《数字通信概论》PPT课件.ppt

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1、数字通信原理,2012 软件与通信工程学院,制作：涂丽琴,（电子教案）,课程内容简介 本教案系统地介绍了数字通信的特点、原理、应用及性能分析的基本方法，内容包括数字通信系统概述、信源编码技术、数字基带传输技术、数字调制与解调技术、数字信号的最佳接收、同步技术、信道编码技术等。各章节在内容的安排和叙述上，根据数字通信的发展和实际教学的需要，力求做到物理概念清晰，理论推导简明，体系结构完整；重点介绍了数字通信主要技术的基本概念、基本原理、基本分析方法和主要应用。,第一章 数字通信概论,本章将主要介绍：一、数字通信的概念二、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。,第一章 数字通信概论

2、,第一节 通信与通信系统,一、通信与通信系统的概念,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是“通信”。,第一章 数字通信概论,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，到现代社会的电报、电话、传真、电视、Internet、空间通信等，都是利用不同的方式和手段来实现信息传递和交换的。在当今社会中，这种信息的传递和交换主要是依靠“电系统”来完成或实现的。,第一章 数字通信概论,通信系统 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，这包括构成系统的硬件、软件，甚至

3、是操作或使用系统的人。,第一章 数字通信概论,什么是通信系统？,通信系统的基本组成：信源、发送设备、信道、接收设备、受信者和噪声源。,第一章 数字通信概论,图1-1 通信系统的基本组成,第一章 数字通信概论,信息源的作用：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始电信号；发送设备的作用：对原始电信号进行放大、滤波和调制等加工处理，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；信道的作用：为信号提供传输通道。常用的信道有架空明线、同轴电缆、双绞线、光缆等有线信道和中长波、短波、微波等无线信道。,第一章 数字通信概论,噪声源：是信道中的噪声和分散在通信系

4、统内部其他各处的噪声的集中表示；信号在实际信道中传输时，一方面由于信道特性不理想会引起信号波形的失真，另一方面信道中存在各种噪声会干扰信号的传输。接收设备的作用：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；受信者（也称作信宿）的作用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。,第一章 数字通信概论,图1-1所示的基本系统主要是实现点对点之间的信息传递，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一条固定的信道，而是增设信息转接/交换设备，构成具有交换功能的通信网，网中各用户对之间的信息传递需经交换设备中转来完成。这种具有交换功能的通信网能够以较少的信

5、道数为尽可能多的用户提供信息传输通道，从而大大地提高了信道的利用率，降低了通信成本。,第一章 数字通信概论,二、通信系统的分类,1按消息的物理特征分类 根据消息的物理特征的不同，通信系统可分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图象通信系统和多媒体通信系统等。,第一章 数字通信概论,电报通信是一种利用电信号传递书面信息的通信方式；电话通信是一种利用电信号传递语言信息的通信方式；数据通信是按一定协议利用二进制电信号传输由数字、字母、符号等组成的数据信息的通信方式；图象通信是利用电信号传输各种图象信息的通信方式；多媒体通信是利用宽带数字传输网络，实现以图象为中心，包括声音、数据、文件等各种信

6、源之间的双向、实时的信息传递和交换。,第一章 数字通信概论,2按调制方式分类 根据是否采用调制，通信系统可分为基带传输系统和频带（调制）传输系统。基带传输：是指未经调制的基带信号直接进行传送，如音频市内电话、近距离数据传输等。频带（调制）传输：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。根据系统所传信号或信道特性的不同，有各种不同的调制方式。,第一章 数字通信概论,3按信号的特征分类 按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。凡寄载消息的信号参量可以取无限多个数值的信号称为模拟信号，如话筒输出的语音信号和现行广播电视系统中亮

7、度信号等。凡寄载消息的信号参量只能取有限个数值的信号称为数字信号，如早期的电报信号、电传机送出的脉冲信号、计算机输出的数据信号等。,第一章 数字通信概论,4按信号的复用方式分类 按所采用的同一信道同时传输多路基带信号方式的不同，可以相应地把通信系统分成频分复用（FDM)系统、时分复用(TDM)系统、码分复用(CDM)系统。频分复用是利用调制器进行频谱搬移，使不同信号占据信道的不同频率范围。时分复用是根据抽样定理，采取具用“选通”功能的数字电路，使不同信号占据不同时间区间（又称时隙）。码分复用则是根据相关理论，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。,第一章 数字通信概论,6按

