數(shù)字通信技術及應用--模塊一

1、數(shù)字通信技術及應用目目 錄錄1.1 通信基本概念通信基本概念1.3 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標 1.3.1 信息量 1.3.2 有效性指標 1.3.3 可靠性指標1.4 數(shù)字通信的特點數(shù)字通信的特點1.5 通信技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢通信技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 1.5.1 通信發(fā)展簡史 1.5.2 通信的種類 1.5.3 通信技術發(fā)展趨勢1.2 數(shù)字通信系統(tǒng)組成數(shù)字通信系統(tǒng)組成 1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型 1.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型模塊一 初識數(shù)字通信 1.1 通信基本概念通信基本概念 通信技術中常涉及“通信”、“消息”、“信息”、“信號”這四個術語，它們之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。一、通

2、信：信息（消息）的傳輸和交換過程。 我們一般所說通信是指電信，即以語言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體，通過電電 或光光 信號由一方傳輸?shù)搅硪环?。二、消息：信源所產(chǎn)生的信息的物理表現(xiàn)形式,是我們感覺器官所能感知的語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等的統(tǒng)稱。 它分為離散消息和連續(xù)消息。離散消息離散消息-如文字、符號、數(shù)據(jù)等消息狀態(tài)是可數(shù)的 或有限的。 連續(xù)消息連續(xù)消息-如語音、圖像等消息狀態(tài)是連續(xù)變化的。信息：消息的內(nèi)涵，即消息中所包含的對受信者 （信宿）有意義的內(nèi)容。四、信號：消息的物理載體。它分為模擬信號和數(shù)字信號。 1.2 數(shù)字通信系統(tǒng)組成1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型 通信系統(tǒng)-完成信息傳送的一系列技術設備及傳輸

3、媒質(zhì)構成的總體。即數(shù)字信號從一端(點)到另一端(點)交換和處理過程的系統(tǒng)，通常由發(fā)送端、傳輸媒介、接收端三大部分構成，如下圖：信源發(fā)送設備信道接收設備信宿噪聲源發(fā)送端發(fā)送端傳輸媒介傳輸媒介一、信源：原始電信號的來源。 它是把原始消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，這樣的電信號通常稱為基帶信號。如話筒、攝像機等。發(fā)送設備：許多電路和系統(tǒng)的總稱。 它主要是把信號放大和變換(編碼、調(diào)制等)信道：用于在發(fā)送設備和接收設備之間傳輸信號的媒質(zhì)。 它分為有線信道(同軸電纜、光纖等)和無線信道(大氣、真空、海水等)兩大類。 信道是噪聲(干擾)集中加入之處。四、噪聲源：不是人為加入的設備，而是通信系統(tǒng)中各種設備以及信道中噪聲

4、與干擾的集中表示。五、接收設備：對帶有干擾的接收信號進行必要的處理和變換(解調(diào)、解碼等)，從中正確恢復出相應的原始信號。六、信宿：信息傳輸?shù)臍w宿點或通信系統(tǒng)的終點。 它是完成電量到非電量的變換。如揚聲器、顯像管、計算機等。1.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 通信系統(tǒng)按傳輸信號類型可分為通信系統(tǒng)(利用信號來傳遞信息)和通信系統(tǒng)(利用信號來傳遞信息) 。如將前面通信系統(tǒng)的一般模型的發(fā)送端和接收端進一步分解，可構成如下通信系統(tǒng)模型框圖：發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端同步同步一、信源編碼信源編碼：信源產(chǎn)生的信號絕大多數(shù)是模擬信號，信源編碼的功能有兩個：1.模數(shù)轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換方法有脈沖編碼調(diào)制(PCM)技術、增量

