數字通信原理2關于本課程目的與任務：數字通信原理為專業技術基礎課程。通過對通信系統組成、通信系統建模等基本概念、基礎知識的了解，學習和掌握通信理論和通信系統性能分析方法，掌握常用數字通信系統性能指標及其應用條件，并對現代通信技術及其發展方向有所了解，使學生具備初步從事通信系統評價及設計的能力，也為相關課程奠定基礎先修課程：隨機信號分析，信號與系統等學習方式：課堂教學/課后作業考試方式：筆試(閉卷考試)答疑：4-4453主要參考書樊昌信等編，通信原理，第6(5)版，國防工業出版社J.G.Proakis.DigitalCommunication(4rdEdition).電子工業出版社（影印版：數字通信）曹志剛等編，現代通信原理，清華大學出版社郝建軍等編，通信原理考研指導，北郵出版社4課程的基本內容緒論（2學時）隨機信號分析（3學時）信道（4學時）模擬調制系統（6學時）數字基帶傳輸系統（8學時）正弦載波數字調制系統（8學時）模擬信號的數字傳輸（7學時）數字信號的最佳接收（4學時）差錯控制編碼（6學時）5成績評定初步計劃成績評定平時作業：20%考勤：10%考試：70%6第一章緒論什么是通信？通信的發展簡史通信系統的組成通信系統的分類和通信方式信息及其度量通信系統的主要性能指標71.什么是通信?通信：交流，傳遞消息；信息的傳輸與交換信息是要表示和傳送的對象.消息是表示信息的媒體，象語言、文字、圖象、符號、聲音等。同一條信息可以用不同的消息表示。信息是包含在消息中的不確定性，即有效(有用)的東西。消息的本質和價值取決于它所包含的信息量，即對接收者的不確定性.信號是消息的承載者，信號常常由消息變換而來，它是與消息對應的某種物理量，通常是時間的函數，例如隨著時間變化的電壓(電流)。通信系統中傳送的是信號.通信就是以語言、圖像、數據為媒體，通過電(光)信號將信息由一方傳輸到另一方通信是一種產業，它生產的是一種信息在空間轉移的效應82.通信的發展簡史(1)18世紀，提出用電流進行通信的設想1838年，F.B.Morse發明有線電報1864年，J.C.Maxwell提出電磁輻射方程1876年，A.G.Bell發明電話1887年，H.R.Hertz驗證了電磁波的存在1896年，A.C.Πoπoβ，G.Marconi發明無線電報1901年，橫跨大西洋的無線通信成功1906年，LeedeForst發明真空管1918年，E.H.Armstrong發明AM廣播，超外差接收機92.通信的發展簡史(2)1925年，開始采用三路明線載波電話，多路通信1936年，E.H.Armstrong發明FM廣播1937年，A.Reeves發明PCM調制原理1938年，電視廣播開始1940-45年，二次大戰刺激了雷達和微波通信系統的發展；貝爾實驗室提出了蜂窩的概念1948年，發明了晶體三極管；統計理論建立；Shannon發表《通信的數學理論》1950年，時分多路通信應用于電話1953年，敷設了第一條越洋電話電纜（36話路）1957年，前蘇聯發射第一顆人造地球通信衛星102.通信的發展簡史(3)1958年，發明第一塊集成電路1961年，FM立體聲廣播開播1964年，第一臺全電子電話系統問世1972年，Motorola發明蜂窩電話1976年，個人PC問世1989年，“便攜式”蜂窩電話問世1990－，超大規模集成電路的大量使用，計算機和通信正向著兼容互補的方向發展113.通信系統的組成(1)通信系統模型信息源發送設備傳輸媒介接收設備受信者噪聲源123.通信系統的組成(2)模擬通信和數字通信模擬(連續)消息：狀態連續變化，例如語音，圖像數字(離散)消息：狀態可數或離散，如符號，文字，數據模擬信號：載荷消息的電參量連續取值數字信號：載荷消息的電參量離散取值模擬通信系統：信道中傳輸模擬信號，例如傳統廣播和電視數字通信系統：信道中傳輸數字信號，例如2G,3G133.通信系統的組成(3)模擬通信系統模型模擬信息源調制器信道解調器受信者噪聲源基帶信號已調信號已調信號基帶信號143.通信系統的組成(4)數字通信系統模型153.通信系統的組成(5)基帶數字通信系統模型數字信息源波形形成信道接收濾波受信者噪聲源163.通信系統的組成(5)數字通信的優點：抗干擾能力強，可消除噪聲積累；差錯可控，傳輸性能好；便于處理和管理，便于傳輸和交換便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，形成智能網；便于集成化，從而使通信設備微型化；便于加密處理，且保密程度高。數字通信的缺點：頻帶利用率低：比模擬通信占據更寬的系統頻帶。一路模擬電話：4KHz，接近同樣話音質量的一路數字電話：20-60KHz。對同步要求高，系統設備比較復雜。173.通信系統的組成(6)兩種應用利用數字通信系統傳送模擬消息A/D，D/A變換，例如電話利用模擬通信系統傳送數字信號加裝數字終端，例如調制解調器電話網因特網184.1通信系統的分類(1)根據信號特征模擬通信系統數字通信系統根據消息的物理特征（業務類型）：電話、數據、電視等根據調制方式(見表1-1)脈沖調制/基帶傳輸：周期性脈沖序列作為載波正弦波調制/頻帶傳輸：正弦型載波根據傳輸媒介有線傳輸：雙絞線、同軸電纜、光纖無線傳輸19表1-1常見的調制方式

