第 1 章 通信与通信系统的基本概念

1. 第1章 通信与通信系统的基本概念 • 1.1 通信的概念 • 1.2 通信系统 • 1.3 通信方式 • 1.4 信道和传输介质 • 1.5 信号与噪声 • 1.6 信号频谱与信道通频带 通信技术基础 • 王钧铭

2. 前一节课内容回顾 • 信号的频谱； • 衰减； • 失真； • 噪声与干扰。

3. 2.2 数字基带信号的传输 • 基本要求： • 了解码元、信息量、传码率、传信率、误码率、误信率等专用名词的含义； • 会计算多进制数字信号的信息速率； • 了解数字基带信号的常用波形及各自的特点； • 了解数字基带信号的频谱； • 能对数字基带信号进行AMI、HDB3编码。

4. 2.2.1 数字基带信号 • 数字信息可以用数字代码表示，这些数字代码称为信码。如ASCII码 等。

5. U 信码 010011101 +15 +3 0 t - 3 - 15 t t t t t t t t t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 当数字信息要进行传输时，必须有一对应的信号作为信息的载体，最常见的例子是用一个一定时间长度的高电平表示代码0（或1），用相同时间长度的低电平表示代码1（或0）。 • 用来表示每一个信码的数字信号单元称为码元（Symbol）。 • 一个码元延续的时间称为码元长度。

6. U 信码 010011101 +15 +3 0 t - 3 - 15 t t t t t t t t t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 • 未经调制的数字信号称为数字基带信号。 • 数字基带信号是数字消息序列的一种电信号表示形式，它是用不同的电位或脉冲来表示相应的数字消息的，它的主要特点是功率谱集中在零频率附近。其来源主要是计算机数据、各种数字设备产生的信号以及模拟信号经过A/D转换得到的信号。

7. 数字信号码元有两种状态的数字信号称为二进制信号(Binary)。数字信号码元有两种状态的数字信号称为二进制信号(Binary)。 • 一个数字信号的码元可能有m种状态（比如说有m种电平），则称该信号为m进制信号。 • 通常m的取值为4、8、…2N，统称为多进制信号。1位m进制的码元可以表示1位m进制的信码，也可以表示N=log2m位二进制信码。

8. U U 信码 四进制信码 010011101 3 2 0 1 101100010 二进制信码 +15 +3 t 0 t - 3 - 15 0 t t t t 1 2 3 4 t t t t t t t t t 1 2 3 4 5 6 7 8 9

9. 信码中所包含的信息的多少用信息量来衡量，单位为“bit”或“b”。信码中所包含的信息的多少用信息量来衡量，单位为“bit”或“b”。 • 在通信系统中规定每一位二进制信码携带1比特(bit)的信息量。 • 1位二进制码元带有1bit的信息。 • 1位m进制码元带有： （bit）的信息量。 • 如：1位16进制码元带有4bit的信息量

10. 几个基本概念： • 二进制信号：只有两种状态的数字信号，通常用1和0表示。 • 多进制信号：指有多种状态的数字信号。。 • 码元： 单个的数字符号。 • 码元长度：指每个码元延续的时间。 • 信息量：指信号中所包含的信息的多少，单位为“bit”或“b”。

11. 衡量一个数字通信系统的传输能力的指标是传码率或传信率。衡量一个数字通信系统的传输能力的指标是传码率或传信率。 • 传码率是指单位时间内通信系统传送的码元数目，单位为“波特”或“B”。传码率有时也称为符号率（Symbol Rate）。 • 传信率也称为比特率（Bit Rate），是指单位时间内通信系统所传送的信息量，单位为“bit/s”或“bps”。 • m进制通信系统的传信率： r=Rmlog2m（bit/s）。

12. 通信系统用误码率和误信率这两个指标来表征其信息传递的可靠性。通信系统用误码率和误信率这两个指标来表征其信息传递的可靠性。 • 误码率定义为在系统传递过程中出现错误的码元数与总码元数之比。 • 误信率也称为误比特率，指信息在传输过程中丢失的概率。

13. 101100010 、 信码 (a) 单极性NRZ波形 t 双极性NRZ波形 (b) 单极性RZ波形 (c) 双极性RZ波形 (d) 差分波形 (e) 曼彻斯特波形 (f)

