《数字通信概论》PPT课件.ppt

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1、数字通信原理数字通信原理2012 软件与通信工程学院软件与通信工程学院制作：涂丽琴制作：涂丽琴（电子教案）（电子教案）课程内容简介课程内容简介 本本教教案案系系统统地地介介绍绍了了数数字字通通信信的的特特点点、原原理理、应应用用及及性性能能分分析析的的基基本本方方法法，内内容容包包括括数数字字通通信信系系统统概概述述、信信源源编编码码技技术术、数数字字基基带带传传输输技技术术、数数字字调调制制与与解解调调技技术术、数数字字信信号号的的最最佳佳接接收收、同同步步技技术术、信信道道编编码码技技术术等等。各各章章节节在在内内容容的的安安排排和和叙叙述述上上，根根据据数数字字通通信信的的发发展展和和实

2、实际际教教学学的的需需要要，力力求求做做到到物物理理概概念念清清晰晰，理理论论推推导导简简明明，体体系系结结构构完完整整；重重点点介介绍绍了了数数字字通通信信主主要要技技术术的的基基本本概概念念、基基本本原原理理、基基本本分分析析方方法法和主要应用。和主要应用。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论本章将主要介绍：本章将主要介绍：一、数字通信的概念一、数字通信的概念二、信息及其度量方法二、信息及其度量方法三、数字通信系统的组成与主要性能指标。三、数字通信系统的组成与主要性能指标。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论第一节第一节 通信与通信系统通信与通信系统一、通信与通信系统的概念一、通信与通

3、信系统的概念 人们常用语音、文字、数据、图形、人们常用语音、文字、数据、图形、图象等方式来表达和传递信息，有时也用图象等方式来表达和传递信息，有时也用收发双方预先约定的编码来表达和交换信收发双方预先约定的编码来表达和交换信息，收发双方之间的这种信息传递过程就息，收发双方之间的这种信息传递过程就是是“通信通信”。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 人类的社会活动离不开信息的传递和交人类的社会活动离不开信息的传递和交换，从古代的烽火台、驿站，到现代社会的换，从古代的烽火台、驿站，到现代社会的电报、电话、传真、电视、电报、电话、传真、电视、InternetInternet、空间、空间通信等，都是

4、通信等，都是利用不同的方式和手段来实现利用不同的方式和手段来实现信息传递和交换信息传递和交换的。在当今社会中，这种的。在当今社会中，这种信信息的传递和交换息的传递和交换主要是依靠主要是依靠“电系统电系统”来完来完成或实现的。成或实现的。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 通信系统通信系统 通常指完成信息传递和交换通常指完成信息传递和交换的所有技术设备（含传输媒介）的总称为，的所有技术设备（含传输媒介）的总称为，这包括构成系统的硬件、软件，甚至是操作这包括构成系统的硬件、软件，甚至是操作或使用系统的人。或使用系统的人。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论什么是通信系统？什么是通信系统？通信

5、系统的基本组成：通信系统的基本组成：信源、发送设备、信信源、发送设备、信道、接收设备、受信者和噪声源。道、接收设备、受信者和噪声源。信信 源源发发送送设设备备信信 道道接收设备受受 信信 者者噪声源噪声源第一章第一章 数字通信概论数字通信概论图图1-1 1-1 通信系统的基本组成通信系统的基本组成 第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 信息源的作用：信息源的作用：产生含有信息的各种形式的产生含有信息的各种形式的消息，并将各种可能消息转变为随时间变化的原消息，并将各种可能消息转变为随时间变化的原始电信号；始电信号；发送设备的作用：发送设备的作用：对原始电信号进行放大、滤波对原始电信号进行放大、

6、滤波和调制等加工处理，使待传送信号的特性与信道和调制等加工处理，使待传送信号的特性与信道所要求的特性相匹配，以适合在信道中传输；所要求的特性相匹配，以适合在信道中传输；信道的作用：信道的作用：为信号提供传输通道。为信号提供传输通道。常用的信道常用的信道有有架空明线架空明线、同轴电缆同轴电缆、双绞线双绞线、光缆等光缆等有线信有线信道和道和中长波中长波、短波短波、微波等微波等无线信道。无线信道。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 噪声源：噪声源：是信道中的噪声和分散在通信系统是信道中的噪声和分散在通信系统内部其他各处的噪声的集中表示；内部其他各处的噪声的集中表示；信号在实际信信号在实际信道中传

