大學(xué)課件數(shù)字通信原理第1章緒論

數(shù)字通信原理2關(guān)于本課程目的與任務(wù)：數(shù)字通信原理為專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過對通信系統(tǒng)組成、通信系統(tǒng)建模等基本概念、基礎(chǔ)知識的了解，學(xué)習(xí)和掌握通信理論和通信系統(tǒng)性能分析方法，掌握常用數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)及其應(yīng)用條件，并對現(xiàn)代通信技術(shù)及其發(fā)展方向有所了解，使學(xué)生具備初步從事通信系統(tǒng)評價及設(shè)計的能力，也為相關(guān)課程奠定基礎(chǔ)先修課程：隨機信號分析，信號與系統(tǒng)等學(xué)習(xí)方式：課堂教學(xué)/課后作業(yè)考試方式：筆試(閉卷考試)答疑：4-4453主要參考書樊昌信等編，通信原理，第6(5)版，國防工業(yè)出版社J.G.Proakis.DigitalCommunication(4rdEdition).電子工業(yè)出版社（影印版：數(shù)字通信）曹志剛等編，現(xiàn)代通信原理，清華大學(xué)出版社郝建軍等編，通信原理考研指導(dǎo)，北郵出版社4課程的基本內(nèi)容緒論（2學(xué)時）隨機信號分析（3學(xué)時）信道（4學(xué)時）模擬調(diào)制系統(tǒng)（6學(xué)時）數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（8學(xué)時）正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（8學(xué)時）模擬信號的數(shù)字傳輸（7學(xué)時）數(shù)字信號的最佳接收（4學(xué)時）差錯控制編碼（6學(xué)時）5成績評定初步計劃成績評定平時作業(yè)：20%考勤：10%考試：70%6第一章緒論什么是通信？通信的發(fā)展簡史通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的分類和通信方式信息及其度量通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)71.什么是通信?通信：交流，傳遞消息；信息的傳輸與交換信息是要表示和傳送的對象.消息是表示信息的媒體，象語言、文字、圖象、符號、聲音等。同一條信息可以用不同的消息表示。信息是包含在消息中的不確定性，即有效(有用)的東西。消息的本質(zhì)和價值取決于它所包含的信息量，即對接收者的不確定性.信號是消息的承載者，信號常常由消息變換而來，它是與消息對應(yīng)的某種物理量，通常是時間的函數(shù)，例如隨著時間變化的電壓(電流)。通信系統(tǒng)中傳送的是信號.通信就是以語言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體，通過電(光)信號將信息由一方傳輸?shù)搅硪环酵ㄐ攀且环N產(chǎn)業(yè)，它生產(chǎn)的是一種信息在空間轉(zhuǎn)移的效應(yīng)82.通信的發(fā)展簡史(1)18世紀(jì)，提出用電流進行通信的設(shè)想1838年，F(xiàn).B.Morse發(fā)明有線電報1864年，J.C.Maxwell提出電磁輻射方程1876年，A.G.Bell發(fā)明電話1887年，H.R.Hertz驗證了電磁波的存在1896年，A.C.Πoπoβ，G.Marconi發(fā)明無線電報1901年，橫跨大西洋的無線通信成功1906年，LeedeForst發(fā)明真空管1918年，E.H.Armstrong發(fā)明AM廣播，超外差接收機92.通信的發(fā)展簡史(2)1925年，開始采用三路明線載波電話，多路通信1936年，E.H.Armstrong發(fā)明FM廣播1937年，A.Reeves發(fā)明PCM調(diào)制原理1938年，電視廣播開始1940-45年，二次大戰(zhàn)刺激了雷達和微波通信系統(tǒng)的發(fā)展；貝爾實驗室提出了蜂窩的概念1948年，發(fā)明了晶體三極管；統(tǒng)計理論建立；Shannon發(fā)表《通信的數(shù)學(xué)理論》1950年，時分多路通信應(yīng)用于電話1953年，敷設(shè)了第一條越洋電話電纜（36話路）1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球通信衛(wèi)星102.通信的發(fā)展簡史(3)1958年，發(fā)明第一塊集成電路1961年，F(xiàn)M立體聲廣播開播1964年，第一臺全電子電話系統(tǒng)問世1972年，Motorola發(fā)明蜂窩電話1976年，個人PC問世1989年，“便攜式”蜂窩電話問世1990－，超大規(guī)模集成電路的大量使用，計算機和通信正向著兼容互補的方向發(fā)展113.通信系統(tǒng)的組成(1)通信系統(tǒng)模型信息源發(fā)送設(shè)備傳輸媒介接收設(shè)備受信者噪聲源123.通信系統(tǒng)的組成(2)模擬通信和數(shù)字通信模擬(連續(xù))消息：狀態(tài)連續(xù)變化，例如語音，圖像數(shù)字(離散)消息：狀態(tài)可數(shù)或離散，如符號，文字，數(shù)據(jù)模擬信號：載荷消息的電參量連續(xù)取值數(shù)字信號：載荷消息的電參量離散取值模擬通信系統(tǒng)：信道中傳輸模擬信號，例如傳統(tǒng)廣播和電視數(shù)字通信系統(tǒng)：信道中傳輸數(shù)字信號，例如2G,3G133.通信系統(tǒng)的組成(3)模擬通信系統(tǒng)模型模擬信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者噪聲源基帶信號已調(diào)信號已調(diào)信號基帶信號143.通信系統(tǒng)的組成(4)數(shù)字通信系統(tǒng)模型153.通信系統(tǒng)的組成(5)基帶數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字信息源波形形成信道接收濾波受信者噪聲源163.通信系統(tǒng)的組成(5)數(shù)字通信的優(yōu)點：抗干擾能力強，可消除噪聲積累；差錯可控，傳輸性能好；便于處理和管理，便于傳輸和交換便于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算技術(shù)對信號進行處理、加工、變換、存儲，形成智能網(wǎng)；便于集成化，從而使通信設(shè)備微型化；便于加密處理，且保密程度高。數(shù)字通信的缺點：頻帶利用率低：比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶。一路模擬電話：4KHz，接近同樣話音質(zhì)量的一路數(shù)字電話：20-60KHz。對同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。173.通信系統(tǒng)的組成(6)兩種應(yīng)用利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳送模擬消息A/D，D/A變換，例如電話利用模擬通信系統(tǒng)傳送數(shù)字信號加裝數(shù)字終端，例如調(diào)制解調(diào)器電話網(wǎng)因特網(wǎng)184.1通信系統(tǒng)的分類(1)根據(jù)信號特征模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)根據(jù)消息的物理特征（業(yè)務(wù)類型）：電話、數(shù)據(jù)、電視等根據(jù)調(diào)制方式(見表1-1)脈沖調(diào)制/基帶傳輸：周期性脈沖序列作為載波正弦波調(diào)制/頻帶傳輸：正弦型載波根據(jù)傳輸媒介有線傳輸：雙絞線、同軸電纜、光纖無線傳輸19表1-1常見的調(diào)制方式