8、通信用户的属性分类 按通信用户是否具有移动性，通信系统可分为移动通信系统和固定通信系统。移动通信是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，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。,第一章 数字通信概论,三、数字通信系统的基本模型,数字通信系统一般由信源、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1-2所示。,图1-2 数字通信系统的基本组成,第一章 数字通信概论,信源编（译）码的主要作用有两个:作用之一是将连续信源

9、输入的模拟信号转换为数字信号;作用之二是对模数转换后的数字信号（或对直接来自离散信源的数字信号）进行压缩编码。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，尽量降低信号的冗余度，提高通信的有效性。,第一章 数字通信概论,信道编（译）码的作用是为了提高实际系统传输数字信号可靠性而采取的措施。其基本思想是发送端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

10、端重新传输该码组，故信道编码又称差错控制编码或纠错编码。,第一章 数字通信概论,数字调制与解调从功能上讲，与模拟通信系统基本上相同，主要是使信号特性与信道特性相匹配。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，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。数字调制器的输入信号和解调器输出信号均为数字信号，而在模拟系统中均为模拟信号。,第一章 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少，例如，对数字基带传输系统而言，可省去“数字调制”、“数字解调”两个方框；当信源和受信者本身均是数字终端时，则“信源编码”、“信源译码”两个方框也可省去；

11、若要实现保密通信，还可在发送端两个编码器之间插入“数字加密”方框，相应地在接收端两个译码器之间要插入“数字解密”方框；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，在接收端信道译码之前加入分接器，以便利用一条信道同时传输多路信号，等等。,第一章 数字通信概论,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1-2没有画出同步系统。同步系统通常是数字通信系统中的重要组成部分，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和通信质量。,第一章 数字通信概论,第二节 信息、信号与信道,一、信息、消息和信号

12、,信息的表示:用语言、文字、数据或图象等形式表示。这些语言、文字、数据、图象载体本身并不是信息而被称为“消息”.消息:通常泛指寄载信息的各种不同形式的媒体（通信系统的传输对象）。信息：指消息中有意义的内容。信号：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）,第一章 数字通信概论,消息是信息的表示形式，信息是消息中包含的对受信者有意义的内容；消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，消息又可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传递，故也可以说，通信的过程就是消息传递的过程。,第一章 数字通信概论,二、信号的分类及特征,信号可用若

13、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、能量信号与功率信号、周期信号与非周期信号，等等。这里仅从信号的“预知性”出发，简要讨论一下确知信号和随机信号。,第一章 数字通信概论,确知信号：指可用时间为 t 的确定函数表示的信号。随机信号：指无法用时间为 t 的确定函数表示的信号，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、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畸变，都可以用随机信号或随机过程来描述。,第一章 数字通信概论,在现代通信系统中，信道中所传输的通信信

14、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“载波”实施调制后的随机信号（数学上称为随机过程）。,第一章 数字通信概论,2随机信号的特点,随机信号分为平稳随机信号和非平稳随机信号，非平稳随机信号的数学期望和方差都是时间 t 的函数，分析起来非常困难，这里仅介绍平稳随机信号的基本特点。,第一章 数字通信概论,三、信息量与信源熵 1信息的本质 信息的本质：指信息是事物运动状态或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大。,第一章 数字通信概论,2信息的量值和量纲 信息量：指的是对随机事件的不确

15、定性的定量描述。信息既有量值也有量纲，这里仅讨论离散信源的信息量。,假设离散信源X是由M种符号x1，x2，.，xM 组成的集合，各符号出现的概率对应为P(x1),P(x2),.，P(xM)，其中每个符号出现是独立的，并且满足以下关系,第一章 数字通信概论,则该信源中任一符号xi含有的信息量就定义为 上式中，当对数以a=2为底，信息量的单位为比特（bit）；对数以a=e为底（自然对数），信息量的单位为奈特（nit）；对数以a=10为底，信息量的单位为哈特莱。广泛使用的信息量单位是比特。（举例）,第一章 数字通信概论,1）消息所携带的信息量是消息概率的函数，消息的概率越小，所含信息量越大；2）信息

