1、數字通信原理數字通信原理課程介紹課程介紹 課程性質課程性質 ：必修：必修 考試考試 學時學時 ： 48學時學時 （理論（理論42學時，實驗學時，實驗6學時）學時） 考試形式考試形式 ：統一安排統一安排筆試（閉卷）筆試（閉卷） 考試成績分布考試成績分布 ： 總評成績總評成績=理論理論70%+實驗實驗20%+平時成績平時成績10% 先修課程先修課程 ：高等數學高等數學、 電路分析電路分析、 高頻電子線路高頻電子線路、 信號與系統信號與系統等等 后續課程后續課程 ：信息論、：信息論、 現代通信技術等現代通信技術等 數字通信原理數字通信原理課程是通信、電子課程是通信、電子信息專業大專、本科和碩士研究生

2、的一門信息專業大專、本科和碩士研究生的一門重要的專業基礎課，同時也是通信與信息重要的專業基礎課，同時也是通信與信息系統專業碩士研究生入學考試課程之系統專業碩士研究生入學考試課程之一。一。 該課程介紹了信息的傳輸、交換及該課程介紹了信息的傳輸、交換及通信網的基本原理。以講授通信網的基本原理。以講授數字通信的基數字通信的基本概念、基本原理和基本分析方法本概念、基本原理和基本分析方法為主。為主。包括數字基帶傳輸、數字頻帶傳輸、模擬包括數字基帶傳輸、數字頻帶傳輸、模擬信號的數字傳輸、數字信號的最佳接收、信號的數字傳輸、數字信號的最佳接收、差錯控制編碼、同步技術等。差錯控制編碼、同步技術等。1、“數字基

3、帶信號數字基帶信號”實驗系統；實驗系統；2、“2PSK/2DPSK ” 實驗系統；實驗系統；3、“16QAM調制解調調制解調” 實驗系統；實驗系統；開設三個實驗：開設三個實驗：第一章第一章 緒論緒論6 1.1 通信系統的組成通信系統的組成 1.2 通信系統分類與通信方式通信系統分類與通信方式 1.3 信息及其度量信息及其度量 1.4 主要性能指標主要性能指標返回主目錄返回主目錄第一章第一章 緒論緒論 1.1通信系統的組成通信系統的組成常用通信術語常用通信術語 克服距離上障礙，交換和傳遞信息。克服距離上障礙，交換和傳遞信息。通信通信:（communication)消息：消息：(message)信

4、息：信息：(Information)信號：信號：(signal）電通信電通信光通信光通信利用利用“電電”來傳遞消息的方式稱為來傳遞消息的方式稱為“電通信電通信”，簡稱，簡稱“通信通信”。第一章第一章 緒論緒論 1.1通信系統的組成通信系統的組成 有待于傳輸的語言、文字、有待于傳輸的語言、文字、 數據或圖像等。數據或圖像等。常用通信術語常用通信術語 克服距離上障礙，交換和傳遞信息。克服距離上障礙，交換和傳遞信息。 通信通信:（communication)消息：消息：(message)信息：信息：(Information)信號：信號：(signal） 離散消息：離散消息：消息狀態是可數或離散的消息

5、狀態是可數或離散的 連續消息：連續消息：消息狀態是連續變化的消息狀態是連續變化的利用利用“電電”來傳遞消息的方式稱為來傳遞消息的方式稱為“電通信電通信”，簡稱，簡稱“通信通信”。第一章第一章 緒論緒論 1.1通信系統的組成通信系統的組成 有待于傳輸的語言、文字、有待于傳輸的語言、文字、 數據或圖像等。數據或圖像等。常用通信術語常用通信術語 克服距離上障礙，交換和傳遞信息。克服距離上障礙，交換和傳遞信息。 是消息中有意義的內容。是消息中有意義的內容。 消息中所包含的人們原來不知而待知的內容。消息中所包含的人們原來不知而待知的內容。 指與消息一一對應的電量（電壓或電流），是指與消息一一對應的電量（

6、電壓或電流），是 消息的物質載體。消息的物質載體。 信息是寄托在電信號的某一參量上（信息是寄托在電信號的某一參量上（的幅度、頻的幅度、頻率、相位；率、相位；的幅度、寬度、位置）傳輸的。的幅度、寬度、位置）傳輸的。通信通信:（communication)消息：消息：(message)信息：信息：(Information)信號：信號：(signal）利用利用“電電”來傳遞消息的方式稱為來傳遞消息的方式稱為“電通信電通信”，簡稱，簡稱“通信通信”。第一章第一章 緒論緒論 1.1通信系統的組成通信系統的組成常用通信術語常用通信術語按傳輸信號分類：按傳輸信號分類：通信系統：通信系統：實現信息傳遞所需的一

7、切技術設備和傳輸媒質的總實現信息傳遞所需的一切技術設備和傳輸媒質的總 和。和。模擬通信系統模擬通信系統 第四章數字通信系統數字通信系統 第五、六、八、九、十章模擬通信的數字傳輸系統模擬通信的數字傳輸系統 第七章第一章第一章 緒論緒論本書中的通信均指電通信電通信；信號均指電信號電信號。說明：說明：通信的根本目的：通信的根本目的：在于在于傳輸含有傳輸含有信息信息的消息。的消息。 否則，就失去了通信的意義否則，就失去了通信的意義第一章第一章 緒論緒論 1.1.1通信系統的一般模型通信系統的一般模型基于點與點之間的通信系統的模型可用P2圖 1 - 1 來描述。圖1-1 通信系統的一般模型發送設備發送設