5、調(diào)制(M)技術、自適應差值脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)等。2.提高消息傳輸?shù)挠行?。它是通過數(shù)據(jù)壓縮降低數(shù)字信號的數(shù)碼率來實現(xiàn)的。 在某些系統(tǒng)中，信源編碼還包括加密功能，即在壓縮后進行保密編碼，以提高數(shù)字信息傳輸?shù)陌踩浴６⑿诺谰幋a信道編碼：它有兩個功能：1.實現(xiàn)可靠通信。對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入監(jiān)督碼元，組成“抗干擾編碼”，提高抗干擾能力。2.進行碼型變換。為了使信源編碼后的數(shù)字信號更適合于在信道上傳輸。為了降低誤碼為了降低誤碼率，提高數(shù)字率，提高數(shù)字通信可靠性而通信可靠性而采取的編碼采取的編碼是為了提高數(shù)字是為了提高數(shù)字通信的有效性以通信的有效性以及實現(xiàn)及實現(xiàn)A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換而

6、而采取的編碼采取的編碼四、噪聲噪聲：分為系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和系統(tǒng)外部噪聲。它對通信是有害的，必須通過改善傳輸媒質(zhì)性能和信道編碼等措施來加以克服。三、調(diào)制調(diào)制：基帶信號在無線信道中不能直接傳輸，必須經(jīng)過調(diào)制。調(diào)制是將數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號。 1.3 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標 通信系統(tǒng)的性能指標涉及通信的有效性、可靠性、標準性、經(jīng)濟性等方面。 在此之前，我們先要理解信息的度量度量問題。1.3.1 1.3.1 信息量信息量信息是消息中包含的有意義或有效的內(nèi)容，信息包含在消息之中。 不同消息包含的信息量不同，不同受信者從同一消息中所獲得的信息量也不同，從而需要對信息進行

7、度量。下面僅分析離散消息的信息量。一、信息量定義：衡量某消息中包含信息多少的物理量。在通信領域，信息量指將信息用符號表示后符號的數(shù)量。對于離散消息，其定義為：若一離散消息xi出現(xiàn)的概率P P(xi)(xi)，則這一消息所含的信息量為： 信息量的單位取決于對數(shù)所取的底，若以2為底，單位為比特(bit) ，以e為底，單位為奈特(nat)，以10為底，單位為哈特萊(Hartley) ,通常取比特為單位。 從信息量的定義可以看出，信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)，消息出現(xiàn)的概率越小，所包含的信息量越大；若某消息由若干個獨立消息組成，則該消息所包含的信息量是每個獨立消息所含信息量之和。 二、離散獨立等概消息的

8、信息量：若某消息集由M個可能的消息組成，每次只取其中之一，各消息之間相互統(tǒng)計獨立，且出現(xiàn)概率相等，P P(xi)(xi)=1/M=1/M，則這類消息為離散獨立等概消息。)(log)(1log)(xiPxiPxiIaa 當M=2（二進制）時，P P(xi)=1/M=1/2，則 I(xi)=log2 =log2 =log2M=log22=1bit 即對于等概的二進制波形，每個符號（碼元）所包含的信息量為1bit1bit。 當M=2 2N N（M進制）時，P P(xi)=1/M=2 2- -N N，則 I I(xi)(xi)=-log2P P(xi)(xi)=log2M=log22-N=Nbit 即

9、對于等概的M進制波形，每個符號（碼元）所包含的信息量為NbitNbit，是二進制的N倍。M/ 11)(1xiPMi 1三、離散獨立非等概消息的信息量：若某消息集由M個可能的消息組成，每次只取其中之一，各消息之間相互統(tǒng)計獨立，且出現(xiàn)概率不相等，且 I= I= - - P P(xi)(xi)=1，則這類消息為離散獨立非等概消息。 根據(jù)信息量相加的概念，則該類消息的信息量為I= - nilog2P(xi)bitMi 1但是，當消息很長時，用符號出現(xiàn)概率和次數(shù)來計算信息量比較麻煩，此時可用信源熵的概念來計算。四、信源熵：是指信源符號集中每個符號所包含信息量的統(tǒng)計平均值。則有 H(x)= - P(xi)

