模块一 初识数字通信1

数字通信技术及应用模块一初识数字通信教学导航教知识重点

知识难点

推荐教学方式

建议学时通信基本概念。数字通信系统的组成及其各部分功能。数字通信系统的有效性和可靠性指标。数字通信的优缺点。知识重点数字通信系统的有效性和可靠性之间的关系。信息量、传码率、传信率、频带利用率、误码率及误信率的计算。知识难点通过实用通信系统案例介绍，导出数字通信系统组成理论知识，激发学生学习兴趣。通过实用通信系统现场认知实践训练，加深对通信系统组成的感性认识。另举一实用通信系统进行案例分析，巩固理论知识，将理论与实际结合起来，同时拓展学生知识面。推荐教学方式12学时建议学时教学导航推荐学习方法

必须掌握的理论知识

必须掌握的技能

学本模块要注重概念的理解。理论学习要注意结合给出的案例及实践训练来理解，要注重实际系统与理论模型的对应关系。

通过典型例题掌握信息量、传码率、传信率、频带利用率、误码率及误信率的计算方法。

推荐学习方法通信基本概念。数字通信系统的组成及其各部分功能。数字通信的优缺点。

必须掌握的理论知识会计算数字通信系统有效性和可靠性指标。针对任意的实用通信系统，能找出与系统模型的对应关系。

必须掌握的技能案例导入VoIP网络电话系统VoIP全称VoiceoverInternetProtocol，中文就是“通过IP数据包发送实现的语音业务”，通俗来说也就是通过互联网打电话。VoIP网络电话是建立在IP技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送语音的目的。VoIP网络电话系统VoIP网络电话系统基本构成示意图如图1-1所示。VoIP网络电话系统图1-1VoIP网络电话系统的基本构成我国VoIP网络电话系统的组网结构如图1-2所示。VoIP网络电话系统图1-2我国VoIP网络电话系统的组网结构VoIP网络电话系统思考题：VoIP网络电话系统由哪些部分构成？各部分的作用是什么？技术解读1.1通信基本概念1.2数字通信系统组成1.3数字通信系统性能指标1.4数字通信的特点1.5通信技术发展现状与趋势通信（Communication）——是信息（或消息）的传输和交换过程。消息（Message）——是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、数据、图像等的统称。消息可分为离散消息和连续消息两类。信息（Information）——是消息的内涵，即消息中所包含的对受信者（信宿）有意义的内容。信号（Signal）——是消息的物理载体。与消息相对应，可将信号分为模拟信号和数字信号。1.1通信基本概念思考题：“通信”、“信息”、“消息”及“信号”分别什么涵义？它们之间有怎样的联系和区别？1.1通信基本概念一个基于点与点之间的通信系统概括地讲可以由发送端、传输媒介、接收端三大部分构成，点对点通信系统的一般模型如图1-3所示。

1.2数字通信系统组成1.2.1通信系统的一般模型图1-3通信系统的一般模型通信系统一般模型的各组成部分功能：信源（Source）是原始电信号的来源。它的作用是把原始消息转换成原始电信号，即完成非电量到电量的变换，这样的电信号通常称为基带信号。发送设备（Transmitter）是许多电路和系统的总称。发送设备的主要功能有两个：放大和变换。信道（Channel）是用于在发送设备和接收设备之间传输信号的媒质。根据传输媒质的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。噪声源（Noise）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。接收设备（Receiver）的任务是对带有干扰的接收信号进行必要的处理和变换，从中正确恢复出相应的原始信号来。即进行与发送设备相对应的反变换。信宿（Destination）是信息传输的归宿点或通信系统的终点，可以是人或者机器。其作用与信源的作用相反，即完成电量到非电量的变换，将恢复出来的原始电信号转换成相应的消息。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按传输信号类型可分为模拟通信系统和数字通信系统。利用模拟信号来传递信息的系统称为模拟通信系统；利用数字信号来传递信息的系统称为数字通信系统。数字通信系统模型如图1-4所示。

