數字通信技術第1章

數字通信技術3/2/20241學分：4分學時：40考試形式：閉卷教材：樊昌信.通信原理教程(第3版).電子工業(yè)出版社.2012年12月參考書：1．曹志剛錢亞生編“現代通信原理”清華大學出版社.2000年8月2．[美]LeonW.Couch“數字與模擬通信系統(tǒng)”電子工業(yè)出版社.2002年8月3/2/20242主要內容

第1章概論第5章基帶數字信號的表示和傳輸第6章基本的數字調制系統(tǒng)第7章同步第10章信道編碼和差錯控制第11章先進的數字帶通調制和解調3/2/20243第1章概論3/2/20244

了解通信的發(fā)展。掌握數字通信系統(tǒng)的模型及各組成部件的基本功能。掌握信息的概念及其度量方法。掌握數字傳輸系統(tǒng)的主要性能指標。了解通信信道及噪聲的基本概念。本章要求(參考學時為4學時)第一章概論3/2/20245通信的發(fā)展信息及其度量通信系統(tǒng)的組成數字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信信道及噪聲的基本概念知識要點第一章概論3/2/202461.1通信的發(fā)展一、關于通信的幾個概念

1.什么是通信（通信的定義）：一般地說，通信就是成功地將信息從一地傳輸到另一地

的過程。通信從本質上講就是實現信息傳遞功能的一門科學技術，它要將有用的信息無失真、高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。結論：通信是指信息的傳輸和交換

第一章概論3/2/202472.通信的目的或任務

克服距離上的障礙，迅速而準確地傳遞信息。

3．通信在當今信息社會中所處的位置

在當今信息社會，通信與傳感、計算機技術緊密結合，成為整個社會的高級“神經中樞”。

第一章概論3/2/202484．通信水平與社會生產力水平的關系

相互適應。沒有現代通信就沒有經濟的高速發(fā)展。

5.通信系統(tǒng)要解決的主要問題（研究的重點）：以信息傳輸為根本目的的通信系統(tǒng)要解決的兩個最根本的問題是有效性和可靠性第一章概論3/2/20249所謂有效性是指通信的效率問題，即如何在有限的通信資源條件下盡可能多地傳輸信息。要求通信系統(tǒng)能高效地傳輸信息（容量和距離）。所謂可靠性是指通信的質量問題，即如何保證信息無失真地傳輸到目的地。要求通信系統(tǒng)能準確、可靠地傳輸信息。

第一章概論3/2/202410

1.

通信經歷的五個發(fā)展階段：

（1）語言、烽火臺；（2）文字的發(fā)明、郵政通信；（3）印刷術發(fā)明；（4）電報、電話和廣播的發(fā)明；（電氣通信時代）（5）通信與計算機技術緊密結合，形成現代通信網（信息時代）

二、通信的發(fā)展第一章概論3/2/2024112．近代電通信發(fā)展簡史19世紀末：庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應定律、麥克斯韋方程、赫茲實驗證實了電磁波的存在。1837年：Morse發(fā)明了電報。1876年：貝爾發(fā)明了電話。1896年：馬可尼發(fā)明了無線電報。1906年：發(fā)明了真空管。1918年：調幅AM廣播、超外差接收機問世。1936年：調頻FM廣播。1937年：PCM原理。第一章概論3/2/2024121938年：電視TV。1940---1945年代：雷達及微波通信。1948年：晶體管，香農“信息論理論”建立。1950年：頻分復用FDM技術。1958年：發(fā)射人造通信衛(wèi)星。1960年：激光。1961年：集成電路發(fā)明。1960---1970年代：彩色電視、宇宙飛船登月、電子計算機1970---1980年代：大規(guī)模集成電路LSI、光纖通信、交換機、微處理器1980---現在：超大規(guī)模集成電路第一章概論3/2/2024133．現代通信發(fā)展趨勢（1）從傳送信號類型看：由模擬向數字發(fā)展（2）從信道方式看：光纖通信、衛(wèi)星通信、全球移動通信第一章概論3/2/202414（3）從傳輸技術看：要求高效率：發(fā)展各種頻譜有效技術

a.高效調制解調技術

b.信源編碼技術要求高可靠：各種抗干擾措施

（4）從通信設備看：微型化、標準化、網絡化第一章概論3/2/2024154.頻譜有效技術（1）頻域上：

a.趨向于采用多電平調制方式，提高單位頻帶利用率。頻帶利用率：單位頻帶內所能傳輸的碼元速率。單位：波特/Hz

或單位頻帶內所能傳輸的信息速率。單位：bit/S·Hz.。兩者一般不等。第一章概論3/2/2024161）基帶方式的理論頻帶利用率：?

