数字通信原理课件 第1章 绪论.ppt

掌握数字通信的基本原理，对信息的表示、信道的通信能力、信源的编码、信道的编码以及同步原理有基本的了解。对通信系统的有效性和可靠性的分析，并能根据一定的参数要求，设计相应的数字通信系统。数字通信数字通信 第第 1 1 章章 概概 述述本章从信系统模型的构成、数字传输方式、数字通信的特点、数字通信复用技术、数字通信系统的主要指标等作比较全面的概括介绍,并提出一些最基本的概念。学习要点:(1)通信系统及数字通信系统模型的构成；(2)数字信号和模拟信号的特点;(3)数字通信的特点;(4)数字通信系统的主要指标1.1 1.1 通信的基本概念通信的基本概念1.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.3 1.3 现代通信技术发展的概况现代通信技术发展的概况1.4 1.4 数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标1.5 1.5 本书讨论的数字通信的主要问题本书讨论的数字通信的主要问题1.1 通信的基本概念通信:信息（或消息）的传输和交换。（要求准确、迅速）消息:信息的物理表现形式。如语言、文字、数据或图像等。信息:消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。消息消息信息信息电通信:是利用电（电流或电波，包括光）来传递信息。现代通信一般均是指“电通信”。信号:消息的电的表示形式。在电通信系统中，电信号是消息传递的物质载体。通信系统:是完成传递信息任务所需要的一切技术设备和传输媒介所构成的总体。可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。v 有线通信是用导线（如架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等）作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。v 无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。1、按传输媒质分类按传输媒质分类通信系统分类2 2、按信道中所传信号的不同、按信道中所传信号的不同 按照信道中所传输的是模拟信号还是数字相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。模拟信号与数字信号示例模拟信号与数字信号示例v 按通信设备的工作频率不同可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红外线通信等。表 1-1 列出了通信使用的频段、常用的传输媒质及主要用途。v 工作波长和频率的换算公式为；=3、按工作频段分类、按工作频段分类工作波长工作频率电波在自由空间中传播速度表表表表1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 通信使用的频段及主要用途通信使用的频段及主要用途通信使用的频段及主要用途通信使用的频段及主要用途频率范围频率范围波长波长符号符号传输媒介传输媒介用途用途3Hz30kHz108104m甚低频甚低频VLF有线线对有线线对长波无线电长波无线电音频、电话、数据终端、长距离音频、电话、数据终端、长距离导航、时标导航、时标30kHz300kHz104103m低频低频LF有线线对有线线对长波无线电长波无线电导航、信标、电力线通信导航、信标、电力线通信300kHz3MHz103102m中频中频MF同轴电缆同轴电缆中波无线电中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余调幅广播、移动陆地通信、业余无线电无线电3MHz30MHz10210m高频高频HF同轴电缆同轴电缆短波无线电短波无线电移动无线电话、短波广播、定点移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电军用通信、业余无线电30MHz300MHz101m甚高频甚高频VHF同轴电缆同轴电缆米波无线电米波无线电电视、调频广播、空中管制、车电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航辆通信、导航300MHz3GHz110-1m特高频特高频UHF波导波导分米波无线电分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、点电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信对点通信、移动通信3GHz30GHz10-110-2m超高频超高频SHF波导波导厘米波无线电厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷微波接力、卫星和空间通信、雷达达30GHz300GHz10-210-3m极高频极高频EHF波导波导毫米波无线电毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学雷达、微波接力、射电天文学105GHz107GHz3X10-63X10-8m可见光、红外可见光、红外光纤光纤激光空间传播激光空间传播光通信、蓝牙通信光通信、蓝牙通信 根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。频带传输是对各种信号调制后传输的总称。调制方式很多，表 1-2 列出了一些常见的调制方式。4、按调制方式分类按调制方式分类表 1-2常见的调制方式调 制 方 式 用途 连续波调制线性调制常规双边带调幅广播 抑制载波双边带调幅 立体声广播 单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅VSB 电视广播、数传、传真 非线性调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播 相位调制PM 中间调制方式 数字调制幅度键控ASK 数据传输 相位键控数据传输 调 制 方 式 用途 脉冲调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等 数据传输、数字微波、空间通信 其他高效数字调制QAM、MSK等 数字微波、空间通信 脉冲模拟调制脉幅调制PAM 中间调制方式、遥测 脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式 脉位调制PPM 遥测、光纤传输 脉冲数字调制脉码调制PCM 市话、卫星、空间通信 增量调制DM 军用、民用电话 差分脉码调制DPCM 电视电话、图像编码 其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC 中低速数字电话 5 5、按通信业务分类、按通信业务分类 按通信业务分，通信系统有话务通信和非话务通信。