1、兰州理工大学兰州理工大学计算机与通信学院计算机与通信学院数数 字字 通通 信信王惠琴王惠琴 教授教授Digital Communications1 绪论绪论t 数字通信：采用针对数字信息的加工、处理和传输技术，把数字通信：采用针对数字信息的加工、处理和传输技术，把信源产生的信息（消息、信号）有效、可靠地传送到一个或信源产生的信息（消息、信号）有效、可靠地传送到一个或多个接收者（用户、目的地）。多个接收者（用户、目的地）。t 优点：优点：l资源利用率高；资源利用率高；l实现容易，成本低；实现容易，成本低；l多用户系统中，数字传输支持信息的电子寻址（多用户系统中，数字传输支持信息的电子寻址（Add
2、ressing）和路由）和路由（Routing）；）；l不同形式的信息通过数字传输机制变得统一，即不同形式或种类的信不同形式的信息通过数字传输机制变得统一，即不同形式或种类的信源可以通过复接，合成为一个数字信源，实现多媒体通信；源可以通过复接，合成为一个数字信源，实现多媒体通信；l数字信息比模拟波形更容易加密；数字信息比模拟波形更容易加密；l数字信息可以用电子方法，精确、快速地实现信息的存储和提取；数字信息可以用电子方法，精确、快速地实现信息的存储和提取；l多级接力传输系统中，数字信息在每一级重构、再生，而模拟系统中多级接力传输系统中，数字信息在每一级重构、再生，而模拟系统中，噪声和失真为逐级
3、累积等。，噪声和失真为逐级累积等。Digital Communications1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成t 目的目的l掌握数字通信系统的分析方法，即给定一个数字通信系统，分析其特掌握数字通信系统的分析方法，即给定一个数字通信系统，分析其特定传输环境下所能达到的性能指标；定传输环境下所能达到的性能指标；l数字通信系统的基本设计方法，包括两方面：数字通信系统的基本设计方法，包括两方面：t 给定传输条件（信道特性），设计一个数字通信系统，在规定允许失真给定传输条件（信道特性），设计一个数字通信系统，在规定允许失真条件下，提供最大的数字通信能力；条件下，提供最大的数字通信能力；t 在给
4、定要求的失真和业务负载条件下，设计有效的信道完成数据传输任在给定要求的失真和业务负载条件下，设计有效的信道完成数据传输任务。务。t 数字通信系统的构成数字通信系统的构成Digital Communications1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成信道编码信道编码:用适合信道传输的码进行传输，或对源码进行用适合信道传输的码进行传输，或对源码进行 重编码使具有检错、纠错能力。重编码使具有检错、纠错能力。信源编码信源编码：降低信息冗余度的编码，以较少的码元传输较：降低信息冗余度的编码，以较少的码元传输较 多的信息，提高传输效率。多的信息，提高传输效率。数字调制数字调制/解调：解调：把数字基带
5、信号的频谱搬移到高频处，把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形形成适合在信道中传输的频带信号。成适合在信道中传输的频带信号。同步同步：包括载波同步、位同步、帧同步、网同步，是接收：包括载波同步、位同步、帧同步、网同步，是接收 端正确恢复数字信息所不可缺少的。端正确恢复数字信息所不可缺少的。Digital Communications1.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型 信道是指以传输媒质为基础的信号通道。信道是指以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道狭义信道：仅是指信号的传输媒质：仅是指信号的传输媒质。广义信道广义信道：为了研究的需要，将有关转换设备一并划入狭义信：为了研究的需要，将有关转换
6、设备一并划入狭义信道，称为广义信道。道，称为广义信道。广义信道中除传输媒质外，还包括有关广义信道中除传输媒质外，还包括有关发送设备、接收设备、天线、调制、解调等。广义信道按功发送设备、接收设备、天线、调制、解调等。广义信道按功能可分为能可分为：电缆电缆光缆光缆狭义信道狭义信道短波广播短波广播超短波、微波传输超短波、微波传输卫星通信卫星通信移动通信移动通信有线信道有线信道无线信道无线信道调制信道调制信道 研究的着眼点只关心调制器输出和解调器的输入研究的着眼点只关心调制器输出和解调器的输入编码信道编码信道 研究的着眼点只关心编码和译码（数字通信系统）研究的着眼点只关心编码和译码（数字通信系统）Di
7、gital Communications1.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型t 广义信道广义信道调制信道调制信道 指调制器输出到接收端的解调器输入指调制器输出到接收端的解调器输入编码信道编码信道 从从编码器输出至译码器输入编码器输出至译码器输入 调制信道调制信道数字数字信源信源调调制制器器解解调调器器终端终端媒媒质质编编码码器器译译码码器器发发转转换换器器收收转转换换器器编码信道编码信道Digital Communications71.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型t 通信信道及特性通信信道及特性 1 1 有线信道有线信道 双绞线、同轴电缆、波导、光纤等。频率范围从双绞线、同轴电
