数字通信原理课件 第章 绪论

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

第1章概述

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通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3现代通信技术发展的概况1.4数字通信系统的主要性能指标1.5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。

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。

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、按传输媒质分类通信系统分类2、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

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。

工作波长和频率的换算公式为；

λ=

3、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1.1.1通信使用的频段及主要用途频率范围波长符号传输媒介用途3Hz~30kHz108~104m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~300kHz104~103m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz103~102m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~30MHz102~10m高频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~300MHz10~1m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~3GHz1~10-1m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~30GHz10-1~10-2m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~300GHz10-2~10-3m极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学105GHz~107GHz3X10-63X10-8m可见光、红外光纤激光空间传播光通信、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、按通通信业务分分类按通信业务务分，通信信系统有话务通信和非话务通信信。非话务通信信主要是分分组数据业业务、计算算机通信、、数据库检检索、电子子信箱、电电子数据交交换、传真真存储转发发、可视图图文及会议议电视、图图像通信等等。6、按信信号复用方方式分类常见传输多多路信号有有两种复用用方式，即即频分复用用、时分复复用。频分复用是用频谱搬搬移的方法法使不同信信号占据不不同的频率率范围。时分复用是用脉冲调调制的方法法使不同信信号占据不不同的时间间区间。无论怎样划划分通信系系统，都只只是在信号号处理方式式、传输方方式或传输输介质等外外在特征上上做文章，，其通信的的实质并没没改变，即即大量、快快速、准确确、广泛、、方便、经经济、安全全地传送信信息。因此此，在分析析、研究、、设计、搭搭建和使用用一个通信信系统时，，只要抓住住这个实质质，就不会会被系统复复杂的结构构、先进的的技术和生生涩的技术术术语所迷迷惑。其他分类方方式：按多地址址方式可分分为频分多多址通信、、时分多址址通信、码码分多址通通信等。按按用户类型型可分为公公用通信和和专用通信信等。1.2通通信系统的的组成通信系统模模型信息源（简简称信源））：把待传输输的消息转转换成原始始电信号，，如电话系系统中的电电话机，信信源输出的的信号成为为基带信号号。所谓基基带信号是是指没有经经过调制（（频率搬移移）的原始始信号，频频率较低。。基带信号号可分为数数字基带信信号和模拟拟基带信号号。发送设备：对基带信信号进行某某种变换和和处理，使使原始信号号（基带信信号）适应应信道传输输特性的要要求。信道：信号传输输的通路，，分为有线线和无线两两大类。