数字通信原理(11)课件.ppt

1、1 12 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。n通信系统概述n信源编码 A/D转换n数字信号的传输，包括基带传输和频带传输n锁相与同步问题n差错控制n现代通信网的介绍n数字信号的最佳接收3 34 4 通信的历史可以追嗍到通信的历史可以追嗍到1717世纪初期。世纪初期。n 通过语言、声、光等直觉的方式传递信息。如：人力、马力和烽通过语言、声、光等直觉的方式传递信息。如：人力、马力和烽火台等；火台等；n 文字、印刷术的发明，邮政的出现；文字、印刷术的发明，邮政的出现；从从1600-17501600-1750年，开始研究电、磁的现象，到年，开始研究电、磁的现象，到1919世

2、纪世纪4040年代年代为通信理论基础准备阶段。为通信理论基础准备阶段。n 电气通信时代：电话、电报、广播和电视；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。的更广泛的领域。n 信息时代：计算机和计算机互联网；信息时代：计算机和计算机互联网；5 5 通信的主要任务：克服距离、干扰等障碍，迅速、准确地通信的主要任务：克服距离、干扰等障碍，迅速、准确地传递信息传递信息。6 6 3 3、通信系统的组成及模型、通信系统的组成及模型 通信的目的是传递消息。通信的目的是传递消息。信息源信息源发送

3、发送设备设备接收接收设备设备信信 道道图图1-1 通信系统的模型通信系统的模型受信者受信者噪声源噪声源发送端发送端接收端接收端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7 74 4、信号分类（、信号分类（1 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。送的电信号。通常，消息被载荷在电信号的某一参量上。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。取值的。这就是数字信号。

4、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。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。8 84 4、信号分类（、信号分类（2 2）按代表消息的信号按代表消息的信号 的参量取值方式的参量取值方式模拟信号（又叫连续信号）模拟信号（又叫连续信号）数字信号（又叫离散信号）数字信号（又叫离散信号）通信系统通信系统模拟通信系统：传送模拟信号的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数字通信系统：传送数字信号的通信系统9 95 5、模拟通信系统、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。信道中传输的是模拟信号的系统称为模拟通信系

5、统。1 1）模拟通信系统的组成）模拟通信系统的组成 模拟通信系统需要两种变换。模拟通信系统需要两种变换。首先，发送端的连续消息要首先，发送端的连续消息要变换变换成原始电信号，接收端成原始电信号，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。）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因此，模拟通信系统里通常有第二种变换第二种变换：将原始电信将原始电信号变换成其号变换成其频带频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换这种变

6、换和反变换通常称为这种变换和反变换通常称为调制和解调调制和解调。10105 5、模拟通信系统、模拟通信系统 经过调制后的信号称为经过调制后的信号称为已调信号已调信号。具有。具有两个基本特性两个基本特性：一是携带消息；二是适应在信道中传输。（另外还有一点：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。）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带信号。所以原始电信号又称基带信号基带信号，称已调信号为，称已调信号为频频带信号带信号。注：消息从发送端传递到接收端并非仅经过以上两种变

7、换，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。只着重研究上述两种变换和反变换。11 11发发信信者者调调制制器器解解调调器器信信 道道受受信信者者噪声源噪声源图1-2 模拟通信系统非电非电/电变换电变换器（发器（发话器）话器）电电/非非电变换电变换器（收器（收话器）话器）变换器反变换器5 5、模拟通信系统、模拟通信系统2 2）模拟通信系统模型）模拟通信系统模型信息源12125 5、模拟通信系统、模拟通信系统2 2）模拟通信系统的优缺点）模拟通信系统的优缺

8、点 优点优点：通过信道的信号通过信道的信号频谱比较窄，频谱比较窄，因此信道的利用因此信道的利用率高。率高。缺点：缺点：（1 1）传输的信号是连续的）传输的信号是连续的 ，混入噪声干扰后不易清除，混入噪声干扰后不易清除，即即抗干扰能力差。抗干扰能力差。（2 2）不易保密通信，即）不易保密通信，即安全性差。安全性差。（3 3）设计不易大规模集成化。）设计不易大规模集成化。（4 4）不适于飞速发展的计算机通信要求。）不适于飞速发展的计算机通信要求。13136 6信源信源信源编码信源编码信道编码信道编码调制调制（信道编码）（信道编码）传输媒介传输媒介信源解码信源解码解调解调信道解码信道解码信宿信宿图图

