《数字通信》课件第1章

1.1数字通信系统的基本概念和模型1.2数字通信系统的主要性能指标1.3数字通信的特点1.1.1通信及通信系统的构成

1.通信系统的概念和基本模型

通信(Communication)是两地之间信息的传输和交换,而通信系统就是实现信息传输所需的设备和传输媒质所构成的总体。

以点对点通信为例,通信系统的基本模型如图1.1所示。1.1数字通信系统的基本概念和模型图1.1通信系统的基本模型通信系统基本模型中各部分功能如下：

(1)信源。

(2)发送设备。

(3)信道。

(4)接收设备。

(5)受信者。

(6)噪声源。

2.数据通信的概念

“数据通信”一词是在远程联机系统出现后才开始使用的,就是将异地计算机通过通信接口连接到通信网络(模拟或者数字通信网络)中,利用网络完成计算机之间的数据交换。图1.2所示是最简单的远程联机数据通信模型。图1.2最简单的远程联机数据通信模型

3.与数据通信相关的几个概念

1)数据的编码

为了传递数据信息,首先需要将二进制数据用一定的信号形式来表示。如图1.3所示,其中图(a)用高低电平来表示数字“1”和“0”,图(b)用不同频率的正弦波来表示数字“1”和“0”。图1.3二进制数据的信号表示

2)数据通信软件

数据通信软件提供对链路和节点的存储器的管理,与硬件配合提供与主处理机、终端、终端集中器或其他设备进行信息交换的接口功能。

3)数据通信设备

计算机通信网络的常见设备还有集线器(Hub)、中继器、网桥、交换机、路由器及网关等网络互联设备。1.1.2信息、信号的概念及通信系统的分类

1.信息

信息是对客观世界中各种事物的变化和特征的反映,对使用者存在价值。声音、图像、文字都是表示信息的形式。

2.信号

信号通常可分为两大类,即模拟信号和数字信号。模拟信号指时间和幅度都为连续值的信号,其特性如图1.4所示。

数字信号又称离散信号。数字信号的特性一般如图1.5所示。图1.4模拟信号的特性(a)连续非周期信号；(b)连续周期信号图1.5数字信号的特性(a)二电平码(二进制码);(b)四电平码(多进制码)

3.通信的分类

按调制方式通信可分为基带传输和频带传输。

按信道中所传信号的不同通信可分为数字通信和模拟通信。

按传输媒质的不同通信可分为有线通信和无线通信。

按工作频段的不同通信可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。

4.数据通信系统的分类

数据通信系统是通信系统的一个子类,除了具有通信系统的一些基本属性外,还具有自己的特性。

根据对数据的处理方式,数据通信系统可分为数据处理/查询系统、信息交换系统以及数据收集和分配系统。

(1)数据处理/查询系统。

(2)信息交换系统。

(3)数据收集和分配系统。1.1.3数字数据传输方式和数据通信网结构

在数字信道中传输数据信号称为数据信号的数字传输,简称数字数据传输。数字数据传输首先需要解决的是数据在信道上传输所采取的方式和数据通信网的结构问题。

1.数字数据传输的实现方式

数据传输方式是指数据在信道上传输所采取的方式。

1)并行传输和串行传输

(1)并行传输。并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输，如图1.6(a)所示。

(2)串行传输。串行传输是将代表信息的数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在一条信道上传输。如图1.6(b)所示。图1.6并行传输与串行传输示意图(a)并行传输：(b)串行传输

2)异步传输和同步传输

在串行传输中需要解决字符的同步问题，主要有两种方式，即异步传输和同步传输。

(1)异步传输。

异步传输方式一般以字符为单位传输，不论字符所采用的代码为多少位，发送每一个字符代码时，都要在前面加上一个起始位，长度为1个码元长度，极性为“0”，表示一个字符的开始：后面加上一个终止位，极性为“1”，表示一个字符的结束。字符可以连续发送，也可以单独发送：当不发送字符时，连续发送“止”信号，即保持“1”状态。接收方可以根据字符之间从终止位到起始位的跳变(下降沿)来识别一个字符的开始，然后从下降沿以后T/2秒(T为接收方本地时钟周期)开始，每隔T秒进行取样，直到取样完整个字符，从而正确地区分一个个字符。这种字符同步方法又称为起止式同步。图1.7(a)所示为异步传输的情况。图1.7异步传输和同步传输示意图(a)异步传输：(b)字符同步：(c)帧同步

