1、第2章第2章第2章 数字技术基础第2章第2章 教学提示在信息科学技术发展的今天，信息获取、信息处理、信息传输的基本上都是数字信号。本章简单介绍数字技术基础，要求学生了解处理数字信息所涉及的主要关键技术，重点是模拟/数字转换技术、调制解调技术、数字系统设计与实现以及数字通信系统中的主要编码技术压缩编码、纠错编码、加密编码、扩频编码等。第2章第2章2.1.1 数字信息的引入信息化时代，信息的主要表现形式为数字信息。手机、电视、网络上传输的都是数字形式的信息。我们每天都需要：获取信息、接收信息、传递信息、存储信息、处理信息和利用信息等。2.1 数字系统概述第2章第2章1.信息的概念在自然界中的信息，
2、主要是模拟形式的。例如，声音信息、光学信息、温度信息。20世纪后半个叶以来，随着计算机技术、微电子技术、无线电技术、传感器技术、新材料技术、多媒体技术、航空航天技术，特别是以计算机为主体的互联网技术的发展，人类进入了信息时代。第2章第2章2.信息的含义信息是一个很抽象、很复杂的概念，它最早出现于通信领域。信息是人们对客观存在的一切事物的反映，是通过载体所发出的消息、情报、指令、数据及信号中所包含的一切可传递、可交换的知识内容。或者说就是传递的未知的新知识。实际上，在通信系统中，例如，广播、电视、导航等系统中，传输的就是各种各样的信息。而在不同的系统中所传输的信息有着不同的表现形式，这些形式必须
3、可以被人的感官所接受。第2章第2章3.信息与消息的关系消息，描述了客观物质世界的某一种运动状态或者存在形式。消息中包含了信息，消息是信息的载体，信息是消息的内在形式。信息和消息的关系具有以下特点：信息和消息的关系具有以下特点：(1)同一个信息可以用不同的消息来表述。(2)同一则消息也可以载荷不同的信息，它可能包含非常丰富的信息，也可能包含很少的信息，甚至不包含信息。(3)消息与信息是既有联系又有区别的。第2章第2章4.信息与信号的关系信息也不等同于信号。在各种实际的通信系统中，为了对消息进行正常的传输和处理，往往要对消息作一些变换，把它们变成适合信道传输的物理量，这些物理量一般称之为信号，例如
4、，光信号、电信号等。信号中携带着消息，它是消息的运载工具。例如，我们通过手机发送一条短信(短消息)给朋友。第2章正弦波信号正弦波信号心电图信号心电图信号颈部核磁共振成像颈部核磁共振成像第2章第2章 通信系统的一般模型第2章第2章在通信过程中，要经过一些变换。在发射信号时，需要以下变换：(1)编码：需要把对应的短信的汉字变换成数字信号，比如，在手机通信中经常使用的是信源编码、信道编码、加密编码。(2)调制：无线信道中，需要经过调制，把原来的数字信号变成射频调制信号，以便在信道中传输。在接收信号时，需要以下反变换：(1)解调：在接收端通过调制的反变换解调，可以把接收到的射频调制信号恢复成数字信号。
5、(2)解码：通过编码的反变换解码，包括：解密解码、信道解码、信源解码，可以把数字信号恢复为发送端传输的信号。第2章第2章5.信息的定义1948年，信息论之父香农，发表著名的论文通信的数学理论，奠定了信息理论的基础。信息是对事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。物质、能量和信息是物质世界的三大支柱，是科学历史上三个最重要的基本概念。1948年，信息论之父香农，发表了著名的论文通信的数学理论，奠定了信息理论的基础。信息是对事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。物质、能量和信息是物质世界的三大支柱，是科学历史上三个最重要的基本概念。第2章第2章6.信息的特征(1)社会性社会性(2)传递性传递性(
6、3)共享性共享性(4)不灭性不灭性(5)时效性时效性(6)能动性能动性(7)客观性客观性第2章第2章2.1.2 数字技术的概念数字技术的概念人们从自然界获得的消息，有多种表达形式：语言、文字、图片、视频等。在处理这些消息时，它们需要被转换成系统中的信号。1.信号的分类(1)连续时间信号：信号在时间上是连续的 (2)离散时间信号：时间上是离散的又称为序列。(3)模拟信号：连续时间信号的一种特例，时间是连续的，幅值也是连续的。(4)数字信号：如果时间上是离散的，幅值是量化的，则这种信号称为数字信号。第2章第2章2.系统的分类处理信号的物理设备称为系统处理信号的物理设备称为系统。常可以分为以下几类：
