数字通信原理与技术

第1章绪论,1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信技术发展概况1.4数字通信系统的主要性能指标1.5数字通信的主要技术问题,1.1通信的基本概念,1.1.1通信的定义,通信从本质上讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有存储、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。,1.1.2通信的分类,1.按传输媒质分按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。所谓有线通信，是指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。导线可以是架空明线、电缆、光缆及波导等。所谓无线通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质(如电磁波)的一种通信形式。通常，有线通信亦可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信等，其形式较多。,2.按信道中所传信号的不同分信道是个抽象的概念。这里我们可理解成传输信号的通路，在第2章里将详细介绍。通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号，由此通信亦可分为数字通信和模拟通信。凡信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等)可以取无限多个数值，且直接与消息相对应的，称为模拟信号。,3.按工作频段分,表1-1通信使用的频段及主要用途,续表,通信中工作频率和工作波长可互换，公式为,式中，为工作波长；f为工作频率；C为电波在自由空间中的传播速度，通常认为C=3108m/s。,4.按调制方式分根据消息在送到信道之前是否采用调制，通信可分为基带传输和频带传输。所谓基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式，而频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，收端有相应解调措施的通信系统。,5.按业务的不同分目前通信业务可分为电报、电话、传真、数据传输、可视电话、无线寻呼等。另外从广义的角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴，因为它们都满足通信的定义。由于广播、电视、雷达、导航等的不断发展，目前它们已从通信中派生出来，形成了独立的学科。,6.按收信者是否运动分通信还可按收信者是否运动分为移动通信和固定通信。移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换。由于移动通信具有建网快、投资少、机动灵活，它使用户能随时随地快速可靠地进行信息传递，因此，移动通信已被列为现代通信中的三大新兴通信方式之一。另外，通信还有其它一些分类方法，如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。,1.1.3通信方式,1.按消息传送的方向与时间分,图1-1按消息传送的方向和时间划分的通信方式(a)单工方式；(b)半双工方式；(c)全双工方式,2.按数字信号排序分,图1-2按数字信号排序划分的通信方式(a)串序传输方式；(b)并序传输方式,3.按通信网络形式分,图1-3按网络形式划分的通信方式(a)两点间直通方式；(b)分支方式；(c)交换方式,1.2通信系统的组成,图1-4通信系统的模型,1.2.1模拟通信系统,图1-5模拟通信系统模型,1.2.2数字通信系统,1.数字频带传输通信系统,图1-6数字频带传输通信系统模型,2.数字基带传输通信系统,图1-7数字基带传输通信系统模型,3.模拟信号数字化传输通信系统,图1-8模拟信号数字化传输通信系统模型,1.2.3数字通信的主要优缺点,1.数字通信的主要优点抗干扰、抗噪声性能好。(2)差错可控。(3)易加密。(4)易于与现代技术相结合。,2.数字通信的缺点,(1)频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路数字电话一般要占据约2060kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4kHz带宽。如果系统传输带宽一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的515倍。(2)需要严格的同步系统。数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求收端和发端保持严格同步。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。,3.克服数字通信不足的办法由于数字信号占用的频带宽，而使数字通信的频带利用率低。系统的频带利用率，可用系统允许最大传输带宽(信道的带宽)与每路信号的有效带宽之比来表征，即,式中，BW为系统允许最大频带宽度；Bi为每路信号的频带宽度；n为系统在其带宽内最多能容纳(传输)的话路数。n值大，说明系统利用率高。,1.3通信技术发展概况,1.3.1通信发展简史,表1-2通信重大事件表,表1-2通信重大事件表,1.3.2通信技术的现状和发展趋势,1.光纤通信光纤通信具有容量大、成本低等优点，且不怕电磁干扰，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。因此，自1977年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来，光纤通信发展极为迅速，新器件、新工艺、新技术不断涌现，性能日臻完善。由于长波长激光器和单模光纤的出现，使每芯光纤通话路数可高达百万路，中继距离将达到100km，市话中继光纤成本也连续大幅度下降。我国近几年来光纤通信已得到了快速发展，目前光缆长度累计近几十万km。我国已不再敷设同轴电缆，新的工程将全部采用光纤通信新技术。,2.卫星通信卫星通信的特点是通信距离远，覆盖面积广，不受地理条件限制，可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。自1960年第一颗卫星发射成功以来，卫星通信发展特别迅猛。目前，卫星通信的使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路。卫星通信的广泛应用，使国际间重大活动能及时得以实况转播，它使全世界人与人之间的“距离”缩短。,3.移动通信移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，它是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同步发展起来的。近10年来，在微电子技术和计算机技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线、无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，甚至全球范围的通信系统。移动通信的发展方向是数字化、微型化和标准化。20世纪90年代将是蜂窝电话迅速普及的年代。但目前世界上存在八种不同的技术体制，互不兼容，因此标准化成为当务之急。数字化的关键是调制、纠错编码和话音编码方式的确定。