数字通信技术及应用-模块一

数字通信技术及应用

制作：程占杰

2016.01.目录1.1通信基本概念1.3数字通信系统性能指标1.3.1信息量1.3.2有效性指标1.3.3可靠性指标1.4数字通信的特点1.5通信技术发展现状与趋势

1.5.1通信发展简史1.5.2通信的种类1.5.3通信技术发展趋势1.2数字通信系统组成1.2.1通信系统的一般模型1.2.2数字通信系统模型模块一初识数字通信模块一初识数字通信

1.1通信基本概念

通信技术中常涉及“通信”、“消息”、“信息”、“信号”这四个术语，它们之间既有联系又有区别。一、通信：信息（消息）的传输和交换过程。我们一般所说通信是指电信，即以语言、图像、数据为媒体，通过电

或光

信号由一方传输到另一方。二、消息：信源所产生的信息的物理表现形式,是我们感觉器官所能感知的语言、文字、图像、数据等的统称。它分为离散消息和连续消息。离散消息---如文字、符号、数据等消息状态是可数的或有限的。

连续消息---如语音、图像等消息状态是连续变化的。三、信息：消息的内涵，即消息中所包含的对受信者（信宿）有意义的内容。四、信号：消息的物理载体。它分为模拟信号和数字信号。通通信传输的是信号信信号里搭载的是消息

消息的核心是信息它们之间的关系如下

在通信系统中形式上传输的是消息，但实质上传输的是信息。消息只是表达信息的工具、载荷信息的客体。

1.2数字通信系统组成1.2.1通信系统的一般模型通信系统---完成信息传送的一系列技术设备及传输媒质构成的总体。即数字信号从一端(点)到另一端(点)交换和处理过程的系统，通常由发送端、传输媒介、接收端三大部分构成，如下图：数字通信系统的一般模型信源发送设备信道接收设备信宿噪声源发送端接收端传输媒介下面我们对以上内容分别进行描述一、信源：原始电信号的来源。它是把原始消息转换成原始电信号，这样的电信号通常称为基带信号。如话筒、摄像机等。二、发送设备：许多电路和系统的总称。它主要是把信号放大和变换(编码、调制等)。三、信道：用于在发送设备和接收设备之间传输信号的媒质。它分为有线信道(同轴电缆、光纤等)和无线信道(大气、真空、海水等)两大类。信道是噪声(干扰)集中加入之处。四、噪声源：不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表示。五、接收设备：对带有干扰的接收信号进行必要的处理和变换(解调、解码等)，从中正确恢复出相应的原始信号。六、信宿：信息传输的归宿点或通信系统的终点。它是完成电量到非电量的变换。如扬声器、显像管、计算机等。1.2.2数字通信系统模型通信系统按传输信号类型可分为模拟通信系统(利用模拟信号来传递信息)和数字通信系统(利用数字信号来传递信息)。

如将前面通信系统的一般模型的发送端和接收端进一步分解，可构成如下通信系统模型框图：发送端接收端同步下面我们对以上内容分别进行描述一、信源编码：信源产生的信号绝大多数是模拟信号，信源编码的功能有两个：1.模数转换。常用的转换方法有脉冲编码调制(PCM)技术、增量调制(ΔM)技术、自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)等。2.提高消息传输的有效性。它是通过数据压缩降低数字信号的数码率来实现的。在某些系统中，信源编码还包括加密功能，即在压缩后进行保密编码，以提高数字信息传输的安全性。二、信道编码：它有两个功能：1.实现可靠通信。对传输的信息码元按一定的规则加入监督码元，组成“抗干扰编码”，提高抗干扰能力。2.进行码型变换。为了使信源编码后的数字信号更适合于在信道上传输。为了降低误码率，提高数字通信可靠性而采取的编码是为了提高数字通信的有效性以及实现A/D转换而采取的编码四、噪声：分为系统内部噪声和系统外部噪声。它对通信是有害的，必须通过改善传输媒质性能和信道编码等措施来加以克服。三、调制：基带信号在无线信道中不能直接传输，必须经过调制。调制是将数字基带信号转换成适于信道传输的数字频带信号。五、同步：它是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。包括载波同步、位同步、群同步和网同步。六、数字复接：它是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以增大传输容量和提高传输效率。

1.3数字通信系统性能指标

通信系统的性能指标涉及通信的有效性、可靠性、标准性、经济性等方面。

在此之前，我们先要理解信息的度量问题。1.3.1信息量

信息是消息中包含的有意义或有效的内容，信息包含在消息之中。不同消息包含的信息量不同，不同受信者从同一消息中所获得的信息量也不同，从而需要对信息进行度量。下面仅分析离散消息的信息量。一、信息量定义：衡量某消息中包含信息多少的物理量。在通信领域，信息量指将信息用符号表示后符号的数量。对于离散消息，其定义为：若一离散消息xi出现的概率P(xi)，则这一消息所含的信息量为：

