數(shù)字通信原理與技術(shù)(王興亮)緒論

數(shù)字通信原理與技術(shù)(王興亮)緒論匯報人：AA2024-01-20Contents目錄緒論信號與信道模擬信號數(shù)字化傳輸數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)同步原理與技術(shù)差錯控制編碼現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展動態(tài)緒論01數(shù)字通信與模擬通信的區(qū)別信號形式、傳輸方式、抗干擾能力等。數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)、易于加密和差錯控制、易于實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)等。數(shù)字通信定義通過數(shù)字信號傳輸信息的通信方式。數(shù)字通信概述產(chǎn)生原始信息，如語音、圖像、文本等。信源信源編碼信道編碼將原始信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行壓縮編碼以提高傳輸效率。增加冗余信息，提高信號抗干擾能力，保證傳輸可靠性。030201數(shù)字通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信系統(tǒng)模型調(diào)制將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)哪M信號。信道傳輸信號的媒介，如光纖、電纜、空氣等。解調(diào)將接收到的模擬信號還原為數(shù)字信號。去除冗余信息，恢復(fù)原始數(shù)字信號。信道譯碼接收并處理還原后的數(shù)字信號，如揚(yáng)聲器、顯示器等。信宿數(shù)字通信系統(tǒng)模型發(fā)展歷程從模擬通信到數(shù)字通信的演進(jìn)，包括PCM脈碼調(diào)制、DPCM差分脈碼調(diào)制、ADPCM自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制等技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前趨勢數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化等成為數(shù)字通信發(fā)展的主要趨勢，如5G/6G移動通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)等的應(yīng)用和發(fā)展。數(shù)字通信發(fā)展歷程及趨勢信號與信道02根據(jù)信號的性質(zhì)和特征，可以將其分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類。模擬信號是連續(xù)時間信號，其幅度和時間都是連續(xù)的；數(shù)字信號則是離散時間信號，其幅度和時間都是離散的。信號分類信號具有多種特性，如幅度、頻率、相位等。這些特性決定了信號的傳輸方式和處理方法。例如，信號的幅度決定了信號的強(qiáng)弱，頻率決定了信號的音調(diào)高低，相位則決定了信號的波形形狀。信號特性信號分類與特性信道特性信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?，其特性直接影響信號的傳輸質(zhì)量。信道特性包括帶寬、噪聲、失真等。帶寬決定了信道能夠傳輸?shù)男盘栴l率范圍，噪聲則會對信號產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致信號失真。傳輸媒質(zhì)信號的傳輸需要借助一定的媒質(zhì)，如電線、光纖、空氣等。不同的媒質(zhì)具有不同的傳輸特性和適用范圍。例如，電線適用于短距離傳輸，光纖則適用于長距離高速傳輸。信道特性及傳輸媒質(zhì)信道容量與香農(nóng)公式信道容量信道容量是指在給定條件下，信道能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?。它受到信道帶寬、信噪比等因素的影響。提高信道容量可以通過增加帶寬、降低噪聲等方式實(shí)現(xiàn)。香農(nóng)公式香農(nóng)公式是描述信道容量的重要公式，它給出了在給定信噪比和帶寬條件下，信道能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?。香農(nóng)公式的應(yīng)用為數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。模擬信號數(shù)字化傳輸03抽樣定理是模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)幕A(chǔ)，它指出在滿足一定條件下，一個連續(xù)時間信號可以完全由其離散時間樣本重建。抽樣定理的基本概念奈奎斯特抽樣定理給出了無失真地重建模擬信號所需的最小抽樣頻率，即抽樣頻率應(yīng)大于或等于模擬信號最高頻率的兩倍。奈奎斯特抽樣定理抽樣定理在數(shù)字通信、音頻和視頻處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如電話通信中的語音信號數(shù)字化、數(shù)字電視中的圖像信號數(shù)字化等。抽樣定理的應(yīng)用模擬信號抽樣定理均勻量化均勻量化是一種簡單的量化方法，它將模擬信號的幅度范圍均勻地劃分為若干個量化間隔，每個間隔對應(yīng)一個數(shù)字值。均勻量化具有實(shí)現(xiàn)簡單、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但在小信號時信噪比性能較差。非均勻量化非均勻量化是一種改進(jìn)的量化方法，它根據(jù)模擬信號的幅度概率分布特性來劃分量化間隔。