10、log2P(xi)bit 當信源中每個符號等概率獨立出現(xiàn)時，信源熵有最大值。等概時P(xi)=1/M ，因此 H(max)= log2M 若某符號集的熵為H(x)，則當符號集發(fā)送m個符號組成一則消息時，所發(fā)送的總信息量為 I=mH(x)= - m P(xi)log2P(xi)bitMi 1Mi11.3.1.3.2 2 有效性指標有效性指標 有效性即信息傳播的速度，是指傳輸一定信息量時所占用的信道資源數(shù)。在模擬通信系統(tǒng)中主要用帶寬來衡量；在數(shù)字通信系統(tǒng)中一般用信號的傳輸速率來衡量，具體指標有傳碼率傳碼率、傳信率傳信率 和頻帶利用率頻帶利用率。一、一、傳碼率傳碼率(RB)： 傳碼率又稱碼元速率、波

11、特率，指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)傳送碼元數(shù)目的多少，單位是碼元/秒，又稱波特(Baud)。則有 R RB B=1/T=1/TB B 式中TB為碼元持續(xù)時間。 碼元是攜帶信息的基本數(shù)字信號單元。它可以是二進制，也可以是多進制。二、二、傳信率傳信率(Rb)：又稱信息速率、比特率，指系統(tǒng)在單位時間傳送信息量的多少，單位是比特/秒(bits/s)。傳信率和傳碼率具有不同的定義，又有確定的關系:1.當傳輸?shù)拇a元等概時，對于二進制來說，則有 R RB2B2=R=Rb2b2 ，即數(shù)值相等，但單位卻不同。對于多(M)進制來說，則有R RbM bM = R= RBMBMloglog2 2M。2.當傳輸?shù)拇a元非等概時，則

12、有R Rb b=R=RB BH(x)。由此可見，在碼元速率相同的情況下，多進制速率比二進制速率高；在信息速率相同的情況下，多進制速率比二進制速率低。因此，從傳輸有效性方面考慮，多進制比二進制好。三、三、頻帶利用率頻帶利用率(B、b)：是指通信系統(tǒng)在單位頻帶內(nèi)所能達到的傳碼率或傳信率，它反映了系統(tǒng)對頻帶資源的利用水平。其定義式如下： B B=R=RB B/B (Baud/Hz) /B (Baud/Hz) b b=R=Rb b/B/B (Bit/sHz)(Bit/sHz) 式中B為信號傳輸占用的頻帶寬度。 將帶寬與傳輸速率相聯(lián)系，可以更好地考慮系統(tǒng)有效性。1.3.3 1.3.3 可靠性指標可靠性指

13、標是指接收信息的準確程度,在模擬通信系統(tǒng)中主要用信噪比來衡量；在數(shù)字通信系統(tǒng)中一般用差錯率來衡量，具體指標有誤碼率誤碼率、誤信率誤信率。一、誤碼率誤碼率(Pe)：是指碼元在傳輸過程中被傳錯的概率，即在傳輸碼元總數(shù)中發(fā)生差錯的碼元數(shù)所占的比例。它是多次統(tǒng)計結果的平均量，所以指的是平均誤碼率,則有二、誤信率誤信率(Pb)：又稱誤比特率，是指碼元在傳輸過程中其信息量丟失的概率，即在傳輸比特總數(shù)中發(fā)生差錯的比特數(shù)所占的比例。它是多次統(tǒng)計結果的平均量，所以指的是平均誤碼率，則有對于二進制:Pb=Pe，對于多進制:PbPe。因此,傳輸可靠性考慮,二進制比多進制好。傳輸總比特數(shù)錯誤接收比特數(shù)bPNnNeP傳

14、輸總碼元數(shù)錯誤接收碼元數(shù) lim綜上所述：有效綜上所述：有效性和可靠性相互性和可靠性相互矛盾，提高有效矛盾，提高有效性就會降低可靠性就會降低可靠性，反之亦然。性，反之亦然。 1.4 數(shù)字通信的特點數(shù)字通信的特點一、優(yōu)點 1.抗干擾能力強，可消除噪聲積累，通過中繼再生，適于遠距離傳輸。 模擬通信系統(tǒng)的噪聲累加隨著傳輸距離的增加而增加，輸出信噪比越來越小，差錯率就越大。 數(shù)字通信系統(tǒng)的信息包含在脈沖的有無之中，通過再生判決恢復原始數(shù)據(jù)，消除了噪聲積累，抗干擾能力強。2.可采用信道編碼技術，降低傳輸誤碼率。3.便于與各種數(shù)字終端接口連接，可用計算機技術對數(shù)字信號進行處理、變換、存儲，形成智能網(wǎng)絡。4