微型化的目标是研制重量非常轻的个人携带的手机。,4.微波中继通信微波中继通信始于20世纪60年代，它较一般电缆通信具有易架设，建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一，主要用来传输长途电话和电视节目，其调制主要采用SSB/FM/FDM等方式。微波中继通信的主要发展方向是数字微波，同时要不断增加系统容量，增加容量的途径是向多电平调制技术发展。目前采用的调制方式有16QAM和64QAM，并已出现256QAM、1024QAM等超多电平调制的方式。采用多电平调制，在40MHz的标准频道间隔内，可传送1920至7680路PCM数字电话。,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。指通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题。(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。指系统的成本问题。(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)维修性。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信息及其量度,(1)消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数，即,(2)消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小。且,(3)若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即,可以看出I与P(x)间应满足以上三点，则它们有如下关系式：,信息量I的单位与对数的底数a有关：a=2单位为比特(bit，简写为b)；a=e单位为奈特(nat，简写为n)；a=10单位为笛特(Det)或称为十进制单位；a=r单位称为r进制单位。通常使用的单位为比特。,例1-1试计算二进制符号等概率和多进制(M进制)等概率时每个符号的信息量。,例1-2试计算二进制符号不等概率时的信息量(设P(1)=P)。,例1-3设由5个符号组成的信息源，相应概率为,例1-4一信息源由4个符号A、B、C、D组成，它们出现的概率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求信息源输出为CABACABDACBDAABCAD-CBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。解信源输出的信息序列中，A出现23次，B出现14次，C出现13次，D出现7次，共有57个。,该信息源总的信息量为,1.4.3有效性指标的具体表述,1.码元传输速率码元传输速率通常又可称为码元速率、数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率，用符号RB来表示。码元速率是指单位时间(每秒钟)内传输码元的数目，单位为波特(Baud)，常用符号“B”表示(注意，不能用小写)。例如，某系统在2秒内共传送4800个码元，则系统的传码率为2400B。数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率RB与信号的进制数无关，只与码元宽度Tb有关。,通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制，多进制(N)码元速率RBN与二进制码元速率RB2之间，在保证系统信息速率不变的情况下，相互可转换，转换关系式为,2.信息传输速率信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。信息传输速率用符号Rb表示。Rb是指单位时间(每秒钟)内传送的信息量。单位为比特/秒(bit/s)，简记为b/s或bps。例如，若某信源在1秒钟内传送1200个符号，且每一个符号的平均信息量为1(bit)，则该信源的Rb=1200b/s或1200bps。因为信息量与信号进制数N有关，因此，Rb也与N有关。,3.消息传输速率消息传输速率亦称消息速率，它被定义为单位时间(每秒钟)内传输的消息数，用Rm表示。因消息的衡量单位不同，有各种不同的含义。例如，当消息的单位是汉字时，则Rm的单位为字/秒。消息速率在实际中应用不多。,4.Rb与RB之间的互换在二进制中，码元速率RB2同信息速率Rb2的关系在数值上相等，但单位不同。在多进制中，RBN与RbN之间数值不同，单位亦不同。它们之间在数值上有如下关系式,在码元速率保持不变条件下，二进制信息速率Rb2与多进制信息速率RbN之间的关系为,例1-5已知二进制数字信号在2min内共传送了72000个码元，(1)问其码元速率和信息速率各为多少?(2)如果码元宽度不变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号，则其码元速率为多少?信息速率又为多少?解(1)在260s内传送了72000个码元RB2=72000/(260)=600(B)Rb2=RB2=600(b/s)(2)若改为8进制则RB8=72000/(260)=600(B)Rb8=RB8log28=1800(b/s),1.4.4可靠性指标的具体表述,1.码元差错率Pe码元差错率Pe简称误码率，它是指接收错误的码元数在传送总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率。用表达式可表示成,2.信息差错率Peb信息差错率Peb简称误信率，或误比特率，它是指接收错误的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。用表达式可表示成,例1-6已知某八进制数字通信系统的信息速率为12000b/s，在收端半小时内共测得出现了216个错误码元，试求系统的误码率。,解,1.5数字通信的主要技术问题,1.5.1数字调制/解调调制与解调是数字通信系统的核心，是最基本的也是最重要的技术之一。调制的作用是将输入的数字信号(基带数字信号)变换为适合于信道传输的频带信号。常见的基本数字调制方式有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、相对(差分)相移键控(DPSK)等四种。,1.5.2信源编码/译码信源编码的主要任务：第一是将模拟信号转换成数字信号(即模拟信号数字化问题)，第二是实现数据压缩(数据压缩已超出我们的大纲范围)。第3章将主要讨论模拟信号数字化问题。从实现方法上看，模拟信号数字化主要有两种基本形式，一是脉冲编码调制(PCM)，另一种是增量调制(M)。在第3章中不仅要讨论其编码/译码的基本组成及实现方法，而且要介绍一些其它改进型的实现方法以及目前出现的PCM芯片和M编译码芯片的实际知识。,1.5.3纠错编码/译码纠错编码/译码又称差错控制编码/译码，属信道编码之范畴。信道编码技术主要研究检错、纠错码概念及基本实现方法。编码器是根据输入的信息码元产生相应的监督码元来实现对差错进行控制的，而译码器主要是进行检错与纠错的。,1.5.4基带传输基带传输和频带传输是通信系统中信号传送的两种基本方式。基带传输系统涉及一系列技术问题，如信号类型(传输码型)、码间串扰，实现无串扰传输的理想条件及如何具体克服和减少码间串扰的措施等。,1.5.5同步同步是数字通信系统的基本组成部分。数字通信离不开同步，同步系统性能的好坏，直接影响着通信系统性能的优劣。所谓同步就是要使系统的收发两端在时间上保持步调一致。同步的主要内容有载波同