《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 。 實現(xiàn)信息傳遞 所需的一切技術(shù)設備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng) 。 基于 點與點之間的通信系統(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 ， 稱之為消息信號或基帶信號 。 電話機 、 電視攝像機 和電傳機 、 計算機等各種數(shù)字終端設備就是信源 。 前者屬于 模擬信源 ， 輸出的是模擬信號；后者是數(shù)字信源 ， 輸出離散 的數(shù)字信號 。 圖 1 - 1通信系統(tǒng)的一般模型 信息源 發(fā)送設備 信息 接收設備 受信者 噪聲源 發(fā)送端 接收端 發(fā)送設備的基本功能是將信源和信道匹配起來 ， 即將信 源

2、產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。 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 。 對數(shù)字通信系統(tǒng)來說 ， 發(fā)送設備常常又可分為信 源編碼與信道編碼 。 信道是指傳輸信號的物理媒質(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 究對象的不同 ， 需要對實際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學模型 ， 以反映傳輸媒質(zhì)對信號的影響 。 這一點將在第 3章中討論 。 噪聲源不是人為加入的設備

3、， 而是通信系統(tǒng)中各種設備 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 。 接收設備的基本功能是完成發(fā)送設備的反變換 ， 即進行 解調(diào) 、 譯碼 、 解碼等 。 它的任務是從帶有干擾的接收信號中 正確恢復出相應的原始基帶信號來 ， 對于多路復用信號 ， 還 包括解除多路復用 ， 實現(xiàn)正確分路 。 信宿是傳輸信息的歸宿點， 其作用是將復原的原始信號 轉(zhuǎn)換成相應的消息。 圖 1 - 1 概括地描述了一個通信系統(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 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 、 數(shù)據(jù)等 。 消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體 電信號來實現(xiàn)的 ， 即把

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

6、 ， 均稱為數(shù)字信號 ， 如電報信號 、 計算機輸入 /輸 出信號 、 PCM信號等 。 數(shù)字信號有時也稱離散信號 ， 這個離 散是指信號的某一參量是離散變化的 ， 而不一定在時間上也 離散 ， 如圖 1 - 3(b)所示的 2PSK信號 。 O f ( t ) t ( a ) f ( n T ) t P A M 信號 ( b ) O 圖 1 2 模擬信號波形 圖 1 -3 (a) 連續(xù)信號； (b) 抽樣信號 (a) 二進制波形； (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信號還是數(shù)字信號 ， 可 相應地把通信系統(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)出的原始電信號是基帶信號 ， 基帶的含義是 指信號的頻譜從零頻附近開始 ， 如語音信號為 3003400Hz， 圖像信號為 06MHz。 由于這種信號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變換成其頻帶適合在 信道中傳輸?shù)男盘?， 并可在接收端進行反變換 。 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 稱為已調(diào)信

8、號 。 已調(diào)信號有三個基本特征： 一是攜帶有信息 ， 二是適合在信道中傳輸 ， 三是信號的 頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻 ， 因而已調(diào)信號又稱 頻帶信號 。 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)消息與基帶信號和基帶信號與頻帶信號之間的兩 種變換 ， 實際通信系統(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)兩種變換對信號的變化起決定 性作用 ， 而其他過程對信號不會發(fā)生質(zhì)的變化 ， 只是對信號 進行了放大或改善了信號特性 ， 因而被認為是理想的而不予 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)送設備 和接收設備 。 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)字復接 、 同步以及加密等 。 下面對這些技術(shù)作簡要介紹 。 1) 信源編碼的作用之一是設法減少碼元數(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 ， 當信息源給出的是模擬語音信號時 ， 信源編碼器將其轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號 ， 以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸 。 第 6章中將討 論模擬信號數(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)字信號在信道傳輸時 ， 由于噪聲 、 衰落以及人為干擾 等 ， 將會引起差錯 。 為了減少差錯 ， 信道編碼器對傳輸?shù)男?息碼元按一定的規(guī)則加入保護成分 （ 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)則進行解碼 ， 從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤 ， 從而提高通信系統(tǒng)抗干 擾能力 ， 實現(xiàn)可靠通信

11、。 3） 在需要實現(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)送端相同的密碼復制品對收到的 數(shù)字序列進行解密 ， 恢復原來信息 ， 叫解密 。 4） 數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號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 。 基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵 控 ASK、 頻移鍵控 FSK、 絕對相移鍵控 PSK、 相對 （ 差分 ） 相 移鍵控 DPSK。 對這些信號可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原 為數(shù)字基帶信號 。 對高斯噪聲下的信號檢測 ， 一般用相關(guān)器接 收機或匹配濾波器實現(xiàn) 。 數(shù)

12、字調(diào)制是本教材的重點內(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)兩端的信號在時間上保持步調(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)字復接就是依據(jù)時分復用基本原理把若干個低速數(shù)字 信號合并成一個高速的數(shù)字信號 ， 以擴大傳輸容量和提高傳 輸效率 。 復用與復接概念將在第 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 ， 若傳輸距離不太遠且通信容量不太大時 ， 數(shù)字基帶信號無需調(diào)制 ， 可以直接傳送 ， 稱之為數(shù)字信號的 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 。 應該指出的是 ， 模擬信號經(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 當然 ， 數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)

14、中傳輸 ， 如計算 機數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸 ， 但這時必須使用調(diào)制解 調(diào)器 （ Modem） 將數(shù)字基帶信號進行正弦調(diào)制 ， 以適應模擬 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)男盘柗N類 。 3. 數(shù)字通信的主要特點 目前 ， 無論是模擬通信還是數(shù)字通信 ， 在不同的通信業(yè) 務中都得到了廣泛的應用 。 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)字通信更能適應現(xiàn)代社會對通信技術(shù)越來越高的要求 ， 其特點是： （ 1） 抗干擾能力強 。 以二進制為例 ， 信號的取值只有兩 個 ， 這樣接收端只

15、需判別兩種狀態(tài) 。 信號在傳輸過程中受到 噪聲的干擾 ， 必然會發(fā)生波形畸變 ， 接收端對其進行抽樣判 決 ， 以辨別是兩個狀態(tài)中的哪一個 。 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 ， 它要求接收機能夠高度保真地重現(xiàn) 信號波形 ， 如果模擬信號疊加上噪聲后 ， 即使噪聲很小 ， 也 很難消除它 。 此外 ， 在遠距離傳輸 ， 如微波中繼通信時 ， 各 中繼站可利用數(shù)字通信特有的判決再生接收方式 ， 對數(shù)字信 號波形進行整形再生而消除噪聲積累 。 2） 差錯可控 。 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)代計算技術(shù)對信號 進行處理 、 加工 、 變換 、 存儲 ， 從而形成智能網(wǎng) 。 （ 4） 易于集成化 ， 從而使通信設備微型化 。 （ 5） 易于加密處理 ， 且保密強度高 。 但是 ， 數(shù)字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占據(jù)更 寬的系統(tǒng)頻帶為代價而換取的 。 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)字通信對同步要求高 ， 因而系統(tǒng)設備 比較復雜 。 不過 ， 隨著新的寬帶傳輸信道 （ 如光導纖維 ） 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 信的這些缺點已經(jīng)弱化 。 隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅 猛發(fā)展和廣泛應用 ， 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地位 。