16、量具有非负性；3）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；4）等概二元离散信源的一个符号的信息量为 1比特：,由单符号信息量：可得出以下结论：,第一章 数字通信概论,3离散信源的平均信息量信源的熵（1）信源的熵的定义 式（1-8）中的I（xi）虽然使信息度量成为可能，但I（xi）仍然是一个与概率P（xi）相关的随机事件，直接用I（xi）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息的长短不同，为分析问题方便，实际中常用“平均信息量”的概念来衡量信源的信息量。,平均信息量：指信源X的每个符号所含信息量的统计平均值，因此，离散信源X的平均信息量

17、（假设信源M种符号相互独立出现）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 数字通信概论,（比特/符号）,第一章 数字通信概论,（2）信源的熵的性质 信源熵H（xi）是对整个信源X的总体信息测度，它表示信源发出符号以前，受信者对信源X存在的平均不确定程度的大小，也反映了信源X的随机性的大小。,第一章 数字通信概论,信源熵的主要性质如下：1）信源的熵表示信源中单个符号所携带的统计 平均信息量，量纲为“比特/符号”；2）信源的熵具有非负性，即H（x）0；3）信源的熵具有最大值，当信源的各符号独立 等概（即P（xi）=1/M）出现时，熵有最大：,4）信源的熵具

18、有可加性，统计独立信源构成的 联合信源的熵等于分别熵的和。,第一章 数字通信概论,四、信道的概念、分类与特点 1信道的概念 任何通信系统的发送端与接收端都是靠信道连接起来的，信道一方面为信号提供传输通道，另一方面又因实际信道传输特性的不理想和噪声的影响给所传信号带来损害。信道作为通信系统的一个重要组成部分，种类繁多，特性各异，这里不准备讨论某一具体的信道，而是简述一下由各种具体信道所抽象出来的信道模型，它能以最普遍、最简化的方式来反映各种信道的共同性质。,第一章 数字通信概论,2信道的分类（1）狭义信道与广义信道 按照信道所包括的范围可将信道分为狭义信道与广义信道。狭义信道：指信号的传输媒介。

19、它包括各种有线电信道和各种无线电信道等具体的实际的传输媒介。广义信道：含通信设备和传输媒介。当研究不同问题时，广义信道所涉及的范围也有所不同。,第一章 数字通信概论,（2）调制信道与编码信道 广义信道按其所含的功能常分为调制信道和编码信道。调制信道：指从发送端调制器的输出端到接收端解调器的输入端之间的通道。调制信道主要用于研究通信系统的调制与解调问题，人们主要关心调制信道的特性，即信道输出的信号与进入信道的信号二者之间的变化情况，并不关心信号在这个信道内的详细物理过程（如信号经过天线等转换器后发生怎样的物理变化等）。,第一章 数字通信概论,编码信道：指从发送端编码器的输出端到接收端译码器的输入

20、端之间的通道。进入此信道的信号和由此信道输出的信号都是数字序列，故编码信道亦称为数字信道。编码信道主要用于研究通信系统的编码与译码问题，人们主要关心编码信道的特性，即信道输出的数字序列与进入信道的数字序列有无差异或有何差异，而不考虑信号在信道内经历的详细过程。调制信道和编码信道如图1-3所示，显然调制信道是编码信道的组成部分。,图1-3 广义信道的示意图,（3）恒参信道与随参信道 根据信道的电气参数对通信的影响程度，还可以将调制信道分为恒参信道和随参信道。具体内容结合下面的信道模型讨论。,第一章 数字通信概论,3信道模型（1）调制信道模型 不同调制信道具有以下共同特点：1）具有一对或多对信道输

21、入端和信道输出端；2）绝大多数信道具有线性性，即满足叠加性与 齐次性；3）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；4）信号在信道中传输时存在衰减、延迟或受到 其它损耗。,第一章 数字通信概论,二端口调制信道的模型如图1-4所示。在二端口调制模型中，设xi（t）为输入调制信道的已调信号，yo（t）是调制信道的输出信号，n（t）为独立于xi（t）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 数字通信概论,其中 yo（t）fxi（t）n（t）若fxi（t）可简写成k（t）xi（t）的形式，则 yo（t）k（t）xi（t）n（t）k（t