噪声源：叠加在信信道中所有有噪声以及及分散在通通信系统中中其他各处处噪声的集集合。接收设备：将从收到到的信号中中恢复出相相应的原始始信号。受信者（信信宿或收终终端）：将复原的的原始信号号转换成相相应的消息息。1.2.1模拟通通信系统传输模拟信信号的系统统称为模拟拟通信系统统。信息源调制器信道解调器收信者噪声源模拟通信系系统模型模拟广播通信系统模拟通信系统模型两种变换：模拟消息原始电电信号（基基带信号））基带信号已调调信号（带带通信号））以语音信号号为例来说说明发信人讲话话的语音信信息首先经经变换器将语音信息息变成电信信号（模拟拟信源），，然后电信信号经放大大设备后可可以直接在在信道中传传输。为了了提高频带带利用率，，使多路信信号同时在在信道中传传输，原始始的电信号号（基带信信号）一般般要进行调调制才能传传输到信道道中去。调制是信号的一一种变换，，通常是将将不便于信信道直接传传输的基带带信号变换换成适合信信道中传输输的信号，，这一过程程由调制器器完成，经经过调制后后的信号称称为已调信信号。在收收端，经解调器和逆变换器还原成语音音信息。数字通信系系统是传输输数字信号号的通信系系。1.2.2数字通通信系统实际的数字字通信系统统不一定包包括图中的的所有环节节。如在在某些有线线信道中，，若传输距距离不太远远且通信容容量不太大大时，数字字基带信号号无需调制制，可以直直接传送，，称之为数字信号的的基带传输输，其模型中中就不包括括调制与解解调环节。。数字通信系统模型与频带传输输系统相对对应，我们们把没有调调制器/解解调器的数数字通信系系统称为数数字基带传传输通信系系统。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数字基带传传输通信系系统模型图中基带信信号形成器器可能包括括编码器、、加密器以以及波形变变换等，接接收滤波器器亦可能包包括译码器器、解密器器等。实际上，数数字通信系系统中可传传送的消息息可以是数数字的，也也可以是模模拟的，当当要实现模模拟信号在在数字系统统中的传输输时，则必必须在发端端将模拟信信号数字化化，即A/D转换；；在收端需需进行相反反的转换，，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数字化传输输通信系统统模型数字通信的的基本特征征：消息或信信号是“离离散”或““数字”的的，强调已已调参量与与代表消息息的数字信信号之间的的一一对应应关系。数字通信具具有以下特特点：（1）数字字信号传输输时，信道道噪声或干干扰所造成成的差错，，原则上是是可以控制制的。（2）当需需要实现保保密通信时时，可对数数字基带信信号进行加加密，此时时在接收端端就必须进进行解密。。(3)由于于数字通信信传输时按按节拍传送送数字信号号，因而接接收端必须须有一个与与发端相同同的节拍，，否则会因因收发步调调不一致而而造成混乱乱。信源编码的的作用：将模拟信号号转换成数数字信号，，即模/数数转换。模模拟信号数数字化传输输的两种方方式：脉冲冲编码调制制(PCM)和增量量调制(ΔΔM)。设法减少码码元数目和和减少冗余余信息，即即数据压缩缩。（1）信源源编码与译译码码元：数字通信信中传输的的一个接一一个按节拍拍传送的数数字信号单单元。信源译码是信源编码码的逆过程程。数字通信涉涉及的技术术问题很多多，其中主主要有信源源编码/译译码、信道道编码/译译码、数字字调制/解解调、数字字复接、同同步以及及加密等。。数字信号在在信道传输输时，由于于噪声、衰衰落以及人人为干扰等等，将会引引起差错。。为了减少差差错，信道道编码器对对传输的信信息码元按按一定的规规则加入保保护成分（（监督元）），组成所所谓“抗干扰编码码”。接收端的信信道译码器器按一定规规则进行解解码，从解解码过程中中发现错误误或纠正错错误，从而提高通通信系统抗抗干扰能力力，实现可可靠通信。。（2）信信道编码与与译码在需要实现现保密通信信的场合，，为了保证证所传信息息的安全，，人为将被被传输的数数字序列扰扰乱，即加加上密码，，这种处理理过程叫加加密。在接接收端利用用与发送端端相同的密密码复制品品对收到的的数字序列列进行解密密，恢复原原来信息，，叫解密。。（3）加加密与解密密（4）数数字调制与与解调数字调制就是把数字字基带信号号的频谱搬搬移到高频频处，形成成适合在信信道中传输输的频带信信号。S(t)Acos(ωt+φ)S(t)Acos(ωt+φ)信源载载波信号已已调信信号同步是保证数字字通信系统统有序、准准确、可靠靠工作的不不可缺少的的前提条件件。同步是是使收、发发两端的信信号在时间间上保持步步调一致。。