数字通信（微课版）课件 第1章 数字通信系统认识

数字通信2自古以来，通信就一直是人类的重要需求。如今，通信已经渗透到我们生活的各个角落，如报纸、手机、电视，还有办公室和家里接入互联网的计算机终端等，它们可以迅速地将世界各地的消息传送给我们。当然，还有许多人类思维不能实时介入的通信方式。例如，两台或多台计算机之间进行的计算机通信。因此，通信在现代社会中发挥着极其重要的作用。未来，人类将进入通信的理想境界——任何人（whoever）能在任何时间（whenever）、任何地点（wherever），以任何方式（whatever）与任何他人（whomever）进行“5W”通信的理想方式。引言3学习完本章，你应重点掌握以下内容：

通信系统的一般模型及各部分的作用

数字通信系统模型

数字通信的优点

数字通信系统的性能度量及相关计算本章学习目标学习指南4

回顾世界通信发展史，使学生感受到通信领域的科学家和专业技术人员不断探索，寻找规律，造福人类的科学精神和创新精神。

通过中国古代通信示例，引导学生认识到中国古人通信技术领先于西方，以提升学生对于中华民族、中国传统文化的自信。

本章素质目标学习指南第一章

数字通信系统认识第1讲通信的概念和通信系统的一般模型第五章信道编码第2讲线性分组码7通信的概念及涵义通信系统模型通信系统的分类通信方式主要通信资源12345内容提要通信系统模型及各部分作用重点难点通信系统是怎么分类的？通信方式是如何划分的？本节学习重点与难点重点重点一、通信的概念及涵义一、通信的概念及涵义通信的目的就是传输信息。

通信的广义范畴：电视

汽车导航一、通信的概念及涵义雷达

互联网遥测遥感飞机一、通信的概念及涵义利用电信号传递信息的通信方法，称为电信（telecommunication）

。利用光信号传递信息的通信方法，称为光通信。现在，“通信”与“电信”几乎是同义词了。通信的含义更加宽广，不仅要传递信息，还要对信息进行采集、处理、存储及显示等。通信的根本任务就是完成信息的传输和交换。

二、通信系统模型通信系统的组成模型：上图概括地描述了通信系统的组成，该模型反映了通信系统的共性。对通信系统及其基本理论的讨论，一般都是围绕这一模型而展开的。二、通信系统模型信源是原始电信号（含光信号）的来源，它的作用是将原始消息转换为相应的电信号（含光信号），这样的电信号通常称为基带信号。信源的作用二、通信系统模型发送设备的作用是将消息进行各种变换和处理，使之适合于在信道中传输。消息转换成信号，通常要经过三个步骤，即变换、编码和调制，它们可分别进行，也可同时进行。发送设备的作用发送设备是一个总体概念，它可能包括许多具体的电路与系统。发送设备包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、加密处理和纠错编码处理等。

二、通信系统模型信道是信号传输的通道，它是发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介。信道的种类很多，概括起来有两类，即有线信道（如双绞线、同轴电缆、光缆等）和无线信道（如无线电、红外线等），每一种信道都有其特定的应用范围。信号在信道的传输过程中会产生失真。信道中的噪声和干扰信号（来自其他信号源）也会叠加到正在传输的有用信号上，结果使接收信号与发送信号相比出现了畸变。严重时，有用信号甚至完全被噪音湮没，使信息传输无法进行。。信道的作用二、通信系统模型接收设备的功能与发送设备相反，它是对接收信号进行处理，得到原始信号的可识别形式，以便于恢复原始信号。接收机的处理过程包括解调、译码、解码等。对于多路复用信号，还应包括多路复用，实现正确的分路。接收设备的作用二、通信系统模型信宿是消息传输的对象，它的作用与信源相反。信源与信宿可以是人，也可以是设备，有时也把它们分别称为发终端和收终端。信宿的作用二、通信系统模型通信技术实际上就是“通信系统和通信网的技术”。通信系统是指点对点通信所需的全部设施，而通信网是由许多通信系统组成的多点之间能相互通信的全部设施通常意义上的通信系统指除信源与信宿之外的部分。通信系统除了完成信息传递之外，还必须进行信息的交换。也就是说，一个完整的通信系统可能由传输系统和交换系统共同组成。本书讨论的通信系统只限于传输系统。通信系统示例