22、）：乘性干扰。k（t）取决于系统的特性，k（t）乘 xi（t）反映了时变系统特性对 xi（t）的最终作用。这种干扰随信号xi（t）的消失而消失。n（t）：加性干扰，显然加性干扰独立于信号而存在。,第一章 数字通信概论,对加性干扰n（t）后续章节将作进一步讨论，对乘性干扰k（t）要作具体描述则是相当困难的，它包括各种线性失真和非线性失真，k（t）与信道的迟延、损耗等特性有关，并且是随机变化的。若k（t）不随时间变化信道为恒参信道若k（t）随时间变化信道为随参信道,第一章 数字通信概论,常用的恒参信道：有架空明线、电缆、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光纤、光波视距传播等所构成的调制信道。常用

23、的随参信道：有短波电离层反射、超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射等构成的调制信道。,第一章 数字通信概论,（2）编码信道模型 编码信道是由调制器、调制信道和解调器组成的，其中的k（t）与n（t）的影响虽使信道中传输的数字信号的波形发生畸变，但这种影响最终要归结为收端译码器输入处的数字信号序列相对发端编码器输出处的数字信号序列所发生的差错概率来衡量，也就是说编码信道的模型可用信道的转移概率来描述。,第一章 数字通信概论,无记忆二进制编码信道模型,第一章 数字通信概论,“无记忆”是指任一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关，即转移概率是统计独立的。转移概率：P(0/0)

24、：发0收0；P(1/1)：发1收1，均为正确转移概率 P(1/0)：发0收1；P(0/1)：发1收0，均为错误转移概率分别称为虚报概率和漏报概率。由概率论的知识，可知两类转移概率的关系为P(1/1)=1-P(0/1)，P(0/0)=1-P(1/0)。,五、信道噪声与信道容量 1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。,第一章 数字通信概论,人为噪声主要包括无线电干扰和工业干扰。所谓无线电干扰系指外台信号的干扰，它来源于各种用途的无线电发射机。这类干扰的特点是作用的频率范围较广，从甚低频起直至特高频频段，其强度随干扰源的功率、距离、与被干扰信号频率的接近程度等而变，但此类

25、干扰的频率是固定的，因而可以预先设法防止，只要加强无线电的频率管理，便有可能将其控制在可以允许的程度之内。,第一章 数字通信概论,工业干扰是指工业电气系统，如电力线、各种电气设备的开关、电车和电气铁道、高频电炉等工业设备所产生的电磁干扰或电火花干扰，它的特点是干扰的频谱集中在低频部分，如果采用相应的屏蔽、滤波等措施，也可以将此类干扰消除或减弱至允许的程度。,第一章 数字通信概论,自然噪声也称为天电干扰，来源于自然界存在的各种电磁波源，例如闪电、大气中的电爆、宇宙射线、太阳黑子的活动，等等。这一类干扰所占的频带相当宽，而且随着季节、年份和地球上的地理位置等各种因素而变化，因此，具有很大的随机性。

26、对于自然噪声引起的干扰，目前还很难做到准确的预告或有效的防范，尽管采取了许多措施，但有时还会受到自然干扰的严重影响。,第一章 数字通信概论,内部噪声是组成通信系统的各个设备本身产生的各类噪声，包括象电阻一类的导体中自由电子的不规则的热运动引起的热噪声，真空管、晶体管、集成电路内部电子或载流子不均匀性引起的散弹噪声，电源滤波不良引起的电源哼声（交流声）等。,第一章 数字通信概论,（2）单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声 按照噪声的时域或频域的特点，可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声，这三种噪声无法用确定的时间函数描述，它们不可能预知，具有随机性，故统称为随机噪声。,单频噪声是一种连续波的干扰，如无线电

27、台的干扰、电源哼声、设备的自激振荡、高频电火花引起的干扰等，这种干扰可视为一个幅度、频率和相位均是随机变化的已调正弦波，其特点是频谱集中在某个频率附近一个极窄的频带内，在频率轴的位置可通过实测确定。,第一章 数字通信概论,脉冲噪声是时间上无规则的突发性干扰，如雷电干扰、电气开关通断时产生的干扰等，其特点是突发的脉冲波形幅度大、持续时间短、相邻突发脉冲之间间隔时间长。脉冲噪声具有较宽的频谱，但频率越高，频谱强度越小。脉冲噪声对模拟通信影响不大，但对数字信号的传输会造成严重的危害，故数字通信系统中常采用信道编码等措施来克服脉冲噪声的影响。,第一章 数字通信概论,由于单频噪声和脉冲噪声或在频域或在时