8、備信道信道接收設備接收設備受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端信息源信息源1、通信系統的模型、通信系統的模型第一章第一章 緒論緒論是消息的產生地， 2、各部分作用、各部分作用信源：信源：例如：電話機、電視攝像機和電傳機、計算機等各種數 字終端設備就是信源。前者屬于模擬信源，輸出 的是模擬信號；后者是數字信源，輸出離散的數 字信號。語言語言電信號語音電信號語音話筒話筒輸入轉換器輸入轉換器基帶信號：信號的最高頻率與最低頻率的比值遠大于基帶信號：信號的最高頻率與最低頻率的比值遠大于1 1的信號。的信號。 即即“”。作用：消息消息 原始電信號原始電信號（消息信號或基帶信號）（消息信號或基帶

9、信號）變換變換信息源信息源發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端第一章第一章 緒論緒論將信源和信道匹配起來，發送設備：發送設備：變換變換信號信號信號信號直接直接信道信道調制調制信道信道（基帶傳輸）（基帶傳輸）（頻帶傳輸）（頻帶傳輸）基帶信號：基帶信號：頻帶信號：頻帶信號：信號的頻譜從零頻率附近，信號的頻譜從零頻率附近，如語音信號為如語音信號為300-3400HZ300-3400HZ。經過調制以后的已調信號（頻帶信號）。經過調制以后的已調信號（頻帶信號）。信源：信源：作用：消息消息 原始電信號原始電信號（基帶信號）（基帶信號）作用：原始電信號原始

10、電信號 信道信號信道信號變換變換（基帶信號（基帶信號頻帶信號）頻帶信號）信息源信息源發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端第一章第一章 緒論緒論信道信道 ： 是指傳輸信號的物理媒質是指傳輸信號的物理媒質無線信道：無線信道：有線信道：有線信道：大氣（自由空間）大氣（自由空間）明線、明線、 電纜或光纖電纜或光纖發送設備：發送設備：作用：原始電信號原始電信號 信道信號信道信號基帶信號基帶信號頻帶信號頻帶信號信源：信源：作用：消息消息 原始電信號原始電信號（基帶信號）（基帶信號）信息源信息源發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備受信者受信者噪聲源噪聲

11、源發送端發送端接收端接收端第一章第一章 緒論緒論噪聲源：噪聲源：不是人為加入的設備，而是通信系統中各種設備以及不是人為加入的設備，而是通信系統中各種設備以及信道中所固有的，為了分析方便，把噪聲源視為各處信道中所固有的，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的噪聲的集中集中表現而表現而抽象加入到信道抽象加入到信道。接收設備：接收設備：是完成是完成發送設備的反變換發送設備的反變換， 即進行解調、譯碼、解即進行解調、譯碼、解碼等。它的任務是從帶有干擾的接收信號中正確恢碼等。它的任務是從帶有干擾的接收信號中正確恢復出相應的原始基帶信號來，對于多路復用信號，復出相應的原始基帶信號來，對于多路復用信號，還包括

12、解除多路復用，實現正確分路。還包括解除多路復用，實現正確分路。 作用：信道信號信道信號 原始電信號原始電信號有噪聲有噪聲還原還原信息源信息源發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端第一章第一章 緒論緒論 圖圖1-11-1概括地描述了一個通信系統的組成，它反映了通信系統的共性，概括地描述了一個通信系統的組成，它反映了通信系統的共性，因此稱之為通信系統的一般模型。根據研究的對象以及所關注的問題不因此稱之為通信系統的一般模型。根據研究的對象以及所關注的問題不同，同， 圖圖1-11-1模型中的各小方框的內容和作用將有所不同，因而相應有不模型中的各小方框的

13、內容和作用將有所不同，因而相應有不同形式的更具體的通信模型。今后的討論就是圍繞著通信系統的模型而同形式的更具體的通信模型。今后的討論就是圍繞著通信系統的模型而展開的。展開的。 是傳輸信息的歸宿點是傳輸信息的歸宿點受信者（信宿）：受信者（信宿）：作用：復原的復原的原始電信號原始電信號 消息消息 還原還原電信號語音電信號語音語言語言聽筒聽筒輸出轉換器輸出轉換器例如：信息源信息源發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端第一章第一章 緒論緒論 消息的傳遞是通過它的物質載體消息的傳遞是通過它的物質載體電信號來實現的，電信號來實現的， 即把消息寄托在電信號的

14、某一參量上（如連續波的幅度、頻即把消息寄托在電信號的某一參量上（如連續波的幅度、頻率或相位；率或相位； 脈沖波的幅度、寬度或位置）。脈沖波的幅度、寬度或位置）。1.1.2模擬通信模型和數字通信模型模擬通信模型和數字通信模型離散消息：離散消息：連續消息：連續消息：消息消息連續消息是指消息的狀態連續變化或是不可連續消息是指消息的狀態連續變化或是不可數的，如語言、活動圖片等。數的，如語言、活動圖片等。離散消息則是指消息的狀態是可數的或離散離散消息則是指消息的狀態是可數的或離散的，的， 如符號、數據等。如符號、數據等。第一章第一章 緒論緒論數字信號：數字信號：模擬信號：模擬信號：信號信號凡信號參量的取