15、.便于實現(xiàn)加密處理，通信保密性強。5.便于集成化，使通信設備微型化，降低成本。而且有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu)點。二、缺點1.占用頻帶寬。 不過隨著頻帶壓縮技術的應用和光纖等大容量寬帶傳輸線路的發(fā)展，這一缺點將逐步得到克服。2.同步技術要求高。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收方要能正確地解調(diào)發(fā)送方的信號，就必須正確地把每個碼元區(qū)分開來，并且找到信息碼組的開始，這就需要收發(fā)雙方嚴格實現(xiàn)同步，因而系統(tǒng)設備復雜。 1.5 通信技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢通信技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1.5.1 通信發(fā)展簡史n1838年, 摩爾斯發(fā)明有線電報,開始了電報通信階段n1864年, 麥克斯韋創(chuàng)立了電磁輻射理論,并被當時的赫

16、茲證明, 促使了后來無線通信的出現(xiàn)n1876年, 貝爾利用電磁感應原理發(fā)明了電話n1879年, 第一個專用人工電話交換系統(tǒng)投入運行n1880年, 第一個付費電話系統(tǒng)運營n1896年, 馬可尼發(fā)明無線電報n1907年, 電子管問世, 通信進入電子信息時代n1915年, 橫貫大陸電話開通; 實現(xiàn)越洋語音連接n1918年, 調(diào)幅無線電廣播、超外差式接收機問世n1925年, 開通三路明線載波電話, 開始多路通信n1936年, 調(diào)頻無線電廣播開播n1937年, 雷沃斯發(fā)明脈沖編碼調(diào)制,奠定了數(shù)字通信的基礎n1938年, 電視廣播開播n20世紀40年代二戰(zhàn)期間, 雷達與微波通信得到發(fā)展n1946年, 第一

17、臺數(shù)字電子計算機問世n1947年, 晶體管在貝爾實驗室問世, 為通信器件的進步創(chuàng)造了條件n1948年, 香農(nóng)提出了信息論, 建立了通信統(tǒng)計理論n1951年, 直撥長途電話開通n1956年, 敷設越洋通信電纜n1958年, 發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星n1962年, 發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星, 開通國際衛(wèi)星電話; 脈沖編碼調(diào)制進入實用階段n20世紀60年代, 彩色電視問世; 阿波羅宇宙飛船登月; 數(shù)字傳輸理論與技術得到迅速發(fā)展；計算機網(wǎng)絡開始出現(xiàn)n20世紀70年代, 商用衛(wèi)星通信、程控數(shù)字交換機、光纖通信系統(tǒng)投入使用；一些公司制定計算機網(wǎng)絡體系結構n20世紀80年代,開通數(shù)字網(wǎng)絡的公用業(yè)務; 個人計算機和計

18、算機局域網(wǎng)出現(xiàn); 網(wǎng)絡體系結構國際標準陸續(xù)制定n20世紀90年代, 蜂窩電話系統(tǒng)開通，各種無線通信技術不斷涌現(xiàn); 光纖通信得到迅速普遍的應用; 國際計算機互聯(lián)網(wǎng)得到極大發(fā)展1.5.2 通信的種類按照通信業(yè)務分類1.單媒體通信系統(tǒng)。 如電話、傳真等。 2.多媒體通信系統(tǒng)。 如電視、可視電話、會議電話、 遠程教學等。 3.實時通信系統(tǒng)。 如電視、電話等。 4.非實時通信系統(tǒng)。 如電報、傳真、數(shù)據(jù)通信等。 5.單向傳輸系統(tǒng)。 如廣播、電視等。 6.交互傳輸系統(tǒng)。 如電話、點播電視VOD等。 7.窄帶通信系統(tǒng)。 如電話、電報、低速數(shù)據(jù)等。 8.寬帶通信系統(tǒng)。 如點播電視、會議電視、遠程教 學、遠程醫(yī)療

