數(shù)字通信原理

1、批準人:年月日通信原理概論教案作業(yè)提要課目：數(shù)字通信原理概述目的：通過本節(jié)課讓同志們了解數(shù)字通信的基本原理及概念，為下一步訓練打下良好的基礎(chǔ)。容：一、數(shù)字通信的概念二、數(shù)字通信系統(tǒng)的模型及主要特點三、數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標四、數(shù)字通信網(wǎng)的概念實施方法：理論講解、多媒體演示教學對象：集訓隊學員時間：20時鐘地點：教室要求：1、認真聽課，做好筆記；2、嚴格遵守課堂紀律不做與上課無關(guān)的事項；3、大家在上課的過程中要積極思考，積極提問教學保障：計算機、投影儀各一臺作業(yè)進程3分鐘作業(yè)準備1 .準備器材，清點人數(shù);2 .宣布作業(yè)提要；3 .提示科目理論。作業(yè)實施42分鐘同志們這節(jié)課我們一起來學習數(shù)字通

2、信的基本原理?，F(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展趨勢為五化：數(shù)字化、綜合化、寬帶化、智能化和個人化；而數(shù)字化是其它四化的基礎(chǔ)。這不僅因為數(shù)字化信息具有很高的傳輸質(zhì)量，便于加密、糾錯、交換和計算機進行處理。而且采用數(shù)字技術(shù)可使圖像、數(shù)據(jù)、話音等各種連續(xù)的和離散日消息都能轉(zhuǎn)換為0和1形式的數(shù)字信號，從而綜合在一個網(wǎng)傳送和處理，實現(xiàn)不同業(yè)務終端之間的互通，為通信業(yè)務的多樣化和多媒體通信開辟了道路。還使數(shù)字傳輸與數(shù)字交換得以綜合而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一體化；等等。隨著學習的深入，同志們就會逐步體會到“電信技術(shù)的革命關(guān)鍵在于數(shù)字化”這句話的道理。模擬通信必將被數(shù)字通信所取代已成為世界各國的共識，面臨這一變革。我們本節(jié)課的目的在

3、于使同志們對數(shù)字通信建立初步的概念，主要介紹以下幾個問題：1、數(shù)字通信的概念2、數(shù)字通信系統(tǒng)的模型及主要特點3、數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標4、數(shù)字通信網(wǎng)的概念一、數(shù)字通信的概念現(xiàn)代電子通信，就它的基本技術(shù)體制來說，可以氛圍兩種類型，即模擬通信與數(shù)字通信。在講述什么是模擬通信和數(shù)字通信之前，我們需要先對模擬信號與數(shù)字信號加以說明。（一）模擬信號與數(shù)字信號1、模擬信號大家知道，在通信時，消息是攜帶在信號的某個參量或某幾個參量上的（如連續(xù)波的振幅、頻率、相位，脈沖波的振幅、寬度、位置等）。如信號的某個參量可以取無限多個數(shù)值并且與消息一一對應則該信號，稱為模擬信號。如語聲激勵話筒而產(chǎn)生的語音信號，電視

4、攝象機輸出的亮度信號等。2、數(shù)字信號凡某一參量只能取有限個數(shù)值的信號，我們稱之為數(shù)字信號。如早期的電報信號、電傳機送出的脈沖信號等。圖b是數(shù)字信號的波形，其特點是：幅值被限制在有限個數(shù)值之。需要說明的是，模擬信號有時也稱為連續(xù)信號，因為模擬信號的某一參量可以連續(xù)變化（可以取無限多個值）。數(shù)字信號有時也稱為離散信號，因為數(shù)字信號某一參量的去取值是離散的。（二）模擬通信與數(shù)字通信通信的目的是為了傳遞和交換攜帶信息的信號。根據(jù)信道上傳輸?shù)男盘柺悄M信號還是數(shù)字信號，通信技術(shù)體制分為模擬通信和數(shù)字通信兩類。1、模擬通信通常以模擬信號的形式來傳遞消息的通信方式稱為模擬通信。所以模擬通信系統(tǒng)將按模擬信號傳