非均勻量化可以提高小信號時的信噪比性能，但需要更復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)電路。自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化是一種動態(tài)調(diào)整量化間隔的方法，它根據(jù)輸入信號的統(tǒng)計特性或誤差反饋來實(shí)時調(diào)整量化間隔。自適應(yīng)量化可以進(jìn)一步提高信噪比性能，但需要更復(fù)雜的算法和實(shí)現(xiàn)電路。模擬信號量化方法PCM基本原理：脈沖編碼調(diào)制（PCM）是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方法，它包括抽樣、量化和編碼三個基本步驟。PCM通過抽樣定理將連續(xù)時間模擬信號轉(zhuǎn)換為離散時間信號，然后通過量化將離散時間信號的幅度轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，最后通過編碼將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼流。PCM系統(tǒng)組成：PCM系統(tǒng)主要由輸入濾波器、抽樣器、量化器、編碼器和輸出濾波器等組成。輸入濾波器用于限制模擬信號的帶寬，避免抽樣時產(chǎn)生混疊失真；抽樣器按照抽樣定理對模擬信號進(jìn)行抽樣；量化器將抽樣后的離散時間信號進(jìn)行幅度量化；編碼器將量化后的數(shù)字值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼流；輸出濾波器用于平滑二進(jìn)制碼流中的高頻分量，以便于傳輸和存儲。PCM性能指標(biāo)：評價PCM系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)包括信噪比（SNR）、動態(tài)范圍（DR）和編碼效率等。信噪比反映了PCM系統(tǒng)重建模擬信號的精度；動態(tài)范圍表示PCM系統(tǒng)能夠處理的模擬信號的最大幅度與最小幅度之比；編碼效率則反映了PCM系統(tǒng)對數(shù)字資源的利用效率。脈沖編碼調(diào)制（PCM）原理數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)0403帶寬概念數(shù)字基帶信號的帶寬通常定義為信號功率譜密度下降到最大值一半時的頻率范圍。01數(shù)字基帶信號的定義數(shù)字基帶信號是由數(shù)字信息直接控制的信號，通常表現(xiàn)為矩形脈沖序列。02頻譜特性數(shù)字基帶信號的頻譜具有離散性和周期性，其頻譜形狀與信號的碼元速率、脈沖形狀以及調(diào)制方式有關(guān)。數(shù)字基帶信號及其頻譜特性基帶傳輸常用碼型歸零碼（RZ碼）在每個碼元周期內(nèi)，信號電平會回歸到零電平，具有自同步能力。非歸零碼（NRZ碼）信號電平在碼元周期內(nèi)保持不變，需要外部同步信號。曼徹斯特碼（Manchester碼）在每個碼元周期的中間時刻發(fā)生跳變，具有自同步能力和良好的抗干擾性能。差分曼徹斯特碼（Differential…在每個碼元周期的起始時刻發(fā)生跳變，同樣具有自同步能力和良好的抗干擾性能。眼圖概念01眼圖是一種用于觀察和分析數(shù)字基帶信號傳輸性能的時域圖形表示方法。通過疊加多個碼元周期的波形，可以形成一個類似“眼睛”的圖形。眼圖參數(shù)02眼圖的參數(shù)包括眼睛張開度、眼睛高度、眼睛寬度和交叉點(diǎn)位置等，這些參數(shù)反映了信號的傳輸性能。傳輸性能分析03通過觀察眼圖，可以評估數(shù)字基帶信號的傳輸質(zhì)量，如定時誤差、幅度失真、噪聲干擾等。同時，眼圖還可以用于調(diào)整和優(yōu)化傳輸系統(tǒng)參數(shù)，以提高傳輸性能。眼圖及傳輸性能分析數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)05123通過改變載波的振幅來表示二進(jìn)制數(shù)字信號，如2ASK、4ASK等。振幅鍵控（ASK）通過改變載波的頻率來表示二進(jìn)制數(shù)字信號，如2FSK、4FSK等。頻移鍵控（FSK）通過改變載波的相位來表示二進(jìn)制數(shù)字信號，如BPSK、QPSK等。相移鍵控（PSK）二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理多進(jìn)制振幅調(diào)制（MASK）通過改變載波的振幅來表示多進(jìn)制數(shù)字信號，提高了頻帶利用率。多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）通過改變載波的頻率來表示多進(jìn)制數(shù)字信號，具有較好的抗干擾性能。多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）通過改變載波的相位來表示多進(jìn)制數(shù)字信號，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理030201新型數(shù)字調(diào)制技術(shù)簡介結(jié)合ASK和PSK的原理，通過同時改變載波的振幅和相位來表示數(shù)字信號，提高了頻帶利用率和抗干擾性能。正交頻分復(fù)用（OFDM）將高速數(shù)據(jù)流分成多個低速子數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制到多個正交子載波上進(jìn)行傳輸，具有高頻譜利用率和抗多徑干擾能力。擴(kuò)頻通信通過擴(kuò)展信號的頻譜寬度來提高抗干擾能力和保密性，常見的擴(kuò)頻通信方式有直接序列擴(kuò)頻（DS-SS）和跳頻擴(kuò)頻（FH-SS）等。正交幅度調(diào)制（QAM）同步原理與技術(shù)06鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)本地振蕩器頻率和相位的自動調(diào)整，使其與接收信號保持一致。