數(shù)字通信原理

1、主講：鐘立華微信ID：wagor2012鐘意學習THXY群：223266536數(shù)字通信原理數(shù)字通信原理參考書：參考書：通信原理/樊昌信，曹麗娜編著:國防工業(yè)出版社通信原理:精簡本/樊昌信，曹麗娜編著:國防工業(yè)出版社通信原理通信原理與通信技術與通信技術 張衛(wèi)鋼主編：西安電子科技大學出版社通信原理通信原理學習指導學習指導 張輝，曹麗娜編著：西安電子科技大學出版社通信概論通信概論 (美)LillianGoleniewski，(美)KittyWilsonJarrett著：電子工業(yè)出版社2010本節(jié)課解決兩個問題 1、本門課是關于什么的？ 2、為什么要學習本門課？ 1.1 通信的通信的基本概念基本概念

2、1.2 通信通信系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 1.3 通信技術發(fā)展概況通信技術發(fā)展概況 1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標主要性能指標 1.5 數(shù)字通信的主要技術數(shù)字通信的主要技術第一章數(shù)字通信技術概述主要內容主要內容1.1.1 通信的定義 通信: 就是利用電子等技術手段,借助電/光信號實現(xiàn)從一地向另一地進行消息的有效傳遞和交換. 例如: 人與人之間的對話 人與人之間手機聯(lián)絡 都是通過聲音來傳遞消息問題：你能舉出一個生活中通信的例子嗎？1.1通信的基本概念信道: 由于通信雙方之間的距離客觀存在,必須在兩地之間建立信息傳遞的通道.這種有形或無形的用于傳遞信息的通道稱為信道.信號: 我們一方

3、面要研究信道,同時還要尋找能適合在信道中傳輸?shù)男畔⑤d體,也就是信號.1.1通信的基本概念1.1.2 通信的分類通信的分類 1. 按傳輸按傳輸媒質媒質分分有線通信 : 傳輸媒質為導線、電纜、光纜 媒質能看得見 無線通信: 電磁波 媒質為看不見、 摸不著 2. 按信道中所傳按信道中所傳信號信號的不同分的不同分 數(shù)字通信: 信道中傳送的信號為數(shù)字信號 模擬通信: 信道中傳送的信號為模擬信號3. 按按工作頻段工作頻段分分 長波通信長波通信: : 如如 用于導航的用于導航的 VLFVLF通信通信 中波通信中波通信: : 如如 民用調頻廣播民用調頻廣播; ;業(yè)余無線電業(yè)余無線電 短波通信短波通信: : 如

4、如 短波廣播通信短波廣播通信 軍用通信軍用通信 微波通信微波通信: : 如如 移動通信移動通信 雷達雷達 空間通信空間通信1.1.2 通信的分類通信的分類 表1-1通信使用的頻段及主要用途1.1.2 通信的分類通信的分類 續(xù)表續(xù)表 1.1.2 通信的分類通信的分類 4. 按按調制方式調制方式分分基帶基帶傳輸傳輸:基帶傳輸是指信號沒有經過調制而直接送到信道中去傳輸 的一種方式頻帶頻帶傳輸傳輸:頻帶傳輸是指信號經過調制后再送到信道中傳輸，收端有相應解調措施的通信系統(tǒng)。 1.1.2 通信的分類通信的分類 1.1.3 通信方式通信方式 1.按消息傳送的方向和時間劃分的通信方式 單工方式(b)半雙工方式

5、(c)全雙工方式問題：你能舉出一個以上的例子嗎？2. 按數(shù)字信號排序分按數(shù)字信號排序分 串行傳輸方式; (b) 并行傳輸方式 發(fā)送設備接收設備110(a)發(fā)送設備接收設備(b)1.1.3 通信方式通信方式 3. 3. 按通信網絡形式分按通信網絡形式分 兩點間直通方式(b) 分支方式 (c) 交換方式圖1-3終端A終端B終端C交換設備終端N(c)終端A終端B(a)轉接站終端A終端B終端C(b)終端N1.1.3 通信方式通信方式 1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)基本模型 通信的任務是完成消息的傳遞和交換要實現(xiàn)這一過程必須具有以下三個部分: 發(fā)送端-信道-接收端信息源發(fā)送設備信道接收設

