电子信息技术导论-第1章

1、清华大学出版社清华大学出版社第第1 1章章 数字技术数字技术1.1 引言 自从盘古开天地、天翻地覆到如今。20世纪后期，我们已经进入了信息时代、数字时代、网络时代、无线时代。在21世纪，我们每天都需要与信息打交道：获取信息、接收信息、传递信息、存储信息、处理信息和利用信息等等。第第1章章 数字技术数字技术1.1.1 信息的概念信息的概念 信息的起源 早在中华民族辉煌的周、秦、汉、隋、唐的历史时期，人们对信息的表达和处理等问题进行了许多研究。比如：西周的周幽王烽火戏诸侯，四大发明中的造纸术和印刷术的发明等，都是传递和存储信息的过程。 20世纪后半个世纪以来，随着计算机技术、微电子技术、传感器技术

2、、新材料技术、多媒体技术、航空航天技术，特别是以计算机为主体的互联网技术的发展，人类进入了信息时代。第第1 1章章 数字技术数字技术 信息的含义信息的含义信息是一个很抽象、很复杂的概念，它最早出现于通信领域。信息是人们对客观存在的一切事物的反映，是通过载体所发出的消息、情报、指令、数据及信号中所包含的一切可传递、可交换的知识内容。实际上，在通信系统中，比如：广播、电视、导航等系统中，传输的就是各种各样的信息。而在不同的系统中，所传输的信息有着不同的表现形式。第第1 1章章 数字技术数字技术3. 3. 信息与消息的关系信息与消息的关系消息中包含了信息，消息是信息的载体，信息是消息的内在形式。人们

3、是通过得到消息来获得信息的。信息和消息的关系具有以下特点：（1）同一个信息可以用不同的消息来表述。（2）同一则消息也可以载荷不同的信息，它可能包含非常丰富的信息，也可能包含很少的信息，甚至不包含信息。（3）消息与信息是既有联系又有区别的。第第1 1章章 数字技术数字技术4. 信息与信号的关系信息与信号的关系 信息也不等同于信号。在各种实际的通信系统中，为了对消息进行正常的传输和处理，往往要对消息作一些变换，把它们变成适合信道传输的物理量，这些物理量一般称之为信号，比如光信号、电信号等等。 信号中携带着消息，它是消息的运载工具。第第1 1章章 数字技术数字技术图1.1通信系统的一般模型手机系统是

4、一种无线移动通信系统。最简单的通信系统模型，如图1.1所示。第第1 1章章 数字技术数字技术 在这个通信过程中，要经过一些变换。在发射信号时，需要以下变换：（1）编码：需要把对应的短信的汉字，变换成数字信号。在手机中经常使用的是：信源编码、信道编码、加密编码。（2）调制：因为手机信号的传输信道是无线信道，所以，需要经过调制，把原来的数字信号变成射频调制电信号，以便在信道中传输。在接收信号时，需要以下反变换：（1）解调：在手机中通过调制的反变换解调，可以把接收到的射频调制电信号，恢复成数字信号。（2）解码：通过编码的反变换解码，包括：解密解码、信道解码、信源解码，可以把数字信号恢复为发送端传输的

5、汉字。 第第1 1章章 数字技术数字技术第第1 1章章 数字技术数字技术信息与信号的关系为：（1）信号中携带信息，但它本身并不是信息。（2）同一信息可以用不同的信号形式来表示。（3）同一信号也可以表示不同的信息。 所以，信息、消息和信号是既有区别又有联系的三个不同的概念。 第第1 1章章 数字技术数字技术 信息的定义1948年，信息论之父-香农，发表了著名的论文通信的数学理论，奠定了信息理论的基础。他指出：信息是对事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。可能出现三种结果：（1）如果原来的不确定性，被全部消除了，那么，就获得了全部的信息。（2）如果原来的不确定性，被部分消除了，那么，就获得了部分

6、信息。（3）如果原来的不确定性，没有消除，那么，就没有获得任何信息。第第1 1章章 数字技术数字技术 信息的特征信息具有很多特征，主要体现在以下几个方面：（1）社会性。（2）传递性。（3）共享性。（4）不灭性。（5）时效性。（6）能动性。（7）客观性。第第1 1章章 数字技术数字技术1.1.2 数字技术的起源1. 信号的分类（1）连续时间信号：信号的幅值可以是连续的、也可以是离散的，则这种信号称为连续时间信号。（2）模拟信号：是连续时间信号的一种特例，如果时间是连续的，幅值也是连续的，则这种信号称为模拟信号。（3）离散时间信号：如果时间是离散的，幅值是连续的，则这种信号称为离散时间信号，或称为

