数字通信技术课件

2内容内容1.1 1.1 通信系通信系统的的组成和分成和分类1.2 1.2 数字通信系数字通信系统及主要及主要组成成1.3 1.3 数字通信的主要特点数字通信的主要特点 1.4 1.4 数字通信系数字通信系统的主要性能指的主要性能指标 1.5 1.5 本本课程的内容程的内容 参考书目参考书目 3要求要求1 1理解数字通信系统的理解数字通信系统的组成组成及其及其功能功能2 2理解数字通信系统中的理解数字通信系统中的关键技术关键技术3 3了解数字通信的了解数字通信的主要特点主要特点及及发展趋势发展趋势 1.1 通信系统的组成和分类通信系统的组成和分类5一、通信系一、通信系统的概念的概念通信的最终通信的最终目的目的目的目的是为了是为了有效有效和和可靠可靠地传递和地传递和交换信息。交换信息。信息可以有多种多样表现形式，如语音、文信息可以有多种多样表现形式，如语音、文字、数据、图像等。字、数据、图像等。传递或交换信息所需的一切技术设备的总和传递或交换信息所需的一切技术设备的总和称为称为通信系统通信系统。6二、通信系二、通信系统的的组成成7二、通信系二、通信系统的的组成成1.1.信源和收信者（信宿）信源和收信者（信宿）信源信源信源信源(information source)是发出信息的源，是产生消息的是发出信息的源，是产生消息的机构，消息机构，消息(message)中包含着信息中包含着信息(information)，是用户，是用户所关心的部分。消息本身在系统其它部分被转换、复制、所关心的部分。消息本身在系统其它部分被转换、复制、并处理。并处理。实际中的信源是高度复杂的物理现象，例如人类的语言和实际中的信源是高度复杂的物理现象，例如人类的语言和文字、图像、声响，甚至于各种控制系统中的传感器等。文字、图像、声响，甚至于各种控制系统中的传感器等。但在通信系统中的信源，产生的都是电信号但在通信系统中的信源，产生的都是电信号。信源既可以输出离散的数字信号，也可以输出连续的模拟信源既可以输出离散的数字信号，也可以输出连续的模拟信号。信号。信宿信宿信宿信宿是传输信息的归宿点。是传输信息的归宿点。8二、通信系二、通信系统的的组成成2.2.发送设备发送设备发送设备的发送设备的基本功能基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消息信号变换为便于传送的信号形式，即将信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。送往传输媒介。变换方式变换方式是多种多样的。例如，调制可以实现频谱组是多种多样的。例如，调制可以实现频谱组成的变换，上下变频器可以实现频谱的搬移，等等。成的变换，上下变频器可以实现频谱的搬移，等等。发送设备还包括为达到某些特殊要求而进行的种种发送设备还包括为达到某些特殊要求而进行的种种处理处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等等。，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等等。9二、通信系二、通信系统的的组成成3.3.传输媒介（信道）传输媒介（信道）信道信道信道信道是指传输信号的通道，从发送设备到接收设备之是指传输信号的通道，从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，可以是无线的，也可以是间信号传递所经过的媒介，可以是无线的，也可以是有线的，而有线和无线又可以细分为多种传输媒介。有线的，而有线和无线又可以细分为多种传输媒介。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声，传输媒介的固有特性和干扰噪声都直接关系到通声，传输媒介的固有特性和干扰噪声都直接关系到通信的质量。信的质量。10二、通信系二、通信系统的的组成成4.4.接收设备接收设备接收设备的接收设备的基本功能基本功能是完成发送设备的反变换，即进是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等等。行解调、译码、解密等等。它的它的任务任务是从混有噪声和干扰的信号中正确恢复出原是从混有噪声和干扰的信号中正确恢复出原始消息。对于多路复用信号，还包括解除多路复用，始消息。对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。实现正确分路。11二、通信系二、通信系统的的组成成讨论讨论上述的通信系统是单向的；在多数情况下，通信的双方上述的通信系统是单向的；在多数情况下，通信的双方需要随时交流信息，因而要求双向通信，例如电话通信。需要随时交流信息，因而要求双向通信，例如电话通信。