28、域的出现具有局部性，对信号传输的危害从总体上讲是比较小的，但是，起伏噪声却是自始至终地影响着信号的传输，因此，真正危害通信系统性能的是起伏噪声，它是影响通信质量的主要因素之一，也是我们研究的主要信道噪声。,起伏噪声是时间上连续的无规则干扰，并在相当宽的频率范围内具有平坦的功率谱密度，如热噪声、散弹噪声、宇宙噪声等，起伏噪声无论在时域内还是在频域内，总是普遍存在不可避免的，并始终影响着通信系统的性能。,第一章 数字通信概论,（3）加性高斯白噪声（AWGNAdditive White Gaussian Noise）若噪声的任意多维分布函数或概率密度函数均服从高斯分布（即正态分布），则该噪声称为高斯

29、噪声。特别地，当高斯噪声的功率谱密度函数为常数（即在整个频率轴上均匀分布）时，则称其为高斯白噪声，高斯白噪声的功率谱密度函数Pn(f)和自相关函数Rn()如图1-6所示。高斯噪声经过线性系统时，其对应的输出仍为高斯噪声，仅数字特征（如数学期望、方差、相关函数）发生了变化，高斯白噪声通过一个带限滤波器以后，就成为带限高斯噪声，如低通高斯噪声、窄带高斯噪声等。,第一章 数字通信概论,a）功率谱密度函数 b）自相关函数图1-6 高斯白噪声的功率谱密度函数和自相关函数,第一章 数字通信概论,2信道容量（1）码元速率与信息速率 1）码元速率RB（传码率、符号速率、波形速率）码元速率：指单位时间（每秒钟）

30、系统传输码元的数目，单位为波特（Baud），简记为。码元宽度：指单个码元持续的时间（用B表示）。RB与B的关系如下：RB/TB。例如 某数字系统平均4秒钟传送4096个码元，则该系统的码元速率为1024B。,第一章 数字通信概论,应该注意两点：第一 系统的码元速率是一个统计平均参数值；第二 系统的码元速率与所用信号的进制数无关。虽然数字信号有二进制和多进制的区分，但码元速率只与码元宽度B有关，即RB/TB。,第一章 数字通信概论,2）信息速率Rb（传信率、比特率）信息速率Rb：是指单位时间内（每秒钟）系统传输的信息量（即比特的数目），其单位为比特/秒（bit/s），简记为b/s。例如 某数字系

31、统平均4秒钟传送4096个码元，且每个码元的平均信息量为2比特，则该系统的信息速率Rb=2048b/s。,第一章 数字通信概论,关于信息速率注意以下几点：第一 系统的信息速率也是一个统计平均参数值，从通信的本质来讲，信息速率比码元速率更重要；第二 系统的信息速率不仅与所用信号的进制数有关，而且还与信源符号概率分布有关，信息速率与信源熵和码元速率之间满足：,第一章 数字通信概论,式中，为所用数字信号的进制数。例如，若某数字通信系统每秒钟传输600个二进制码元，按上式求得信息速率为Rb600bits，可见在二进制信号传输时，码元速率在数值上等于信息速率；如该系统每秒钟传输600个八进制码元，则其信

32、息速率应为Rb600log1800bits。,第三 特别地，当离散信源的符号为等概率分布时，信息速率Rb与码元速率RB，在数值上满足以下关系：,第一章 数字通信概论,例1-1 某信息源的符号集由x1、x2、x3和x4组成，每个符号分别用二进制脉冲编码，其中00表示x1、01表示x2、10表示x3，11表示x4，每个二进制脉冲宽度为0.5ms。1）若不同的符号是等概出现时，试计算该信源的平均信息速率；2）若x1、x2、x3和x4出现的概率分别为1/8、1/8、1/4和1/2，该信源的平均信息速率又为多少？,第一章 数字通信概论,解：1）因为信源符号由x1、x2、x3和x4组成，故为四进制体制；又

33、因为每个符号由两个宽度等于0.5ms的二进制脉冲表示，则四进制码元宽度为20.5ms=1ms，于是，码元速率为,当x1、x2、x3和x4等概出现时,第一章 数字通信概论,2）先求单符号的平均信息量,由式（1-15）得信息速率,第一章 数字通信概论,例1-2 若甲系统每8秒钟传输4000个四进制脉冲（不同脉冲符号等概独立出现），乙系统每5秒钟传输2000个八进制脉冲（不同脉冲符号等概独立出现），试问哪一个系统的码元速率高？哪一个系统的信息速率高？为什么？解：甲系统：RB甲=4000/8=500（B），（b/s）乙系统：RB乙=2000/5=400（B），（b/s）甲系统的码元速率高，而乙系统的信

