數(shù)字通信原理第一章ppt課件

1、第1章 緒 論,1.1 通信的發(fā)展 1.2 通信的概念 1.3 通信系統(tǒng) 1.4 信息論基礎(chǔ) 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo),1.1 通信的發(fā)展,1.1.1 通信發(fā)展簡(jiǎn)史 1838年，摩爾斯發(fā)明有線(xiàn)電報(bào)，開(kāi)始了電通信階段 1864年，麥克斯韋創(chuàng)立了電磁輻射理論 1876年，貝爾利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了電話(huà) 1888年，赫茲用實(shí)驗(yàn)證明電磁理論，促使后來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的出現(xiàn) 1896年，馬可尼發(fā)明無(wú)線(xiàn)電報(bào) 1937年，雷沃斯發(fā)明脈沖編碼調(diào)制，奠定了數(shù)字通信基礎(chǔ) 1946年，第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世 1947年，晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，為通信器件的進(jìn)步創(chuàng)造了條件 1948年，香農(nóng)提出了信息論，建立了通信統(tǒng)計(jì)

2、理論 1961年，發(fā)明集成電路 20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)出現(xiàn) 20世紀(jì)90年代，蜂窩電話(huà)系統(tǒng)開(kāi)通,1.1.2 通信技術(shù)的發(fā)展與展望 電纜通信 （有線(xiàn)） 微波中繼通信 （無(wú)線(xiàn)） 光纖通信 （有線(xiàn)） 衛(wèi)星通信 （無(wú)線(xiàn)） 移動(dòng)通信 （無(wú)線(xiàn),目前廣泛應(yīng)用的是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)， 采用時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)數(shù)字接入技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)有歐洲的GSM系統(tǒng)、 美國(guó)的IS-95系統(tǒng)、日本的PDC系統(tǒng)。我國(guó)主要采用的是歐洲的GSM系統(tǒng)。 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）是向未來(lái)個(gè)人通信發(fā)展的一個(gè)重要階段，具有里程碑和劃時(shí)代的意義,1.2 通 信 的 概 念,1.2.1 通信的定義 通信(Communi

3、cation)就是信息的傳遞，是指由一地向另一地進(jìn)行信息的傳輸與交換，其目的是傳輸消息,1.2.2 通信的分類(lèi) 1. 按傳輸媒質(zhì)分類(lèi) 按傳輸媒質(zhì)的不同， 通信可分為有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信。 有線(xiàn)通信特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見(jiàn)，摸得著。 無(wú)線(xiàn)通信特點(diǎn)是傳輸媒質(zhì)看不見(jiàn)、摸不著。,2. 按信道中傳輸?shù)男盘?hào)分類(lèi) 模擬信號(hào)是指信號(hào)的某一參量有無(wú)限個(gè)取值。 數(shù)字信號(hào)是指信號(hào)的某一參量只有有限個(gè)取值。 參量可以是連續(xù)波的振幅、頻率、相位或是脈沖波的振幅、寬度、位置等,3. 按工作頻段分類(lèi) 根據(jù)通信設(shè)備的工作頻率不同，可分為長(zhǎng)波通信、 中波通信、短波通信、微波通信等,通信中的工作頻率和工作波長(zhǎng)可互換， 公式為,1-1,式

4、中, 為工作波長(zhǎng)；f為工作頻率；C為電波在自由空間中的傳播速度，通常認(rèn)為C=3108 m/s,4. 按調(diào)制方式分類(lèi) 根據(jù)消息在送到信道之前是否采用調(diào)制，通信可分為基帶傳輸和頻帶傳輸。 基帶傳輸：信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制而直接送到信道中去傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑?頻帶傳輸：信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后再送到信道中傳輸，接收端有相應(yīng)解調(diào)措施的通信方式,表 1-3 常用的調(diào)制方式,1.2.3 通信的方式 1. 按消息傳送的方向與時(shí)間分類(lèi) 按消息傳送的方向與時(shí)間不同，可分為單工通信、 半雙工通信及全雙工通信。,a） 單工方式； (b) 半雙工方式； (c) 全雙工方式,2. 按數(shù)字信號(hào)排序分類(lèi) 按照數(shù)字信號(hào)排列的順序， 分為串序傳

