数字通信原理第1章绪论.ppt

1,是通信工程、无线电工程、信息工程、计算机通信、图像处理与传输等专业的必修专业基础课。,课 程 介 绍,本课程主要介绍现代通信系统所涉及的基础理论、通信中常用的信号及噪声分析、通信系统的构成、原理及性能分析。,2,信息与通信工程两个二级学科排名：第一名：清华大学第二名：西安电子科技大学第三名：北京邮电大学,学 科 排 名,曹志刚 现代通信原理 清华大学出版社樊昌信等 通信原理 国防工业出版社李白萍,吴东梅通信原理与技术人民邮电出版社 张传生等 数字通信原理 西安交通大学出版社徐台松等 数字通信原理 电子工业出版社,参考网址：,参 考 教 材,通信原理学习网站 通信原理网络课程现代通信系统原理网络课程 通信原理扩展知识网站移动通信在线通信人家园研学论坛通信世界网中国通信资源网http:/联邦通信委员会,参 考 网 站,信息论基础 信源编码 基带传输系统 调制与解调 差错控制技术 同步技术,学 习 内 容,掌握数字通信的基本原理，对信息的表示、信道的通信能力、信源的编码、信道的编码以及同步原理有基本的了解。对通信系统的有效性和可靠性的分析，并能根据一定的参数要求，设计相应的数字通信系统。,学 习 目 的,1.1 引言 1.2 通信系统的基本模型 1.3 通信系统分类与通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系统的主要性能指标 习题 本章重点 本章思考,第 1 章 绪论,常用通信术语 模拟信号与数字信号的区别 通信系统的组成和分类、通信方式 数字通信系统的主要特点 离散消息的信息量，平均信息量（信源熵）通信系统的主要性能指标,学习目标,9,1.1 引言,通信:信息（或消息）的传输和交换。（要求准确、迅速）,1、几个概念,消息：信息的物理表现形式。如语言、文字、数据或图像等。,信息：消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。,10,1.1 引言,11,电通信：是利用电（电流或电波，包括光）来传递信息。现代通信一般均是指“电通信”。,1.1 引言,信号：消息的电的表示形式。在电通信系统中，电信号是消息传递的物质载体。,通信系统：是完成传递信息任务所需要的一切技术设备和传输媒介所构成的总体。,12,语言,文字,印刷术,计算机网络,网格计算,2、通信的发展,不可存储；速度低；广泛性低。,可存储；广泛性低。,表情动作,可存储；速度低；广泛性高。,电报电话,在任何时刻可以在网上获得有效信息。,1.1 引言,13,随着超级计算机的不断发展，它已经成为复杂科学计算领域的主宰。但以超级计算机为中心的计算模式存在明显的不足。超级计算机虽然是一台处理能力强大的“巨无霸”，但它造价极高，通常只有一些国家级的部门，如航天、气象等部门才有能力配置这样的设备。随着人们日常工作遇到的商业计算越来越复杂，人们越来越需要数据处理能力更强大的计算机，而超级计算机的价格显然阻止了它进入普通人的工作领域。于是，人们开始寻找一种造价低廉而数据处理能力超强的计算模式，最终科学家们找到了答案Grid Computing(网格计算)。,Grid Computing,14,1.2.1 通信系统的一般模型,1.2 通信系统的基本模型,图 1 1 通信系统的一般模型,信道,15,信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号(基带信号)。,电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。,1.2.1 通信系统的一般模型,16,发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号(如已调信号）。,1.2.1 通信系统的一般模型,信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆、光纤。,返回,电梯用综合电缆,75射频同轴电缆,室外非金属光缆布线,金属光缆,18,噪声源是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现。,1.2.1 通信系统的一般模型,接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。,19,信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,1.2.1 通信系统的一般模型,图 1-1 概括地描述了一个通信系统的组成，它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。,20,连续消息：是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、图像等。离散消息：是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据、文字等。,1、连续消息和离散消息,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,21,按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号.,2、模拟信号和数字信号,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,22,（1）模拟信号,取值是连续的或取无穷多个值的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图 1-2(b)所示的脉冲振幅调制抽样信号脉冲振幅调制信号。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,23,图 1 2 模拟信号波形(a)连续信号；(b)抽样信号,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,24,只能取有限个值的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号等。幅度离散、时间离散。即函数形式表现为自变量和函数值都离散取值的函数。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,（2）数字信号,25,按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,26,模拟通信系统是传输模拟信号的通信系统。信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz，图像信号为06MHz。模拟信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的频带信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。,3、模拟通信系统模型,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,27,已调信号有三个基本特征：携带有信息 适合在信道中传输 信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,28,模拟通信系统模型可由图 1-1 略加演变而成，如图 1-3 所示。图中的调制器和解调器就代表图 1-1 中的发送设备和接收设备。,图 1-3 模拟通信系统模型,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,29,4、数字通信系统模型,图 1 4 数字通信系统模型,数字通信系统是传输数字信号的通信系统，如图 1-4 所示。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,30,数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,31,信源编码的作用：一是将模拟信号转换成数字信号，即模/数转换。