数字通信技术第1章课件

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1、2019/4/20,1,数字通信技术,2019/4/20,2,学分：4分 学时：40 考试形式：闭卷 教材：樊昌信.通信原理教程(第2版).电子工业出版社.2008年6月 参考书： 1曹志刚 钱亚生编“现代通信原理” 清华大学出版社. 2000年8月 2美Leon W. Couch“数字与模拟通信系统”电子工业出版社. 2002年8月,2019/4/20,3,主要内容 第1章 概论 第5章 基带数字信号的表示和传输 第6章 基本的数字调制系统 第7章 同步 第10章 信道编码和差错控制 第11章 先进的数字带通调制和解调,2019/4/20,4,第1章 概 论,2019/4/20,5,了解通信

2、的发展。掌握数字通信系统的模型及各组成部件的基本功能。掌握信息的概念及其度量方法。掌握数字传输系统的主要性能指标。了解通信信道及噪声的基本概念。,(参考学时为4学时),第一章 概论,2019/4/20,6,通信的发展 信息及其度量 通信系统的组成 数字通信系统的主要性能指标 通信信道及噪声的基本概念,第一章 概论,2019/4/20,7,1.1 通信的发展,一、关于通信的几个概念,1.什么是通信（通信的定义）： 一般地说，通信就是成功地将信息从一地传输到另一地 的过程。 通信从本质上讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和

3、有害信息抑制掉。 结论：通信是指信息的传输和交换,第一章 概论,2019/4/20,8,2.通信的目的或任务 克服距离上的障碍，迅速而准确地传递信息。 3通信在当今信息社会中所处的位置 在当今信息社会，通信与传感、计算机技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”。,第一章 概论,2019/4/20,9,4通信水平与社会生产力水平的关系 相互适应。没有现代通信就没有经济的高速发展。 5.通信系统要解决的主要问题（研究的重点）： 以信息传输为根本目的的通信系统要解决的两个最根本的问题是有效性和可靠性,第一章 概论,2019/4/20,10,所谓有效性是指通信的效率问题，即如何在有限的通信资源条件

4、下尽可能多地传输信息。 要求通信系统能高效地传输信息（容量和距离）。 所谓可靠性是指通信的质量问题，即如何保证信息无失真地传输到目的地 。 要求通信系统能准确、可靠地传输信息。,第一章 概论,2019/4/20,11,1. 通信经历的五个发展阶段： （1）语言、烽火台； （2）文字的发明、邮政通信； （3）印刷术发明； （4）电报、电话和广播的发明； （电气通信时代） （5）通信与计算机技术紧密结合，形成现代通信网 （信息时代 ）,二、通信的发展,第一章 概论,2019/4/20,12,2近代电通信发展简史 19世纪末：库仑定律、安培定律、法拉第电 磁感应定律、麦克斯韦方程、赫兹实验证实了电磁

5、波的存在。 1837年：Morse发明了电报。 1876年：贝尔发明了电话。 1896年：马可尼发明了无线电报。 1906年：发明了真空管。 1918年：调幅AM广播、超外差接收机问世。 1936年：调频FM广播。 1937年：PCM原理。,第一章 概论,2019/4/20,13,1938年：电视TV。 1940-1945年代：雷达及微波通信。 1948年：晶体管，香农“信息论理论”建立。 1950年：频分复用FDM技术。 1958年：发射人造通信卫星。 1960年：激光。 1961年：集成电路发明。 1960-1970年代：彩色电视、宇宙飞船登月、电子计算机 1970-1980年代：大规模集

6、成电路LSI、光纤通信、交换机、微处理器 1980-现在：超大规模集成电路,第一章 概论,2019/4/20,14,3现代通信发展趋势 （1）从传送信号类型看：由模拟向数字发展 （2）从信道方式看：光纤通信、全球移动通 信（卫星为主）,第一章 概论,2019/4/20,15,（3）从传输技术看： 要求高效率：发展各种频谱有效技术 a.高效调制解调技术 b.信源编码技术 要求高可靠：各种抗干扰措施 （4）从通信设备看：微型化、标准化、网络化,第一章 概论,2019/4/20,16,4.频谱有效技术 （1）频域上： a.趋向于采用多电平调制方式，提高单位频带利用率。 频带利用率：单位频带内所能传输

7、的码元速率。单位：波特 / Hz 或单位频带内所能传输的信息速率。单位：bit / S Hz.。两者一般不等。,第一章 概论,2019/4/20,17,1）基带方式的理论频带利用率： 信道带宽fc，则可传输的最大信息速率： fb = 2fc 理论频带利用率：=fb/fc=2 bit/SHz. 2）BPSK的理论频带利用率： = fb/2fc = 2fc/2fc=1 bit/SHz,第一章 概论,2019/4/20,18,3) QPSK的理论频带利用率： = 2fc/fc= 2 bit/SHz 4）16QAM的理论频带利用率： = 4 bit/SHz 5) 64QAM的理论频带利用率： = 6

8、bit/SHz,第一章 概论,2019/4/20,19,b.压缩信源编码码率 PCM 64 kbit/s ADPCM 32 kbit/s 2.4 kbit/s 1.2 kbit/s （2）空域上：移动通信蜂窝技术 （3）时域上：a.公共信道信令技术 （CCS=Common Channel Signaling） b.语音插空技术。目前可4路 电话共用一个信道。,第一章 概论,2019/4/20,20,5. 抗干扰技术 （1）纠错编码技术 加性干扰：选择调制方式，提高发送 功率，增大天线面积来克服。 乘性干扰：时域均衡可克服。 （2）自适应技术：自适应均衡、自适应回波抵消、自适应分集接收。,第一章