7、输时，一方面道中传输时，一方面由于信道特性不理想会引起由于信道特性不理想会引起信号波形的失真，信号波形的失真，另一方面另一方面信道中存在各种噪声信道中存在各种噪声会干扰信号的传输。会干扰信号的传输。接收设备的作用：接收设备的作用：从接收到的受干扰和噪声从接收到的受干扰和噪声影响的有噪信号中提取所需的原始信号；影响的有噪信号中提取所需的原始信号；受信者（也称作信宿）的作用受信者（也称作信宿）的作用是将接收设备是将接收设备输出的原始基带电信号转换成相应形式的消息。输出的原始基带电信号转换成相应形式的消息。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 图图1-11-1所示的基本系统所示的基本系统主要是实现

8、点对点主要是实现点对点之间的信息传递，之间的信息传递，当需传递信息的用户数量不当需传递信息的用户数量不断增加时，通常并不是在任两用户之间都建立断增加时，通常并不是在任两用户之间都建立一条固定的信道，而是增设信息转接一条固定的信道，而是增设信息转接/交换设备，交换设备，构成具有交换功能的通信网构成具有交换功能的通信网，网中各用户对之，网中各用户对之间的信息传递需经交换设备中转来完成。这种间的信息传递需经交换设备中转来完成。这种具有交换功能的通信网能够以较少的信道数为具有交换功能的通信网能够以较少的信道数为尽可能多的用户提供信息传输通道，从而大大尽可能多的用户提供信息传输通道，从而大大地地提高了信

9、道的利用率，降低了通信成本。提高了信道的利用率，降低了通信成本。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论二、通信系统的分类二、通信系统的分类 1 1按消息的物理特征分类按消息的物理特征分类 根根据据消消息息的的物物理理特特征征的的不不同同，通通信信系系统统可可分分为为电电报报通通信信系系统统、电电话话通通信信系系统统、数数据据通通信信系统、系统、图象图象通信系统和通信系统和多媒体多媒体通信系统等。通信系统等。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 电电报报通通信信是是一一种种利利用用电电信信号号传传递递书书面面信信息息的的通信方式；通信方式；电电话话通通信信是是一一种种利利用用电电信信号号传传递

10、递语语言言信信息息的的通信方式；通信方式；数数据据通通信信是是按按一一定定协协议议利利用用二二进进制制电电信信号号传传输输由由数数字字、字字母母、符符号号等等组组成成的的数数据据信信息息的的通通信信方式；方式；图图象象通通信信是是利利用用电电信信号号传传输输各各种种图图象象信信息息的的通信方式；通信方式；多多媒媒体体通通信信是是利利用用宽宽带带数数字字传传输输网网络络，实实现现以以图图象象为为中中心心，包包括括声声音音、数数据据、文文件件等等各各种种信信源之间的双向、实时的信息传递和交换。源之间的双向、实时的信息传递和交换。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 2 2按调制方式分类按调制方式

11、分类 根据根据是否采用调制是否采用调制，通信系统可分为，通信系统可分为基带传输基带传输系统系统和和频带（调制）传输系统频带（调制）传输系统。基基带带传传输输：是是指指未未经经调调制制的的基基带带信信号号直直接接进进行行传送，如音频市内电话、近距离数据传输等。传送，如音频市内电话、近距离数据传输等。频带（调制）传输：频带（调制）传输：是指对基带信号经不同方是指对基带信号经不同方式变换（又称调制）后，再进行传输的总称。式变换（又称调制）后，再进行传输的总称。根据根据系统所传信号或信道特性的不同，有各种不同的调系统所传信号或信道特性的不同，有各种不同的调制方式。制方式。第一章第一章 数字通信概论数字

12、通信概论 3 3按信号的特征分类按信号的特征分类 按按照照信信道道中中所所传传输输的的是是模模拟拟信信号号还还是是数数字字信信号号，可可以以相相应应地地把把通通信信系系统统分分成成模模拟拟通通信信系系统统和和数字通信系统数字通信系统。凡凡寄寄载载消消息息的的信信号号参参量量可可以以取取无无限限多多个个数数值值的的信信号号称称为为模模拟拟信信号号，如如话话筒筒输输出出的的语语音音信信号号和和现行广播电视系统中亮度信号等。现行广播电视系统中亮度信号等。凡寄载消息的信号参量只能取有限个数值的凡寄载消息的信号参量只能取有限个数值的信号称为信号称为数字信号数字信号，如早期的电报信号、电传机，如早期的电报