調制方式用途連續波調制線性調制常規雙邊帶調制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中間調制方式數字調制幅度鍵控ASK數據傳輸相位鍵控數據傳輸20

調制方式

用途脈沖數字調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中低速數字電話續表（2）214.1通信系統的分類(2)根據信號復用方式頻分復用(FDM)1時間頻率234

時分復用(TDM)1時間頻率2341

碼分復用(CDM)1234時間頻率224.2點到點的通信方式(1)按消息傳送方向與時間關系單工：傳統廣播和電視、遙測、遙控、尋呼半雙工：無線電對講機(同一載頻)全雙工通信：電話發送端信道接收端發送端信道發送端接收端接收端發送端信道接收端接收端發送端信道234.2點到點的通信方式(2)按數字信號的碼元排列方法串行傳輸：遠距離數字通信并行傳輸：近距離數字通信發送設備接收設備101發送設備接收設備...244.3實際通信系統通信網和專線TTTT255信息及其度量(1)信息：消息中包含的有意義的內容信息的度量：信息量與消息的種類及重要程度無關事件的不確定程度越大，信息量越大消息x中所含信息量I與消息出現概率P(x)I(x)=I[P(x)]P(x)=1,I=0;

P(x)=0,I=若干互相獨立事件構成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量之和

I(x1,x2

,…)=I(x1)+I(x2)+…265信息及其度量(2)信息量I的定義a=2:比特(bit)a=e:奈特(nit)a=10:哈特萊275信息及其度量(3)離散消息的度量

各符號x1

x2

…

xn所包含的信息量分別為設離散信息源是一個由n個符號組成的符號集，且

每個符號所含信息量的統計平均值(平均信息量)為

信息源的熵285信息及其度量(4)信息源的最大熵如果各符號x1

x2

…

xn等概出現，即P(xi)=1/n，則有結論：信息源的最大熵，發生在每一個符號等概率出現時

用平均信息量計算消息的信息量若消息傳送的符號總數為m，則I=mH(x)(bit)

例信息源由獨立等概的符號0,1組成，n=2,H(x)=1bit/符號，符號數與比特數相等。295信息及其度量(5)例:一信息源由四個符號0,1,2,3組成，它們出現的概率分別為3/8,?,?,1/8，且每個符號的出現都是獨立的。試求某個消息201020130……(57個符號：0~23,1~14,2~13,3~7)的信息量。

方法一：

方法二：306.主要性能指標(1)有效性：系統傳輸消息的效率/通信資源(頻率、時間)的充分利用，在給定的信道內能夠容納多大的信息量，或允許傳輸多高的信息率可靠性：信息傳輸的準確程度，傳送消息的準確還原根據信息論觀點，通信系統的有效性和可靠性常常是一對矛盾。也就是說有效性很高的通信系統往往帶來可靠性不足的缺點；或者是保證了很高的可靠性，但導致有效性的降低。可靠性是矛盾的主要方面，即發送消息在接收端的準確還原。形成矛盾的根本原因：信道不理想帶寬、時間受限噪聲和干擾316.主要性能指標(2)模擬通信系統的性能指標有效性：用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征可靠性：均方誤差輸出信噪比(僅考慮加性干擾)：接收端輸出的信號平均功率與噪聲平均功率之比(SNR)電話：SNR>40dB,話音清晰度>95%電視：SNR=40~60dB326.主要性能指標(3)離散數字信號的表示離散信源的N=2k種可能狀態可以用k位二進制數字或一位N進制數字表示用時間間隔相同的信號來表示一位二進制或N進制數字這個間隔稱為符號/碼元周期間隔內的信號稱為符號/碼元(二進制或N進制)ABCD000110110123TtTt1Tt2-1Tt-2T2Tt1T2Tt1T2Tt-1T2Tt1336.主要性能指標(4)數字通信系統的性能指標：傳輸速率和差錯率符號(碼元)傳輸速率：每秒鐘傳送的符號數量，單位為“波特”(baud或B)，又稱傳碼率信息傳輸速率：每秒鐘傳送的信息速率，單位為“比特/秒”(bit/s)，又稱傳信率符號速率與信息速率之間的關系：若符號速率為Rs，信息速率為Rb，每個符號有N種可能狀態，則有Rb

＝Rslog2

N(bit/s)Rs

＝Rb/log2

N(baud)

頻帶利用率：傳輸速率與系統帶寬之比，單位為bit/s/Hz或Baud/Hz346.主要性能指標(5)誤符號率(誤碼率)：符號在傳輸系統中被傳錯的概率誤比特率(誤信率)：符號信息量在傳輸系統中被丟失的概率

35思考題和作業什么是通信？通信的目的是什么？如何進行通信？通信系統的組成以及分類？什么是模擬通信系統、數字通信系統？并比較它們的異同。衡量通信系統優劣的指標有哪些？作業：1-1，1-2，1-4，1-5，1-7，1-8,1-103637JamesClerkMaxwell

（1831-1879）

HeinrichRudolfHertz（1857-