項目一通信系統(tǒng)概論

1、通信原理授課人：曾苑機電與信息工程學(xué)院目錄v第一章 通信系統(tǒng)概論v第二章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼v第三章 數(shù)字信號的基帶傳輸v第四章 數(shù)字信號的頻帶傳輸v第五章 信道編碼技術(shù)v第六章 信道復(fù)用與多址技術(shù)v第七章 同步原理v第八章 數(shù)字信號的最佳接收課程介紹 明確：明確： 為什么要學(xué)？為什么要學(xué)？ 學(xué)什么？學(xué)什么？ 如何學(xué)？如何學(xué)？ 哪里可學(xué)？哪里可學(xué)？課程介紹 通信原理通信原理是通信工程專業(yè)一門重要的是通信工程專業(yè)一門重要的 專業(yè)基礎(chǔ)專業(yè)基礎(chǔ)理論課程理論課程。本課程系統(tǒng)深入地闡述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的。本課程系統(tǒng)深入地闡述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本原理，其中包括模擬通信和數(shù)字通信，并以基本原理，其中包括模擬

2、通信和數(shù)字通信，并以 數(shù)數(shù)字通信為主字通信為主。 一、課程性質(zhì)一、課程性質(zhì) 本課程本課程通過通過課堂教學(xué)課堂教學(xué)、習(xí)題練習(xí)習(xí)題練習(xí)、實驗實驗等教學(xué)等教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在使學(xué)生系統(tǒng)地掌握環(huán)節(jié)，旨在使學(xué)生系統(tǒng)地掌握 通信系統(tǒng)的通信系統(tǒng)的基本原理基本原理 及其及其 性能的基本分析方法性能的基本分析方法，了解現(xiàn)代通信技術(shù)與理，了解現(xiàn)代通信技術(shù)與理論的論的發(fā)展?fàn)顩r發(fā)展?fàn)顩r。課程介紹課程定位課程定位 通信類專業(yè)通信類專業(yè) 的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程 是是 必修課、必修課、核心主干課核心主干課 是是 一門一門 專業(yè)的標(biāo)志性課程專業(yè)的標(biāo)志性課程 是是 “信息與通信工程信息與通信工程” 學(xué)科學(xué)科 研

3、究生入學(xué)考試課研究生入學(xué)考試課程程 起著起著 承前啟后的作用承前啟后的作用 占有占有 重要的教學(xué)地位重要的教學(xué)地位 二、與其它課程的關(guān)系二、與其它課程的關(guān)系課程介紹先修課程：先修課程： 后續(xù)課程：后續(xù)課程：信號與線性系統(tǒng)信號與線性系統(tǒng) 移動通信系統(tǒng)移動通信系統(tǒng)概率論與隨機過程概率論與隨機過程 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)信息論基礎(chǔ)信息論基礎(chǔ) SDHSDH技術(shù)技術(shù)模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 現(xiàn)代通信網(wǎng)現(xiàn)代通信網(wǎng)高頻電子線路高頻電子線路 接入網(wǎng)技術(shù)接入網(wǎng)技術(shù)課程介紹課程特點課程特點 具有具有 理論性強、知識綜合、難度大等特點；理論性強、知識綜合、難度大等

4、特點； 是一門是一門理論性理論性和和實踐性實踐性都很都很強強的專業(yè)基礎(chǔ)課的專業(yè)基礎(chǔ)課 學(xué)習(xí)時要注意學(xué)習(xí)時要注意數(shù)學(xué)分析方法數(shù)學(xué)分析方法，更要注意數(shù)學(xué)，更要注意數(shù)學(xué) 分析所得結(jié)論的分析所得結(jié)論的物理意義、物理意義、物理概念物理概念； 學(xué)習(xí)時要注意用學(xué)習(xí)時要注意用系統(tǒng)系統(tǒng)的觀點、的觀點、模型模型的觀點、的觀點、 工程工程的觀點、的觀點、辯證辯證的觀點，思考問題、分析的觀點，思考問題、分析 問題、解決問題。問題、解決問題。課程介紹課程目標(biāo)課程目標(biāo) 使學(xué)生使學(xué)生 掌握掌握 通信系統(tǒng)的基本概念、基本理通信系統(tǒng)的基本概念、基本理 論、基本技術(shù)和論、基本技術(shù)和 系統(tǒng)性能分析方法系統(tǒng)性能分析方法； 掌握掌握

