大学课件-数字通信原理第1章-绪论.ppt

1、2关于本课程关于本课程n目的与任务：目的与任务：数字通信原理为专业技术基础课数字通信原理为专业技术基础课程。通过对通信系统组成、通信系统建模等基程。通过对通信系统组成、通信系统建模等基本概念、基础知识的了解，学习和掌握通信理本概念、基础知识的了解，学习和掌握通信理论和通信系统性能分析方法，掌握常用数字通论和通信系统性能分析方法，掌握常用数字通信系统性能指标及其应用条件，并对现代通信信系统性能指标及其应用条件，并对现代通信技术及其发展方向有所了解，使学生具备初步技术及其发展方向有所了解，使学生具备初步从事通信系统评价及设计的能力，也为相关课从事通信系统评价及设计的能力，也为相关课程奠定基础程奠定

2、基础n先修课程：先修课程：随机信号分析，信号与系统等随机信号分析，信号与系统等 n学习方式：学习方式：课堂教学课堂教学/ /课后作业课后作业n考试方式：考试方式：笔试笔试( (闭卷考试闭卷考试) )n答疑：答疑：4-4454-4453主要参考书主要参考书n樊昌信等编，通信原理，第樊昌信等编，通信原理，第6 (5) 版，版，国防工业出版社国防工业出版社nJ.G.Proakis. Digital Communication (4rd Edition). 电子工业出版社（影印电子工业出版社（影印版：数字通信）版：数字通信）n曹志刚等编，现代通信原理，清华大曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社学出

3、版社n郝建军等编，通信原理考研指导，北郝建军等编，通信原理考研指导，北邮出版社邮出版社4课程的基本内容课程的基本内容n绪论绪论 （2 学时）学时）n随机信号分析随机信号分析 （3 学时）学时） n信道信道 （4 学时）学时）n模拟调制系统模拟调制系统 （6 学时）学时）n数字基带传输系统数字基带传输系统 （8 学时）学时）n正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统 （8 学时）学时）n模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 （7 学时）学时）n数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收 （4 学时）学时）n差错控制编码差错控制编码 （6 学时）学时）5成绩评定初步计划成绩评定初步计划n成绩评定成绩评定

4、n平时作业：平时作业：20%n考勤：考勤：10%n考试：考试：70%6第一章第一章 绪论绪论n什么是通信？什么是通信？n通信的发展简史通信的发展简史n通信系统的组成通信系统的组成n通信系统的分类和通信方式通信系统的分类和通信方式n信息及其度量信息及其度量n通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标71. 什么是通信什么是通信?n通信：交流，传递消息；信息的传输与交换通信：交流，传递消息；信息的传输与交换n信息是要表示和传送的对象信息是要表示和传送的对象.n消息是表示信息的媒体，象语言、文字、图象、符号、消息是表示信息的媒体，象语言、文字、图象、符号、声音等。同一条信息可以用不同的消息表示。信

5、息是包声音等。同一条信息可以用不同的消息表示。信息是包含在消息中的不确定性，即有效含在消息中的不确定性，即有效(有用有用)的东西。消息的的东西。消息的本质和价值取决于它所包含的信息量，即对接收者的不本质和价值取决于它所包含的信息量，即对接收者的不确定性确定性.n信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而来，它是信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而来，它是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随着时间变化的电压着时间变化的电压(电流电流)。n通信就是以语言、图像、数据为媒体，通过电通信就是以语言、图像、数据为媒体，通过电(光光)信号信号将

6、信息由一方传输到另一方将信息由一方传输到另一方n通信是一种产业，它生产的是一种信息在空间转通信是一种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应移的效应82. 通信的发展简史通信的发展简史(1)n18世纪，提出用电流进行通信的设想世纪，提出用电流进行通信的设想n1838年，年，F.B. Morse 发明有线电报发明有线电报n1864年，年，J.C. Maxwell提出电磁辐射方程提出电磁辐射方程n1876年，年，A. G. Bell 发明电话发明电话n1887年，年，H. R. Hertz 验证了电磁波的存在验证了电磁波的存在n1896年，年，A.C. oo ，G. Marconi 发明无线发明无

