1、 Principles of Digital Communication 绪论绪论信道信道模拟调制系统模拟调制系统数字基带传输系统数字基带传输系统数字调制数字调制模拟信号的数字化传输模拟信号的数字化传输差错控制编码差错控制编码 扩频通信扩频通信同步原理同步原理 现代通信系统现代通信系统v张传生张传生数字通信原理数字通信原理西安交通大学出版社西安交通大学出版社v徐家恺等徐家恺等通信原理教程通信原理教程科学出版社科学出版社v倪维桢倪维桢数据通信原理数据通信原理中国人民大学出版社中国人民大学出版社v曹志刚等曹志刚等 现代通信原理现代通信原理 清华大学出版社清华大学出版社 vJ.G.Proakis J
2、.G.Proakis Digital CommunicationDigital Communication 电子工业出版社电子工业出版社 vJ.G.Proakis,Masoud SalehiJ.G.Proakis,Masoud SalehiCommunication Systems EngineeringCommunication Systems Engineering电子工业出版社电子工业出版社 课程形式课程形式主课，习题课，作业，课堂测验，实验主课，习题课，作业，课堂测验，实验成绩评定成绩评定 作业及小测验，实验，期末考试作业及小测验，实验，期末考试比例比例 作业及小测验作业及小测验 15
3、%15%实实 验验 15%15%期期 末末 考考 试试 70%70%掌握计算机系统中通信的基本原理和基掌握计算机系统中通信的基本原理和基本体系结构；本体系结构；学习信息传输的基本技术，为进一步深学习信息传输的基本技术，为进一步深入学习研究通信系统、计算机网络、通信入学习研究通信系统、计算机网络、通信网络安全等打下最基本的理论基础。网络安全等打下最基本的理论基础。古代烽火台电话短信微波通信塔交通灯卫星通信通信的发展已有通信的发展已有100100多年的历史，可以追溯到多年的历史，可以追溯到“烽火戏诸候烽火戏诸候”的典故。如夜晚点火或白天点狼的典故。如夜晚点火或白天点狼烟表示有敌人入侵，无火或狼烟表
4、示平安无事；烟表示有敌人入侵，无火或狼烟表示平安无事；海军的旗语是用两只手的握旗姿势。海军的旗语是用两只手的握旗姿势。通信可以大致划分三个阶段：通信可以大致划分三个阶段：18381838年年 MorseMorse发现有线电报发现有线电报18441844年年 建立了电报线路建立了电报线路18641864年年MaxwellMaxwell预言电磁波辐射存在，预言电磁波辐射存在，提出电磁辐射方程提出电磁辐射方程18761876年年 HertzHertz实验证明无线电通信的理论实验证明无线电通信的理论BellBell发明有线电话发明有线电话18981898年年 无线电报技术出现无线电报技术出现19181
5、918年年 AMAM方式通信和无线电广播出现方式通信和无线电广播出现19251925年年 三路明线载波电话，多路通信三路明线载波电话，多路通信193619363838年年 FMFM、PCMPCM通信、电视广播通信、电视广播19461946年年 第一台电子管计算机问世第一台电子管计算机问世19481948年年 ShannonShannon提出信息论基础提出信息论基础19501950年年 TDMTDM应用于电话应用于电话19561956年年 大西洋越洋电缆大西洋越洋电缆19571957年年 第一颗人造卫星第一颗人造卫星19581958年年 第一颗通信卫星第一颗通信卫星19611961年年 集成电路
6、集成电路19621962年年 同步通信卫星同步通信卫星19771977年年 第一个光纤通信系统第一个光纤通信系统1970197019801980年年 大规模集成电路（大规模集成电路（LSICLSIC）、）、程控交换、卫星通信、移动程控交换、卫星通信、移动 通信、光纤通信通信、光纤通信1980198019901990年年 网络程控化、数字化、智能化的网络技术网络程控化、数字化、智能化的网络技术综合业务数字网综合业务数字网ISDNISDN、国际互联网国际互联网宽带接入网技术等宽带接入网技术等19901990现在现在通信网体系结构（通信网体系结构（QoSQoS体系结构、面向网格体系结构、面向网格 体
7、系结构、移动互联网的光互连网格化）体系结构、移动互联网的光互连网格化）可视电话、可视手机、会议电视终端、移可视电话、可视手机、会议电视终端、移动终端动终端数字数字TVTV、HDTVHDTV、全球定位系统全球定位系统GPSGPS 第一代通信为模拟方式，应用在第一代通信为模拟方式，应用在8080年代中期。年代中期。9090年代，年代，基于基于TDMTDM的北美的北美D-AMPSD-AMPS和欧洲的和欧洲的GSMGSM相继问世，接着出现了相继问世，接着出现了基于码分多址基于码分多址CDMACDMA的移动手机。第三代宽带码分多址移动的移动手机。第三代宽带码分多址移动通信系统通信系统1MT20001MT