7、(1)模拟系统：如果系统处理的是模拟信号，输入与输出都是连续时间、连续幅值信号，则该系统称为模拟系统。(2)连续时间系统：如果系统处理的是连续时间信号，输入与输出都是连续时间信号，则该系统称为连续时间系统。(3)离散时间系统：如果系统处理的是离散时间信号，输入与输出都是离散时间信号，则该系统称为离散时间系统。(4)数字系统：如果系统处理的是数字信号，输入与输出都是数字信号，则该系统称为数字系统。第2章第2章6.模拟信号的数字化处理由于许多科学与工程问题中，需要处理的是模拟信号，所以，首先需要讨论模拟信号的数字化处理：(1)把模拟信号变换为数字信号；(2)用数字技术对数字信号进行处理；(3)将处
8、理后的信号还原成模拟信号。模拟信号的数字化处理系统第2章第2章2.1.3 数字信号处理的优点(1)灵活性强。(2)利用率高。(3)精度高。(4)可靠性强。(5)易于大规模集成。(6)性能指标高。第2章第2章2.1.4 数字通信系统的优点(1)频谱利用率高，有利于提高系统容量。(2)能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。(3)抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。(4)能实现更有效、灵活的网络管理和控制。(5)便于实现通信的安全保密。(6)可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量。第2章第2章2.2 模拟信号数字化 2.2.1 模/数变换的概念自然界的许多信息都是模拟量。若要利用数字通信系统
9、传输模拟信号，一般需以下三个步骤：(1)把模拟信号数字化，即模/数(A/D)变换；(2)进行数字方式传输；(3)把数字信号还原为模拟信号，即数/模(D/A)变换。由于电话业务在通信中占有最大的业务量，所以，我们以语音编码为例，介绍模拟信号数字化的有关概念。第2章第2章2.2.2 模拟信号数字化方法模拟信号数字化的方法大致可分为两类：(1)波形编码。波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建(恢复)信号的质量好。(2)参量编码。参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量，再变换成数字代码，其比特率在16 kb/s以下，但接收端重
10、建信号的质量不够好。脉码调制的模拟信号的数字传输系统第2章第2章2.2.3 模拟信号的抽样1.抽样的概念 抽样，就是把在时间上连续的模拟信号，变成一系列时间上离散的抽样值的过程。这是模/数变换的第一步。为了重建原模拟信号，抽样需要满足抽样定理。2.抽样定理对一个频带有限的、时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。即，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。第2章第2章3.抽样的分类(1)根据抽样信号的通带类型，可以分为低通抽样和带通抽样。低通抽样对应于低通信号，带通抽样对应于
11、带通信号。(2)根据用来抽样的脉冲序列的间隔不同，可以分为均匀抽样和非均匀抽样。均匀抽样对应于等间隔脉冲序列，非均匀抽样对应于不等间隔脉冲序列。(3)根据抽样的脉冲序列的类型不同，又可以分为理想抽样和实际抽样。理想抽样对应于冲激序列，实际抽样对应于非冲激序列。第2章第2章4.模拟信号的抽样过程 模拟信号的抽样过程(a)为模拟信号，(c)为周期性单位冲激脉冲，模拟信号与冲激脉冲相乘，得到抽样信号(e)。(b)(d)(f)分别为其频谱图第2章第2章 频谱重叠 奈奎斯特速率即最低抽样速率。恢复原信号的条件是：抽样频率应不小于信号的最高频率的两倍。否则，就会出现频谱混叠。第2章第2章2.2.4 脉冲调
12、制脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带信号m(t)去控制脉冲串的某个参数，使其按m(t)的规律变化的调制方式。1.脉冲调制的分类通常，按基带信号改变脉冲参量(幅度、宽度和相位)的不同，把脉冲调制分为以下三种：(1)脉冲振幅调制(PAM)。(2)脉冲宽度调制(PDM)。(3)脉冲相位调制(PPM)。第2章第2章图2-6 三种不同的脉冲调制的波形第2章第2章2.脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制，它是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的应用。脉冲编码调制是