14. 单极性非归零（NRZ）波形 • 设数字信号是二进制信号，每个码元分别用0或1表示。这里，基带信号的0电平及正电平分别与二进制符号0及1一一对应。容易看出，这种信号在一个码元时间内，不是有电压（电流）就是无电压（电流），电脉冲之间无间隔，极性单一。

15. 双极性非归零波形 • 指二进制码元1、0分别与正负电平相对应的波形。

16. 单极性归零（RZ）波形 • 单极性归零波形也称占空码，它的特点是有电脉冲的宽度小于码元长度，每个有电脉冲在一个码元内总是要回到零电平。一个码元内高电平的宽度与零电平的宽度之比称为占空比。

17. 双极性归零波形 • 它是双极性波形的归零形式。由图可见，此时对应每一码元都有零电平的间隙，即便是连续的1或0，都能很容易地分辩出每个码元的起止时间，因此接收机在接收这种波形的信号时，很容易从中获取码元同步信息。

18. 差分波形 • 差分波形是一种将信码0和1反映在相邻信号码元的相对极性变化上的波形。比如，以相邻码元的极性改变表示信码1，而以极性不改变表示信码0。可见，这样的波形在形式上与单极性或双极性波形相同，但它所代表的信码与码元本身极性无关，而仅与相邻码元的极性变化有关。 • 差分波形也称相对码波形，而相应地称前面的波形为绝对码波形。

19. 曼彻斯特波形 • 每一个码元被分成高电平和低电平两部分，前一半代表码元的值，后一半是前一半的补码。例如，图中的1码，前半个码是高电平，后半个码元是低电平，0码则反之。从这个波形中可以看到，无论信码如何分布，其高、低电平的延续时间最长不会超过一个码元长度，因此很适合从这个信号中提取码元同步信号。这种码常被用作数字信令码。

20. 数字基带信号的频谱 • 在实际通信中，被传送的信息是收信者事先未知的，因此数字基带信号是随机的脉冲序列。由于随机信号不能用确定的时间函数表示，也就没有确定的频谱函数，因此只能从统计数学的角度，用功率谱来描述它的频域特性。

21. 二进制随机脉冲序列的功率谱一般包含连续谱和离散谱两部分。二进制随机脉冲序列的功率谱一般包含连续谱和离散谱两部分。 • ①连续谱总是存在，通过连续谱在频谱上的分布，可以看出信号功率在频率上的分布情况，从而确定传输数字信号的带宽。 • ②离散谱却不一定存在，它与脉冲波形及出现的概率有关。而离散谱的存在与否关系到能否从脉冲序列中直接提取位定时信号，因此，离散谱的存在非常重要。如果一个二进制随机脉冲序列的功率谱中没有离散谱，则要设法变换基带信号的波形（码型）使功率谱中出现离散部分，以利于位定时信号的提取。

22. P （ ω ） 101010101 t 0 a 1 0 （ ） 、 交替信号 3 Ω 5 Ω Ω 7 Ω ω P （ ω ） 001101011 0 t 0 b （ ）随机信号 ω

23. 2.2.2数字信号的常用码型 • 码型：数字基带信号可以以不同形式的电脉冲出现，电脉冲的存在形式称为码型。 • 码型编码：通常把数字信号的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换，由码型还原为原来数字信号的过程称为码型译码。 • 线路传输码型：在有线信道中传输的数字基带信号又称为线路传输码型

24. 通常由信源编码输出的数字信号多为经自然编码的电脉冲序列（高电平表示1，低电平表示0，或相反），这种信号并不适合于在信道中直接传输。因为：通常由信源编码输出的数字信号多为经自然编码的电脉冲序列（高电平表示1，低电平表示0，或相反），这种信号并不适合于在信道中直接传输。因为： • (1) 这种数字基带信号包含直流分量或低频分量。那么对于一些具有电容耦合电路的设备或者传输频带低端受限的信道（广义信道），信号将可能传不过去。 • (2)自然编码后，有可能出现连“0”或连“1”数据。这时的数字信号会出现长时间不变的低电平或高电平，以致收信端在确定各个码元的位置（定时信息）时遇到困难。换句话说，收信端无法从接收到的数字信号中获取定时（定位）信息。 • (3)对收信端而言，从接收到的这种基带信号中无法判断是否包含有错码。