調(diào)制方式用途連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控數(shù)據(jù)傳輸20

調(diào)制方式

用途脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM中低速數(shù)字電話續(xù)表（2）214.1通信系統(tǒng)的分類(2)根據(jù)信號復(fù)用方式頻分復(fù)用(FDM)1時間頻率234

時分復(fù)用(TDM)1時間頻率2341

碼分復(fù)用(CDM)1234時間頻率224.2點到點的通信方式(1)按消息傳送方向與時間關(guān)系單工：傳統(tǒng)廣播和電視、遙測、遙控、尋呼半雙工：無線電對講機(同一載頻)全雙工通信：電話發(fā)送端信道接收端發(fā)送端信道發(fā)送端接收端接收端發(fā)送端信道接收端接收端發(fā)送端信道234.2點到點的通信方式(2)按數(shù)字信號的碼元排列方法串行傳輸：遠距離數(shù)字通信并行傳輸：近距離數(shù)字通信發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備101發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備...244.3實際通信系統(tǒng)通信網(wǎng)和專線TTTT255信息及其度量(1)信息：消息中包含的有意義的內(nèi)容信息的度量：信息量與消息的種類及重要程度無關(guān)事件的不確定程度越大，信息量越大消息x中所含信息量I與消息出現(xiàn)概率P(x)I(x)=I[P(x)]P(x)=1,I=0;

