数字通信技术概述详解课件

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1、第一章 数字通信技术概述,数字通信原理,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信技术发展概况 1.4 数字通信系统的主要性能指标 1.5 数字通信的主要技术,主 要 内 容,1.1.1 通信的定义 通信: 就是利用电子等技术手段,借助电/光信号实现从一地 向另一地进行消息的有效传递和交换。 例如: 人与人之间的对话 人与人之间手机联络 都是通过声音来传递消息,1.1 通信的基本概念,信道: 由于通信双方之间的距离客观存在,必须在两地之间建立信息传递的通道。这种有形或无形的用于传递信息的通道称为信道。 信号: 我们一方面要研究信道,同时还要寻找能适合在信道中传输的信息载体,也

2、就是信号。,1.1 通信的基本概念,1. 按传输媒质分 有线通信: 传输媒质为导线、电缆、光缆 媒质能看得见 无线通信: 电磁波 媒质为看不见、 摸不着 2. 按信道中所传信号的不同分 数字通信: 信道中传送的信号为数字信号 模拟通信: 信道中传送的信号为模拟信号,1.1.2 通信的分类,3. 按工作频段分 长波通信: 如 用于导航的VLF通信 中波通信: 如 民用调频广播、业余无线电 短波通信: 如 短波广播通信、军用通信 微波通信: 如 移动通信、雷达、空间通信,1.1.2 通信的分类,表 1-1 通信使用的频段及主要用途,1.1.2 通信的分类,续 表,1.1.2 通信的分类,4. 按调

3、制方式分 基带传输: 基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传 输的一种方式。 频带传输: 频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，收端有 相应解调措施的通信系统。,1.1.2 通信的分类,1.1.2 通信的分类,1. 按消息传送的方向和时间划分的通信方式 ,（a）单工通信,（b）半双工方式,（c）全双工方式,2.按数字信号排序分,1.1.3 通信方式,（a）串序传输方式,（b） 并序传输方式,3. 按通信网络形式分,1.1.3 通信方式,(a) 两点间直通方式,(b) 分支方式,(c) 交换方式,1.2 通信系统的组成,通信系统基本模型,通信的任务是完成消息的传递和交换要实现这一

4、过程必须具有以下三个部分:发送端-接收端-信道,图1-4 通信系统的模型,1.2.1 模拟通信系统,信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统与基本模型相比增加了调制与解调。目的是将基带信号转换其频带适合在信道传输的信号也就是调制。,图1-5 模拟通信系统模型,模拟通信系统,数字通信系统 信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。 数字通信系统主要的三种通信模式: 1.数字频带传输通信系统 2.数字基带传输通信系统 3.模拟信号数字化传输通信系统,1.2.2 数字通信系统,1. 数字频带传输通信系统,说明: 加密器-为了实现保密通信对基带信号的扰乱 编码器-信道的噪声对数字信号的传输造成的差 错

5、通过编码器/解码器来控制 同步-该环节因为其位置往往不是固定未画出, 但该系统中是不可缺少的.,1.2.2 数字通信系统,图1-6 数字频带传输通信系统模型,2. 数字基带传输通信系统,没有调制器和解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统,1.2.2 数字通信系统,图1-7 数字基带传输通信系统模型,3. 模拟信号数字化传输通信系统,在日常生活中大部分信号为模拟信号,实现模拟信号在数字系统中的传输 则必须发端进行A/D转换；收端进行D/A转换。,1.2.2 数字通信系统,图1-8 模拟信号数字化传输通信系统模型,1.2.3 数字通信的主要优缺点,1.数字通信的主要优点 (1)抗噪声性能好:

6、 信号的取值只有两个,容易判别和处理。 (2)差错可控: 通信中出现的差错可通过纠错编码技术来控制 (3)保密性好: 与模拟信号相比更容易加密和解密。 (4)易于与现代技术相结合：目前的终端接口均是数字信号。,2. 数字通信的缺点,(1) 频带利用率不高，数字信号占用的频带宽 以电话为例，一路数字电话一般要占据约20-60kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4 kHz带宽。 (2) 需要严格的同步系统。 故设备复杂、成本高、体积较大。,1.2.3 数字通信的主要优缺点,1.3 通信技术发展概况,1.3.1 通信发展简史 1. 通信的萌芽 古代战场的“点烽火为号”可能是最原始的数字通信， 此外古

7、代航海中使用的旗语也可以认为是数字通信的萌芽。 2. 通信发展的三个阶段 借助电信号实现从一地向另一地进行消息传递的通信（电信）的历史可追溯到17世纪初期，从16001750年研究电磁现象开始到19世纪40年代，为通信理论基础准备阶段. 从19世纪40年代开始通信才进入实用阶段。实用阶段大致可划分为三个阶段。 （1） 通信的初级阶段。从1838年摩尔斯发明有线电报到1948年香农提出信息论共110年，主要是有线通信、无线通信、广播电视、雷达和微波通信等方面的发展，此阶段以模拟通信为主。,1.3 通信技术发展概况,（2）近代通信阶段。从1948年到20世纪80年代光纤通信系统等投入使用共30多年

8、，主要是通信统计理论、数字传输理论及技术、彩色电视、卫星通信等方面的发展,此阶段模拟通信用于普通产品，数字通信用于高端产品。 （3）现代通信阶段。20世纪80年代商用通信卫星、程控数字交换机、光纤通信系统等陆续投入使用至今共20多年,主要是卫星通信、光纤通信、移动通信、多媒体通信等方面的发展，数字通信进入寻常百姓家庭。 3. 通信技术发展史上的重大事件 现把从1838年到20世纪80年代通信发展上的重大事件列于表1-2，从中可清楚地看到通信的发展过程。,表 1-2 通信重大事件表,1.3.2 通信技术的现状和发展趋势,1. 光纤通信 光纤通信具有容量大、成本低等优点，且不怕电磁干扰，与同轴电缆