13、信号、电传机送出的脉冲信号、计算机输出的数据信号等。送出的脉冲信号、计算机输出的数据信号等。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 4 4按信号的复用方式分类按信号的复用方式分类 按按所所采采用用的的同同一一信信道道同同时时传传输输多多路路基基带带信信号号方方式式的的不不同同，可可以以相相应应地地把把通通信信系系统统分分成成频频分分复复用用（FDM)FDM)系统、系统、时分复用时分复用(TDM)(TDM)系统、系统、码分复用码分复用(CDM)(CDM)系统。系统。频频分分复复用用是是利利用用调调制制器器进进行行频频谱谱搬搬移移，使使不不同同信信号占据信道的不同频率范围。号占据信道的不同频率范围

14、。时时分分复复用用是是根根据据抽抽样样定定理理，采采取取具具用用“选选通通”功功能能的的数数字字电电路路，使使不不同同信信号号占占据据不不同同时时间间区区间间（又又称称时隙）。时隙）。码分复用码分复用则是根据相关理论，用一组相互正交的则是根据相关理论，用一组相互正交的脉冲序列分别携带不同信号，进行传输的方式。脉冲序列分别携带不同信号，进行传输的方式。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 6 6按通信用户的属性分类按通信用户的属性分类 按通信用户按通信用户是否具有移动性是否具有移动性，通信系统可，通信系统可分为分为移动移动通信系统和通信系统和固定固定通信系统。移动通信通信系统。移动通信是是指通

15、信的双方至少有一方处于移动状态的信指通信的双方至少有一方处于移动状态的信息传输和交换方式，息传输和交换方式，其中移动的一方可以是运其中移动的一方可以是运动中的人、汽车、火车、轮船、飞机、航天器动中的人、汽车、火车、轮船、飞机、航天器等。数字移动通信是当今通信用户增长最快、等。数字移动通信是当今通信用户增长最快、讨论最热烈、发展前景最广阔领域。讨论最热烈、发展前景最广阔领域。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论三、数字通信系统的基本模型三、数字通信系统的基本模型 数字通信系统数字通信系统一般由一般由信源、信源编码器、信源、信源编码器、信道编码器、数字调制器、信道、数字解调器、信道编码器、数字调

16、制器、信道、数字解调器、信道译码器、信源译码器、受信者以及噪声源信道译码器、信源译码器、受信者以及噪声源组成，其基本模型如图组成，其基本模型如图1-21-2所示。所示。信信 源源信信源源编编码码信信 道道信信源源译译码码受受 信信 者者源源声声噪噪信信道道编编码码数数字字调调制制数数字字解解调调信信道道译译码码图1-2 数字通信系统的基本组成 第一章第一章 数字通信概论数字通信概论信源编（译）码的主要作用有两个信源编（译）码的主要作用有两个:作用之一作用之一是将连续信源输入的模拟信号转换为是将连续信源输入的模拟信号转换为数字信号数字信号;作用之二作用之二是对模数转换后的数字信号（或对直是对模数

17、转换后的数字信号（或对直接来自离散信源的数字信号）进行压缩编码。接来自离散信源的数字信号）进行压缩编码。有关信源编码的基本原理将在第二章中介绍，有关信源编码的基本原理将在第二章中介绍，其总体要求是在保证一定通信质量的基础上，尽量其总体要求是在保证一定通信质量的基础上，尽量降低信号的冗余度，提高通信的有效性。降低信号的冗余度，提高通信的有效性。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 信道编（译）码的作用信道编（译）码的作用是为了提高实际系统传是为了提高实际系统传输数字信号可靠性而采取的措施。输数字信号可靠性而采取的措施。其基本思想其基本思想是发是发送端按照一定的规则在信息码中人为地插入冗余码送端

18、按照一定的规则在信息码中人为地插入冗余码（又称监督码元），并连同信息码组成码字一起传（又称监督码元），并连同信息码组成码字一起传送，接收端再对收到的每个码字（或码组），按照送，接收端再对收到的每个码字（或码组），按照约定的规则进行检验，从而发现传输过程中由于各约定的规则进行检验，从而发现传输过程中由于各种原因引起的错码，如果收端能够纠错就进行纠错，种原因引起的错码，如果收端能够纠错就进行纠错，如果无法纠错就丢弃错误的码组，并请求发送端重如果无法纠错就丢弃错误的码组，并请求发送端重新传输该码组，故新传输该码组，故信道编码又称差错控制编码或纠信道编码又称差错控制编码或纠错编码。错编码。第一章第一章

