數(shù)字通信原理沈忠良講師理工大學(xué)通信工程學(xué)院無線通信教研中心聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信教研室課程名稱：數(shù)字通信原理PrinciplesofDigitalCommunications課程地位：必修/考試課、專業(yè)基礎(chǔ)課、核心課程學(xué)時數(shù)：60教學(xué)對象：本科通信兵合訓(xùn)課程概況2課程概況先修課程：《高等數(shù)學(xué)》、《線性代數(shù)》、《信號與系統(tǒng)》、《電路基礎(chǔ)》、《電子線路》等教材：(1)《通信原理》沈越泓、高媛媛、魏以民編機械工業(yè)出版社參考書：(1)《通信原理教程》樊昌信編電子工業(yè)出版社(2)《現(xiàn)代通信系統(tǒng)——使用MATLAB》J.G.Proakis,M.Salehi著，劉樹棠譯西安交通大學(xué)出版社(3)《通信原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)及習(xí)題解答》高媛媛、沈忠良、魏以民編學(xué)習(xí)要求：預(yù)習(xí)、聽課、筆記、作業(yè)、復(fù)習(xí)3課程概況章節(jié)內(nèi)容講授/次1緒論22數(shù)學(xué)基礎(chǔ)53信道14數(shù)字基帶信號傳輸65正弦載波數(shù)字調(diào)制56模擬信號的數(shù)字傳輸47差錯控制編碼48同步原理3合計30課時的分配4第1章緒論5第1章緒論

引言1.1通信系統(tǒng)的組成1.2通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3信息及其度量1.4主要性能指標(biāo)1.5通信發(fā)展簡史6引言2、通信意義：通信與傳感技術(shù)、計算技術(shù)緊密結(jié)合，構(gòu)成現(xiàn)代社會的“神經(jīng)中樞”。通信技術(shù)已成為推動人類社會文明、進步與發(fā)展的巨大動力。1、通信概念：信息的傳遞過程稱為通信.本課講述以電信號為信息載體的通信方式。71.1通信系統(tǒng)的組成1.1.1通信系統(tǒng)一般模型信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲源通信系統(tǒng)的一般模型完成信息傳遞所需的通信設(shè)備和傳輸媒質(zhì)組成通信系統(tǒng)。信息的產(chǎn)生地；原始電信號，稱基帶信號；電話機、攝像機、計算機等。將原始基帶信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴?/p>

傳輸信號的物理媒質(zhì)

信道中的噪聲及分布在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示

傳輸信息的歸宿點，將接收設(shè)備恢復(fù)出的原始基帶電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息

從混有噪聲的信號中恢復(fù)出原始的電信號81.1.2模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.模擬與數(shù)字信號模擬信號:數(shù)字信號:信號中表示信息的參數(shù)只在有限的集合中取值，其狀態(tài)是可數(shù)的。時間上未必離散。信號中表示信息的參數(shù)（如波形的振幅、頻率、相位，脈沖的寬度等）在連續(xù)區(qū)間中取值，其狀態(tài)是不可數(shù)的。時間上未必連續(xù)。91.1.2模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.模擬與數(shù)字信號O(a)(b)OPAM信號亮度信號ovt模擬信號波形：(a)連續(xù)信號；(b)抽樣信號10數(shù)字信號波形：(a)二進制波形；(b)2PSK波形1.1.2模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.模擬與數(shù)字信號112.模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)：是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。1.1.2模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信息源發(fā)送設(shè)備信道受信者噪聲源接收設(shè)備12受信者發(fā)送設(shè)備信源編碼器加密器信道編碼器調(diào)制器信息源信道噪聲源接收設(shè)備信源譯碼器解密器信道譯碼器解調(diào)器模擬信號數(shù)字信號減少信號中的冗余以提高有效性信息加密可選件使信息帶有規(guī)律性，以減少誤碼概率增加冗余以提高可靠性可選件頻譜搬移，以適應(yīng)頻帶傳輸要求基帶傳輸無需此模塊1.1.2模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型3.數(shù)字通信系統(tǒng)模型134.數(shù)字通信特點缺點：占據(jù)更多帶寬由壓縮編碼及寬帶信道解決1.1.2模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型優(yōu)點：抗干擾能力強,允許信號失真,接力通信時無噪聲積累；差錯可控，可采用糾錯編碼技術(shù)降低誤碼率；數(shù)字信號易于加密處理，保密性強；便于存儲、交換、處理及和計算機等設(shè)備連接；