7、序列。（4）数字信号：如果时间是离散的，幅值是量化的，则这种信号称为数字信号。第第1 1章章 数字技术数字技术 系统的分类处理信号的物理设备称为系统,可以分为以下几类：（1）模拟系统：如果系统处理的是模拟信号，输入与输出都是连续时间、连续幅值信号，则该系统称为模拟系统。（2）连续时间系统：如果系统处理的是连续时间信号，输入与输出都是连续时间信号，则该系统称为连续时间系统。（3）离散时间系统：如果系统处理的是离散时间信号，输入与输出都是离散时间信号，则该系统称为离散时间系统。（4）数字系统：如果系统处理的是数字信号，输入与输出都是数字信号，则该系统称为数字系统。第第1 1章章 数字技术数字技术

8、模拟信号的误差积累 第一个人给第二个人说一句话，第二个人再传给第三个人，以此类推，传到最后一个人时，原来的那句话，常常会发生了很多改变。这是因为：（1）语言是模拟信号，在每一次传输过程中，都有可能发生误差，引起所传输话语的部分改变。（2）模拟信号有误差积累效应，在每一次传输过程中，误差不断积累，直至最后，整句话可能发生了很多改变。这就是模拟信号的误差积累。第第1 1章章 数字技术数字技术 数字信号的纠错能力比如要传送10101100111000的数字信号。（1）同样的传输条件，数字信号也可能发生误差，引起某 一次传输结果的差错。比如：11101100111000。（2）数字信号可以采用纠错编码

9、，系统会自动检测出错误，知道第二位出现了误码，然后，自动纠错，改正为：10101100111000，再继续往后传送。（3）这样，经过N次传送，最后的误码只相当一次传送。这就是数字信号的纠错能力。第第1 1章章 数字技术数字技术 综合业务数字网对于模拟信号来说，不同的信号形式，比如：语音、文字、图象、视频，需要不同的处理系统。如果把各种模拟信号，统统转换成数字信号，就可以使用同一个系统来处理了，这就是综合业务数字网的初衷。因此，数字技术得到了普遍使用，我们已经进入数字时代。第第1 1章章 数字技术数字技术 模拟信号的数字化处理（1）首先，把模拟信号变换为数字信号。（2）然后，用数字技术进行处理。

10、（3）最后，再还原成模拟信号 。模拟信号的数字化处理系统的方框图如图1.2所示。第第1 1章章 数字技术数字技术模拟信号的数字化处理步骤如下：（1）经过模数（A/D）变换器变换后，模拟信号变成了数字信号。（2）数字信号处理器，将数字信号处理成数字信号。（3）再经过数模（D/A）变换器，把数字信号变换成模拟信号。第第1 1章章 数字技术数字技术1.2 数字技术的主要优点 1.2.1 数字信号处理的优点（1）灵活性高。（2）利用率高。（3）精度高。（4）可靠性高。（5）易于大规模集成。（6）性能指标高。 由于数字信号处理的突出优点，使得它在通信、雷达、遥感、电视、语音处理、地震预报、生物医学等许多

11、领域得到广泛的应用。第第1 1章章 数字技术数字技术1.2.2 数字通信系统的优点 (1) 频谱利用率高，有利于提高系统容量。(2) 能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。 (3) 抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。 (4) 能实现更有效、灵活的网络管理和控制。(5) 便于实现通信的安全保密。(6) 可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量。 第第1 1章章 数字技术数字技术1.3 模数变换1.3.1 模数变换的概念 自然界的许多信息都是模拟量，若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：（1） 把模拟信号数字化，模数（A/D）变换。（2） 进行数字方式传输。（3） 把数字信号还

12、原为模拟信号，数模（D/A）变换。 第第1 1章章 数字技术数字技术1.3.2 模拟信号数字化方法的分类 模拟信号数字化的方法大致可分为两类：（1）波形编码。 波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列。（2）参量编码。 参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量， 再变换成数字代码。 采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如图1.3所示。第第1 1章章 数字技术数字技术 对模拟信息源发出的模拟信号进行抽样，使其成为一系列离散的抽样值，然后将这些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。 第第1 1章章 数字技术数字技术1.3.3 抽样1. 抽样的概念 抽样：把在时间上连续的模拟信号，变成一