19、 数字通信概论数字通信概论 数字调制与解调从功能上讲，与模拟通数字调制与解调从功能上讲，与模拟通信系统基本上相同，信系统基本上相同，主要是使信号特性与信主要是使信号特性与信道特性相匹配。道特性相匹配。在实际工程中，为了提高噪在实际工程中，为了提高噪声、干扰比较严重环境下系统的通信效果，声、干扰比较严重环境下系统的通信效果，往往需要采取扩频、跳频措施，这些抗干扰往往需要采取扩频、跳频措施，这些抗干扰的措施通常就是在调制解调器中实现的。的措施通常就是在调制解调器中实现的。数数字调制器的输入信号和解调器输出信号均为字调制器的输入信号和解调器输出信号均为数字信号，数字信号，而在模拟系统中均为模拟信号。

20、而在模拟系统中均为模拟信号。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 根据具体情况，实际系统的组成有所增加或减根据具体情况，实际系统的组成有所增加或减少，少，例如，对数字基带传输系统而言，可省去例如，对数字基带传输系统而言，可省去“数数字调制字调制”、“数字解调数字解调”两个方框；当信源和受信两个方框；当信源和受信者本身均是数字终端时，则者本身均是数字终端时，则“信源编码信源编码”、“信源信源译码译码”两个方框也可省去；若要实现保密通信，还两个方框也可省去；若要实现保密通信，还可在发送端两个编码器之间插入可在发送端两个编码器之间插入“数字加密数字加密”方框，方框，相应地在接收端两个译码器之间要插

21、入相应地在接收端两个译码器之间要插入“数字解密数字解密”方框；方框；为了提高信道的利用率，还可以在发送端为了提高信道的利用率，还可以在发送端信道编码之后，引入多路复接器，在接收端信道译信道编码之后，引入多路复接器，在接收端信道译码之前加入分接器，以便利用一条信道同时传输多码之前加入分接器，以便利用一条信道同时传输多路信号，路信号，等等等等。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 数字通信系统中，信息的发送与接数字通信系统中，信息的发送与接收均是按照一定的时钟节拍进行的，收收均是按照一定的时钟节拍进行的，收发两端的工作必须协调一致，这就是靠发两端的工作必须协调一致，这就是靠同步系统来保证的，图同

22、步系统来保证的，图1-21-2没有画出同步没有画出同步系统。系统。同步系统通常同步系统通常是数字通信系统中是数字通信系统中的重要组成部分，的重要组成部分，同步系统的工作性能同步系统的工作性能直接关系到整个通信系统的工作稳定性直接关系到整个通信系统的工作稳定性和通信质量。和通信质量。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论第二节第二节 信息、信号与信道信息、信号与信道 一、信息、消息和信号一、信息、消息和信号 信息的表示信息的表示:用语言、文字、数据或图象等用语言、文字、数据或图象等形式表示。这些语言、文字、数据、图象载体形式表示。这些语言、文字、数据、图象载体本身并不是信息而被称为本身并不是信息

23、而被称为“消息消息”.”.消息消息:通常泛指寄载信息的各种不同形式的通常泛指寄载信息的各种不同形式的媒体（媒体（通信系统的传输对象通信系统的传输对象）。）。信息：信息：指消息中指消息中有意义有意义的内容。的内容。信号：信号：指消息在通信系统中的表现形式。指消息在通信系统中的表现形式。（电压、电流、电磁波和光波等电压、电流、电磁波和光波等）第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 消息消息是信息的表示形式是信息的表示形式，信息，信息是消是消息中包含的对受信者有意义的内容息中包含的对受信者有意义的内容；消；消息可以是各种各样的不同形式，但就其息可以是各种各样的不同形式，但就其对受信者有意义的内容而言

24、，消息又可对受信者有意义的内容而言，消息又可统一用信息去定量地描述。在一切有意统一用信息去定量地描述。在一切有意义的通信中，消息的传递意味着信息的义的通信中，消息的传递意味着信息的传递，故也可以说，传递，故也可以说，通信的过程就是消通信的过程就是消息传递的过程。息传递的过程。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论二、信号的分类及特征二、信号的分类及特征 信号可用若干种不同的方法来分类，例信号可用若干种不同的方法来分类，例如随机信号与确知信号、离散时间信号与连如随机信号与确知信号、离散时间信号与连续时间信号、离散幅度信号与连续幅度信号、续时间信号、离散幅度信号与连续幅度信号、低通信号与带通信号、

25、能量信号与功率信号、低通信号与带通信号、能量信号与功率信号、周期信号与非周期信号，等等。这里仅从信周期信号与非周期信号，等等。这里仅从信号的号的“预知性预知性”出发，简要讨论一下确知信出发，简要讨论一下确知信号和随机信号。号和随机信号。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 确知信号确知信号：指可用时间为指可用时间为 t t 的确定函数的确定函数表示的信号。表示的信号。随机信号随机信号：指无法用时间为指无法用时间为 t t 的确定函的确定函数表示的信号，只能用其统计特性（如概率数表示的信号，只能用其统计特性（如概率密度函数、概率分布函数、数学期望、方差、密度函数、概率分布函数、数学期望、方差、

