《數(shù)字通信》課件第1章

1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本概念和模型1.2數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.3數(shù)字通信的特點1.1.1通信及通信系統(tǒng)的構(gòu)成

1.通信系統(tǒng)的概念和基本模型

通信(Communication)是兩地之間信息的傳輸和交換,而通信系統(tǒng)就是實現(xiàn)信息傳輸所需的設(shè)備和傳輸媒質(zhì)所構(gòu)成的總體。

以點對點通信為例,通信系統(tǒng)的基本模型如圖1.1所示。1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本概念和模型圖1.1通信系統(tǒng)的基本模型通信系統(tǒng)基本模型中各部分功能如下：

(1)信源。

(2)發(fā)送設(shè)備。

(3)信道。

(4)接收設(shè)備。

(5)受信者。

(6)噪聲源。

2.數(shù)據(jù)通信的概念

“數(shù)據(jù)通信”一詞是在遠(yuǎn)程聯(lián)機系統(tǒng)出現(xiàn)后才開始使用的,就是將異地計算機通過通信接口連接到通信網(wǎng)絡(luò)(模擬或者數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò))中,利用網(wǎng)絡(luò)完成計算機之間的數(shù)據(jù)交換。圖1.2所示是最簡單的遠(yuǎn)程聯(lián)機數(shù)據(jù)通信模型。圖1.2最簡單的遠(yuǎn)程聯(lián)機數(shù)據(jù)通信模型

3.與數(shù)據(jù)通信相關(guān)的幾個概念

1)數(shù)據(jù)的編碼

為了傳遞數(shù)據(jù)信息,首先需要將二進(jìn)制數(shù)據(jù)用一定的信號形式來表示。如圖1.3所示,其中圖(a)用高低電平來表示數(shù)字“1”和“0”,圖(b)用不同頻率的正弦波來表示數(shù)字“1”和“0”。圖1.3二進(jìn)制數(shù)據(jù)的信號表示

2)數(shù)據(jù)通信軟件

數(shù)據(jù)通信軟件提供對鏈路和節(jié)點的存儲器的管理,與硬件配合提供與主處理機、終端、終端集中器或其他設(shè)備進(jìn)行信息交換的接口功能。

3)數(shù)據(jù)通信設(shè)備

計算機通信網(wǎng)絡(luò)的常見設(shè)備還有集線器(Hub)、中繼器、網(wǎng)橋、交換機、路由器及網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備。1.1.2信息、信號的概念及通信系統(tǒng)的分類

1.信息

信息是對客觀世界中各種事物的變化和特征的反映,對使用者存在價值。聲音、圖像、文字都是表示信息的形式。

2.信號

信號通?？煞譃閮纱箢?即模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號指時間和幅度都為連續(xù)值的信號,其特性如圖1.4所示。

數(shù)字信號又稱離散信號。數(shù)字信號的特性一般如圖1.5所示。圖1.4模擬信號的特性(a)連續(xù)非周期信號；(b)連續(xù)周期信號圖1.5數(shù)字信號的特性(a)二電平碼(二進(jìn)制碼);(b)四電平碼(多進(jìn)制碼)

3.通信的分類

按調(diào)制方式通信可分為基帶傳輸和頻帶傳輸。

按信道中所傳信號的不同通信可分為數(shù)字通信和模擬通信。

按傳輸媒質(zhì)的不同通信可分為有線通信和無線通信。

按工作頻段的不同通信可分為長波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。

4.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的分類

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的一個子類,除了具有通信系統(tǒng)的一些基本屬性外,還具有自己的特性。

根據(jù)對數(shù)據(jù)的處理方式,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)處理/查詢系統(tǒng)、信息交換系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)收集和分配系統(tǒng)。

(1)數(shù)據(jù)處理/查詢系統(tǒng)。

(2)信息交換系統(tǒng)。

(3)數(shù)據(jù)收集和分配系統(tǒng)。1.1.3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在數(shù)字信道中傳輸數(shù)據(jù)信號稱為數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸,簡稱數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸首先需要解決的是數(shù)據(jù)在信道上傳輸所采取的方式和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)問題。