15、值是連續的或取無窮多個值凡信號參量的取值是連續的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應的信號。的，且直接與消息相對應的信號。如電話機如電話機送出的語音信號、電視攝像機輸出的圖像信送出的語音信號、電視攝像機輸出的圖像信號等。號等。凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相對應的信號，均稱為數字信號接與消息相對應的信號，均稱為數字信號，如電報信號、計算機輸入如電報信號、計算機輸入/輸出信號、輸出信號、PCM信信號等。號等。模擬信號與數字信號的區別：模擬信號與數字信號的區別：模擬信號參量（幅度等）連續；模擬信號參量（幅度等）連續； 數字信號參量（幅度等）離散

16、。數字信號參量（幅度等）離散。第一章第一章 緒論緒論 圖 1 2 模擬信號波形 模擬信號模擬信號有時也稱有時也稱連續信號連續信號f (nT )tPAM信號(b)OOf (t)t(a)連續變化，連續變化，在某一取值范圍內可以取無窮多個值在某一取值范圍內可以取無窮多個值連續連續指信號的某一參量指信號的某一參量抽樣信號抽樣信號時間連續信號時間連續信號第一章第一章 緒論緒論 時間連續信號時間連續信號注意：幅注意：幅度離散度離散 圖 1 -3數字信號波形2PSK波形 100110111001Of (nT )t00111001數字信息PSK波形(a)(b)二進制波形；注意：相注意：相位離散位離散數字信號數

17、字信號有時也稱有時也稱離散信號離散信號 離散離散：指信號的某一參量離散變化：指信號的某一參量離散變化第一章第一章 緒論緒論*按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號， 可相應地可相應地把通信系統分為把通信系統分為模擬通信系統模擬通信系統和和數字通信系統。數字通信系統。 1. 模擬通信系統模型模擬通信系統模型模擬通信系統：模擬通信系統：是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統。是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統。圖圖 1-4 模擬通信系統模型模擬通信系統模型信息源信息源調制器調制器信道信道解調器解調器受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端第一章第一章 緒

18、論緒論*按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號， 可相應地可相應地把通信系統分為把通信系統分為模擬通信系統模擬通信系統和和數字通信系統。數字通信系統。 1. 模擬通信系統模型模擬通信系統模型模擬通信系統：模擬通信系統：是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統。是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統。圖圖 1-4 模擬通信系統模型模擬通信系統模型發送設發送設備備接收設接收設備備信息源信息源發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端信息源信息源調制器調制器信道信道解調器解調器受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端

19、第一章第一章 緒論緒論 1. 模擬通信系統模型模擬通信系統模型圖圖 1-4 模擬通信系統模型模擬通信系統模型原始電信號原始電信號消息消息變換變換信道信道語音信號、語音信號、圖像信號圖像信號反變換反變換原始電信號原始電信號消息消息調制調制解調解調（基帶信號）（基帶信號）發送設發送設備備接收設接收設備備（頻帶信號）（頻帶信號）信息源信息源調制器調制器信道信道解調器解調器受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端第一章第一章 緒論緒論完成這種完成這種變換變換和和反變換反變換作用的通常是作用的通常是調制器調制器和和解調器解調器 需要指出需要指出：消息從發送端到接收端的傳遞過程中，不僅僅：消息從發

20、送端到接收端的傳遞過程中，不僅僅只有連續只有連續消息消息與與基帶基帶信號和信號和基帶基帶信號與信號與頻帶頻帶信號之間的兩種信號之間的兩種變換，實際通信系統中可能還有變換，實際通信系統中可能還有等過程。由于調制與解調兩種變換對信號的變化起決定性等過程。由于調制與解調兩種變換對信號的變化起決定性作用，而其他過程對信號作用，而其他過程對信號，只是對信號進，只是對信號進行了放大或改善了信號特性，因而被認為是理想的而不予討行了放大或改善了信號特性，因而被認為是理想的而不予討論。論。第一章第一章 緒論緒論已調信號有三個基本特征：已調信號有三個基本特征： 攜帶有信息攜帶有信息適合在信道中傳輸適合在信道中傳輸

21、信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調信信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調信 號又稱頻帶信號。號又稱頻帶信號。 調制器調制器基帶信號基帶信號已調信號已調信號第一章第一章 緒論緒論 2 數字通信系統模型數字通信系統模型是利用數字信號來傳遞信息的通信系統。是利用數字信號來傳遞信息的通信系統。數字通信系統：數字通信系統：圖圖 1 5 數字通信系統模型數字通信系統模型信息源信源編碼器信道編碼器數字調制器信道數字解調器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源第一章第一章 緒論緒論信源編碼的作用之一信源編碼的作用之一：是設法減少：是設法減少碼元數目碼元數目和降低和降低碼元速率碼元速率，

22、即通常所說的即通常所說的。碼元速率將直接影響傳輸所占的。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶帶寬寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。有效性。各部分技術介紹：各部分技術介紹：1) 信源編碼與譯碼信源編碼與譯碼作用之二是：作用之二是：當信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼當信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼器將其轉換成數字信號器將其轉換成數字信號（），以實現模擬信號的數，以實現模擬信號的數字化傳輸。第字化傳輸。第6章中將討論模擬信號數字化傳輸的兩種方式：章中將討論模擬信號數字化傳輸的兩種方式：脈沖編碼調制脈沖編碼調制(PCM)和增量調制和增量調制(M)。信息源信源