5、基本的基本的 系統(tǒng)設(shè)計思想和方法系統(tǒng)設(shè)計思想和方法； 熟悉熟悉 仿真工具仿真工具 的應(yīng)用；的應(yīng)用； 了解現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r；了解現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r； 使使學(xué)生學(xué)生 具備具備 動手實踐動手實踐 的的能力；能力； 為本領(lǐng)域的進一步學(xué)習(xí)和研究奠定堅實基礎(chǔ)為本領(lǐng)域的進一步學(xué)習(xí)和研究奠定堅實基礎(chǔ)課程介紹課程學(xué)習(xí)課程學(xué)習(xí) 理論教學(xué)：理論教學(xué)： 48 學(xué)時學(xué)時 實驗教學(xué)：實驗教學(xué)： 16 學(xué)時學(xué)時 總課學(xué)時：總課學(xué)時： 64 學(xué)時學(xué)時注意：注意：充分利用充分利用 課程網(wǎng)站、圖書館、數(shù)字圖書課程網(wǎng)站、圖書館、數(shù)字圖書 館館資源資源 ， 做好預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)；做好預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)； 認真認真做作業(yè)、認真做實驗。做作

6、業(yè)、認真做實驗。 既要既要打好基礎(chǔ)打好基礎(chǔ)，又要，又要提高能力提高能力。課程介紹課程考核方式課程考核方式 最終總成績包括：最終總成績包括： 平時成績：平時成績： 20% 實驗成績：實驗成績： 15% 作業(yè)成績：作業(yè)成績： 15% 考試成績：考試成績： 50%第一章 通信系統(tǒng)概論v1.1 通信的基本概念與通信系統(tǒng)v1.2 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)v1.3 信道容量與香農(nóng)公式年代年代經(jīng)歷時間經(jīng)歷時間相關(guān)事件相關(guān)事件1826189771年 歐姆定律、有線電報、電磁輻射方程、電話、麥克斯韋理論、無線電報等1904194036年二極管、空中輻射傳輸聲音信號、信號放大器、有線電話傳輸、超外差無線接收機、抽樣

7、定律、電傳機、頻率調(diào)制、調(diào)頻無線電廣播、脈沖編碼調(diào)制（PCM）、電視廣播1940196020年雷達和微波系統(tǒng)、晶體三極管、香農(nóng)“通信的數(shù)學(xué)理論”、通信統(tǒng)計理論、時分多路通信、越洋電話電纜1960197010年 激光、第一顆通信衛(wèi)星、PCM實驗、激光通信、集成電路（IC）、數(shù)字信號處理（DSP）、探月電視實況轉(zhuǎn)播、高速數(shù)字計算機、1970198010年商用接力衛(wèi)星通信（音頻和數(shù)字）、Gbit數(shù)字傳輸速率、大規(guī)模集成電路（LSIC）、通信集成電路、陸地間的計算機通信網(wǎng)絡(luò)、低損耗光纖、光通信系統(tǒng)、分組交換數(shù)字數(shù)據(jù)系統(tǒng)、星際間大型漫游發(fā)射、微處理器、計算機斷層成像、超級計算機1980199010年衛(wèi)星

8、“空間接線總機”、移動/蜂窩電話系統(tǒng)、多功能數(shù)字顯示、每秒20億取樣數(shù)字示波、桌面印刷系統(tǒng)、可編程數(shù)字信號處理器、自動掃描數(shù)字調(diào)音接收機、芯片加密技術(shù)、單片數(shù)字編碼器和解碼器、紅外數(shù)據(jù)/控制鏈、音頻播放壓縮盤、200 000字光存儲媒體、以太網(wǎng)、遠距貝爾系統(tǒng)、數(shù)字信號處理器1990今10多年 全球定位系統(tǒng)（GPS）、高分辨率電視（HDTV）、甚小天線口徑衛(wèi)星（VSAT）、全球蜂窩衛(wèi)星系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）、蜂窩電話、商用因特網(wǎng)第1章 緒論實現(xiàn)通信的方式和手段：非電的： 烽火臺 文字 消息樹 旌旗 我國古代最早的通信方式是烽火狼煙。文字發(fā)明后，利用驛站傳遞文書。第1章 緒論電的：如電報

