第2章通信基础知识

第二章通信基础知识通信的基本概念与基本问题信号分析基础通信中的调制技术通信中的编码技术数字基带传输系统通信中的复用和多址技术通信中的同步第一节通信的基本概念与基本问题一、通信系统模型图1-1给出的是通信系统的一般模型，反映了通信系统的共性，根据研究的对象和关注的问题不同，各方框的内容和作用有所不同。按照信道中传输的信号是模拟信号还是数字信号，可将通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。图1-11.模拟通信系统模型凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如抽样信号。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的模型如图2-1所示。图2-12.数字通信系统模型凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信系统的模型如图2-2所示。图2-2数字通信的优点对两种通信系统来说，数字通信是发展的主流，因为数字通信具有很多优点：（1）抗干扰能力强，数字信号可以再生从而消除噪声累积。（2）便于进行各种数字信号处理。（3）便于实现集成化。（4）便于加密处理。（5）便于综合传递各种信息，实现综合业务数字网。3．信息、消息与信号（1）信息信息是一种不确定度的描述，是语言、文字、数据或图像中所包含的人们想知道的内容，是内在的实质的东西。（2）消息消息是具体的，有不同的形式。消息中包含了信息，如符号、文字、语音、数据、图象等，根据所传输的消息不同形成了目前的各种通信业务，我们可以从消息中提取信息。因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息，否则，就失去了通信的意义。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。（3）信号信号为消息的表示形式，在通信系统中传输的实际是表现为各种消息形式的电信号。二、通信系统的分类（一）按通信业务不同分类按照目前通信业务的不同可将通信系统分为电报通信系统、电话通信系统、传真通信系统、数据通信系统、可视电话系统、无线寻呼系统等。另外从广义的角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴，因为它们都满足通信的定义。由于广播、电视、雷达、导航等的不断发展，目前它们已从通信中派生出来，形成了独立的学科。（二）按调制方式不同分类根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统（或称载波传输）基带传输系统指不经过调制直接传输，而频带传输系统可以采用表2-1所示的各种调制方式。（三）按传输信号的特征分类按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。（四）按传送信号的复用方式分类传输多路信号有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）、波分复用（WDM）和空分复用（SDM）。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。传统的模拟通信中都采用频分复用，随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用愈来愈广泛，码分复用主要用于移动通信系统，波分复用主要用于光纤通信，卫星通信中还有空分复用（SDM）。（五）按传输媒质分类按传输媒质，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。有线通信是用导线（如架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等）作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。各种传输媒质有其特定的工作频率，常用传输媒介的频率范围及用途如表2-2所示。三、通信方式（一）单工、半双工及全双工通信1．单工通信单工通信是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道，如图2-3(a)所示。2．半双工通信半双工通信是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式，如图2-3(b)所示。3．全双工通信全双工通信是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道，如图2-3(c)所示。单工、半双工、全双工通信方式发端信道收端发端信道收端发端收端(a)(b)发端信道收端发端收端信道(c)图2-3(a)单工；(b)半双工；(c)全双工（二）并行传输和串行传输在数字通信中，按数字信号代码排列顺序不同分为并行传输和串行传输。1．并行传输并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，如图2-4（a）所示。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。2．串行传输串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输，如图2-4(b)所示。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。四、信息及其度量通信的目的在于传输信息，为了衡量通信系统传输信息的能力，需要对被传输的信息进行定量的描述，这就涉及信息量的定义。（一）信息量离散消息xi携带的信息量为：单位由对数的底来确定：（1）对数以2为底时，单位为比特(bit)。（2）对数以e为底时，单位为奈特(nit)。（3）对数以10为底时，单位为哈特莱(Hartley)。其中比特使用较多。