5、輸和并序傳輸。 串序傳輸：數(shù)字信號(hào)序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑?并序傳輸：數(shù)字信號(hào)序列被分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)序列同時(shí)在信道上傳輸,圖1-2 按數(shù)字信號(hào)排序劃分的通信方式 (a) 串序傳輸方式 ； (b) 并序傳輸方式,3. 按通信網(wǎng)絡(luò)形式分類(lèi) 通信的網(wǎng)絡(luò)形式通?？煞譃槿N：兩點(diǎn)間直通方式、分支方式和交換方式,a) 兩點(diǎn)間直通方式； (b) 分支方式； (c) 交換方式,分支方式及交換方式均屬網(wǎng)通信的范疇。無(wú)疑，它們和兩點(diǎn)間直通方式相比，還有其特殊的一面。例如，網(wǎng)通信中有一套具體的線(xiàn)路交換與消息交換的規(guī)定、協(xié)議等，其中既有信息控制問(wèn)題，也有網(wǎng)同步問(wèn)題等，盡管如此，

6、網(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信。 因此，本書(shū)只把注意力集中到點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上，而對(duì)網(wǎng)通信只限于基礎(chǔ)知識(shí)介紹,1.3 通信系統(tǒng),1.3.1 通信系統(tǒng)的模型,1.3.2 模擬通信系統(tǒng),1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng) 1. 數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng),2. 數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng) 與頻帶傳輸系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，我們把沒(méi)有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng),3. 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng) 在日常生活中，大部分信號(hào)(如語(yǔ)音信號(hào))為連續(xù)變化的模擬信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸，則必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)數(shù)字化，即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在接收端需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換,1.3.4 數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)

7、和缺點(diǎn) 1. 數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn) (1) 抗干擾、抗噪聲性能好。 (2) 差錯(cuò)可控。 (3) 易加密。 (4) 易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合,2. 數(shù)字通信的主要缺點(diǎn) 數(shù)字通信相對(duì)于模擬通信來(lái)說(shuō)，主要有以下兩個(gè)缺點(diǎn)： (1) 頻帶利用率不高。數(shù)字通信中，數(shù)字信號(hào)占用的頻帶較寬。以電話(huà)為例，一路數(shù)字電話(huà)一般要占據(jù)約2060 kHz的帶寬，而一路模擬電話(huà)僅占用約4 kHz的帶寬。 (2) 需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)。數(shù)字通信中，要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號(hào)，必須要求接收端和發(fā)送端保持嚴(yán)格同步。因此，數(shù)字通信系統(tǒng)及設(shè)備一般都比較復(fù)雜，體積較大,1.4 信 息 論 基 礎(chǔ),1.4.1 信息的度量 “信息”(information

8、)與消息(message) 信息：消息中包含的有意義的內(nèi)容； 傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量”進(jìn)行衡量。 對(duì)接收者來(lái)說(shuō)，事件愈不可能發(fā)生，愈會(huì)使人感到意外，則信息量就愈大,由概率論可知，事件的不確定程度可用事件出現(xiàn)的概率來(lái)描述，事件出現(xiàn)(發(fā)生)的可能性愈小，概率愈?。环粗?，概率愈大。 因此，消息中的信息量與消息發(fā)生的概率緊密相關(guān)，消息出現(xiàn)的概率愈小，消息中包含的信息量就愈大，且概率為零時(shí)(不可能發(fā)生事件)信息量為無(wú)窮大， 概率為1時(shí)(必然事件)信息量為0,綜上所述，可以得出消息中所含信息量與消息出現(xiàn)的概率之間的關(guān)系應(yīng)反映如下規(guī)律： (1) 消息中所含信息量I是消息出現(xiàn)的概率P(x)的函數(shù)，

9、 即,I=IP(x,1-2,2) 消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大，反之信息量愈小，即,3) 若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息， 其所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量的和， 即,可以看出，I與P(x)間若滿(mǎn)足以上三點(diǎn)， 則它們有如下關(guān)系式,1-3,信息量I的單位與對(duì)數(shù)的底數(shù)a有關(guān)：a=2 單位為比特(bit，或b)；a=e 單位為奈特(nat，或n)；a=10 單位為笛特(Det)或稱(chēng)為十進(jìn)制單位；a=r 單位稱(chēng)為r進(jìn)制單位,例1.1】 試計(jì)算二進(jìn)制符號(hào)等概率和多進(jìn)制(M進(jìn)制)等概率時(shí)每個(gè)符號(hào)的信息量。 解：二進(jìn)制等概率時(shí)，即P(1)=P(0)=1/2,M進(jìn)制等概率時(shí)，有,P(1)=P(2)=P(

