數(shù)字通信技術

1、內容1.1 通信系統(tǒng)的組成和分類1.2 數(shù)字通信系統(tǒng)及主要組成1.3 數(shù)字通信的主要特點 1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標 1.5 本課程的內容 參考書目 2要求1理解數(shù)字通信系統(tǒng)的組成及其功能2理解數(shù)字通信系統(tǒng)中的關鍵技術3了解數(shù)字通信的主要特點及發(fā)展趨勢3 1.1 通信系統(tǒng)的組成和分類一、通信系統(tǒng)的概念通信的最終目的是為了有效和可靠地傳遞和交換信息。信息可以有多種多樣表現(xiàn)形式，如語音、文字、數(shù)據(jù)、圖像等。傳遞或交換信息所需的一切技術設備的總和稱為通信系統(tǒng)。5二、通信系統(tǒng)的組成6二、通信系統(tǒng)的組成1. 信源和收信者（信宿）信源(information source)是發(fā)出信息的源，是產生消

2、息的機構，消息(message)中包含著信息(information)，是用戶所關心的部分。消息本身在系統(tǒng)其它部分被轉換、復制、并處理。實際中的信源是高度復雜的物理現(xiàn)象，例如人類的語言和文字、圖像、聲響，甚至于各種控制系統(tǒng)中的傳感器等。但在通信系統(tǒng)中的信源，產生的都是電信號。信源既可以輸出離散的數(shù)字信號，也可以輸出連續(xù)的模擬信號。信宿是傳輸信息的歸宿點。7二、通信系統(tǒng)的組成2. 發(fā)送設備發(fā)送設備的基本功能是將信源和傳輸媒介匹配起來，即將信源產生的消息信號變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸媒介。變換方式是多種多樣的。例如，調制可以實現(xiàn)頻譜組成的變換，上下變頻器可以實現(xiàn)頻譜的搬移，等等。發(fā)送設備還

3、包括為達到某些特殊要求而進行的種種處理，如多路復用、保密處理、糾錯編碼處理等等。8二、通信系統(tǒng)的組成3. 傳輸媒介（信道）信道是指傳輸信號的通道，從發(fā)送設備到接收設備之間信號傳遞所經過的媒介，可以是無線的，也可以是有線的，而有線和無線又可以細分為多種傳輸媒介。信道既給信號以通路，也會對信號產生各種干擾和噪聲，傳輸媒介的固有特性和干擾噪聲都直接關系到通信的質量。9二、通信系統(tǒng)的組成4. 接收設備接收設備的基本功能是完成發(fā)送設備的反變換，即進行解調、譯碼、解密等等。它的任務是從混有噪聲和干擾的信號中正確恢復出原始消息。對于多路復用信號，還包括解除多路復用，實現(xiàn)正確分路。 10二、通信系統(tǒng)的組成討論

4、上述的通信系統(tǒng)是單向的；在多數(shù)情況下，通信的雙方需要隨時交流信息，因而要求雙向通信，例如電話通信。雙向通信時，雙方信源都兼為信宿，都要有發(fā)送設備和接收設備，要兩個方向都有各自的傳輸媒介。如果雙方共用一個傳輸媒介，則采用頻率、時間等參數(shù)進行分割以實現(xiàn)共享，如頻分雙工（FDD）、時分雙工（TDD）等。11三、通信系統(tǒng)的分類按用途常規(guī)通信控制通信按信號形式模擬通信數(shù)字通信按信道形式有線通信無線通信按傳輸方向與時間關系單工通信全雙工通信半雙工通信12三、通信系統(tǒng)的分類雙絞線同軸電纜波導光纖超長波長波短波超短波微波中繼衛(wèi)星散射有線通信無線通信 按信道形式131.2 數(shù)字通信系統(tǒng)及主要組成一、數(shù)字通信定義

5、數(shù)字通信的定義：用數(shù)字信號作為載體來傳輸消息，或用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。它可傳輸電報、?shù)據(jù)等數(shù)字信號，也可以傳輸經過數(shù)字化處理的語音和圖像等模擬信號。（參閱：中國郵電百科全書，電信卷）。學習和研究數(shù)字通信技術和理論的目的：在盡量節(jié)省資源（功率、頻率和設備成本）的條件下，優(yōu)化數(shù)字通信系統(tǒng)，提高系統(tǒng)傳輸信息的有效性和可靠性。15二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成16二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成1. 信源編碼與解碼在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源編碼的作用是將信源輸出的模擬信號變換為適合數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)字信號，即模數(shù)變換；變換過程中應盡可能準確地保留原有信息，同時盡量去除信號中的冗余，降低數(shù)字信號的