7、线电报电报n1901年，横跨大西洋的无线通信成功年，横跨大西洋的无线通信成功n1906年，年，Lee deForst 发明真空管发明真空管n1918年，年，E.H. Armstrong发明发明AM广播，超外差广播，超外差接收机接收机 92. 通信的发展简史通信的发展简史(2)n1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通年，开始采用三路明线载波电话，多路通信信n1936年，年，E. H. Armstrong发明发明FM广播广播n1937年，年，A. Reeves发明发明PCM调制原理调制原理n1938年，电视广播开始年，电视广播开始n1940-45年，二次大战刺激了雷达和微波通信系年，二次大战

8、刺激了雷达和微波通信系统的发展；贝尔实验室提出了蜂窝的概念统的发展；贝尔实验室提出了蜂窝的概念 n1948年，发明了晶体三极管；统计理论建立；年，发明了晶体三极管；统计理论建立；Shannon发表发表通信的数学理论通信的数学理论n1950年，时分多路通信应用于电话年，时分多路通信应用于电话n1953年，敷设了第一条越洋电话电缆（年，敷设了第一条越洋电话电缆（36话路）话路）n1957年，前苏联发射第一颗人造地球通信卫星年，前苏联发射第一颗人造地球通信卫星102. 通信的发展简史通信的发展简史(3)n1958年，发明第一块集成电路年，发明第一块集成电路n1961年，年，FM立体声广播开播立体声广

9、播开播n1964年，第一台全电子电话系统问世年，第一台全电子电话系统问世n1972年，年，Motorola发明蜂窝电话发明蜂窝电话n1976年，个人年，个人PC问世问世n1989年，年，“便携式便携式”蜂窝电话问世蜂窝电话问世n1990，超大规模集成电路的大量使用，计算，超大规模集成电路的大量使用，计算机和通信正向着兼容互补的方向发展机和通信正向着兼容互补的方向发展113. 通信系统的组成通信系统的组成(1) n通信系统模型通信系统模型信息源发送设备传输媒介接收设备受信者噪声源123. 通信系统的组成通信系统的组成(2)n模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信n模拟模拟(连续连续)消息：状态连续

10、变化，例如语音，图像消息：状态连续变化，例如语音，图像 数字数字(离散离散)消息：状态可数或离散，如符号，文字，消息：状态可数或离散，如符号，文字，数据数据n模拟信号：载荷消息的电参量连续取值模拟信号：载荷消息的电参量连续取值 数字信号：载荷消息的电参量离散取值数字信号：载荷消息的电参量离散取值n模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如传统广模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如传统广播和电视播和电视 数字通信系统：信道中传输数字信号，例如数字通信系统：信道中传输数字信号，例如2G, 3G133. 通信系统的组成通信系统的组成(3)n模拟通信系统模型模拟通信系统模型模拟信息源调制器信道解调器受信

11、者噪声源基带基带信号信号已调已调信号信号已调已调信号信号基带基带信号信号143. 通信系统的组成通信系统的组成(4)n数字通信系统模型数字通信系统模型信源信源编码加密器信道编码调制器信道噪声干扰解调器信道译码解密器信源译码信宿153. 通信系统的组成通信系统的组成(5)n基带数字通信系统模型基带数字通信系统模型数字信息源波形形成信道接收滤波受信者噪声源163. 通信系统的组成通信系统的组成(5)n数字通信的优点：数字通信的优点：n抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，传输抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，传输性能好；性能好； n便于处理和管理，便于传输和交换便于处理和管理，便于传输和交

12、换n便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，形成智能网；进行处理、加工、变换、存储，形成智能网；n便于集成化，从而使通信设备微型化；便于集成化，从而使通信设备微型化；n便于加密处理，且保密程度高。便于加密处理，且保密程度高。n数字通信的缺点：数字通信的缺点：n频带利用率低：比模拟通信占据更宽的系统频带。频带利用率低：比模拟通信占据更宽的系统频带。一路模拟电话：一路模拟电话：4KHz，接近同样话音质量的一路数，接近同样话音质量的一路数字电话：字电话：20-60KHz。n对同步要求高，系统设备比较复杂。对同步要求高，系统设