第2章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)。二是设法减少码元数目和减少冗余信息，即数据压缩。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,（1）信源编码与译码,32,信源译码是信源编码的逆过程。,码元：数字通信中传输的一个接一个按节拍传送的数字信号单元。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,33,数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,（2）信道编码与译码,34,在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,（3）加密与解密,35,数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。,S(t)Acos(t+)S(t)Acos(t+)信源 载波信号 已调信号,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,（4）数字调制与解调,36,同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,（5）同步,37,图 1-5 是数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括图 1-1中的所有环节。如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,38,模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,39,抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性；易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网；易于集成化，从而使通信设备微型化；易于加密处理，且保密强度高。,5、数字通信的主要优点,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,40,6、数字通信的主要不足,占用带宽大；模拟电话4KHz,数字电话20-64KHz 需要同步。,1.2.2 模拟通信系统模型与数字通信系统模型,41,1.3 通信系统分类,1、按通信业务分类 按通信业务分，通信系统有话务通信和非话务通信。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。,42,视频会议系统,返回,43,根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。频带传输是对各种信号调制后传输的总称。调制方式很多，表 1-1 列出了一些常见的调制方式。,1.3 通信系统分类,2、按调制方式分类,表 1-1常见的调制方式（略）,续表（1）,46,按照信道中所传输的是模拟信号还是数字相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。,1.3 通信系统分类,3、按信号特征分类,47,可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。有线通信是用导线（如架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等）作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。,4、按传输媒质分类,1.3 通信系统分类,48,按通信设备的工作频率不同可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红外线通信等。表 1-2 列出了通信使用的频段、常用的传输媒质及主要用途。工作波长和频率的换算公式为；=为工作波长，f为工作频率，c为光速,5、按工作波段分类,1.3 通信系统分类,表 1 2 通信波段与常用传输媒质,续表（2）,51,常见传输多路信号有两种复用方式，即频分复用、时分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间。,1.3 通信系统分类,6、按信号复用方式分类,52,1、什么是模拟通信，什么是数字通信？2、数字通信有哪些优点？3、数字通信系统模型。,作 业,第 1 章 绪论,53,1.4 信息及其度量,信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量，是用统计方法来定性的。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。,54,（1）信息量是概率的函数，即 I=fP(x)（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且 P(x)1时，I0 P(x)0时，I,假设P(x)是一个消息发生的概率,（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息具有相加性:IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,1.4 信息及其度量,55,信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为：,1、信息量的计算,信息量的单位与对数底数a有关。a=2时，信息量的单位为比特(bit)；a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；a=10时，信息量的单位为哈特莱（Hartly）。目前广泛使用的单位为比特。,1.4 信息及其度量,56,可见，传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。,例 1 1 设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为多少？,1.4 信息及其度量,57,P：每一个波形出现的概率M：传送的波形数。,对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为：,1.4 信息及其度量,58,例1-1中，如果传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。,1.4 信息及其度量,59,设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1，2，3，n)出现的概率为P(xi)，且有,2、非等概情况的信息量的计算,则x1,x2,，xn 所包含的信息量分别为-log2 P(x1)，-log2 P(x2)，-log2 P(xn)。,1.4 信息及其度量,60,该消息的信息量为：,1.4 信息及其度量,例 1 2 一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息的信息量。,解：此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为：,1.4 信息及其度量,62,3、平均信息量(信息源的熵),每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量H为：,1.4 信息及其度量,63,由于H同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为信息源的熵。