8、缆、波导、光纤等。频率范围从kHz-kHz-100GHz-100GHz-有线信道属于典型的恒参信道。有线信道属于典型的恒参信道。信号在信道中传输会造成幅度和相位失真，这种线性信号在信道中传输会造成幅度和相位失真，这种线性畸变可以通过接收机端的均衡技术措施减小或消除。畸变可以通过接收机端的均衡技术措施减小或消除。第第9 9章将研究带限滤波信道的最佳传输信号和信号的最章将研究带限滤波信道的最佳传输信号和信号的最佳接收问题，第佳接收问题，第1010章研究信道均衡器的设计。章研究信道均衡器的设计。Digital Communications1.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型t 通信信道及特性通
9、信信道及特性 2 光纤信道光纤信道 光纤信道提供的带宽比同轴电缆信道大几个数量级。光纤信道提供的带宽比同轴电缆信道大几个数量级。由于低损耗光缆和光子器件技术的不断成熟，光纤通由于低损耗光缆和光子器件技术的不断成熟，光纤通信得到了广泛应用。信得到了广泛应用。如如:地面市话网数字话音传输、地面数字视频广播、跨地面市话网数字话音传输、地面数字视频广播、跨洋通信网络等。洋通信网络等。调制方式采用幅度调制，频率和相位调制及相干解调调制方式采用幅度调制，频率和相位调制及相干解调仍存在困难。仍存在困难。Digital Communications9频率范围频率范围 波长波长 符符 号号 传输媒质传输媒质 用
10、用 途途3 Hz30 kHz 104108 m 甚低频甚低频VLF 有线线对、长波无有线线对、长波无线电线电 音频、电话、数据终端长距离导航音频、电话、数据终端长距离导航、时标、时标 30300 kHz 103104 m 低频低频LF 有线线对、长波无有线线对、长波无线电线电 导航、导航、信标、信标、电力线通信电力线通信 300 kHz3MHz102103 m 中频中频MF 同轴电缆、短波无同轴电缆、短波无线电线电 调幅广播、移动陆地通信、业余无调幅广播、移动陆地通信、业余无线电线电330 MHz 10102 m 高频高频HF 同轴电缆、短波无同轴电缆、短波无线电线电 移动无线电话、移动无线电
11、话、短波广播定点军用短波广播定点军用通信、通信、业余无线电业余无线电 30300 MHz 110 m 甚高频甚高频VHF 同轴电缆、米波无同轴电缆、米波无线电线电 电视、电视、调频广播、调频广播、空中管制、空中管制、车辆车辆、通信、通信、导航导航 3 无线电信道无线电信道 通信频段与用途通信频段与用途300 MHz3 GHz 电电电电10100 cm 特高频特高频UHF 波导波导分米波无线分米波无线电电 微波接力、微波接力、卫星和空间通信、卫星和空间通信、雷达雷达 330 GHz 110 cm 超高频超高频 SHF 波导波导厘米波无线厘米波无线电电 微波接力、微波接力、卫星和空间通信、卫星和空
12、间通信、雷达雷达 30300 GHz 110 mm 极高频极高频 EHF 波导波导毫米波无线毫米波无线电电 雷达、雷达、微波接力、微波接力、射电天文学射电天文学 43T3000THz 0.17um 紫外可见光紫外可见光红外红外 光纤光纤激光空间传激光空间传播播 光通信光通信 传播方式：地波传播、天波传播、视线传播传播方式：地波传播、天波传播、视线传播Digital Communicationst 3 无线信道无线信道l无线信道电磁波的频率无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制受天线尺寸限制l地球大气层的结构地球大气层的结构n对流层：地面上对流层：地面上 0 10 kmn平流层：约平流层：约10
13、60 kmn电离层：约电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km1.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型Digital Communicationsl电离层对于传播的影响电离层对于传播的影响n反射反射n散射散射l大气层对于传播的影响大气层对于传播的影响n散射散射n吸收吸收频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减 (dB/km)水蒸气氧气降雨率图大气衰减1.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型Digital Communications传播路径地 面地波传播地波传播地 面信号传播路
14、径天波传播天波传播l电磁波的分类电磁波的分类：n地波地波w 频率频率 2 MHzw 有绕射能力有绕射能力w 距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 n天波天波w 频率：频率：2 30 MHzw 特点：被电离层反射特点：被电离层反射w 一次反射距离：一次反射距离：4000 kmw 寂静区：寂静区：1.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型Digital Communications 对流层散射通信对流层散射通信地球有效散射区域有效散射区域n散射传播散射传播w 电离层散射电离层散射机理机理 由电离层不均匀性引起由电离层不均匀性引起频率频率 30 60 MHz距离距离 1000 km以上以上w 对
15、流层散射对流层散射机理机理 由对流层不均匀性（湍流）引起由对流层不均匀性（湍流）引起频率频率 100 4000 MHz最大距离最大距离 600 km1.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型Digital Communicationsw 流星流星余迹散射流星流星余迹散射流星余迹特点流星余迹特点 高度高度80 120 km，长度，长度15 40 km存留时间：小于存留时间：小于1秒至几分钟秒至几分钟频率频率 30 100 MHz距离距离 1000 km以上以上特点特点 低速存储、高速突发、断续传输低速存储、高速突发、断续传输流星余迹散射通信流星余迹散射通信流星余迹流星余迹1.2通信信道及数学模型