想一想：上图所示的广播电视系统，你能说出该通信系统中的信源、信宿及信道分别是指什么吗？三、通信系统的分类按信源产生消息的物理特征的不同，也可以说按信源提供的业务种类的不同，通信系统可以分为电话通信系统、电报通信系统、数据通信系统、图像通信系统和多媒体通信系统等。三、通信系统的分类根据系统是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带传输（调制传输）。基带传输是将未经频带调制的信号直接传送，如音频市话系统、计算机网络等；频带传输是对各种信号调制后传输的总称。按传输媒介，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两类。有线通信系统，根据有线传输媒介的不同，又可细分为架空明线通信系统、双绞线通信系统、同轴电缆通信系统、光纤通信系统等。

三、通信系统的分类无线通信系统，主要有无线电通信系统和光通信系统（红外线通信系统较多），习惯上将无线电通信系统简称为无线通信系统，可根据无线电波频率的高低或波长的长短，将其更详细地划分为短波通信系统、微波通信系统等。微波天线三、通信系统的分类按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。按照传送信号的复用方式分类，通信系统有三种复用方式，即频分复用通信系统、时分复用通信系统和码分复用通信系统。实际的通信系统并不局限于使用某一复用方式，很多系统都是同时采用多种复用形式。三、通信方式信号在信道中传输，可采用多种传输方式。通信方式信号传送方向信号排序方向通信网络形式单工半双工全双工串行传输并行传输直通方式分支方式交换方式三、通信方式单工、半双工和全双工①广播、电视就是单工传输的例子。②半双工的典型例子是用同一载频的无线电收发报机。③全双工传输普通电话通信、计算机通信以及利用光波的光纤通信就属于这种通信方式。三、通信方式串行传输与并行传输

①通信网和计算机网络中的数据传输都是以串行方式进行的，但串行传输的缺点是速度较低。②计算机有时利用并行方式给打印机传送信息，从而实现高速的内部运算和数据传输。并行传输提高了传输速率，付出的代价是硬件成本提高了。三、通信方式直通方式、分支方式和交换方式

①直通方式是通信网中最简单的方式。②分支方式及交换方式均属于网通信的范畴，例如网通信中有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等，其中既有信息控制问题，也有网同步问题等。发射功率信道带宽29四、主要通信资源发射功率是指发射信号的平均功率，信道带宽是为传输信号而分配的一个频带。通常，将通信信道分为功率受限信道和带宽受限信道，电话线路是一个典型的带宽受限的例子，而卫星信道则是典型的功率受限信道。习题1-1习题1-2（1）、（2）、（3）教材练习题30作业布置31学习活动设计第3周将进行一次学习活动设计作业展示，要求如下：两位同学组成一组，针对你感兴趣的现代应用的数字通信系统，以PPT的形式进行宣讲介绍，最好配图片或者音视频材料，时间为10分钟，超时扣分。没有在课堂上展示的提交PPT电子文档给授课教师。数字通信第一章数字通信概论第2讲数字通信和数字通信系统34模拟通信与数字通信数字通信的特点数字通信系统典型实例1234内容提要数字通信与模拟通信的区别重点数字通信系统是怎么构成的？数字通信系统各部分功能理解？本节学习重点与难点重点难点难点一、模拟通信与数字通信根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。什么是模拟通信呢？比如在电话通信中，用户线上传送的电信号是随着用户声音大小的变化而变化的。这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为模拟信号。在用户线上传输模拟信号的通信方式称为模拟通信。

数字通信是用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、数字数据等数字信号，也可传输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号。

一、模拟通信与数字通信为什么要进行数字化？与模拟信号相比，数字信号易于再生。

数字电路有很好的抗干扰能力。一、模拟通信与数字通信数字通信的抗干扰、抗噪声能力强。数字信号易于加密，信息传输比较安全。（例如2G、3G手机信号）通信距离远，通信质量受距离影响小。易于处理（数字信号适合于计算机结合，由计算机处理信号）自动发现和控制差错。数字信号便于存储（CD、MP3/MP4、VCD和DVD等）数字通信还可兼容电话、电报、数据和图像等多种信息的传输。