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。6 6、按信号复用方式分类按信号复用方式分类 常见传输多路信号有两种复用方式，即频分复用、时分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间。无论怎样划分通信系统，都只是在信号处理方式、传输方式或传输介质等外在特征上做文章，其通信的实质并没改变，即大量、快速、准确、广泛、方便、经济、安全地传送信息。因此，在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时，只要抓住这个实质，就不会被系统复杂的结构、先进的技术和生涩的技术术语所迷惑。其他分类方式：按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等。按用户类型可分为公用通信和专用通信等。1.2 1.2 1.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成通信系统的组成通信系统的组成 通信系统模型通信系统模型信息源（简称信源）：把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中的电话机，信源输出的信号成为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制（频率搬移）的原始信号，频率较低。基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号。发送设备：对基带信号进行某种变换和处理，使原始信号（基带信号）适应信道传输特性的要求。信道：信号传输的通路，分为有线和无线两大类。噪声源：叠加在信道中所有噪声以及分散在通信系统中其他各处噪声的集合。接收设备：将从收到的信号中恢复出相应的原始信号。受信者（信宿或收终端）：将复原的原始信号转换成相应的消息。1.2.1 1.2.1 模拟通信系统模拟通信系统 传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。信信息息源源调制调制器器信信道道解调解调器器收收信信者者噪声源噪声源模拟通信系统模型模拟通信系统模型 模拟广播通信系统模拟广播通信系统 模拟通信系统模型两种变换：模拟消息 原始电信号（基带信号）基带信号 已调信号（带通信号）以语音信号为例来说明发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。为了提高频带利用率，使多路信号同时在信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。调制是信号的一种变换，通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后的信号称为已调信号。在收端，经解调器和逆变换器还原成语音信息。数字通信系统是传输数字信号的通信系。1.2.2数字通信系统数字通信系统 实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。数字通信系统模型 与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统。信息源基带信号形成器信道接收滤波器取样判决受信者噪声源CP 数字基带传输通信系统模型 图中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。实际上，数字通信系统中可传送的消息可以是数字的，也可以是模拟的，当要实现模拟信号在数字系统中的传输时，则必须在发端将模拟信号数字化，即A/D转换；在收端需进行相反的转换，即D/A转换。模拟信息源抽样、量化、编码组成的A/D转换器数字通信系统D/A转换器受信者 模拟信号数字化传输通信系统模型数字通信的基本特征：消息或信号是“离散”或“数字”的，强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。数字通信具有以下特点：（1）数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。（2）当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行加密，此时在接收端就必须进行解密。(3)由于数字通信传输时按节拍传送数字信号，因而接收端必须有一个与发端相同的节拍，否则会因收发步调不一致而造成混乱。信源编码的作用：v 将模拟信号转换成数字信号，即模/数转换。模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)。v 设法减少码元数目和减少冗余信息，即数据压缩。（1）信源编码与译码）信源编码与译码码元：数字通信中传输的一个接一个按节拍传送的数字信号单元。信源译码是信源编码的逆过程。数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。（2）信道编码与译码信道编码与译码 在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。（3）加密与解密加密与解密（4）数字调制与解调数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。S(t)Acos(t+)S(t)Acos(t+)信源信源载波信号载波信号已调信号已调信号 同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。（5）同步同步 模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。语音数字通信系统示意图语音数字通信系统示意图数字通信加密方法示意数字通信加密方法示意1.3 1.3 1.3 1.3 现代通信技术发展的概况现代通信技术发展的概况现代通信技术发展的概况现代通信技术发展的概况1.3.1 1.3.1 通信发展简史通信发展简史18381838年：莫尔斯发明有线电报通信年：莫尔斯发明有线电报通信19181918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世年：调幅无线电广播、超外差接收机问世19251925年：多路通信和载波电话问世年：多路通信和载波电话问世19621962年：开始了实用卫星通信的时代年：开始了实用卫星通信的时代1970-19801970-1980：大规模集成电路、商用卫星通信，程控数字交换机、：大规模集成电路、商用卫星通信，程控数字交换机、光纤通信、微处理机等迅速发展光纤通信、微处理机等迅速发展1980-19901980-1990：超大规模集成电路、移动通信、光纤通信广泛应用，：超大规模集成电路、移动通信、光纤通信广泛应用，综合业务数字网崛起综合业务数字网崛起1990-1990-：卫星通信、移动通信、光纤通信进一步飞速发展，高：卫星通信、移动通信、光纤通信进一步飞速发展，高清晰彩色数字电视技术不断成熟，全球定位系统（清晰彩色数字电视技术不断成熟，全球定位系统（GPSGPS）得到广）得到广泛应用泛应用 根根据据各各种种通通信信技技术术在在通通信信发发展展史史上上的的地地位位、作作用用以以及及对对人人类类社社会会的的影影响响，我我们们对对过过去去的的100多多年年通通信信技技术术的的发发展展历历史史进进行行了了概概括括性的总结，认为有性的总结，认为有10项重大通信技术值得人们纪念。