26、相关函数等）来描述。通信中实际传输的信相关函数等）来描述。通信中实际传输的信号、外界干扰和由信道特性的所引起的信号号、外界干扰和由信道特性的所引起的信号畸变，都可以用随机信号或随机过程来描述。畸变，都可以用随机信号或随机过程来描述。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 在现代通信系统中，信道中所传输在现代通信系统中，信道中所传输的通信信号往往都是用待传送的随机信的通信信号往往都是用待传送的随机信号对正弦波或周期方波等确定性号对正弦波或周期方波等确定性“载波载波”实施调制后的随机信号（数学上称为实施调制后的随机信号（数学上称为随机过程随机过程）。）。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 2

27、2随机信号的特点随机信号的特点 随机信号分为平随机信号分为平稳随机信号稳随机信号和和非平非平稳随机信号稳随机信号，非平稳随机信号的数学期，非平稳随机信号的数学期望和方差都是时间望和方差都是时间 t t 的函数，分析起来的函数，分析起来非常困难，这里仅介绍平稳随机信号的非常困难，这里仅介绍平稳随机信号的基本特点。基本特点。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 三、信息量与信源熵三、信息量与信源熵 1 1信息的本质信息的本质 信息的本质：信息的本质：指信息是事物运动状态或指信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。存在方式的不确定性的描述。信息既是抽象的，也可以进行定量的描信息既是抽象的，也

28、可以进行定量的描述。人们借助于通信系统，对所研究对象的述。人们借助于通信系统，对所研究对象的不确定性消除得愈多，获得的信息量也就愈不确定性消除得愈多，获得的信息量也就愈大。大。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 2 2信息的量值和量纲信息的量值和量纲 信息量：信息量：指的是对随机事件的不确定性指的是对随机事件的不确定性的定量描述。信息既有量值也有量纲，这里的定量描述。信息既有量值也有量纲，这里仅讨论离散信源的信息量仅讨论离散信源的信息量。假假设设离离散散信信源源X X是是由由M M种种符符号号x x1 1，x x2 2，.，x xM M 组组成成的的集集合合，各各符符号号出出现现的的概概率

29、率对对应应为为P P(x x1 1),),P P(x x2 2),),.，P P(x xM M)，其其中中每每个个符符号号出出现现是是独独立立的，并且满足以下关系的，并且满足以下关系第一章第一章 数字通信概论数字通信概论则该信源中则该信源中任一任一符号符号xi含有的含有的信息量信息量就定义为就定义为 上式中，当对数以上式中，当对数以a=2为底，信息量的单位为为底，信息量的单位为比特（比特（bit）；）；对数以对数以a=e为底（为底（自然对数自然对数），），信息量的单位为信息量的单位为奈特（奈特（nit）；）；对数以对数以a=10为为底，信息量的单位为底，信息量的单位为哈特莱哈特莱。广泛使用的信

30、息。广泛使用的信息量单位是量单位是比特比特。（举例。（举例 ）第一章第一章 数字通信概论数字通信概论1 1）消息所携带的信息量是）消息所携带的信息量是消息概率消息概率的函数，的函数，消息的概率越小，所含信息量越大；消息的概率越小，所含信息量越大；2 2）信息量具有）信息量具有非负性非负性；3 3）信息量具有可加性，相互独立事件构成的）信息量具有可加性，相互独立事件构成的 消息的总信息量等于各事件信息量之和；消息的总信息量等于各事件信息量之和；4 4）等概二元离散信源的一个符号的信息量为）等概二元离散信源的一个符号的信息量为 1 1比特：比特：由单符号信息量：由单符号信息量：可得出以下结论可得出

31、以下结论：第一章第一章 数字通信概论数字通信概论3 3离散信源的平均信息量离散信源的平均信息量信源的熵信源的熵（1 1）信源的熵的定义）信源的熵的定义 式（式（1-81-8）中的）中的I（xi）虽然使信息度量成为可虽然使信息度量成为可能，但能，但I（xi）仍然是一个与概率仍然是一个与概率P（xi）相关的随相关的随机事件，直接用机事件，直接用I（xi）度量信息非常不方便，同度量信息非常不方便，同时考虑到离散信源的符号集的大小各异和发出消时考虑到离散信源的符号集的大小各异和发出消息的长短不同，为分析问题方便，实际中常用息的长短不同，为分析问题方便，实际中常用“平均信息量平均信息量”的概念来衡量的概