語音、圖像、文字、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)可以變換成統(tǒng)一的數(shù)字信號在同一個網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸、交換和處理。易于集成化，體積小，成本低。141.2通信系統(tǒng)分類與通信方式按通信業(yè)務(wù)分：語音通信，視頻通信，數(shù)據(jù)通信等1.2.1通信系統(tǒng)的分類按調(diào)制方式分：基帶通信，頻帶通信按信號特征分：模擬通信，數(shù)字通信按傳輸媒質(zhì)分：有線通信，無線通信按工作波段分（主要針對無線通信）：長波、中波、短波、超短波、微波等按信號復(fù)用方式分（主要針對無線通信）：頻分復(fù)用通信，時分復(fù)用通信，碼分復(fù)用通信，空分復(fù)用通信等。15調(diào)制方式用途連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)幅AM廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻率鍵控PSK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖調(diào)制脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測脈寬調(diào)制PDM（PWM）中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM民用、軍用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話表1-1常見的調(diào)制方式16頻率時間碼FDMTDMCDM三種復(fù)用方式17頻率范圍波長符號傳輸媒質(zhì)用途3Hz-30kHz104-108m甚低頻VLF有線線對長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距離導(dǎo)航、時標(biāo)30-300kHz103-104m低頻LF有線線對長波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz-3MHz102-103m中頻MF同軸電纜中波無線電幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電3-30MHz10-102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播定點軍用通信、業(yè)余無線電30-300MHz1-10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航300MHz-3GHz10-100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達3-30GHz1-10cm超高頻SHF波導(dǎo)厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達30-300GH1-10mm極高頻EHF波導(dǎo)毫米波無線電雷達、微波接力、射電天文學(xué)107-108GHz310-5-310-4cm紫外可見光紅外光纖激光空間傳播光通信表1-2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)181.2.2通信方式1.按消息傳遞的方向與時間關(guān)系分：單工、半雙工及全雙工通信三種方式。單工通信：是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑虼酥徽加靡粋€信道。191.2.2通信方式半雙工通信：是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進行收和發(fā)的工作方式。201.2.2通信方式全雙工通信：是指通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式。21并行通信：數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸。例：PCI總線高速，短距離發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備D0:{10011…}D1:{01001…}D2:{11100…}D3:{10001…}發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備D:{10110110001010001101…}串行通信：數(shù)字序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸。例：USB總線應(yīng)用更廣泛1.2.2通信方式2.按數(shù)字信號排列順序分：并行傳輸和串行傳輸。2223信息是有度量的明天是陰天信息量不大明天要下暴雨信息量較大明天要下暴雨刮臺風(fēng)信息量更大1.3信息及其度量241.3信息及其度量1.信息量只有消息中的不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息，所以信息量就是對這種不確定性的定量描述。信息量：信息的多少，就是對消息中不確定性內(nèi)容的度量,單位是比特(bit).信號是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。251.3信息及其度量信息量的計算事件的不確定程度，可以用其出現(xiàn)的概率來描述，某離散消息X發(fā)生的概率為P（X），其所攜帶的信息量為：說明：a=2時，單位為比特（bit）；a=e時，單位為奈特（nit）；a=10時，單位為十進制單位，叫哈特萊。261.3信息及其度量例2對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，即信源是無記憶的，求傳送M進制波形之一的信息量。

例1設(shè)二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個輸出符號的信息含量為M=2k

271.3信息及其度量2.信源的熵信息源各符號平均信息量，bit/符號(bit/sym)當(dāng)信源中每個符號等概獨立出現(xiàn)時，熵有最大值：281.4信息及其度量解：符號等概，熵的計算簡化為每符號信息量：故該消息的總信息量：bits例3一離散信源由0，1，2，3四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率相等，每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。已知一消息序列由57個符號組成。求該消息的熵。(2)求該消息的信息量。bits/符號291.3信息及其度量例4一離散信源由0，1，2，3四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3／8，1／4，1/4，1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息2010,2013,02l3,0012,0321,0l00,32l0,l002,3102,0020,1031,2032,1001,202l,0的信息量。解：此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，共有57個符號，故該消息的信息量為若用熵的概念來計算bits/sym

則該消息的信息量bits

30311.4通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要指標(biāo)：有效性和可靠性有效性：是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。可靠性：是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。結(jié)論：這兩個問題相互矛盾而又相對統(tǒng)一，通常還可以進行互換。321.4.1模擬通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性:用頻帶利用率來度量。可靠性:用接收端輸出信噪比來度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。如調(diào)頻信號抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。如SSB只用一半的帶寬與AM傳輸同樣的消息331.4.2數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性:碼元速率、信息速率及頻帶利用率可靠性：誤碼率、誤信率34碼元傳輸速率：每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，通常用RB表示。單位：碼元/秒；符號/秒；波形/秒；波特（baud），用符號“B”表示。T碼元寬度(碼元間隔)T二進制(0、1)四進制(0、1、2、3)碼元速率與進制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元寬度T有關(guān)1.4.2數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)35信息傳輸速率：每秒鐘傳遞的信息量，通常用Rb表示；單位：比特/秒（bit/s）bit/s等概傳輸時bit/s1.4.2數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)36頻帶利用率：比較不同通信系統(tǒng)的有效性時，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占用信道的頻帶寬度。所以，真正衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率的應(yīng)當(dāng)是單位頻帶內(nèi)的碼元或信息傳輸速率，即B/Hzb/s/Hz1.4.2數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)37差錯率：衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸消息可靠程度的重要指標(biāo)，包括誤碼率及誤信率。誤碼率Pe：指錯誤接收的的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例Pe=錯誤碼元數(shù)/傳輸碼元總數(shù) 誤信率Pb：又稱誤比特率，指錯誤接收的信息量在信息總量中所占的比例Pb=錯誤比特數(shù)/傳輸總比特數(shù) 一般，Pe＞

Pb，在二進制中有Pb=Pe1.4.2數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)381.4.2數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)例：某二進制系統(tǒng)1分鐘傳送了18000bit信息。問：(1)其碼元速率和信息速率為多少?(2)若改用8進制傳輸，則碼元速率和信息速率為多少?例：國際莫爾斯電碼用點和劃的序列發(fā)送英文字母，點用持續(xù)1單位的電流脈沖來表示，劃用持續(xù)3單位的電流脈沖來表示，且劃出現(xiàn)的概率是點的1/3。求(1)點和劃的信息量(2)信源的熵391.5通信發(fā)展簡史數(shù)字通信發(fā)展過程中具有里程碑意義的事件：1、1837年，莫爾斯發(fā)明有線電報2、1873年，麥克斯韋提出電磁場理論3、1875年，EmileBaudot發(fā)明了定長電報編碼方法4、1876年，貝爾發(fā)明了有線電話5、1900年，發(fā)明了電子管6、1924年，奈奎斯特給出了給定帶寬的電