数字通信原理课件 第1章 绪论.ppt

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 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 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 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 5 按通信业务分类 按通信业务分 通信系统有话务通信和非话务通信 非话务通信主要是分组数据业务 计算机通信 数据库检索 电子信箱 电子数据交换 传真存储转发 可视图文及会议电视 图像通信等 6 按信号复用方式分类 常见传输多路信号有两种复用方式 即频分复用 时分复用 频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围 时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间 无论怎样划分通信系统 都只是在信号处理方式 传输方式或传输介质等外在特征上做文章 其通信的实质并没改变 即大量 快速 准确 广泛 方便 经济 安全地传送信息 因此 在分析 研究 设计 搭建和使用一个通信系统时 只要抓住这个实质 就不会被系统复杂的结构 先进的技术和生涩的技术术语所迷惑 其他分类方式 按多地址方式可分为频分多址通信 时分多址通信 码分多址通信等 按用户类型可分为公用通信和专用通信等 1 2通信系统的组成 通信系统模型 信息源 简称信源 把待传输的消息转换成原始电信号 如电话系统中的电话机 信源输出的信号成为基带信号 所谓基带信号是指没有经过调制 频率搬移 的原始信号 频率较低 基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号 发送设备 对基带信号进行某种变换和处理 使原始信号 基带信号 适应信道传输特性的要求 信道 信号传输的通路 分为有线和无线两大类 噪声源 叠加在信道中所有噪声以及分散在通信系统中其他各处噪声的集合 接收设备 将从收到的信号中恢复出相应的原始信号 受信者 信宿或收终端 将复原的原始信号转换成相应的消息 1 2 1模拟通信系统传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 模拟通信系统模型 模拟通信系统模型 两种变换 模拟消息 原始电信号 基带信号 基带信号 已调信号 带通信号 以语音信号为例来说明 发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息变成电信号 模拟信源 然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输 为了提高频带利用率 使多路信号同时在信道中传输 原始的电信号 基带信号 一般要进行调制才能传输到信道中去 调制是信号的一种变换 通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号 这一过程由调制器完成 经过调制后的信号称为已调信号 在收端 经解调器和逆变换器还原成语音信息 数字通信系统是传输数字信号的通信系 1 2 2数字通信系统 实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节 如在某些有线信道中 若传输距离不太远且通信容量不太大时 数字基带信号无需调制 可以直接传送 称之为数字信号的基带传输 其模型中就不包括调制与解调环节 数字通信系统模型 与频带传输系统相对应 我们把没有调制器 解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统 数字基带传输通信系统模型 图中基带信号形成器可能包括编码器 加密器以及波形变换等 接收滤波器亦可能包括译码器 解密器等 实际上 数字通信系统中可传送的消息可以是数字的 也可以是模拟的 当要实现模拟信号在数字系统中的传输时 则必须在发端将模拟信号数字化 即A D转换 在收端需进行相反的转换 即D A转换 模拟信号数字化传输通信系统模型 数字通信的基本特征 消息或信号是 离散 或 数字 的 强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系 数字通信具有以下特点 1 数字信号传输时 信道噪声或干扰所造成的差错 原则上是可以控制的 2 当需要实现保密通信时 可对数字基带信号进行加密 此时在接收端就必须进行解密 3 由于数字通信传输时按节拍传送数字信号 因而接收端必须有一个与发端相同的节拍 否则会因收发步调不一致而造成混乱 信源编码的作用 将模拟信号转换成数字信号 即模 数转换 模拟信号数字化传输的两种方式 脉冲编码调制 PCM 和增量调制 M 设法减少码元数目和减少冗余信息 即数据压缩 1 信源编码与译码 码元 数字通信中传输的一个接一个按节拍传送的数字信号单元 信源译码是信源编码的逆过程 数字通信涉及的技术问题很多 其中主要有信源编码 译码 信道编码 译码 数字调制 解调 数字复接 同步以及加密等 数字信号在信道传输时 由于噪声 衰落以及人为干扰等 将会引起差错 为了减少差错 信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分 监督元 组成所谓 