5、輸特點來設(shè)計。2、數(shù)字通信通常將以數(shù)字信號的形式來傳遞消息的方式稱為數(shù)字通信。同理，數(shù)字通信系統(tǒng)將按數(shù)字信號傳輸?shù)奶攸c來設(shè)計。需要強調(diào)的是，模擬信號并非一定要在模擬通信系統(tǒng)中才能傳輸，任何模擬信號都可經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換邊為數(shù)字信號后，在數(shù)字信道中傳輸。數(shù)字通信就是以數(shù)字方式傳輸語音模擬信號的例子。同樣，數(shù)字信號也并非一定要在數(shù)字通信系統(tǒng)中才能傳輸，只要加上相應的數(shù)字終端設(shè)備，數(shù)字信號也可在模擬通信系統(tǒng)中傳輸。任何一種信息，即可以用模擬方式傳輸，也可以用數(shù)字方式傳輸，而且不論是模擬通信還是數(shù)字通信，在整個通信系統(tǒng)中有較大一部分是共用的。這對了解數(shù)模兼容的通信技術(shù)是十分重要的。二、數(shù)字通信系統(tǒng)模型及主要

6、特點（一）數(shù)字通信系統(tǒng)模型及各部分功能信源：其功能是把原始消息變換成原始電信號。常見的信源產(chǎn)生模擬信號的機、話筒、攝象機和輸出數(shù)字信號的電子計算機、電傳機、紙帶讀出機等各種數(shù)字終端設(shè)備。信源編（譯）碼：信源編碼的功能有二，當信源送來的是模擬信號時，發(fā)端的信源編碼器要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。信源編碼的第二個作用是進行降低信號冗余度的編碼，其目的是減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，提高傳輸有效性。這方面的容我們后面會講到。信源譯碼的作用與信源編碼相反。例如，信源編碼為模數(shù)轉(zhuǎn)換器時，信源譯碼就是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。信道編（譯）碼：信道編碼又稱抗干擾編碼或糾錯編碼。它是將信源編碼器輸出的數(shù)字基帶信號人為地按照一定

7、的規(guī)律加入多余碼元，以便在接收端譯碼器中發(fā)現(xiàn)或糾正碼元在傳輸中的錯誤，這樣可以降低碼元傳輸?shù)母怕省３蹩雌饋?，信道編碼增加多余度的作用與信源編碼降低多余度的作用互相抵消了。其實不然,因為信源編碼中降低的是數(shù)字信號中的自然冗余度，它是隨機的,因此自然冗余度不能起糾正錯誤的作用。而信道編碼中加入的多余碼元是為使數(shù)碼形成一定規(guī)律，從而使接收端能識別并糾正錯誤。信道譯碼的作用與信道編碼相反。加（解）密器：其作用是對信碼進行加（解）密。數(shù)字調(diào)制（解調(diào)）器：將工作在較低頻段上的數(shù)子基帶信號經(jīng)過調(diào)制，將數(shù)字基帶信號的頻帶搬移到相應的信道頻帶上。說明：1、一個實際的數(shù)字系統(tǒng)，并非都具備以上所有環(huán)節(jié)。2、由于數(shù)字

8、通信傳輸?shù)氖且粋€接一個按節(jié)拍傳送的數(shù)字信號，所以接收端必須有一個與發(fā)送端相同的節(jié)拍；不然，會因為收發(fā)步調(diào)不一制而造成混亂，故數(shù)字通信系統(tǒng)必須有一個同步問題（二）數(shù)字通信的主要特點通過剛才對數(shù)字通信系統(tǒng)模型和各部份作用的學習，接下來我們簡要介紹一下數(shù)字通信的特點。1、抗干擾能力強，無噪聲積累在模擬通信中，為了提高信噪比，需要及時對傳輸信號進行放大（增音），但在放大的同時噪聲也被放大，由于模擬信號的幅值是連續(xù)的，難以把傳輸信號與干擾噪聲分開，隨著傳輸距離增加，噪聲積累也隨之增大，從而使傳輸質(zhì)量惡化。在數(shù)字通信中，由于數(shù)字信號的幅度取值只有有限個（通常取0和1兩個值），在傳輸過程中受到噪聲干擾時，只

9、要信噪比沒有惡化到一定程度（噪聲不使判決發(fā)生錯誤），可通過經(jīng)一段距離再生一次的方法，再生出已消除噪聲的原發(fā)送信號。由于無噪聲積累可實現(xiàn)長距離高質(zhì)量傳輸。2、便于加密3、可采用信道編碼技術(shù)使錯誤率降低；4、設(shè)備便于集成化、微型化；由于設(shè)備部分電路都是數(shù)字電路，而數(shù)字電路比模擬電路更容易集成化，可采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，制成體積小、功耗低、成本低、可靠性高、速度快的設(shè)備。5、更有利于傳輸和交換的綜合在計算機和程控數(shù)字交換技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應用的背景下，數(shù)字通信能使傳輸和程控交換都以數(shù)字信號形式進行。這不僅可省去許多設(shè)備，而且大大改善男端對端的話音質(zhì)量。數(shù)字交換和數(shù)字傳輸?shù)慕Y(jié)合形成了綜合數(shù)字網(wǎng)