9、1-21-2 数字通信系统模型数字通信系统模型（1 1）1414 n 信源编码：信源编码：模拟信号转变为数字信号；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。信号压缩处理；信号的高效率编码。n 信道编码信道编码：检错、纠错编码，提高信号抗干扰能力：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。信息加密，防止信息被窃取。n 调制变换调制变换：波形编码，信号调制，使基带信号适合在特定的：波形编码，信号调制，使基带信号适合在特定的 道中传输。道中传输。n 传输媒介传输媒介：有线、无线信道，网络交互设备。：有线、无线信道，网络交互设备。n 解调、信道译码、信源译码解调、信道

10、译码、信源译码：对信号作上述处理相反对变换。：对信号作上述处理相反对变换。1515信信源源调调制制器器解解调调器器信信 道道噪噪声声源源加加密密器器二二次次编编码码器器非电非电/电电变换变换器器一一次次编编码码器器二二次次解解码码器器解解密密器器一一次次解解码码器器电电/非电非电变换变换器器信信宿宿变换器变换器反变换器反变换器图1-3 数字通信系统模型（2）7 7、数字通信系统详细模型、数字通信系统详细模型16168 8、数字通信系统过程、数字通信系统过程n非电非电/电变换器电变换器：把非电模拟信号转换成电信号：把非电模拟信号转换成电信号n一次编码器一次编码器：模拟：模拟/数字变换数字变换n加

11、密器加密器：对数字信号进行加密：对数字信号进行加密n二次编码器二次编码器：即差错控制编码器，使得接收端能够根据一：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。错控制。n调制器调制器：以便输出的信号能适应信道传输的要求：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。之后的几个方框的内容与以上几一一对应的反变换。去掉了加密去掉了加密/解密装置的系统，广义的被称为解密装置的系统，广义的被称为信源编码通信源编码通信系统信系统。1717 n 信号容易再生，抗干扰能力强

12、；信号容易再生，抗干扰能力强；n 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；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；n 器件易于集成化；器件易于集成化；n 有利于实现各种业务对综合传输；有利于实现各种业务对综合传输；18181010、数字通信存在的问题、数字通信存在的问题n第一、数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，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原则上都是可以控制的。即通过上述差错控制编码n第二、加密解密第二、加密解密n第三、同步问题。数字通信传输是一个接一个按节拍传第三、同步问题。数字通信

13、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。称为与发送端相同的节拍收。称为“位同步位同步”或或“码元同码元同 步步”，而称编组一致为，而称编组一致为“群同步群同步”、“帧同步帧同步”等。等。1919 1.1.信息与消息信息与消息n 通信的目的在于传送信息。通信的目的在于传送信息。n 消息是由符号、文字、数字、语音或图像组成的序列；消息是由符号、文字、数字、语音或图像组成的序列；n 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 “不确定性不

14、确定性”的的消除量消除量；消息所含的信息量与消息的重要程度无关消息所含的信息量与消息的重要程度无关；n 消息是信息的载体，信息是消息的内涵；消息是信息的载体，信息是消息的内涵；2020 2.2.信息的度量信息的度量n 不确定性即可能性；可能性的大小可用概率来度量；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。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；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（消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大（举例举例）；）；n 信息的度量方式

15、还应满足可加性；信息的度量方式还应满足可加性；n 信息量应该是事件发生概率的函数；信息量应该是事件发生概率的函数；2121 3.3.离散信源的信息量离散信源的信息量 离散信源统计特性的描述概率场离散信源统计特性的描述概率场 设离散信源包含设离散信源包含N N种可能的符号，相应的概率场：种可能的符号，相应的概率场：x1 x2 x3 .x1 x2 x3 .xNxN p(x1)p(x2)p(x3).p(p(x1)p(x2)p(x3).p(xNxN)且有且有 p(p(xixi)=1,(i)=1,(i从）从）22223.3.离散信源的信息量离散信源的信息量n 离散消息离散消息x xi i的信息量的信息量