6、備受信者噪聲源發(fā)送端接收端圖1-41.2.1 模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng) 信息源調制器信道解調器受信者噪聲源 信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。與基本模型相比增加了調制與解調.目的是將基帶信號轉換為頻帶適合在信道傳輸?shù)男盘栆簿褪钦{制.信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)主要的三種通信模式:1.數(shù)字頻頻帶傳輸通信系統(tǒng)2.數(shù)字基基帶傳輸通信系統(tǒng)3.模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)1.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)1. 數(shù)字數(shù)字頻帶頻帶傳輸通信系統(tǒng)傳輸通信系統(tǒng) 信息源噪聲源加密器編碼器調制器信道解調器譯碼器解密器受信者說明說明: 加密器加密器-為了實現(xiàn)保密通信對基帶信號的擾亂為了實

7、現(xiàn)保密通信對基帶信號的擾亂 編碼器編碼器-信道的噪聲對數(shù)字信號的傳輸造成的差錯信道的噪聲對數(shù)字信號的傳輸造成的差錯 通過編碼器通過編碼器/ /解碼器來控制解碼器來控制 同步同步 -該環(huán)節(jié)因為其位置往往不是固定未畫出該環(huán)節(jié)因為其位置往往不是固定未畫出, ,但但 在該系統(tǒng)中是不可缺少的在該系統(tǒng)中是不可缺少的. .1.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)2. 數(shù)字數(shù)字基帶基帶傳輸通信系統(tǒng)傳輸通信系統(tǒng) 沒有調制器和解調器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng) 信息源信道接收濾波器取樣判決受信者噪聲源cp基形帶成信器號1.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)3. 模擬信號數(shù)字化模擬信號數(shù)字化

8、傳輸通信系統(tǒng)傳輸通信系統(tǒng) 在日常生活中大部分信號為模擬信號,實現(xiàn)模擬信號在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸 則必須 發(fā)端 進行 A/D 收端進行D/A模 擬信息源 由抽樣、量化、 編碼組成的模 數(shù)轉換器數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù) 模轉換器受信者1.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)1.2.3 數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點 1. 1. 數(shù)字通信的主要數(shù)字通信的主要優(yōu)點優(yōu)點抗噪聲性能好:信號的取值只有兩個,容易判別和處理. (2) 差錯可控: 通信中出現(xiàn)的差錯可通過糾錯編碼技術 來控制(3) 保密性好: 與模擬信號相比更容易加密和解密(4) 易于與現(xiàn)代技術相結合。目前的終端接口均是數(shù)字 信號2. 數(shù)字通信的數(shù)字通信

9、的缺點缺點 (1)頻帶利用率不高。數(shù)字信號占用的頻帶寬 以電話為例，一路數(shù)字電話一般要占據約20-60kHz的帶寬， 而一路模擬電話僅占用約4 kHz帶寬。(2)需要嚴格的同步系統(tǒng)。 故設備復雜、成本高、體積較大。1.2.3 數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點 1.3 通信技術發(fā)展概況通信技術發(fā)展概況 1.3.1 通信發(fā)展簡史通信發(fā)展簡史 1. 通信的萌芽通信的萌芽 古代戰(zhàn)場的古代戰(zhàn)場的“點烽火為號點烽火為號”可能是最原始的數(shù)字通信，可能是最原始的數(shù)字通信， 此外古代航海中使用的旗語也可以認為是數(shù)字通信的萌芽。此外古代航海中使用的旗語也可以認為是數(shù)字通信的萌芽。2. 通信發(fā)展的三個階段通