8、2000已出现，其主要特点是提供全球无缝覆已出现，其主要特点是提供全球无缝覆盖与漫游；提供数据速率为盖与漫游；提供数据速率为2Mbps2Mbps的多媒体业务、可智能的多媒体业务、可智能化网相连接。化网相连接。多媒体通信是当今热门话题，其传媒信息量大，演变出多媒体通信是当今热门话题，其传媒信息量大，演变出许多应用。如可视电话许多应用。如可视电话Video phoneVideo phone、Video ConferenceVideo Conference、虚、虚拟现实拟现实VirtualVirtualRealityReality、视频点播、视频点播Video On DemandVideo On D
9、emand、语音、语音邮件邮件Voice MailVoice Mail、多媒体检索、多媒体检索Multimedia Document Multimedia Document RetrievalRetrieval、远程教学、远程教学Multimedia Tele-teachingMultimedia Tele-teaching等，有的已等，有的已开始应用，有的正处于襁褓时期，可以预见这些技术将渗透开始应用，有的正处于襁褓时期，可以预见这些技术将渗透社会各角落。社会各角落。国际标准化组织国际标准化组织（International Standards Organization,Internation
10、al Standards Organization,ISOISO）：综合性的非官方机构，由各参与国的国家标准化组织所选派的综合性的非官方机构，由各参与国的国家标准化组织所选派的代表所组成。如代表所组成。如TC97TC97、SC16SC16等；等；国际电信联盟国际电信联盟（International Telecommunication Union,International Telecommunication Union,ITUITU）：）：联合国的下设机构，是政府间的组织，由它制定国际通信标准。联合国的下设机构，是政府间的组织，由它制定国际通信标准。前身是前身是CCITTCCITT，9393年
11、重新命名为年重新命名为ITUITUTSTS；分为电信标准化（分为电信标准化（TSBTSB，电信标电信标准局）、无线电通信规范（准局）、无线电通信规范（RBRB，无线电通信局）和电信发展（无线电通信局）和电信发展（BDTBDT）三个三个部分。部分。美国电子工业协会美国电子工业协会（Electronic Industries Association Electronic Industries Association EIAEIA）：）：美国电子工业界的协会，主要从事与美国电子工业界的协会，主要从事与OSIOSI模型中物理层有关的模型中物理层有关的标准制定。最出名的标准是标准制定。最出名的标准是RS
12、-232CRS-232C，这是一个应用串行二进制数据交换这是一个应用串行二进制数据交换的的DTEDTE和和DCEDCE之间的接口标准。之间的接口标准。美国国家标准学会美国国家标准学会（American National American National Standard Institute ANSIStandard Institute ANSI）：）：美国全国性的技美国全国性的技术情报交换中心，协调在美国实现标准化的工作。术情报交换中心，协调在美国实现标准化的工作。欧洲计算机制造商协会欧洲计算机制造商协会(European Computer European Computer Manufac
13、turers Association,ECMAManufacturers Association,ECMA）；）；欧洲电信标准组机构欧洲电信标准组机构(European European Telecommunication Standard Institute,Telecommunication Standard Institute,ETSIETSI）；）；亚洲、泛太平洋电信标准化机构亚洲、泛太平洋电信标准化机构ASTAPASTAP；通信就是信息的传递和交换，一般地说，通信就是信息的传递和交换，一般地说，就是由一个地方向另一个地方传送消息。通就是由一个地方向另一个地方传送消息。通信系统就是用电
