数字通信原理绪论资料课件

概述第1章1.1 通信及通信系统构成1.1.1 通信系统模型通信的目的是完成两地间（信源与信宿）信息的传递或交换。据此，可将通信系统概括为六部分：信源、变换器（发送设备）、信道、噪声源、反变换器（接收设备）和信宿。通信系统模型语声语声数据数据图像图像电信号电信号光信号光信号语声语声数据数据图像图像信源：信息的发出者，是人或机器；变换器（发送设备）：把信源发出的信息变换为适合在信道上传输的信号;两方面功能：形式变换，话音 电信号；提高有效性与可靠性措施，如调制，A/D转换;信道：信号传输媒介的总称；分两大类：有线信道和无线信道反变换器（接收设备）：变换器的逆变换，使信号能够为信宿接收；信宿：信息接收者，是人或机器，构成人人，人机，机机通信。有线信道双绞电缆同轴电缆光纤光缆无线信道长波（低频）：水下通信，导航中波（中频）：调幅广播短波（高频）：调频广播，电视超短波（甚高频）：电视微波（特高频）：移动电话，电视卫星（超高频）：卫星电话，卫星电视双绞线双绞线双绞线双绞线电话业务电话业务电话业务电话业务同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆AM AM 无线电无线电无线电无线电FM FM 无线电和无线电和无线电和无线电和 TVTV地面微波接力地面微波接力地面微波接力地面微波接力 光纤光纤光纤光纤 卫星卫星卫星卫星 10102 210103 310104 410105 510106 610107 710108 810109 910101010101011111010121210101313101014141010151510101616无线电无线电无线电无线电(9KHz400GHz)(9KHz400GHz)红外线红外线红外线红外线紫外线紫外线紫外线紫外线可见光可见光可见光可见光 HzHz海事无线电海事无线电海事无线电海事无线电微波微波微波微波(300MHz300GHz(300MHz300GHz）无线信道的频率划分无线信道的频率划分 电磁波常识波段的划分 名称名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率频率330KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波段波段1KKm-10Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm传播传播特性特性空间波为主地波为主地波与天波地波与天波空间波空间波空间波空间波主要主要用途用途海岸潜艇通信，音频电话，数据终端，导航越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航船用通信；业余无线电通信；移动通信；中距离导航远距离短波通信；国际定点通信电离层散射；流星余迹通信；人造电离层通信微波通信，卫星通信；空间通信；雷达大容量微波中继通信；卫星通信；国际海事卫星通信再入大气层时的通信；波导通信1.2 信息、信号及分类 信息定义：用来消除不确定性的东西（Shannon）。消息发生的概率越大消息发生的概率越小结论：消息具有的信息量I与其发生的概率P成反比。不确定性越小不确定性越大信息量越大信息量越小上式中对数的底：若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b 若a=e，信息量的单位称为奈特(net)，若 a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。通常广泛使用的单位为比特，这时有信息的定量计算公式【例例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为 在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特。若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为若M是2的整幂次，即 M=2k，则有 当M=4时，即4进制波形，I=2比特，当M=8时，即8进制波形，I=3比特信息的形式对通信系统的分类信息形式：语音、图像、数据（文字）语音-电话通信系统 图像-图像通信系统 数据-数据通信系统信号：信息载体，电压、电流、光波强度或频率等。信号分类：模拟信号和数字信号 （以时间特性区分）数字信号：信号参量（时间、幅度）的取值是离散变化的。模拟信号：信号参量（时间、幅度）的取值是连续。模拟信号 (a)话音信号 (b)抽样信号模拟通信与数字通信：根据传输信号分类而定。10 1 1 33012111100 01 10（二进制）（二进制）（双二进制）（双二进制）（四进制）（四进制）数字信号的波形模拟通信系统模型模拟通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统模型1.2.3 数字信号时分复用传输时分多路复用示意图1 1时间时间时间时间频率频率频率频率2 23 34 41 1时分复用原理实现收发一一对应的通信：发端1-收端1：K1和K2为1）时钟同步（位同步）：K1和K2均顺时针旋转，且同频同相发端2-收端2：K1和K2为发端3-收端3：K1和K2为发端4-收端4：K1和K2为2）群同步（帧同步）：在发话路1的话音码之前插入帧同步码（标志码，Flag）帧同步周期帧同步周期Ts帧同步周期帧同步周期Ts1.3 数字通信网1.3.1 通信网基本概念 多个通信对象间实现互相通信最直接办法是构成直接网或完全互联网。通信线路数：如：N=100，则线路数为：问题：当N很大时，网络线路难以实现，且线路利用率低，解决办法是采用转接网 单极转接网：通信线路数：N转接节点C：交换设备（机）若用户分区域集中，还可采用多极转接方式。多极转接网：1.3.2 数字通信网 通信网三要素：终端传输系统交换系统数字通信网：终端发送的是数字信号，传输、交换的都是数字信号数字通信网与模拟通信网相比的优点：通信质量高，抗噪能力强 构成综合业务数字网（ISDN）综合业务包括：话音，图像，传真，电报及计算机通信数据信号 综合实现数字传输和数字交换（IDN）1.4.1数字通信的优点：数字通信的优点：1.抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，传输性能好；传输性能好；2.便于处理和管理，便于传输和交换；便于处理和管理，便于传输和交换；3.便于与各种数字终端接口，用现代计算技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，形术对信号进行处理、加工、变换、存储，形成智能网；成智能网；4.