13、系列时间上离散的抽样值的过程。这是模数变换的第一步。 2. 抽样定理 如果对一个频带有限的、时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。 因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据 第第1 1章章 数字技术数字技术 抽样的分类（1）根据抽样信号的通带类型，可以分为：低通抽样、带通抽样。（2）根据用来抽样的脉冲序列的间隔不同，可以分为：均匀抽样、非均匀抽样。（3）根据抽样的脉冲序列的类型不同，又可分：理想抽样、实际抽样。第第1 1章章 数字技术数字技术 模拟信号的抽样过程模拟信号的抽样过程如图1.4所示。其中，（a）为模拟信号，（c）为周期性单位冲激脉冲，模

14、拟信号与冲激脉冲相乘，得到抽样信号（e） 。奈奎斯特速率最低抽样速率。恢复原信号的条件：抽样频率应不小于信号的最高频率的两倍。第第1 1章章 数字技术数字技术m(t)tM()OHHT (t)tT ()T2tms(t)OMs()HHT2(a)(b)(c)(d)(e)(f )图1.4 模拟信号的抽样过程 第第1 1章章 数字技术数字技术 如果抽样频率满足奈奎斯特条件，那么，就不会出现图1.5所示的频谱重叠混叠。OMs()T2图1.5 频谱重叠第第1 1章章 数字技术数字技术1.3.4 1.3.4 脉冲调制脉冲调制 脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带信号m(t)去控制脉冲串的某个参

15、数， 使其按m(t)的规律变化的调制方式。1. 脉冲调制的分类（1）脉冲振幅调制(PAM)。（2）脉冲宽度调制(PDM)。（3）脉冲相位调制(PPM)。 这三种脉冲调制的波形如图 1.6 所示。 第第1 1章章 数字技术数字技术x(t)Ot假设信号波形OtPAM 波形脉冲高度在变化tPDM 波形脉冲位置不变宽度变化OO脉冲宽变不变脉冲位置在变化tPPM 波形图1.6 三种不同的脉冲调制第第1 1章章 数字技术数字技术 脉冲编码调制 脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制，它是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。 脉冲编码调制是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式

16、， 其系统原理框图如图 1.7 所示。第第1 1章章 数字技术数字技术图1.7 脉冲编码调制系统原理第第1 1章章 数字技术数字技术 首先，在发送端进行波形编码(主要包括抽样、量化和编码三个过程)，把模拟信号变换为二进制码组。 编码后的PCM码组的数字传输方式可以是直接的基带传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调制传输。 在接收端，二进制码组经译码后还原为量化后的样值脉冲序列，然后经低通滤波器滤除高频分量，便可得到重建信号。 第第1 1章章 数字技术数字技术1.3.5 抽样信号的量化与编码1. 量化 利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。2. 编码 把量化后的信号电平

17、值变换成二进制码组的过程称为编码，其逆过程称为解码或译码。 模拟信号抽样以后，变成了时间离散的信号，但还是模拟信号。如图1.8所示，这个抽样信号必须经过量化和编码，才能变成数字信号。第第1 1章章 数字技术数字技术753102.224.385.242.91M 8量化电平数Tst2.224.385.242.912453精确抽样值量化值PCM码组O010100101011ttO单极性传输码双极性传输码时隙图1.8 抽样信号的量化与编码第第1 1章章 数字技术数字技术1.4 移动通信1.4.1 数字通信系统模型信源编码加密信道编码信 道信道译码解密信源译码信宿密钥源噪 声密钥源信源图1.9 数字通信

18、系统模型 第第1 1章章 数字技术数字技术 发送方 信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。第第1 1章章 数字技术数字技术 编码器可分信源编码器、信道编码器、保密编码器三种。 信源编码是对信源输出的消息进行适当的变换和处理，提高信息传输的效率，使传输更为经济、有效。 信道编码是为了提高信息传输的可靠性，对消息进行的变换和处理，即纠错编码。 保密编码是为保证信息的安全性。第第1 1章章 数字技术数字技术 信道信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以

19、是大气， 在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。噪声源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声 接收方 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号。信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。第第1 1章章 数字技术数字技术第第1 1章章 数字技术数字技术1.4.2 信源编码的分类数字通信系统的主要性能指标为：（1）有效性；（2）可靠性；（3）安全性。为了提高系统性能，可以采取以下编码方法：（1）信源编码，用以提高系