23、編碼器信道編碼器數字調制器信道數字解調器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源信源譯碼是信源編碼的逆過程。信源譯碼是信源編碼的逆過程。第一章第一章 緒論緒論 2） 信道編碼與譯碼信道編碼與譯碼 數字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾數字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起差錯。為了減少差錯，信道編碼器等，將會引起差錯。為了減少差錯，信道編碼器對傳輸的信對傳輸的信息碼元按一定的規則加入保護成分（監督元），組成所謂息碼元按一定的規則加入保護成分（監督元），組成所謂“”。接收端的信道譯碼器按一定規則進行解碼，接收端的信道譯碼器按一定規則進行解碼，從解碼過程中發現錯誤或從解碼過

24、程中發現錯誤或糾糾正正錯錯誤，從而提高通信系統誤，從而提高通信系統抗干抗干擾能力擾能力，實現可靠通信實現可靠通信。信息源信源編碼器信道編碼器數字調制器信道數字解調器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源各部分技術介紹：各部分技術介紹：第一章第一章 緒論緒論 在需要實現保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全，在需要實現保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全， 人為將被傳輸的數字序列擾亂人為將被傳輸的數字序列擾亂， 即加上密碼，這種處理過程即加上密碼，這種處理過程叫加密。在接收端利用與發送端相同的密碼復制品對收到的叫加密。在接收端利用與發送端相同的密碼復制品對收到的數字序列進行解密，恢復原來信息，叫解密

25、。數字序列進行解密，恢復原來信息，叫解密。 3） 加密與解密加密與解密各部分技術介紹：各部分技術介紹：信息源信源編碼器信道編碼器數字調制器信道數字解調器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源第一章第一章 緒論緒論4） 數字調制與解調數字調制與解調 數字調制就是把數字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，數字調制就是把數字基帶信號的頻譜搬移到高頻處， 形成形成適合在信道中傳輸的頻帶信號適合在信道中傳輸的頻帶信號。基本的數字調制方式有振幅鍵。基本的數字調制方式有振幅鍵控控ASK、頻移鍵控、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控、絕對相移鍵控PSK、相對（差分）相、相對（差分）相移鍵控移鍵控DPSK。對這些信號可以采用相干解

26、調或非相干解調還。對這些信號可以采用相干解調或非相干解調還原為數字基帶信號。第原為數字基帶信號。第7章中介紹。章中介紹。各部分技術介紹：各部分技術介紹：信息源信源編碼器信道編碼器數字調制器信道數字解調器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源第一章第一章 緒論緒論 同步是保證數字通信系統有序、準確、可靠工作的不可缺同步是保證數字通信系統有序、準確、可靠工作的不可缺少的前提條件。少的前提條件。同步是使收、發兩端的信號在時間上保持步調同步是使收、發兩端的信號在時間上保持步調一致一致。按照同步的功用不同，可分為。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同載波同步、位同步、群同步和網同步步和網同步，這些

27、問題將集中在第，這些問題將集中在第11章中討論。章中討論。 5） 同步與數字復接同步與數字復接數字復接：數字復接：就是依據時分復用基本原理把若干個就是依據時分復用基本原理把若干個低速數字信號低速數字信號合并成一個高速的數字信號合并成一個高速的數字信號，以擴大傳輸容量和提高傳輸效率。，以擴大傳輸容量和提高傳輸效率。 復用與復接概念將在第復用與復接概念將在第10章中介紹。章中介紹。第一章第一章 緒論緒論 圖圖 1 - 5 是數字通信系統的一般化模型，是數字通信系統的一般化模型， 實際的數字通信實際的數字通信系統不一定包括圖系統不一定包括圖 1 - 5中的所有環節。中的所有環節。 如在某些有線信道中

28、，如在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠且通信容量不太大時，若傳輸距離不太遠且通信容量不太大時， 數字基帶信號無需數字基帶信號無需調制，可以直接傳送，稱之為數字信號的調制，可以直接傳送，稱之為數字信號的基帶傳輸基帶傳輸，其模型中，其模型中就不包括調制與解調環節，詳見第就不包括調制與解調環節，詳見第5章。章。說明：說明：信息源信源編碼器信道編碼器數字調制器信道數字解調器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源第一章第一章 緒論緒論應該指出的是：應該指出的是：模擬信號經過數字編碼后可以在數字通信系統中傳輸，數字模擬信號經過數字編碼后可以在數字通信系統中傳輸，數字電話系統就是以數字方式傳輸模擬語音信號的例子。

29、電話系統就是以數字方式傳輸模擬語音信號的例子。數字信號也可以在模擬通信系統中傳輸，如計算機數據可以通數字信號也可以在模擬通信系統中傳輸，如計算機數據可以通過模擬電話線路傳輸，但這時必須使用過模擬電話線路傳輸，但這時必須使用調制解調器調制解調器（Modem）將數字基帶信號進行正弦調制，以適應模擬信道的傳輸特性。將數字基帶信號進行正弦調制，以適應模擬信道的傳輸特性。可見，可見，模擬通信與數字通信的區別僅在于信道中傳輸的信號種模擬通信與數字通信的區別僅在于信道中傳輸的信號種類。類。第一章第一章 緒論緒論 3. 數字通信的主要特點數字通信的主要特點 （1） 抗干擾能力強抗干擾能力強在遠距離傳輸，如微波