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；5.便于加密处理，且保密程度高。便于加密处理，且保密程度高。模拟电话和数字电话通信系统模拟电话和数字电话通信系统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数字通信的加密数字通信的加密被加密码序列被加密码序列Y1=1 0 1 1 0 0 1 1 1 0密码序列（密钥）密码序列（密钥）C=1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 加密码序列加密码序列X=Y1C=0 01 1 1 1 0 1 1 解密码序列解密码序列 Y2=XC=1 01 1 0 0 1 1 1 0注：注：意为异或意为异或101.占用频带宽，频带利用率低：占用频带宽，频带利用率低：比模拟通信占据更宽的系统频带。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字电话：接近同样话音质量的一路数字电话：20-60KHz。2.对同步要求高，系统设备比较复杂对同步要求高，系统设备比较复杂数字通信的缺点：数字通信的缺点：1.4.2 数字通信系统主要性能指标有效性指标：2.符号(码元)传输速率：每秒钟传送的符号数量，单位为“波特”(baud或B)，又称传码率，波特率1.信息传输速率：每秒钟传送的信息速率，单位为“比特/秒”(bit/s)，又称传信率，比特率，数码率3.符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为RB，信息速率为Rb，每个符号有 M 种可能状态，则有Rb=RBlog2M4.频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为bit/s/Hz或Baud/Hz有效性指标：传码率RB：单位 波特（Baud,Bd，B）传信率Rb：单位 比特/秒（Bit/s）二者的关系：Rb=RBlog2M频带利用率：（bit/s/Hz）（B/Hz）码元速率和信息速率的关系 或 对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为3600 b/s。可靠性指标：误码率：时钟漂移与抖动：数字信号码相对于标准位置的随机偏移，示意图如下：虚线：信号码发生的准确时刻实线：信号码发生的实际时刻时钟漂移时钟抖动通信发展简史（1）18世纪，提出用电流进行通信的设想1838年，F.B.Morse 发明有线电报1864年，J.C.Maxwell提出电磁辐射方程1876年，A.G.Bell 发明电话1896年，G.Marconi发明无线电报1901年，横跨大西洋的无线通信成功1906年，Lee deForst 发明真空管1918年，E.H.Armstrong发明AM广播，超外差接收机 1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通信通信发展简史（2）1936年，E.H.Armstrong发明FM广播1937年，A.Reeves发明PCM调制原理1938年，电视广播开始1940-45年，二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展1948年，发明了晶体三极管；统计理论建立；Shannon发表通信的数学理论1950年，时分多路通信应用于电话1953年，敷设了第一条越洋电话电缆(36话路)1957年，前苏联发射第一颗人造地球通信卫星通信发展简史（3）1958年，发明第一块集成电路1961年，FM立体声广播开播1964年，第一台全电子电话系统问世1972年，Motorola发明蜂窝电话1976年，个人PC问世1989年，“便携式”蜂窝电话问世1990，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2000，3G移动通信实用化通信发展简史（4）1.19601970出现了电缆电视、激光通信、雷达、计算机网络和数字技术，光电处理等2.19701980大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信、微处理机等迅猛发展3.19801990超大规模集成电路、移动通信、光纤通信广泛应用，综合业务数字网崛起4.19902000卫星通信、移动通信、光纤通信进一步飞速发展，高清晰彩色数字电视技术不断成熟，全球定位系统（GPS）得到广泛应用5.20002010 3G和4G移动通信和OFDM数字音频广播和数字电视广泛应用通信技术的现状和发展趋势数字化、大容量、远距离、高效率、多信源以及保密性、可靠性、智能化等已成为现代通信系统的主要特点。1.5 电平和衰减电平的定义：间接反映功率的大小。常用的电平符号：分贝(dB)和奈培(Np)分贝和奈培的换算关系：1 dB=0.115 Np 1 Np=8.686 dB 1.分贝(dB)和奈培(Np)分贝(dB)的定义：以常用对数表示两个功率之比的一种计量单位。西欧美国常用。奈培(Np)的定义：以自然对数表示两个功率之比的一种计量单位。东欧俄罗斯常用。功率电平和电压电平功率电平：电压电平：基准功率 基准电压基准电压 V0的确定特性阻抗：明线为600 对称电缆为150 同轴电缆为75通常选取明线的特性阻抗为特定阻抗。绝对功率电平 dBm定义：它是相当于1mw功率的电平单位。公式：式中，1mw是参考功率，P1是测试点信号功率。当P1=1mw,D=0 dBm；P1=1w,D=30 dBm（2G）；当P1=0.25w,D=24 dBm（3G）相对功率电平 dBr定义：它表示两个信号功率P1和P2之比的常用对数的10倍。公式：当P2=1mw时，dBr和dBm的数值相同。相对零电平点的电平 dBm0定义：零测试电平点（0dBr)，即参考点相对于1mw的绝对功率电平。公式：X(dBm)=Y(dBm0)+Z(dBr)例1 在-22dBr测试点，信号绝对功率为-32dBm，参考点，即零测试电平点（0dBr)的电平为多少？解：X(dBm)=Y(dBm0)+Z(dBr)Z=-22dBr，X=-32dBm 参考点，零测试电平点（0dBr)的电平 Y=X-Z=-32-（-22）=-10（dBm0)5.传输衰减定义：传输衰减是网络的输入端功率与输出端功率之差。表示信号通过网络后功率损耗程度。例：发送端输入的dBm是0 dBm,接收端输出的dBm是-20 dBm，则该系统的传输衰减是 20dB.注：传输衰减与相对电平dBr的定义相似。