数字通信原理(1.1)

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1、2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,1,数字通信原理 （1.1）,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,2,本书授课计划,本书共48学时，留出一次复习时间，共23次课。 通信系统概述 信源编码 A/D转换 数字信号的传输，包括基带传输和频带传输 锁相与同步问题 差错控制 现代通信网的介绍 数字信号的最佳接收,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,3,第一章 绪论,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,4,1.1通信系统的基本概念 1. 人类通信发展的几个主要阶段 通信的历史可以追嗍到17世纪初期。 通过语

2、言、声、光等直觉的方式传递信息。如：人力、马力和烽火台等； 文字、印刷术的发明，邮政的出现； 从1600-1750年，开始研究电、磁的现象，到19世纪40年代为通信理论基础准备阶段。 电气通信时代：电话、电报、广播和电视； 光纤通信、卫星通信、以及移动通信等等将在本世纪被应用的更广泛的领域。 信息时代：计算机和计算机互联网；,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,5,1.1通信系统的基本概念 2. 通信的目的 通信的主要任务：克服距离、干扰等障碍，迅速、准确地传递信息。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,6,3、通信系统的组成及模型 通信的目的是

3、传递消息。,图1-1 通信系统的模型,把各种可能消息转换成电信号,信号传输的通道,能从接收信号中恢复出相应的原始信号,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,7,4、信号分类（1） 为了使消息能在信道中传送，首先应该将消息转换为可以传送的电信号。 通常，消息被载荷在电信号的某一参量上。 如果电信号的该参量携带着离散消息，则该参量必将是离散取值的。这就是数字信号。 如果电信号的该参量连续取值，则这样的信号就是模拟信号。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,8,4、信号分类（2）,按代表消息的信号 的参量取值方式,模拟信号（又叫连续信号）,数字信号（又叫

4、离散信号）,通信系统,模拟通信系统：传送模拟信号的通信系统,数字通信系统：传送数字信号的通信系统,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,9,5、模拟通信系统 信道中传输的是模拟信号的系统称为模拟通信系统。 1）模拟通信系统的组成 模拟通信系统需要两种变换。 首先，发送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息。（原始电信号由于通常具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。） 因此，模拟通信系统里通常有第二种变换：将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换 这种变换和反变换通常称为调制和解调。,2001 Copyright,S

5、CUT DT&P Labs,10,5、模拟通信系统 经过调制后的信号称为已调信号。具有两个基本特性：一是携带消息；二是适应在信道中传输。（另外还有一点：具有较高频率成分。） 通常，将发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。所以原始电信号又称基带信号，称已调信号为频带信号。 注：消息从发送端传递到接收端并非仅经过以上两种变换，系统里可能还有滤波、放大、变频、辐射等等过程。本书只着重研究上述两种变换和反变换。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,11,图1-2 模拟通信系统,变换器,反变换器,5、模拟通信系统 2）模拟通信系统模型,信息源,2001 Copyright

6、,SCUT DT&P Labs,12,5、模拟通信系统 2）模拟通信系统的优缺点 优点：通过信道的信号频谱比较窄，因此信道的利用率高。 缺点： （1）传输的信号是连续的 ，混入噪声干扰后不易清除，即抗干扰能力差。 （2）不易保密通信，即安全性差。 （3）设计不易大规模集成化。 （4）不适于飞速发展的计算机通信要求。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,13,6. 数字通信系统的组成,信源,信源编码,信道编码,调制 （信道编码）,传输媒介,信源解码,解调,信道解码,信宿,图1-2 数字通信系统模型（1）,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,14,6

7、.数字通信系统的组成 信源编码：模拟信号转变为数字信号； 信号压缩处理；信号的高效率编码。 信道编码：检错、纠错编码，提高信号抗干扰能力； 信息加密，防止信息被窃取。 调制变换：波形编码，信号调制，使基带信号适合在特定的 道中传输。 传输媒介：有线、无线信道，网络交互设备。 解调、信道译码、信源译码：对信号作上述处理相反对变换。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,15,变换器,反变换器,图1-3 数字通信系统模型（2）,7、数字通信系统详细模型,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,16,8、数字通信系统过程,非电/电变换器：把非电模拟信号转换成

8、电信号 一次编码器：模拟/数字变换 加密器：对数字信号进行加密 二次编码器：即差错控制编码器，使得接收端能够根据一定的规律判断接收的数字信号是否正确，可以进行自动差错控制。 调制器：以便输出的信号能适应信道传输的要求 之后的几个方框的内容与以上几一一对应的反变换。去掉了加密/解密装置的系统，广义的被称为信源编码通信系统。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,17,9. 数字通信的特点 优点： 信号容易再生，抗干扰能力强； 便于对信号进行处理，便于提高传输的可靠性、有效性和保密性； 器件易于集成化； 有利于实现各种业务对综合传输； 缺点：比模拟通信占带宽； 应该看到，数字