9、相比可以大量节约有色金属和能源。因此，自1977年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来，光纤通信发展极为迅速，新器件、新工艺、新技术不断涌现，性能日臻完善。由于长波长激光器和单模光纤的出现，使每芯光纤通话路数可高达百万路，中继距离将达到100 km，市话中继光纤成本也连续大幅度下降。 我国近几年来光纤通信已得到了快速发展，目前光缆长度累计近几十万km。我国已不再敷设同轴电缆，新的工程将全部采用光纤通信新技术。,2. 卫星通信 卫星通信的特点是通信距离远，覆盖面积广，不受地理条件限制，可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。自1960年第一颗卫星发射成功以来，卫星通信发展特别迅猛。 目前

10、，卫星通信的使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路。卫星通信的广泛应用，使国际间重大活动能及时得以实况转播，它使全世界人与人之间的“距离”缩短。,1.3.2 通信技术的现状和发展趋势,3. 移动通信 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，它是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同步发展起来的。 近10年来， 在微电子技术和计算机技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线、 无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，甚至全球范围的通信系统。 移动通信的发展方向是数字化、微型化和标准化。20世纪90年代将是蜂窝电话迅速普及的年代。但

11、目前世界上存在八种不同的技术体制，互不兼容，因此标准化成为当务之急。数字化的关键是调制、纠错编码和话音编码方式的确定。微型化的目标是研制重量非常轻的个人携带的手机。,1.3.2 通信技术的现状和发展趋势,4. 微波中继通信 微波中继通信始于20世纪60年代，它较一般电缆通信具有易架设，建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一，主要用来传输长途电话和电视节目，其调制主要采用SSB/FM/FDM等方式。 微波中继通信的主要发展方向是数字微波，同时要不断增加系统容量，增加容量的途径是向多电平调制技术发展。目前采用的调制方式有16QAM和64QAM，并已出现256QAM、1024QAM等超多电平调

12、制的方式。采用多电平调制，在40 MHz的标准频道间隔内，可传送1920至7680路PCM数字电话。,1.3.2 通信技术的现状和发展趋势,1.4 数字通信系统的主要性能指标,衡量、比较和评价一个通信系统的优劣时，必然要涉及系统的主要性能指标。 1.4.1 一般通信系统的性能指标 (1) 有效性: 指通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题。 (2) 可靠性: 指通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题。 (3) 适应性: 指通信系统使用时的环境条件。 (4) 经济性: 指系统的成本问题。 (5) 保密性: 指系统对所传信号的加密措施. (6) 标准性: 指系统的接口各种结构及协议是否合乎

13、国家、国际标准。,信息可以理解为消息中包含的有意义的内容。我们把传输信息的多少用“信息量”进行衡量。,(1) 消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数，即,(2) 消息出现的概率愈小， 它所含信息量愈大；反之信息量愈小。且,1.4.2 信息及其量度,(3) 若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即,可以看出I与P(x)间应满足以上三点， 则它们有如下关系式：,1.4.2 信息及其量度,信息量 I 的单位与对数的底数 a 有关： a=2 单位为比特(bit，简写为b)； a=e 单位为奈特(nat，简写为n)； a=10 单位时笛特（Det）或称为十进制单位；

14、 a=r 单位称为r进制单位。 通常使用的单位为比特。,1.4.2 信息及其量度,例 1-1 试计算二进制符号等概率和多进制(M进制)等概率时每个符号的信息量。,1.4.2 信息及其量度,例 1-2 试计算二进制符号不等概率时的信息量(设P(1)=P)。,1.4.2 信息及其量度,数字通信系统的有效性具体可用传输速率来衡量、传输速率越高，系统的有效性越好。通常用以下三个方面来衡量,1. 码元传输速率 码元传输速率通常又可称为码元速率、用符号RB来表示。码元速率是指单位时间(每秒钟)内传输码元的数目，单位为波特(Baud)，常用符号“B”表示。例如，某系统在2秒内共传送4800个码元，则系统的传

15、码速率为2400B。 数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率RB与信号的进制数无关，只与码元宽度Tb有关。,1.4.3 有效性指标的具体表述,2. 信息传输速率 信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。用符号Rb表示。Rb是指单位时间(每秒钟)内传送的信息量。单位为比特/秒(bit/s)，简记为b/s。 例如，若某信源在1秒钟内传送1200个符号，且每一个符号的平均信息量为1(bit)，则该信源的Rb=1200b/s或1200 bps。,1.4.3 有效性指标的具体表述,3. 消息传输速率 消息传输速率亦称消息速率，它被定义为单位时间(每秒钟)内传输的消息数，用Rm表示。因消

16、息的衡量单位不同，有各种不同的含义。例如，当消息的单位是汉字时，则Rm的单位为字/秒。消息速率在实际中应用不多。,1.4.3 有效性指标的具体表述,1.5 数字通信的主要技术问题,1.5.1 数字调制/解调 调制与解调：是数字通信系统的核心，是最基本的、重要的技术之一。 调制的作用：是将输入的数字信号(基带数字信号)变换为适合于信道传输 的频带信号。 常见的基本数字调制方式： 振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、 绝对相移键控(PSK)、相对(差分)相移键控(DPSK)等四种。,信源编码的主要任务： 第一是将模拟信号转换成数字信号(即模拟信号数字化问题)。 第二是实现数据压缩(数据压缩已超出我们的大纲范围)。 第 3 章将主要讨论模拟信号数字化问题。 从实现方法上看，模拟信号数字化主要有两种基本形式， 一是脉冲编码调制(PCM)， 另一种是增量调制(M)。,1.5.2 信