双向通信时，双方信源都兼为信宿，都要有发送设备和双向通信时，双方信源都兼为信宿，都要有发送设备和接收设备，要两个方向都有各自的传输媒介。接收设备，要两个方向都有各自的传输媒介。如果双方共用一个传输媒介，则采用频率、时间等参数如果双方共用一个传输媒介，则采用频率、时间等参数进行分割以实现共享，如频分双工（进行分割以实现共享，如频分双工（FDD）、时分双工）、时分双工（TDD）等。）等。12三、通信系三、通信系统的分的分类按用途按用途常规通信常规通信控制通信控制通信按信号形式按信号形式模拟通信模拟通信数字通信数字通信按信道形式按信道形式有线通信有线通信无线通信无线通信按传输方向按传输方向与时间关系与时间关系单工通信单工通信全双工通信全双工通信半双工通信半双工通信13三、通信系三、通信系统的分的分类双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆波导波导光纤光纤超长波超长波长波长波短波短波超短波超短波微波中继微波中继卫星卫星散射散射有线通信有线通信无线通信无线通信 按信道形式按信道形式1.2 数字数字通信系统及主要组成通信系统及主要组成15一、数字通信定一、数字通信定义数字通信的数字通信的定义定义定义定义：用数字信号作为载体来传输消息，：用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、数据等数字信号，也可以传输经式。它可传输电报、数据等数字信号，也可以传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。（参阅：中过数字化处理的语音和图像等模拟信号。（参阅：中国邮电百科全书，电信卷）。国邮电百科全书，电信卷）。学习和研究数字通信技术和理论的学习和研究数字通信技术和理论的目的目的目的目的：在尽量节省：在尽量节省资源（功率、频率和设备成本）的条件下，优化数字资源（功率、频率和设备成本）的条件下，优化数字通信系统，提高系统传输信息的通信系统，提高系统传输信息的有效性有效性和和可靠性可靠性。16二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成17二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成1.1.信源编码与解码信源编码与解码在数字通信系统中，在数字通信系统中，信源编码的作用信源编码的作用是将信源输出的是将信源输出的模拟信号变换为适合数字通信系统传输的数字信号，模拟信号变换为适合数字通信系统传输的数字信号，即模数变换；即模数变换；变换过程中应尽可能准确地保留原有信息，同时尽量变换过程中应尽可能准确地保留原有信息，同时尽量去除信号中的冗余，降低数字信号的速率，从而提高去除信号中的冗余，降低数字信号的速率，从而提高系统的传输效率，即实现系统的传输效率，即实现数据压缩数据压缩。信源解码是信源编码的反变换，完成原始信源信息的信源解码是信源编码的反变换，完成原始信源信息的恢复。恢复。18二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成2.2.加密与解密加密与解密数字信号比起模拟信号来易于加密，且效果也好。数字信号比起模拟信号来易于加密，且效果也好。加密器可以产生密码，人为地将输入的明文数字序列加密器可以产生密码，人为地将输入的明文数字序列进行扰乱。进行扰乱。在接收端对接收到的数字序列进行解密，恢复明文。在接收端对接收到的数字序列进行解密，恢复明文。19二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成3.3.信道编码与解码信道编码与解码信道编码的目的信道编码的目的信道编码的目的信道编码的目的是提高通信的抗干扰能力，尽可能地减是提高通信的抗干扰能力，尽可能地减少传输中的差错。因此，信到编码也称差错控制编码。少传输中的差错。因此，信到编码也称差错控制编码。差错控制编码：差错控制编码：差错控制编码：差错控制编码：在发送端适当增加信号的冗余度在发送端适当增加信号的冗余度,对传输对传输的原始信息按一定编码规则进行编码，在接收端按一定的原始信息按一定编码规则进行编码，在接收端按一定的规则进行解码，看其编码规则是否遭到破坏，从解码的规则进行解码，看其编码规则是否遭到破坏，从解码过程中发现错误或纠正错误。过程中发现错误或纠正错误。实现实现差错控制编码的方式差错控制编码的方式差错控制编码的方式差错控制编码的方式：线性分组码线性分组码 循环码、循环码、汉明码、格雷码、汉明码、格雷码、BCHBCH码、码、RSRS码、码、LDPCLDPC码；码；卷积码卷积码；级级联码联码 普通级联码、普通级联码、Turbo-Turbo-码。码。20二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成4.4.