14、信号信系统就是用电信号(或光信号或光信号)传递信息的传递信息的系统，也叫电信系统。系统，也叫电信系统。无论是哪种通信系统，都是要完成从一地无论是哪种通信系统，都是要完成从一地到另一地的信息传递或交换。在这样一个总的到另一地的信息传递或交换。在这样一个总的目的下可以把通信系统概括为一个统一的模型。目的下可以把通信系统概括为一个统一的模型。这一模型包括信源、发送设备、信道、接收设这一模型包括信源、发送设备、信道、接收设备、受信者和噪声源六个部分。模型框图如图备、受信者和噪声源六个部分。模型框图如图1.1所示。其中噪声源为传输过程中引入的。所示。其中噪声源为传输过程中引入的。图1.1 通信系统模型模
15、型中各部分功能如下：模型中各部分功能如下：信源是指发出信息的信息源，或简单地说是信源是指发出信息的信息源，或简单地说是信息的发出者。信息的发出者。发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号变换为便匹配起来，即将信息源产生的消息信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。于传送的信号形式，送往传输媒介。信道是信号传输媒介的总称。信道是信号传输媒介的总称。接收设备的作用是将从信道上接收的接收设备的作用是将从信道上接收的信号变换成信息接收者可以接收的信息。信号变换成信息接收者可以接收的信息。信宿是指信息传送的终点，也就是信信宿是指信
16、息传送的终点，也就是信息接收者。息接收者。噪声源并不是一个人为实现的实体，噪声源并不是一个人为实现的实体，但在实际通信系统中又是客观存在的。但在实际通信系统中又是客观存在的。信息信息：客观事物存在的状态及其随时间所发生变化的反映。：客观事物存在的状态及其随时间所发生变化的反映。信息是指消息中包含的有意义的内容，它是通过信号来表达信息是指消息中包含的有意义的内容，它是通过信号来表达的。的。为传递消息，各种消息需要转换成为传递消息，各种消息需要转换成电信号电信号。信号信号是指随时间变化的物理量。信号是信息的载体。是指随时间变化的物理量。信号是信息的载体。根据信号物理参量基本特征的不同，信号可以分为
17、两大类：根据信号物理参量基本特征的不同，信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号。图图1.2 模拟信号示例模拟信号示例v如果电信号的某如果电信号的某一参量连续取值，一参量连续取值，称为称为模拟信号模拟信号。如：。如：普通电话机等输出普通电话机等输出的信号。的信号。v模拟信号是时间模拟信号是时间和幅度都为连续值和幅度都为连续值的信号，的信号，其特点是其特点是幅度上连续。幅度上连续。图图1.3 数字信号示例数字信号示例若电信号的某一参量若电信号的某一参量是离散取值，称为是离散取值，称为数字数字信号信号。如：电传机、电。如：电传机、电报等输出的信号。报等输出的信号。数字信号，又称离
18、散数字信号，又称离散信号，不仅在时间上，信号，不仅在时间上，而且在幅度上也是离散而且在幅度上也是离散的。其特点是：幅值被的。其特点是：幅值被限制在有限个数值之内，限制在有限个数值之内，它不是连续的，而是离它不是连续的，而是离散的。散的。信源所发出的信息经变换器变信源所发出的信息经变换器变换和处理后，送往信道上传输的是模换和处理后，送往信道上传输的是模拟信号的通信系统称为模拟通信系统。拟信号的通信系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的一般构成模型如图模拟通信系统的一般构成模型如图1.4所示。如图所示。如图1.5所示，就是模拟通所示，就是模拟通信系统的实例。信系统的实例。图图1.4 模拟通信系统模型
19、模拟通信系统模型调制调制即是将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号。即是将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号。解调解调是在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信号。是在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信号。图图1.5 模拟通信系统实例模拟通信系统实例已调信号、基带信号、频带信号已调信号、基带信号、频带信号缺点缺点传输的信号是连续的，叠加噪声干扰后不传输的信号是连续的，叠加噪声干扰后不易消除，即抗干扰能力较差；易消除，即抗干扰能力较差；不易保密通信；不易保密通信；设备不易大规模集成；设备不易大规模集成；不适应飞速发展的计算机通信的要求。不适应飞速发展的计算机通信的要求。与模拟通