30、中繼通信時，各中繼站可利用數字通在遠距離傳輸，如微波中繼通信時，各中繼站可利用數字通信特有的信特有的判決再生判決再生接收方式，對數字信號波形進行接收方式，對數字信號波形進行整形再生整形再生而而消除噪聲積累消除噪聲積累。 （2） 差錯可控差錯可控可以采用信道編碼技術使誤碼率降低，可以采用信道編碼技術使誤碼率降低， 提高傳輸的可靠性。提高傳輸的可靠性。優點：優點：第一章第一章 緒論緒論（3） 易于與各種數字終端接口，用現代計算技術對信號易于與各種數字終端接口，用現代計算技術對信號進行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網。進行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網。 （4） 易于集成化，易于集成化

31、， 從而使通信設備微型化。從而使通信設備微型化。 （5） 易于加密處理，易于加密處理， 且保密強度高。且保密強度高。 第一章第一章 緒論緒論 不過，隨著新的寬帶傳輸信道（如光導纖維）的采用、不過，隨著新的寬帶傳輸信道（如光導纖維）的采用、 窄帶調制技術和超大規模集成電路的發展，數字通信的這些窄帶調制技術和超大規模集成電路的發展，數字通信的這些缺點已經弱化。缺點已經弱化。（2）由于數字通信對同步要求高，因而系統設備比較復雜。）由于數字通信對同步要求高，因而系統設備比較復雜。（1）系統頻帶寬）系統頻帶寬缺點：缺點： 以電話為例，一路模擬電話通常只占據以電話為例，一路模擬電話通常只占據4kHz帶寬，

32、但一路帶寬，但一路接近同樣話音質量的數字電話可能要占據接近同樣話音質量的數字電話可能要占據 2060kHz的帶寬，的帶寬，因此數字通信的因此數字通信的。第一章第一章 緒論緒論38通信系統的一般模型信息源信息源發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端作用：傳輸信號傳輸信號信源：信源：發送設備：發送設備：信道：信道：接收設備：接收設備：受信者：受信者：作用：信道信號信道信號 原始電信號原始電信號還原還原作用：復原的復原的原始電信號原始電信號 消息消息 還原還原作用：消息消息 原始電信號原始電信號（基帶信號）（基帶信號）變換變換作用：原始電信號原始電信

33、號 信道信號信道信號基帶信號基帶信號頻帶信號頻帶信號變換變換第一章第一章 緒論緒論39模擬通信系統模型模擬通信系統模型信息源信息源調制器調制器信道信道解調器解調器受信者受信者噪聲源噪聲源發送端發送端接收端接收端數字通信系統模型數字通信系統模型信息源信源編碼器信道編碼器數字調制器信道數字解調器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源第一章第一章 緒論緒論40數字通信的主要特點數字通信的主要特點 （1） 抗干擾能力強抗干擾能力強（2） 差錯可控差錯可控（3） 易于與各種數字終端接口易于與各種數字終端接口（4） 易于集成化易于集成化（5） 易于加密處理易于加密處理優點：優點：（2）系統設備比較復雜。）系統設

34、備比較復雜。（1）系統頻帶寬）系統頻帶寬缺點：缺點：第一章第一章 緒論緒論1.2通信系統分類與通信方式通信系統分類與通信方式 1.2.1通信系統的分類通信系統的分類1 按通信業務分類按通信業務分類按通信業務按通信業務話務通信話務通信非話務通信非話務通信（電話業務在電信領域中一直占主（電話業務在電信領域中一直占主 導導 地位，它屬于人與人之間的通信）地位，它屬于人與人之間的通信）分組數據業務、計算機通信、數據分組數據業務、計算機通信、數據庫檢索、電子信箱、電子數據交換、庫檢索、電子信箱、電子數據交換、傳真存儲轉發、可視圖文及會議電傳真存儲轉發、可視圖文及會議電視、圖像通信等視、圖像通信等第一章第

35、一章 緒論緒論2 按調制方式分類按調制方式分類是否采用調制是否采用調制基帶傳輸：基帶傳輸：頻帶傳輸：頻帶傳輸：是將未經調制的信號直接傳送，是將未經調制的信號直接傳送，如音頻市內電話。如音頻市內電話。是對各種信號調制后傳輸的總稱。是對各種信號調制后傳輸的總稱。連連續續載載波波調調制制脈沖數字調制脈沖數字調制第一章第一章 緒論緒論 調 制 方 式 用途 連連續續載載波波調調制制線性調制常規雙邊帶調制AM廣播 抑制載波雙邊帶調幅 立體聲廣播 單邊帶調幅SSB 載波通信、無線電臺、數傳 殘留邊帶調幅VSB 電視廣播、 數傳、 傳真 非線性調制頻率調制FM 微波中繼、衛星通信、廣播 相位調制PM 中間調

36、制方式 數字調制幅度鍵控ASK 數據傳輸 相位鍵控PSK、 DPSK、 QPSK等 數據傳輸、 數字微波、 空間通信 其他高效數字調制QAM、 MSK等 數字微波、 空間通信 表表 1- 1常見的調制方式常見的調制方式第一章第一章 緒論緒論 調 制 方 式 用途 脈脈沖沖數數字字調調制制數字調制相位鍵控PSK、 DPSK、 QPSK等 數據傳輸、 數字微波、 空間通信 其他高效數字調制QAM、 MSK等 數字微波、 空間通信 脈沖模擬調制脈幅調制PAM 中間調制方式、 遙測 脈寬調制PDM(PWM) 中間調制方式 脈位調制PPM 遙測、 光纖傳輸 脈沖數字調制脈碼調制PCM 市話、 衛星、 空