9、通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带而换得的。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,18,10、数字通信存在的问题,第一、数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错， 原则上都是可以控制的。即通过上述差错控制编码 第二、加密解密 第三、同步问题。数字通信传输是一个接一个按节拍传 送的数字信号单元，即码元。因此接收端也必须按 与发送端相同的节拍收。称为“位同步”或“码元同 步”，而称编组一致为“群同步”、“帧同步”等。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,19,1.2 信息的度量 1. 信息与消息 通信的目的在于传送信息。 消息是由符号

10、、文字、数字、语音或图像组成的序列； 收到一则消息后，所得的信息量，在数量上等于获得消息前后 “不确定性”的消除量； 消息所含的信息量与消息的重要程度无关； 消息是信息的载体，信息是消息的内涵；,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,20,1.2 信息的度量 2. 信息的度量 不确定性即可能性；可能性的大小可用概率来度量； 事件出现的可能性逾小，则概率逾小。 可知：消息中的消息量与消息发生的概率紧密相关； 消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大（举例）； 信息的度量方式还应满足可加性； 信息量应该是事件发生概率的函数；,2001 Copyright,SCUT DT

11、&P Labs,21,1.2 信息的度量 3. 离散信源的信息量 离散信源统计特性的描述概率场 设离散信源包含N种可能的符号，相应的概率场： x1 x2 x3 . . . . . xN p(x1) p(x2) p(x3) . . . . . p(xN) 且有 p(xi)=1,(i从）,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,22,3. 离散信源的信息量 离散消息xi的信息量I是出现该消息的概率p(xi)的函数； 事件xi出现的概率越小，信息量越大； 当p(xi)=1 时，I=； 若个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于个独立事件信 息量的和，即“可加性” ： 要满足如上的

12、条件要求，I与概率p之间满足这样的关系： 信息量的单位与对数的底有关： log以2为底时，单位为比特：bit log以e为底时，单位为奈特：nit。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,23,3. 离散信源的信息量 下面先来讨论等概率出现的离散消息的度量： 传递个消息之一，只需采用一个进制的波形来传递； 任意一个进制波形总可用若干个二进制波形来表示。 定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为， 单位：比特 则： 则传送每一独立等概的进制波形的信息量应为： 若=2K(K=1,2,3), 则 I=log2=log22K(bit) 即：进制波形可用个二进制波形来传递。,2

13、001 Copyright,SCUT DT&P Labs,24,4、离散信源的平均信息量信源的熵 定义，离散信源X的熵为： 离散信源的熵是统计意义上的平均信息量。 利用信源的熵，可以方便地估算消息序列所包含的总信息量。 举例：一信息源由个符号、组成，他们出现的概率分别为、，且每个符号的出现都是独立的。试求某个消息的信息量。 分析：在此消息中，出现次，次，次， 次，消息共个符号。（接下页）,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,25,其中出现0的信息量为 23log2 8/3=33bit; 出现1的信息量为 14log2 4=28bit; 出现2的信息量为 13log2 4

14、=26bit; 出现3的信息量为 7log2 8=21bit; 故该消息的信息量为: I=33+28+26+21=108 （bit） 平均（算术平均）一个符号的信息量应为： 若用熵的概念计算有： H= -(3/8)log2(3/8)-(1/4)log2(1/4) -(1/4)log2(1/4)-(1/8)log2(1/8)=1.906 （bit/符号） 则该消息所含的信息量为I=57*1.906=108.64 bit,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,26,. 连续信源的信息度量 分析方法： （1）用抽样定理将连续信源时间上离散化； （2）将离散信源的信息度量方法推广

15、至连续信源，用离散变 量逼近连续变量。 连续信源的熵 定义：连续信源的平均信息量（相对熵）为 其中f(x)连续消息出现的概率密度,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,27,1.4. 通信系统性能的度量 1、有效性：单位时间内系统能传输信息量的大小； 主要是指消息传输的“速度”问题。 1） 对于模拟通信系统来说，消息传输速度主要决定于消息 所含的信息量和对连续消息（即信息源）的处理。 处理的目的在于使单位时间内传输更多的消息。 从信息论的观点来说，消息传输速度可用单位时间内传送的信息量来衡量。 模拟通信中还有一个重要性能指标：均方误差。它是衡量发送的模拟信号与接收端复制的

16、模拟信号之间误差程度的质量指标。均方误差越小，复制的信号越逼真。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,28,1.4. 通信系统性能的度量 造成误差的原因有两个： 第一、在传输的过程中迭加上的噪声，称为加性干扰产生的误差。这个用信号噪声比这一指标衡量。故认为在模拟通信中均方误差的大小最终完全取决于接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比。简称输出信噪比。 第二、由于信道特性不理想产生的误差，一般称为乘性干扰产生的误差。可以避免的。,2001 Copyright,SCUT DT&P Labs,29,1.4. 通信系统性能的度量 2） 对于数字通信系统来说，由于它传输的离散信