,当信源中每个符号等概独立出现时，式1.4-5即成为式(1.4-3)，此时信源的熵有最大值。,1.4 信息及其度量,64,每个符号的算术平均信息量为：,若用熵的概念来计算，由式（1.4-5）得：,4、算术平均信息量,1.4 信息及其度量,65,可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。,1.4 信息及其度量,66,一离散信源由A，B，C，D四个符号组成，它们出现的概率分别为1/2，1/4，1/8，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息AAAAABBACCDDB的信息量及熵。,1.4 信息及其度量,67,解：此消息中，A出现6次，B出现3次，C出现2次，D出现2次，共有13个符号，故该消息的信息量及熵分别为：,1.4 信息及其度量,68,1、设有四个消息A、B、C、D分别以概率为1/4，1/8，1/8，和1/2传送，每一消息的出现是相互独立的，试计算其平均信息量。,2、某信息源的符号集由息A、B、C、D和E组成，每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。，试计算其平均信息量。,1.4 信息及其度量,作 业,69,1.5 通信系统的主要性能指标,通信的任务是快速、准确地传递信息。评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定时间内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。,70,1、模拟通信系统,有效性指标：用单位时间传送的信息量来衡量，传送信息量越大，有效性越好；可靠性指标：用接收端最终输出信噪比来度量，信噪比越大，可靠性越好。,1.5 通信系统的主要性能指标,71,（1）信道容量,B:带宽S/N:信噪比,1.5 通信系统的主要性能指标,72,1.5 通信系统的主要性能指标,73,（2）信噪比,1.5 通信系统的主要性能指标,74,数字通信系统的有效性用传输速率来衡量；可靠性用差错率来衡量。,2、数字通信系统指标,1.5 通信系统的主要性能指标,75,（1）传码率RB,1.5 通信系统的主要性能指标,码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。,76,在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字，这个间隔被称为码元长度,数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度TB有关,(2)码元长度TB,1.5 通信系统的主要性能指标,77,信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或 b/s，或bps。,（3）传信率Rb,1.5 通信系统的主要性能指标,Rb=RBH(b/s)(1.5-3),H：信源中每个符号所含的平均信息量（熵）,78,例如：码元速率为1200B，采用八进制（N=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（N=2）时，信息速率为1200b/s。,或 Rb=RB log2 N(b/s)（等概率情况下）(1.5-4)N：每个码元可能采用的符号数,二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。,1.5 通信系统的主要性能指标,79,在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：,若有信号x1x2.x256（共N种信号）,RB2=RBMlog2 M(B)(1.5-2),1.5 通信系统的主要性能指标,例题 某信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一个符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。如果信息源以1000B速率传送信息，则传送1小时的信息量为多少？传送1小时可能达到的最大信息量为多少？,信息速率：Rb=RBH(b/s),1.5 通信系统的主要性能指标,解:(1),传送1小时的信息量I=TRb=3600 2230=8.028 106bit,（2）等概率时，其信息量最大。,传送1小时的最大信息量I=TRbmax=3600 2320=8.352 106bit,82,（4）频带利用率,数字信号的传输带宽B取决于码元速率RB，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为：,单位频带内的码元传输速率。即：,1.5 通信系统的主要性能指标,83,误码率（码元差错率）e是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即：,（5）误码率e,在ISDN中,1.5 通信系统的主要性能指标,84,误信率（信息差错率）b是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即：,（6）误信率b,在二进制中有：,1.5 通信系统的主要性能指标,85,例如:4进制信息串1 2 0 3 0 2 1,二进制：01100011001001,1.5 通信系统的主要性能指标,86,通常指信号所占据的频带宽度；在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。例如模拟语音电话的信号带宽为3400Hz，一个Pal-D电视频道的带宽为8MHz（含保护带宽）。对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。例如ISDN的B信道带宽为64Kbps。由于数字信号的传输是通过模拟信号的调制完成的，为了与模拟带宽进行区分，数字信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。,补充知识：带宽的概念,87,公式汇总,信息速率：Rb=RBH(b/s),89,1、一个由字母A、B、C、D组成的字，对于传输的每一个字母用二进制编码，00代替A，01代替B，10代替C，11代替D，每个脉冲宽度为5ms.(1)不同字母等概率出现时的平均信息速率。(2)若每个字母出现概率分别为PA=1/5，PB=1/4，PC=1/4，PD=3/10，计算平均信息速率。,第 1 章 绪论,90,平均信息速率：Rb=RBH(b/s),码元速率：,第 1 章 绪论,91,2、设一信息源的输出由128个不同符号组成，其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现的概率为1/224。信息源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立。试求该信息源的平均信息速率。,第 1 章 绪论,92,则信息源的平均速率为Rb=RBH=1000 6.417=6417bit/s,第 1 章 绪论,93,第 1 章 绪论,94,1、如果二进制独立等概信号，码元宽度为0.5ms,求RB和Rb；四制独立等概信号，码元宽度为0.5ms,求RB和Rb。,2、某系统经长期测定，其误码率Pe=10-5，系统码元速率为1200B，问在多长时间内可能收到360个错误码元。,作 业,第 1 章 绪论,95,第 1 章 绪论,常用通信术语通信、通信系统、信(息)源、信宿、调制、解调、基带信号、频带信号、信息、消息、信号 通信系统的组成和分类几种通信方式数字通信系统的主要特点离散信源的信息量码元速率与信息速率的关系误码率的概念,96,本章思考题,如何判断一个通信系统是模拟系统还是数字通信系统？消息中的信息量与消息发生的概率有什么样的关系？离散消息中包含的信息量是如何度量的？如何衡量一个数字通信系统的质量？如何衡量一个模拟通信系统的质量？,