数字通信原理第一章

第1章绪论第1章绪论1.1通信的发展1.2通信的概念1.3通信系统1.4信息论基础1.5通信系统的主要性能指标第1章绪论1.1通信的发展1.1.1通信发展简史1838年，摩尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段1864年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论1876年，贝尔利用电磁感应原理发明了电话1888年，赫兹用实验证明电磁理论，促使后来无线通信的出现1896年，马可尼发明无线电报1937年，雷沃斯发明脉冲编码调制，奠定了数字通信基础1946年，第一台数字电子计算机问世1947年，晶体管在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件1948年，香农提出了信息论，建立了通信统计理论1961年，发明集成电路20世纪80年代，计算机局域网出现20世纪90年代，蜂窝电话系统开通第1章绪论第1章绪论1.1.2通信技术的发展与展望电缆通信（有线）微波中继通信（无线）光纤通信（有线）卫星通信（无线）移动通信（无线）第1章绪论目前广泛应用的是第二代移动通信系统，采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)数字接入技术，标准有欧洲的GSM系统、美国的IS-95系统、日本的PDC系统。我国主要采用的是欧洲的GSM系统。第三代移动通信系统（3G）是向未来个人通信发展的一个重要阶段，具有里程碑和划时代的意义。第1章绪论1.2通信的概念1.2.1通信的定义通信(Communication)就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。第1章绪论1.2.2通信的分类1.按传输媒质的不同，通信可分为有线通信和无线通信。有线通信特点是媒质能看得见，摸得着。无线通信特点是传输媒质看不见、摸不着。第1章绪论2.按信道中传输的信号分类模拟信号是指信号的某一参量有无限个取值。数字信号是指信号的某一参量只有有限个取值。参量可以是连续波的振幅、频率、相位或是脉冲波的振幅、宽度、位置等。第1章绪论3.按工作频段分类根据通信设备的工作频率不同，可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。通信中的工作频率和工作波长可互换，公式为fC(1-1)式中,λ为工作波长；f为工作频率；C为电波在自由空间中的传播速度，通常认为C=3×108m/s。第1章绪论4.按调制方式分类根据消息在送到信道之前是否采用调制，通信可分为基带传输和频带传输。基带传输：信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的通信方式；频带传输：信号经过调制后再送到信道中传输，接收端有相应解调措施的通信方式。第1章绪论表1-3常用的调制方式调制方式用途常规双边带调幅AM广播抑制载波双边带调幅DSB立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传线性调制残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真频率调制FM微波中继、卫星通信、广播非线性调制相位调制PM中间调制方式幅度键控ASK数据传输频率键控FSK数据传输相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信连续波调制数字调制其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉冲模拟调制脉位调制PPM遥测、光纤传输脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码脉冲调制脉冲数字调制其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话第1章绪论1.2.3通信的方式1.按消息传送的方向与时间分类按消息传送的方向与时间不同，可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。（a）单工方式；(b)半双工方式；(c)全双工方式第1章绪论2.按数字信号排序分类按照数字信号排列的顺序，分为串序传输和并序传输。串序传输：数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的通信方式；并序传输：数字信号序列被分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输。第1章绪论图1-2按数字信号排序划分的通信方式(a)串序传输方式；(b)并序传输方式第1章绪论3.按通信网络形式分类通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式。(a)两点间直通方式；(b)分支方式；(c)交换方式第1章绪论分支方式及交换方式均属网通信的范畴。无疑，它们和两点间直通方式相比，还有其特殊的一面。例如，网通信中有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等，其中既有信息控制问题，也有网同步问题等，尽管如此，网通信的基础仍是点与点之间的通信。因此，本书只把注意力集中到点与点之间的通信上，而对网通信只限于基础知识介绍。第1章绪论1.3通信系统1.3.1通信系统的模型第1章绪论1.3.2第1章绪论1.3.3数字通信系统1.数字频带传输通信系统第1章绪论2.数字基带传输通信系统与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统。第1章绪论3.模拟信号数字化传输通信系统在日常生活中，大部分信号(如语音信号)为连续变化的模拟信号，要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需进行相反的转换，即D/A转换。第1章绪论1.3.4数字通信的主要优点和缺点1.数字通信的主要优点(1)抗干扰、抗噪声性能好。(2)差错可控。(3)(4)易于与现代技术相结合。第1章绪论2.数字通信的主要缺点数字通信相对于模拟通信来说，(1)频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带较宽。以电话为例，一路数字电话一般要占据约20～60kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4kHz的带宽。(2)需要严格的同步系统。