信息與通信現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)

現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)202教研室熊華鋼8/16/20241§1概述§1.1通信系統(tǒng)的組成和分類§1.2數(shù)字通信及主要技術(shù)§1.3數(shù)字通信的主要特點§l.4數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標§1.5數(shù)字通信的發(fā)展趨勢本課程的主要內(nèi)容參考書目8/16/20242§1.1通信系統(tǒng)的組成和分類

通信的最終目的是為了有效和可靠地獲取、傳遞和交換信息。信息可以有多種多樣表現(xiàn)形式，如語音、文字、數(shù)據(jù)、圖像等。傳遞或交換信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和稱為通信系統(tǒng)。8/16/20243通信系統(tǒng)組成8/16/202441．信源和收信者（信宿）

信源是發(fā)出信息的源，信宿是傳輸信息的歸宿點。信源可以是離散的數(shù)字信源，也可以是連續(xù)的模擬信源。

8/16/202452．發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和傳輸媒介匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸媒介。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。發(fā)送設(shè)備還包括為達到某些特殊要求而進行的種種處理，如多路復(fù)用、保密處理、糾錯編碼處理等等。8/16/202463．信道

信道是指傳輸信號的通道，從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號傳遞所經(jīng)過的媒介，可以是無線的，也可以是有線的，有線和無線均有多種傳輸媒介。信道既給信號以通路，也要對信號產(chǎn)生各種干擾和噪聲，傳輸媒介的固有特性和干擾直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。

8/16/202474．接收設(shè)備

接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進行解調(diào)、譯碼、解碼等等。它的任務(wù)是從帶有干擾的信號中正確恢復(fù)出原始消息來，對于多路復(fù)用信號，還包括解除多路復(fù)用，實現(xiàn)正確分路。

8/16/20248多數(shù)情況下，信源兼為信宿，通信的雙方需要隨時交流信息，因而要求雙向通信。通信雙方都要有發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備，如果兩個方向有各自的傳輸媒介，則雙方都可獨立進行發(fā)送和接收。但若共用一個傳輸媒介，則用頻率或時間分割的辦法來共享。此外通信系統(tǒng)除了完成信息傳遞之外，還必須進行信息的交換。傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)共同組成一個完整的通信系統(tǒng)，乃至通信網(wǎng)絡(luò)。

8/16/20249通信系統(tǒng)的分類按通信的業(yè)務(wù)和用途分類

常規(guī)通信-話務(wù)通信/非話務(wù)通信控制通信按調(diào)制方式分類基帶傳輸，調(diào)制傳輸按傳輸信號的特征分類模擬通信系統(tǒng)，數(shù)字通信系統(tǒng)按傳送信號的復(fù)用方式分類頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用按傳輸媒介分類有線：明線、電纜、光纜信道無線：短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼8/16/202410§1．2數(shù)字通信及其主要技術(shù)8/16/2024111．信源編碼與解碼將信源的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，即模／數(shù)變換；降低數(shù)字信號的數(shù)碼率，即數(shù)據(jù)壓縮。8/16/2024122．加密與解密數(shù)字信號比起模擬信號來易于加密，且效果也好。加密器可以產(chǎn)生密碼，人為地將輸人明文數(shù)字序列進行擾亂。編碼可以采用周期非常長的偽隨機序列，甚至采用完全無規(guī)律的噪聲碼。在接收端對接收到的數(shù)字序列進行解密，恢復(fù)明文。8/16/2024133．信道編碼與解碼數(shù)字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起差錯。信道編碼的目的就是提高通信抗干擾能力，盡可能地控制差錯。波形編碼：改善波形檢測性能。雙極性波形、正交波形、多元波形、雙正交波形等。差錯控制編碼：對傳輸?shù)脑夹畔匆欢ň幋a規(guī)則進行編碼，在接收端按一定的規(guī)則進行解碼，看其編碼規(guī)則是否遭到破壞，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤。線性分組碼，循環(huán)碼、漢明碼、格雷碼、BCH碼、RS碼等卷積碼，主要特點是有記憶特性。卷積碼的著名譯碼算法有：序列譯碼、Viterbi最大似然譯碼。8/16/2024144．調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是把各種數(shù)字信息脈沖轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)恼{(diào)制信號波形。解調(diào)是對收到的信號轉(zhuǎn)換成原始數(shù)字信息脈沖。數(shù)字調(diào)制技術(shù)可分為幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、連續(xù)相位調(diào)制（CPM），以及它們的各種組合。在接收端可以進行相干解調(diào)或非相干解調(diào)，前者需要知道載波的相位才能檢測，后者則不需要。對高斯噪聲下信號的檢測，一般用相關(guān)接收機或匹配濾波器。各種不同的調(diào)制方式具有不同的檢測性能。標志各種調(diào)制方式的性能指標為比特差錯概率，它是比特能量與噪聲功率譜密度之比的函數(shù)。8/16/2024155.多路與多址為了充分利用通信資源和增加總的數(shù)據(jù)通信量，可以采用多路技術(shù)，使多用戶能夠固定分配通信資源，采用多址技術(shù)可以遠程或動態(tài)變化地共享通信資源。