调制与解调调制与解调调制调制调制调制是把待传输的基带信号转换成适于信道传输的是把待传输的基带信号转换成适于信道传输的波形。它利用数字基带信号对载波波形的某些参量波形。它利用数字基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随数字基带信号的变进行控制，使载波的这些参量随数字基带信号的变化而变化。解调是调制的逆变换。化而变化。解调是调制的逆变换。数字调制技术分为：数字调制技术分为：ASKASK、FSKFSK、PSKPSK、CPMCPM，以及它，以及它们的各种组合。们的各种组合。21二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成4.4.调制与解调调制与解调(续续)解调可以进行相干解调或非相干解调，前者需要知解调可以进行相干解调或非相干解调，前者需要知道载波的相位才能检测，后者则不需要。道载波的相位才能检测，后者则不需要。对高斯噪声下信号的检测，一般用相关接收机或匹对高斯噪声下信号的检测，一般用相关接收机或匹配滤波器。配滤波器。22二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成5.5.多路与多址多路与多址多用户共享通信资源，充分利用通信资源和增加总的多用户共享通信资源，充分利用通信资源和增加总的数据通信量。数据通信量。采用多路技术可以使本地多个用户共享通信资源。采采用多路技术可以使本地多个用户共享通信资源。采用多址技术可以使远程多个用户共享通信资源。用多址技术可以使远程多个用户共享通信资源。基本的方法有频分、时分、码分、空分和极化波分。基本的方法有频分、时分、码分、空分和极化波分。23二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成6.6.信道与噪声信道与噪声数字信号可以在数字信道传输，也可以经过调制变成频数字信号可以在数字信道传输，也可以经过调制变成频带信号通过模拟信道传输。（注意狭义信道和广义信道带信号通过模拟信道传输。（注意狭义信道和广义信道的概念）。的概念）。信道既给传输的信号以通路，又给传输的信号以限制和信道既给传输的信号以通路，又给传输的信号以限制和影响。当信号通过信道时，信号的功率由于信道的损耗影响。当信号通过信道时，信号的功率由于信道的损耗而下降，或由于信道的畸变而失真。而下降，或由于信道的畸变而失真。信号会受到信道噪声的损害。信道中的噪声归纳起来可信号会受到信道噪声的损害。信道中的噪声归纳起来可分为两种：一种是高斯噪声；另一种是脉冲噪声。分为两种：一种是高斯噪声；另一种是脉冲噪声。信号还会遭受出现在信道中的人为干扰的破坏。信号还会遭受出现在信道中的人为干扰的破坏。24二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成实际信道种类实际信道种类实际信道种类实际信道种类有线信道：有线信道：如电话网络的双绞线，其主要特点：存如电话网络的双绞线，其主要特点：存在加性噪声、话音串扰等。在加性噪声、话音串扰等。光缆信道：光缆信道：如光纤通信，其主要特点：带宽宽，噪如光纤通信，其主要特点：带宽宽，噪声、干扰小。声、干扰小。无线电磁信道：无线电磁信道：如自由空间电波传播，其主要特点：如自由空间电波传播，其主要特点：存在多径、衰落，噪声干扰比较大。存在多径、衰落，噪声干扰比较大。水下声波信道：水下声波信道：如声纳通信，其主要特点：频率低，如声纳通信，其主要特点：频率低，衰减大。衰减大。25二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成对抗信道畸变或噪声的方法对抗信道畸变或噪声的方法对抗信道畸变或噪声的方法对抗信道畸变或噪声的方法增大信号发送功率增大信号发送功率设法消除或补偿信道引起的信号失真，采用设法消除或补偿信道引起的信号失真，采用均衡、均衡、分集分集技术技术采用适当的采用适当的信号设计信号设计技术技术采用采用信道编码信道编码技术技术采用采用扩频扩频技术技术26二、数字通信系二、数字通信系统的的组成成7.7.同步同步位位（比特）同步（比特）同步载波载波同步同步帧帧同步同步网网同步同步1.3 数字数字通信的主要特点通信的主要特点28数字通信的主要特点数字通信的主要特点可以通过信源编码技术消除冗余，降低信源输出可以通过信源编码技术消除冗余，降低信源输出的数据速率；的数据速率；便于进行复杂的加密处理，提高传输的安全性；便于进行复杂的加密处理，提高传输的安全性；可以通过增加冗余进行差错控制编码，提高传输可以通过增加冗余进行差错控制编码，提高传输的可靠性；的可靠性；可以研究更多更有效的调制与解调方式，同时提可以研究更多更有效的调制与解调方式，同时提高有效性与可靠性；高有效性与可靠性；29可以采用中继的方式进行再生，消除噪声积累；可以采用中继的方式进行再生，消除噪声积累；便于集成，使设备小型化；便于集成，使设备小型化；便于利用计算机技术，采用软硬件相结合的方式，便于利用计算机技术，采用软硬件相结合的方式，研制符合软件无线电概念的智能化通信设备；研制符合软件无线电概念的智能化通信设备；便于利用通信协议组网；便于利用通信协议组网；便于实现多媒体通信。