32、念来衡量信源的信息量信源的信息量。平均信息量：平均信息量：指信源指信源X的每个符号所含信息量的每个符号所含信息量的的统计平均值统计平均值，因此，离散信源，因此，离散信源X的的平均信息平均信息量量（假设信源（假设信源M种符号相互独立种符号相互独立出现）为出现）为 由于计算H（x）的公式与热力学的熵的计算形式相似，故也称其为信源的熵。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论（比特/符号）第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 （2 2）信源的熵的性质）信源的熵的性质 信源熵信源熵H（xi）是对整个信源）是对整个信源X的总体的总体信息测度，它表示信源发出符号以前，受信息测度，它表示信源发出符号以前，受

33、信者对信源信者对信源X存在的存在的平均不确定程度平均不确定程度的大的大小，也反映了小，也反映了信源信源X的随机性的随机性的大小。的大小。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论信源熵的主要性质如下：信源熵的主要性质如下：1 1）信源的熵表示信源中）信源的熵表示信源中单个符号单个符号所携带的统计所携带的统计 平均信息量，量纲为平均信息量，量纲为“比特比特/符号符号”；2 2）信源的熵具有）信源的熵具有非负性非负性，即，即H（x）0 0；3）信源的熵具有）信源的熵具有最大值最大值，当信源的各符号独立，当信源的各符号独立 等概等概（即（即P（xi）=1/M）出现时，熵有最大：）出现时，熵有最大：4）信

34、源的熵具有）信源的熵具有可加性可加性，统计独立信源构成的，统计独立信源构成的 联合信源的熵等于分别熵的和。联合信源的熵等于分别熵的和。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 四、信道的概念、分类与特点四、信道的概念、分类与特点 1 1信道的概念信道的概念 任任何何通通信信系系统统的的发发送送端端与与接接收收端端都都是是靠靠信信道道连连接接起起来来的的，信信道道一一方方面面为为信信号号提提供供传传输输通通道道，另另一一方方面面又又因因实实际际信信道道传传输输特特性性的的不不理理想想和和噪噪声声的的影影响响给给所所传传信信号号带带来来损损害害。信信道道作作为为通通信信系系统统的的一一个个重重要要组

35、组成成部部分分，种种类类繁繁多多，特特性性各各异异，这这里里不不准准备备讨讨论论某某一一具具体体的的信信道道，而而是是简简述述一一下下由由各各种种具具体体信信道道所所抽抽象象出出来来的的信信道道模模型型，它它能能以以最最普普遍遍、最最简简化化的的方方式式来来反反映映各各种种信道的共同性质。信道的共同性质。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 2信道的分类信道的分类 （1）狭义信道与广义信道）狭义信道与广义信道 按按照照信信道道所所包包括括的的范范围围可可将将信信道道分分为为狭狭义信道义信道与与广义信道广义信道。狭狭义义信信道道：指指信信号号的的传传输输媒媒介介。它它包包括括各各种种有有线线电

36、电信信道道和和各各种种无无线线电电信信道道等等具具体体的的实际的传输媒介。实际的传输媒介。广广义义信信道道：含含通通信信设设备备和和传传输输媒媒介介。当当研研究究不不同同问问题题时时，广广义义信信道道所所涉涉及及的的范范围围也也有所不同。有所不同。频率范围波长符号传输媒介主要用途3Hz-30kHz108-104甚低频VLF有线线对长波无线电音频、电话、数据终端、长距离导航、时标30kHz-300kHz104-103低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信 300kHz-3MHz103-102中频MF同轴电缆中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3MHz-30MHz102-10高频

37、HF同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电30MHz-300MHz10-1甚高频VHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航300MHz-3GHz100-10cm特高频UHF波导分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信3GHz-30GHz10-1cm超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30GHz-300GHz10-1mm极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学105GHz-107GHz310-4-310-6cm紫外、可见光、红外光光纤激光空间传播光通信第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 （

38、2）调制信道与编码信道）调制信道与编码信道 广广义义信信道道按按其其所所含含的的功功能能常常分分为为调调制制信信道道和和编编码信道码信道。调调制制信信道道：指指从从发发送送端端调调制制器器的的输输出出端端到到接接收收端解调器的输入端之间的通道。端解调器的输入端之间的通道。调调制制信信道道主主要要用用于于研研究究通通信信系系统统的的调调制制与与解解调调问问题题，人人们们主主要要关关心心调调制制信信道道的的特特性性，即即信信道道输输出出的的信信号号与与进进入入信信道道的的信信号号二二者者之之间间的的变变化化情情况况，并并不不关关心心信信号号在在这这个个信信道道内内的的详详细细物物理理过过程程（如如