6、速率，從而提高系統(tǒng)的傳輸效率，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。信源解碼是信源編碼的反變換，完成原始信源信息的恢復。17二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成2. 加密與解密數(shù)字信號比起模擬信號來易于加密，且效果也好。加密器可以產生密碼，人為地將輸入的明文數(shù)字序列進行擾亂。在接收端對接收到的數(shù)字序列進行解密，恢復明文。 18二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成3. 信道編碼與解碼信道編碼的目的是提高通信的抗干擾能力，盡可能地減少傳輸中的差錯。因此，信到編碼也稱差錯控制編碼。差錯控制編碼：在發(fā)送端適當增加信號的冗余度,對傳輸?shù)脑夹畔匆欢ň幋a規(guī)則進行編碼，在接收端按一定的規(guī)則進行解碼，看其編碼規(guī)則是否遭到破壞，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤

7、。實現(xiàn)差錯控制編碼的方式：線性分組碼 循環(huán)碼、漢明碼、格雷碼、BCH碼、RS碼、 LDPC碼；卷積碼；級聯(lián)碼 普通級聯(lián)碼、Turbo-碼。19二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成4.調制與解調調制是把待傳輸?shù)幕鶐盘栟D換成適于信道傳輸?shù)牟ㄐ巍Ｋ脭?shù)字基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨數(shù)字基帶信號的變化而變化。解調是調制的逆變換。數(shù)字調制技術分為：ASK、FSK、PSK、CPM，以及它們的各種組合。20二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成4.調制與解調(續(xù))解調可以進行相干解調或非相干解調，前者需要知道載波的相位才能檢測，后者則不需要。對高斯噪聲下信號的檢測，一般用相關接收機或匹配濾波器。21二、數(shù)

8、字通信系統(tǒng)的組成5. 多路與多址多用戶共享通信資源，充分利用通信資源和增加總的數(shù)據(jù)通信量。采用多路技術可以使本地多個用戶共享通信資源。采用多址技術可以使遠程多個用戶共享通信資源?；镜姆椒ㄓ蓄l分、時分、碼分、空分和極化波分。22二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成6. 信道與噪聲數(shù)字信號可以在數(shù)字信道傳輸，也可以經過調制變成頻帶信號通過模擬信道傳輸。（注意狹義信道和廣義信道的概念）。信道既給傳輸?shù)男盘栆酝?，又給傳輸?shù)男盘栆韵拗坪陀绊?。當信號通過信道時，信號的功率由于信道的損耗而下降，或由于信道的畸變而失真。信號會受到信道噪聲的損害。信道中的噪聲歸納起來可分為兩種：一種是高斯噪聲；另一種是脈沖噪聲。信號還會

9、遭受出現(xiàn)在信道中的人為干擾的破壞。23二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成實際信道種類有線信道：如電話網絡的雙絞線，其主要特點：存在加性噪聲、話音串擾等。光纜信道：如光纖通信，其主要特點：帶寬寬，噪聲、干擾小。無線電磁信道：如自由空間電波傳播，其主要特點：存在多徑、衰落，噪聲干擾比較大。水下聲波信道：如聲納通信，其主要特點：頻率低，衰減大。24二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成對抗信道畸變或噪聲的方法增大信號發(fā)送功率設法消除或補償信道引起的信號失真，采用均衡、分集技術采用適當?shù)男盘栐O計技術采用信道編碼技術采用擴頻技術25二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成7. 同步位（比特）同步載波同步幀同步網同步261.3 數(shù)字通信的主要特點數(shù)字

10、通信的主要特點可以通過信源編碼技術消除冗余，降低信源輸出的數(shù)據(jù)速率； 便于進行復雜的加密處理，提高傳輸?shù)陌踩裕?可以通過增加冗余進行差錯控制編碼，提高傳輸?shù)目煽啃裕?可以研究更多更有效的調制與解調方式，同時提高有效性與可靠性；28可以采用中繼的方式進行再生，消除噪聲積累； 便于集成，使設備小型化； 便于利用計算機技術，采用軟硬件相結合的方式，研制符合軟件無線電概念的智能化通信設備； 便于利用通信協(xié)議組網； 便于實現(xiàn)多媒體通信。 數(shù)字通信的主要特點29 1.4 數(shù)字通信的主要性能指標主要性能指標有效性：在給定信道內能傳輸?shù)男畔热莸亩嗌?，主要性能指標是傳輸速率、頻帶利用率。 可靠性：接收信息的

