出现，其后进入集成电路技术以及超大规模集成电路的时代，开始建设最早的公用电话通信网；„60年代起，电子计算机应用增多，数据通信开始兴起，电话编码技术得到应用，模拟通信开始向数字通信过渡；„70年代起，玻璃光纤拉制成功，导致传输网络从电缆通信向光纤通信过渡、地球同步轨道运行的通信卫星发射成功。卫星通信开始对国际通信和电视转播作出贡献，也经常在特殊地理环境下作为有线接入技术的替代与补充。41通信技术的发展历程„80年代起，各种信息业务应用增多，通信网络开始向数字网发展。电信号的时分多路技术(PDH和SDH)走向成熟．公共电话交换网(PSTN)逐渐得到普及，交换方式发展出新的类型(ATM)。蜂窝网等各种无线移动通第信业务向公众开放，导致个人通信的迅速发展。第一代模拟移动通信网开始大规模商用；„90年代起，国际互联网在全世界兴起，在吸引众多计算机用户踊跃上网的同时，支付低廉的费用，从此，通信网络的数据业务量急剧增长。这使得以互联网协议(IP)为