13、一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式。首先，在发送端进行波形编码(主要包括抽样、量化和编码三个过程)，把模拟信号变换为二进制码组。编码后的PCM码组的数字传输方式可以是直接的基带传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调制传输。在接收端，二进制码组经译码后还原为量化后的样值脉冲序列，然后经低通滤波器滤除高频分量，便可得到重建信号。第2章第2章 脉冲编码调制系统原理第2章第2章2.2.5 抽样信号的量化与编码模拟信号抽样以后，变成了时间离散的信号，但还是模拟信号。这个抽样信号必须经过量化和编码，才能变成数字信号。1.量化利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。在信号传输之
14、前，需要把取值无限的抽样值划分成有限的M个离散电平，此电平被称为量化电平。2.编码把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码，其逆过程称为解码或译码。第2章第2章图2-8 抽样信号的量化与编码第2章第2章模拟信息源输出的模拟信号m(t)经抽样和量化后得到的输出脉冲序列是一个M进制(一般常用128或256)的多电平数字信号，如果直接传输的话，抗噪声性能很差，因此还要经过编码器转换成二进制数字信号(PCM信号)后，再经数字信道进行传输。在接收端，二进制码组经过译码器还原为M进制的量化信号，再经低通滤波器恢复出原模拟基带信号。第2章第2章第2章第2章 信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转
15、换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。信源编码是对信源输出的消息进行适当的变换和处理，把信息变换成信号，目的是为了提高信息传输的效率，使传输更为经济、有效。信道编码是为了提高信息传输的可靠性，对消息进行的变换和处理；也就是纠错编码。保密编码是为保证信息的安全性。第2章第2章 信道是指传输信号的物理媒质。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号。信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。第2章第2章2.3.2数字通信系统的主要编码形式 数字通信系统的主要性能指标有有效性、可靠性和安
16、全性(1)压缩编码，用以提高系统的有效性，也就是信源编码。(2)纠错编码，用以提高系统的可靠性，也就是信道编码。(3)加密编码，用以提高系统的安全性。p 多址技术前提是扩频技术第2章第2章压缩编码就是信源编码，它的目的是压缩信号占用的信息空间，提高信息传输的有效性。2.4.1 压缩编码的概念为了提高数字通信系统传输数字信号的有效性，人们采用压缩编码技术。相当于在给定宽度的公路上，为了提高公路传输车辆的有效性，可以压缩车辆宽度，以便容纳更多的车辆通行。2.4 压 缩 编 码第2章第2章1.压缩编码的方法压缩编码的主要目标，是压缩每个信源符号的平均比特数或信源的码率，利用某种变换，使得信号的传输效
17、率得以提高。2.压缩编码的分类根据信源的种类不同，压缩编码可分为经典编码方法和现代编码方法两大类。经典编码方法又可分为无失真信源编码和限失真信源编码。常用的编码方法有霍夫曼编码、算术编码、游程编码等，其压缩效率都以信源的信息熵为上界。另外，预测编码、变换编码、混合编码、矢量量化编码等方法，也大都受信源的信息熵的约束。第2章第2章3.信息熵决定信源编码性能的主要因素是信源的信息熵。信息熵是反映信源特性的主要参数，其严格定义将在信息论与编码课程中详细介绍。简单来说，信源的信息熵，是指对该信源进行无损压缩时，信源编码器输出的码率最小值。无论采用何种方法进行无损数据压缩，每个符号输出码流的平均长度总是
18、不小于信息熵。第2章第2章2.4.2 数据压缩数据压缩1.数据压缩的概念数据压缩的概念面对数值、文字、图形、图像、视频、音频等多种媒体元素，并且要将它们数字化、存储、传输，其数据量很大。近年来，虽然宽带传输介质和大容量存储媒体有了较快发展，但仍赶不上媒体信息容量的增长。因此，只有对数据进行压缩，通过数据压缩技术来压缩数据量，降低对存储、传输介质的要求。2.无失真信源编码无失真信源编码无失真信源编码的作用如下：(1)符号变换：使信源的输出符号与信道的输入符号相匹配。(2)冗余度压缩：使编码之后的新信源概率分布均匀化，信息含量效率等于或接近于100%。在各类通信系统和电子信息系统中，使用的信源编码
19、方案必须具有一定的性质，满足特定的码字结构要求。第2章第2章3.数据压缩的可能性音频信号和视频图像的数字化数据可以进行数据压缩编码基于以下两方面的事实：(1)各种媒体信息是有冗余的。(2)人的听觉和视觉感知机理决定了我们可以在眼睛和耳朵觉察不出来的情况下适当删减某些数据。4.衡量数据压缩优劣的标准 (1)压缩比。(2)图像质量。(3)压缩与解压缩的速度。(4)执行的硬件与软件。第2章第2章5.数据压缩方法的分类数据压缩常用的分类方法是根据解压缩后能否完整恢复压缩前的数据而进行的，可分为无损压缩和有损压缩两类。1)无损压缩解压缩后得到的数据与原始数据严格相同，即压缩是没有任何损失或无失真的。该算