(2)同步传输。

同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的(即同步)。

3)单工、半双工和全双工传输

数据传输是有方向的，根据数据电路的传输能力，有单工、半双工和全双工3种不同的传输方式或通信方式，分别如图1.8所示。图1.8单工、半双工、全双工传输(a)单工传输：(b)半双工传输：(c)全双工传输

(1)单工传输。

单工传输是指传输系统的两数据站之间只能沿单一方向进行数据传输，如图1.8(a)所示。

(2)半双工传输。

半双工传输是指系统两端可以在两个方向上进行数据传输，但两个方向的传输不能同时进行，如图1.8(b)所示。

(3)全双工传输。

全双工传输是指系统两端可以在两个方向上同时进行数据传输，如图1.8(c)所示。

2.数字数据传输的复用方式

为提高信道利用率，在传输过程中一般采用多路复用技术。多路复用技术就是将多个单路信号通过某种手段使其在一个信道上进行传输。

3.数据通信网的结构

数据通信网是一个由分布在各地的数据终端设备、数据交换设备和通信线路所构成的网络，在网络协议的支持下，实现数据终端间的数据传输和交换。

1)数据通信网设备

数据通信网通常是由硬件和软件组成的，硬件包括数据终端设备、数据交换设备及传输线路，如图1.9所示：软件是为支持这些硬件而配置的网络协议等。

(1)数据终端设备。

(2)数据交换设备。

(3)通信线路。图1.9数据通信网示意图

2)数据通信网的拓扑结构

按照网络的拓扑结构，数据通信网可分为网状网、不完全网状网(格型网)、星型网、树型网、环型网和总线型网等。如图1.10所示，一般骨干网采用网状网或格型网，本地网中可采用星型网。图1.10数据通信网的拓扑结构(a)总线型网：(b)网状网：(c)星型网：(d)环型网

4.数据通信网的分类

(1)按照传输技术分类，数据通信网可分为交换网和广播网。

①交换网。

②广播网。

(2)按照传输距离分类，数据通信网可分为局域网、城域网和广域网。

①局域网。

②城域网。

③广域网。1.1.4模拟通信与数字通信

1.模拟通信

模拟通信传输的是模拟信号，传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统。模拟通信系统包含两种重要的变换，一种是把原始消息变为电信号，另一种是把不适合传输的基带信号通过调制器转换成频带信号。同时两种变换在收端都要经过反变换。模拟通信系统的一般构成模型如图1.11所示。图1.11模拟通信系统的一般构成模型

2.数字通信

数字通信传送的是数字信号。图1.12所示为语音信号的数字通信系统。图中的原始信息就是声音，声音经过声/电转换设备转换成连续不间断的模拟电信号，模拟电信号通过量化以后得到离散的数字信号。传输过程中的数据是数字信号。数字通信为现代通信网奠定了良好的基础。图1.12语音信号的数字通信系统1.1.5数字通信系统模型

数字通信系统是指利用数字信号传递消息的通信系统。数字通信系统的模型如图1.13所示。

(1)信源：信息的源头，把消息转换成原始的电信号，完成非电量/电量的转换。

(2)信宿：信息的宿主，把复原的电信号转换成相应的消息，完成电量/非电量的转换。

(3)编码器、译码器:利用编码器将信源发出的模拟或离散的信号转换成有规律的、适应信道传输的数字信号。图1.13数字通信系统模型

(4)调制器、解调器：调制器的作用是把二进制脉冲变换或调制成适宜在信道上传输的波形：解调器则是把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号,并送解码器解码。

(5)加密器:是在需要实现保密通信时才使用的器件。通过加密器可以产生密码，人为地改变被传输的数字序列。数字通信系统的性能指标是评价、设计一个数字通信系统的基准。

归纳一下，衡量通信系统的指标大致有以下几个方面：

(1)可靠性：通信系统在传输信息过程中出现错误的比例。

(2)有效性：通信系统传输信息的快慢。

(3)适应性：通信系统对环境的适应程度。1.2数字通信系统的主要性能指标

(4)经济性：系统成本。

(5)保密性：通信系统对所传输信息的安全程度。

(6)标准性：设备的规范及统一程度。

(7)维修性：系统维修的方便程度。

(8)工艺性：通信系统的各种工艺要求。1.2.1模拟通信系统的主要性能指标

模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽来表征。模拟通信系统的可靠性可以用信噪比来衡量。信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小。一般电话的信噪比为20~40dB，电视的信噪比在40dB以上。输出信噪比与信道内噪声的大小和信号的功率有关，同时也和调制方式有很大关系。调频信号的质量好于调幅信号，但需要传输的频带却大于调幅信号。1.2.2数字通信系统的有效性指标