39、信信号号经过天线等转换器后发生怎样的物理变化等）。经过天线等转换器后发生怎样的物理变化等）。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 编编码码信信道道：指指从从发发送送端端编编码码器器的的输输出出端端到到接接收收端端译译码码器器的的输输入入端端之之间间的的通通道道。进进入入此此信信道道的的信信号号和和由由此此信信道道输输出出的的信信号号都都是是数数字字序序列列，故故编编码码信信道道亦称为亦称为数字信道数字信道。编编码码信信道道主主要要用用于于研研究究通通信信系系统统的的编编码码与与译译码码问问题题，人人们们主主要要关关心心编编码码信信道道的的特特性性，即即信信道道输输出出的的数数字字序序列列与与

40、进进入入信信道道的的数数字字序序列列有有无无差差异异或或有有何何差差异异，而而不不考考虑虑信信号号在在信信道道内内经经历历的的详详细细过过程程。调调制制信信道道和和编编码码信信道道如如图图1-3所所示示，显显然然调调制制信信道道是是编码信道的组成部分。编码信道的组成部分。调调 制制 器器发发转转换换器器传传输输媒媒介介收收转转换换器器解解 调调 器器编码器输出译码器输入调制信道编码信道图图1-3 广义信道的示意图广义信道的示意图（3）恒恒参参信信道道与与随随参参信信道道 根根据据信信道道的的电电气气参参数数对对通通信信的的影影响响程程度度，还还可可以以将将调调制制信信道道分分为为恒恒参参信信道

41、道和和随随参信道。具体内容结合下面的信道模型讨论。参信道。具体内容结合下面的信道模型讨论。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 3 3信道模型信道模型 （1 1）调制信道模型）调制信道模型 不同调制信道具有以下共同特点：不同调制信道具有以下共同特点：1 1）具有一对或多对信道输入端和信道输出端；）具有一对或多对信道输入端和信道输出端；2 2）绝大多数信道具有线性性，即满足叠加性与）绝大多数信道具有线性性，即满足叠加性与 齐次性；齐次性；3 3）无论信道有无输入信号，信道输出端总存在）无论信道有无输入信号，信道输出端总存在 一定功率的噪声；一定功率的噪声；4 4）信号在信道中传输时存在衰减、延

42、迟或受到）信号在信道中传输时存在衰减、延迟或受到 其它损耗。其它损耗。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 二端口调制信道的模型如图二端口调制信道的模型如图1-41-4所示。所示。在二端口调制模型中，设在二端口调制模型中，设xi（t）为输入调制信为输入调制信道的已调信号，道的已调信号，yo（t）是调制信道的输出信号，是调制信道的输出信号，n（t）为独立于为独立于xi（t）的加性噪声。）的加性噪声。时 变线 性网 络xi（t）yo（t）图1-4 二端口调制信道模型第一章第一章 数字通信概论数字通信概论其中其中 yo（t）fxi（t）n（t）若若fxi（t）可简写成）可简写成k（t）xi（t）的

43、形式，则）的形式，则 yo（t）k（t）xi（t）n（t）k（t）：乘乘性性干干扰扰。k（t）取取决决于于系系统统的的特特性性，k（t）乘乘 xi（t）反反映映了了时时变变系系统统特特性性对对 xi（t）的的最最终作用。这种干扰随信号终作用。这种干扰随信号xi（t）的消失而消失。）的消失而消失。n（t）：加加性性干干扰扰，显显然然加加性性干干扰扰独独立立于于信信号号而而存在。存在。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 对对加加性性干干扰扰n（t）后后续续章章节节将将作作进进一一步步讨讨论论，对对乘乘性性干干扰扰k（t）要要作作具具体体描描述述则则是是相相当当困困难难的的，它它包包括括各各种种

44、线线性性失失真真和和非非线线性性失失真真，k（t）与与信信道道的的迟迟延延、损损耗耗等等特特性性有有关关，并并且且是随机变化的是随机变化的。若若k（t）不随时间变化不随时间变化信道为信道为恒参信道恒参信道若若k（t）随时间变化随时间变化信道为信道为随参信道随参信道第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 常常用用的的恒恒参参信信道道：有有架架空空明明线线、电电缆缆、超超短短波波及及微微波波视视距距传传播播、人人造造卫卫星星中中继继、光光纤纤、光波视距传播等所构成的调制信道。光波视距传播等所构成的调制信道。常常用用的的随随参参信信道道：有有短短波波电电离离层层反反射射、超超短短波波流流星星余余迹迹