37、間通信 增量調制DM 軍用、 民用電話 差分脈碼調制DPCM 電視電話、 圖像編碼 其他語言編碼方式ADPCM、 APC、 LPC 中低速數字電話 續表（續表（2）第一章第一章 緒論緒論按照信道中所傳輸的是模擬信號還是數字信號，按照信道中所傳輸的是模擬信號還是數字信號， 相應地把通相應地把通信系統分成信系統分成模擬通信系統模擬通信系統和和數字通信系統數字通信系統。3 按信號特征分類按信號特征分類4 按傳輸媒質分類按傳輸媒質分類有線有線通信系統：通信系統：無線無線通信系統：通信系統：是用導線（如架空明線、同軸電纜、是用導線（如架空明線、同軸電纜、 光導纖光導纖維、波導等）作為傳輸媒質完成通信的，

38、如維、波導等）作為傳輸媒質完成通信的，如市內電話、市內電話、 有線電視、海底電纜通信等。有線電視、海底電纜通信等。是依靠電磁波在空間傳播達到傳遞消息的目的是依靠電磁波在空間傳播達到傳遞消息的目的的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛星的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛星中繼等。中繼等。 第一章第一章 緒論緒論 按通信設備的工作頻率不同可分為按通信設備的工作頻率不同可分為長波通信長波通信、 中波通中波通信、信、 短波通信、短波通信、 遠紅外線通信遠紅外線通信等。表等。表 1 -2 列出了通信使用列出了通信使用的頻段、的頻段、 常用的傳輸媒質及主要用途。常用的傳輸媒質及主要用途。 5 按工作波

39、段分類按工作波段分類工作波長和頻率的換算公式為工作波長和頻率的換算公式為 =式中，式中， 為工作波長，為工作波長， f為工作頻率，為工作頻率， c為光速。為光速。)()/(1038Hzfsmfc第一章第一章 緒論緒論頻率范圍頻率范圍 波長 符號 傳輸媒質 用途3 Hz30 kHz 104108 m 甚低頻VLF 有線線對長波無線電 音頻、電話、數據終端長距離導航、時標 30300 kHz 103104 m 低頻LF 有線線對長波無線電 導航、 信標、 電力線通信 300 kHz3 MHz 102103 m 中頻MF 同軸電纜短波無線電 調幅廣播、移動陸地通信、業余無線電 330 MHz 101

40、02 m 高頻HF 同軸電纜短波無線電 移動無線電話、 短波廣播定點軍用通信、 業余無線電 30300 MHz 110 m 甚高頻VHF 同軸電纜米波無線電 電視、 調頻廣播、 空中管制、 車輛、 通信、 導航 表表 1 2 通信波段與常用傳輸媒質通信波段與常用傳輸媒質第一章第一章 緒論緒論續表（續表（2）頻率范圍 波長 符號 傳輸媒質 用途300 MHz3 GHz 10100 cm 特高頻UHF 波導分米波無線電 微波接力、 衛星和空間通信、 雷達 330 GHz 110 cm 超高頻SHF 波導厘米波無線電 微波接力、 衛星和空間通信、 雷達 30300 GHz 110 mm 極高頻EHF

41、 波導毫米波無線電 雷達、 微波接力、 射電天文學 107108 GHz 310-5 310-4 cm 紫外可見光紅外 光纖激光空間傳播 光通信 第一章第一章 緒論緒論6 按信號復用方式分類按信號復用方式分類頻分復用：頻分復用：FDM時分復用：時分復用：TDM碼分復用：碼分復用：CDM是用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻率范圍，是用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻率范圍，用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區間，用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區間，是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號，是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號，傳統的模擬通信中都采用頻分復用。傳統的模擬通信中都采用

42、頻分復用。碼分復用主要用于空間通信的擴頻通信中。碼分復用主要用于空間通信的擴頻通信中。 數字通信中都采用時分復用。數字通信中都采用時分復用。第一章第一章 緒論緒論50 1.2.2通信方式通信方式 1 按消息傳遞的方向與時間關系分按消息傳遞的方向與時間關系分單工通信：單工通信： 指消息只能指消息只能單方向傳輸單方向傳輸的工作方式的工作方式只占用一個信道只占用一個信道發端發端信信 道道收端收端(a) 單工單工AB 實例：廣播、遙測、遙控、無線尋呼等。實例：廣播、遙測、遙控、無線尋呼等。第一章第一章 緒論緒論51半雙工通信：半雙工通信： 指通信雙方都能收發消息，但指通信雙方都能收發消息，但不能同時不

43、能同時進行進行收和發收和發的工作方式的工作方式發端發端信信 道道收端收端發端發端收端收端(b)半雙工半雙工AB實例：同一載頻的對講機，收發報機以及問詢、檢索等。實例：同一載頻的對講機，收發報機以及問詢、檢索等。第一章第一章 緒論緒論52發端發端信信 道道收端收端發端發端收端收端信信 道道(c)全雙工全雙工全雙工通信：全雙工通信：指通信雙方可指通信雙方可同時同時進行進行收發收發消息的工作方式消息的工作方式一般一般是雙向信道是雙向信道實例：普通電話、手機、計算機之間的高速數據通信等。實例：普通電話、手機、計算機之間的高速數據通信等。AB第一章第一章 緒論緒論53 2 按數字信號排列順序分按數字信號