基本的方法有頻分、時分、碼分、空分和極化波分。8/16/2024166．信道與噪聲通常數(shù)字信號可以在數(shù)字信道傳輸，也可以經(jīng)過調(diào)制變成頻帶信號通過模擬信道傳輸。信道既給傳輸數(shù)字信號以通路，又給傳輸?shù)臄?shù)字信號以限制和影響。當數(shù)字信號通過信道時，信號的功率也由于信道的損耗而下降，而且信號還會受到信道噪聲的損害。信道中的噪聲歸納起來可分為兩種：一種是高斯噪聲；另一種是脈沖噪聲。數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計的目標，一方面是設(shè)法消除或補償信道引起的信號失真，另一方面是盡可能地抑制和減小噪聲的不良影響。8/16/2024177．同步與數(shù)字復(fù)接位（比特）同步載波同步幀同步網(wǎng)同步數(shù)字復(fù)接是依據(jù)時分復(fù)用原理完成數(shù)碼流合并的技術(shù)8/16/202418§1.3數(shù)字通信的主要特點1．抗干擾能力強，無噪聲積累，保證較高的通信質(zhì)量2．便于加密處理，且保密強度高3．數(shù)字信號便于直接與計算機接口，形成智能網(wǎng)4．高度的靈活性和通用性5．設(shè)備便于集成化、微型化

8/16/202419但是數(shù)字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價而換取的。數(shù)字通信的頻帶利用率不高同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜然而，隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，信息越來越寶貴和重要，保密要求也越來越高，因而實際中往往寧可犧牲系統(tǒng)頻帶而采用保密數(shù)字通信，至于在系統(tǒng)頻帶富裕的場合，如毫米波通信、光通信等場合，數(shù)字通信幾乎成了唯一的選擇。8/16/202420§l．4數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標有效性：在給定信道內(nèi)能傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，主要性能指標是傳輸速率、頻帶利用率?？煽啃裕航邮招畔⒌臏蚀_程度，主要指標是誤碼率。8/16/2024211．傳輸速率（l）碼元傳輸速率（）簡稱傳碼率，表示單位時間（每秒）內(nèi)傳輸?shù)拇a元（符號）個數(shù)，單位為波特。（2）信息傳輸速率（）簡稱傳信率，表示單位時間（每秒）內(nèi)傳送數(shù)據(jù)信息的比特數(shù)，單位為比特／秒。二進制傳輸時，傳輸速率和信息速率一致。對N進制傳輸時，其傳輸速率和信息速率可以通過下述公式來換算：

8/16/2024222頻帶利用率（B/Hz）對二進制傳輸時可表示為（B/Hz）8/16/2024233．可靠性指標衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的主要指標是誤碼率。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)之比8/16/2024244.性能極限