一、模拟通信与数字通信模拟通信的最大优点是直观而且容易实现。数字通信有三个突出缺点：占用频带较宽技术要求复杂，尤其是对同步技术要求的程度高模数转换时会带来量化误差。此外，数字通信需要更多的信号处理技术。数字通信的发展历史数字通信的早期历史是与电报的发展联系在一起的。1937年，英国人A．H．里夫斯提出脉码调制（PCM），从而推动了模拟信号数字化的进程。1946年，法国人E．M．德洛雷因发明增量调制。1950年C．C．卡特勒提出差值编码。1947年，美国贝尔实验室研制出供实验用的24路电子管脉码调制装置，证实了实现PCM的可行性。1953年发明了不用编码管的反馈比较型编码器，扩大了输入信号的动态范围。1962年，美国研制出晶体管24路1.544Mb/s脉码调制设备，并在市话网局间使用。20世纪90年代，数字通信向超高速大容量长距离方向发展，高效编码技术日益成熟，语声编码已走向实用化，新的数字化智能终端将进一步发展。二、数字通信系统点到点的数字通信系统的一般模型。数字通信系统形式多种多样。二、数字通信系统数字卫星通信系统二、数字通信系统一个完整的数字通信系统构成模型各个部分的功能

信源编码是对信源发出的模拟信号进行模数转换，得到相应的数字信号，去除冗余（不需要的）信息。信源编码的作用是用来提高传输有效性而对信号采取的处理功能。二、数字通信系统加密与解密是为了实现保密通信而设置的，通过加密可以产生密码，人为地把待传输的数字序列扰乱。这种编码可以采用周期非常长的伪随机码序列等，在接收端根据已知的解密方法对接收的序列进行解密。信道编码是为解决传输的可靠性而设置的。由于信号传输不可避免地受到各种噪声的干扰，因此可能会导致接收端数字信号的判决错误。信道编码就是按一定规则对传输的数字信号再次编码，使之具有自动检错或纠错的能力。信道译码的过程与信道编码过程正好相反。这种技术也被称为“差错控制编码”。二、数字通信系统脉冲调制：将二进制代码（用二进制数0或1表示电压电平的码元）转换成基带波形。基带是指从直流延伸到某个有限值的信号频谱，这个值通常是小于几MHz的有限数。脉冲调制方框图中通常包含使传输带宽最小化的滤波器。经过脉冲调制后，每个消息码元或信道码元就转变为基带波形。带通调制：将基带波形调制成适合于信道传输的带通波形，这意味着基带波形的频谱通过载波被搬移到一个比基带波形的频谱大得多的频率点处。二、数字通信系统多路复用和多址接入都是把不同特性或不同信源的信号进行合成，以便共享通信信道的资源（如频谱、时间等）。扩频能产生抵御自然或人为干扰的信号，提高通信的保密性，同时它在多址接入方面也是一项很有用的技术。同步：由于数字通信系统传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因此接收端必须有一个与发端相同的节拍，否则就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，原始信号（基带信号）都是按消息的特征进行编组的，在收发之间的编组规律必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。故在数字通信系统中，必须解决“同步”问题。二、数字通信系统在方框图的下部，接收机前段或解调器对每个带通波形进行下变频变换，恢复成最佳基带波形，为后面的检测设备做准备。通常还有几个与接收机、解调器相连的滤波器，以滤除不需要的高频部分（带通波形的下变频），并改善脉冲波形。均衡用于补偿（即削弱或消除）由信道引起的任何形式的信号失真，它可以包含在解调器中，也可以在解调器之后处理。取样过程是把成形的脉冲变换成取样信号，而检测则把取样信号变成信道码元或信息码元的估计值。对于具体的数字通信系统，可能只是其中的一部分。例如，对于采用有线传输媒介的数字传输系统来说，就要去掉扩频和多址接入；对于数字电话通信系统来说，无需信道编码。另外，系统中的方框有时会有不同的顺序，例如多路复用可能先于信道编码或先于调制。