便于实现多媒体通信。数字通信的主要特点数字通信的主要特点 1.4 数字数字通信的主要性能指标通信的主要性能指标31主要性能指主要性能指标有效性：有效性：有效性：有效性：在给定信道内能传输的信息内容的在给定信道内能传输的信息内容的多少，主要性能指标是多少，主要性能指标是传输速率传输速率、频带利用频带利用率率。可靠性：可靠性：可靠性：可靠性：接收信息的准确程度，主要指标是接收信息的准确程度，主要指标是误码率误码率。有效性和可靠性是相互矛盾而又相互联系的，有效性和可靠性是相互矛盾而又相互联系的，通常两者也是可以互换的。通常两者也是可以互换的。32一、一、传输速率速率码元传输速率（码元传输速率（码元传输速率（码元传输速率（R R R RS S S S）简称传码率或波特率，表示单位时间（每秒）内简称传码率或波特率，表示单位时间（每秒）内传输的传输的码元（符号）个数码元（符号）个数，单位为波特（，单位为波特（Baud）记）记为为B。信息传输速率（信息传输速率（信息传输速率（信息传输速率（R R R Rb b b b）简称传信率或比特率，表示单位时间（每秒）内简称传信率或比特率，表示单位时间（每秒）内传送数据信息的传送数据信息的比特数比特数，单位为比特秒（，单位为比特秒（bit/s）。）。33一、一、传输速率速率码元速率与信息比特速率关系码元速率与信息比特速率关系码元速率与信息比特速率关系码元速率与信息比特速率关系二进制传输时，码元传输速率和信息速率一致。二进制传输时，码元传输速率和信息速率一致。对对N N进进制制传传输输时时，其其码码元元传传输输速速率率和和信信息息速速率率可可以以通过公式来换算：通过公式来换算：34二、二、频带利用率利用率(Baud/Hz)对对二进制传输二进制传输时可表示为时可表示为(bit/s/Hz)35三、可靠性指三、可靠性指标误误比比特特率率：在在传传输输过过程程中中发发生生的的错错误误比比特特个数与传输的总比特数之比个数与传输的总比特数之比误误码码元元率率：在在传传输输过过程程中中发发生生的的错错误误码码元元个数与传输的总码元数之比个数与传输的总码元数之比 36四、性能极限四、性能极限ShannonShannon定定定定理理理理：如如果果信信息息源源的的信信息息速速率率Rb小小于于或或者者等等于于一一个个所所谓谓的的信信道道容容量量C，那那么么，在在理理论论上上存存在在一一种种方方法法可可使使信信息息源源能能够够以以任任意小的差错率通过信道传输。意小的差错率通过信道传输。如如果果 RbC，则则没没有有任任何何办办法法传传输输这这样样的的信信息，或者说传输二进制信息的差错率为息，或者说传输二进制信息的差错率为12。信道容量信道容量C是信道的极限传输能力。是信道的极限传输能力。37四、性能极限四、性能极限信道容量公式信道容量公式在在被被高高斯斯白白噪噪声声干干扰扰的的信信道道中中，传传送送的的最最大大信信息息速速率率C C，由，由ShannonShannon公式确定：公式确定：(bit/s)或或 其中，其中，B B是信号占用的信道带宽，是信号占用的信道带宽，S S是信号功率，是信号功率，N N是噪声功率。是噪声功率。n n0 0是噪声功率谱密度。是噪声功率谱密度。38四、性能极限四、性能极限1.1.信道容量极限讨论信道容量极限讨论n n0 0=0=0 或或 S S=，均能使，均能使C C=。n n0 0=0=0意意味味着着无无噪噪声声，S S =意意味味着着发发送送功功率率要要达达到到无穷大。无穷大。要提高信道容量要提高信道容量C C，则应减小噪声或者提高发射功率。，则应减小噪声或者提高发射功率。39四、性能极限四、性能极限2.2.信道容量与带宽信道容量与带宽B B的关系的关系B B=0=0，C=0C=0，无法传输信息。，无法传输信息。信信道道容容量量极极限限：信信道道带带宽宽B B趋趋于于无无穷穷大大，信信道道容容量量C C趋于一个定值，该定值称为趋于一个定值，该定值称为信道容量极限信道容量极限。40四、性能极限四、性能极限3.3.频带利用率极限频带利用率极限当当 R Rb b=C =C 时，由时，由ShannonShannon公式得：公式得：上式为系统可能的上式为系统可能的最高频带利用率最高频带利用率，即频带利用率极限。，即频带利用率极限。41四、性能极限四、性能极限4.4.带宽与信噪比互换关系带宽与信噪比互换关系当当信信道道容容量量C C 保保持持不不变变时时，带带宽宽B B与与信信噪噪比比可可以以进进行互换。