10、（IDN）,這將使通信網(wǎng)的建設(shè)大為便利和節(jié)約，并便于利用計算機對數(shù)字信息進行各種處理。6、可兼容數(shù)字、電報、數(shù)據(jù)和圖像及各種信息的傳輸，組成綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)；數(shù)字通信中所有的信號（語音、電報、音樂、數(shù)據(jù)等）都可以轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一形式的二進制數(shù)字脈沖，進入IDN進行傳輸和交換,實現(xiàn)端對端的數(shù)字連接，成為綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）。ISDN可為多種業(yè)務共用，因此通信網(wǎng)變得更為靈活和經(jīng)濟高效。在實際應用中還可帶來極大的便利。7、占用信道頻道寬（缺點）；如：模擬通信一路話占4KHZ,數(shù)字一路話占十幾至幾十KHZ;以上列舉了數(shù)字通信的主要優(yōu)點，但數(shù)字通信也有它的缺點，最主要的一個缺點是占用的信道頻帶比較寬。我們

11、只舉一個例子給出大致的數(shù)量概念，以通為例，模擬通信中一路話音信號占用的頻帶為4kHz,而數(shù)字一般需要十幾幾十kHz的帶寬；此外數(shù)字通信的設(shè)備一般也比模擬通信復雜一些。三、數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標在設(shè)計及評價一個通信系統(tǒng)時，必然涉及通信系統(tǒng)的性能指標問題。通信系統(tǒng)的性能指標包括信息傳輸?shù)挠行?、可靠性、適應性、經(jīng)濟性、標準性、及維護使用方法等等。因為通信的任務是傳遞信息，從信息傳輸角度講，在各項實際要求中起主導的、決定作用的，主要是通信系統(tǒng)傳輸信息的有效性和可靠性。（一）有效性指標指給定信道和時間的傳輸信息的多少，是系統(tǒng)信息數(shù)量上的表征；它通常用碼元速率RB、信息速率Rb和頻帶利用率衡量。1、

12、碼元速率（RB）碼元速率RB也稱為傳碼率，符號傳輸速率等。定義：碼元速率RB是指每秒鐘傳輸碼元的數(shù)目。單位：為波特（baud）簡記為B。2、信息速率（Rb）也稱為傳信率、比特率。定義：每秒鐘傳輸?shù)男畔⒘俊挝唬罕忍?秒，簡記為（b/s）3、頻帶利用率（刀）單位頻帶的傳輸速率。（二）可靠性指標是指信道系統(tǒng)傳輸信息質(zhì)量上的表征，指的是接收信息的準確程度。衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的主要指標是錯誤率，具體的有誤碼率Pe和誤信率（誤比特率）Pb兩種表示方法。1、誤碼率（Pe）在傳輸過程中發(fā)生誤碼的碼元個數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)的比值,用Pe表示；2、誤信率（Pb）系統(tǒng)在傳輸中發(fā)生差錯的比特數(shù)與傳輸總比特數(shù)的比值

13、，用Pb表示。錯誤率的大小由通路的系統(tǒng)特性和信道質(zhì)量決定。最后需指出的是：可靠性和有效性指標是互相矛盾的和可以互換的，即可通過降低有效性的方法來提高系統(tǒng)的可靠性，或反之。四、數(shù)字通信網(wǎng)的概念（一）通信網(wǎng)的概念及發(fā)展方向通信的最基本的形式是在點與點之間建立通信系統(tǒng)，但盡管有許多這樣的通信系統(tǒng)，還是不能稱為通信網(wǎng)，只有將眾多的通信系統(tǒng)按一定拓撲模式組合在一起才稱為通信網(wǎng)。即多個點對點的通信系統(tǒng)相互連接構(gòu)成的通信體系稱為通信網(wǎng)。通信網(wǎng)硬件的三要素為：終端節(jié)點（對應圖中的用戶）、交換節(jié)點（對應圖中的端局，匯接局）及傳輸鏈路。對傳統(tǒng)的模擬通信方式而言，終端節(jié)點發(fā)出的和接收的信號都是模擬信號，鏈路中傳輸和