20、统的有效性；（2）信道编码，用以提高系统的可靠性；（3）加密编码，用以提高系统的安全性。第第1 1章章 数字技术数字技术1. 信源编码的方法 信源编码的主要目标，是压缩每个信源符号的平均比特数或信源的码率。利用某种变换，使得信号的传输效率提高。2. 信源编码的分类 根据信源的种类不同，信源编码可分为经典编码方法和现代编码方法两大类。第第1 1章章 数字技术数字技术 信息熵 决定信源编码性能的主要因素是信源的信息熵。信息熵是反映信源特性的主要参数。 简单来说，信源的信息熵，是指对该信源进行无损压缩时，信源编码器输出码率最小值。 无论采用何种方法进行无损数据压缩，每个符号输出码流的平均长度总是不小

21、于信息熵。第第1 1章章 数字技术数字技术1.4.3 数据压缩1、无失真信源编码无失真信源编码的作用如下：（1）符号变换：使信源的输出符号与信道的输入符号相匹配；（2）冗余度压缩：使编码之后的新信源概率分布均匀化，信息含量效率等于或接近于100%。第第1 1章章 数字技术数字技术2、数据压缩的概念 随着多媒体技术的出现和发展，计算机应用不再局限于数值计算、文字处理的范畴，而是面临数值、文字、图形、图像、视频、音频等多种媒体元素，并且要将他们数字化、存储、传输，其数据量很大。 近年来，虽然宽带传输介质和大容量存储媒体有了较快发展，但仍比不上媒体信息容量的增长。因此，只有对数据进行压缩，通过数据压

22、缩技术来降低数据量，减轻对存储、传输介质的要求。3、数据压缩的可能性 音频信号和视频图像的数字化数据可以进行数据压缩编码是基于以下事实：（1）首先，各种媒体信息是有冗余的，数据压缩实际就是去除冗余的过程。（2）其次，人的听觉和视觉感知机理决定了我们可以在眼睛和耳朵觉察不出来的情况下适当删减某些数据。第第1 1章章 数字技术数字技术第第1 1章章 数字技术数字技术4、衡量数据压缩好坏的标准影响压缩性能的主要指标有：（1）压缩比（2）图像质量 （3）压缩与解压缩的速度（4）执行的硬件与软件 第第1 1章章 数字技术数字技术5、数据压缩方法的分类（1）无损压缩 解压缩后得到的数据与原始数据严格相同，

23、代表性的算法包括：游程编码，Huffman编码，算术编码，LZ编码。（2）有损压缩 解压缩后得到的数据与原始数据有一定的误差，即压缩是有损或有失真的。有代表性的算法有：PCM、变换编码、子带编码、小波编码。第第1 1章章 数字技术数字技术6、常用多媒体信号压缩编码标准（1）静止图像压缩标准JPEG（ Joint Photographic Experts Group）（2）运动图像压缩标准MPEG（Moving Pictures Experts Group）MPEG标准包括：MPEG视频、MPEG音频和视频音频同步三部分。（3）视听、通信编解码标准H.261第第1 1章章 数字技术数字技术1.5

24、 信道编码1.5.1 概述 信道编码是提高数据传输可靠性、减少差错的有效方法。（1）定义 信道编码，通过加入校验位、即增加冗余实现纠错和检错能力。其追求的目标，是如何加入最少的冗余位、而获得最好的纠错能力。第第1 1章章 数字技术数字技术1.5.2 信道编码的分类1、根据功能不同，差错控制码可以分为两类：（1） 检错码。 （2） 纠错码。 2、根据对信息序列处理方法的不同，纠错码可以分为：（1）分组码。 （2）卷积码。 3、根据码元与原始信息之间的关系，纠错码可以分为：（1）线性码。 （2）非线性码。 4、根据适用差错的类型，纠错码可以分为：（1）纠随机错误码。 （2）纠突发错误码。第第1 1

25、章章 数字技术数字技术1.5.3 常用信道编码1、简单编码。2、奇偶监督码。3、恒比码。4、正反码。5、分组码 6、卷积码 第第1 1章章 数字技术数字技术5、分组码 分组码，就是对每个k位长的信息组，按照一定规则增加r=nk位校验码元，构成长度为n的序列(cn1，cn2，c1，c0)，该序列称为码字。 如果采用二进制码，则信息组共有2k种组合，经过编码后相应码字只有2k种，称这2k个码字集合为(n，k)分组码。 (n，k)分组码的码率为R=k/n。 码率是衡量分组码编码有效性的基本参数。 在纠错能力相同的情况下，码率越大，效率越高，增大码率有利于提高信息传输的效率。 第第1 1章章 数字技术

