数字通信原理1

1、1数字通信原理数字通信原理教师：教师： 张玉姗2数字通信原理数字通信原理课程内容课程内容数字通信基本概念（绪论）脉冲编码调制（PCM)语音信号压缩编码时分复用多路技术PCM30/32路系统准同步数字体系（PDH)数字信号传输基带传输同步数字体系（SDH)频带传输SDH传输网3 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 1.1 通信的基本概念通信的基本概念1. 通信现象电话通信电话通信银行通信银行通信4 第第1 1章章 绪论绪论 n 通信：消息传递的全过程，即信息的传输与交换。2. 通信是什么n 消息：有待于传输的语言、活动图片和文字、数据等。n 信息：消息中包含的有意义的内容。n 信号：与信息一一对应

2、的电量，是信息的物质载体。模拟信号数字信号5 第第1 1章章 绪论绪论u 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 (a) 话音信号 (b) 抽样信号图1-1 模拟信号常见的模拟信号有电话语音信号、传真、电视信号。p 模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压。6 第第1 1章章 绪论绪论图1-2 数字信号p 数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如计算机输入输出信号。7第第1 1章章 绪论绪论 3. 通信系统信 源发送设备接收设备信宿信道噪声源消息信号信号消息信 号图1-3 通信系统基本模型 信源：将各种可能的消息转换成原始电信号，非电非电/电转换电转换； 信宿：将复原的电信

3、号转换成相应的消息，电电/非电转换非电转换； 发送设备：将信源产生的消息信号转变成适合在信道中传输的信号。 接收设备：与发送设备功能相反。能从带有干扰的接收信号中正确复 原出相应的原始信号。8 第第1 1章章 绪论绪论 信道（传输媒介）可分为两大类： 有线信道如双绞电话线、同轴电缆、波导、光纤等。 无线信道如大气、真空、海水等。信道有几个特性： 对不同种类的信号有不同的传输特性； 信道中存在噪声，信号在信道中传输时产生衰减； 信道中还会包括有源放大设备，保证信号电平高于噪声的电平； 有多径现象，每条路径的信号有不同的时延和衰减特性。9 模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系统- 通

4、信方式的分类： 根据在信道上传输的信号形式的不同，可分为模拟通信和数字通信。图1-4模拟通信系统模型10数字通信系统：数字通信系统：图1-5 数字通信系统模型是利用数字信号来传递信息的通信系统。 信源编码与译码目的：- 提高信息传输的有效性- 完成模/数转换 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力 加密与解密目的：保证所传信息的安全 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的信号 11数字通信的主要特点：数字通信的主要特点： 抗干扰能力强，无噪声积累； 易于加密处理，且保密性好； 利于采用时分复用实现多路通信； 设备便于集成化、小型化； 占用信道频带宽；12模拟通信网实现数字通信模拟电话网络MOD

5、EMMODEM数字信号模拟信号模拟信号数字信号模拟电话系统MODEMMODEM数字信号模拟信号模拟信号数字信号数字通信网络13数字网络实现模拟通信PCM编码系统数字信号模拟信号模拟信号数字信号数字通信网络PCM解码系统IP电话就是通过数字通信网络可以实现模拟电话之间的通信14-通信方式的分类通信方式的分类根据信息传递的方向不同，可分为单工、半双工和全双工通信。15 第第1 1章章 绪论绪论 1.2 1.2 信息量度量信息量度量n信息：是消息中包含的有效内容。n如何度量离散消息中所含的信息量?u度量信息量的原则p能度量任何消息，并与消息的种类无关。p度量方法应该与消息的重要程度无关。p消息中所含

6、信息量和消息内容的不确定性有关p【例】 “某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。 p上例表明：p消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。 16 1.2 1.2 信息量度量信息量度量 单一单一)(log)(1logxPxPIaa1.2 1.2 信息量度量信息量度量1. 单一消息信息量的计算 事件的不确定程度，可用其出现的概率来描述。消息出现的可能性越小，则消息包含的信息量就越大。设：某离散消息X发生的概率为P(x)，则其所携带的信息量为：-信息量的定义信息量的定义 若a = 2，信息量的单位称为比特(bit) ，可简记为b若a = e，信息量的单位称为奈特(nit)，若