25. 在设计或选择适合于给定信道传输特性的码型时，要遵循以下原则：在设计或选择适合于给定信道传输特性的码型时，要遵循以下原则： • 能使接收系统从中获取位同步信息。 • 相应的基带信号中无直流成分和极小的低频成分。 • 在信源信码的统计特性发生变化时，不会因此而使系统传输受到影响。 • 不应因编码而使系统的信息传递速率下降。

26. AMI码 • 传号交替反转码常记作AMI码。在AMI码中，二进制码0用0电平表示，二进制码1交替地用+1和-1表示. • AMI码中正负电平脉冲个数大致相等，故无直流分量，低频分量较小； • 只要将基带信号经全波整流变为单极性归零码，便可提取位定时信号； • 利用传号交替反转规则，在接收端可以检错纠错。比如发现有不符合这个规则的脉冲时，就说明传输中出现错误。AMI码是目前最常用的传输码型之一。

27. 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 +E 0 -E • 缺点： • 当出现多个连0时，会给提取定时信号带来困难。 • 其性能与信源统计特性有关，即它的功率谱形状随信息中“1”的出现概率而变化。

28. HDB3 码 • HDB3码的全称是三阶高密度双极性码。 • 编码原理： • 如果信码中没有4个以上的连零，则按AMI码的编码规则对信码进行编码； • 当信码中出现4个以上的连零时，将这4个连零看作是一个连零段，第4个0被改成非零符号（相当于1码），称为V码，如果V码之后紧接着再出现4个以上的连零，则第4个零也改为V码。所有V码的极性必定与其前一个非零符号的极性相同； • 在编码过程中当相邻两个V码的极性可能会相同时，就在第二个V码所在的连零段中将第一个零码改为非零符号，其极性与前一个非零符号的极性相反。

30. 信码 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 原始信号 AMI HDB3 • 编码举例：

31. 虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却相当简单：虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却相当简单： • 只要相邻两个非零符号的极性相同，则后一个码一定是V码，可译作零；V码前一定有三个零码，其中可能存在的B码就可以转换成零码；其余的非零符号无论是正电平或是负电平都译作1码，则HDB3码的译码就可以完成了。

32. HDB3码的特点是明显的，它除了保持AMI码的优点外，还增加了使连0码减少到至多三个的优点，而不管信息源的统计特性如何。这对于同步信号的提取是十分有利的。

33. mBnB码 • HDB3码尽管有许多优点，但它实际上是一个三电平码，给信号的接收带来了很大的不便，而在有些情况下则必须用二电平信号，例如光通信中光只适合于表示两种状态，因此可采用mBnB码。 • mBnB码又称分组码。 • 它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特，且n>m。这样变换后的码流就有了冗余，除了传原来的信息外，还可以传送与误码监测等有关的信息，并且改善了定时信号的提取和直流分量的起伏问题。m、n越大，编码与解码器也越复杂。在光纤通信中，5B6B码被认为在编码复杂性和比特冗余度之间是最合理的折衷，在国内外三、四次群光通信系统中应用较多。

34. 编码时，6B线路码组中的20个均等码组与20个5B输入码组一一对应；15个正不均等码组和15个负不均等码组成15对码组（分别称为正模式和负模式），删去其中三对码组（000011和111100、110000和001111、000111和111000），剩余的12对与5B输入码组的另外12个码组对应；这12对码组交替使用。正模式和负模式交替使用，可以保证线路码中出现0和1的个数均等，无直流起伏，减小了判决电平的漂移。这样，用32个（对）6B线路码组表示了32个5B信号码组。编码时，6B线路码组中的20个均等码组与20个5B输入码组一一对应；15个正不均等码组和15个负不均等码组成15对码组（分别称为正模式和负模式），删去其中三对码组（000011和111100、110000和001111、000111和111000），剩余的12对与5B输入码组的另外12个码组对应；这12对码组交替使用。正模式和负模式交替使用，可以保证线路码中出现0和1的个数均等，无直流起伏，减小了判决电平的漂移。这样，用32个（对）6B线路码组表示了32个5B信号码组。