1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式

數(shù)據(jù)傳輸方式是指數(shù)據(jù)在信道上傳輸所采取的方式。

1)并行傳輸和串行傳輸

(1)并行傳輸。并行傳輸指的是數(shù)據(jù)以成組的方式，在多條并行信道上同時進(jìn)行傳輸，如圖1.6(a)所示。

(2)串行傳輸。串行傳輸是將代表信息的數(shù)字信號碼元序列按時間順序一個接一個地在一條信道上傳輸。如圖1.6(b)所示。圖1.6并行傳輸與串行傳輸示意圖(a)并行傳輸：(b)串行傳輸

2)異步傳輸和同步傳輸

在串行傳輸中需要解決字符的同步問題，主要有兩種方式，即異步傳輸和同步傳輸。

(1)異步傳輸。

異步傳輸方式一般以字符為單位傳輸，不論字符所采用的代碼為多少位，發(fā)送每一個字符代碼時，都要在前面加上一個起始位，長度為1個碼元長度，極性為“0”，表示一個字符的開始：后面加上一個終止位，極性為“1”，表示一個字符的結(jié)束。字符可以連續(xù)發(fā)送，也可以單獨發(fā)送：當(dāng)不發(fā)送字符時，連續(xù)發(fā)送“止”信號，即保持“1”狀態(tài)。接收方可以根據(jù)字符之間從終止位到起始位的跳變(下降沿)來識別一個字符的開始，然后從下降沿以后T/2秒(T為接收方本地時鐘周期)開始，每隔T秒進(jìn)行取樣，直到取樣完整個字符，從而正確地區(qū)分一個個字符。這種字符同步方法又稱為起止式同步。圖1.7(a)所示為異步傳輸?shù)那闆r。圖1.7異步傳輸和同步傳輸示意圖(a)異步傳輸：(b)字符同步：(c)幀同步

(2)同步傳輸。

同步傳輸是以固定的時鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號的，因此在一個串行數(shù)據(jù)流中，各信號碼元之間的相對位置是固定的(即同步)。

3)單工、半雙工和全雙工傳輸

數(shù)據(jù)傳輸是有方向的，根據(jù)數(shù)據(jù)電路的傳輸能力，有單工、半雙工和全雙工3種不同的傳輸方式或通信方式，分別如圖1.8所示。圖1.8單工、半雙工、全雙工傳輸(a)單工傳輸：(b)半雙工傳輸：(c)全雙工傳輸

(1)單工傳輸。

單工傳輸是指傳輸系統(tǒng)的兩數(shù)據(jù)站之間只能沿單一方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖1.8(a)所示。

(2)半雙工傳輸。

半雙工傳輸是指系統(tǒng)兩端可以在兩個方向上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但兩個方向的傳輸不能同時進(jìn)行，如圖1.8(b)所示。

(3)全雙工傳輸。

全雙工傳輸是指系統(tǒng)兩端可以在兩個方向上同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖1.8(c)所示。

2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)用方式

為提高信道利用率，在傳輸過程中一般采用多路復(fù)用技術(shù)。多路復(fù)用技術(shù)就是將多個單路信號通過某種手段使其在一個信道上進(jìn)行傳輸。

3.數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是一個由分布在各地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備和通信線路所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。

1)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)設(shè)備

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)通常是由硬件和軟件組成的，硬件包括數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備及傳輸線路，如圖1.9所示：軟件是為支持這些硬件而配置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。

(1)數(shù)據(jù)終端設(shè)備。

(2)數(shù)據(jù)交換設(shè)備。

(3)通信線路。圖1.9數(shù)據(jù)通信網(wǎng)示意圖

2)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)可分為網(wǎng)狀網(wǎng)、不完全網(wǎng)狀網(wǎng)(格型網(wǎng))、星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)、環(huán)型網(wǎng)和總線型網(wǎng)等。如圖1.10所示，一般骨干網(wǎng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)或格型網(wǎng)，本地網(wǎng)中可采用星型網(wǎng)。圖1.10數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(a)總線型網(wǎng)：(b)網(wǎng)狀網(wǎng)：(c)星型網(wǎng)：(d)環(huán)型網(wǎng)

4.數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的分類

(1)按照傳輸技術(shù)分類，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)可分為交換網(wǎng)和廣播網(wǎng)。

①交換網(wǎng)。

②廣播網(wǎng)。

(2)按照傳輸距離分類，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)可分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。