13、备比较复杂。173. 通信系统的组成通信系统的组成(6)n两种应用两种应用n利用数字通信系统传送模拟消息利用数字通信系统传送模拟消息nA/D，D/A变换，例如电话变换，例如电话n利用模拟通信系统传送数字信号利用模拟通信系统传送数字信号n加装数字终端，例如调制解调器加装数字终端，例如调制解调器184.1 通信系统的分类通信系统的分类(1)n根据信号特征根据信号特征n模拟通信系统模拟通信系统n数字通信系统数字通信系统n根据消息的物理特征（业务类型）：电话、数根据消息的物理特征（业务类型）：电话、数据、电视等据、电视等n根据调制方式根据调制方式(见表见表1-1)n脉冲调制脉冲调制/基带传输：周期性脉

14、冲序列作为载波基带传输：周期性脉冲序列作为载波n正弦波调制正弦波调制/频带传输：正弦型载波频带传输：正弦型载波n根据传输媒介根据传输媒介n有线传输：双绞线、同轴电缆、光纤有线传输：双绞线、同轴电缆、光纤n无线传输无线传输19表 1- 1常见的调制方式 调调 制制 方方 式式 用途用途 连连续续波波调调制制线性调制线性调制常规双边带调制常规双边带调制广播广播 抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅残留边带调幅VSB 电视广播、电视广播、 数传、数传、 传真传真 非线性调制非线性调制频率

15、调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播 相位调制相位调制PM 中间调制方式中间调制方式 数字调制数字调制幅度键控幅度键控ASK 数据传输数据传输 相位键控相位键控数据传输数据传输 20 调调 制制 方方 式式 用途用途 脉脉冲冲数数字字调调制制数字调制数字调制相位键控相位键控PSK、 DPSK、 QPSK等等 数据传输、数据传输、 数字微波、数字微波、 空间通信空间通信 其他高效数字调制其他高效数字调制QAM、 MSK等等 数字微波、数字微波、 空间通信空间通信 脉冲模拟调脉冲模拟调制制脉幅调制脉幅调制PAM 中间调制方式、中间调制方式、 遥测遥测 脉宽调制脉宽调制

16、PDM(PWM) 中间调制方式中间调制方式 脉位调制脉位调制PPM 遥测、遥测、 光纤传输光纤传输 脉冲数字调脉冲数字调制制脉码调制脉码调制PCM 市话、市话、 卫星、卫星、 空间通信空间通信 增量调制增量调制DM 军用、军用、 民用电话民用电话 差分脉码调制差分脉码调制DPCM 电视电话、电视电话、 图像编码图像编码 其他语言编码方式其他语言编码方式ADPCM中低速数字电话中低速数字电话 续表（续表（2）214.1 通信系统的分类通信系统的分类(2)n根据信号复用方式根据信号复用方式n频分复用频分复用(FDM)n 时分复用时分复用(TDM)n 码分复用码分复用(CDM)224.2 点到点的通

17、信方式点到点的通信方式(1)n按消息传送方向与时间关系按消息传送方向与时间关系n单工：传统广播和电视、遥测、遥控、寻呼单工：传统广播和电视、遥测、遥控、寻呼n半双工：无线电对讲机半双工：无线电对讲机(同一载频同一载频)n全双工通信：电话全双工通信：电话发送端信道接收端发送端信道发送端接收端接收端发送端信道接收端接收端发送端信道234.2 点到点的通信方式点到点的通信方式(2)n按数字信号的码元排列方法按数字信号的码元排列方法n串行传输：远距离数字通信串行传输：远距离数字通信n并行传输：近距离数字通信并行传输：近距离数字通信发送设备接收设备 1 0 1发送设备接收设备.244.3 实际通信系统实