数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求接收端和发送端保持严格同步。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。第1章绪论1.4信息论基础1.4.1“信息”(information)与消息(message)信息：消息中包含的有意义的内容；传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。对接收者来说，事件愈不可能发生，愈会使人感到意外，则信息量就愈大。第1章绪论由概率论可知，事件的不确定程度可用事件出现的概率来描述，事件出现(发生)的可能性愈小，概率愈小；反之，概率愈大。因此，消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关，消息出现的概率愈小，消息中包含的信息量就愈大，且概率为零时(不可能发生事件)信息量为无穷大，概率为1时(必然事件)信息量为0。第1章绪论综上所述，可以得出消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系应反映如下规律：(1)消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数，即I=I［P(x)］(1-2)(2)消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大，反之信息量愈小，即P=1时I=0P=0时I=∞第1章绪论(3)若干个互相独立事件构成的消息，其所含信息量等于各独立事件信息量的和，即)]([)]([])()([2121xPIxPIxPxPI可以看出，I与P(x)间若满足以上三点，则它们有如下关系式：)(log)(1logxPxPIaa(1-3)信息量I的单位与对数的底数a有关：a=2单位为比特(bit，或b)；a=e单位为奈特(nat，或n)；a=10单位为笛特(Det)或称为十进制单位；a=r单位称为r进制单位。第1章绪论【例1.1】试计算二进制符号等概率和多进制(M进制)等概率时每个符号的信息量。解：二进制等概率时，即P(1)=P(0)=1/2(bit)121lb)0()1(IIM进制等概率时，有P(1)=P(2)=…=P(M)=1/M11log)()2()1(MMIIIM(M进制单位)=lbM(bit)第1章绪论【例1.2】试计算二进制符号不等概率时的信息量(设P(1)=P)。解P(1)=P，故P(0)=1-P，则)bit()lb(1)0(lb)0()bit(lb)1(lb)1(PPIPPI可见,不等概率时，每个符号的信息量不同。第1章绪论1.4.2平均信息量平均信息量Ｉ等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率之和。二进制时：)0(lb)0()1(lb)1(PPPPI把P(1)=P符号）/()1()1()1()1(bitPlbPPlbPPlbPPlbPI第1章绪论niinnxPxPxPxPxxx121211)()(),(),(,,且则每个符号所含信息的平均值(平均信息量)])()[()]()[()]()[()]()[(12211niiinnxlbPxPxlbPxPxlbPxPxlbPxPI第1章绪论由于平均信息量同热力学中的熵形式相似，故通常又称它为信息源的熵，平均信息量的单位为bit/符号(比特/符号)。当离散信息源中每个符号等概出现，而且各符号的出现为统计独立时，该信息源的信息量最大。此时最大熵（平均信息量）为lbNlbxlbPxPIniNNniii][])()[(1111max第1章绪论例1.3设由5个符号组成的信息源，其相应概率为161161814121EDCBA试求信源的平均信息量I。解符号）/(875.11641648321211616116161881441221bitlblblblblbI5个符号等概率出现时)/(322.25max符号bitlblbNI第1章绪论【例1.4】一信息源由4个符号A、B、C、D组成，它们出现的概率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求信息源输出为CABACABDACBDAABDCACBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。解：信源输出的信息序列中，A出现23次，B出现14次，C出现13次，D出现7次，共有57个。则出现A的信息量为)bit(11.302357lb23第1章绪论出现B的信息量为)bit(35.281457lb14出现C的信息量为)bit(72.271357lb13出现D的信息量为)bit(18.21757lb7第1章绪论该信息源总的信息量为I=30.11+28.35+27.72+21.18=107.36(bit))/bit(88.15736.107符号符号总数II上面计算中，我们没有利用每个符号出现的概率来计算，而是用每个符号在57个符号中出现的次数(频度)来计算的。第1章绪论实际上，用平均信息量公式(1-5))/bit(90.18lb814lb24138lb83符号I总的信息量为I=57×1.90=108.30(bit)可以看出，本例中两种方法的计算结果是有差异的，原因就是前一种方法中把频度视为概率来计算。当信源中符号出现的数目m→∞时，则上两种计算方法结果一样。当57个符号等概率出现时)/(bi833.557lblbmax符号tNI第1章绪论1.5通信系统的主要性能指标1.5.1一般通信系统的性能指标有效性和可靠性。有效性是指要求通信系统高效率地传输消息。可靠性是指要求通信系统可靠地传输消息。两者是相互矛盾的。第1章绪论1.5.2通信系统的有效性指标1.码元传输速率RB又可称为码元速率、数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率。码元速率是指单位时间(每秒钟)内传输码元的数目，单位为波特(Baud)，常用符号“B”表示(注意，不能用小写)。例如，系统在2s内共传送了4800个码元，则系统的传码率为2400B。码元速率RB与信号的进制数无关，只与码元宽度Tb有关。bTR1B第1章绪论通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制，多进制(N)码元速率RBN与二进制码元速率RB2，在保证系统信息速率不变的情况下可相互转换，转换关系式为RB2=RBN·lbN(B)式中，N=2,3,4…(1-8)第1章绪论2.信息传输速率又可称为信息速率、传信率、比特率等。指单位时间(每秒钟)内传送的信息量，单位为比特/秒(bit/s)，简记为b/s或bps。例如，若某信源在1秒钟内传送1200个符号，且每一个符号