26、数字技术6、卷积码 卷积码(n0，k0，m)是对每段长度为k0的信息组，按照一定的规则增加r0=n0k0个校验元，构成长度为n0的码段，而r0个校验元不仅与当前本段的信息元有关，而且与前m段的信息元也有关，当信息元不断输入时，输出码序列为半无限长。 卷积码(n0，k0，m)的码率为R=k0/n0，与m无关。 在卷积码中，称n0(m+1)为编码约束码长，说明k0个信息从输入编码器到移出移寄存器时对编码输出影响的码元数。第第1 1章章 数字技术数字技术7、汉明距离 两个n重x，y之间对应码元取值不同的个数，称为这两个n重之间的汉明距离，用d(x、y)表示。 n重x中非零码元的个数称为汉明重量，简称

27、重量，用w(x)表示。 最小汉明距离是分组码的重要参数之一，表明了该分组码抗干扰能力的大小，与码字的检错、 纠错能力有关，d0越大，码的抗干扰能力越强，在相同的译码规则下，错误译码的概率越小。第第1 1章章 数字技术数字技术8、纠错能力(n，k)分组码的最小距离d0与纠错能力和检错能力之间有如下关系：任意(n，k)分组码，如果要在码字内 ：1) 检测e个随机错误，则要求码的最小距离满足d0e+1。2) 纠正t个随机错误，则要求d02t+1。3) 纠正t个随机错误，并且检测e(t)个错误，则要求d0e+t+1。4) 纠正t个随机错误和个删除，则d0e+1。 第第1 1章章 数字技术数字技术9 9

28、、一些特殊的线性分组码、一些特殊的线性分组码 （1 1）汉明码）汉明码 汉明码分为二进制和非二进制汉明码。 二进制汉明码的一些性质：对于给定的正整数m3，二进制汉明码的信息位数量、 码字长度与m之间满足下列关系:k=2mm1 n=2m1所以汉明码实际就是(2m1，2mm1)分组码。（2）高莱码 （3）循环码 （4）卷积码 卷积码的特点是信息进行编码时，信息组之间不是独立编码的，而是具有一定的相关性，系统译码时可以利用这种相关性进行译码。 卷积码编码时如同分组码一样，首先将信息序列划分为长度为k的组，当前时刻编码输出不仅取决于当前输入的信息组，而且与前若干时刻的信息组有关。 第第1 1章章 数字

29、技术数字技术第第1 1章章 数字技术数字技术1.6 加密编码1.6.1 概述 加密编码是为保证信息的安全性。为了保证被传送信息的安全和隐私，必须对信源的输出进行加密或隐藏,同时还要求信息传递过程中保证信息不被伪造和篡改。人们希望把重要信息通过某种变换转换成秘密形式的信息。转换方法可以分为两大类：（1）隐写术，隐蔽信息载体。（2）编码术，将载荷信息的信号进行各种变换使它们不为非授权者所理解。第第1 1章章 数字技术数字技术为了保证所传输信息的安全，通常采用以下方法：（1）认证业务：提供某种方法来证实某一声明是正确的。如：口令。（2）访问控制：控制非授权的访问。如：防火墙。 （3）保密业务：对未授

30、权者保护信息，如：数据加密。（4）数据完整性业务：对安全威胁所采取的一类防护措施。（5）不可否认业务：提供无可辩驳的证据来证明曾经发生过的交换。采用数字签名技术。 第第1 1章章 数字技术数字技术常见的不安全因素包括：（1）伪造：接收方伪造一份来自某一发送方的文件；（2）篡改：接收方篡改接收到的文件或其中的数据；（3）冒充：网络中任一用户冒充另一用户作为接收方或发送方；（4）否认：发送/接收方不承认曾发送/接收过某一文件。1.6.2 加密编码原理在加密编码中：真实数据称为明文M， 对真实数据施加变化的过程称为加密EK， 加密后输出的数据称为密文C ，从密文恢复出明文的过程称为解密DK，如图1.

31、12所示。图1.12 加密编码原理示意图第第1 1章章 数字技术数字技术第第1 1章章 数字技术数字技术例：明文1010110， 密钥1010101，采用模2相加，求：密文。解：明文1010110密钥1010101密文0000011密钥1010101明文1010110完成加密和解密的算法称为密码体制。变换过程中使用的参数叫密钥K。第第1 1章章 数字技术数字技术加密时使用的密钥与解密时使用的密钥分为：（1）可以相同（单密钥）。（2）也可以不同（双密钥）。 对称（单密钥）体制：加密密钥和解密密钥相同或者很容易相互推导出。非对称（双密钥）密码体制：加密密钥和解密密钥中至少有一个在计算上不可能被另一个导出。第第1 1章章 数字技术数字技