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 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標,1.1 通信的發(fā)展,1.1.1 通信發(fā)展簡史 1838年，摩爾斯發(fā)明有線電報，開始了電通信階段 1864年，麥克斯韋創(chuàng)立了電磁輻射理論 1876年，貝爾利用電磁感應原理發(fā)明了電話 1888年，赫茲用實驗證明電磁理論，促使后來無線通信的出現(xiàn) 1896年，馬可尼發(fā)明無線電報 1937年，雷沃斯發(fā)明脈沖編碼調制，奠定了數(shù)字通信基礎 1946年，第一臺數(shù)字電子計算機問世 1947年，晶體管在貝爾實驗室問世，為通信器件的進步創(chuàng)造了條件 1948年，香農(nóng)提出了信息論，建立了通信統(tǒng)計

2、理論 1961年，發(fā)明集成電路 20世紀80年代，計算機局域網(wǎng)出現(xiàn) 20世紀90年代，蜂窩電話系統(tǒng)開通,1.1.2 通信技術的發(fā)展與展望 電纜通信 （有線） 微波中繼通信 （無線） 光纖通信 （有線） 衛(wèi)星通信 （無線） 移動通信 （無線,目前廣泛應用的是第二代移動通信系統(tǒng)， 采用時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)數(shù)字接入技術，標準有歐洲的GSM系統(tǒng)、 美國的IS-95系統(tǒng)、日本的PDC系統(tǒng)。我國主要采用的是歐洲的GSM系統(tǒng)。 第三代移動通信系統(tǒng)（3G）是向未來個人通信發(fā)展的一個重要階段，具有里程碑和劃時代的意義,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 1. 按傳輸媒質分類 按傳輸媒質的不同， 通信可分為有線通信和無線通信。 有線通信特點是媒質能看得見，摸得著。 無線通信特點是傳輸媒質看不見、摸不著。,2. 按信道中傳輸?shù)男盘柗诸?模擬信號是指信號的某一參量有無限個取值。 數(shù)字信號是指信號的某一參量只有有限個取值。 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 根據(jù)通信設備的工作頻率不同，可分為長波通信、 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可互換， 公式為,1-1,式

4、中, 為工作波長；f為工作頻率；C為電波在自由空間中的傳播速度，通常認為C=3108 m/s,4. 按調制方式分類 根據(jù)消息在送到信道之前是否采用調制，通信可分為基帶傳輸和頻帶傳輸。 基帶傳輸：信號沒有經(jīng)過調制而直接送到信道中去傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑?頻帶傳輸：信號經(jīng)過調制后再送到信道中傳輸，接收端有相應解調措施的通信方式,表 1-3 常用的調制方式,1.2.3 通信的方式 1. 按消息傳送的方向與時間分類 按消息傳送的方向與時間不同，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)字信號排序分類 按照數(shù)字信號排列的順序， 分為串序傳

5、輸和并序傳輸。 串序傳輸：數(shù)字信號序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑?并序傳輸：數(shù)字信號序列被分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號序列同時在信道上傳輸,圖1-2 按數(shù)字信號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)絡形式分類 通信的網(wǎng)絡形式通常可分為三種：兩點間直通方式、分支方式和交換方式,a) 兩點間直通方式； (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。無疑，它們和兩點間直通方式相比，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題，也有網(wǎng)同步問題等，盡管如此，

6、網(wǎng)通信的基礎仍是點與點之間的通信。 因此，本書只把注意力集中到點與點之間的通信上，而對網(wǎng)通信只限于基礎知識介紹,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)相對應，我們把沒有調制器/解調器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng),3. 模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng) 在日常生活中，大部分信號(如語音信號)為連續(xù)變化的模擬信號，要實現(xiàn)模擬信號在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸，則必須在發(fā)送端將模擬信號數(shù)字化，即進行A/D轉換；在接收端需進行相反的轉換，即D/A轉換,1.3.4 數(shù)字通信的主要優(yōu)點