P(x)=0,I=若干互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量之和

I(x1,x2

,…)=I(x1)+I(x2)+…265信息及其度量(2)信息量I的定義a=2:比特(bit)a=e:奈特(nit)a=10:哈特萊275信息及其度量(3)離散消息的度量

各符號x1

x2

…

xn所包含的信息量分別為設(shè)離散信息源是一個由n個符號組成的符號集，且

每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值(平均信息量)為

信息源的熵285信息及其度量(4)信息源的最大熵如果各符號x1

x2

…

xn等概出現(xiàn)，即P(xi)=1/n，則有結(jié)論：信息源的最大熵，發(fā)生在每一個符號等概率出現(xiàn)時

用平均信息量計算消息的信息量若消息傳送的符號總數(shù)為m，則I=mH(x)(bit)

例信息源由獨立等概的符號0,1組成，n=2,H(x)=1bit/符號，符號數(shù)與比特數(shù)相等。295信息及其度量(5)例:一信息源由四個符號0,1,2,3組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8,?,?,1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某個消息201020130……(57個符號：0~23,1~14,2~13,3~7)的信息量。

方法一：

方法二：306.主要性能指標(biāo)(1)有效性：系統(tǒng)傳輸消息的效率/通信資源(頻率、時間)的充分利用，在給定的信道內(nèi)能夠容納多大的信息量，或允許傳輸多高的信息率可靠性：信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確程度，傳送消息的準(zhǔn)確還原根據(jù)信息論觀點，通信系統(tǒng)的有效性和可靠性常常是一對矛盾。也就是說有效性很高的通信系統(tǒng)往往帶來可靠性不足的缺點；或者是保證了很高的可靠性，但導(dǎo)致有效性的降低?？煽啃允敲艿闹饕矫?，即發(fā)送消息在接收端的準(zhǔn)確還原。形成矛盾的根本原因：信道不理想帶寬、時間受限噪聲和干擾316.主要性能指標(biāo)(2)模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有效性：用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征可靠性：均方誤差輸出信噪比(僅考慮加性干擾)：接收端輸出的信號平均功率與噪聲平均功率之比(SNR)電話：SNR>40dB,話音清晰度>95%電視：SNR=40~60dB326.主要性能指標(biāo)(3)離散數(shù)字信號的表示離散信源的N=2k種可能狀態(tài)可以用k位二進制數(shù)字或一位N進制數(shù)字表示用時間間隔相同的信號來表示一位二進制或N進制數(shù)字這個間隔稱為符號/碼元周期間隔內(nèi)的信號稱為符號/碼元(二進制或N進制)ABCD000110110123TtTt1Tt2-1Tt-2T2Tt1T2Tt1T2Tt-1T2Tt1336.主要性能指標(biāo)(4)數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)：傳輸速率和差錯率符號(碼元)傳輸速率：每秒鐘傳送的符號數(shù)量，單位為“波特”(baud或B)，又稱傳碼率信息傳輸速率：每秒鐘傳送的信息速率，單位為“比特/秒”(bit/s)，又稱傳信率符號速率與信息速率之間的關(guān)系：若符號速率為Rs，信息速率為Rb，每個符號有N種可能狀態(tài)，則有Rb

＝Rslog2

N(bit/s)Rs

＝Rb/log2

N(baud)

頻帶利用率：傳輸速率與系統(tǒng)帶寬之比，單位為bit/s/Hz或Baud/Hz346.主要性能指標(biāo)(5)誤符號率(誤碼率)：符號在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率誤比特率(誤信率)：符號信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率

35思考題和作業(yè)什么是通信？通信的目的是什么？如何進行通信？通信系統(tǒng)的組成以及分類？什么是模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)？并比較它們的異同。衡量通信系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)有哪些？作業(yè)：1-1，1-2，1-4，1-5，1-7，1-8,1-103637JamesClerkMaxwell

（1831-1879）

HeinrichRudolfHertz（1857-