9、、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計算機通信等。移動通信基站基站基站第1章 緒論電通信發(fā)展史1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報年：莫爾斯發(fā)明有線電報消息“點、劃、空格”金屬線發(fā)報收報第1章 緒論1876年：貝爾發(fā)明有線電話年：貝爾發(fā)明有線電話1876年貝爾電話話筒耳機第1章 緒論無線通信：電磁場力學(xué)的理論。電磁波的傳播速度等于光速（3.0108米/秒）。1864年麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波的存在1887 年 赫 茲 用 實 驗 證實了電磁波的存在第1章 緒論1906年德弗雷斯特發(fā)明了電子管晶體管集成電路大規(guī)模可編程器件第1章 緒論1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世年：調(diào)幅無線電廣

10、播、超外差接收機問世1936年：商業(yè)電視廣播開播年：商業(yè)電視廣播開播收音機衛(wèi)星通信衛(wèi)星地面站電視長途電話20世紀(jì)世紀(jì)60年代以后通信技術(shù)的發(fā)展呈爆炸之態(tài)勢。年代以后通信技術(shù)的發(fā)展呈爆炸之態(tài)勢。衛(wèi)星通信、光纖通信、通信網(wǎng)（ISD）第1章 緒論后面講述中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”包括光通信，因為光也是一種電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實現(xiàn)的。1.1.2通信技術(shù)的發(fā)展與展望通信技術(shù)的發(fā)展與展望v電纜通信:電話、傳真、電報等各用戶終端與交換機的連接全靠市話電纜。1.1.2通信技術(shù)的發(fā)展與展望通信技術(shù)的發(fā)展與展望v微波中繼通信:主要用于傳輸長途電話和電視節(jié)目。1.1.2通信技術(shù)的

11、發(fā)展與展望通信技術(shù)的發(fā)展與展望v光纖通信:光纖通信是以光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)為傳輸媒質(zhì)、以光波為載波的通信方式。1.1.2通信技術(shù)的發(fā)展與展望通信技術(shù)的發(fā)展與展望v衛(wèi)星通信:衛(wèi)星通信的特點是通信距離遠,覆蓋面積大,不受地形條件限制,傳輸容量大,建設(shè)周期短,可靠性高。1.1.2通信技術(shù)的發(fā)展與展望通信技術(shù)的發(fā)展與展望v移動通信：2G、3G、4G中國移動：GSM（2G）、TD-SCDMA（3G）中國聯(lián)通：GSM（2G）、WCDMA（3G）中國電信：CDMA1X（2G）、CDMA2000（3G）中國移動4G:TD-LTE通信：人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進行的信息交流與傳遞。 v2 通信的分

12、類通信的分類 常用的通信分類方法有以下幾種。v1.按傳輸媒質(zhì)分按傳輸媒質(zhì)分 按消息由一地向另一地傳遞時傳輸媒質(zhì)的不同，通信可分為兩大類：一類稱為有線通信，另一類稱為無線通信。所謂有線通信，是指傳輸媒質(zhì)為導(dǎo)線、電纜、光纜、波導(dǎo)等形式的通信，其特點是媒質(zhì)能看得見，摸得著。導(dǎo)線可以是架空明線、電纜、光纜及波導(dǎo)等。所謂無線通信，是指傳輸消息的媒質(zhì)為看不見、摸不著的媒質(zhì)(如電磁波)的一種通信形式。 通常，有線通信亦可進一步再分類，如明線通信、電纜通信、光纜通信等。無線通信常見的形式有微波通信、短波通信、移動通信、衛(wèi)星通信、散射通信等。 v 2.按信道中所傳信號的不同分按信道中所傳信號的不同分 信道是傳輸

13、信號的通路。通常信道中傳送的信號可分為數(shù)字信號和模擬信號，由此，通信亦可分為數(shù)字通信和模擬通信。 凡信號的某一參量(如連續(xù)波的振幅、頻率、相位，脈沖波的振幅、寬度、位置等)可以取無限多個數(shù)值，且直接與消息相對應(yīng)的，稱為模擬信號。模擬信號有時也稱連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化(即可以取無限多個值)，例如強弱連續(xù)變化的語音信號，亮度連續(xù)變化的電視圖像信號等都是模擬信號。 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(yīng)的，稱為數(shù)字信號。數(shù)字信號有時也稱離散信號，這個離散是指信號的某參量是離散(不連續(xù))變化的，而不一定在時間上也離散。v 3.按工作頻段分按工作頻段分 根