14、交換節(jié)點交換的信號及是模擬信號，這樣的通信網(wǎng)叫模擬通信網(wǎng)。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，要求通信網(wǎng)提供的業(yè)務種類越來越多，傳遞信息的形式已從傳統(tǒng)的通信向數(shù)據(jù)通信、圖像通信乃至多媒體通信等多樣化方向發(fā)展。且通過通信網(wǎng)傳輸、交換、處理的信息量不斷增大，質(zhì)量要求也越來越高，這就要進一步提高傳輸效能及設(shè)備效率等等?，F(xiàn)代通信網(wǎng)根據(jù)這種形勢，正加速采用現(xiàn)代通信技術(shù)，以計算機為基礎(chǔ)的各種智能終端技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)積極使通信網(wǎng)向數(shù)字化、綜合化、寬帶化、智能化和個人化方向發(fā)展。世界各國在發(fā)展過程中第一步通常是建設(shè)本國的綜合數(shù)字網(wǎng)（IDN），第二步是在IDN的基礎(chǔ)上組建綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）和寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（B-IS

15、DN）下面我們就對IDN和ISDN作一簡要介紹。（二）綜合數(shù)字網(wǎng)（IDN）由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，目前國際上較發(fā)達國家長途傳輸?shù)臄?shù)字化已接近百分之百，市局換設(shè)備也基本數(shù)字化。采用數(shù)字傳輸與數(shù)字交換綜合而成的網(wǎng)稱為綜合數(shù)字網(wǎng)（IDN）.這里的綜合是指傳輸和交換處理都是以數(shù)字方式進行的，但在IDN中，終端節(jié)點所發(fā)送的信號仍然是模擬信號。由于終端節(jié)點發(fā)送的信號是模擬信號，所以，這樣的網(wǎng)絡(luò)不能進行業(yè)務的綜合，即對不同的通信業(yè)務需要不同的專用IDN.為通信所建立的IDN就叫IDN。綜合數(shù)字網(wǎng)除了具有1）、抗干擾，性強；2）、失真不積累；3）、終端設(shè)備簡單；4）、便于加密；5）、網(wǎng)絡(luò)成本低；6）

16、、傳輸性能好等數(shù)字通信技術(shù)所具有的優(yōu)點外，還由于廣泛采用數(shù)字設(shè)備后，數(shù)字網(wǎng)在連接點上不再需要模/數(shù)交換和數(shù)/模變換，因此可以節(jié)省許多費用，降低了網(wǎng)絡(luò)成本，并能提高傳輸性能，經(jīng)濟的實現(xiàn)高質(zhì)量通信，具有較好的經(jīng)濟效益。隨著各種電信新業(yè)務的日益增多，綜合數(shù)字網(wǎng)為將來過渡到綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）創(chuàng)造了必要的條件。（三）綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）1、ISDN的基本定義和特點ITUT在1984年提出的關(guān)于ISDN的一系列建議中指出ISDN是以IDN為基礎(chǔ)發(fā)展而成的網(wǎng)絡(luò)。它提供對端的數(shù)字連接性，用來提供包括話音和非話音業(yè)務在的多種業(yè)務；用戶能夠通過一組標準多用途的用戶/網(wǎng)路接口接到這個網(wǎng)絡(luò)。ISDN的基

17、本概念和特點可歸納為以下幾點：1） ISDN是可以提供多種業(yè)務的電信網(wǎng)絡(luò)；2） ISDN在IDN的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，發(fā)展初期還是以為主；3） ISDN主要特點是在網(wǎng)可實現(xiàn)端到端的數(shù)字連接；4）用戶通過一組標準多用途的用戶/網(wǎng)路接口接入網(wǎng)絡(luò)，可以適應不同業(yè)務的終端；5）ISDN的用戶終端設(shè)備中網(wǎng)路組成可以分別開發(fā)，網(wǎng)路可用不同方式向用戶提供多種業(yè)務；6）為利于網(wǎng)路維護和管理，ISDN應具有包括信息處理在的綜合網(wǎng)路功能。由上述特點可知，采用ISDN給通信網(wǎng)建設(shè)帶來的好處為：1）由于通信網(wǎng)的技術(shù)設(shè)備可謂多種業(yè)務共用，因此通信網(wǎng)變得更為經(jīng)濟有效。2）在規(guī)劃和介入新任務時具有很大靈活性。3）傳輸和交換過程中不需要經(jīng)過信號形式的變化，有利于傳輸質(zhì)量的提高。4）同一的操作程序，使用者便于操作；同一的技術(shù)，簡化了運營與維護，節(jié)省費用。5）對光纖等傳輸介質(zhì)的寬帶特性可充分利用。一個通信網(wǎng)只要它能夠提供數(shù)字連接，不論網(wǎng)路如何組成，從用戶的觀點看，它就是ISDN;只要遵循業(yè)務標準，網(wǎng)路能力標準，接口標