①局域網(wǎng)。

②城域網(wǎng)。

③廣域網(wǎng)。1.1.4模擬通信與數(shù)字通信

1.模擬通信

模擬通信傳輸?shù)氖悄M信號，傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)包含兩種重要的變換，一種是把原始消息變?yōu)殡娦盘?，另一種是把不適合傳輸?shù)幕鶐盘柾ㄟ^調(diào)制器轉(zhuǎn)換成頻帶信號。同時兩種變換在收端都要經(jīng)過反變換。模擬通信系統(tǒng)的一般構(gòu)成模型如圖1.11所示。圖1.11模擬通信系統(tǒng)的一般構(gòu)成模型

2.數(shù)字通信

數(shù)字通信傳送的是數(shù)字信號。圖1.12所示為語音信號的數(shù)字通信系統(tǒng)。圖中的原始信息就是聲音，聲音經(jīng)過聲/電轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換成連續(xù)不間斷的模擬電信號，模擬電信號通過量化以后得到離散的數(shù)字信號。傳輸過程中的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號。數(shù)字通信為現(xiàn)代通信網(wǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)。圖1.12語音信號的數(shù)字通信系統(tǒng)1.1.5數(shù)字通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信系統(tǒng)是指利用數(shù)字信號傳遞消息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)的模型如圖1.13所示。

(1)信源：信息的源頭，把消息轉(zhuǎn)換成原始的電信號，完成非電量/電量的轉(zhuǎn)換。

(2)信宿：信息的宿主，把復(fù)原的電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息，完成電量/非電量的轉(zhuǎn)換。

(3)編碼器、譯碼器:利用編碼器將信源發(fā)出的模擬或離散的信號轉(zhuǎn)換成有規(guī)律的、適應(yīng)信道傳輸?shù)臄?shù)字信號。圖1.13數(shù)字通信系統(tǒng)模型

(4)調(diào)制器、解調(diào)器：調(diào)制器的作用是把二進(jìn)制脈沖變換或調(diào)制成適宜在信道上傳輸?shù)牟ㄐ危航庹{(diào)器則是把接收到的已調(diào)制信號進(jìn)行反變換，恢復(fù)出原數(shù)字信號,并送解碼器解碼。

(5)加密器:是在需要實現(xiàn)保密通信時才使用的器件。通過加密器可以產(chǎn)生密碼，人為地改變被傳輸?shù)臄?shù)字序列。數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)是評價、設(shè)計一個數(shù)字通信系統(tǒng)的基準(zhǔn)。

歸納一下，衡量通信系統(tǒng)的指標(biāo)大致有以下幾個方面：

(1)可靠性：通信系統(tǒng)在傳輸信息過程中出現(xiàn)錯誤的比例。

(2)有效性：通信系統(tǒng)傳輸信息的快慢。

(3)適應(yīng)性：通信系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)程度。1.2數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

(4)經(jīng)濟性：系統(tǒng)成本。

(5)保密性：通信系統(tǒng)對所傳輸信息的安全程度。

(6)標(biāo)準(zhǔn)性：設(shè)備的規(guī)范及統(tǒng)一程度。

(7)維修性：系統(tǒng)維修的方便程度。

(8)工藝性：通信系統(tǒng)的各種工藝要求。1.2.1模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

模擬通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。模擬通信系統(tǒng)的可靠性可以用信噪比來衡量。信噪比是信號的平均功率S與噪聲的平均功率N之比。信噪比越高，說明噪聲對信號的影響越小。一般電話的信噪比為20~40dB，電視的信噪比在40dB以上。輸出信噪比與信道內(nèi)噪聲的大小和信號的功率有關(guān)，同時也和調(diào)制方式有很大關(guān)系。調(diào)頻信號的質(zhì)量好于調(diào)幅信號，但需要傳輸?shù)念l帶卻大于調(diào)幅信號。1.2.2數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)

數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可以用有效傳輸速率來衡量，當(dāng)信道一定時，傳輸速率越高，有效性越好。數(shù)據(jù)以代碼形式表示，如用二進(jìn)制代碼表示數(shù)值、字符等：而碼元是具有某種形狀的脈沖信號。在傳輸過程中，用碼元表示代碼。

如傳送字符“A”，其代碼為01000001B，用單極性歸零碼方式和雙極性不歸零碼方式編碼，其傳送的碼元組如圖1.14所示。圖1.14編碼示意圖數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝豢梢允潜忍匚?、碼元、字符或碼(元)組，因此衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的指標(biāo)也可以使用這些單位。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的有效性用傳輸速率和頻帶利用率來衡量，常用的有碼元傳輸速率、比特傳輸速率和消息傳輸速率。