7、和缺點 1. 數(shù)字通信的主要優(yōu)點 (1) 抗干擾、抗噪聲性能好。 (2) 差錯可控。 (3) 易加密。 (4) 易于與現(xiàn)代技術相結合,2. 數(shù)字通信的主要缺點 數(shù)字通信相對于模擬通信來說，主要有以下兩個缺點： (1) 頻帶利用率不高。數(shù)字通信中，數(shù)字信號占用的頻帶較寬。以電話為例，一路數(shù)字電話一般要占據(jù)約2060 kHz的帶寬，而一路模擬電話僅占用約4 kHz的帶寬。 (2) 需要嚴格的同步系統(tǒng)。數(shù)字通信中，要準確地恢復信號，必須要求接收端和發(fā)送端保持嚴格同步。因此，數(shù)字通信系統(tǒng)及設備一般都比較復雜，體積較大,1.4 信 息 論 基 礎,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容； 傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量”進行衡量。 對接收者來說，事件愈不可能發(fā)生，愈會使人感到意外，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，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(不可能發(fā)生事件)信息量為無窮大， 概率為1時(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)的概率之間的關系應反映如下規(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) 若干個互相獨立事件構成的消息， 其所含信息量等于各獨立事件信息量的和， 即,可以看出，I與P(x)間若滿足以上三點， 則它們有如下關系式,1-3,信息量I的單位與對數(shù)的底數(shù)a有關：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)或稱為十進制單位；a=r 單位稱為r進制單位,例1.1】 試計算二進制符號等概率和多進制(M進制)等概率時每個符號的信息量。 解：二進制等概率時，即P(1)=P(0)=1/2,M進制等概率時，有,P(1)=P(2)=P(

10、M)=1/M,例1.2】 試計算二進制符號不等概率時的信息量(設P(1)=P)。 解 P(1)=P， 故P(0)=1-P，則,可見, 不等概率時， 每個符號的信息量不同,把P(1)=P代入，則,下面計算多個信息符號的平均信息量。設各符號出現(xiàn)的概率為,則每個符號所含信息的平均值(平均信息量)為,由于平均信息量同熱力學中的熵形式相似，故通常又稱它為信息源的熵，平均信息量的單位為bit/符號(比特/符號)。 當離散信息源中每個符號等概出現(xiàn)，而且各符號的出現(xiàn)為統(tǒng)計獨立時，該信息源的信息量最大。此時最大熵（平均信息量）為,例1.3 設由5個符號組成的信息源， 其相應概率為,解,5個符號等概率出現(xiàn)時,例1

11、.4】 一信息源由4個符號A、B、C、D組成，它們出現(xiàn)的概率為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。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。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,每一個符號的平均信息量為,上面計算中，我們沒有利用每個符號出現(xiàn)的概率來計

12、算，而是用每個符號在57個符號中出現(xiàn)的次數(shù)(頻度)來計算的,實際上，用平均信息量公式(1-5)直接計算可得,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算結果是有差異的，原因就是前一種方法中把頻度視為概率來計算。當信源中符號出現(xiàn)的數(shù)目m時，則上兩種計算方法結果一樣。 當57個符號等概率出現(xiàn)時,1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標,1.5.1 一般通信系統(tǒng)的性能指標 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,1. 碼元傳輸速率RB 又可稱為碼元速率、數(shù)碼

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

14、比特/秒(bit/s)，簡記為b/s或bps。例如，若某信源在1秒鐘內傳送1200個符號，且每一個符號的平均信息量為1(bit)，則該信源的=1200b/s或1200 bps。 因為信息量與信號進制數(shù)N有關，因此， 也與N有關,3.Rb與RB之間的互換 在二進制中，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)值上有如下關系式,1-9,在碼元速率保持不變的條件下，二進制信息速率Rb2與多進制信息速率RbN之間的關系為,1-10,例1.5】 已知二進制數(shù)字信號在2min內共傳送了72 000個碼元，(1) 問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)，但改為八進制數(shù)字信號，則其碼元速率為多少? 信息速率又為多少? 解： (1) 在260s內傳送了72 000個碼元,2) 若改為八進制,4.頻帶利用率 頻帶利用率指的是傳輸效率問題。如果頻帶利用率高，說明通信系統(tǒng)的傳輸效率高，否則相反。 頻帶利用