数字通信系统的有效性可以用有效传输速率来衡量，当信道一定时，传输速率越高，有效性越好。数据以代码形式表示，如用二进制代码表示数值、字符等：而码元是具有某种形状的脉冲信号。在传输过程中，用码元表示代码。

如传送字符“A”，其代码为01000001B，用单极性归零码方式和双极性不归零码方式编码，其传送的码元组如图1.14所示。图1.14编码示意图数据传输的基本单位可以是比特位、码元、字符或码(元)组，因此衡量数据通信系统的指标也可以使用这些单位。

数据通信系统的有效性用传输速率和频带利用率来衡量，常用的有码元传输速率、比特传输速率和消息传输速率。

1.码元传输速率

码元传输速率通常又称为码元速率、符号速率、数码率、传码率等，不同的教科书称谓有所不同，一般用符号RB来表示。码元与代码的关系为：一个码元(符号)要用lbM个代码来表示(M为进制数或电平数)。而一个消息单位则需要N个码元来表示，所以，消息单位R和代码的关系为：

R=NlbM(1-1)如果码元是二进制码，即一个码元仅有一个代码(M=2)，则lbM=1，R=N。此时，消息传输速率与码元速率相等。

通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制。在保证系统信息速率不变的情况下，多进制(比如说N进制)码元速率RBn与二进制码元速率RB2之间可相互转换，转换关系式为：

RB2=RBnlBN(B)(N=2k,k=2，3，4，…)

(1-2)

2.比特传输速率Rb

在数据传输中，把单位时间内传输的二进制位的数量称为比特传输速率，简称比特率Rb。

在N进制下，每个码元都含有一定比特的信息量，则RB和Rb之间有确定的关系：

Rb=RB×H(x)(b/s)

(1-3)其中，H(x)为熵(每个符号所含平均信息量)。当离散信源的每一符号等概率出现时，熵H(x)有最大值，此时Rb最大：

Rb=RBlbM(b/s)

(1-4)

反之

(1-5)

【例1.1】

设一信源的输出由128个不同符号组成，其中16个符号出现的概率为1/32，另112个符号出现的概率为1/224，信源每秒发出1000个符号，且每个符号相对独立。试计算比特率Rb。

解熵

即每个符号所含的信息量是6.404bit。

已知RB=1000Baud，则

Rb=RB×H(x)=6404(b/s)

3.消息传输速率

在数据传输中，单位时间内传输的平均消息数据称为消息传输速率。

4.频带利用率

在描述通信系统的效率时，还应当有这样一个指标，就是在同样传输速率下所占的信道的频带宽度。频带利用率与调制方式和编码方式有关。频带利用率是指单位频带内的传输速率,可以有两种表示方式：

(1-6)1.2.3数字通信系统的可靠性指标

衡量数字通信系统可靠性的指标是传输的差错率和信号抖动。常用的差错率指标有误码率Pe、误比特率Pb、误字符率和误码组率等。

1.误码率(码元差错率)Pe

误码率指在传输过程中出错的码元数与总码元数之比，即(1-7)

记做

Pe=(1-8)

Pe反映了数据信息在传输过程中被损害的程度，它是多次统计的结果，是统计平均误码率。

2.误比特率(比特差错率、误信率)Pb

误比特率指在传输过程中出错的比特数与总比特数之比，即传输中出现错误信息量的概率。

(1-9)

Pb的大小反映了信息在传输中由于比特的错误判断而造成的传输信息错误的大小，它与误码率从两个不同的层次反映了系统的可靠性。在二进制系统中，误码数目就等于传错信息量的比特数，即Pb=Pe。

如果一个符号由k个比特组成，若其中有一个比特出错，则这个符号必然错了，所以Pe≥Pb：如果一个符号错了，则组成它的k个比特中至少有一个比特错，所以Pe=1-(1-Pb)k≤kPb

。

3.误字符率

(1-10)

4.误码组率

(1-11)

其中，码组是码元的集合。

传输的差错率是一个统计平均值，因此在测试或统计时，总的发送比特(字符、码组)数应达到一定数量，否则得出的结果没有意义。

【例1.2】

设某八进制数字通信系统的比特率Rb=3000(b/s)，收端在10分钟内出现18个错误码元，则该系统的误码率是多少？

解依题意Rb=3000(b/s)，则