10、信發(fā)展的三個階段借助電信號實現(xiàn)從一地向另一地進行消息傳遞的通信借助電信號實現(xiàn)從一地向另一地進行消息傳遞的通信（電信）的歷史可追溯到（電信）的歷史可追溯到1717世紀初期，從世紀初期，從1600160017501750年研究年研究電磁現(xiàn)象開始到電磁現(xiàn)象開始到1919世紀世紀4040年代，為通信理論基礎準備階段。年代，為通信理論基礎準備階段。 從從1919世紀世紀4040年代開始通信才進入實用階段。年代開始通信才進入實用階段。 實用階段大致實用階段大致可劃分為三個階段?？蓜澐譃槿齻€階段。 （1 1） 通信的初級階段。通信的初級階段。 從從18381838年摩爾斯發(fā)明有線電年摩爾斯發(fā)明有線電報到報到

11、19481948年香農提出信息論共年香農提出信息論共110110年，主要是有線通信、無年，主要是有線通信、無線通信、廣播電視、雷達和微波通信等方面的發(fā)展，此階段線通信、廣播電視、雷達和微波通信等方面的發(fā)展，此階段以模擬通信為主。以模擬通信為主。1.3 通信技術發(fā)展概況通信技術發(fā)展概況 （2）近代通信階段。）近代通信階段。從從19481948年到年到2020世紀世紀8080年代光纖通信年代光纖通信系統(tǒng)等投入使用共系統(tǒng)等投入使用共3030多年，主要是通信統(tǒng)計理論、數(shù)字多年，主要是通信統(tǒng)計理論、數(shù)字傳輸理論及技術、彩色電視、衛(wèi)星通信等方面的發(fā)展傳輸理論及技術、彩色電視、衛(wèi)星通信等方面的發(fā)展, ,此階

12、段模擬通信用于普通產品，數(shù)字通信用于高端產品。此階段模擬通信用于普通產品，數(shù)字通信用于高端產品。 （3）現(xiàn)代通信階段。）現(xiàn)代通信階段。2020世紀世紀8080年代商用通信衛(wèi)星、程控年代商用通信衛(wèi)星、程控數(shù)字交換機、光纖通信系統(tǒng)等陸續(xù)投入使用至今共數(shù)字交換機、光纖通信系統(tǒng)等陸續(xù)投入使用至今共2020多多年年, ,主要是衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信、多媒體通主要是衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信、多媒體通信等方面的發(fā)展，數(shù)字通信進入尋常百姓家庭。信等方面的發(fā)展，數(shù)字通信進入尋常百姓家庭。 3. 通信技術發(fā)展史上的重大事件通信技術發(fā)展史上的重大事件 現(xiàn)把從現(xiàn)把從18381838年到年到2020世紀世紀8

13、080年代通信發(fā)展上的重大事年代通信發(fā)展上的重大事件列于表件列于表1-21-2，從中可清楚地看到通信的發(fā)展過程。，從中可清楚地看到通信的發(fā)展過程。表表 1-2 通信重大事件表通信重大事件表1.3.2 通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1. 光纖通信光纖通信光纖通信具有容量大、成本低等優(yōu)點，且不怕電磁干擾，與同軸電纜相比可以大量節(jié)約有色金屬和能源。因此，自1977年世界上第一個光纖通信系統(tǒng)在芝加哥投入運行以來，光纖通信發(fā)展極為迅速，新器件、新工藝、新技術不斷涌現(xiàn)，性能日臻完善。由于長波長激光器和單模光纖的出現(xiàn) ，使每芯光纖通話路數(shù)可高達百萬路，中繼距離將達到100 km，市話中繼

14、光纖成本也連續(xù)大幅度下降。 我國近幾年來光纖通信已得到了快速發(fā)展，目前光纜長度累計近幾十萬km。我國已不再敷設同軸電纜，新的工程將全部采用光纖通信新技術。 2. 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信的特點是通信距離遠，衛(wèi)星通信的特點是通信距離遠， 覆蓋面積廣，覆蓋面積廣， 不受地不受地理條件限制，可以大容量傳輸，建設周期短，可靠性高等。理條件限制，可以大容量傳輸，建設周期短，可靠性高等。自自19601960年第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功以來，衛(wèi)星通信發(fā)展特別迅猛。年第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功以來，衛(wèi)星通信發(fā)展特別迅猛。 目前，目前， 衛(wèi)星通信的使用范圍已遍及全球，僅國際衛(wèi)星通信組衛(wèi)星通信的使用范圍已遍及全球，僅國際衛(wèi)星通信

