第1章 數(shù)字通信基礎知識

1、 4G:第四代移動電話行動通信標準，指的是第四代移動通信技術， the 4th Generation mobile communication technology，外語縮寫： 4G。該技術包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式（嚴格意義上來講，LTE 只是3.9G，盡管被宣傳為4G無線標準，但它其實并未被3GPP認可為國際 電信聯(lián)盟所描述的下一代無線通訊標準IMT-Advanced，因此在嚴格意義 上其還未達到4G的標準。只有升級版的LTE Advanced才滿足國際電信聯(lián) 盟對4G的要求）。4G是集3G與WLAN于一體，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、 高質量、音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100M

2、bps以上的速度下載，比 目前的家用寬帶ADSL（4兆）快25倍，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無 線服務的要求。此外，4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的 地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。 相關知識： 3G是第三代移動通信技術，3rd-Generation，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?窩移動通訊技術。3G服務能夠同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps 以上。3G是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結合的新一代移動通信系 統(tǒng)，目前3G存在3種標準：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。 2G，2-Generation wireless

3、telephone technology，第二代手機通信技 術規(guī)格，以數(shù)字語音傳輸技術為核心。一般定義為無法直接傳送如電子郵件、 軟件等信息；只具有通話和一些如時間日期等傳送的手機通信技術規(guī)格。不過 手機短信在它的某些規(guī)格中能夠被執(zhí)行。它在美國通常稱為“個人通訊服務” （外語縮寫：PCS）。 3G相對第一代模擬制式手機（1G）和第二代GSM、CDMA等數(shù)字手機（2G）， 第三代手機一般地講，是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結合的新一 代移動通信系統(tǒng)。它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括 網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務。為了提供這種服務，無線網(wǎng) 絡必須能夠支持不

4、同的數(shù)據(jù)傳輸速度，也就是說在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中 能夠分別支持至少2Mbps（兆比特/每秒）、384kbps（千比特/每秒）以及 144kbps(千比特/每秒)的傳輸速度。 2G(second generation）表示第二代移動通訊技術。代表為GSM。以數(shù)字語 音傳輸技術為核心。1G（first generation）表示第一代移動通訊技術，以模 擬技術為基礎的蜂窩無線電話系統(tǒng)，如現(xiàn)在已經(jīng)淘汰的模擬移動網(wǎng)。1G無線系 統(tǒng)在設計上只能傳輸語音流量，并受到網(wǎng)絡容量的限制。AMPS為1G網(wǎng)絡的典型 代表。 第一代移動通信技術（1G）是指最初的模擬、僅限語音的蜂窩電話標準， 制定于上世紀80年代

5、。Nordic移動電話（NMT）就是這樣一種標準，應用于 Nordic國家、東歐以及俄羅斯。其它還包括美國的高級移動電話系統(tǒng)（AMPS）， 英國的總訪問通信系統(tǒng)（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Netz，法國的 Radiocom 2000和意大利的RTMI。模擬蜂窩服務在許多地方正被逐步淘汰。 大哥大最早是美國摩托羅拉公司工程師在1973年發(fā)明，是手提電話的俗稱。 但是只流行于手提電話初面世那幾年，等到大部分人手里都有一部而且是最新 款時，就改稱手機了。第二代手機（2G），以GSM制式和CDMA為主。它們都 是數(shù)字制式的，除了可以進行語音通信以外，還可以收發(fā)短信（短消息、SMS）、

6、 MMS（彩信、多媒體短信）、無線應用協(xié)議（WAP）等。 1.1 1.1 數(shù)字通信系統(tǒng)的構成數(shù)字通信系統(tǒng)的構成 1.1.1 1.1.1 信息與信號信息與信號 信息：對接受信息者有一定意義的某一有待定傳遞、交 換、提取或存儲的內(nèi)容，是客觀世界和主觀世界共同作 用的產(chǎn)物。 信號：攜帶信息的載體。 信息是依靠信號進行傳遞和交流的，這是通信的主要目 的和內(nèi)容。 語音、文字、圖像或數(shù)據(jù)等統(tǒng)稱為消息。將消息給予 受信者的新知識稱為信息，預先不知道的消息成為信息。 消息的表現(xiàn)形式成為信號，信號是帶有消息的一種物理 量，若用電來傳送消息，發(fā)信者須把消息轉換成隨時間 變化的電壓或電流，這就是電信號。 1.1.2

7、 模擬信號與數(shù)字信號 1. 模擬信號 概念：代表信息的信號幅度的取值隨時間連續(xù)變化， 即在某一時間范圍內(nèi)可以取無限多個數(shù)值，則該信 號為模擬信號。如下圖所示 2. 數(shù)字信號 概念：凡信號的某一參量只能取有限個數(shù)值，并且常 常不直接與消息相對應，代表信息的信號幅度取值是 離散變化的，即在某一瞬間具有有限個狀態(tài)或稱狀態(tài)可 數(shù)，則這樣的信號稱為數(shù)字信號。如下圖所示： 數(shù)字信號與模擬信號 3.模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別 模擬信號有時侯也稱連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號 的某一參量可以連續(xù)變化，而不一定在時間上也連續(xù)。 PAM信號 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