34、息速率高。,第一章 数字通信概论,（2）信道容量 信道容量：指信道的最高信息传输速率（无误差传输）。通信系统信息速率与系统单位时间所传符号数RB、信源的概率分布、信道干扰的概率分布有关。当有噪连续信道的带宽为B（Hz），输出信号功率为S（W），输出加性高斯白噪声功率为N（W），则该信道的信道容量为,（bit/s）,这就是著名的香农（Shannon）信道容量公式。,第一章 数字通信概论,由香农公式可以得出以下结论：1）提高信号与噪声功率之比S/N能够增加信道容量C。2）当噪声功率N趋于零时，信道容量C趋于无穷大，即无噪信道的容量为无穷大。3）增大带宽B（也是信号带宽）可以在一定程度上增大信道容量

35、C，但不能无限制增大C，因为当信道带宽B趋于无穷大时，不难求得信道容量的极限值为1.44s/no（其中no为噪声的单边功率谱密度）。4）信道容量C一定时，带宽B与信噪功率比S/N之间可 以互换，扩展频谱通信就是根据这一结论，通过增 加带宽来提高系统的抗干扰能力的。,第一章 数字通信概论,例1-3 假设某图象要在电话线路中实现传真传输。该图象有2.55106个象素，每个象素有64种彩色度，每个彩色度又有16个亮度等级。假设每个彩色度和亮度等级都是独立等概率出现的，电话电路具有3kHz带宽和1023倍的信噪比。试问在此电话线路上传输一张传真图片，需要的最小时间为多少？解：象素的信息量=log2（6

36、416）=10（bit）图象的信息量=2.55106log2（6416）=2.55107（bit）线路的最高信息速率=3103 log2（1+1023）=3104（bit/s）传输一张图片的最小时间=2.55107/3104=8.5102（s）,第一章 数字通信概论,第三节 数字通信的特点,一、数字通信的特点 根据信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。需要指出，任何一种信息，既可以用模拟方式传输，也可以用数字方式传输。模拟信号经“模数转换”后，可以在数字通信系统中传输，数字话音通信就是以数字方式传输模拟话音信号的例子。同样，数字信号通过对连续载波调制

37、后，也可以在模拟通信系统中传输，计算机通过调制解调器(Modem)利用普通电话线上网就是数字信号在模拟线路上传输的例子。,第一章 数字通信概论,与模拟通信相比，数字通信的主要优点如下：1)抗干扰能力强，无噪声积累;2)可利用数字技术进行加/解密和检纠错;3)便于通信设备的集成化、微型化和智能化;4)有利于信号的存储、传输与交换的综合;5)可兼容话音、数据、文本、图象等多种业务组成ISDN.相对模拟通信而言，数字通信的主要缺点：1）占用频带相对较宽；2）设备比较复杂。,第一章 数字通信概论,二、数字通信的发展 正因为数字通信与模拟通信相比具有上述一系列优点，数字通信自上个世纪70年代以来，取得了

38、飞速发展。数字通信按其定义而言有多种具体的形式，其信号传输的原理基本上是相同的。最早的电通信形式，即1837年S莫尔斯（Samuel Morse）演示的电报试验就是一个数字通信系统，当然数字通信也包括数据通信、计算机通信等形式。,第一章 数字通信概论,本书所讨论的数字通信，主要还是指基于带限信号抽样定理的数字话音通信。1937年提出的脉冲编码调制是应用最早和最广泛的数字话音通信方式，1960年世界上第一台数字电话终端机开始用于市内电话网改造，从此数字通信的优势和潜力逐渐被人们所认识和挖掘。随着集成电路、超大规模集成电路、光纤传输技术的应用，数字通信进入全盛时期，数字通信已经取代传统模拟通信，成

39、为世界各国主要研究、应用和发展的领域。,第一章 数字通信概论,第一章 数字通信概论,第四节 数字通信系统的主要性能指标,在设计或评价一个通信系统时，必然涉及通信系统的性能指标问题。通信系统的性能指标包括信息传输的有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可维护性等等。鉴于通信的任务是传递信息，从信息传输角度讲，对通信系统的各项实际要求中，起主导和决定作用的是通信系统传输信息的有效性和可靠性。,第一章 数字通信概论,一、数字通信系统的有效性 有效性：是指在给定信道和时间内传输的信息内容的多少，是通信系统传输信息的数量上的表征。模拟通信系统的有效性：用有效传输频带来衡量。当某信道允许传输频宽已知时，