信息量的单位取决于对数所取的底，若以2为底，单位为比特(bit)，以e为底，单位为奈特(nat)，以10为底，单位为哈特莱(Hartley),通常取比特为单位。

从信息量的定义可以看出，信息量是消息出现概率的函数，消息出现的概率越小，所包含的信息量越大；若某消息由若干个独立消息组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。

二、离散独立等概消息的信息量：若某消息集由M个可能的消息组成，每次只取其中之一，各消息之间相互统计独立，且出现概率相等，P(xi)=1/M，则这类消息为离散独立等概消息。

当M=2（二进制）时，P(xi)=1/M=1/2，则

I(xi)=log2=log2=log2M=log22=1bit

即对于等概的二进制波形，每个符号（码元）所包含的信息量为1bit。

当M=2N（M进制）时，P(xi)=1/M=2-N，则

I(xi)=-log2P(xi)=log2M=log22-N=Nbit

即对于等概的M进制波形，每个符号（码元）所包含的信息量为Nbit，是二进制的N倍。

三、离散独立非等概消息的信息量：若某消息集由M个可能的消息组成，每次只取其中之一，各消息之间相互统计独立，且出现概率不相等，且I=-P(xi)=1，则这类消息为离散独立非等概消息。根据信息量相加的概念，则该类消息的信息量为

I=-nilog2P(xi)bit

但是，当消息很长时，用符号出现概率和次数来计算信息量比较麻烦，此时可用信源熵的概念来计算。四、信源熵：是指信源符号集中每个符号所包含信息量的统计平均值。则有

H(x)=-P(xi)log2P(xi)bit

当信源中每个符号等概率独立出现时，信源熵有最大值。等概时P(xi)=1/M，因此

H(max)=log2M

若某符号集的熵为H(x)，则当符号集发送m个符号组成一则消息时，所发送的总信息量为

I=mH(x)=-mP(xi)log2P(xi)bit1.3.2有效性指标

有效性即信息传播的速度，是指传输一定信息量时所占用的信道资源数。在模拟通信系统中主要用带宽来衡量；在数字通信系统中一般用信号的传输速率来衡量，具体指标有传码率、传信率和频带利用率。一、传码率(RB)：

传码率又称码元速率、波特率，指系统在单位时间内传送码元数目的多少，单位是码元/秒，又称波特(Baud)。则有

RB=1/TB

式中TB为码元持续时间。

码元是携带信息的基本数字信号单元。它可以是二进制，也可以是多进制。二、传信率(Rb)：又称信息速率、比特率，指系统在单位时间传送信息量的多少，单位是比特/秒(bits/s)。

传信率和传码率具有不同的定义，又有确定的关系:1.当传输的码元等概时，对于二进制来说，则有RB2=Rb2

，即数值相等，但单位却不同。对于多(M)进制来说，则有RbM=RBMlog2M。2.当传输的码元非等概时，则有Rb=RBH(x)。

由此可见，在码元速率相同的情况下，多进制速率比二进制速率高；在信息速率相同的情况下，多进制速率比二进制速率低。因此，从传输有效性方面考虑，多进制比二进制好。三、频带利用率(ηB、ηb)：是指通信系统在单位频带内所能达到的传码率或传信率，它反映了系统对频带资源的利用水平。其定义式如下：

ηB=RB/B(Baud/Hz)ηb=Rb/B

(Bit/s·Hz)

式中B为信号传输占用的频带宽度。

将带宽与传输速率相联系，可以更好地考虑系统有效性。1.3.3可靠性指标

是指接收信息的准确程度,在模拟通信系统中主要用信噪比来衡量；在数字通信系统中一般用差错率来衡量，具体指标有误码率、误信率。一、误码率(Pe)：是指码元在传输过程中被传错的概率，即在传输码元总数中发生差错的码元数所占的比例。它是多次统计结果的平均量，所以指的是平均误码率,则有

二、误信率(Pb)：又称误比特率，是指码元在传输过程中其信息量丢失的概率，即在传输比特总数中发生差错的比特数所占的比例。它是多次统计结果的平均量，所以指的是平均误码率，则有

对于二进制:Pb=Pe，对于多进制:Pb﹤Pe。因此,传输可靠性考虑,二进制比多进制好。

综上所述：有效性和可靠性相互矛盾，提高有效性就会降低可靠性，反之亦然。

1.4数字通信的特点一、优点1.抗干扰能力强，可消除噪声积累，通过中继再生，适于远距离传输。

模拟通信系统的噪声累加随着传输距离的增加而增加，输出信噪比越来越小，差错率就越大。

数字通信系统的信息包含在脉冲的有无之中，通过再生判决恢复原始数据，消除了噪声积累，抗干扰能力强。2.可采用信道编码技术，降低传输误码率。3.便于与各种数字终端接口连接，可用计算机技术对数字信号进行处理、变换、存储，形成智能网络。4.便于实现加密处理，通信保密性强。5.便于集成化，使通信设备微型化，降低成本。而且有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点。二、缺点1.占用频带宽。不过随着频带压缩技术的应用和光纤等大容量宽带传输线路的发展，这一缺点将逐步得到克服。2.同步技术要求高。在数字通信系统中，接收方要能正确地解调发送方的信号，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到信息码组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，因而系统设备复杂。