14、據(jù)通信設(shè)備的工作頻率不同，通信通?？煞譃殚L波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。為了比較全面地對通信中所使用的頻段有所了解，下面把通信使用的頻段及說明列入表12中。通信中工作頻率和工作波長可互換，公式為 式中，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。fC(1-1)v 4. 按調(diào)制方式分按調(diào)制方式分 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。所謂基帶傳輸是指信號沒有經(jīng)過調(diào)制而直接送到信道中去傳輸?shù)囊环N方式，而頻帶傳輸是指信號經(jīng)過調(diào)制后再送到信道中傳輸，收端有相應(yīng)解調(diào)措施的通信系統(tǒng)。 表表 1-3 常用的調(diào)制方式常用的

15、調(diào)制方式v3 通信的方式通信的方式 1.按消息傳送的方向與時間分按消息傳送的方向與時間分 通常，如果通信僅在點對點之間進行，或一點對多點之間進行，那么，按消息傳送的方向與時間不同，通信的工作方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信。 所謂單工通信，是指消息只能單方向進行傳輸?shù)囊环N通信工作方式，如圖11(a)所示。單工通信的例子很多，如廣播、遙控、無線尋呼等，這里，信號(消息)只從廣播發(fā)射臺、遙控器和無線尋呼中心分別傳到收音機、遙控對象和BP機上。 所謂半雙工通信方式，是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進行收和發(fā)的形式，如圖11(b)所示。例如對講機、收發(fā)報機等都是這種通信方式。 所謂全雙工

16、通信方式，是指通信雙方可同時進行收發(fā)信息的工作方式。如圖1-1（c）所示。例如普通電話、手機都是這種通信方式。圖 1-1 按消息傳送的方向和時間劃分的通信方式(a) 單工方式； (b) 半雙工方式； (c) 全雙工方式v 2.按數(shù)字信號排序分按數(shù)字信號排序分 在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號排列的順序不同，可將通信方式分為串行傳輸和并行傳輸。所謂串行傳輸，即是將代表信息的數(shù)字信號序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸?shù)姆绞剑鐖D12(a)所示；優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費用缺點：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施 如果將代表信息的數(shù)字信號序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號序列同時并行在信道

17、上傳輸，則稱為并行傳輸通信方式優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施缺點：需要 n 條通信線路，成本高 v 3.按通信網(wǎng)絡(luò)形式分按通信網(wǎng)絡(luò)形式分 通信的網(wǎng)絡(luò)形式通常可分為三種：點到點通信方式、點到多點通信(分支)方式和多點到多點通信(交換)方式，它們的示意圖如圖13所示。 點到點通信方式是通信網(wǎng)絡(luò)中最為簡單的一種形式，終端A與終端B之間的線路是專用的； 在點到多點通信(分支)方式中，它的每一個終端(A,B,C,N)經(jīng)過同一信道與轉(zhuǎn)接站相互連接，此時，終端之間不能直通信息，而必須經(jīng)過轉(zhuǎn)接站轉(zhuǎn)接，此種方式只在數(shù)字通信中出現(xiàn)； 多點到多點通信(交換)方式是終端之間通過交換設(shè)備靈活地進行線路交

18、換的一種方式，即把要求通信的兩終端之間的線路接通(自動接通)，或者通過程序控制實現(xiàn)消息交換，即通過交換設(shè)備先把發(fā)方來的消息存儲起來，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至收方，這種消息轉(zhuǎn)發(fā)可以是實時的，也可是延時的。 圖 1-3 按網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式(a) 兩點間直通方式； (b) 分支方式； (c) 交換方式v按信號的復(fù)用方式分類：常用的信號復(fù)用方式有三種，即頻分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用。圖1-1 通信系統(tǒng)的一種簡化模型1.1.3 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 1.2.2 1.2.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型信息源信息源發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備信道信道接收設(shè)備接收設(shè)備受信者受信者噪聲源噪聲源發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端 把各種可能把各種

19、可能的的消息消息轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成原始電信號原始電信號。 對對原始電信號原始電信號進進行行變換變換，使其適合，使其適合在信道中傳輸。在信道中傳輸。 信號傳輸?shù)耐ㄐ盘杺鬏數(shù)耐ǖ?，有道，有無線無線和和有有線線兩種方式。兩種方式。 與發(fā)送設(shè)備與發(fā)送設(shè)備作用相反，從作用相反，從接收信號中接收信號中恢恢復(fù)復(fù)出相應(yīng)的出相應(yīng)的原原始電信號始電信號。 將恢復(fù)的將恢復(fù)的原始原始電信號電信號轉(zhuǎn)換成相轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的應(yīng)的消息消息。 包括信道中的包括信道中的噪聲和分散在通噪聲和分散在通信系統(tǒng)其他各處信系統(tǒng)其他各處的噪聲。的噪聲。基于點到點之間的通信v模型中各部分功能如下：(1) 信源 信源是指發(fā)出信息的信息源，或簡單地說是信息