16、I I是出现该消息的概率是出现该消息的概率p(p(x xi i)的函数；的函数；n 事件事件x xi i出现的概率越小，信息量越大；出现的概率越小，信息量越大；当当p(p(x xi i)=1)=1 时，时，I=I=；n 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，即息量的和，即“可加性可加性”：要满足如上的条件要求，要满足如上的条件要求，I I与概率与概率p p之间满足这样的关系：之间满足这样的关系：n n 信息量的单位与对数的底有关：信息量的单位与对数的底有关：loglog以以2 2为底时，单位为比特：为底时，单位为

17、比特：bitbit log log以以e e为底时，单位为奈特：为底时，单位为奈特：nitnit。)(log()(log)()(1ixpaixpxIi.)()().()(2121xpIxpIxpxpI23233.3.离散信源的信息量离散信源的信息量 下面先来讨论等概率出现的离散消息的度量：下面先来讨论等概率出现的离散消息的度量：n传递个消息之一，只需采用一个进制的波形来传递；传递个消息之一，只需采用一个进制的波形来传递；n任意一个进制波形总可用若干个二进制波形来表示。任意一个进制波形总可用若干个二进制波形来表示。n定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为，定义：传送两个等概的二进制波形之一

18、的信息量为，单位：比特单位：比特 则：则：则传送每一独立等概的则传送每一独立等概的进制进制波形的信息量应为：波形的信息量应为：若若=2=2K K(K=1,2,3(K=1,2,3),),则则I=logI=log2 2=log=log2 22 2K K(bit)(bit)即：即：进制波形可用进制波形可用个二进制波形来传递。个二进制波形来传递。)(1)(log2112bitIMIM2112log)(log2424 n 定义，离散信源定义，离散信源X X的熵为：的熵为：离散信源的熵是统计意义上的平均信息量。离散信源的熵是统计意义上的平均信息量。n 利用利用信源的熵，可以方便地估算消息序列所包含的总信息

19、量。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：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）符号）(bit/)(log)()(12niiixpxpxH2525 其中出现其中出现0 0的信息量为的信息量为 23log23log2 2 8/3=33bit;8/3=33bit;出现出现1 1的信息量为的信息量为 14log14log2 2 4=28bit;4=28bit;出现出现2 2的信息量为的信息量为 13log13log2 2 4=26bit;4=26bit;出

20、现出现3 3的信息量为的信息量为 7log7log2 2 8=21bit;8=21bit;故该消息的信息量为故该消息的信息量为:I I=33+28+26+21=33+28+26+21=108 108（bitbit）平均平均（算术平均）（算术平均）一个符号的信息量应为：一个符号的信息量应为：若用熵的概念计算有：若用熵的概念计算有：H=-(3/8)log H=-(3/8)log2 2(3/8)-(1/4)log(3/8)-(1/4)log2 2(1/4)(1/4)-(1/4)log -(1/4)log2 2(1/4)-(1/8)log(1/4)-(1/8)log2 2(1/8)=1.906(1/8

21、)=1.906（bit/bit/符号）符号）则该消息所含的信息量为则该消息所含的信息量为I=57I=57*1.906=1.906=108.64108.64 bitbitbit)(1.8957108II_符号数2626n 分析方法：分析方法：（1 1）用抽样定理将连续信源时间上离散化；）用抽样定理将连续信源时间上离散化；（2 2）将离散信源的信息度量方法推广至连续信源，用离散变）将离散信源的信息度量方法推广至连续信源，用离散变 量逼近连续变量。量逼近连续变量。n 连续信源的熵连续信源的熵定义：连续信源的平均信息量（相对熵）为定义：连续信源的平均信息量（相对熵）为 其中其中f(x)f(x)连续消息

22、出现的概率密度连续消息出现的概率密度dxxfxfxHe)(log)()(27271 1、有效性有效性：单位时间内系统能传输信息量的大小；：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主要是指消息传输的“速度速度”问题。问题。1 1）对于对于模拟通信系统模拟通信系统来说，消息传输速度主要决定于消息来说，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。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。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从信息论的观点来说，消息传输速度可用单