1.5通信技术发展现状与趋势1.5.1通信发展简史通信发展简史(1)1838年,摩尔斯发明有线电报,开始了电报通信阶段1864年,麦克斯韦创立了电磁辐射理论,并被当时的赫兹证明,促使了后来无线通信的出现1876年,贝尔利用电磁感应原理发明了电话1879年,第一个专用人工电话交换系统投入运行1880年,第一个付费电话系统运营1896年,马可尼发明无线电报1907年,电子管问世,通信进入电子信息时代1915年,横贯大陆电话开通;实现越洋语音连接1918年,调幅无线电广播、超外差式接收机问世通信发展简史(2)1925年,开通三路明线载波电话,开始多路通信1936年,调频无线电广播开播1937年,雷沃斯发明脉冲编码调制,奠定了数字通信的基础1938年,电视广播开播20世纪40年代二战期间,雷达与微波通信得到发展1946年,第一台数字电子计算机问世1947年,晶体管在贝尔实验室问世,为通信器件的进步创造了条件通信发展简史(3)1948年,香农提出了信息论,建立了通信统计理论1951年,直拨长途电话开通1956年,敷设越洋通信电缆1958年,发射第一颗通信卫星1962年,发射第一颗同步通信卫星,开通国际卫星电话;脉冲编码调制进入实用阶段20世纪60年代,彩色电视问世;阿波罗宇宙飞船登月;数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现通信发展简史(4)20世纪70年代,商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系结构20世纪80年代,开通数字网络的公用业务;个人计算机和计算机局域网出现;网络体系结构国际标准陆续制定20世纪90年代,蜂窝电话系统开通，各种无线通信技术不断涌现;光纤通信得到迅速普遍的应用;国际计算机互联网得到极大发展1.5.2通信的种类一、按照通信业务分类：

1.单媒体通信系统。如电话、传真等。2.多媒体通信系统。如电视、可视电话、会议电话、远程教学等。3.实时通信系统。如电视、电话等。4.非实时通信系统。如电报、传真、数据通信等。5.单向传输系统。如广播、电视等。6.交互传输系统。如电话、点播电视VOD等。7.窄带通信系统。如电话、电报、低速数据等。8.宽带通信系统。如点播电视、会议电视、远程教学、远程医疗、高速数据等。二、按照传输媒质分类：1.有线通信系统：传输媒质可以是：双绞线、双平行线、同轴电缆、微带、波导、多芯铜线、光缆等。2.无线通信系统：根据电磁波波长又可以分为:①中/长波通信②短波通信③微波通信等。如卫星通信、移动通信、微波通信、雷达、声纳、遥控遥测、无线定位、无线接入等。三、按照调制方式分类：1.基带传输：即直接传输基带信号，不经过调制。如音频市内电话、数字信号的基带传输等。2.频带传输：将基带信号进行调制后再进行传输。

四、按照信道中传输的信号分类：1.模拟通信系统:是指在通信系统中所传输的是模拟信号。2.数字通信系统:利用数字信号作为载体传递信息的通信方式。

五、按照信号复用方式分类：1.频分复用（FDM）：用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。2.时分复用(TDM）：使不同信号占据不同的时间间隔。3.码分复用（CDMA)：用一组包含互相正交码字的组携带多路信号。六、按照通信者是否运动分类：1.固定通信:如固定电话等。2.移动通信:是指通信双方至少有一方是在运动中进行信息传递的通信方式。一、通信技术数字化：通信技术数字化是实现其他“五化”的基础。数字通信具有抗干扰能力强、失真不积累、便于纠错、易于加密、适于集成化。可以兼容多种信息的传输，也为实现通信网的计算机管理创造了条件。数字化是现代通信技术的基本特性和最突出的发展趋势。1.5.3通信技术发展趋势通信技术发展趋势可概括为“六化”，即数字化、综合化、个人化、宽带化、智能化的通信网络技术。二、通信业务综合化：就是把各种业务（如视频、语音和数据等）和各种网络综合起来，以数字方式统一并综合到一个网络中进行传输、交换和处理，达到一网多用的目的。三、网络互通融合化：以电话网络为代表的电信网络和以因特网为代表的数据网络的互通与融合进程正在加快。IP数据网与光网络的融合、无线通信与互联网的融合也是未来通信技术的发展趋势和方向。电信网、计算机网和广播电视网之间的“三网”融合进程正加速推进，三大网络技术层上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，业务层上互相渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的IP协议，经营层上互相竞争、互相合作，朝着向人类提供多样化、多媒体化、个性化的同一目标逐渐交汇在一起。四、通信网络宽带化：它是电信网络发展的基本特征。宽带化是指通信系统能传输的频率范围越宽越好，即每单位时间内传输