40、将其与每路信号的有效传输频带相除，就可以确定信道允许同时传输的路数。这个数目越大（即每路信号的有效传输频带越窄），则这个通信系统的信息传输有效性就越高。数字通信系统的有效性：用码元速率RB、信息速度Rb和频带利用率 来衡量。,当分析不同数字通信系统的有效性时，仅讨论信息速率是不够的。因为系统的信息速率相同，而所占用的频带宽度不同时，通信的效率是不同的。对相同的信道频带，单位时间传输的信息量越大则系统的效率越高。因此，真正实用的数字通信系统传输效率的指标（有效性）应当是单位频带内的传输速率，即 BRB/Bf（BHz）或 bRb/Bf（b/s.Hz）,第一章 数字通信概论,第一章 数字通信概论,式

41、中，Bf为占用系统的信道带宽。对于二进制传输，码元速率的频带利用率B与信息速率的频带利用率b在数值上是相等的。在后续章节相关内容的介绍中，可以看到，讨论数字信号的带宽时常用码元速率及其频带利用率，讨论多进制数字系统时常用信息速率及其频带利用率。,二、数字通信系统的可靠性 可靠性：指的是接收信息的准确程度，是通信系统传输信息的质量上的表征。对于模拟通信系统：信息传输的可靠性通常是用系统输出端的信噪比来衡量的。例如，模拟话音传输时，要保证听清95%以上的通话内容，则要求信噪比保持在40dB以上。,第一章 数字通信概论,数字通信系统：用差错率来衡量。原因是各种不同形式的消息经过数字化以后，都变成了“

42、0”、“1”代码，因此，系统中噪声影响的结果，最终有可能导致“0”或“1”代码的错误接收。数字通信系统差错率主要有误码率和误信率。,1误码率Pe 误码率Pe又叫码元差错率，它定义为接收端错误接收的码元数与所接收的总码元数的比值，更严格地讲，误码率就是码元在系统传输过程中传错的概率，即 显然，误码率也应是一个统计平均值。,第一章 数字通信概论,第一章 数字通信概论,2误信率Pb 误信率Pb又叫比特差错率，它定义为接收端错误接收的比特数与所接收的总比特数的比值，即误信率是比特在系统传输过程中传错的概率：在二进制数字系统中，PePb，对多进制一般有Pe Pb。,第一章 数字通信概论,数字通信的差错率

43、的大小取决于收发信机之间的系统特性和信道质量，不同信源信息对差错率的要求也不同，如传输数字话音信号，要求误比特率为10-310-6；传输计算机的数据信息时，常常要求更高，误比特率为10-810-9，或更小；当信道不能满足要求时，必须采取相应的措施，如进行差错控制编码。,从传输信息的角度来看，人们总是希望有效性和可靠性越高越好。然而，对任何一个通信系统来说，这两个性能指标又是互相矛盾的，但通常是可以互相转换的。有效性的提高，往往可通过牺牲一定的可靠性来实现，反之亦然。因此，只能根据实际需要取得相对的统一。例如，在满足一定可靠性指标的前提下，尽量提高信息的传输速度，或在维持一定有效性的前提下，尽可

44、能提高信息传输质量。,第一章 数字通信概论,第一章 数字通信概论,三、实际通信系统性能指标举例 为了使读者对实际系统的性能指标有一个初步的认识，下面给出了GSM数字蜂窝移动通信系统的主要性能指标，其中主要指标的物理意义、实现方法将在后面结合有关章节的内容进行讨论。,第一章 数字通信概论,1发射频带GSM900系统：基站（下行链路）频率935960M Hz移动台（上行链路）频率890915 M Hz工作带宽25 M Hz双工间隔为45 M Hz射频载频间隔为200 k Hz射频双工信道总数为124,第一章 数字通信概论,GSM1800系统：基站（下行链路）频率18051880M Hz移动台（上行