16、通信信道及数学模型Digital Communications151.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它具有如下共性：通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它具有如下共性：（1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；（2）绝大多数的信道都是线性的，绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；即满足线性叠加原理；（3）信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；（4）信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；（5）即使没有信号输
17、入，）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。可以用一个二对端可以用一个二对端(或多对端或多对端)的时变线性网络表示调制信道。的时变线性网络表示调制信道。时变时变线性线性网络网络时变时变线性线性网络网络 tei teo tei1 teim ten0 te01二端对网络二端对网络多端对网络多端对网络Digital Communications161.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型t 信道的数学模型（理想信道、线性滤波信道、线性时变滤波信道的数学模型（理想信道、线性滤波信道、线性时变滤波信道信道）l加性噪声信道（理想信道）加性噪
18、声信道（理想信道）n加性高斯白噪声信道，简称加性高斯白噪声信道，简称AWGN信道；信道；l线性滤波信道线性滤波信道 n理想信道为线性滤波信道的特例，即信道冲击响应为理想信道为线性滤波信道的特例，即信道冲击响应为)()()()(tnthtstr)()()(tndtsh)()(0ttthDigital Communications171.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型l线性时变滤波信道线性时变滤波信道 n对离散多径信道，信道的时变冲激响应为对离散多径信道，信道的时变冲激响应为n信道的输出信号为信道的输出信号为)()();(tndtsth)()();(1kLkktth)()()()(1tnt
19、sttrkLkkDigital Communications1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标u 信息及其度量信息及其度量 例如：网络中的传输速率例如：网络中的传输速率8Mb/s?l信息信息：是消息中包含的有效内容：是消息中包含的有效内容l如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?n度量信息量的原则度量信息量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关Digital Co
20、mmunicationsu 信息及其度量信息及其度量l如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?n度量信息量的原则度量信息量的原则【例例】“某客机坠毁某客机坠毁”这条消息比这条消息比“今天下雨今天下雨”这条消息包含有更多的信息。这条消息包含有更多的信息。上例表明：上例表明：消息所表达的事件越不可能发消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。生，信息量就越大。n度量信息量的方法度量信息量的方法w 事件的不确定程度可以用其出现的概率来描事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。量就越大。
21、1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communicationsu 信息及其度量信息及其度量l如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?n度量信息量的方法度量信息量的方法设：设：P(x)消息发生的概率，消息发生的概率，I 消息中所含的信息量，消息中所含的信息量，则则 P(x)和和 I 之间应该有如下关系：之间应该有如下关系：I 是是 P(x)的函数：的函数：I I P(x)P(x)，I ；P(x)，I ；P(x)=1时，时，I 0；P(x)=0时，时，I ；)()()()(2121xPIxPIxPxPI1.3数字通信系统的主要性能指标数
22、字通信系统的主要性能指标Digital Communicationsu 信息及其度量信息及其度量l如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?n度量信息量的方法度量信息量的方法 满足上述满足上述3条件的关系式如下：条件的关系式如下：信息量的定义信息量的定义上式中对数的底：上式中对数的底：若若a=2，信息量的单位称为，信息量的单位称为比特比特(bit)，简记为，简记为b 若若a=e，信息量的单位称为奈特，信息量的单位称为奈特(nat)，若若 a=10，信息量的单位称为哈特莱，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。)(log)(1logxPxPIaa1.3数字通信系统的主要性