20、法是依据香农信息论的理论，通过适当的方法去除信号间的统计冗余来达到压缩的目的。2)有损压缩解压缩后得到的数据与原始数据有一定的误差，即压缩是有损或有失真的。该算法利用人类视觉和听觉器官对图像或声音中的某些频率成分不敏感的特性，允许在压缩过程中损失一定的信息；虽然不能完全恢复原始数据，但所损失的部分是不容易被人耳或人眼所觉察到的。压缩比较大。第2章第2章常用压缩编码标准JPEGMJPEJ：-1、-2、-4H.261：H.261、H.262、H.263、H.264AVS：Audio video coding standard第2章第2章2.5纠 错 编 码 纠错编码就是信道编码，是提高数据传输可靠
21、性、减少差错的有效方法。纠错编码，通过加入校验位，即增加冗余实现纠错和检错能力。目标是如何加入最少的冗余位而获得最好的纠错能力。也称为差错控制编码。第2章第2章纠错编码的分类 根据功能不同，可分为检错码和纠错码两类。根据对信息序列处理方法的不同，可以分为分组码和卷积码两类。根据码元与原始信息之间的关系，可以分为线性码和非线性码两类。根据适用差错的类型，可以分为纠随机错误码和纠突发错误码两类。第2章第2章常用纠错编码简单编码奇偶监督码正反码分组码卷积码Turbo码LDPC码Polar码第2章第2章第2章第2章2.6加 密 编 码 加密编码是为保证信息的安全性。为了保证被传送信息的安全和隐私，必须
22、对信源的输出进行加密或隐藏，同时还要求信息传递过程中保证信息不被伪造和篡改。p1976年迪弗(Diffe)和海尔曼(Hellman)发表了密码学的新方向，提出了公开密钥密码体制后，保密通信问题才得到广泛研究。第2章第2章加密编码原理第2章第2章常用加密编码 DES密码(Data Encryption Standard)换位密码 替代密码 IDEA(Intrenational Data Encryption Algorithm)RSA(Rivest，Shamir and Adleman)哈希算法MD5和SHA算法量子加密第2章第2章2.7调 制 解 调 调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或某
23、几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输。解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中恢复原始的基带信号。第2章调幅、抑制载波调幅及其解调波形调幅、抑制载波调幅及其解调波形调制信号调制信号载波信号载波信号抑制载波调幅抑制载波调幅调幅调幅解调解调第2章调制解调术语调制(Modulation)把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制分为基带调制和带通调制(也称载波调制)。狭义调制仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制信号来自信源的基带信号。载波未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号受调制后的载波。载波调制
24、用调制信号去控制载波的参数的过程。解调(Demodulation)调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。第2章调制的时域和频域变换过程调制的时域和频域变换过程 时域变换过程：调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或某几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输；而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中恢复原始的基带信号。频域变换过程：调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程；而解调是将信道中来的频带信号恢复为基带信号的过程。第2章调制的目的调制的目的 调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号，这就意味着把基