Shannon定理指出：如果信息源的信息速率小于或者等于一個所謂的信道容量C，那么，在理論上存在一種方法可使信息源能夠以任意小的差錯率通過信道傳輸。如果＞C，則沒有任何辦法傳輸這樣的信息，或者說傳輸二進制信息的差錯率為1／2．

信道容量C是信道的極限傳輸能力8/16/202425可以證明，在被高斯白噪聲干擾的信道中，傳送的最大信息速率C，由Shannon公式確定：（bit/s）另一形式：8/16/202426（l）信道容量極限可見，=0或S=∞，均能使C=∞。

=0意味著無噪聲，S=∞意味著發(fā)送功率要達到無窮大。若要提高信道容量C，則應(yīng)減小噪聲或者提高發(fā)射功率。信道容量C還與帶寬B有關(guān)，帶寬對信道容量有何影響呢？8/16/202427B=0，顯然無法傳輸信息，C=0上式表明，即使信道帶寬B趨于無窮大，信道容量C也是一個定值，稱為信道容量極限。8/16/202428（2）頻帶利用率的極限當=C時，由Shannon公式得：上式為系統(tǒng)可能的最高頻帶利用率,。即頻帶利用率極限。8/16/202429（3）帶寬與信噪比的互換由式可見，當信道容量C保持不變時，帶寬B與信噪比可以進行互換。帶寬較小的改變將會導(dǎo)致信號功率較大的改變。帶寬和信號功率的互換，通?？捎删幋a和調(diào)制來實現(xiàn)。8/16/202430§1.5數(shù)字通信的發(fā)展趨勢