（二）平均信息量(也称信源熵)离散信源的平均信息量为：)()(log)()(12LiiibitxPxPH符号对于连续信源，其信源熵为：为消息出现的概率密度)(,)(log)()(2fdffH五、通信系统的主要性能指标在设计或评价通信系统时，往往以具体指标衡量其性能的优劣，性能指标也称质量指标。通信系统的性能指标涉及有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、维护使用等。但从研究信息传输的角度来说，主要性能指标有两个，即有效性和可靠性。其中有效性指传输的速度问题,即给定信道内所传输的信息内容多少；可靠性指传输的质量问题，即接收信息的准确程度。二者是一对矛盾，通常根据实际应用求得相对的统一，即在满足一定可靠性指标下，尽量提高传输速度；或在维持一定有效性指标时，使消息传输质量尽可能提高。两个主要性能指标对于不同通信系统，具体表现也不同。（一）模拟通信系统的主要性能指标1．有效性模拟通信系统的有效性指标用传输频带衡量，不同调制方式需要的频带宽度(简称带宽B)也不同，信号的带宽B越小，占用信道带宽越少，在给定信道时容纳的传输路数越多，有效性越好。2．可靠性模拟通信系统的可靠性指标用接收端的最终输出信号噪声功率比(简称信噪比S/N或SNR—SignalNoiseRatio)衡量，不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调输出信噪比也不同，如调频系统的输出信噪比大于调幅系统，故可靠性比调幅系统好，但调频信号所需传输带宽高于调幅。（二）数字通信系统的主要性能指标1．有效性数字通信系统的有效性指标用传输速率衡量，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)。简称传码率，又称符号速率，指单位时间能够传送的码元数，单位为波特（Baud）。若TB（秒，S）为每个码元传输所占用的时间，则RB=1/TB(波特，Baud)。若码元为二进制，则RB对应RB2，码元为M进制，则RB对应RBM，RB2=RBM·log2M（2）信息传输速率(Rb)。简称传信率，又称比特率，指单位时间能够传送的平均信息量，单位为bit/s。传码率和传信率的关系：Rb=RB·log2M比特/秒，RB=Rb/log2M波特2．可靠性数字通信系统的可靠性指标用差错概率衡量，差错概率又分为误码率和误信率。（1）误码率（码元差错概率）Pe。误码率指接收的错误码元数在传输总码元数中所占的比例，即码元在通信系统中被传错的概率，；（2）误信率（信息差错概率）Pb。误信率指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，六、信道容量与香农公式信道容量C指信道中无差错传输信息的最大速率，分为连续信道的信道容量和离散信道的信道容量。对于连续信道的信道容量，有著名的香农公式2-1：（2-1）式中：S为信号的功率；B为信道带宽；S/N为信道信噪比；no为噪声功率谱密度。BnSBNSBC0221log)1(log关于香农公式的说明第二节信号分析基础通信系统中要传输的是包含信息的信号，因此对通信系统分析离不开信号分析。描述信号的基本方法是写出它的数学表达式（一般为时间的函数），绘出函数的图形（称为信号的波形），这种方法称为时域分析法，时域分析法对于计算信号某时刻的值很方便；有时还关心信号在频域的分布，以确定信号的带宽，用合适的信道来传输信息，这种方法称为频域分析法。一、信号分类自然界中有很多信号，可以从不同的角度对信号进行分类。在信号分析中，常以信号所具有的时间函数特性来加以分类。这样，信号可以分为确知信号与随机信号(如图2-6所示)、连续时间信号与离散时间信号(如图2-7所示)、非周期信号(如图2-8所示)与周期信号(如图2-9所示)、能量信号与功率信号等。二、付里叶变换与频谱分析信号的频域分布，可以确定信号的带宽，以合理分配传输信道，这种方法称为频域分析法。付里叶变换可以使信号的时域与频域间建立对应关系。（一）付里叶变换与频谱傅立叶变换定义为：傅立叶反变换定义为：记作：其中称为f(t)的频谱密度函数或频谱函数，简称频谱，对应的~ω曲线称为频谱图。tjetfF)()(tjeFtf)()()()(Ftf)(F)(F（二）常用信号的傅立叶变换1.冲激信号及频谱时域冲激信号：δ(t)↔1频域冲激信号：1↔2πδ(ω)图2-10波形及频谱2.矩形脉冲信号及频谱矩形脉冲信号(即门函数Gτ(t))频域门函数为：2at)Gτ2a=)2sin(ω2=e=dtef(t)=ωFτ/2τ/2-tj-tj--SSdt（即）（)()2(2cGtScac图2-11波形及频谱3．周期信号及频谱分析周期信号的傅里叶级数表示为：其中cn为傅立叶系数，写为：相应周期信号的频谱为：tjnnectf1)(TdtetfTctjnn2,)(111)(2)(1ncFn图2-12波形与频谱4．正弦信号和余弦信号的频谱分析余弦信号s(t)=Acosωct，正弦信号s(t)=Asinωct，ωc为载波角频率，图2-13波形和频谱三、信号通过线性系统信号通过通信系统传输时，系统的特性及信道中的噪声特性会影响信号传输的质量。系统可看作产生信号变换的任何过程，系统可用传递函数H(ω)和冲激响应h(t)表示(对应图2-14)。（一）信号通过线性系统后输出与输入之间的各种关系时域关系：频域关系：)()()(HXY)()()(thtxty（二）无失真传输系统特性无失真传输系统满足下列条件：∣H(ω)∣=K，φ(ω)e-jωt0四、系统的带宽指一个系统的幅频特性|H(ω)|在给定数值范围内分布的那段正频率区间。1．低通系统带宽对于图2-16所示的理想低通系统，其带宽B=fm，单位为赫兹（Hz）。2．带通系统带宽对于图2-17所示的理想带通系统，其带宽B=2fm3.3dB带宽对于图2-18所示的系统，其带宽B定义为幅频特性在频带中心处取值的0.707倍以内（即-3dB内或半功率点内）的频率范围，也称作3dB带宽，B3dB=f2-f1（其中ω1=2πf1,ω2=2πf2）。第三节通信中的调制技术一、调制的概念调制技术是通信理论中的重要