信道帶寬fc，則可傳輸的最大信息速率：

fb=2fc

理論頻帶利用率：η=fb/fc=2bit/S·Hz.2）BPSK的理論頻帶利用率：?

η=fb/2fc=2fc/2fc=1bit/S·Hz第一章概論3/2/2024173)QPSK的理論頻帶利用率：

η=2fc/fc=2bit/S·Hz4）16QAM的理論頻帶利用率：

η=4bit/S·Hz5)64QAM的理論頻帶利用率：

η=6bit/S·Hz第一章概論3/2/202418

b.壓縮信源編碼碼率

PCM64kbit/sADPCM32kbit/s2.4kbit/s

1.2kbit/s

（2）空域上：移動通信蜂窩技術（3）時域上：a.公共信道信令技術（CCS=CommonChannelSignaling）

b.語音插空技術。目前可4路電話共用一個信道。第一章概論3/2/202419

5.抗干擾技術（1）糾錯編碼技術加性干擾：選擇調制方式，提高發(fā)送功率，增大天線面積來克服。(指標?)

乘性干擾：時域均衡可克服。（2）自適應技術：自適應均衡、自適應回波抵消、自適應分集接收。第一章概論3/2/2024201.2消息、信息和信號一、消息、信息與信號的概念

消息：通信系統(tǒng)的傳輸對象。如符號、語音、數據、圖像等。它是信息的載體。信息：是消息中有意義的內容。不同形式的消息，可以包含相同的信息。

信號：用電信號表示的消息。是傳輸消息的手段（媒介）。

它有二種形式：模擬波形或離散數據，分別稱為模 擬信源和離散信源。它們都具有隨機性，否則不含 有信息。第一章概論3/2/202421二、信息量定義

1.制定度量方法考慮的原則

貨物 消息

貨運量 信息量 有多種 有多種 和種類無關 和類型無關 和貴重程度無關 和重要程度無關 總量是單件貨運量之和總量是獨立消息的信息量之和第一章概論3/2/202422

消息“量”信息量

#例：“明天降雨量將有一毫米”--信息量小 “明天降雨量將達到一米”--信息量大 “明日太陽將從東方升起”--信息量零消息中信息量的大小與消息的種類、消息的重要程度無關；信息量與消息出現的概率的關系：消息出現的概率愈小，則消息中包含的信息量就愈大。第一章概論3/2/2024232.信息量定義

設：

為消息中所含的信息量為消息出現的概率

a．，是的函數

b．=1時，=0，

c．若干個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的和。即：∴單個事件發(fā)生的信息度量第一章概論3/2/202424信息量的單位：

a=2時，單位為（bit）比特

a=e

（nit）奈特

a=10

（Hartly）哈特萊第一章概論3/2/2024251離散信源的自信息量（單個事件發(fā)生的信息度量）

離散信源的自信息量又稱為非平均自信息量，它是指離散信源符號集合X中某一個符號所提供的信息量。

消息出現的概率

三、信息量第一章概論3/2/2024262獨立、等概事件的信息量由多個獨立事件構成的消息，其總信息量為各獨立事件信息量的總和。

第一章概論3/2/202427（1）二進制波形：傳送其中一個波形的信息量為：

所以傳送兩個等概的二進制波形之一的信息量為1bit。第一章概論3/2/202428（2）進制波形：傳送其中一個波形的信息量為：

當時：：每一個進制波形用二進制波形表示時所需要的波形數目。第一章概論3/2/202429

3．獨立、非等概率事件的信息量

離散信源：，，…，出現的概率：，，…，

且第一章概論3/2/202430（1）某離散消息所攜帶的信息量：

（2）離散信源符號集的信息量：（3）由一串符號構成的消息的總信息量：：符號在該串符號中出現的次數。第一章概論3/2/2024314.離散信源的熵

指離散信源（符號集合）的平均信息量，也是指離散信源中每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值。平均信息量：