7、 a = 10，信息量的单位称为哈特(hart)17)(log)(1logxPxPIaa1.2 1.2 信息量度量信息量度量1. 单一消息信息量的计算【例例1】 设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为多少？)b(12log2/11log) 1 ()0(22 II41【例例2】 四状态码元，每种符号出现的概率为，求单个符号的信息量。解：解：解：解：单个符号的信息量241log-)(log-2xPIabit181.2 1.2 信息量度量信息量度量2. 平均信息量的计算若干个互相独立信号构成的消息，其平均信息量计算如下：njjjxPxPxH12)(log

8、)()(由于H同热力学中的熵形式一样，通常也将平均信息量称为信息熵。【例例3】 四进制码元中，“0”符号出现的概率为1/8, “1”符号出现的概率为1/8, “2”符号出现的概率为1/4,“3”符号出现的概率为1/2，求这种信源的信息熵。如果各符号等概率出现，再求其信息熵。192. 平均信息量的计算njjjxPxPxH12)(log)()(【例例3】 四进制码元中，“0”符号出现的概率为1/8, “1”符号出现的概率为1/8, “2”符号出现的概率为1/4,“3”符号出现的概率为1/2，求这种信源的信息熵。如果各符号等概率出现，再求其信息熵。解：解：不等概率出现：bit 75. 1 )21lo

9、g2141log4181log8181log812222 （H等概率出现：24)41log41)(2 （xHbit201.3 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性 有效性：指在给定信道内所传输的信息内容的多少，主要指消息传输的“速度”问题。 可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。传输速率、频带利用率传输速率、频带利用率差错率差错率211.3 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标1.1.传输速率传输速率码元传输速率码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数定义为单位时间（每秒

10、）传送码元的数 目，单位为波特（目，单位为波特（Baud），简记为），简记为B。)B(1TRB式中T 码元的持续时间（秒）信息传输速率信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比定义为单位时间内传递的平均信息量或比 特数，单位为比特特数，单位为比特/ /秒，记为秒，记为bit/sbit/s，或，或bpsbps等概时，则有：等概时，则有：)b/s(log2MRRBb（M为符号进制数）若信源的码元速率为若信源的码元速率为RB, 熵为熵为H, 则该信源的信息速率为：则该信源的信息速率为：) sbit(HRRBb221.3 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标1.1.传输速率传输速率

11、)b/s(log2MRRBb（M为符号进制数）【例例4】已知信道码元速率为1200 Baud, 分别求传输二状态码元、四状态码元、八状态码元的信息速率。解：解：二状态码元信息速率：四状态码元信息速率：八状态码元信息速率：)b/s(12002log12002bR)b/s(24004log12002bR)b/s(36008log12002bR231.3 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标2.2.频带利用率频带利用率定义系统的频带利用率为信号的传输速率与系统带宽之比定义系统的频带利用率为信号的传输速率与系统带宽之比:)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb或或241.3 通信系统的主要性能

12、指标通信系统的主要性能指标3.3.可靠性指标可靠性指标误码率误码率传输总码元数错误码元数eP 误信率，又称误比特率误信率，又称误比特率传输总比特数错误比特数bP在二进制中有在二进制中有ebPP25习题：习题：1、设一信息源的输出由128个不同的符号组成。其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现的的概率为1/224.信息源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立。试计算该信息源的平均信息速率及最大可能的信息速率。2、已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为2400 bit/s, 接收端在半小时内共收到216个错误码元，试计算该系统Pe的值。262728作业答案作业答案1、设一信息源的输

13、出由128个不同的符号组成。其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现的的概率为1/224.信息源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立。试计算该信息源的平均信息速率及最大可能的信息速率。解：解：每个符号的平均信息量：符号bit 405. 6 )2241log2241112321log32116(22H已知符号速率RB=1000 Baud故平均信息速率为)/sitb(10405. 63HRRBb等概时可获得最大可能信息速率/sitb 107128log100032maxHRRBbnjjjxPxPxH12)(log)()(292、已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为2400 bit/s, 接收端在半小时内共收到216个错误码元，试计算该系统Pe的值。习题答案习题答案解：解：半小时共传输的码元： Baud 1200 4log24002BR个 216000036005 . 01200系统误码率4102160000216传输总码元数错误码元数eP)b/s(log2MRRBb传输总码元数错误码元数eP30作业答案作业答案解：解：