8、時間上也離散。 模擬信號適合與傳輸，數(shù)字信號則比較適合與處理。 模擬信號與數(shù)字信號可以互相轉換。 基帶信號與頻帶信號 基帶信號即直接由信息轉換得到的電信號。這種信號的頻 率都是比較低的，含有低頻成分甚至直流成分，而且最高頻率 和最低頻率比值很大，可以遠大于1?；鶐盘柌贿m于較長距 離傳輸，更不能進行無線電發(fā)送。例如語音信號就是一種典型 的基帶信號，其頻率在100Hz5kHz范圍內(nèi)，但主要能量集中在 2003000Hz范圍內(nèi)。又如電視圖像信號的頻率在06MHz范圍以 內(nèi)。計算機數(shù)據(jù)信號的頻率范圍與傳輸速率有關，也屬于基帶 信號?；鶐盘柧褪侵苯佑尚盘栟D換成的電信號,頻率低，含 有低頻成分或直流成

9、分，最高最低頻率比值大?；鶐盘柌贿m 于較長距離傳輸，不能無線電發(fā)送。例語音，圖像。 頻帶信號，經(jīng)過各種正弦調制后，基帶信號的頻譜被搬移 到比較高的頻率范圍。中心頻率相對較高，帶寬窄，適于在信 道中傳輸。常見的調制方式有AM,SSB,FM,PM,ASK,FAK,PSK等。 1.1.3 通信系統(tǒng)的構成、分類及通信方式 1.構成 信源：信息的來源 變換器：將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘?。主要擔負將輸入?息變換為電信號的任務。由輸入變換器輸出的信號應反映輸入信號的全部信息，此信 號即為基帶信號 信道：信號的傳輸通道。 反變換器：功能與變換器相反,將接收設備輸出的電信號變換成原來形式的

10、消息。 信宿：信息傳送的終點，即信息的接收者 噪聲源：并不是一個人為實現(xiàn)的實體，但在通信系統(tǒng)中又是客觀存在的,作為一種分 析問題的方法，我們將信號在傳輸過程中混入的噪聲及由于干擾引起的信號失真集中、 在一起，作為信道中的干擾源來進行分析處理。 通信系統(tǒng)的基本組成 人類單方面獲取信息不是通信。打電話、E-mail等則是典型的通信過程。 通信的定義：從一地向另一地的傳遞和交換信息。 基本的通信系統(tǒng)應該有: 圖1-2通信網(wǎng)的組成 一點對一點（或多點）的通信方式，全連通網(wǎng)。 各個用戶接到一個可以任意選擇通信路由的中心交換 中心，以轉接交換設備為核心，由用戶終端、傳輸系統(tǒng)有 機連接的整體稱為通信網(wǎng)。 總

11、之，一個完備的通信系統(tǒng)應由信道、終端信號處理設備、轉接交 換設備和管理中心等組成。通信的根本目的是傳輸代表信號的電信號， 即研究信號的傳輸、處理和轉接問題。 2. 2. 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 (1)按照業(yè)務內(nèi)容的不同，通信可分為電報、電話、 傳真、數(shù)據(jù)通信、無線尋呼等。 (2)按照傳輸信道的不同，通信可分為有線通信和無 線通信。 (3)按信道中所傳輸信號的不同，通信系統(tǒng)可以分為 模擬通信和數(shù)字通信兩大類。 3. 3. 數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 一個數(shù)字通信系統(tǒng)應包括8個主要組成部分：信源、 編碼器、調制器、信道、解調器、譯碼器、信宿、定時與 同步系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng) 傳輸模擬

12、信號 語音或圖像電信號，具有低通的性質， 又稱基帶信號，即信號的頻譜是從零附近開 始的。語音信號的頻率范圍為3003400hz， 圖像信號的頻率范圍06MHZ，不變換為基 帶傳輸。將基帶信號經(jīng)過調制，將其頻譜搬 移到無線信道。 4 4通信方式通信方式 （1）按信號傳輸?shù)姆较蚝蜁r間可分為單工通信、 半雙工通信和全雙工通信。 （2）按數(shù)字信號排序的方式可分為并行通信和串 行通信。 （3）按通信終端的數(shù)量可分為點到點通信、一點到 多點通信和多點到多點通信。在兩個通信終端之間 進行的通信稱為點到點通信；一點到多點通信是指 一個通信終端對多個通信終端之間進行的通信；而 多個通信終端對多個通信終端之間進行

13、的通信即為 多點到多點通信。 （4）按通信終端的連接方式可分為直聯(lián)方式和交換 方式。直聯(lián)方式是指各通信終端之間均有直聯(lián)線路 并可直接進行通信的方式；而交換方式則是指通信 終端之間沒有直聯(lián)線路，需經(jīng)過交換設備進行連接 的通信方式。 衡量、比較和評價一個通信系統(tǒng)的優(yōu)劣，必然要涉 及系統(tǒng)的各種性能指標。 有效性：指系統(tǒng)信息的傳輸速度。 可靠性：指系統(tǒng)信息的傳輸質量。 適應性：指系統(tǒng)使用時的環(huán)境條件。 經(jīng)濟性：指系統(tǒng)的成本。 標準性：指系統(tǒng)的接口、各種結構及協(xié)議是否 符合國家標準和國際標準。 保密性：指系統(tǒng)是否便于加密。 維修性：指系統(tǒng)是否維修方便。 工藝性：指系統(tǒng)的各種工藝要求。 其中最主要的是有效