第一章概論3/2/202432例1-1：某離散信源由0，1，2，3四種符號組成，其概率場為：

01233/81/41/41/8

消息總長為57個符號，其中0出現23次，1出現14次，2出現13次，3出現7次，求此消息的信息量。解：第一章概論3/2/202433結論：總信息量=平均信息量*構成消息的一串符號數（bit）

如果這總信息量在一秒內發(fā)出，即這一串符號在一秒內發(fā)出，則總信息量即為信息速率。

信息速率=平均信息量*符號速率第一章概論3/2/202434例1-2：設信源只有兩個符號，各符號的出現概率分別為，，求信源熵。解：根據信源熵的定義可得：信源熵隨參數q的變化曲線:

01/211qH（X）圖1.2.1信源熵隨參數的變化曲線第一章概論3/2/202435當時,有，則

此時信源熵達到最大值，即對任何離散信源，當其中的符號等概率分布時，信源熵將達到最大值，也就是信源對外提供的平均信息量最大。

第一章概論3/2/202436信息源的最大熵

發(fā)生在每一種符號等概率出現且統(tǒng)計獨立時。其值：

最大熵意義：可以以最少的符號數傳送最大的信息量。此是信源編碼研究的問題。第一章概論3/2/202437例1-3：一個離散信號源每毫秒發(fā)出4種符號中的一個，各相互獨立，符號出現的概率分別為0.4，0.3，0.2，0.1。求該信號源的平均信息量和信息速率。解：平均信息量：

(bit/符號)

信息速率：

（bit/S）

第一章概論3/2/2024385.連續(xù)信源的熵（相對熵

）連續(xù)信源的信息量可用概率密度來描述：是相對的信息度量，它與坐標系有關。

第一章概論3/2/202439數字傳輸系統(tǒng)對連續(xù)消息常做如下處理：抽樣量化信息度量對最高頻率為的消息進行量化，最小抽樣頻率為。抽樣頻率量化級信息量(?)第一章概論3/2/202440例1-4：連續(xù)消息帶寬為B，量化級為4，非等概率：

,。求平均信息量和信息速率。解：

(bit/抽樣)以最低抽樣頻率對連續(xù)消息抽樣，所以消息速率為信息速率：（比特/秒）如果，

（kb/s）第一章概論3/2/202441如果量化級為8，且等概率，信息速率是多少？設則：（比特/抽樣）（kb/s）第一章概論3/2/2024421.3數字通信

一、基本概念兩類信號

模擬信號：取值連續(xù)，例如語音

數字信號：取值離散，例如數據第一章概論3/2/202443模擬信號與數字信號模擬信號數字信號tttt碼元第一章概論3/2/202444兩類通信系統(tǒng)

模擬通信系統(tǒng) 要求－高保真度 準則－信號噪聲功率（電壓）比 手段－參量估值方法 數字通信系統(tǒng) 要求－正確 準則－錯誤率 手段－統(tǒng)計判決理論第一章概論3/2/202445二、數字通信的優(yōu)點取值有限，能正確接收。(a)失真的數字信號(b)恢復的數字信號數字信號波形的失真和恢復第一章概論3/2/202446可采用糾錯和檢錯技術，大大提高抗 干擾性。可采用高保密性能的數字加密技術?？删C合傳輸各種模擬和數字輸入信號易于設計、制造，體積小、重量輕。可作信源編碼，壓縮冗余度，提高信 道利用率。信噪比隨帶寬按指數規(guī)律增長。第一章概論3/2/202447三、數字通信系統(tǒng)模型1.一般通信系統(tǒng)模型第一章概論3/2/202448信息源：將各種要傳輸的消息轉換成原始電信號（基帶信號）；

消息：符號、文字、語音、數據、圖像（靜、動）等。指要傳輸的具體物理對象。發(fā)送器：將原始電信號變換成適合在信道中傳輸的形式（已調信號或另一種基帶信號）；信道：信號傳輸的媒質或通道。有：有線信道和無線信道之分；第一章概論3/2/202449接收器：從接收信號中恢復出相應的原始電信號；受信者：將原始電信號轉換成相應的消息；噪聲源：信道中或通信系統(tǒng)中噪聲干擾的集中表現。