45、散散射射、超超短短波波及及微微波波对对流流层层散散射、超短波电离层散射等构成的调制信道。射、超短波电离层散射等构成的调制信道。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 （2）编码信道模型）编码信道模型 编编码码信信道道是是由由调调制制器器、调调制制信信道道和和解解调调器器组组成成的的，其其中中的的k（t）与与n（t）的的影影响响虽虽使使信信道道中中传传输输的的数数字字信信号号的的波波形形发发生生畸畸变变，但但这这种种影影响响最最终终要要归归结结为为收收端端译译码码器器输输入入处处的的数数字字信信号号序序列列相相对对发发端端编编码码器器输输出出处处的的数数字字信信号号序序列列所所发发生生的的差差错

46、错概概率率来来衡衡量量，也也就就是是说说编编码码信信道道的的模模型型可可用用信信道道的的转转移移概概率率来来描述。描述。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论无记忆二进制编码信道模型无记忆二进制编码信道模型第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 “无无记记忆忆”是是指指任任一一码码元元的的差差错错与与其其前前后后码码元元是是否否发发生差错无关，即转移概率是统计独立的。转移概率：生差错无关，即转移概率是统计独立的。转移概率：P(0/0)：发：发0收收0；P(1/1)：发：发1收收1，均为均为正确转移概率正确转移概率 P(1/0)：发：发0收收1；P(0/1)：发：发1收收0，均为均为错误转移概率

47、错误转移概率分分别别称称为为虚虚报报概概率率和和漏漏报报概概率率。由由概概率率论论的的知知识识，可可知知两两类类转转移移概概率率的的关关系系为为P(1/1)=1-P(0/1)，P(0/0)=1-P(1/0)。五、信道噪声与信道容量五、信道噪声与信道容量 1信道噪声（乘性噪声、加性噪声）信道噪声（乘性噪声、加性噪声）这里主要讨论加性噪声的种类和特点。这里主要讨论加性噪声的种类和特点。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论按噪声的来源按噪声的来源 人为噪声（人为噪声（无线电干扰和工业干扰）无线电干扰和工业干扰）加性噪声加性噪声 自然噪声（自然噪声（天电干扰：来源于各种电磁波源）天电干扰：来源于各种

48、电磁波源）内部噪声（内部噪声（热噪声和散弹噪声）热噪声和散弹噪声）人人为为噪噪声声主主要要包包括括无无线线电电干干扰扰和和工工业业干干扰扰。所所谓谓无无线线电电干干扰扰系系指指外外台台信信号号的的干干扰扰，它它来来源源于于各各种种用用途途的的无无线线电电发发射射机机。这这类类干干扰扰的的特特点点是是作作用用的的频频率率范范围围较较广广，从从甚甚低低频频起起直直至至特特高高频频频频段段，其其强强度度随随干干扰扰源源的的功功率率、距距离离、与与被被干干扰扰信信号号频频率率的的接接近近程程度度等等而而变变，但但此此类类干干扰扰的的频频率率是是固固定定的的，因因而而可可以以预预先先设设法法防防止止，只

49、只要要加加强强无无线线电电的的频频率率管管理理，便便有有可可能能将将其其控控制制在可以允许的程度之内。在可以允许的程度之内。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 工工业业干干扰扰是是指指工工业业电电气气系系统统，如如电电力力线线、各各种种电电气气设设备备的的开开关关、电电车车和和电电气气铁铁道道、高高频频电电炉炉等等工工业业设设备备所所产产生生的的电电磁磁干干扰扰或或电电火火花花干干扰扰，它它的的特特点点是是干干扰扰的的频频谱谱集集中中在在低低频频部部分分，如如果果采采用用相相应应的的屏屏蔽蔽、滤滤波波等等措措施施，也可以将此类干扰消除或减弱至允许的程度。也可以将此类干扰消除或减弱至允许的程

50、度。第一章第一章 数字通信概论数字通信概论 自自然然噪噪声声也也称称为为天天电电干干扰扰，来来源源于于自自然然界界存存在在的的各各种种电电磁磁波波源源，例例如如闪闪电电、大大气气中中的的电电爆爆、宇宇宙宙射射线线、太太阳阳黑黑子子的的活活动动，等等等等。这这一一类类干干扰扰所所占占的的频频带带相相当当宽宽，而而且且随随着着季季节节、年年份份和和地地球球上上的的地地理理位位置置等等各各种种因因素素而而变变化化，因因此此，具具有有很很大大的的随随机机性性。对对于于自自然然噪噪声声引引起起的的干干扰扰，目目前前还还很很难难做做到到准准确确的的预预告告或或有有效效的的防防范范，尽尽管管采采取取了了许许