19、、 高速數(shù)據(jù)等二、按照傳輸媒質(zhì)分類： 1.有線通信系統(tǒng)：傳輸媒質(zhì)可以是：雙絞線、雙平行線、同軸電纜、微帶、波導、多芯銅線、光纜等。 2.無線通信系統(tǒng)：根據(jù)電磁波波長又可以分為:中/長波通信 短波通信 微波通信等。如衛(wèi)星通信、移動通信、微波通信、雷達、聲納、遙控遙測、無線定位、無線接入等。三、按照調(diào)制方式分類： 1.基帶傳輸：即直接傳輸基帶信號，不經(jīng)過調(diào)制。如音頻市內(nèi)電話、數(shù)字信號的基帶傳輸?shù)取?2.頻帶傳輸：將基帶信號進行調(diào)制后再進行傳輸四、按照信道中傳輸?shù)男盘柗诸悾?1.模擬通信系統(tǒng):是指在通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)氖悄M信號。 2.數(shù)字通信系統(tǒng):利用數(shù)字信號作為載體傳遞信息的通信方式。五、按照信號

20、復用方式分類： 1.頻分復用（FDM）：用頻譜搬移的方法使不同信號占據(jù)不同的頻率范圍。 2.時分復用(TDM）：使不同信號占據(jù)不同的時間間隔。 3.碼分復用（CDMA)：用一組包含互相正交碼字的組攜帶多路信號六、按照通信者是否運動分類： 1.固定通信:如固定電話等。 2.移動通信:是指通信雙方至少有一方是在運動中進行信息傳遞的通信方式。一、通信技術數(shù)字化： 通信技術數(shù)字化是實現(xiàn)其他“五化”的基礎。數(shù)字通信具有抗干擾能力強、失真不積累、便于糾錯、易于加密、適于集成化。可以兼容多種信息的傳輸，也為實現(xiàn)通信網(wǎng)的計算機管理創(chuàng)造了條件。 數(shù)字化是現(xiàn)代通信技術的基本特性和最突出的發(fā)展趨勢。1.5.3 1.

21、5.3 通信技術發(fā)展趨勢通信技術發(fā)展趨勢 通信技術發(fā)展趨勢可概括為“六化”，即數(shù)字化、綜合化、個人化、寬帶化、智能化的通信網(wǎng)絡技術。二、通信業(yè)務綜合化： 就是把各種業(yè)務（如視頻、語音和數(shù)據(jù)等）和各種網(wǎng)絡綜合起來，以數(shù)字方式統(tǒng)一并綜合到一個網(wǎng)絡中進行傳輸、交換和處理，達到一網(wǎng)多用的目的。三、網(wǎng)絡互通融合化： 以電話網(wǎng)絡為代表的電信網(wǎng)絡和以因特網(wǎng)為代表的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的互通與融合進程正在加快。IP數(shù)據(jù)網(wǎng)與光網(wǎng)絡的融合、無線通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合也是未來通信技術的發(fā)展趨勢和方向。電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)之間的“三網(wǎng)”融合進程正加速推進，三大網(wǎng)絡技術層上趨向一致，網(wǎng)絡層上可以實現(xiàn)互聯(lián)互通，業(yè)務層上互相滲透和交叉，應用層上趨向使用統(tǒng)一的IP協(xié)議，經(jīng)營層上互相競爭、互相合作，朝著向人類提供多樣化、多媒體化、個性化的同一目標逐漸交匯在一起四、通信網(wǎng)絡寬帶化： 它是電信網(wǎng)絡發(fā)展的基本特征。寬帶化是指通信系統(tǒng)能傳輸?shù)念l率范圍越寬越好，即每單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒃蕉嘣胶梦濉⒕W(wǎng)絡管理智能化： 智能化就是要建立先進的智能網(wǎng)。一般說來，智能網(wǎng)是能夠靈活方便地開設和提供新業(yè)務的網(wǎng)絡。它是隱藏在現(xiàn)存通信網(wǎng)里的一個網(wǎng)，而不是脫離現(xiàn)有的通信網(wǎng)而另建一個獨的“智能網(wǎng)”，而只是在已