9、 概论,2019/4/20,21,1.2 消息、信息和信号 一、消息、信息与信号的概念 消息：通信系统的传输对象。如符号、语音、数据、图像 等。它是信息的载体。 信息：是消息中有意义的内容。不同形式的消息，可以 包含相同的信息。 信号：用电信号表示的消息。是传输消息的手段（媒介）。 它有二种形式：模拟波形或离散数据，分别称为模 拟信源和离散信源。它们都具有随机性，否则不含 有信息。,第一章 概论,2019/4/20,22,二、信息量定义,1. 制定度量方法考虑的原则 货 物 消 息 货运量 信息量 有多种 有多种 和种类无关 和类型无关 和贵重程度 和重要程度 无关 无关 总量是单件 总量是单

10、件独立 货运量之和 消息的信息量之和,第一章 概论,2019/4/20,23,消息“量” 信息量 # 例： “明天降雨量将有一毫米” - 信息量小 “明天降雨量将达到一米” - 信息量大 “明日太阳将从东方升起” - 信息量零 消息中信息量的大小与消息的种类、消息的重要程度无关； 信息量与消息出现的概率的关系：消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大。,第一章 概论,2019/4/20,24,2.信息量定义 设： 为消息中所含的信息量 为消息出现的概率 a ， 是 的函数 b = 1 时， = 0 ， c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： 单个事件发

11、生的信息度量,第一章 概论,2019/4/20,25,信息量的单位： a= 2 时，单位为（bit）比特 a= e （nit） 奈特 a= 10 （Hartly）哈特莱,第一章 概论,2019/4/20,26,1 离散信源的自信息量 （单个事件发生的信息度量） 离散信源的自信息量又称为非平均自信息量，它是指离散信源符号集合X中某一个符号 所提供的信息量。,消息出现的概率,三、信息量,第一章 概论,2019/4/20,27,2 独立、等概事件的信息量 由多个独立事件构成的消息，其总信息量为各独立事件信息量的总和。,第一章 概论,2019/4/20,28,（1）二进制波形： 传送其中一个波形的信息

12、量为： 所以传送两个等概的二进制波形之一的信息量为1bit。,第一章 概论,2019/4/20,29,（2） 进制波形： 传送其中一个波形的信息量为： 当 时： ：每一个 进制波形用二进制波形表示时所 需要的波形数目。,第一章 概论,2019/4/20,30,3独立、非等概率事件的信息量 离散信源： ， ， ， 出现的概率： ， ， ， 且,第一章 概论,2019/4/20,31,（1）某离散消息 所携带的信息量： （2）离散信源符号集的信息量： （3）由一串符号构成的消息的总信息量： ： 符号在该串符号中出现的次数。,第一章 概论,2019/4/20,32,4.离散信源的熵 指离散信源（符号

13、集合）的平均信息量，也是指离散信源中每个符号所含信息量的统计平均值。 平均信息量：,第一章 概论,2019/4/20,33,例1-1：某离散信源由0，1，2，3四种符号组成，其概率场为： 0 1 2 3 3/8 1/4 1/4 1/8 消息总长为57个符号，其中0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，求此消息的信息量。 解：,第一章 概论,2019/4/20,34,结论： 总信息量 = 平均信息量 * 构成消息的一串符号数（bit） 如果这总信息量在一秒内发出，即这一串符号在一 秒内发出，则总信息量即为信息速率。 信息速率 = 平均信息量 * 符号速率,第一章 概论,2019/4

14、/20,35,例1-2：设信源 只有两个符号 ，各符号的出现概率分别为 ， ，求信源熵。 解：根据信源熵的定义式（1.2-11）可得： 信源熵随参数q的变化曲线:,第一章 概论,2019/4/20,36,当 时, 有 ，则 此时信源熵达到最大值，即对任何离散信源， 当其中的符号等概率分布时，信源熵将达到最大值，也就是信源对外提供的平均信息量最大。,第一章 概论,2019/4/20,37,信息源的最大熵 发生在每一种符号等概率出现且统计独立时。其值： 最大熵意义：可以以最少的符号数传送最大的信息量。此是信源编码研究的问题。,第一章 概论,2019/4/20,38,例1-3：一个离散信号源每毫秒发

15、出4种符号中的一个，各相互独立，符号出现的概率分别为0.4，0.3，0.2，0.1。求该信号源的平均信息量和信息速率。 解：平均信息量： (bit/符号) 信息速率： （ bit/S）,第一章 概论,2019/4/20,39,5.连续信源的熵（相对熵 ） 连续信源的信息量可用概率密度来描述： 是相对的信息度量，它与坐标系有关。,第一章 概论,2019/4/20,40,数字传输系统对连续消息常做如下处理： 抽样 量化 信息度量 对最高频率为 的消息进行量化，最小抽样频率为 。 抽样频率 量化层 信息量,第一章 概论,2019/4/20,41,例1-4：连续消息带宽为B，量化层为4，非等概率： , 。求平均信息量和信息速率。 解： ( bit/抽样) 以最低抽样频率 对连续消息抽样，所以消息速率为 信息速率： （比特/秒） 如果 ， （kb/s）,第一章 概论,2019/4/20,42,如果量化层为8 ，信息速率是多少？ 设 则： （比特/抽样） （kb/s）,第