20、信相对应，信源所发出的与模拟通信相对应，信源所发出的信息经变换和处理后，送往信道上传输信息经变换和处理后，送往信道上传输的是数字信号的通信系统称为数字通信的是数字信号的通信系统称为数字通信系统。数字通信系统模型及语声信号的系统。数字通信系统模型及语声信号的数字通信系统构成如图数字通信系统构成如图1.6、1.7所示。所示。图图1.7 语声数字通信系统示意图语声数字通信系统示意图图图1.6 数字通信系统模型数字通信系统模型编码器编码器的作用是将信源发出的模拟或离的作用是将信源发出的模拟或离散的信号，转换成有规律的、适应信道传散的信号，转换成有规律的、适应信道传输的数字信号。输的数字信号。译码器译码
21、器是把数字信号还原为原始的信息是把数字信号还原为原始的信息信号。编码器和译码器一般包括两部分：信号。编码器和译码器一般包括两部分：信源编码、信道编码和信道解码、信源解信源编码、信道编码和信道解码、信源解码。码。加密器加密器是在需要实现保密通信时才用的是在需要实现保密通信时才用的器件。通过加密器可以产生密码，人为地器件。通过加密器可以产生密码，人为地把被传输的数字序列搅乱。把被传输的数字序列搅乱。在数字通信中，由于数字信号的幅度值为在数字通信中，由于数字信号的幅度值为有限个数的离散值有限个数的离散值(通常取两个幅值通常取两个幅值)，在传输过，在传输过程中受到噪声干扰虽然也要叠加噪声，但当信噪程中
22、受到噪声干扰虽然也要叠加噪声，但当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法即可消除噪声干扰，将信号再生采用再生的方法即可消除噪声干扰，将信号再生成原发送的信号，如图成原发送的信号，如图1.8(b)所示。所示。图图1.8 两类通信方式抗干扰性能比较两类通信方式抗干扰性能比较信息传输的安全性和保密性越信息传输的安全性和保密性越来越受到重视，数字通信的加密处来越受到重视，数字通信的加密处理比模拟通信更容易实现。以语声理比模拟通信更容易实现。以语声数字通信为例，经过数字变换后的数字通信为例，经过数字变换后的信号就可以用简单的数字逻辑运算信号
23、就可以用简单的数字逻辑运算进行加密处理，如图进行加密处理，如图1.9所示。所示。图图1.9 数字通信加密方法示意数字通信加密方法示意数字信号本身可以很容易用离散时间数字信号本身可以很容易用离散时间信号表示，在两个离散时间之间可以插入信号表示，在两个离散时间之间可以插入多路离散时间信号以实现时分多路复用。多路离散时间信号以实现时分多路复用。由于数字通信系统中大部分电路都是由于数字通信系统中大部分电路都是由数字电路来实现的，微电子技术的发展由数字电路来实现的，微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电路来实现。成电路来实现。一路数字电话频带一般一路
24、数字电话频带一般为为64kHz，而一路模拟电话而一路模拟电话所占频带仅为所占频带仅为4kHz，前者前者是后者的是后者的16倍。倍。按按消息的物理特征消息的物理特征分类：分类：按按调制方式调制方式分类：分类：按按信号特征信号特征分类：分类：按按传输媒介传输媒介分类：分类：按按信号复用方式信号复用方式分类：分类：关于关于点对点点对点通信，按通信，按传送方向与时间关系传送方向与时间关系，通信方，通信方式可分为：式可分为：消息只能单向传输，如：遥测：消息只能单向传输，如：遥测：指通信双方都能收发消息，但不能：指通信双方都能收发消息，但不能同时进行，如：使用同一载频工作的无线电机。同时进行，如：使用同一
25、载频工作的无线电机。：指通信双方可同时进行收发消息：指通信双方可同时进行收发消息的工作方式，如普通电话。的工作方式，如普通电话。通信方式示意图如图通信方式示意图如图1.141.14所示。所示。（单工通信）发端收端正向数据信道反向信道发端收端正向数据信道反向信道（半双工通信）发端收端正向数据信道（全双工通信）图图1.14 1.14 通信方式示意图通信方式示意图数字通信数字通信中中,按照按照数字信号码元排列方法数字信号码元排列方法的不同的不同 ，可分，可分为：为：将数字信号码元序列按时间顺序一个接：将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。一个地在信道中传输。：将数字信号码元分割成两路
26、或两路以上：将数字信号码元分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。的数字信号码元序列同时在信道中传输。串序与并序传输示意图如图串序与并序传输示意图如图1.151.15所示。所示。发送设备接收设备01101101串序传输发送设备接收设备01101001011001101010110110010101并序传输图图1.15 1.15 串序与并序传输示意图串序与并序传输示意图数字通信数字通信中，根据中，根据实现字符同步方式实现字符同步方式的不同的不同 ，可分为，可分为：异步传输异步传输和和同步传输同步传输：在串行传输时，接收端为了从串行数在串行传输时，接收端为了从串行数据码流中正确地划