23、能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communicationst 信息及其度量信息及其度量l如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?n度量信息量的方法度量信息量的方法通常广泛使用的单位为比特，这时有通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)【例例】一个二进制离散信源，以相等的概率一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字发送数字“0”或或“1”，则信源每个输出的信，则信源每个输出的信息含量为息含量为 在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特比特 221loglog()()IP xP x)b(12log2/11log)1()
24、0(22II1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communicationsu 信息及其度量信息及其度量l如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?n度量信息量的方法度量信息量的方法等概率情况等概率情况每一个波形的信息量为每一个波形的信息量为若若M是是2的整幂次，即的整幂次，即 M=2k，则有，则有当当M=4时，即时，即4进制波形，进制波形，I=2比特，比特，当当M=8时，即时，即8进制波形，进制波形，I=3比特。比特。)b(log/11log1log222MMPI2log 2()kIkb1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主
25、要性能指标Digital Communicationst 信息及其度量信息及其度量n度量信息量的方法度量信息量的方法对于非等概率情况对于非等概率情况设：一个离散信源是由设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其个符号组成的集合，其中每个符号中每个符号xi(i=1,2,3,M)按一定的概率按一定的概率P(xi)独立出现，即独立出现，即 且有且有则则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为 1212,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x21222log()log()log()MP xP xP x，1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digi
26、tal Communicationst 信息及其度量信息及其度量l如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?n度量信息量的方法度量信息量的方法对于非等概率情况对于非等概率情况 则每个符号所含平均信息量为则每个符号所含平均信息量为由于由于H(x)同热力学中的同热力学中的熵熵形式相似，故称它为形式相似，故称它为信息源的熵信息源的熵 121222221()()log()()log()()log()()g()(/(1.4 6)MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符号）1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital
27、Communicationsu 信息及其度量信息及其度量l连续消息的信息量连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为述。可以证明，连续消息的平均信息量为式中，式中，f(x)连续消息出现的概率密度。连续消息出现的概率密度。()logaH xfxfx dx 1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communicationsu 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护性等有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护性等l通信系
28、统的主要性能指标通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性：有效性和可靠性有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度速度”问题问题。可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质质量量”问题。问题。1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communicationsu 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标l数字通信系统数字通信系统n有效性有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。：用传输速率和频带利用