14、性和可靠性 1.2.1 1.2.1 比特與碼元比特與碼元 1 1比特比特 比特(bit，可簡寫為b)是信息量的單位，而信息 量又是信息多少的一種量度。 2 2碼元碼元 攜帶信息的數(shù)字單元稱為碼元。在數(shù)字信道中傳 遞的數(shù)字信號的一個波形符號就是一個碼元。它可 能是二進制的，一個碼元對應1 bit的信息量；也可 能是多進制的，例如，在數(shù)字調相的八進制相移鍵 控(8PSK)中，一個八進制碼元所攜帶的信息量為3 bit。 1.2.2 1.2.2 有效性指標有效性指標 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，有效性指標主要以信息傳輸速 率、符號傳輸速率和頻帶利用率來描述。傳輸速率和頻 帶利用率越高，表示系統(tǒng)的有效性越好。 1

15、 1信息傳輸速率信息傳輸速率 信息傳輸速率又稱比特速率，是指數(shù)字通信系統(tǒng)在 單位時間內(nèi)傳送的比特數(shù)，單位為bit/s、b/s(比特/秒) 或kbit/s、kb/s(千比特/秒)，或Mbit/s、Mb/s(兆比 特/秒)，或Gbit/s、Gb/s(吉比特/秒)等。有時也用 bps(bit per second)作為比特速率的單位，它與b/s是 等價的。 2 2符號傳輸速率符號傳輸速率 符號傳輸速率又稱碼元速率，是指數(shù)字通信系統(tǒng)在 單位時間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù) 應注意，碼元速率僅表征單位時間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)，而沒 限定此時的碼元是何種進制。根據(jù)碼元速率的定義，對于 長度為T秒的單個碼元有 如果一個數(shù)字通信

16、系統(tǒng)傳送的是M進制碼元，則該系統(tǒng)的 碼元速率 與比特速率 之 間的關系為： 顯然，對于二進制系統(tǒng)，信息傳輸速率和碼元傳輸速率在 數(shù)值上相等。 3. 3. 頻帶利用率頻帶利用率 在比較不同通信系統(tǒng)的有效性時，不能只衡量其傳輸速率， 還要考慮所占用的頻帶寬度B，這是因為兩個傳輸速率相 同的系統(tǒng)其傳輸效率并不一定相同。所以，真正衡量通信 系統(tǒng)的有效性指標是頻帶利用率，亦即單位頻帶內(nèi)的傳輸 速率，以 表示，其定義為 1.2.3 1.2.3 可靠性指標可靠性指標 數(shù)字通信系統(tǒng)中的可靠性指標主要以傳輸差錯率 來描述。差錯率通常用誤碼率或誤比特率來表示。 差錯率越大，表示系統(tǒng)可靠性越差。 1 1誤碼率：誤碼

17、率：指在傳輸?shù)拇a元總數(shù)中發(fā)生差錯的碼元數(shù)所 占的比例 2 2誤比特率：誤比特率：又稱比特差錯率，是指在傳輸中發(fā)生差錯 的比特數(shù)占傳輸總比特數(shù)的比例 1.3 1.3 數(shù)字通信的特點及發(fā)展數(shù)字通信的特點及發(fā)展 1.3.1 1.3.1 數(shù)字通信的特點數(shù)字通信的特點 1 1主要優(yōu)點主要優(yōu)點 （1）抗干擾能力強，無噪聲積累 （2）便于加密，提高安全性 （3）便于與現(xiàn)代技術相結合 （4）通信設備便于集成化、小型化、智能化 （5）差錯便于控制， （6）便于實現(xiàn)各種通信綜合業(yè)務 2 2主要缺點主要缺點 (1)占用頻帶寬 (2)需要嚴格的同步系統(tǒng) 本章小結本章小結 信息是指對受信者有一定意義的某一有待傳遞、交換、提取或存儲的內(nèi)容，是客 觀世界和主觀世界共同作用的產(chǎn)物。而信號就是攜帶信息的載體，信息是依靠信 號進行傳遞和交流的。因此，通信就是信息的交流，它包括了信息的發(fā)送、傳遞 和接收等3個環(huán)節(jié)。 一個通信系統(tǒng)應包括信源、變換器、信道、反變換器、信宿及噪聲源等6個部分。 對傳遞數(shù)字信號的數(shù)字通信系統(tǒng)來說，變換器包括編碼器和調制器，反變換器包 括解調器和譯碼器。 通信系統(tǒng)可以按通信業(yè)務、傳輸信道及信道中所傳輸信號的類型等方法進行分類。 通信方式是指通信各方之間的工作形式和信號在信道中傳輸方式。按信號傳輸?shù)?方向和時間可分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信；按