短波通信微波通信移動通信衛(wèi)星通信光纖通信8/16/202431l．數(shù)字短波通信未來戰(zhàn)爭中通信衛(wèi)星易于被擊毀，短波通信經(jīng)過被冷落一段時間后又出現(xiàn)了“復(fù)蘇”現(xiàn)象，重新引起各方面的重視。為了克服嚴重的碼間干擾，采用了系列自適應(yīng)技術(shù)，包括：自適應(yīng)實時選頻、自適應(yīng)信道均衡、自適應(yīng)干擾對消，以及由它們組合而成的自適應(yīng)通信系統(tǒng)。此外尚有功率自適應(yīng)、速率自適應(yīng)、天線調(diào)諧自適應(yīng)和自組織自適應(yīng)通信網(wǎng)等。此外，在短波數(shù)字通信中采用擴頻跳頻技術(shù)，自適應(yīng)接收和瞬時快速通信技術(shù)等研究都在進行中。8/16/2024322．數(shù)字移動通信近十年來，各國已研制出多種新的系統(tǒng)，如寬帶或窄帶TDMA制式，及在此基礎(chǔ)上制定的泛歐GSM系統(tǒng)標準等。數(shù)字移動通信的新技術(shù)特點是：采用智能網(wǎng)絡(luò)的原理、與ISDN相結(jié)合、部件高度集成化。這些特點使數(shù)字移動通信系統(tǒng)成為高技術(shù)密集的產(chǎn)品。移動通信的發(fā)展方向是數(shù)字化、微型化和標準化。第三代移動通信系統(tǒng)正是向這個方向努力，目前世界上有多種技術(shù)體制，互不兼容，標準化成為當務(wù)之急。數(shù)字化的關(guān)鍵是調(diào)制、糾錯編碼和話音編碼方式的確定和實現(xiàn)。微型化的目標是研制重量非常輕的手機。8/16/2024333．數(shù)字微波通信大容量數(shù)字微波的發(fā)展遭遇到數(shù)字短波通信同樣的技術(shù)難題，即微波在地面?zhèn)鞑ヒ泊嬖诙鄰叫?yīng)和衰落現(xiàn)象。數(shù)字微波也需要采用一整套自適應(yīng)技術(shù)來抗多徑衰落引起的碼間干擾。第三代數(shù)字微波設(shè)備的研制，其技術(shù)特點為：采用256QAM或1024QAM調(diào)制、自適應(yīng)均衡、有效的分集接收合成技術(shù)等先進的自適應(yīng)抗多徑衰落技術(shù)措施，采用雙重極化等頻率重用技術(shù)，并開辟10GHZ以上新的頻段，以及新的電路和工藝。8/16/2024344．數(shù)字衛(wèi)星通信早期的時分多址衛(wèi)星系統(tǒng)就是數(shù)字式的。從體制上看，目前已有單路單載波（SCPC）的SPADE系統(tǒng)、時分多路頻分多址系統(tǒng)、時分多址數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)。近年來甚小口徑終端（VSAT）數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)取得了很大的進展和廣泛的應(yīng)用。大量的個人計算機通過衛(wèi)星通信連接成衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)，其造價低廉、安裝容易、使用靈活，受到廣大用戶的歡迎。近年來，我國已引進VSAT技術(shù)，并在許多部門建立了VSAT通信網(wǎng)。我國衛(wèi)星通信的發(fā)展也將以數(shù)字衛(wèi)星通信為主。8/16/2024355．數(shù)字光纖通信光纖通信具有頻帶極寬、通信容量極大、傳輸損耗小、保密性好、不易被竊聽，以及能抗電磁干擾、且體積小、重量輕等一系列優(yōu)點，已在國內(nèi)外得到極大發(fā)展和應(yīng)用。光纖通信的寬頻帶特性，為實現(xiàn)寬帶ISDN創(chuàng)造了十分有利的條件。當前的主要矛盾是應(yīng)大力研制和開發(fā)數(shù)字通信終端及交換設(shè)備，以便與光纖傳輸系統(tǒng)相連接，否則將阻礙光纖通信的應(yīng)用和發(fā)展。8/16/202436數(shù)字通信的發(fā)展趨勢是：小型化（集成化）、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)綜合化。①數(shù)字通信技術(shù)的組合優(yōu)化與整體綜合優(yōu)化信源編碼與信道編碼的結(jié)合、糾錯與加密相結(jié)合、均衡與分集相結(jié)合。②數(shù)字通信的綜合服務(wù)通信的數(shù)字化與傳輸媒介的拓寬，給語音、數(shù)據(jù)、傳真、圖像的綜合服務(wù)提供了實現(xiàn)的基礎(chǔ)。窄帶ISDN的研究與實施，異步傳輸模式（ATM）的實現(xiàn)，促進了寬帶ISDN的發(fā)展。③多媒介的無線數(shù)字移動綜合通信網(wǎng)數(shù)字式蜂窩移動通信、衛(wèi)星移動通信、無繩電話和尋呼無線通信、建筑物內(nèi)無線通信等在數(shù)字通信基礎(chǔ)的結(jié)合，將構(gòu)成三維空間廣闊的無線通信網(wǎng)。8/16/202437本課程的主要內(nèi)容現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)

擴頻通信技術(shù)

現(xiàn)代通信網(wǎng)

8/16/202438第一部分：現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)代通信中，隨著大容量和遠距離數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的問題，主要是信道的帶限和非線性對傳輸信號的影響。傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式受到了威脅，需要采用新的數(shù)字調(diào)制方式以減小信道對傳輸信號的影響。新的技術(shù)主要是圍繞充分節(jié)省頻譜和高效率地利用頻帶展開的。多進制調(diào)制，是提高頻譜利用率的有效方法，恒包絡(luò)技術(shù)能適應(yīng)信道的非線性，保持較小的頻譜占用率。這一部分討論幾種新的調(diào)制方式。

8/16/202439第二部分：擴頻通信技術(shù)

擴頻通信是指發(fā)送端將待傳送數(shù)據(jù)用擴頻碼調(diào)制實現(xiàn)頻譜擴展，再進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。接收端采用同樣的擴頻碼進行相關(guān)處理