数字通信基础知识总结课件

数字通信技术数字通信技术 信息工程系信息工程系信息工程系信息工程系 刘建苹刘建苹刘建苹刘建苹 数1 4G:第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术，the 4th Generation mobile communication technology，外语缩写：4G。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式（严格意义上来讲，LTE只是3.9G，尽管被宣传为4G无线标准，但它其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced，因此在严格意义上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求）。4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL（4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。相关知识：4G:第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移2 3G是第三代移动通信技术，3rd-Generation，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。2G，2-Generation wireless telephone technology，第二代手机通信技术规格，以数字语音传输技术为核心。一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息；只具有通话和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格。不过手机短信在它的某些规格中能够被执行。它在美国通常称为“个人通讯服务”（外语缩写：PCS）。3G相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、CDMA等数字手机（2G），第三代手机一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特/每秒）、384kbps（千比特/每秒）以及144kbps(千比特/每秒)的传输速度。3G是第三代3 2G(second generation）表示第二代移动通讯技术。代表为GSM。以数字语音传输技术为核心。1G（first generation）表示第一代移动通讯技术，以模拟技术为基础的蜂窝无线电话系统，如现在已经淘汰的模拟移动网。1G无线系统在设计上只能传输语音流量，并受到网络容量的限制。AMPS为1G网络的典型代表。第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。Nordic移动电话（NMT）就是这样一种标准，应用于Nordic国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS），英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Netz，法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI。模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。大哥大最早是美国摩托罗拉公司工程师在1973年发明，是手提电话的俗称。但是只流行于手提电话初面世那几年，等到大部分人手里都有一部而且是最新款时，就改称手机了。第二代手机（2G），以GSM制式和CDMA为主。它们都是数字制式的，除了可以进行语音通信以外，还可以收发短信（短消息、SMS）、MMS（彩信、多媒体短信）、无线应用协议（WAP）等。2G(second generation）表示41.1 1.1 数字通信系统的构成数字通信系统的构成1.1.1 1.1.1 信息与信号信息与信号信息：对接受信息者有一定意义的某一有待定传递、交换、提取或存储的内容，是客观世界和主观世界共同作用的产物。信号：携带信息的载体。信息是依靠信号进行传递和交流的，这是通信的主要目的和内容。语音、文字、图像或数据等统称为消息。将消息给予受信者的新知识称为信息，预先不知道的消息成为信息。消息的表现形式成为信号，信号是带有消息的一种物理量，若用电来传送消息，发信者须把消息转换成随时间变化的电压或电流，这就是电信号。第第1 1章章 数字通信基础知识数字通信基础知识1.1 数字通信系统的构成第1章 数字通信基础知识51.1.2 模拟信号与数字信号1.模拟信号概念：代表信息的信号幅度的取值随时间连续变化，即在某一时间范围内可以取无限多个数值，则该信号为模拟信号。