18、际通信系统n通信网和专线通信网和专线TTTT255 信息及其度量信息及其度量(1)n信息：消息中包含的有意义的内容信息：消息中包含的有意义的内容n信息的度量：信息量信息的度量：信息量n与消息的种类及重要程度无关与消息的种类及重要程度无关n事件的不确定程度越大，信息量越大事件的不确定程度越大，信息量越大n消息消息 x 中所含信息量中所含信息量 I 与消息出现概率与消息出现概率 P(x) nI (x) = I P(x)nP(x) = 1, I = 0; P(x) = 0, I = n若干互相独立事件构成的消息，所含信息量等于若干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之和各独立事件信

19、息量之和 I (x1 , x2 , ) = I (x1) + I(x2) + 265 信息及其度量信息及其度量(2)n信息量信息量 I 的定义的定义 1logaI xP x na =2: 比特比特(bit) 121loganP xP xP x logaP x 1lognaiiP x 12,nI x xx 121log,anP x xx 1bitI x 1 2P x 时时，na =e: 奈特奈特(nit)na =10: 哈特莱哈特莱275 信息及其度量信息及其度量(3)n离散消息的度量离散消息的度量n 各符号各符号 x1 x2 xn 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为 121211nnnx

20、xxiP xP xP xiP x , ,且且设离散信息源是一个由设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集，且个符号组成的符号集，且 21222loglog,lognP xP xP x ，n 每个符号所含信息量的统计平均值每个符号所含信息量的统计平均值(平均信息量平均信息量)为为 HxE I x 21log/niiiP xP xbit 符符号号 1212222logloglognnP xP xP xP xP xP x 285 信息及其度量信息及其度量(4)n信息源的最大熵信息源的最大熵 如果各符号如果各符号x1 x2 xn等概出现，即等概出现，即P(xi)=1/n，则有，则有 12221logl

21、og/I xI xHxn bitn 符符号号 22 ,log 2/kknHxk bit 例例如如符符号号结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时n 用平均信息量计算消息的信息量用平均信息量计算消息的信息量 若消息传送的符号总数为若消息传送的符号总数为m，则，则 I = m H(x) (bit) 例信息源由独立等概的符号例信息源由独立等概的符号0, 1组成，组成，n = 2, H(x)=1bit/符号，符号数与比特数相等。符号，符号数与比特数相等。 295 信息及其度量信息及其度量(5)例例: 一信息源由四个符号一信息源由四个符号0,

22、1, 2, 3组成，它们出现的概率分组成，它们出现的概率分别为别为3/8, , , 1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某，且每个符号的出现都是独立的。试求某个消息个消息201020130(57个符号：个符号：023, 114, 213, 37)的的信息量。信息量。 2222311123log14log13log7log8448108Ibit n 方法一：方法一： 222233111111loglogloglog884444881.906/Hbit 符符号号n 方法二：方法二： 1081.89/57Ibit符符号号 57108.64IHbit306. 主要性能指标主要性能指标(1)n有效性

23、：系统传输消息的效率有效性：系统传输消息的效率/通信资源通信资源(频率、时间频率、时间)的充分利用，在给定的信道内能够容纳多大的信息量，的充分利用，在给定的信道内能够容纳多大的信息量，或允许传输多高的信息率或允许传输多高的信息率n可靠性：信息传输的准确程度，传送消息的准确还原可靠性：信息传输的准确程度，传送消息的准确还原n根据信息论观点，通信系统的有效性和可靠性常常是根据信息论观点，通信系统的有效性和可靠性常常是一对矛盾。也就是说有效性很高的通信系统往往带来一对矛盾。也就是说有效性很高的通信系统往往带来可靠性不足的缺点；或者是保证了很高的可靠性，但可靠性不足的缺点；或者是保证了很高的可靠性，但

24、导致有效性的降低。可靠性是矛盾的主要方面，即发导致有效性的降低。可靠性是矛盾的主要方面，即发送消息在接收端的准确还原。送消息在接收端的准确还原。n形成矛盾的根本原因：信道不理想形成矛盾的根本原因：信道不理想n带宽、时间受限带宽、时间受限n噪声和干扰噪声和干扰316. 主要性能指标主要性能指标(2)n模拟通信系统的性能指标模拟通信系统的性能指标n有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征n可靠性：均方误差可靠性：均方误差n输出信噪比输出信噪比(仅考虑加性干扰仅考虑加性干扰)：接收端输出的信：接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比号平均功率与噪声平均功率之比(