按照同步步的功用不不同，可分分为载波同同步、位同同步、群同同步和网同同步。（5）同同步模拟信号经经过数字编编码后可以以在数字通通信系统中中传输，数数字信号也也可以在模模拟通信系系统中传输输，模拟通通信与数字字通信的区区别仅在于于信道中传输输的信号种种类。语音数字通通信系统示示意图数字通信加加密方法示示意1.3现现代通信技技术发展的的概况1.3.1通信发发展简史1838年年：莫尔斯斯发明有线线电报通信信1918年年：调幅无无线电广播播、超外差差接收机问问世1925年年：多路通通信和载波波电话问世世1962年年：开始了了实用卫星星通信的时时代1970-1980：大规模模集成电路路、商用卫卫星通信，，程控数字字交换机、、光纤通信信、微处理理机等迅速速发展1980-1990：超大规规模集成电电路、移动动通信、光光纤通信广广泛应用，，综合业务务数字网崛崛起1990-：卫卫星通信、、移动通信信、光纤通通信进一步步飞速发展展，高清晰晰彩色数字字电视技术术不断成熟熟，全球定定位系统（（GPS））得到广泛泛应用根据各种通通信技术在在通信发展展史上的地地位、作用用以及对人人类社会的的影响，我我们对过去去的100多年通信信技术的发发展历史进进行了概括括性的总结结，认为有有10项重重大通信技技术值得人人们纪念。。(1)摩尔尔斯发明有有线电报。。有线电报报开创了人人类信息交交流的新纪纪元。(2)马克克尼发明无无线电报。。无线电报报为人类通通信技术开开辟了一个个崭新的领领域。(3)载波波通信。载载波通信的的出现，改改变了一条条线路只能能传送一路路电话的局局面，使一一个物理介介质上传送送多路音频频电话信号号成为可能能。(4)电视视。电视极极大地改变变了人们的的生活，使使传输和交交流信息从从单一的声声音发展到到实时图像像。(5)电子子计算机。。计算机被被公认为是是20世纪纪最伟大的的发明，它它加快了各各类科学技技术的发展展进程。(6)集成成电路。集集成电路为为各种电子子设备提供供了高速、、微小、功功能强大的的“心”，，使人类的的信息传输输能力和信信息处理能能力达到了了一个新的的高度。(7)光纤纤通信。光光导纤维的的发明，使使人们寻求求到一种真真正能够承承担起构筑筑未来信息息化基础设设施传输平平台重任的的通信介质质。(8)卫星星通信。卫卫星通信将将人类带入入了太空通通信时代。。(9)蜂窝窝移动通信信。蜂窝移移动通信为为人们提供供了一种前前所未有、、方便快捷捷的通信手手段。(10)因因特网。因因特网的出出现意味着着信息时代代的到来，，使地球变变成了一个个没有距离离的小村落落-“地球球村”。1.3.2通信技技术的现状状和发展趋趋势数字化、大大容量、远远距离、高高效率、多多信源以及及保密性、、可靠性、、智能化等等已成为现现代通信系系统的主要要特点。1.光纤通通信2.微波中中继通信3.卫星通通信4.移动通通信5.计算机机通信网1.4数数字通信系系统的主要要性能指标标1.4.1一般通通信系统的的性能指标标（1）有效效性：指信道资资源的利用用率，即系系统中单位位频带传输输消息的““速率”问问题。（2）可靠靠性：指通信系系统传输消消息的“质质量”问题题，即好坏坏问题。（3）适应应性：指通信系系统使用时时的环境条条件。（4）经济性性：指分摊到每每一个用户的的成本。（5）保密性性：指系统对所所传信号的加加密措施。（6）标准性性：指系统的接接口、各种结结构及协议是是否合乎国家家、国际标准准。（7）维护性性：指系统统是否维维修方便便。（8）工工艺性：指通信信系统各各种工艺艺要求。。1.4.2数数字通信信系统有有效性指指标的具具体表述述1.码元元传输效效率（B/Hz）码元传输输速率RB：定义为为单位时时间（每每秒）传传送码元元的数目目，单位位为波特特（Baud）），简记记为B。。式中T－码元的宽宽度多进制（（N）码码元速率率RBN与二进制制码元速速率RB2之间转换换关系式式N应为2k，k=2,3,4…信道频带带（主要要指系统统频带））对系统统而言是是一种宝宝贵的资资源，频频带利用用率反映映了系统统对频带带资源的的利用水水平和有有效程度度。码元传输输效率用单位频频带内系系统允许许的最大大传码率率来衡量量，即2.信息息传输效效率（bit/Hz··s）信息传输输速率简简称信息息速率，，用符号号Rb表示。Rb是指单位位时间（（每秒钟钟）内传传送的信信息量，，单位为为bit/s（（比特/秒），，简记为为b/s或bps。码元传输输速率和和信息传传输速率率具有不不同的定定义，不不能混淆淆。两者者之间有有确定的的关系，，如果码码元传输输速率为为RBNB，则对对应的信