23、位时间内传送的信息量来衡量。信息量来衡量。模拟通信中还有一个重要性能指标：模拟通信中还有一个重要性能指标：均方误差均方误差。它是衡。它是衡量发送的模拟信号与接收端复制的模拟信号之间误差程度的量发送的模拟信号与接收端复制的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。质量指标。均方误差越小，复制的信号越逼真。2828造成误差的原因造成误差的原因有两个：有两个：第一第一、在传输的过程中迭加上的噪声，称为、在传输的过程中迭加上的噪声，称为加性干扰加性干扰产生的误差。这个用产生的误差。这个用信号噪声比信号噪声比这一指标这一指标衡量。故认为在模拟通信中均方误差的大小最终完衡量。故认为在

24、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。简称率之比。简称输出信噪比输出信噪比。第二第二、由于信道特性不理想产生的误差，一、由于信道特性不理想产生的误差，一般称为般称为乘性干扰乘性干扰产生的误差。可以避免的。产生的误差。可以避免的。29292 2）对于对于数字通信系统数字通信系统来说，由于它传输的离散信号。离散信来说，由于它传输的离散信号。离散信号的状态是确定的。若只有两种状态，则可以用二进制来表示。号的状态是确定的。若只有两种状态，则可以用二进制来表示。如果多种状态，则可用若干个二进制数字来表示。如果多种状态

25、，则可用若干个二进制数字来表示。原则上，原则上，N N进制的一个数字可用进制的一个数字可用loglog2 2N N个二进制数字去表示。个二进制数字去表示。若若loglog2 2N N不是整数，应选用大于此值的第一个整数。不是整数，应选用大于此值的第一个整数。在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字，这个间隔称为码元长度。这样的时间间隔内的信号称为数字，这个间隔称为码元长度。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。同样，二进制码元。同样，N N进制的信号也是等长的，被称为进制的信号也是等长的，被称为N N进制码进制码元。元。30303

26、 3）传输速率：码元传输速率与传信率。）传输速率：码元传输速率与传信率。n 波特率（波特率（R RB B）：）：单位时间内传输的码元数，波特单位时间内传输的码元数，波特/s(Baud/s);s(Baud/s);n 比特率（比特率（RbRb）：）：单位时间内传输的比特数（信息速率），单位时间内传输的比特数（信息速率），比特比特/s s，b/sb/s，bpsbps。n 二进制符号：只有两种状态，每个码元符号最多能够携带二进制符号：只有两种状态，每个码元符号最多能够携带1 1比比 特信息；特信息；n N N 进制符号：每个码元符号有进制符号：每个码元符号有N N种可能的状态，每个码元符号种可能的状态

27、，每个码元符号 可携带的最大信息量为可携带的最大信息量为loglog2 2N N比特。比特。3131n 波特率（波特率（R RB B）与比特率（与比特率（R Rb b）之间的关系之间的关系(在在N N进制下）：进制下）：2 2、可靠性、可靠性：接收信号的准确程度：接收信号的准确程度n 信噪比（信噪比（S/NS/N）:信号功率与噪声功率之比。信号功率与噪声功率之比。话音通信：要求话音通信：要求S/NS/N在在2020dBdB以上；以上；视频通信：要求视频通信：要求S/NS/N在在4040dBdB以上；以上；(bit/s)log2NRRNBb3232 n 误码率与误信率误码率与误信率 误码率是指码

28、元在传输系统中被传错的概率。误码率是指码元在传输系统中被传错的概率。误信率是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例。误信率是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例。误码率（误码率（PePe）：）：PePe（错误码元符号数）错误码元符号数）/（总码元符号数）；（总码元符号数）；误信率（误信率（PbPb）：）：PbPb（错误比特数）错误比特数）/（总比特数）（总比特数）数字话音通信：要求数字话音通信：要求PbPb在在1010负负3 3负负6 6次方以下；次方以下；计算机系统：要求计算机系统：要求PbPb在在1010负负7 7次方以下。次方以下。3333思考题：思考题：1 1、数字通信的特点；、数字通信的特点；2 2、通信方式是如何确定的。、通信方式是如何确定的。作业：作业：P16P164 4、6 6、9 9、1919