如下图所示1.1.2 模拟信号与数字信号62.数字信号概念：凡信号的某一参量只能取有限个数值，并且常常不直接与消息相对应，代表信息的信号幅度取值是离散变化的，即在某一瞬间具有有限个状态或称状态可数，则这样的信号称为数字信号。如下图所示：2.数字信号7数字信号与模拟信号3.模拟信号与数字信号的区别模拟信号有时侯也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，而不一定在时间上也连续。PAM信号数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。模拟信号适合与传输，数字信号则比较适合与处理。模拟信号与数字信号可以互相转换。数字信号与模拟信号3.模拟信号与数字信号的区别8基带信号与频带信号 基带信号即直接由信息转换得到的电信号。这种信号的频率都是比较低的，含有低频成分甚至直流成分，而且最高频率和最低频率比值很大，可以远大于1。基带信号不适于较长距离传输，更不能进行无线电发送。例如语音信号就是一种典型的基带信号，其频率在100Hz5kHz范围内，但主要能量集中在2003000Hz范围内。又如电视图像信号的频率在06MHz范围以内。计算机数据信号的频率范围与传输速率有关，也属于基带信号。基带信号就是直接由信号转换成的电信号,频率低，含有低频成分或直流成分，最高最低频率比值大。基带信号不适于较长距离传输，不能无线电发送。例语音，图像。频带信号，经过各种正弦调制后，基带信号的频谱被搬移到比较高的频率范围。中心频率相对较高，带宽窄，适于在信道中传输。常见的调制方式有AM,SSB,FM,PM,ASK,FAK,PSK等。基带信号与频带信号 基带信号即直接由信息转换得到的电信号91.1.3 通信系统的构成、分类及通信方式1.构成信源：信息的来源 变换器：将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。主要担负将输入消息变换为电信号的任务。由输入变换器输出的信号应反映输入信号的全部信息，此信号即为基带信号信道：信号的传输通道。反变换器：功能与变换器相反,将接收设备输出的电信号变换成原来形式的消息。信宿：信息传送的终点，即信息的接收者噪声源：并不是一个人为实现的实体，但在通信系统中又是客观存在的,作为一种分析问题的方法，我们将信号在传输过程中混入的噪声及由于干扰引起的信号失真集中、在一起，作为信道中的干扰源来进行分析处理。1.1.3 通信系统的构成、分类及通信方式10通信系统的基本组成 人类单方面获取信息不是通信。打电话、E-mail等则是典型的通信过程。通信的定义：从一地向另一地的传递和交换信息。基本的通信系统应该有:通信系统的基本组成 人类单方面获取信息不是通11图1-2通信网的组成一点对一点（或多点）的通信方式，全连通网。各个用户接到一个可以任意选择通信路由的中心交换中心，以转接交换设备为核心，由用户终端、传输系统有机连接的整体称为通信网。总之，一个完备的通信系统应由信道、终端信号处理设备、转接交换设备和管理中心等组成。通信的根本目的是传输代表信号的电信号，即研究信号的传输、处理和转接问题。图1-2通信网的组成一点对一点（或多点）的通信方式，全连通122.2.通信系统的分类通信系统的分类(1)按照业务内容的不同，通信可分为电报、电话、传真、数据通信、无线寻呼等。(2)按照传输信道的不同，通信可分为有线通信和无线通信。(3)按信道中所传输信号的不同，通信系统可以分为模拟通信和数字通信两大类。2.通信系统的分类133.3.数字通信系统的组成数字通信系统的组成 一个数字通信系统应包括8个主要组成部分：信源、编码器、调制器、信道、解调器、译码器、信宿、定时与同步系统3.数字通信系统的组成14模拟通信系统 传输模拟信号 语音或图像电信号，具有低通的性质，又称基带信号，即信号的频谱是从零附近开始的。语音信号的频率范围为3003400hz，图像信号的频率范围06MHZ，不变换为基带传输。将基带信号经过调制，将其频谱搬移到无线信道。模拟通信系统154 4通信方式通信方式（1）按信号传输的方向和时间可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。4通信方式16（2）按数字信号排序的方式可分为并行通信和串行通信。（2）按数字信号排序的方式可分为并行通信和串行通信。17（3）按通信终端的数量可分为点到点通信、一点到多点通信和多点到多点通信。在两个通信终端之间进行的通信称为点到点通信；一点到多点通信是指一个通信终端对多个通信终端之间进行的通信；而多个通信终端对多个通信终端之间进行的通信即为多点到多点通信。（4）按通信终端的连接方式可分为直联方式和交换方式。直联方式是指各通信终端之间均有直联线路并可直接进行通信的方式；而交换方式则是指通信终端之间没有直联线路，需经过交换设备进行连接的通信方式。