通信系统的组成

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发送设备
• ——信源产生的消息信号变换成适合在 信道中传输的信号使信源和信道匹配。 发送设备的变换方式是多种多样的，在 需要频谱搬移的场合，调制是最常见的 变换方式。对数字通信系统，发送设备 常常又包括编码器与调制器。
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信道
信道是指传输信号的物理媒质。 无线信道中，信道可以是大气（自由空间） 有线信道中，信道可以是明线、 电缆或 光纤。 第ห้องสมุดไป่ตู้章讨论信道
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1.2 通信系统的组成模型
通信系统的一般模型
通信的目的是传输消息。 实现消息传递所需的一切设备和传输媒 质的总和称为通信系统。 基于点与点之间的通信系统的一般模型 可用图 1 - 1 来描述。
通信系统的一般模型
发送 设备 接收 设备
信源
信道 干扰源
信宿
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信源
• 定义——产生消息的来源。 • 作用——把各种消息转换成原始电信号。 • 距离——电话机、摄像机、电传机、计算 机等。 • 分类———模拟信源、数字信源
• 信息源给出的是模拟语音信号时，信 源编码器将其转换成数字信号，以实 现模拟信号的数字化传输。
2） 信道编码与译码
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（监 督元），组成所谓“抗干扰编码”。接 收端的信道译码器按一定规则进行解码， 从解码过程中发现错误或纠正错误，从 而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠 通信。
干扰源是通信系统中各种设备以及信道 中所固有的，并且是人们所不希望的。 干扰的来源是多样的，它可分为内部干 扰和外部干扰，而且外部干扰往往是从 信道引入的，因此，为了分析方便，把 干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象 加入到信道。
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模拟通信模型和数字通信模型
信源分为两大类： 连续信源；离散信源。
第 1 章绪论
1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统分类 1.4 信息及其度量 1.5 主要性能指标 本课程的学习要领
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1.3通信系统分类与通信方式
通信系统的分类
•按消息的物理特征：话音、数据、可视图文、图像通信等。
•按调制方式分类：详见表 1 – 1
•按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统。
5） 同步与数字复接
• 同步是使收、发两端的信号在时间上保 持步调一致。 • 按照同步的功用不同，可分为载波同步、 位同步、群同步和网同步。 • 数字复接就是依据时分复用基本原理把 若干个低速数字信号合并成一个高速的 数字信号，以扩大传输容量和提高传输 效率。
说明
• 实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环 节。 • 模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统 中传输，例如数字电话系统。 • 数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如通 过模拟电话线路传输数据，但这时要用调制解 调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制。
比特的定义的含义。
综上所述，对于离散信源，M个波形等概 率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独 立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形 之一的信息量为 I=-log2 (1/M ) =log2 M (bit)
如果是非等概情况，设离散信源是一个由
n个符号组成的符号集，每个符号xi(i=1, 2, 3, …,
（2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)→1时， I→0
P(x)→0时， I→∞
（3）
若干个互相独立事件构成的消息， 所 含信息量等于各独立事件信息量之和，也就 是说，信息具有相加性， 即 I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…
=
p ( xi ) log 2 p ( xi )( bit / 符号）
i 1
n
显然，当信源中每个符号等概独立出现时， 此时信源的熵有最大值。
例 1 - 2一离散信源由0， 1， 2， 3四个
符号组成，它们出现的概率分别为3/8, 1/4,
1/4, 1/8，且每个符号的出现都是独立的。试 求某消息 2010201302130012032101003210100

连续信源消息是通过模拟信号来传递的。 离散信源消息是通过数字信号来传递的。 传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系 统；传输数字信号的通信系统称为数字通 信系统。
连续信号及其抽样
f (t)
O (a) f (nT ) PAM 信 号
t
O
t
(b)
离散信号及其连续载波调制
f (nT )
1 O
0
0
1
1 0 (a)
1 RB ( B ) T
通常在给出码元速率时，有必要说明码 元的进制。由于M进制的一个码元可以 用 log2 M个二进制码元去表示，因而在 保证信息速率不变的情况下，M进制的 码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之 间有以下转换关系：
RB2=RBMlog2 M (B)
信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。 它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数， 单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。 每个码元或符号通常都含有一定bit数的信 息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系， 即 Rb=RB·H (b/s)
•传输媒质分传输媒质：有线通信系统和无线通信系统。
•有线通信--导线、架空明线、同轴电缆、光纤、波导 •无线通信--短波电离层、微波视距传播、卫星中继 按信号复用方式分类：频分复用、时分复用和码分复用。
通信方式
对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与 时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全 双工通信三种。 按数字信号排列顺序，可分为并行传输和串行 传输。 按通信的网络形式划分。由于通信网的基础是 点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点 与点之间的通信上。
每个符号的算术平均信息量为
I 108 I 1.89 ( bit / 符号位） 符号位 57
若用熵的概念来计算， 由式（1.3 - 5）得