项重大通信技术值得人们纪念。(1)摩摩尔尔斯斯发发明明有有线线电电报报。有有线线电电报报开开创创了了人人类类信信息息交交流流的的新新纪元。纪元。(2)马马克克尼尼发发明明无无线线电电报报。无无线线电电报报为为人人类类通通信信技技术术开开辟辟了了一一个崭新的领域。个崭新的领域。(3)载载波波通通信信。载载波波通通信信的的出出现现，改改变变了了一一条条线线路路只只能能传传送送一一路电话的局面，使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能。路电话的局面，使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能。(4)电电视视。电电视视极极大大地地改改变变了了人人们们的的生生活活，使使传传输输和和交交流流信信息息从单一的声音发展到实时图像。从单一的声音发展到实时图像。(5)电电子子计计算算机机。计计算算机机被被公公认认为为是是20世世纪纪最最伟伟大大的的发发明明，它它加快了各类科学技术的发展进程。加快了各类科学技术的发展进程。(6)集成电路。集成电路为各种电子设备提供了高速、微小、集成电路。集成电路为各种电子设备提供了高速、微小、功能强大的功能强大的“心心”，使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了，使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度。一个新的高度。(7)光光纤纤通通信信。光光导导纤纤维维的的发发明明，使使人人们们寻寻求求到到一一种种真真正正能能够够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质。承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质。(8)卫星通信。卫星通信将人类带入了太空通信时代。卫星通信。卫星通信将人类带入了太空通信时代。(9)蜂蜂窝窝移移动动通通信信。蜂蜂窝窝移移动动通通信信为为人人们们提提供供了了一一种种前前所所未未有有、方便快捷的通信手段。方便快捷的通信手段。(10)因因特特网网。因因特特网网的的出出现现意意味味着着信信息息时时代代的的到到来来，使使地地球球变变成了一个没有距离的小村落成了一个没有距离的小村落-“地球村地球村”。1.3.2 1.3.2 通信技术的现状和发展趋势通信技术的现状和发展趋势数字化、大容量、远距离、高效率、多信源以数字化、大容量、远距离、高效率、多信源以及保密性、可靠性、智能化等已成为现代通信系统及保密性、可靠性、智能化等已成为现代通信系统的主要特点。的主要特点。1.光纤通信光纤通信2.微波中继通信微波中继通信3.卫星通信卫星通信4.移动通信移动通信5.计算机通信网计算机通信网1.4 1.4 数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标1.4.1 1.4.1 一般通信系统的性能指标一般通信系统的性能指标（1 1）有效性）有效性：指信道资源的利用率，即系统中单位：指信道资源的利用率，即系统中单位频带传输消息的频带传输消息的“速率速率”问题。问题。（2 2）可靠性）可靠性：指通信系统传输消息的：指通信系统传输消息的“质量质量”问题，问题，即好坏问题。即好坏问题。（3 3）适应性）适应性：指通信系统使用时的环境条件。：指通信系统使用时的环境条件。（4 4）经济性）经济性：指分摊到每一个用户的成本。：指分摊到每一个用户的成本。（5 5）保密性）保密性：指系统对所传信号的加密措施。：指系统对所传信号的加密措施。（6 6）标准性）标准性：指系统的接口、各种结构及协议是否：指系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。合乎国家、国际标准。（7 7）维护性）维护性：指系统是否维修方便。：指系统是否维修方便。（8 8）工艺性）工艺性：指通信系统各种工艺要求。：指通信系统各种工艺要求。1.4.2 1.4.2 数字通信系统有效性指标的具体表述数字通信系统有效性指标的具体表述1.1.码元传输效率（码元传输效率（B/HzB/Hz）码元传输速率码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（元的数目，单位为波特（Baud），简记为），简记为B。式中式中T 码元的宽度码元的宽度多进制（多进制（N）码元速率）码元速率RBN与二进制码元速率与二进制码元速率RB2之之间转换关系式间转换关系式N应为应为2k，k=2,3,4 信道频带（主要指系统频带）对系统而言是一种宝贵的资源，频带利用率反映了系统对频带资源的利用水平和有效程度。码元传输效率用单位频带内系统允许的最大传码率来衡量，即2.信息传输效率（bit/Hzs）信息传输速率简称信息速率，用符号Rb表示。Rb是指单位时间（每秒钟）内传送的信息量，单位为bit/s（比特/秒），简记为b/s或bps。码元传输速率和信息传输速率具有不同的定义，不能混淆。两者之间有确定的关系，如果码元传输速率为RBNB，则对应的信息传输速率Rb为同理，信息传输效率用单位频带内系统允许的最大传信率来衡量，即3.消息传输速率 单位时间内从信源发出的消息数成为消息传输速率，又称消息率，用符号Rm表示。单位是比特/秒(bit/s)。消息传输速率与信息传输速率的关系是式中是传输效率，传输效率总是小于1的。1.4.3 1.4.3 数字通信系统可靠性指标的具体表述数字通信系统可靠性指标的具体表述1.码元差错率码元差错率码元差错率用符号Pe表示，简称误码率。它是指接受错误的码元数在传送总码元数中所占的比例，确切地说，误码率是指码元在传输系统中被传错的改了。码元差错率2.比特差错率（比特差错率（误比特率 误信率）比特差错率用符号Peb表示，它是指接收错误的信息量在传送信息总量中所占的比例，是码元的信息量在传输系统中丢失的概率。3.码组差错率 码组差错率用符号Pw表示。它是指传输的码组（码字）中发生差错的码组的概率，简称误组率。上述指标中，误比特率是最常用的指标，在数字电话传输系统中一般要求不大于10-5；而且传送计算机数据时，一般要求不大于10-9。