29、率来衡量。码元传输速率码元传输速率RB：单位时间（每秒）传送码元的：单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（数目，单位为波特（Baud），简记为），简记为B。式中式中T 码元的持续时间（秒）码元的持续时间（秒）信息传输速率信息传输速率Rb：单位时间内传递的平均信息量：单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特或比特数，单位为比特/秒，简记为秒，简记为 b/s，或，或bps)B(1TRB1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communicationsu 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标l数字通信系统数字通信系统码元速率和信息速率的关系码元速率
30、和信息速率的关系或或 对于二进制数字信号：对于二进制数字信号：M=2，码元速率，码元速率和信息速率在数量上相等。和信息速率在数量上相等。对于多进制，如在八进制（对于多进制，如在八进制（M=8）中，若）中，若码元速率为码元速率为1200 B，则信息速率为，则信息速率为3600 b/s。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communicationsu 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标l数字通信系统数字通信系统频带利用率频带利用率：定义为单位带宽（：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输赫兹）内的传输速率，
31、即速率，即或或功率利用率功率利用率：)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communicationsu 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标l数字通信系统数字通信系统n可靠性可靠性：常用误码率和误信率表示。：常用误码率和误信率表示。误码率误码率误信率误信率，又称误比特率，又称误比特率在二进制中有在二进制中有误帧率误帧率传输总码元数错误码元数eP传输总比特数错误比特数bPebPP 1.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标Digital Communications321.4数字通信的发展数字通信的
32、发展t 1837年，莫尔斯电报通信系统是最早的数字通信系统；年，莫尔斯电报通信系统是最早的数字通信系统；t 1924年，奈奎斯特研究了带限信道无码间干扰传输的最大速年，奈奎斯特研究了带限信道无码间干扰传输的最大速率率-现代数字通信系统的起源；对于带宽为现代数字通信系统的起源；对于带宽为W（Hz）的基）的基带传输系统，发送信号带传输系统，发送信号 无码间传输的最大速率为无码间传输的最大速率为2W波特，基带波形为波特，基带波形为t 1948 年，香农导出了数字通信系统的基本限制，信道容量公年，香农导出了数字通信系统的基本限制，信道容量公式式t 1950 年年，汉明纠错编码的研究，开创了纠错编解码的
33、研究领，汉明纠错编码的研究，开创了纠错编解码的研究领域；域；)()(nTtgatsnnWtWttg2)2(sin)(sbitWNPWC/)1(log02Digital Communications331.4数字通信的发展数字通信的发展t 1960年，里德、所罗门年，里德、所罗门(Reed&Solomon)发展了新的分组码发展了新的分组码，RS码；码；t 1966年，福尼年，福尼(Forney)发展了级联码；发展了级联码；t 19611971年，卷积码编译码的发展；年，卷积码编译码的发展；t 1982年年，恩格伯克，恩格伯克(Ungerboeck)发展了网格编码调制；发展了网格编码调制；t 19
34、93年，伯罗（年，伯罗（Berrou）等人的）等人的Turbo码和迭代译码。码和迭代译码。Digital Communications341.5课程主要内容课程主要内容t 内容安排内容安排l第一章：绪论第一章：绪论l第二章：数字调制方法第二章：数字调制方法l第三章：第三章：AWGN信道中的数字通信信道中的数字通信l第四章：限带信道中的数字通信第四章：限带信道中的数字通信l第五章：信道容量与信道编码第五章：信道容量与信道编码l第六章：载波与符号同步第六章：载波与符号同步l第七章：分组码与卷积信道码第七章：分组码与卷积信道码l第八章：多径衰落信道中的数字通信第八章：多径衰落信道中的数字通信Digi
35、tal Communications35参考教材参考教材t 参考教材参考教材l 1John G.Proakis.Digital Communications,(4th,Ed)（影印版），（影印版），电子工业出版社，电子工业出版社，2001l2Bernard Sklar.Digital Communications:Fundamentals and Applications(2nd Ed)（影印版），电子工业出版社，（影印版），电子工业出版社，2001l3 Theodore S.Rappaport.Wireless Communications:Principles and Practice(2nd Ed),（影印版），电子工业出版社，（影印版），电子工业出版社，2004