44、排列順序分串行傳輸串行傳輸：并行傳輸并行傳輸：代表信息的數字序列以串行方式一個接一個地代表信息的數字序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸。在一條信道上傳輸。遠距離遠距離數字數字通信通信多采用。多采用。發送設備接收設備101(b)發送設備接收設備(a)第一章第一章 緒論緒論54 2 按數字信號排列順序分按數字信號排列順序分串行傳輸串行傳輸：并行傳輸并行傳輸：數字序列分組后，以分組的方式在多條并行信道數字序列分組后，以分組的方式在多條并行信道上同時傳輸。上同時傳輸。代表信息的數字序列以串行方式一個接一個地代表信息的數字序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸。在一條信道上傳輸。優點：節省傳

45、輸時間優點：節省傳輸時間缺點：需要傳輸信道多，缺點：需要傳輸信道多， 設備復雜，設備復雜， 成本高成本高應用：一般適用于計算機和其他應用：一般適用于計算機和其他高速高速數字系統，數字系統，特別適用于設備之間的特別適用于設備之間的近距離通信近距離通信。 遠距離遠距離數字數字通信通信多采用。多采用。發送設備接收設備10 1(b )發送設備接收設備(a )第一章第一章 緒論緒論551.3 信息及其度量信息及其度量信號是消息的載體，信息是消息的內涵信號是消息的載體，信息是消息的內涵信息：消息中包含的不確定性的（有意義的）內容信息：消息中包含的不確定性的（有意義的）內容信息含量就是對消息中這種不確定性的

46、度量信息含量就是對消息中這種不確定性的度量一、信息的概念一、信息的概念信息量：衡量各不同消息中包含信息的多少。信息量：衡量各不同消息中包含信息的多少。 消息中消息中 信息的多少。信息的多少。第一章第一章 緒論緒論561.3 信息及其度量信息及其度量讓我們來感覺三條消息：讓我們來感覺三條消息：二、信息的度量二、信息的度量 根據概率論知識，事件的根據概率論知識，事件的不確定性不確定性可用事件出現的可用事件出現的概率來概率來描述描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此， 消消息中包含的信息量與消息發生的概率密切相關。息中包含的信息量與消息發生的概

47、率密切相關。消息出現的概率越小，消息中包含的信息量就越大。消息出現的概率越小，消息中包含的信息量就越大。 明天正常上課；（必然事件）明天正常上課；（必然事件） 明天上實驗課；明天上實驗課； 明天不上課，統一在樓頂看日食（不可能事件）明天不上課，統一在樓頂看日食（不可能事件）第一章第一章 緒論緒論57設：設：P(x)是一個是一個消息消息x發生的發生的概率概率，I是從該消息獲悉的是從該消息獲悉的信息信息，根，根據上面的認知，據上面的認知， I與與P(x) 關系：關系： （1） 信息量是概率的函數，信息量是概率的函數， 即即 I=fP(x)（3）信息具有相加性，）信息具有相加性，若干個互相獨立事件構

48、成的消息，若干個互相獨立事件構成的消息， 所含信息量等于各獨立所含信息量等于各獨立事件信息量之和，即事件信息量之和，即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+（2） P(x)越小，越小， I越大；越大； P(x)越大，越大， I越小，越小， 且且 P(x)1時，時， I0 P(x)0時，時， I1.3 信息及其度量信息及其度量二、信息的度量二、信息的度量第一章第一章 緒論緒論58推論：信息量推論：信息量I與消息出現的概率與消息出現的概率P(x)之間的關系之間的關系（哈特萊計算公式）（哈特萊計算公式） I=loga = - loga P(x) (1.3 - 1)(1xp信息量的單位

49、與對數底數信息量的單位與對數底數a有關：有關： a=e時，信息量的單位為奈特時，信息量的單位為奈特(nit)； a=10時，信息量的單位為哈特萊時，信息量的單位為哈特萊(H) 。1.3 信息及其度量信息及其度量二、信息的度量二、信息的度量P(x) a=2時，信息量的單位為比特時，信息量的單位為比特(bit)；用于數字通信用于數字通信用于模擬通信用于模擬通信是十進制單位是十進制單位第一章第一章 緒論緒論59例例11 設二進制離散信源，以相等的概率發送數字設二進制離散信源，以相等的概率發送數字0或或1，則信源每個輸出的信息含量為多少？，則信源每個輸出的信息含量為多少？211解：解：I(0)=I(1

50、)=log2 =log22=1 (bit) (1.3 - 2)可見：傳等概的二進制波形之一（可見：傳等概的二進制波形之一（P=1/2）的信息量為）的信息量為1比特。比特。 類推：傳等概的四進制波形之一（類推：傳等概的四進制波形之一（P=1/4）的信息量為）的信息量為2比特，比特， 傳等概的八進制波形之一（傳等概的八進制波形之一（P=1/8）的信息量為）的信息量為3比特，比特，每一個四進制波形要用每一個四進制波形要用2個二進制脈沖表示；個二進制脈沖表示；每一個八進制波形至少要用每一個八進制波形至少要用3個二進制脈沖表示。個二進制脈沖表示。 第一章第一章 緒論緒論60總結：總結：M進制離散信源，等