20、的發(fā)出者。信息源(簡稱信源)的作用是把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號，如電話系統(tǒng)中電話機可看成是信源，信源輸出的信號稱為基帶信號。所謂基帶信號，是指沒有經(jīng)過調(diào)制的原始信號，其特點是頻率較低。基帶信號可分為數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號。(2) 變換器 變換器的功能是把信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘枴?(3) 信道 信道是信號傳輸?shù)耐?是信號傳輸媒介的總稱。信道中自然會疊加上噪聲。 (4)反變換器 在接收端，接收設(shè)備的功能正好相反于發(fā)送設(shè)備，它將從收到的信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號。 (5)信宿 受信者(也稱信宿或收終端)是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息，如電話機將對方傳來的電信號還原成

21、了聲音。 (6)噪聲源 噪聲源是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其他各處噪聲的集合。圖中這種表示并非指通信中一定要有一個噪聲源，而是為了在分析和討論問題時便于理解而人為設(shè)置的。 v根據(jù)信號物理參量基本特征的不同，信號可以分為兩大類：模擬信號和數(shù)字信號。v 1.模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng) 我們把信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)的組成(通常也稱為模型)可由一般通信系統(tǒng)模型略加改變而成，如圖15所示。圖15模擬通信系統(tǒng)模型 對于模擬通信系統(tǒng)，它主要包含兩種重要變換。一是把連續(xù)消息變換成電信號(發(fā)端信息源完成)和把電信號恢復(fù)成最初的連續(xù)消息(收端受信者完成)。 由信源輸出的電信

22、號(基帶信號)具有頻率較低的頻譜分量，一般不能直接作為傳輸信號而送到信道中去。因此，模擬通信系統(tǒng)里常有第二種變換，即將基帶信號轉(zhuǎn)換成其頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?，這一變換由調(diào)制器完成； 在接收端同樣需經(jīng)相反的變換，它由解調(diào)器完成。經(jīng)過調(diào)制后的信號通常稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個基本特性：一是攜帶有消息，二是適合在信道中傳輸，三是具有較高頻率成分。v圖1-6語聲模擬通信系統(tǒng)示意圖v 2.數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng) 與模擬通信相對應(yīng)，信源所發(fā)出的信息經(jīng)變換和處理后，送往信道上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。語聲信號的數(shù)字通信系統(tǒng)構(gòu)成如下圖1-7所示。圖1-7語聲數(shù)字通信系統(tǒng)示意圖圖1-8 數(shù)

23、字通信系統(tǒng)模型v 信源編碼的作用： 1. 將模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號，即模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）。 2. 盡量降低數(shù)字信號的傳輸數(shù)碼率，即數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)，信源編碼技術(shù)很大程度上是圍繞壓縮編碼技術(shù)來展開的，以提高通信系統(tǒng)的性能。v 信源解碼的作用： 是信源編碼的逆過程，將接收端收到的數(shù)字信號還原為原來的模擬信號，即數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）。 信道編碼的作用： 信道環(huán)境很復(fù)雜，經(jīng)過信源編碼后的數(shù)字信號在信道傳輸過程中會受到各種各樣的噪聲干擾，難免會發(fā)生差錯，為提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，盡可能地對傳輸過程中產(chǎn)生的差錯進行控制，實現(xiàn)可靠通信，我們就采用了差錯控制編碼，也稱為信道編碼。 信道解碼的作用：

24、 信道解碼是信道編碼的逆過程，功能是將傳輸過程中增加的差錯控制編碼恢復(fù)成原來的信號。 1.1.4 數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點v1. 數(shù)字通信的主要優(yōu)點數(shù)字通信的主要優(yōu)點 (1)抗干擾能力強 在數(shù)字通信中，由于數(shù)字信號的幅度值為有限個數(shù)的離散值(通常取兩個幅值)，在傳輸過程中受到噪聲干擾雖然也要疊加噪聲，但當(dāng)信噪比還沒有惡化到一定程度時，即在適當(dāng)?shù)木嚯x，采用再生的方法即可消除噪聲干擾，將信號再生成原發(fā)送的信號，如圖1.9(b)所示。 圖1.9 兩類通信方式抗干擾性能比較 （2）便于加密處理，且保密性強 信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄栽絹碓绞艿街匾?，?shù)字通信的加密處理比模擬通信更容易實現(xiàn)。