抗干扰编码 接收端的信道译码器按一定规则进行解码 从解码过程中发现错误或纠正错误 从而提高通信系统抗干扰能力 实现可靠通信 2 信道编码与译码 在需要实现保密通信的场合 为了保证所传信息的安全 人为将被传输的数字序列扰乱 即加上密码 这种处理过程叫加密 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密 恢复原来信息 叫解密 3 加密与解密 4 数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处 形成适合在信道中传输的频带信号 S t Acos t S t Acos t 信源载波信号已调信号 同步是保证数字通信系统有序 准确 可靠工作的不可缺少的前提条件 同步是使收 发两端的信号在时间上保持步调一致 按照同步的功用不同 可分为载波同步 位同步 群同步和网同步 5 同步 模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输 数字信号也可以在模拟通信系统中传输 模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类 语音数字通信系统示意图 数字通信加密方法示意 1 3现代通信技术发展的概况 1 3 1通信发展简史1838年 莫尔斯发明有线电报通信1918年 调幅无线电广播 超外差接收机问世1925年 多路通信和载波电话问世1962年 开始了实用卫星通信的时代1970 1980 大规模集成电路 商用卫星通信 程控数字交换机 光纤通信 微处理机等迅速发展1980 1990 超大规模集成电路 移动通信 光纤通信广泛应用 综合业务数字网崛起1990 卫星通信 移动通信 光纤通信进一步飞速发展 高清晰彩色数字电视技术不断成熟 全球定位系统 GPS 得到广泛应用 根据各种通信技术在通信发展史上的地位 作用以及对人类社会的影响 我们对过去的100多年通信技术的发展历史进行了概括性的总结 认为有10项重大通信技术值得人们纪念 1 摩尔斯发明有线电报 有线电报开创了人类信息交流的新纪元 2 马克尼发明无线电报 无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域 3 载波通信 载波通信的出现 改变了一条线路只能传送一路电话的局面 使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能 4 电视 电视极大地改变了人们的生活 使传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像 5 电子计算机 计算机被公认为是20世纪最伟大的发明 它加快了各类科学技术的发展进程 6 集成电路 集成电路为各种电子设备提供了高速 微小 功能强大的 心 使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度 7 光纤通信 光导纤维的发明 使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质 8 卫星通信 卫星通信将人类带入了太空通信时代 9 蜂窝移动通信 蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有 方便快捷的通信手段 10 因特网 因特网的出现意味着信息时代的到来 使地球变成了一个没有距离的小村落 地球村 1 3 2通信技术的现状和发展趋势 数字化 大容量 远距离 高效率 多信源以及保密性 可靠性 智能化等已成为现代通信系统的主要特点 1 光纤通信2 微波中继通信3 卫星通信4 移动通信5 计算机通信网 1 4数字通信系统的主要性能指标 1 4 1一般通信系统的性能指标 1 有效性 指信道资源的利用率 即系统中单位频带传输消息的 速率 问题 2 可靠性 指通信系统传输消息的 质量 问题 即好坏问题 3 适应性 指通信系统使用时的环境条件 4 经济性 指分摊到每一个用户的成本 5 保密性 指系统对所传信号的加密措施 6 标准性 指系统的接口 各种结构及协议是否合乎国家 国际标准 7 维护性 指系统是否维修方便 8 工艺性 指通信系统各种工艺要求 1 4 2数字通信系统有效性指标的具体表述 1 码元传输效率 B Hz 码元传输速率RB 定义为单位时间 每秒 传送码元的数目 单位为波特 Baud 简记为B 式中T 码元的宽度多进制 N 码元速率RBN与二进制码元速率RB2之间转换关系式N应为2k k 2 3 4 信道频带 主要指系统频带 对系统而言是一种宝贵的资源 频带利用率反映了系统对频带资源的利用水平和有效程度 码元传输效率用单位频带内系统允许的最大传码率来衡量 即2 信息传输效率 bit Hz s 信息传输速率简称信息速率 用符号Rb表示 Rb是指单位时间 每秒钟 内传送的信息量 单位为bit s 比特 秒 简记为b s或bps 码元传输速率和信息传输速率具有不同的定义 不能混淆 两者之间有确定的关系 如果码元传输速率为RBNB 则对应的信息传输速率Rb为 同理 信息传输效率用单位频带内系统允许的最大传信率来衡量 即3 消息传输速率单位时间内从信源发出的消息数成为消息传输速率 又称消息率 用符号Rm表示 单位是比特 秒 bit s 消息传输速率与信息传输速率的关系是式中 是传输效率 传输效率总是小于1的 1 4 3数字通信系统可靠性指标的具体表述 1 码元差错率码元差错率用符号