3 3 1 1 1 1 H log 2 log 2 log 2 8 8 4 4 8 8
1.906 ( bit / 符号位）
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1.4主要性能指标
比特。
例 1 – 1 设二进制离散信源， 以相等的概率发 送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为 I(0)=I(1)= - log2 (1/2) =log22=1 (bit)
可 见 ， 传 送 等 概 率 的 二 进 制 波 形 之 一
（P=1/2）的信息量为1比特。由此，通常把一
个二进制脉冲波形称为一个比特。由此可见，
• 事件的不确定性可用事件出现的概率来 描述。可能性越小，概率越小；反之， 概率越大。因此，消息中包含的信息量 与消息发生的概率密切相关。消息出现 的概率越小，消息中包含的信息量就越 大。假设P(x)是一个消息发生的概率，I 是从该消息获悉的信息，I与P(x)之间的 关系反映为如下规律：
（1） 信息量是概率的函数， 即 I=f［P(x)］
数字通信系统的有效性和可靠性
有效性可用传输速率来衡量。 码元传输速率 信息码元传输速率 可靠性可用差错率来衡量。 误码率（码元差错率） 误信率（信息差错率）
码元传输速率RB简称传码率，又称符号 速率等。它表示单位时间内传输码元的 数目，单位是波特（Baud），记为B。 例如，若1秒内传2400个码元，则传码率 为2400B。 数字信号有多进制和二进制之分，但码 元速率与进制数无关，只与传输的码元 长度T有关:
1
1
1 0
0
1
t
数字信 息
0
0
1
1
1
0
0
1
PSK波形
(b)
模拟通信系统模型
• 信源发出的是基带信号，具有频率很低的频谱 分量， 一般不宜直接传输。把基带信号变换成
其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收
端进行反变换，是用调制器和解调器实现的。 • 模拟通信系统模型中的发送设备和接收设备主 要是调制器和解调器。
数字通信的主要特点
抗干扰能力强。 远距离传输可消除噪声积累。 采用信道编码技术可控制差错。降低误码率， 提高传输的可靠性。 易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对 信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成 智能网。 易于集成化， 从而使通信设备微型化。 易于加密处理， 且保密强度高。
数字通信的缺点
模拟通信系统模型
模拟 信源 模拟 信宿
调制器
信道 干扰源
解调器
图 1-2 模拟通信系统模型
数字通信系统模型
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通 信系统， 如图 1 - 5 所示。 数字通信涉及的技术问题很多，主要有信源编 码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数 字复接、 同步以及加密等。
3） 加密与解密
在需要实现保密通信的场合，为了保证 所传信息的安全，人为将被传输的数字 序列扰乱，即加上密码，这种处理过程 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，叫解密。
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 移到载频处， 形成适合在信道中传输的 频带信号。 • 基本的数字调制方式有振幅键控ASK、 频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对 （差分）相移键控DPSK。 • 对这些信号可以采用相干解调或非相干 解调还原为数字基带信号。 • 数字调制是本课程的重点内容之一。
综上所述， 信息量I与消息出现的概率 P(x)之间的关系应为 I=loga 1/P(x) =-loga P(x)
信息量的单位与对数底数a有关。 a=2时， 信息量的单位为比特(bit)；a=e时，信息量的单
位为奈特(nat)； a=10时， 信息量的单位为十
进制单位，叫哈特莱。目前广泛使用的单位为
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接收设备
• 功能是完成发送设备的反变换， 即进行 解调、译码、解码等。 • 它的任务是从带有干扰的接收信号中正确 恢复出相应的原始基带信号来，对于多路 复用信号，还包括解除多路复用，实现正 确分路。
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信宿
• 信宿是传输信息的归宿点， 其作用是将 复原的原始信号转换成相应的消息。
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干扰源
数字通信系统模型
数 字 信 源 数 字 信 源
编 码 器 调 制 器
信道 干扰源
解 调 器
译 码 器
信 宿
基发 带生 波器 形
信道
译 码 器
信 宿
干扰源
1) 信源编码与译码
信源编码的作用： • 设法减少码元数目和降低码元速率， 即通常所说的数据压缩。码元速率将 直接影响传输所占的带宽，而传输带 宽又直接反映了通信的有效性。
H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。 等概传输时，有最大熵log2M，于是 Rb=RB log2 M (b/s)
• 占据宽的系统频带，因此数字通信的频带利用率
不高。
• 数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。
• 不过，随着光纤等的采用、 窄带调制技术和超
大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已
经弱化。数字通信将占主导地位。 返回
1.4 信息及其度量
信号是消息的载体，而信息是其内涵。 任何信源产生的输出都是随机的。对接 收者来说，只有消息中不确定的内容才 构成信息；否则，信源输出已确切知晓， 就没有必要再传输它了。 信息量就是对消息中不确定性的度量。
n)出现的概率为P(xi)， 且有 P(xi)=1, 则x1,
i 1
n
x2, …, xn 所包含的信息量分别为-log2 P(x1), -
log2 P(x2)， …，-log2 P(xn)。于是，每个符号
所含信息量的统计平均值，即平均信息量为
H(x)=P(x1)［log2 P(x1)］
+P(x2)［log2 P(x2)］+…+P(xn)［log2 P(xn)］
• 通信系统的主要性能指标是有效性和可 靠性。 • 有效性是指在给定信道内所传输的信息 内容的多少，或者说是传输的“速度”。 • 可靠性是指接收信息的准确程度，也就 是传输的“质量”。
模拟通信系统的有效性和可靠性
有效性可用有效传输频带来度量。 可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。 不同调制方式在同样信道信噪比下所得 到的最终解调后的信噪比是不同的。 如 调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频 信号所需传输频带却宽于调幅。
23102002010312032100120210的信息量。
解 此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现 13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的
信息量为
8 I 23 log 2 14 log 2 4 13 log 2 4 7 log 2 8 108 ( bit ) 3