25、以語聲數(shù)字通信為例，經(jīng)過數(shù)字變換后的信號就可以用簡單的數(shù)字邏輯運算進行加密處理，如圖1.10所示。圖1.10 數(shù)字通信加密方法示意 （3）差錯可控 數(shù)字信號通過差錯控制編碼，可采用糾錯和檢錯技術(shù)，可提高通信的可靠性。 （4）易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化 由于數(shù)字通信系統(tǒng)中大部分電路都是由數(shù)字電路來實現(xiàn)的，微電子技術(shù)的發(fā)展可使數(shù)字通信便于用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)。 （5）易于與各種數(shù)字終端接口v 2.數(shù)字通信的缺點數(shù)字通信的缺點 (1)數(shù)字信號比模擬信號占的頻帶寬，頻帶利用率不高。數(shù)字通信中，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(jù)約2060kHz的帶寬，而一路模擬電

26、話僅占用約4 kHz帶寬。如果系統(tǒng)傳輸帶寬一定的話， 模擬電話的頻帶利用率要高出數(shù)字電話的515倍。 (2) 系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜，同步要求較高。數(shù)字通信中，要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號，必須要求收端和發(fā)端保持嚴格同步。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。 1.2 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 如何評價一個通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是選擇和使用一個通信系統(tǒng)所面臨的首要問題。因此，必須找出能夠反映通信系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)，然而，研究通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一個非常復(fù)雜的問題，它包含有多方面的指標(biāo)，如有效性、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟性、保密性、標(biāo)準(zhǔn)性和維護的便利性等，這些指標(biāo)從不同的角度對通信系統(tǒng)的優(yōu)劣做出評價。但是通

27、信的基本任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息，所以通信系統(tǒng)的諸多性能指標(biāo)中起決定作用的主要是有效性和可靠性。1） 有效性和可靠性有效性和可靠性 有效性即信息傳遞的速度，是指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。即在給定的信道內(nèi)，單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘康亩嗌佟Ｍǔ？偸窍Ｍ趩挝粫r間里傳輸更多的信息。 可靠性即信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。 顯然，有效性和可靠性是兩個互相矛盾的指標(biāo)，提高有效性往往就意味著降低可靠性，反之，提高可靠性必然會降低有效性。工程實際中經(jīng)常采用在保證一定的可靠性指標(biāo)的情況下，盡可能地提高信息傳輸速率；

28、或者在維持一定的有效性的條件下，盡量提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。2）模擬通信系統(tǒng)的性能評價）模擬通信系統(tǒng)的性能評價 模擬通信系統(tǒng)中有效性：用有效傳輸頻帶來度量。即用傳輸頻帶寬度來衡量。 如模擬通信的多路頻分復(fù)用傳輸，當(dāng)每一路的有效帶寬一定時，信道帶寬越寬，可以容納的路數(shù)就越多，也就意味著系統(tǒng)的有效性越好。當(dāng)然模擬通信系統(tǒng)的有效帶寬與系統(tǒng)采用的調(diào)制方式有關(guān)，如調(diào)頻方式就要比調(diào)幅方式占用更大的帶寬。不同調(diào)制方法得到的有效帶寬不一樣，系統(tǒng)的有效性也不同。v可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。 模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是用接收端輸出信噪比評價的。信噪比是信號的平均功率S和噪聲的平均功率N的比值。信噪比越大

29、，說明噪聲對信號的影響越小，通信的質(zhì)量就越好，即系統(tǒng)的可靠性越高。輸出信噪比不僅僅與信道內(nèi)的信號功率和噪聲功率有關(guān)，還與信號的調(diào)制方式有很大關(guān)系。如調(diào)頻系統(tǒng)的信噪比就比調(diào)幅系統(tǒng)的要高。3）數(shù)字通信系統(tǒng)的性能評價）數(shù)字通信系統(tǒng)的性能評價v1有效性有效性-傳輸速率傳輸速率 通常，評價數(shù)字通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo)是傳輸速率。傳輸速率又分為碼元傳輸速率和信息傳輸速率。 （1）碼元傳輸速率RB 碼元傳輸速率RB又稱為碼元速率，簡稱傳碼率。是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目，單位為波特（Baud），常用符號“B”表示。例如系統(tǒng)1秒鐘傳輸3600個碼元，則稱碼元速率為3600波特（B）。例如：二進制調(diào)頻波，一個