25、SNR)n电话：电话：SNR 40dB, 话音清晰度话音清晰度 95%n电视：电视：SNR = 4060dB326. 主要性能指标主要性能指标(3)n离散数字信号的表示离散数字信号的表示n离散信源的离散信源的 N = 2k 种可能状态可以用种可能状态可以用 k 位二进制数位二进制数字或一位字或一位 N 进制数字表示进制数字表示n用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或 N 进制进制数字数字n这个间隔称为符号这个间隔称为符号/码元周期码元周期n间隔内的信号称为符号间隔内的信号称为符号/码元码元(二进制或二进制或 N 进制进制)T tT t1T t2-1T t-

26、2T 2T t1 T 2T t1 T 2T t-1 T 2T t1336. 主要性能指标主要性能指标(4)n数字通信系统的性能指标：传输速率和差错率数字通信系统的性能指标：传输速率和差错率n符号符号(码元码元)传输速率：每秒钟传送的符号数量，单传输速率：每秒钟传送的符号数量，单位为位为“波特波特”(baud或或B)，又称传码率，又称传码率n信息传输速率：每秒钟传送的信息速率，单位为信息传输速率：每秒钟传送的信息速率，单位为“比特比特/秒秒”(bit/s)，又称传信率，又称传信率n符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为Rs，信息速率为信息速率为Rb，

27、每个符号有，每个符号有 N 种可能状态，则有种可能状态，则有Rb Rs log2 N (bit/s)Rs Rb /log2 N (baud)n 频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为bit/s/Hz或或Baud/Hz346. 主要性能指标主要性能指标(5)n误符号率误符号率(误码率误码率) ：符号在传输系统中被传错：符号在传输系统中被传错的概率的概率bP 错错误误比比特特数数传传输输总总比比特特数数sP 错错误误符符号号数数传传输输总总符符号号数数n误比特率误比特率(误信率误信率)：符号信息量在传输系统中：符号信息量在传输系统中被丢失的概率被丢失的

28、概率 35思考题和作业思考题和作业n什么是通信？通信的目的是什么？如何进什么是通信？通信的目的是什么？如何进行通信？行通信？n通信系统的组成以及分类？通信系统的组成以及分类？n什么是模拟通信系统、数字通信系统？并什么是模拟通信系统、数字通信系统？并比较它们的异同。比较它们的异同。n衡量通信系统优劣的指标有哪些？衡量通信系统优劣的指标有哪些？n作业：作业：1-1，1-2，1-4，1-5，1-7，1-8, 1-103637James Clerk Maxwell （1831-1879） Heinrich Rudolf Hertz （1857-1894)麦克斯韦与赫兹麦克斯韦与赫兹38通信系统仿真通信

29、系统仿真例：一个随机二进制信源经过信道传送，例：一个随机二进制信源经过信道传送，产生产生10-3误比特率误比特率%二进制随机信源与二进制对称信道二进制随机信源与二进制对称信道close all;clear all;N=10000;Pe=1e-1;src=rand(1,N) 0.5; %产生随机二进制信源产生随机二进制信源err= rand(1,N)Pe; % 信道差错矢量信道差错矢量rev=mod(src+err,2); % 发送矢量发生差错发送矢量发生差错39通信系统仿真通信系统仿真n例：观察例：观察CDMA二用户码的自相关与互相关特二用户码的自相关与互相关特性性close all;clea

30、r all;Code_a=0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1;Code_b=0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0;Code_a=1-2*Code_a;Code_b=1-2*Code_b;aa=xcorr(Code_a,Code_a);bb=xcorr(Code_b,Code_b);ab=xcorr(Code_a,Code_b);subplot(3,1,1);plot(aa);subplot(3,1,2);plot(bb);subplot(3,1,3);plot(ab);40通信系统仿真通信系统仿真CDMA系统：相关特性观察（自相关，自相关，互相关）系统：相关特性观察（自相关，自相关，互相关）