15、組織就擁有數(shù)十萬條話路。衛(wèi)星通信的廣泛應用，使國際間重織就擁有數(shù)十萬條話路。衛(wèi)星通信的廣泛應用，使國際間重大活動能及時得以實況轉播，大活動能及時得以實況轉播， 它使全世界人與人之間的它使全世界人與人之間的“距距離離”縮短?？s短。 1.3.2 通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3. 移動通信移動通信 移動通信是現(xiàn)代通信中發(fā)展最為迅速的一種通信手段，它是移動通信是現(xiàn)代通信中發(fā)展最為迅速的一種通信手段，它是隨著汽車、飛機、輪船、火車等交通工具的發(fā)展而同步發(fā)展起來隨著汽車、飛機、輪船、火車等交通工具的發(fā)展而同步發(fā)展起來的。的。 近近1010年來，年來， 在微電子技術和計算機技術的推動下

16、，移動通在微電子技術和計算機技術的推動下，移動通信從過去簡單的無線對講或廣播方式發(fā)展成為一個把有線、信從過去簡單的無線對講或廣播方式發(fā)展成為一個把有線、 無無線融為一體，固定、移動相互連通的全國規(guī)模，甚至全球范圍的線融為一體，固定、移動相互連通的全國規(guī)模，甚至全球范圍的通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)。 移動通信的發(fā)展方向是數(shù)字化、微型化和標準化。移動通信的發(fā)展方向是數(shù)字化、微型化和標準化。2020世紀世紀9090年代將是蜂窩電話迅速普及的年代。但目前世界上存在八種不同年代將是蜂窩電話迅速普及的年代。但目前世界上存在八種不同的技術體制，互不兼容，因此標準化成為當務之急。數(shù)字化的關的技術體制，互不兼容，因此標

17、準化成為當務之急。數(shù)字化的關鍵是調制、糾錯編碼和話音編碼方式的確定。微型化的目標是研鍵是調制、糾錯編碼和話音編碼方式的確定。微型化的目標是研制重量非常輕的個人攜帶的手機。制重量非常輕的個人攜帶的手機。 1.3.2 通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 4. 微波中繼通信微波中繼通信微波中繼通信始于微波中繼通信始于2020世紀世紀6060年代，它較一般電纜通信具有年代，它較一般電纜通信具有易架設，建設周期短等優(yōu)點。它是目前通信的主要手段之一，易架設，建設周期短等優(yōu)點。它是目前通信的主要手段之一，主要用來傳輸長途電話和電視節(jié)目，其調制主要采用主要用來傳輸長途電話和電視節(jié)目，其調制主要采

18、用SSB/FM/FDMSSB/FM/FDM等方式。等方式。 微波中繼通信的主要發(fā)展方向是數(shù)字微波，同時要不斷增微波中繼通信的主要發(fā)展方向是數(shù)字微波，同時要不斷增加系統(tǒng)容量，增加容量的途徑是向多電平調制技術發(fā)展。目前加系統(tǒng)容量，增加容量的途徑是向多電平調制技術發(fā)展。目前采用的調制方式有采用的調制方式有16QAM16QAM和和64QAM64QAM，并已出現(xiàn)，并已出現(xiàn)256QAM256QAM、1024QAM1024QAM等超多電平調制的方式。采用多電平調制，在等超多電平調制的方式。采用多電平調制，在40 MHz40 MHz的標準頻的標準頻道間隔內，可傳送道間隔內，可傳送19201920至至76807

19、680路路PCMPCM數(shù)字電話。數(shù)字電話。 1.3.2 通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.4數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標 衡量、比較和評價一個通信系統(tǒng)的優(yōu)劣時，必然要涉及系統(tǒng)的衡量、比較和評價一個通信系統(tǒng)的優(yōu)劣時，必然要涉及系統(tǒng)的主要性能指標主要性能指標1.4.1 1.4.1 一般通信系統(tǒng)的性能指標一般通信系統(tǒng)的性能指標(1) 有效性。 指通信系統(tǒng)傳輸消息的“速率”問題， 即快慢問題。 (2) 可靠性。 指通信系統(tǒng)傳輸消息的“質量”問題， 即好壞問題。 (3) 適應性。 指通信系統(tǒng)使用時的環(huán)境條件。 (4) 經濟性。 指系統(tǒng)的成本問題。 (5) 保密