1.碼元傳輸速率

碼元傳輸速率通常又稱為碼元速率、符號速率、數(shù)碼率、傳碼率等，不同的教科書稱謂有所不同，一般用符號RB來表示。碼元與代碼的關(guān)系為：一個碼元(符號)要用lbM個代碼來表示(M為進(jìn)制數(shù)或電平數(shù))。而一個消息單位則需要N個碼元來表示，所以，消息單位R和代碼的關(guān)系為：

R=NlbM(1-1)如果碼元是二進(jìn)制碼，即一個碼元僅有一個代碼(M=2)，則lbM=1，R=N。此時，消息傳輸速率與碼元速率相等。

通常在給出系統(tǒng)碼元速率時，有必要說明碼元的進(jìn)制。在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下，多進(jìn)制(比如說N進(jìn)制)碼元速率RBn與二進(jìn)制碼元速率RB2之間可相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為：

RB2=RBnlBN(B)(N=2k,k=2，3，4，…)

(1-2)

2.比特傳輸速率Rb

在數(shù)據(jù)傳輸中，把單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制位的數(shù)量稱為比特傳輸速率，簡稱比特率Rb。

在N進(jìn)制下，每個碼元都含有一定比特的信息量，則RB和Rb之間有確定的關(guān)系：

Rb=RB×H(x)(b/s)

(1-3)其中，H(x)為熵(每個符號所含平均信息量)。當(dāng)離散信源的每一符號等概率出現(xiàn)時，熵H(x)有最大值，此時Rb最大：

Rb=RBlbM(b/s)

(1-4)

反之

(1-5)

【例1.1】

設(shè)一信源的輸出由128個不同符號組成，其中16個符號出現(xiàn)的概率為1/32，另112個符號出現(xiàn)的概率為1/224，信源每秒發(fā)出1000個符號，且每個符號相對獨立。試計算比特率Rb。

解熵

即每個符號所含的信息量是6.404bit。

已知RB=1000Baud，則

Rb=RB×H(x)=6404(b/s)

3.消息傳輸速率

在數(shù)據(jù)傳輸中，單位時間內(nèi)傳輸?shù)钠骄?shù)據(jù)稱為消息傳輸速率。

4.頻帶利用率

在描述通信系統(tǒng)的效率時，還應(yīng)當(dāng)有這樣一個指標(biāo)，就是在同樣傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度。頻帶利用率與調(diào)制方式和編碼方式有關(guān)。頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)的傳輸速率,可以有兩種表示方式：

(1-6)1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是傳輸?shù)牟铄e率和信號抖動。常用的差錯率指標(biāo)有誤碼率Pe、誤比特率Pb、誤字符率和誤碼組率等。

1.誤碼率(碼元差錯率)Pe

誤碼率指在傳輸過程中出錯的碼元數(shù)與總碼元數(shù)之比，即(1-7)

記做

Pe=(1-8)

Pe反映了數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中被損害的程度，它是多次統(tǒng)計的結(jié)果，是統(tǒng)計平均誤碼率。

2.誤比特率(比特差錯率、誤信率)Pb

誤比特率指在傳輸過程中出錯的比特數(shù)與總比特數(shù)之比，即傳輸中出現(xiàn)錯誤信息量的概率。

(1-9)

Pb的大小反映了信息在傳輸中由于比特的錯誤判斷而造成的傳輸信息錯誤的大小，它與誤碼率從兩個不同的層次反映了系統(tǒng)的可靠性。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，誤碼數(shù)目就等于傳錯信息量的比特數(shù)，即Pb=Pe。

如果一個符號由k個比特組成，若其中有一個比特出錯，則這個符號必然錯了，所以Pe≥Pb：如果一個符號錯了，則組成它的k個比特中至少有一個比特錯，所以Pe=1-(1-Pb)k≤kPb

。

3.誤字符率

(1-10)

4.誤碼組率

(1-11)

其中，碼組是碼元的集合。

傳輸?shù)牟铄e率是一個統(tǒng)計平均值，因此在測試或統(tǒng)計時，總的發(fā)送比特(字符、碼組)數(shù)應(yīng)達(dá)到一定數(shù)量，否則得出的結(jié)果沒有意義。

【例1.2】

設(shè)某八進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的比特率Rb=3000(b/s)，收端在10分鐘內(nèi)出現(xiàn)18個錯誤碼元，則該系統(tǒng)的誤碼率是多少？

解依題意Rb=3000(b/s)，則