11、準確程度，主要指標是誤碼率。有效性和可靠性是相互矛盾而又相互聯(lián)系的，通常兩者也是可以互換的。31一、傳輸速率碼元傳輸速率（RS） 簡稱傳碼率或波特率，表示單位時間（每秒）內傳輸?shù)拇a元（符號）個數(shù)，單位為波特（Baud）記為B。信息傳輸速率（Rb） 簡稱傳信率或比特率，表示單位時間（每秒）內傳送數(shù)據(jù)信息的比特數(shù)，單位為比特秒（bit/s）。 32一、傳輸速率碼元速率與信息比特速率關系二進制傳輸時，碼元傳輸速率和信息速率一致。對N進制傳輸時，其碼元傳輸速率和信息速率可以通過公式來換算： 33二、頻帶利用率(Baud/Hz)對二進制傳輸時可表示為(bit/s/Hz)34三、可靠性指標誤比特率：在傳輸

12、過程中發(fā)生的錯誤比特個數(shù)與傳輸?shù)目偙忍財?shù)之比誤碼元率：在傳輸過程中發(fā)生的錯誤碼元個數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比 35四、性能極限Shannon定理：如果信息源的信息速率Rb小于或者等于一個所謂的信道容量C，那么，在理論上存在一種方法可使信息源能夠以任意小的差錯率通過信道傳輸。如果 RbC，則沒有任何辦法傳輸這樣的信息，或者說傳輸二進制信息的差錯率為12。信道容量C是信道的極限傳輸能力。 36四、性能極限信道容量公式在被高斯白噪聲干擾的信道中，傳送的最大信息速率C，由Shannon公式確定： (bit/s)或 其中， B是信號占用的信道帶寬，S是信號功率， N是噪聲功率。n0是噪聲功率譜密度。37四、

13、性能極限1. 信道容量極限討論n0=0 或 S = ，均能使C = 。n0=0意味著無噪聲，S = 意味著發(fā)送功率要達到無窮大。要提高信道容量C，則應減小噪聲或者提高發(fā)射功率。 38四、性能極限2.信道容量與帶寬B的關系B=0， C=0，無法傳輸信息。信道容量極限：信道帶寬B趨于無窮大，信道容量C趨于一個定值，該定值稱為信道容量極限。39四、性能極限3.頻帶利用率極限當 Rb =C 時，由Shannon公式得：上式為系統(tǒng)可能的最高頻帶利用率，即頻帶利用率極限。40四、性能極限4.帶寬與信噪比互換關系當信道容量C 保持不變時，帶寬B與信噪比可以進行互換。帶寬較小的改變將會導致信號功率較大的改變。

14、帶寬和信號功率的互換，通常可由編碼和調制來實現(xiàn)。 41四、性能極限B/C(Hz/b/s)16 8 4 2 11/8-10 10 20 30 40 50 S/N(dB) 實際系統(tǒng)不可實現(xiàn)區(qū)域5.歸一化信道帶寬與信噪比關系421.5 本課程的內容所傳輸?shù)男盘柗N類多媒體化，希望聲音、圖象、文字并茂；傳輸速度越快越好；傳輸質量越高越好，包括在有干擾的條件下；隨時隨地都能進行通信，包括在移動狀態(tài)下；組成多用戶的通信網。一、通信的要求44 概述 語音編碼技術 圖像編碼技術 信道編碼技術 數(shù)字調制技術 同步技術二、本課程的內容 均衡技術 分集技術 擴頻通信技術 數(shù)字復接技術 光波調制復用技術 多址通信技術4

15、5教材與參考書教材： 數(shù)字通信技術. 張杭 等編著.人民郵電出版社 2008參考教材： （1）通信原理. 沈越弘等編著 機械工業(yè)出版社 2004 （2）數(shù)字通信基礎與應用（第二版）. Bernard Sklar著，徐平平 宋鐵成 葉芝慧等譯.電子工業(yè)出版社, 2004 （3）現(xiàn)代通信原理. 曹志剛 錢亞生. 清華大學出版社，1992 （4）現(xiàn)代通信技術. 陳顯治.電子工業(yè)出版社，2001 46教材與參考書 （5）現(xiàn)代通信理論與技術導論. 張德純等. 西安電子科技大學出版社 2004 （6）數(shù)字移動通信. 郭梯云 楊家瑋 李建東. 人民郵電出版社 1995 （7） 擴頻通信. 查光明 熊賢祚. 西安電子科技大學出版社 1990 （8）光同步數(shù)字傳送網（修訂本）. 韋樂平. 人民郵電出版社，1998 （9）現(xiàn)代光纖通信與網絡教程.張寶富 劉忠英 萬謙.北京：人民郵電出版社