30、例如：二進制調(diào)頻波，一個1或或0符號的持續(xù)時間為符號的持續(xù)時間為sT610833，則碼元速率為多少？，則碼元速率為多少？解：碼元速率為解：碼元速率為120010833116TRBBaudv（2）信息傳輸速率Rb 信息傳輸速率Rb又稱為信息速率，簡稱傳信率。是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)傳輸?shù)钠骄畔⒘炕虮忍財?shù)。單位是bit/s或bps。 碼元速率和信息速率都屬于數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)，兩者之間既有聯(lián)系，也有區(qū)別。它們之間的關(guān)系如下： （bit/s） （1-6） 或 （B） （1-7） 式中，N代表碼元的進制數(shù)。從表達式中可以看出，當(dāng)N等于2時， Rb = RB 。NRRbB2log/NRRBb2log

31、 對于二進制數(shù)字信號：N = 2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。對于多進制，例如在八進制（N = 8）中，若碼元速率為1200 B，則信息速率為多少？22log1200log 81200*33600(/ )bBRRNbit s例例：設(shè)一數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進制碼元的速率為：設(shè)一數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進制碼元的速率為1200Baud，試求該系統(tǒng)的信息速率；若該系統(tǒng)改為傳送十六進制信號碼試求該系統(tǒng)的信息速率；若該系統(tǒng)改為傳送十六進制信號碼元，碼元速率為元，碼元速率為2400Baud，則這時的系統(tǒng)信息速率為多少？，則這時的系統(tǒng)信息速率為多少？解解 12002loglog22BBbRNRR比特比特/秒秒9

32、6004240016log2BbRR比特比特/秒秒 練習(xí)練習(xí) ：已知二進制數(shù)字信號的傳輸速率為：已知二進制數(shù)字信號的傳輸速率為2400b/s，試問變換成四進制數(shù)字信號時的傳輸速率為多少試問變換成四進制數(shù)字信號時的傳輸速率為多少Baud。解：解：12002/24004log/2bBRRBaud/sv2可靠性可靠性-差錯率差錯率 衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯控制率，常用誤碼率和誤信率表示。是指通信終端接收到的數(shù)字信號發(fā)生錯誤的概率。 （1）誤碼率Pe 誤碼率Pe又稱為碼元差錯率，是指接收端錯誤接收的碼元數(shù)與所接收的總碼元數(shù)的比值，即碼元在通信系統(tǒng)中被傳錯的概率。 （1-10） （2）誤信率P

33、b 誤信率又稱為比特差錯率，是指接收端的錯誤接收的比特數(shù)與所接收的總比特數(shù)的比值。 （1-11） NPNe傳輸總碼數(shù)發(fā)生誤碼個數(shù)nlimNPNb傳輸總比特數(shù)發(fā)生錯誤比特數(shù)nlim 顯然，誤碼率和誤信率越低，數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性就越高，質(zhì)量越好，在二進制系統(tǒng)中Pe = Pb。v例1：某系統(tǒng)經(jīng)長期測定，它的誤碼率Pe=10（-5），系統(tǒng)碼元速率為1200B，問平均在多長時間內(nèi)可能收到360個誤碼元。v例2：已知某4進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的傳信率為2400bit/s，接收端在半個小時內(nèi)共收到216個錯誤碼元，試計算該系統(tǒng)的誤碼率Pe。v3. 系統(tǒng)頻帶利用率系統(tǒng)頻帶利用率 在比較不同數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性時，

34、某些情況下單純看信息傳輸速率是不夠的，兩個信息傳輸速率相同的系統(tǒng)所占用的信道頻帶寬度可能不同，這時，所占頻帶窄的系統(tǒng)傳輸信息的能力更強。所以系統(tǒng)頻帶利用率是全面評價數(shù)字通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo)。 = （B/Hz） (1-8) 對于采用二進制傳輸時的系統(tǒng)頻帶利用率可以表示為： = （bps/Hz） (1-9)頻帶寬度碼元傳輸速率頻帶寬度信息傳輸速率一、信息及其度量一、信息及其度量信息：消息中所包含的有效的內(nèi)容。信息：消息中所包含的有效的內(nèi)容。信息量：消息出現(xiàn)概率的函數(shù)。信息量：消息出現(xiàn)概率的函數(shù)。消息出現(xiàn)的概率越小，所包含消息出現(xiàn)的概率越小，所包含的信息量越大。的信息量越大。一個符號或事件，以概率一