36. 2.2.3数字信号的基带传输 • 串行传输与并行传输 (Serial Transmission)&（Parallel Transmission）

37. 并行传输的速度快，适合于近距离传输； • 串行传输可以有效地节省信道，远距离通信的唯一的选择。

38. 数字基带（串行）传输系统

39. 基带信号传输原理

40. 码间串扰与眼图 • 窄脉冲信号在通过一个频带较窄的传输系统（或电路）时，信号波形会展宽，造成对相邻波形的干扰。这种干扰在数字通信中称为码间串扰（Inter-symbol Interference）。 • 码间串扰的大小跟脉冲形状及传输系统的传输特性有关，一般来说，脉冲越窄，码间串扰越大；传输带宽越宽，码间串扰越小。 • 从理论上讲，当满足一定的条件时，码间串扰可以消除。

41. 脉冲展宽 码元之间的相互干扰

42. 无码间串扰的条件 • 设基带系统频带宽度为W Hz，则该系统无码间串扰时最高的传输速率为2W 波特。这个传输速率通常被称为: • 奈奎斯特速率（Nyquist rate） • 根据这个条件可知，一个带宽为3kHz的传输系统，其最高的码元速率为600kBaud. • 在GSM移动通信系统中，每一个信道的带宽是25kHz，信号的传输速率（二进制传输）是33.8kbps。

43. (a) Ts (b) • 将待测的基带信号加到示波器的输入端，同时把位定时信号作为扫描同步信号。这样示波器对基带信号的扫描周期严格与码元周期同步，各码元的波形就会重叠起来。对于二进制数字信号，这个图形与人眼相像，所以称为“眼图” （Eye Diagram)。

45. 眼图模型

46. 判决电平：图形的水平中线是信号的电平分界线，多数情况下就以这个电平作为判决电平，高于中线的可以认为是高电平，低于中线的可认为是低电平判决电平：图形的水平中线是信号的电平分界线，多数情况下就以这个电平作为判决电平，高于中线的可以认为是高电平，低于中线的可认为是低电平 • 最佳判决时刻：图形的垂直中线是最佳的判决时刻，因为在这时，信号高电平最高，低电平最低，而其它时间高低电平相距较近，这样，在相同的噪声条件下，在这时进行判决将高电平判为低电平（或将低电平判为高电平）的可能性最小，也就是抗噪声的能力比较强； • 噪声容限：表示只要噪声的幅度不超过这个高度，就不会在判决时刻将高电平判为低电平，也不会将低电平判为高电平；

47. 时间误差灵敏度：以眼图斜边的斜率表示，在信号接收时，由于时钟误差，实际的判决时间可能会偏离最佳判决时刻，斜率越大，对时间的误差就越灵敏，也就是对时钟的准确度要求就越高；时间误差灵敏度：以眼图斜边的斜率表示，在信号接收时，由于时钟误差，实际的判决时间可能会偏离最佳判决时刻，斜率越大，对时间的误差就越灵敏，也就是对时钟的准确度要求就越高； • 过零点畸变：无码间串扰时，信号过零点的时间（与判决电平相交点）与最佳判决时刻有固定的时间差，而有码间串扰时，这个时间就会前后变化。因为在同步接收时，接收机提取的时钟相位往往与过零点的时间有关，如果这个时间前后变化，就会造成时钟信号的相位抖动，因而引起判决脉冲的前后抖动，增加误码。 • 取样信号畸变：反映在判决时刻信号一种电平（高电平或低电平）的大小变化范围。

48. 误码检测 • 用来进行系统测试的测试码通常采用伪噪声码（简称伪码PN）

49. 2.2.4同步传输与异步传输 • 如前所述，数据经过传输到达接收点后波形发生了变化，接收端需要有一个定时脉冲对接收到的每一个码元进行取样判决。显然，接收端的取样脉冲频率与发送端的时钟频率应该相同，等于码元速率，并且相位要适当，以便在最佳判决时刻进行判决。 • 接收端一般有三种方法获得码元定时脉冲： • ⑴由一个主时钟为收发双方提供码元定时脉冲，称为主时钟方式，如图2-23； • ⑵接收端从发送端获得码元定时脉冲，称为引导时钟方式，如图2-24； • ⑶接收端自行产生码元定时脉冲。