行互换。带宽较小的改变将会导致信号功率较大的改变。带宽较小的改变将会导致信号功率较大的改变。带带宽宽和和信信号号功功率率的的互互换换，通通常常可可由由编编码码和和调调制制来来实现。实现。42四、性能极限四、性能极限B/C(Hz/b/s)16 8 4 2 11/8-10 10 20 30 40 50 S/N(dB)实际系统实际系统不可实现区域不可实现区域5.5.归一化信道带宽与信噪比关系归一化信道带宽与信噪比关系1.5 本课程的内容本课程的内容44所传输的信号种类多媒体化，希望声音、图象、文字并所传输的信号种类多媒体化，希望声音、图象、文字并茂；茂；传输速度越快越好；传输速度越快越好；传输质量越高越好，包括在有干扰的条件下；传输质量越高越好，包括在有干扰的条件下；随时随地都能进行通信，包括在移动状态下；随时随地都能进行通信，包括在移动状态下；组成多用户的通信网。组成多用户的通信网。一、通信的要求一、通信的要求45 概述概述 语音编码技术语音编码技术 图像编码技术图像编码技术 信道编码技术信道编码技术 数字调制技术数字调制技术 同步技术同步技术二、本二、本课程的内容程的内容 均衡技术均衡技术 分集技术分集技术 扩频通信技术扩频通信技术 数字复接技术数字复接技术 光波调制复用技术光波调制复用技术 多址通信技术多址通信技术46教材与参考教材与参考书教材：教材：数字通信技术数字通信技术数字通信技术数字通信技术.张杭张杭 等编著等编著.人民邮电出版社人民邮电出版社 20082008参考教材：参考教材：（1 1）通信原理通信原理通信原理通信原理.沈越弘等编著沈越弘等编著 机械工业出版社机械工业出版社 20042004 （2 2）数字通信数字通信数字通信数字通信基础与应用（第二版）基础与应用（第二版）基础与应用（第二版）基础与应用（第二版）.Bernard Sklar Bernard Sklar著，徐平平著，徐平平 宋铁成宋铁成 叶芝慧等译叶芝慧等译.电子工业出版社电子工业出版社,2004,2004 （3 3）现代通信原理现代通信原理现代通信原理现代通信原理.曹志刚曹志刚 钱亚生钱亚生.清华大学出版社，清华大学出版社，19921992 （4 4）现代通信技术现代通信技术现代通信技术现代通信技术.陈显治陈显治.电子工业出版社，电子工业出版社，20012001 47教材与参考教材与参考书 （5 5）现代通信理论与技术导论现代通信理论与技术导论现代通信理论与技术导论现代通信理论与技术导论.张德纯等张德纯等.西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 20042004 （6 6）数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信.郭梯云郭梯云 杨家玮杨家玮 李建东李建东.人民邮电出版社人民邮电出版社 19951995 （7 7）扩频通信扩频通信扩频通信扩频通信.查光明查光明 熊贤祚熊贤祚.西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 19901990 （8 8）光同步数字传送网（修订本）光同步数字传送网（修订本）光同步数字传送网（修订本）光同步数字传送网（修订本）.韦乐平韦乐平.人民邮电出版社，人民邮电出版社，19981998 （9 9）现代光纤通信与网络教程现代光纤通信与网络教程现代光纤通信与网络教程现代光纤通信与网络教程.张宝富张宝富 刘忠英刘忠英 万谦万谦.北京：人民邮电出版社，北京：人民邮电出版社，2002 2002 48作作业与思考与思考题1.1 画出画出“数字通信系统数字通信系统”组成框图并简述各组成部分的组成框图并简述各组成部分的功能？功能？1.2 你认为数字通信技术的发展方向是什么？你认为数字通信技术的发展方向是什么？1.3 一个二进制数字通信系统的码元速率为一个二进制数字通信系统的码元速率为2048KB，连续连续传传2个小时后，接收端收到的错误码元个数为个小时后，接收端收到的错误码元个数为1000个，个，求误码率。求误码率。1.4 已知电话信道的带宽为已知电话信道的带宽为3.4kHz，试求：，试求：（1）接收端信噪比）接收端信噪比S/N=30dB时的信道容量。时的信道容量。（2）若要求该信道能传输）若要求该信道能传输4800b/s的数据，的数据，信道带宽信道带宽是传输速率的两倍，则接收端要求最小信噪比是传输速率的两倍，则接收端要求最小信噪比S/N为多为多少少dB。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢谢谢大家大家荣幸荣幸这这一路，与你同行一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：演讲人：XXXXXX 时时 间：间：XX年年XX月月XX日日