45、链路）频率17101785 M Hz 工作带宽75 M Hz双工间隔为95 M Hz 射频载频间隔为200 k Hz 射频双工信道总数为374,第一章 数字通信概论,2发射类别 业务信道：271KF7W 控制信道：271KF7W271KF7W为按照无线规则RQ4，即8个基本物理信道采用时分多址（TDMA）方式和高斯最小移频键控（GMSK，BT=0.3）调制，每载波信息速率为270.833kb/s，频带利用率为1.35b/sHz。3发射功率基站：每载波500W，每物理信道（时隙）平均500/8=62.5W移动台：每载波峰值功率为0.8W，2W，5W，8W,第一章 数字通信概论,4蜂窝结构和频率再

46、用在农村或郊区开阔地带可采用大蜂窝，小区半径可达35km城市地区的小区半径为1020 km市中心等高业务密度区可用微小蜂窝，小区半径为0.5km地域覆盖模式为9小区的区群，共信道（同频）保护比C/I=9dB,第一章 数字通信概论,5业务信道 全码率业务信道比特率为22.8kb/s，半码率业务信道比特率为11.4kb/s，一个载波提供8个全码率或16个半码率的业务信道。话音业务信道中，话音编码采用“规则脉冲激励并具有长期预测的线性预测编码”（RPE-LTP）。每帧20ms，包含260bit，其净比特率为13 kb/s。纠错采用1/2码率的卷积编码及交织，有选择地保护话音帧中最重要的比特（70%比

47、特）。同时也包含检错及插空技术，使由于话音帧未能正确接收引起的质量降低达到最小程度。,第一章 数字通信概论,数据业务信道的透明及非透明的数据服务可达9.6 kb/s，也可支持无约束条件的送信者服务的净比特率为12 kb/s。所有业务信道都能非连续传输，即无信息传输时发射机不发射。话音传输时有话音检测控制器来控制。与跳频相结合可增加系统容量和延长电池寿命。,第一章 数字通信概论,第五节 数字通信研究的主要内容 现代通信正朝着数字化、综合化、智能化、宽带化和个人化的方向发展，其中最关键、最基础的是通信体制的数字化。数字技术已广泛地应用于电缆通信系统、光纤通信系统、微波接力通信系统、卫星通信系统和移

48、动通信系统，无论通信系统结构是简单还是复杂、通信距离是远还是近，数字通信系统的基本构成仍然可用图1-2来表示。,从信源产生含有信息的消息，到受信者通过系统获得信息，图1-2的系统框图实际上是表示了通信信号流程和处理过程，不同的通信系统无非是框图的顺序或复杂程度不同而已，但各类不同数字通信系统会涉及到下列一些共性问题。,第一章 数字通信概论,第一章 数字通信概论,1信源编码 信源编码就是对信源产生的原始电信号进行数字编码。通常，信源编码有两个主要功能：一是将模拟信号变换成数字信号，简称为模拟信号数字化或模数转换；二是进行数据压缩，进一步除去信号中的冗余码元。若原始电信号本身就是数字信号，也可省去

49、模数转换部分。由于数据压缩编码不属于本课程教学内容，故本书不包括数据压缩内容，仅在第二章讨论模拟信号数字化的相关问题。,第一章 数字通信概论,2数字基带传输 通常将来自数字终端或信源编码器的未经调制的原始电信号称为数字基带信号，而将数字基带信号直接进行传输的系统叫数字基带传输系统。数字基带传输涉及较多方面，主要包括码型变换、波形变换、码间串扰的分析与消除、扰码与去扰、部分响应波形与应用、眼图及运用、均衡技术、基带系统的最佳化等内容，第三章将介绍数字信号的基带传输原理。另外，如果将调制解调过程看作广义信道的一部分，则任何数字频带传输系统也都可等效为数字基带系统。,第一章 数字通信概论,3数字调制

50、 调制是通信系统最重要的技术，尤其是对于涉及到利用带通型信道（如射频）传输数字信号时，通信核心问题就是如何实现高效的数字调制。数字调制的基本功能就是将基带数字信号变换为适合于信道传输的频带数字信号。本书第四章将讨论数字调制与解调技术，该章还将介绍扩频调制的概念、原理和主要应用。,第一章 数字通信概论,4噪声中的信号统计检测 通信中，必须研究在噪声背景下，如何对随机数字信号进行有效地接收、判决，这就是所谓“数字信号的最佳接收”问题，又称信号的统计检测。信号的最佳接收包括假设检验和参数估值两个方面的内容，假设检验是研究如何从噪声中判决有用信号是否出现，而参数估值是研究从噪声中测量有用信号的参数。本