《通信原理》PPT課件

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1、 1.1.1 通信是從一地向另一地傳遞和交換信息 。 實(shí)現(xiàn)信息傳遞 所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng) 。 基于 點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信系統(tǒng)的模型可用圖 1 - 1 來描述 。 信源是消息的產(chǎn)生地 ， 其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始 電信號(hào) ， 稱之為消息信號(hào)或基帶信號(hào) 。 電話機(jī) 、 電視攝像機(jī) 和電傳機(jī) 、 計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源 。 前者屬于 模擬信源 ， 輸出的是模擬信號(hào)；后者是數(shù)字信源 ， 輸出離散 的數(shù)字信號(hào) 。 圖 1 - 1通信系統(tǒng)的一般模型 信息源 發(fā)送設(shè)備 信息 接收設(shè)備 受信者 噪聲源 發(fā)送端 接收端 發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來 ， 即將信 源

2、產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào) 。 變換方 式是多種多樣的 ， 在需要頻譜搬移的場合 ， 調(diào)制是最常見的 變換方式 。 對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)來說 ， 發(fā)送設(shè)備常常又可分為信 源編碼與信道編碼 。 信道是指傳輸信號(hào)的物理媒質(zhì) 。 在無線信道中 ， 信道可 以是大氣 （ 自由空間 ） ， 在有線信道中 ， 信道可以是明線 、 電纜或光纖 。 有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì) 。 媒質(zhì)的固 有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量 。 根據(jù)研 究對(duì)象的不同 ， 需要對(duì)實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型 ， 以反映傳輸媒質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響 。 這一點(diǎn)將在第 3章中討論 。 噪聲源不是人為加入的設(shè)備

3、， 而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備 以及信道中所固有的 ， 并且是人們所不希望的 。 噪聲的來源 是多樣的 ， 它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲 ， 而且外部噪聲往 往是從信道引入的 ， 因此 ， 為了分析方便 ， 把噪聲源視為各 處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道 。 接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換 ， 即進(jìn)行 解調(diào) 、 譯碼 、 解碼等 。 它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中 正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來 ， 對(duì)于多路復(fù)用信號(hào) ， 還 包括解除多路復(fù)用 ， 實(shí)現(xiàn)正確分路 。 信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)， 其作用是將復(fù)原的原始信號(hào) 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。 圖 1 - 1 概括地描述了一個(gè)通信系統(tǒng)的組成 ，

4、 它反映了通 信系統(tǒng)的共性 ， 因此稱之為通信系統(tǒng)的一般模型 。 根據(jù)研究 的對(duì)象以及所關(guān)注的問題不同 ， 圖 1 - 1 模型中的各小方框的 內(nèi)容和作用將有所不同 ， 因而相應(yīng)有不同形式的更具體的通 信模型 。 今后的討論就是圍繞著通信系統(tǒng)的模型而展開的 。 1.1.2 圖 1 - 1 中 ， 信源發(fā)出的消息雖然有多種形式 ， 但可分 為兩大類： 一類稱為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息 。 連續(xù) 消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的 ， 如語音 、 活動(dòng) 圖片等 。 離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的 ， 如 符號(hào) 、 數(shù)據(jù)等 。 消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體 電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的 ， 即把

5、消息寄托在電信號(hào)的某一參量上 （ 如連續(xù)波的幅度 、 頻 率或相位； 脈沖波的幅度 、 寬度或位置 ） 。 按信號(hào)參量的取 值方式不同可把信號(hào)分為兩類 ， 即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) 。 凡信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個(gè)值的 ， 且直接 與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào) ， 均稱為模擬信號(hào) ， 如電話機(jī)送出的語 音信號(hào) 、 電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等 。 模擬信號(hào)有時(shí)也稱 連續(xù)信號(hào) ， 這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的某一參量可以連續(xù)變化 ， 或 者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個(gè)值 ， 而不一定在時(shí)間 上也連續(xù) ， 如圖 1 - 2(b)所示的抽樣信號(hào) 。 凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值 ， 并且常常不直接與消息相 對(duì)應(yīng)的信號(hào)

6、 ， 均稱為數(shù)字信號(hào) ， 如電報(bào)信號(hào) 、 計(jì)算機(jī)輸入 /輸 出信號(hào) 、 PCM信號(hào)等 。 數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱離散信號(hào) ， 這個(gè)離 散是指信號(hào)的某一參量是離散變化的 ， 而不一定在時(shí)間上也 離散 ， 如圖 1 - 3(b)所示的 2PSK信號(hào) 。 O f ( t ) t ( a ) f ( n T ) t P A M 信號(hào) ( b ) O 圖 1 2 模擬信號(hào)波形 圖 1 -3 (a) 連續(xù)信號(hào)； (b) 抽樣信號(hào) (a) 二進(jìn)制波形； (b) 2PSK 波形 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 O f ( nT ) t 0 0 1 1 1 0 0 1 數(shù)字信 息 P S K 波形 (