加性干擾：不管信號存在與否，它始終存在。主要由電子器件的噪聲引起；乘性干擾：信號存在時才有。主要由信道不理想引起信號的畸變。第一章概論3/2/202450數字通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端信源信道編碼調制信道壓縮編碼解調信宿保密解碼信道解碼壓縮解碼保密編碼噪聲同步信源編碼信源解碼2.數字通信系統(tǒng)模型第一章概論3/2/202451信息源調制解調受信者信道消息信號接收信號發(fā)送信號噪聲3.模擬通信系統(tǒng)模型第一章概論3/2/202452消息分：連續(xù)消息，如連續(xù)變化的語音、圖像等。也稱模擬消息。離散消息，如符號、文字、數據等。也稱數字消息。第一章概論3/2/202453信號（信息源輸出）分：模擬信號：電信號中攜帶信息的參量的取值是連續(xù)的或不可數的，如普通電話機輸出的信號。數字信號：電信號中攜帶信息的參量的取值是可數的或離散的，如電傳機或計算機輸出的信號。其抗干擾能力強，中繼時噪聲不累積，誤碼率低。兩者關系：模擬信號A/D數字信號D/A模擬信號第一章概論3/2/202454調制的目的、作用：

（1）搬移頻率，使基帶信號適合信道傳輸；（2）多路復用，有效利用信道頻帶；（3）提高性能，特別是抗干擾能力。(怎么做到?)

調制后和解調前的信號是已調信號（頻帶信號）調制前和解調后的信號是基帶信號（原始信號）第一章概論3/2/202455信源編碼：壓縮信源，減小數字信號的冗余度，提高信號傳輸的有效性。信道編碼：在數字信號中增加具有特定規(guī)律的冗余符號，使接收端可以根據這些特征來識別或糾正傳輸中發(fā)生的錯誤，提高信號傳輸的可靠性。完整的通信系統(tǒng)：由傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)共同組成。第一章概論3/2/202456

通信模式★廣播（broadcasting）：

這種通信模式下，發(fā)送端是單個功能強大的發(fā)送設備，而接收端是多個相對低廉的接收機。這種模式下，信息流是單向的，即由發(fā)送端到接收端。例如，廣播和電視都是采用的這種通信模式。第一章概論3/2/202457★點對點通信（pointtopointcommunication）：

指通信過程發(fā)生在一個發(fā)送器和一個接收器之間的鏈路上。例如，電話就是典型的點對點通信模式。本書主要學習的就是這種通信模式的工作原理，它是其他通信模式的基礎。第一章概論3/2/202458四、數字通信系統(tǒng)的主要性能指標

起主導、決定作用的是：通信的有效性與可靠性。它們是一對主要的矛盾。第一章概論3/2/2024591.傳輸速率指消息傳輸的“速度”。即：在給定信道內能傳輸的信息內容的多少。

★

傳碼率

（碼元速率、波形傳輸速率）

：

每秒傳送碼元（波形）的數目。

單位：波特、B、Baud

T是每個碼元占有的時間長度，單位：秒第一章概論3/2/202460二進制碼元速率與多進制碼元速率的關系：

設：二進制碼元速率為，N進制碼元速率為，且有(k=1,2,…)

則：（B

）第一章概論3/2/202461★

傳信率（信息傳輸速率）:

每秒傳送的信息量。

單位：比特/秒、bit/s、b/s、bps、比特率二進制時：

碼元速率與信息速率在數值上相等

N進制時：一個N進制碼元所含信息量為:

第一章概論3/2/202462例1-5：四進制，每秒傳送1200個碼元，每個碼元是等概率取四進制值中之一。求碼元速率和信息速率。解：四進制碼元速率：信息速率：

用二進制表示時，二進制碼元速率：信息速率：

第一章概論3/2/202463★

消息速率RM

單位時間內傳輸的消息速率.

例：傳輸文字：字/S

一般與碼元速率和信息速率是不同的第一章概論3/2/2024642.