25、带信号(信源)转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号。调制可以通过调制信号幅度变化改变载波的幅度、相位或频率来实现。接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，也就是将基带信号从载波中提取出来，以便预定的接收者(信宿)处理和理解，该过程称为解调。第2章调制解调分类调制解调分类 按调制信号的形式不同，可分为模拟调制和数字调制。按被调信号的种类不同，可分为脉冲调制、正弦波调制等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式。按照调制频域定义可分为线性调制和非线性调制。线性调制包括调幅(AM)、抑制载波双边带调幅(DSB-SC)、单边带调幅(SSB)、残留边带调幅(VSB)等。非线性调
26、制的抗干扰性能较强，包括调频(FM)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)、差分移相键控(DPSK)等。线性调制的特点是不改变信号原始频谱结构，而非线性调制改变了信号原始频谱结构。第2章第2章2.8扩 频（Spread spectrum）技 术 扩频技术是采用扩展信号频谱的方法，提高数字通信系统的抗干扰能力。直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）跳频扩频（Frequency-Hopping Spread Spectrum）第2章第2章 二进制调制DS-SS发射机和接收机第2章第2章单信道调制FH系统框图第2章第2章2.9数字系统设计与实现经典设计方法基
27、于MCU加接口芯片的设计方法基于FPGA加接口芯片的设计方法第2章第2章2.9.1 经典设计方法 经典设计方法是最基本的设计方法，是大部分数字电路教材所介绍的方法，即采用基本的门电路、触发器或者中小规模组合逻辑和时序逻辑集成电路采用自下而上的设计流程来实现逻辑功能。经典设计方法由于用纯硬件实现系统功能，具有运行速度快、实时性好的优点。但是，设计缺乏灵活性，轻微的系统改进或错误，就可能导致重新设计板图。自下而上的设计流程可能出现底层模块或部件仿真通过，而集成起来的系统不能达到设计要求，需要反复重来。因为采用集成度较低的IC，版图设计也比较困难。因此，完全用经典设计方法设计一数字系统设计周期较长，
28、对设计人员的硬件设计能力和调试能力要求较高。第2章第2章2.9.2 基于MCU加接口芯片的设计方法 用各种类型单片机(Micro Controller Unit，MCU)加接口芯片设计数字系统，经数十年的广泛应用，现在已成为设计数字系统的主导方法。利用MCU的强大功能和灵活编程，在系统设计时，可充分发挥MCU功能，尽可能由MCU实现系统各功能，减少外围芯片，提高系统的灵活性。这种方法的设计基本流程是系统功能划分、算法设计、程序设计、软硬件仿真调试和程序固化。其优点是硬件设计简单，编程较容易，易于升级和修改；缺点是由于指令串行运行的原因，系统运行速度较慢。它适合作为控制器用于一般机器设备中完成特
29、定功能的嵌入式系统。当然，要求运算速度快、计算量大的复杂的嵌入式系统，可以采用ARM、DSP等。第2章第2章2.9.3 基于FPGA加接口芯片的设计方法 近些年来，基于FPGA加接口芯片，借助HDL(硬件描述语言)对电路进行描述，使用EDA工具进行仿真、综合的数字系统设计日渐普及。这归功于HDL语言标准化和EDA工具的成熟，实现了自上而下的设计，每一级都用HDL语言进行描述、仿真、排错，只有上一级通过后，才能进行下一级设计，上一级不会将问题带到下一级，使得设计工作事半功倍。由于控制单元、数据单元、大部分接口都可以由一片FPGA实现，消耗芯片少，FPGA端口可编程，板图设计容易。在对FPGA进行
30、配置或对CPLD进行编程时，由于系统是以并行方式运行的，所以运行速度快。因为HDL的标准化，设计继承性好，开发效率高。但是，对于复杂控制系统，编程比较困难。FPGA更适合做接口、高速数据计算。对于复杂控制系统，更多采用FPGA+MCU设计。对于大数据量系统，可以采用DSP+FPGA系统设计。第2章第2章本 章 小 结 本章简要介绍了数字信息处理与传输的一些关键技术，包括：模数转换、压缩编码、纠错编码、加密编码、调制解调、扩频技术、数字系统的设计与实现等。这些技术是保证数字信息传输系统的有效性、可靠性、安全性的基础，是现代数字系统的基本组成部分。第2章第2章习 题 21.数字通信系统的优点有哪些?2.压缩编码和纠错编码的作用分别是什么?3.常用的纠错编码有哪些?4.调制解调的目的是什么？如何从时域和频域理解其过程？5.上网查阅文献，了解加密技术的发展。6.上网查阅文献，了解扩频技术的发展。7.上网查阅文献，了解单片机、嵌入式、DSP和FPGA相关知识。Questions？第2章