（3）按通信终端的数量可分为点到点通信、一点到多点通信和多点18衡量、比较和评价一个通信系统的优劣，必然要涉及系统的各种性能指标。有效性：指系统信息的传输速度。可靠性：指系统信息的传输质量。适应性：指系统使用时的环境条件。经济性：指系统的成本。标准性：指系统的接口、各种结构及协议是否符合国家标准和国际标准。保密性：指系统是否便于加密。维修性：指系统是否维修方便。工艺性：指系统的各种工艺要求。其中最主要的是有效性和可靠性1.2 1.2 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衡量、比较和评价一个通信系统的优劣，必然要涉及系统的各种性能191.2.1 1.2.1 比特与码元比特与码元1 1比特比特 比特(bit，可简写为b)是信息量的单位，而信息量又是信息多少的一种量度。2 2码元码元 携带信息的数字单元称为码元。在数字信道中传递的数字信号的一个波形符号就是一个码元。它可能是二进制的，一个码元对应1 bit的信息量；也可能是多进制的，例如，在数字调相的八进制相移键控(8PSK)中，一个八进制码元所携带的信息量为3 bit。1.2.1 比特与码元201.2.2 1.2.2 有效性指标有效性指标 在数字通信系统中，有效性指标主要以信息传输速率、符号传输速率和频带利用率来描述。传输速率和频带利用率越高，表示系统的有效性越好。1 1信息传输速率信息传输速率 信息传输速率又称比特速率，是指数字通信系统在单位时间内传送的比特数，单位为bit/s、b/s(比特/秒)或kbit/s、kb/s(千比特/秒)，或Mbit/s、Mb/s(兆比特/秒)，或Gbit/s、Gb/s(吉比特/秒)等。有时也用bps(bit per second)作为比特速率的单位，它与b/s是等价的。1.2.2 有效性指标212 2符号传输速率符号传输速率符号传输速率又称码元速率，是指数字通信系统在单位时间内传输的码元数应注意，码元速率仅表征单位时间内传输的码元数，而没限定此时的码元是何种进制。根据码元速率的定义，对于长度为T秒的单个码元有如果一个数字通信系统传送的是M进制码元，则该系统的码元速率 与比特速率 之间的关系为：显然，对于二进制系统，信息传输速率和码元传输速率在数值上相等。2符号传输速率223.3.频带利用率频带利用率在比较不同通信系统的有效性时，不能只衡量其传输速率，还要考虑所占用的频带宽度B，这是因为两个传输速率相同的系统其传输效率并不一定相同。所以，真正衡量通信系统的有效性指标是频带利用率，亦即单位频带内的传输速率，以 表示，其定义为3.频带利用率231.2.3 1.2.3 可靠性指标可靠性指标 数字通信系统中的可靠性指标主要以传输差错率来描述。差错率通常用误码率或误比特率来表示。差错率越大，表示系统可靠性越差。1 1误码率：误码率：指在传输的码元总数中发生差错的码元数所占的比例2 2误比特率：误比特率：又称比特差错率，是指在传输中发生差错的比特数占传输总比特数的比例1.2.3 可靠性指标241.3 1.3 数字通信的特点及发展数字通信的特点及发展1.3.1 1.3.1 数字通信的特点数字通信的特点1 1主要优点主要优点（1）抗干扰能力强，无噪声积累（2）便于加密，提高安全性（3）便于与现代技术相结合（4）通信设备便于集成化、小型化、智能化（5）差错便于控制，（6）便于实现各种通信综合业务2 2主要缺点主要缺点 (1)占用频带宽 (2)需要严格的同步系统 1.3 数字通信的特点及发展25本章小结本章小结信息是指对受信者有一定意义的某一有待传递、交换、提取或存储的内容，是客观世界和主观世界共同作用的产物。而信号就是携带信息的载体，信息是依靠信号进行传递和交流的。因此，通信就是信息的交流，它包括了信息的发送、传递和接收等3个环节。一个通信系统应包括信源、变换器、信道、反变换器、信宿及噪声源等6个部分。对传递数字信号的数字通信系统来说，变换器包括编码器和调制器，反变换器包括解调器和译码器。通信系统可以按通信业务、传输信道及信道中所传输信号的类型等方法进行分类。通信方式是指通信各方之间的工作形式和信号在信道中传输方式。按信号传输的方向和时间可分为单工通信、半双工通信和全双工通信；按数字信号排序的方式可分为串行通信和并行通信，等等。衡量数字通信系统优劣的两项最主要指标是有效性和可靠性。有效性指标主要以信息传输速率、符号传输速率和频带利用率来描述，传输速率和频带利用率越高，表示系统的有效性越好；可靠性指标主要以传输差错率来描述，通常用误码率或误比特率来表示，差错率越大，表示系统可靠性越差。数字通信具有抗干扰能力强、无噪声积累，便于加密，便于与现代技术融合，设备便于集成化、小型化、智能化，差错便于控制和便于实现各种通信综合业务等优点，但同时也存在占用频带宽和需要严格的同步系统的不足。简单叙述了数字通信的发展概况和发展趋势。本章小结26