錯誤率

指信息（或消息）傳輸的可靠程度。即：接收信息的準確程度。（1）模擬系統(tǒng)★

用接收端最終輸出信噪比來度量

電話：20~40dB電視40dB以上

(?)★均方誤差：衡量發(fā)送的模擬信號與接收端復制的模擬信號之間的誤差程度第一章概論3/2/202465（2）數字系統(tǒng)★誤碼率：錯誤接收的碼元數在傳輸總碼元數中所占的比例?；颍捍a元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率

數字電話:<10-6

(有噪音但仍可用:)第一章概論3/2/202466★誤信率（誤比特率）：

錯誤接收的信息量在傳輸信息總量中所占的比例。或：碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。

統(tǒng)稱為數字傳輸系統(tǒng)的差錯率。第一章概論3/2/202467★誤字率

指錯誤接收字數在傳輸總字數中所占的比列誤字率Pw=錯誤接收字數/總傳輸字數誤碼率和誤比特率的關系

Pb

=PexM/[2(M-1)]Pe

/2誤字率和誤比特率的關系

對于二進制，若一個字由k比特組成，則

Pw＝1–(1–Pe)k

第一章概論3/2/2024683.

頻帶利用率

指單位頻帶內所實現的碼元速率或單位頻帶內所實現的信息速率4.

能量利用率(典型場合?)

指傳輸每一比特所需的信號能量第一章概論3/2/202469說明:

有效性與可靠性相互矛盾，相互聯系，又可互換，其理論極限遵從信息論中的香農公式。

第一章概論3/2/2024701.4信道

第一章概論3/2/2024711.信道的定義：狹義信道——指由物理媒質構成的傳輸信道

。例如：電纜、光纜、自由空間等。廣義信道——按照功能定義的傳輸信道。可以劃分為調制信道（頻帶傳輸通道）與編碼信道（基帶傳輸通道）：

第一章概論3/2/202472調制信道：是指調制器輸出端到解調器輸入端的部分，是頻帶傳輸通道；編碼信道：是指編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分，是基帶波形傳輸通道。第一章概論3/2/2024732.信道的模型：調制信道模型調制信道可看成是一種模擬信道，可以用線性時變網絡來等效第一章概論3/2/202474編碼信道模型編碼信道可看成是一種數字信道，它對信號的影響是把一種數字序列變成另一種數字序列。若信道是無記憶的，有關系式：第一章概論3/2/2024753.信道的特征分類

有5種分類方法（1）根據信道輸入、輸出消息集合的連續(xù)與否進行分類，有：離散信道：指信道輸入、輸出消息集合均為離散的，又稱數字信道。若集合中的消息個數是有限的，稱有限離散信道；若是無限可數的，稱為無限離散信道。連續(xù)信道：指信道輸入、輸出消息集合均為連續(xù)的，又稱模擬信道。半連續(xù)信道：指信道輸入、輸出消息集合中，一個是離散的，另一個是連續(xù)的。第一章概論3/2/202476（2）根據信道輸入、輸出消息集合的個數分類，有：兩端信道：指信道的輸入、輸出端各有一個消息集合，即只有一對用戶在信道兩端進行單向通信，又稱單向單路信道。(點對點通信)多端信道：指信道的輸入、輸出端中，至少有一端具有一個以上的消息集合，又稱多用戶信道。(點對多點\多點對多點通信)第一章概論3/2/202477（3）根據信道上是否存在干擾進行分類，有：無擾信道：指信道上沒有干擾。如計算機與其外設之間的數據傳輸信道。有擾信道：指信道上存在干擾。實際信道大多數都是有擾信道。第一章概論3/2/202478（4）根據信道的統(tǒng)計特性進行分類，有：無記憶信道：信道某一時刻的輸出消息只與當時的輸入消息有關，而與前面時刻的輸入消息無關。有記憶信道：信道某一時刻的輸出消息，不僅與當時的輸入消息有關，而且還與前面時刻的輸入消息有關。如果此刻的輸出只與前面有限時間段上的輸入有關，稱此信道為有限記憶信道。恒參信道：信道的統(tǒng)計特性不隨時間變化，又稱平穩(wěn)信道。如衛(wèi)星信道在某種意義下可近似為恒參信道。隨參信道：信道的統(tǒng)計特性隨時間而變化。如短波信道。對稱信道：信道的統(tǒng)計特性對于輸入輸出端而言具有對稱性。非對稱信道：信道的統(tǒng)計特性對于輸入輸出端而言不具備對稱性。第一章概論3/2/202479（5）根據信道傳輸特性和限制因素的不同進行分類，可以分為：線性與非線性信道特征類型；