插入導(dǎo)頻法在發(fā)送端插入一個已知頻率和相位的導(dǎo)頻信號，接收端通過提取導(dǎo)頻信號實(shí)現(xiàn)載波同步。載波提取方法通過接收信號中提取載波頻率和相位信息，實(shí)現(xiàn)本地振蕩器與接收信號的同步。載波同步技術(shù)通過在每個字符前后添加起始位和停止位，實(shí)現(xiàn)接收端對字符的同步接收。起止式同步法在發(fā)送端連續(xù)發(fā)送一串固定頻率的同步信號，接收端通過檢測該同步信號實(shí)現(xiàn)位同步。連貫式插入法利用數(shù)字信號處理技術(shù)對接收信號進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)位同步。自適應(yīng)位同步法位同步技術(shù)連貫式插入法在數(shù)據(jù)塊中連續(xù)插入多個同步碼元，接收端通過檢測同步碼元實(shí)現(xiàn)群同步。循環(huán)冗余檢驗(yàn)（CRC）法在發(fā)送端對數(shù)據(jù)塊添加CRC校驗(yàn)碼，接收端通過校驗(yàn)CRC碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊的正確接收和群同步。起止式群同步法通過在數(shù)據(jù)塊前后添加起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊的群同步。群同步技術(shù)差錯控制編碼07差錯控制編碼是一種在數(shù)字通信中用于提高傳輸可靠性的技術(shù)。通過在發(fā)送端對信息進(jìn)行特定的編碼處理，以及在接收端進(jìn)行相應(yīng)的解碼和錯誤檢測與糾正，可以有效地減少或消除傳輸過程中可能出現(xiàn)的誤碼，從而提高通信系統(tǒng)的性能。差錯控制編碼的基本概念差錯控制編碼的基本原理是在發(fā)送端對原始信息進(jìn)行冗余度的增加，即添加一些與原始信息相關(guān)的冗余比特。這些冗余比特在接收端被用來檢測和糾正傳輸過程中可能出現(xiàn)的錯誤。通過合理地設(shè)計編碼方案，可以使得在接收端能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信息，即使傳輸過程中發(fā)生了一定數(shù)量的誤碼。差錯控制編碼的原理差錯控制編碼基本概念和原理線性分組碼構(gòu)造方法線性分組碼是一種將信息序列劃分為等長的組，并對每組信息進(jìn)行線性變換得到相應(yīng)監(jiān)督序列的編碼方法。其構(gòu)造方法主要包括確定碼長、信息位長度、監(jiān)督位長度以及生成矩陣和校驗(yàn)矩陣等參數(shù)，然后通過一定的編碼規(guī)則將信息序列轉(zhuǎn)換為碼字序列。循環(huán)碼構(gòu)造方法循環(huán)碼是一種具有循環(huán)特性的線性分組碼，其構(gòu)造方法主要基于多項(xiàng)式運(yùn)算。循環(huán)碼的編碼過程可以通過將信息多項(xiàng)式與生成多項(xiàng)式進(jìn)行模2除法運(yùn)算得到相應(yīng)的碼字多項(xiàng)式，然后將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制序列進(jìn)行傳輸。在接收端，通過同樣的多項(xiàng)式運(yùn)算進(jìn)行解碼和錯誤檢測與糾正。線性分組碼和循環(huán)碼構(gòu)造方法卷積碼是一種連續(xù)處理的編碼方式，其編碼過程不僅與當(dāng)前輸入的信息比特有關(guān)，還與之前若干個輸入比特有關(guān)。卷積碼的構(gòu)造方法主要包括確定約束長度、生成多項(xiàng)式以及編碼規(guī)則等參數(shù)，然后通過一定的編碼電路或算法實(shí)現(xiàn)卷積編碼過程。在接收端，通過相應(yīng)的解碼算法進(jìn)行解碼和錯誤糾正。卷積碼構(gòu)造方法Turbo碼是一種采用迭代解碼思想的糾錯編碼技術(shù)，具有接近香農(nóng)極限的性能。其構(gòu)造方法主要包括并行級聯(lián)卷積碼編碼器、交織器以及迭代解碼器等部分。在發(fā)送端，原始信息經(jīng)過兩個或多個并行的卷積編碼器進(jìn)行編碼，并通過交織器進(jìn)行交織處理以增加碼字的隨機(jī)性。在接收端，通過迭代解碼器進(jìn)行多次迭代解碼，逐步逼近最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性的通信傳輸。Turbo碼構(gòu)造方法卷積碼和Turbo碼構(gòu)造方法現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展動態(tài)08采用更高速率的調(diào)制格式、復(fù)用技術(shù)和先進(jìn)的光纖類型，實(shí)現(xiàn)Tbit/s級別傳輸。高速大容量傳輸技術(shù)構(gòu)建全光交換和全光路由的光網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性和可擴(kuò)展性。全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）和時分復(fù)用（TDM）PON等光接入技術(shù)，提升寬帶接入能力和用戶體驗(yàn)。光接入網(wǎng)技術(shù)光纖通信技術(shù)發(fā)展動態(tài)高通量衛(wèi)星通信技術(shù)采用高頻段、多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用等技術(shù)，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量和傳輸速率。衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)利用衛(wèi)星