7、 a ) ( b ) 因此 ， 按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào) ， 可 相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng) 。 1. 模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng) 。 我們知道 ， 信源發(fā)出的原始電信號(hào)是基帶信號(hào) ， 基帶的含義是 指信號(hào)的頻譜從零頻附近開始 ， 如語音信號(hào)為 3003400Hz， 圖像信號(hào)為 06MHz。 由于這種信號(hào)具有頻率很低的頻譜分量 ， 一般不宜直接傳輸 ， 這就需要把基帶信號(hào)變換成其頻帶適合在 信道中傳輸?shù)男盘?hào) ， 并可在接收端進(jìn)行反變換 。 完成這種變換 和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器 。 經(jīng)過調(diào)制以后的信號(hào) 稱為已調(diào)信

8、號(hào) 。 已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特征： 一是攜帶有信息 ， 二是適合在信道中傳輸 ， 三是信號(hào)的 頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻 ， 因而已調(diào)信號(hào)又稱 頻帶信號(hào) 。 需要指出 ， 消息從發(fā)送端到接收端的傳遞過程中 ， 不僅 僅只有連續(xù)消息與基帶信號(hào)和基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)之間的兩 種變換 ， 實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波 、 放大 、 天線輻射 、 控制等過程 。 由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定 性作用 ， 而其他過程對(duì)信號(hào)不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化 ， 只是對(duì)信號(hào) 進(jìn)行了放大或改善了信號(hào)特性 ， 因而被認(rèn)為是理想的而不予 討論 。 模擬通信系統(tǒng)模型可由圖 1 - 1 略加演變而成 ， 如圖 1 -

9、4 所示 。 圖中的調(diào)制器和解調(diào)器就代表圖 1 - 1 中的發(fā)送設(shè)備 和接收設(shè)備 。 圖 1-4 模擬通信系統(tǒng)模型 信息源 調(diào)制器 信道 解調(diào)器 受信者 噪聲源 2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng) ， 如圖 1 - 5 所示 。 數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多 ， 其中主要有 信源編碼 /譯碼 、 信道編碼 /譯碼 、 數(shù)字調(diào)制 /解調(diào) 、 數(shù)字復(fù)接 、 同步以及加密等 。 下面對(duì)這些技術(shù)作簡要介紹 。 1) 信源編碼的作用之一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速 率 ， 即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮 。 碼元速率將直接影響傳輸所占 的帶寬 ， 而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效

10、性 。 作用之二 是 ， 當(dāng)信息源給出的是模擬語音信號(hào)時(shí) ， 信源編碼器將其轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào) ， 以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸 。 第 6章中將討 論模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)膬煞N方式：脈沖編碼調(diào)制 (PCM)和增 量調(diào)制 (M)。 信源譯碼是信源編碼的逆過程 。 2） 數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí) ， 由于噪聲 、 衰落以及人為干擾 等 ， 將會(huì)引起差錯(cuò) 。 為了減少差錯(cuò) ， 信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男?息碼元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分 （ 監(jiān)督元 ） ， 組成所謂 “ 抗干擾編碼 ” 。 接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼 ， 從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤 ， 從而提高通信系統(tǒng)抗干 擾能力 ， 實(shí)現(xiàn)可靠通信

11、。 3） 在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場合 ， 為了保證所傳信息的安全 ， 人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂 ， 即加上密碼 ， 這種處理過程 叫加密 。 在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對(duì)收到的 數(shù)字序列進(jìn)行解密 ， 恢復(fù)原來信息 ， 叫解密 。 4） 數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處 ， 形成 適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號(hào) 。 基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵 控 ASK、 頻移鍵控 FSK、 絕對(duì)相移鍵控 PSK、 相對(duì) （ 差分 ） 相 移鍵控 DPSK。 對(duì)這些信號(hào)可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原 為數(shù)字基帶信號(hào) 。 對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測 ， 一般用相關(guān)器接 收機(jī)或匹配濾波器實(shí)現(xiàn) 。 數(shù)

12、字調(diào)制是本教材的重點(diǎn)內(nèi)容之一 ， 將在第 7章中討論 。 此外 ， 第 9章還將介紹一些現(xiàn)代調(diào)制技術(shù) 。 5） 同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序 、 準(zhǔn)確 、 可靠工作的不可缺 少的前提條件 。 同步是使收 、 發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào) 一致 。 按照同步的功用不同 ， 可分為載波同步 、 位同步 、 群同 步和網(wǎng)同步 ， 這些問題將集中在第 11章中討論 。 數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè)低速數(shù)字 信號(hào)合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號(hào) ， 以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳 輸效率 。 復(fù)用與復(fù)接概念將在第 10章中介紹 。 需要說明的是 ， 圖 1 - 5 是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般化模型 ， 實(shí)際的數(shù)字通