27、分出发送的一个个字符所采取据码流中正确地划分出发送的一个个字符所采取的措施的措施：也称为起止式传输，利用起止法来达：也称为起止式传输，利用起止法来达到收发同步。到收发同步。每次只传送一个字符，用起始位和停止位来指每次只传送一个字符，用起始位和停止位来指示被传输字符的开始和结束示被传输字符的开始和结束常见例子：使用终端与计算机进行通信，终端常见例子：使用终端与计算机进行通信，终端可在任何时刻发送代码可在任何时刻发送代码 实际通信系统中分为实际通信系统中分为专线专线和通信网通信网：通信使用的频段：信号的传输工作在一定的频段，通信使用的频段：信号的传输工作在一定的频段，所以有线通信有频率特性，有一定
28、带宽，无线通所以有线通信有频率特性，有一定带宽，无线通信电磁波在空间传播中也有不同的频段；信电磁波在空间传播中也有不同的频段；性能指标性能指标:即即质量指标质量指标，它们是对整个系统综合，它们是对整个系统综合提出和规定的，用以衡量系统的质量优劣。提出和规定的，用以衡量系统的质量优劣。通信系统的性能指标包括：通信系统的性能指标包括：有效性有效性、可靠性可靠性、适应性适应性、标准性标准性、经济性经济性及及维护使用维护使用等等等等从研究消息的传输来说，从研究消息的传输来说，通信的有效性通信的有效性与与可靠可靠性性将是衡量通信系统性能的主要指标。将是衡量通信系统性能的主要指标。有效性有效性可靠性可靠性
29、信道的传输速率是以每秒钟所传输的信道的传输速率是以每秒钟所传输的信息量来衡量的。符号为信息量来衡量的。符号为Rb，单位比特，单位比特/秒，秒，（bit/s或或bps）。）。符号传输速率也叫码元速率符号传输速率也叫码元速率R RB2B2。它是。它是指单位时间内所传输码元的数目，其单位为指单位时间内所传输码元的数目，其单位为“波特波特”(Bd)。多进制的进制数与等效对应的二多进制的进制数与等效对应的二进制码元数的关系为：进制码元数的关系为：式中，式中，M是进制数；是进制数；n是二进制是二进制码元数。因此，信息传输速率与符号码元数。因此，信息传输速率与符号传输速率的关系是传输速率的关系是频带利用率是
30、指单位频带内频带利用率是指单位频带内的传输速率。的传输速率。）（频带宽度信息传输速率）（频带宽度符号传输速率bit/s/HzBd/Hz 衡量数字通信系统可靠性的主要指标是误码衡量数字通信系统可靠性的主要指标是误码率、误信率和信号抖动。率、误信率和信号抖动。在传输过程中发生误码的码元个数与传在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元数之比，通常以输的总码元数之比，通常以Pe来表示，来表示，误码率误码率Pe是多次统计结果的平均量，所以这是多次统计结果的平均量，所以这里指的是平均误码率。里指的是平均误码率。NnPNe传输总码数发生误码个数lim又称误比特率，是指错误接收的信又称误比特率，是指错误接
31、收的信息量在传送总信息量中所占的比例；息量在传送总信息量中所占的比例；误字率：是指错误接收的字数在传送的总误字率：是指错误接收的字数在传送的总字数中所占的比例；字数中所占的比例；在数字通信系统中，信号抖动是在数字通信系统中，信号抖动是指数字信号码相对于标准位置的随机指数字信号码相对于标准位置的随机偏移，其示意图如图偏移，其示意图如图1.16所示。所示。图图1.16 信号抖动示意图信号抖动示意图ITUITU建立国际综合业务数字网建立国际综合业务数字网ISDNISDN连接的误连接的误码信能指标要求为：码信能指标要求为：例例1：8路并行传输，每路一个单位调制信号路并行传输，每路一个单位调制信号波的时
32、间长度波的时间长度Ti=0.013s，采用二进制，求传采用二进制，求传输的比特率和波特率。输的比特率和波特率。例例2：设一数字传输系统传送二进制码元的设一数字传输系统传送二进制码元的速率为速率为1200Baud，试求该系统的信息速率；试求该系统的信息速率；若该系统改为传送十六进制信息码元，码元若该系统改为传送十六进制信息码元，码元速率为速率为2400Baud，则这时的系统信息速率为则这时的系统信息速率为多少？多少？例例3 3：在二进制中，若平均传在二进制中，若平均传5050个汉字错一个汉字错一个码元，求误码率和误字率。个码元，求误码率和误字率。(假设总共有假设总共有128128个不同汉字）个不同汉字）