35、個符號或事件，以概率P出現(xiàn)，則這個符號攜帶的信息量為：出現(xiàn)，則這個符號攜帶的信息量為：pIa1log信息量的單位與對數(shù)的底有關(guān)。信息量的單位與對數(shù)的底有關(guān)。底為底為2，單位為比特（，單位為比特（bit)，底為底為e，單位為奈特，單位為奈特(nit)，底為，底為10，單位為哈特，單位為哈特(hart)。例例1：已知二進制離散信源（：已知二進制離散信源（0，1），每一符號波形等概發(fā)送），每一符號波形等概發(fā)送，求傳送二進制波形符號的信息量。，求傳送二進制波形符號的信息量。解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為P=1/2，故其信息量為：，故其信息量為：12log1log22pI比特（

36、比特（bit）例例2：已知四進制離散信源（：已知四進制離散信源（0，1，2，3），獨立等概發(fā)送，求），獨立等概發(fā)送，求傳送每一波形的信息量。傳送每一波形的信息量。解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為P=1/4，故其信息量為：，故其信息量為：24log1log22pI比特（比特（bit）例例3：已知二進制離散信源（：已知二進制離散信源（0，1），若），若“0”出現(xiàn)概率為出現(xiàn)概率為1/3，求出求出“1”符號攜帶的信息量。符號攜帶的信息量。解：由于解：由于“1”符號出現(xiàn)的概率為符號出現(xiàn)的概率為P=2/3，故其信息量為：，故其信息量為：585.023log1log22pI比特（比特

37、（bit）585.13log1log220pI比特（比特（bit）平均信息量：是指信源中每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值。平均信息量：是指信源中每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值。定義：統(tǒng)計獨立的定義：統(tǒng)計獨立的M個符號的離散信息源的平均信息量為：個符號的離散信息源的平均信息量為：iMiippH1log21比特比特/符號符號H 也稱為信源熵。也稱為信源熵。例例3 中求信息的平均信息量為：中求信息的平均信息量為：92. 0585. 131585. 032H比特比特/符號符號解解： 出現(xiàn) 次 ； 出現(xiàn) 次 ； 出現(xiàn) 次 ; 出現(xiàn) 次 ；共 符號 。故 該消息 的 信息量 及 熵 分別為ni2i2222i

38、 11111In log p6log3log2log2log24(bit)2488 H( xloglogbitloglog/.2222111111112244888812331 752488 ）（符符號號） 平均信息量平均信息量 為一離散信源由一離散信源由 A ，B ，C ，D 四個符號組成，它們出現(xiàn)四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別的概率分別為為 1/2，1/4，1/8，1/8 ，且每，且每符號的出現(xiàn)都是符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求消息獨立的。試求消息 AAAAABBACCDDB 的信息量及熵的信息量及熵 1.3 信道容量與香農(nóng)公式 單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘糠Q為信道容量。它可用信道的

39、最大信息傳輸速率來表示。 以無限小的差錯率和無限大的速率傳輸信息是人們對通信系統(tǒng)的理想要求。可是信道傳輸信號的功率和信道的帶寬均是有限的，信號在信道中傳輸要受到干擾的影響，在實際的工程應(yīng)用中往往采用折衷方案，即在滿足可靠性的前提下盡可能地提高信息速率。那么，在怎樣的情況下，信道可以不失真地將信息以盡量高的速率傳輸呢？香農(nóng)定理為我們解決了這個問題。v香農(nóng)定理的內(nèi)容是，若信息源發(fā)出的信息速率小于或等于信道容量，則信息可以在信道中無失真地傳輸；反之，則無法正確傳輸信息。 對于給定的有擾信道，香農(nóng)公式給出了信道容量、信道帶寬和高斯白噪聲干擾信號（或信道輸出信噪比）之間的關(guān)系： (bit/s) （1-5） 式中，C為信道容量（單位bit/s），B為信道帶寬（Hz），S為信號功率（W）， n0為輸入端加性高斯