13、信系統(tǒng)不一定包括圖 1 - 1中的所有環(huán)節(jié) 。 如在 某些有線信道中 ， 若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí) ， 數(shù)字基帶信號(hào)無需調(diào)制 ， 可以直接傳送 ， 稱之為數(shù)字信號(hào)的 基帶傳輸 ， 其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié) ， 詳見第 5章 。 應(yīng)該指出的是 ， 模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信 系統(tǒng)中傳輸 ， 數(shù)字電話系統(tǒng)就是以數(shù)字方式傳輸模擬語音信 號(hào)的例子 。 圖 1 5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 信 息 源 信 源 編 碼 器 信 道 編 碼 器 數(shù) 字 調(diào) 制 器 信 道 數(shù) 字 解 調(diào) 器 信 道 譯 碼 器 信 源 譯 碼 器 受 信 者 噪聲源 當(dāng)然 ， 數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)

14、中傳輸 ， 如計(jì)算 機(jī)數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸 ， 但這時(shí)必須使用調(diào)制解 調(diào)器 （ Modem） 將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行正弦調(diào)制 ， 以適應(yīng)模擬 信道的傳輸特性 。 可見 ， 模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于 信道中傳輸?shù)男盘?hào)種類 。 3. 數(shù)字通信的主要特點(diǎn) 目前 ， 無論是模擬通信還是數(shù)字通信 ， 在不同的通信業(yè) 務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用 。 但是 ， 數(shù)字通信的發(fā)展速度已明 顯超過模擬通信 ， 成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流 。 與模擬通信相 比 ， 數(shù)字通信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信技術(shù)越來越高的要求 ， 其特點(diǎn)是： （ 1） 抗干擾能力強(qiáng) 。 以二進(jìn)制為例 ， 信號(hào)的取值只有兩 個(gè) ， 這樣接收端只

15、需判別兩種狀態(tài) 。 信號(hào)在傳輸過程中受到 噪聲的干擾 ， 必然會(huì)發(fā)生波形畸變 ， 接收端對(duì)其進(jìn)行抽樣判 決 ， 以辨別是兩個(gè)狀態(tài)中的哪一個(gè) 。 只要噪聲的大小不足以 影響判決的正確 ， 就能正確接收 。 而模擬通信系統(tǒng)中傳輸?shù)?是連續(xù)變化的模擬信號(hào) ， 它要求接收機(jī)能夠高度保真地重現(xiàn) 信號(hào)波形 ， 如果模擬信號(hào)疊加上噪聲后 ， 即使噪聲很小 ， 也 很難消除它 。 此外 ， 在遠(yuǎn)距離傳輸 ， 如微波中繼通信時(shí) ， 各 中繼站可利用數(shù)字通信特有的判決再生接收方式 ， 對(duì)數(shù)字信 號(hào)波形進(jìn)行整形再生而消除噪聲積累 。 2） 差錯(cuò)可控 。 可以采用信道編碼技術(shù)使誤碼率降低 ， 提高傳輸?shù)目煽啃?。 （

16、 3） 易于與各種數(shù)字終端接口 ， 用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào) 進(jìn)行處理 、 加工 、 變換 、 存儲(chǔ) ， 從而形成智能網(wǎng) 。 （ 4） 易于集成化 ， 從而使通信設(shè)備微型化 。 （ 5） 易于加密處理 ， 且保密強(qiáng)度高 。 但是 ， 數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更 寬的系統(tǒng)頻帶為代價(jià)而換取的 。 以電話為例 ， 一路模擬電話 通常只占據(jù) 4kHz帶寬 ， 但一路接近同樣話音質(zhì)量的數(shù)字電 話可能要占據(jù) 20 60kHz的帶寬 ， 因此數(shù)字通信的頻帶利用 率不高 。 另外 ， 由于數(shù)字通信對(duì)同步要求高 ， 因而系統(tǒng)設(shè)備 比較復(fù)雜 。 不過 ， 隨著新的寬帶傳輸信道 （ 如光導(dǎo)纖維 ） 的 采用 、 窄帶調(diào)制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展 ， 數(shù)字通 信的這些缺點(diǎn)已經(jīng)弱化 。 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅 猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用 ， 數(shù)字通信在今后的通信方式中必將逐步 取代模擬通信而占主導(dǎo)地位 。