10、M)=1/M,例1.2】 試計(jì)算二進(jìn)制符號(hào)不等概率時(shí)的信息量(設(shè)P(1)=P)。 解 P(1)=P， 故P(0)=1-P，則,可見(jiàn), 不等概率時(shí)， 每個(gè)符號(hào)的信息量不同,把P(1)=P代入，則,下面計(jì)算多個(gè)信息符號(hào)的平均信息量。設(shè)各符號(hào)出現(xiàn)的概率為,則每個(gè)符號(hào)所含信息的平均值(平均信息量)為,由于平均信息量同熱力學(xué)中的熵形式相似，故通常又稱(chēng)它為信息源的熵，平均信息量的單位為bit/符號(hào)(比特/符號(hào))。 當(dāng)離散信息源中每個(gè)符號(hào)等概出現(xiàn)，而且各符號(hào)的出現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)，該信息源的信息量最大。此時(shí)最大熵（平均信息量）為,例1.3 設(shè)由5個(gè)符號(hào)組成的信息源， 其相應(yīng)概率為,解,5個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí),例1

11、.4】 一信息源由4個(gè)符號(hào)A、B、C、D組成，它們出現(xiàn)的概率為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求信息源輸出為CABACABDACBDAABDCACBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。 解：信源輸出的信息序列中，A出現(xiàn)23次，B出現(xiàn)14次，C出現(xiàn)13次，D出現(xiàn)7次，共有57個(gè)。則出現(xiàn)A的信息量為,出現(xiàn)B的信息量為,出現(xiàn)C的信息量為,出現(xiàn)D的信息量為,該信息源總的信息量為,I=30.11+28.35+27.72+21.18=107.36 (bit,每一個(gè)符號(hào)的平均信息量為,上面計(jì)算中，我們沒(méi)有利用每個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率來(lái)計(jì)

12、算，而是用每個(gè)符號(hào)在57個(gè)符號(hào)中出現(xiàn)的次數(shù)(頻度)來(lái)計(jì)算的,實(shí)際上，用平均信息量公式(1-5)直接計(jì)算可得,總的信息量為,I=571.90=108.30 (bit,可以看出，本例中兩種方法的計(jì)算結(jié)果是有差異的，原因就是前一種方法中把頻度視為概率來(lái)計(jì)算。當(dāng)信源中符號(hào)出現(xiàn)的數(shù)目m時(shí)，則上兩種計(jì)算方法結(jié)果一樣。 當(dāng)57個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí),1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo),1.5.1 一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 有效性和可靠性。 有效性是指要求通信系統(tǒng)高效率地傳輸消息。 可靠性是指要求通信系統(tǒng)可靠地傳輸消息。 兩者是相互矛盾的,1.5.2 通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo),1. 碼元傳輸速率RB 又可稱(chēng)為碼元速率、數(shù)碼

13、率、傳碼率、 碼率、信號(hào)速率或波形速率。 碼元速率是指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特(Baud)， 常用符號(hào)“B”表示(注意，不能用小寫(xiě))。 例如，系統(tǒng)在2s內(nèi)共傳送了4800個(gè)碼元，則系統(tǒng)的傳碼率為2400B。 碼元速率RB與信號(hào)的進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與碼元寬度Tb有關(guān),通常在給出系統(tǒng)碼元速率時(shí)，有必要說(shuō)明碼元的進(jìn)制， 多進(jìn)制(N)碼元速率RBN與二進(jìn)制碼元速率RB2，在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下可相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為,RB2=RBNlbN (B,式中，N=2, 3, 4,1-8,2. 信息傳輸速率 又可稱(chēng)為信息速率、傳信率、比特率等。指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳送的信息量，單位為

14、比特/秒(bit/s)，簡(jiǎn)記為b/s或bps。例如，若某信源在1秒鐘內(nèi)傳送1200個(gè)符號(hào)，且每一個(gè)符號(hào)的平均信息量為1(bit)，則該信源的=1200b/s或1200 bps。 因?yàn)樾畔⒘颗c信號(hào)進(jìn)制數(shù)N有關(guān)，因此， 也與N有關(guān),3.Rb與RB之間的互換 在二進(jìn)制中，碼元速率RB2同信息速率Rb2在數(shù)值上相等， 但單位不同。 在多進(jìn)制中，RBN與RbN之間數(shù)值不同，單位亦不同。它們之間在數(shù)值上有如下關(guān)系式,1-9,在碼元速率保持不變的條件下，二進(jìn)制信息速率Rb2與多進(jìn)制信息速率RbN之間的關(guān)系為,1-10,例1.5】 已知二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)在2min內(nèi)共傳送了72 000個(gè)碼元，(1) 問(wèn)其碼元速率和信息速率各為多少? (2) 如果碼元寬度不變(即碼元速率不變)，但改為八進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，則其碼元速率為多少? 信息速率又為多少? 解： (1) 在260s內(nèi)傳送了72 000個(gè)碼元,2) 若改為八進(jìn)制,4.頻帶利用率 頻帶利用率指的是傳輸效率問(wèn)題。如果頻帶利用率高，說(shuō)明通信系統(tǒng)的傳輸效率高，否則相反。 頻帶利用