1.2数字通信系统组成1.2.2数字通信系统模型图1-4数字通信系统模型数字通信系统模型的各组成部分功能：信源编码的功能有两个：一是将模拟信号转换成相应的数字信号，即模/数转换，以进入数字通信系统传输；二是通过数据压缩设法降低数字信号的数码率，从而提高消息传输的有效性。信道编码的功能有两个：一是对传输的信息码元按一定的规则加入监督码元，组成所谓的“抗干扰编码”，提高数字通信系统的抗干扰能力，实现可靠通信。二是为了使信源编码后的数字信号更适合于在信道上传输，进行码型变换。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。将基带信号的频谱搬移到适合于无线信道传输的频谱上才能在无线信道中传输。接收端的解调、信道解码、信源解码等设备的功能与发送端对应设备的功能正好相反，是一一对应的反变换关系。噪声分为系统内部噪声与系统外部噪声两大类。同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，它是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。1.2数字通信系统组成1.2.2数字通信系统模型1.2数字通信系统组成思考题：1．以无线广播为例，想想图1-3模型中信源、信宿及信道包含的具体内容是什么？2．数字通信系统的一般模型中各组成部分的主要功能是什么？1.3数字通信系统性能指标1.3.1信息量信息量定义

衡量某消息中包含信息多少的物理量称为信息量。信息量的定义为：若一消息xi出现的概率为P(xi)，则这一消息所含的信息量为

（1-1）

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（事件）所组成，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，，则这类消息为离散独立等概消息。当（二进制）时，，则bit（1-2）即对于等概的二进制波形，其每个符号（码元）所包含的信息量为1bit。当（进制）时，，则bit（1-3）即等概进制的每个符号（码元）所包含的信息量为Nbit，是二进制的N倍。1.3数字通信系统性能指标1.3.1信息量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（事件）所组成，每次只取其中之一，各消息之间相互统计独立，出现概率相等，且，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，该类消息的信息量为bit（1-4）信源熵（entropy）是指信源符号集中每个符号所包含信息量的统计平均值。其定义式如下：比特/符号（1-5）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，，因此 比特/符号（1-6）若某符号集的熵为，则当符号集发送个符号组成一则消息时，所发送的总信息量为bit(1-7)1.3数字通信系统性能指标1.3.1信息量有效性是指传输一定信息量时所占用的信道资源数（频率范围或时间间隔）。在模拟通信系统中主要用带宽来衡量；在数字通信系统中，一般用传输速率来衡量，具体指标有传码率、传信率和频带利用率。传码率：又称码元速率，指系统在单位时间内传送码元数目的多少，用RB表示，单位为码元/秒，又称波特（Baud）。

（1-8）传信率：又称比特率，指系统在单位时间内传送信息量的多少，用Rb表示，单位为比特/秒（bit/s）。（1-10）频带利用率：指通信系统在单位频带内所能达到的传信率，用或表示，单位为比特/秒/赫兹（bit/s/Hz）。其定义式为

Bd/Hz（1-12）

bit/(s•Hz)（1-13）1.3数字通信系统性能指标1.3.2有效性指标可靠性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。误码率:指在传输码元总数中发生差错的码元数所占的比例。

（1-14）误比特率:指在传输比特总数中发生差错的比特数所占的比例。

（1-15）

对于二进制系统而言，Pb=Pe

；对于多进制系统而言，Pb<Pe

。因此，从传输可靠性考虑，二进制比多进制好。1.3数字通信系统性能指标1.3.3可靠性指标1.3数字通信系统性能指标思考题：1．何谓码元速率和信息速率？它们之间的关系如何？2．什么是通信系统的误码率和误信率？两者是否相等？抗干扰能力强，可消除噪声积累，因此可中继，可多次复制（再生）。

可采用信道编码技术，降低传输误码率。

便于与各种数字终端接口，可用现代计算机技术对数字信号进行处理、变换、存储，形成智能网。

便于加密处理，且保密性好。便于集成化，从而使通信设备微型化，降低成本。

1.4数字通信的特点1.4.1优点占用频带宽。同步技术要求高。1.4数字通信的特点1.4.2缺点1.4数字通信的特点思考题：何谓数字通信？数字通信有哪些优缺点？1.5通信技术发展现状与趋势1.5.1通信发展简史年代事件1820年丹麦物理学家奥斯特发现电流磁效应1831年英国法拉弟发现电磁感应定律1837年美国科学家莫尔斯(Morse)发明有线电报，发明了莫尔斯电码1865年英国物理学家麦克斯韦(Maxwell)发表电磁场理论1876年贝尔(Bell)利用电磁感应原理发明了电话机1887年德国物理学家赫兹(Hertz)实验证明电磁波的存在1898年意大利科学家马可尼(Marconi)和俄国波波夫发明无线电报1904年英国物理学家弗莱明(Fleming)发明真空二极管1906年美国工程师福雷斯特(Forest)发明真空三极管1936年FM广播出现；黑白电视机发明1937年英国人里夫斯提出脉冲编码调制理论1945年美国发明第一台计算机ENIAC1948年肖克莱(Shockley)等人发明了晶体三极管；香农（Shannon）提出了信息论1950年时分多路（TDM）技术出