20、性。 指系統(tǒng)對所傳信號的加密措施. (6) 標準性。 指系統(tǒng)的接口、 各種結構及協(xié)議是否合乎國家、國際標準。 信息可以理解為消息中包含的有意義的內容。我們把信息可以理解為消息中包含的有意義的內容。我們把傳輸信息的多少用傳輸信息的多少用“信息量信息量”進行衡量進行衡量(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)，即)(xPII (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。且時時01PPII01.4.2 信息及其量度信息及其量度(3)若干個互相獨立事件構成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量的和，即)()()()(2121xPIxPIxPxPI可以看出I與P(x)間應滿

21、足以上三點，則它們有如下關系式：)(log)(1logxPxPIaa1.4.2 信息及其量度信息及其量度信息量I的單位與對數(shù)的底數(shù)a有關：a=2單位為比特(bit，簡寫為b)；a=e單位為奈特(nat，簡寫為n)；通常使用的單位為比特。1.4.2 信息及其量度信息及其量度 例例 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。1.4.2 信息及其量度信息及其量度例例 1-2試計算二進制符號不等概率時的信息量(設P(1)=P)。1.4.2 信息及其量度信息及其量度 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性具體可用傳輸速率來衡量、傳輸數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性具體可用傳輸速率來衡量、傳輸速速率越高

22、，系統(tǒng)的有效性越好。通常用以下三個方面來衡量率越高，系統(tǒng)的有效性越好。通常用以下三個方面來衡量 1. 1. 碼元傳輸速率碼元傳輸速率 碼元傳輸速率通常又可稱為碼元速率、用符號RB來表示。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。例如，某系統(tǒng)在2秒內共傳送4800個碼元，則系統(tǒng)的傳碼速率為2400B。 數(shù)字信號一般有二進制與多進制之分，但碼元速率RB與信號的進制數(shù)無關，只與碼元寬度Tb有關。 bBTR11.4.3 有效性指標的具體表述有效性指標的具體表述 2. 信息傳輸速率信息傳輸速率信息傳輸速率簡稱信息速率，又可稱為傳信率、比特率等。用符號Rb

23、表示。Rb是指單位時間(每秒鐘)內傳送的信息量。單位為比特/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Rb=1200b/s或1200 bps。1.4.3 有效性指標的具體表述有效性指標的具體表述 3. 消息傳輸速率消息傳輸速率消息傳輸速率亦稱消息速率，它被定義為單位時間(每秒鐘)內傳輸?shù)南?shù)，用Rm表示。因消息的衡量單位不同，有各種不同的含義。例如，當消息的單位是漢字時，則Rm的單位為字/秒。消息速率在實際中應用不多。1.4.3 有效性指標的具體表述有效性指標的具體表述1.5 數(shù)字通信的主要技術問題數(shù)字通信的主要技術問題 1.5.1 數(shù)字調制數(shù)字調制/解調解調調制與解調：是數(shù)字通信系統(tǒng)的核心，是最基本的、重要的技術之一。調制的作用：是將輸入的數(shù)字信號(基帶數(shù)字信號)變換為適合于信道傳輸?shù)念l帶信號。常見的基本數(shù)字調制方式： 振幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、 絕對相移鍵控(PSK)、相對(差分)相移鍵控(DPSK)等四種。信源編碼的主要任務： 第一是將模擬信號轉換成數(shù)字信號(即模擬信號數(shù)字化問題)。 第二是實現(xiàn)數(shù)據壓縮(數(shù)據壓縮已超出我們的大綱范圍)。 第 3 章將主要討論模擬信號數(shù)字化問題。 從實現(xiàn)方法上看，模擬信號數(shù)字化主要有兩