二、数字通信系统数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。数字基带传输通信系统模拟信号数字化通信系统习题1-2（4）、（5）习题1-8教材练习题49作业布置数字通信第一章数字通信概论第3讲数字通信系统的主要性能52通信系统的性能指标含义相关术语解析有效性指标可靠性指标示例12345内容提要有效性与可靠性的含义重点难点有效性度量及计算可靠性度量及计算本节学习重点与难点重点重点一、通信系统的主要性能指标通信系统的性能指标是一个十分复杂的问题，它涉及到通信系统的诸多方面，例如有效性、可靠性、保密性、标准性、维修性、工艺性等。从通信的目的和根本任务来看，传输的有效性和可靠性是通信系统最主要的两个性能指标。通信的目的就是传输信息。一、通信系统的主要性能指标有效性是在给定信道内能传输信息内容的多少，说的是传输“速度”问题。可靠性是指接收信息的准确程度，说的是传输的“质量”问题。

有效性和可靠性既相互矛盾，又相对统一，都体现了对通信系统最基本的要求。二、相关术语解析二进制数字（binarydigit）（比特）二进制数字是所有数字通信系统的基本信息单元。衡量比特的信息量有多种单位。比特流（bitstream）比特流是指二进制数据0和1流，比特流在数字通信中称为基带信号，基带信号的频谱范围是从直流（或接近直流）到一个有限的频率值。用二电平脉冲表示某一比特流，这里用理想的矩形脉冲表示。注意，实际系统中的脉冲不可能与图中所绘的相同。

二、相关术语解析数字信号波形（digitalsignalwaveform）数字信号波形是指用于表示数字信号的电压或电流波形（脉冲或正弦波），脉冲的波形参数包括脉冲的幅度、频率和相位，正弦波的波形参数包括正弦波的幅度、频率和相位。

注意，该波形虽然看起来具有模拟信号的特性，但由于它已被数字信息进行编码，所以称为数字信号波形。二、相关术语解析数字信息在一般情况下可以表示为一个数字序列：a0,a1,a2,…，简记为{an}，an是数字序列的基本单元，称为码元。码元不是一种物理符号，可以是多进制，因此码元是一个逻辑概念。一个码元由k个比特组成，该k个比特就是一个单元，用来表示一个有限码元集中的消息码元，其中k为码元的比特数，M表示消息码元是M进制码元。码元可以用一组波形表示，对于基带传输，每个码元mi用一组基带脉冲波形表示；对于频带传输，每个脉冲gi(t)都由一组带通波形之一表示。在无线通信中，码元mi通过在Ts内发送的数字波形si(t)来实现，这里T为码元持续时间。下一个码元将在下一个Ts内发送，接收机仅需要判别发送的波形是M个波形中的哪一个。二、相关术语解析

答疑解惑“码元”究竟代表什么？“码元”又称为“符号”，即symbol。码元可以这样理解：在一定持续时间内，具有一定相位或幅度的一段正（余）弦载波，就是码元，如图所示的每个虚线框都是一个码元。三、有效性指标（速率问题）传输速率通常有多种描述方法，通常从信息传输速率、码元传输速率和频带利用率等三个不同的角度来定义传输速率。

信息传输速率简称为信息速率（传信率、比特率），信息传输速率用符号Rb表示。信息传输速率是指单位时间内（每秒）内传送的信息量，单位为bit/s。模拟通信系统数字通信系统有效性传输带宽（系统带宽）传输速率三、有效性指标（速率问题）传输速率通常有多种描述方法，通常从信息传输速率、码元传输速率和频带利用率等三个不同的角度来定义传输速率。码元传输速率简称为码元速率（或传码率），用符号RB表示。码元速率是指单位时间内（每秒）内传送码元的数目，单位为波特/秒（Baud/s），简记为B。数字信号通常有二进制信号（或二电平信号）和多进制信号（或多电平信号），但码元速率与信号的进制无关，只与码元宽度有关。在数字通信中，用具有一些相同的时间间隔来表示一些数字信号，这个时间间隔就是码元宽度（或码元持续时间）Tb。码元速率与码元宽度的关系为

RB=1/Tb

三、有效性指标（速率问题）码元速率和信息速率从两个不同角度定义了传输速率，但码元速率中的码元可以是二进制的，也可以是多进制的，码元速率不管所传输的信号为多少进制，都表示每秒钟所传输的码元个数。对于信息速率，则必须折合为相应的二进制码元来计算。码元速率和信息速率可以相互换算，它们的换算公式为

Rb=RBlog2N

（N为进制数）三、有效性指标（速率问题）数