51、概（進制離散信源，等概（P=1/M）傳送）傳送M個獨立出現的個獨立出現的波形符號，則傳送波形符號，則傳送M進制波形之一的信息量為進制波形之一的信息量為p1M11I= log2 = log2 = log2 M(bit) (1.3 - 3)P P為每一個波形出現的概率，為每一個波形出現的概率， M M為傳送的波形數為傳送的波形數特殊的：若特殊的：若M是是2的整數次冪，的整數次冪，M=2K（K=1，2，3， ）I=log2 2K=K (bit) (1.3 - 4)M為進制數，為進制數，K是每多進制符號等價的二進制脈沖數目是每多進制符號等價的二進制脈沖數目等概等概情況情況第一章第一章 緒論緒論61設：

52、離散信源是一個由設：離散信源是一個由n個符號組成的符號集，個符號組成的符號集， 每個符號每個符號xi(i=1, 2, 3, , n)出現的概率為出現的概率為P(xi)，且有，且有 P(xi)=1ni 1非等概情況非等概情況傳傳m個符號個符號總信息量總信息量為：為：I=I1+I2+I3+ImI1、I2、Im表示第表示第1、2m個所傳符號的信息量個所傳符號的信息量每個符號的平均信息量每個符號的平均信息量=I/m則：則：x1, x2, , xn 所含信息量分別為所含信息量分別為-log2P(x1), -log2P(x2)，-log2P(xn)m值很大時候，不容易計算值很大時候，不容易計算第一章第一章

53、 緒論緒論62H(x)=P(x1)-log2P(x1)+P(x2)-log2P(x2)+P(xn)-log2P(xn)設：離散信源是一個由設：離散信源是一個由n個符號組成的符號集，個符號組成的符號集， 每個符號每個符號xi(i=1, 2, 3, , n)出現的概率為出現的概率為P(xi)，且有，且有 P(xi)=1ni 1符號）/)(log)(21bitxpxpinii由于由于H同熱力學中的熵形式一樣，同熱力學中的熵形式一樣， 故故平均信息量平均信息量=信息源的熵信息源的熵，其單位為，其單位為bit/符號符號。 非等概情況非等概情況每個符號所含信息量的每個符號所含信息量的統計平均統計平均值，即

54、值，即平均信息量平均信息量為為則：則：x1, x2, , xn 所含信息量分別為所含信息量分別為-log2P(x1), -log2P(x2)，-log2P(xn)第一章第一章 緒論緒論63此消息中，此消息中，0出現出現23次，次，1出現出現14次，次，2出現出現13次，次，3出出 現現7次，共有次，共有57個符號，個符號，思考思考：什么情況下，信源的熵有最大值？什么情況下，信源的熵有最大值？例例1-2一離散信源由一離散信源由0， 1， 2， 3四個符號組成，它們出現的概四個符號組成，它們出現的概率分別為率分別為3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每個符號的出現都是獨立的。試求，且每個符號的

55、出現都是獨立的。試求某消息某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的的信息量信息量。解法一：解法一：總信息量為：總信息量為：)(1088log74log134log1438log232222bitI 每個符號的算術平均信息量為每個符號的算術平均信息量為符號位）符號位/(89. 157108bitII第一章第一章 緒論緒論64符號位）符號位/(89. 157108bitII用熵的概念來計算，用熵的概念來計算，81log8141log4183log83222H符號位）/(906. 1bit評注評注 一條由一條由m個符號

56、構成的消息，其總信息量個符號構成的消息，其總信息量I=m*Hbit。H(x)=P(x1)-log2P(x1)+P(x2)-log2P(x2)+P(xn)-log2P(xn)解法二：解法二：試分析等概率傳輸時信源的熵試分析等概率傳輸時信源的熵等概率傳輸時信源為最大熵等概率傳輸時信源為最大熵第一章第一章 緒論緒論65 可見，兩種算法的結果有一定誤差，但當消息很長時可見，兩種算法的結果有一定誤差，但當消息很長時（m很大），很大）， 用熵的概念來計算比較方便。用熵的概念來計算比較方便。 而且隨著消息而且隨著消息序列長度的增加，序列長度的增加， 兩種計算誤差將趨于零。兩種計算誤差將趨于零。 以上我們介紹

57、了離散消息所含信息量的度量方法。以上我們介紹了離散消息所含信息量的度量方法。 對于對于連續消息，信息論中有一個重要結論，就是任何形式的待傳連續消息，信息論中有一個重要結論，就是任何形式的待傳信息都可以用二進制形式表示而不失主要內容。因此，以上信息都可以用二進制形式表示而不失主要內容。因此，以上信息量的定義和計算同樣適用于連續信號（先抽樣、數字信息量的定義和計算同樣適用于連續信號（先抽樣、數字化）。化）。第一章第一章 緒論緒論總結：總結：1.傳等概獨立二進制，每一波形信息量為傳等概獨立二進制，每一波形信息量為1比特。比特。 2.等概時等概時 且信息熵最大且信息熵最大Hmax = log2 M(bit/符號符號) 3.非等概時非等概時 H I總總=m*Hbit。p1M11I= log2 = log2 = log2 M(bit)符號）/)(log)(21bitxpxpinii第一章第一章 緒論緒論671.4主要性能指標主要性能指標通信的任務是快速、準確地傳遞信息通信的任務是快速、準確地傳遞信息*衡量一個通信系統優劣的主要性能指標是系統的衡量一個通信系統優劣的主要性能指標是系統的有效性有效性和和可靠性可靠性有效性有效性是指在給定信道內所傳輸的信息內容的是指在給定信道內所傳輸的信息內容的 多少，或者說是傳輸的多少，或者說是傳輸的“速度速度”問題。問題。可靠性可靠性是指接收