数字通信技术课件

2,内容,§1.1 通信系统的组成和分类 §1.2 数字通信系统及主要组成 §1.3 数字通信的主要特点 §1.4 数字通信系统的主要性能指标 §1.5 本课程的内容 参考书目,3,要求,1理解数字通信系统的组成及其功能 2理解数字通信系统中的关键技术 3了解数字通信的主要特点及发展趋势,§1.1 通信系统的组成和分类,5,一、通信系统的概念,通信的最终目的是为了有效和可靠地传递和交换信息。 信息可以有多种多样表现形式，如语音、文字、数据、图像等。 传递或交换信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。,6,二、通信系统的组成,7,二、通信系统的组成,1. 信源和收信者（信宿） 信源(information source)是发出信息的源，是产生消息的机构，消息(message)中包含着信息(information)，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、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。 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。 信宿是传输信息的归宿点。,8,二、通信系统的组成,2. 发送设备 发送设备的基本功能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，送往传输媒介。 变换方式是多种多样的。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。 发送设备还包括为达到某些特殊要求而进行的种种 处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等等。,9,二、通信系统的组成,3. 传输媒介（信道） 信道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。,10,二、通信系统的组成,4. 接收设备 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等等。 它的任务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，实现正确分路。,11,二、通信系统的组成,讨论 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。 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。 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（FDD）、时分双工（TDD）等。,12,三、通信系统的分类,13,三、通信系统的分类,按信道形式,§1.2 数字通信系统及主要组成,15,一、数字通信定义,数字通信的定义：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目的：在尽量节省资源（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有效性和可靠性。,16,二、数字通信系统的组成,17,二、数字通信系统的组成,1. 信源编码与解码 在数字通信系统中，信源编码的作用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，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恢复。,18,二、数字通信系统的组成,2. 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。 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。 在接收端对接收到的数字序列进行解密，恢复明文。,19,二、数字通信系统的组成,3. 信道编码与解码 信道编码的目的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。 差错控制编码：在发送端适当增加信号的冗余度,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。 实现差错控制编码的方式：线性分组码 循环码、汉明码、格雷码、BCH码、RS码、 LDPC码；卷积码；级联码 普通级联码、Turbo-码。,20,二、数字通信系统的组成,4.调制与解调 调制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。 数字调制技术分为：ASK、FSK、PSK、CPM，以及它们的各种组合。,21,二、数字通信系统的组成,4.调制与解调(续) 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。 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。,22,二、数字通信系统的组成,5. 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。,23,二、数字通信系统的组成,6. 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）。 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。,24,二、数字通信系统的组成,实际信道种类 有线信道：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。 光缆信道：如光纤通信，其主要特点：带宽宽，噪声、干扰小。 无线电磁信道：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。 水下声波信道：如声纳通信，其主要特点：频率低，衰减大。,25,二、数字通信系统的组成,对抗信道畸变或噪声的方法 增大信号发送功率 设法消除或补偿信道引起的信号失真，采用均衡、分集技术 采用适当的信号设计技术 采用信道编码技术 采用扩频技术,26,二、数字通信系统的组成,7. 同步 位（比特）同步 载波同步 帧同步 网同步,§1.3 数字通信的主要特点,28,数字通信的主要特点,可以通过信源编码技术消除冗余，降低信源输出的数据速率； 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，提高传输的可靠性； 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；,29,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； 便于利用通信协议组网； 便于实现多媒体通信。,数字通信的主要特点,§1.4 数字通信的主要性能指标,31,主要性能指标,有效性：在给定信道内能传输的信息内容的多少，主要性能指标是传输速率、频带利用率。 可靠性：接收信息的准确程度，主要指标是误码率。 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。,32,一、传输速率,码元传输速率（RS） 简称传码率或波特率，表示单位时间（每秒）内传输的码元（符号）个数，单位为波特（Baud）记为B。 信息传输速率（Rb） 简称传信率或比特率，表示单位时间（每秒）内传送数据信息的比特数，单位为比特秒（bit/s）。,33,一、传输速率,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。 对N进制传输时，其码元传输速率和信息速率可以通过公式来换算：,34,二、频带利用率,(Baud/Hz),对二进制传输时可表示为,(bit/s/Hz),35,三、可靠性指标,误比特率：在传输过程中发生的错误比特个数与传输的总比特数之比 误码元率：在传输过程中发生的错误码元个数与传输的总码元数之比,36,四、性能极限,Shannon定理：如果信息源的信息速率Rb小于或者等于一个所谓的信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信息源能够以任意小的差错率通过信道传输。 如果 RbC，则没有任何办法传输这样的信息，或者说传输二进制信息的差错率为12。 信道容量C是信道的极限传输能力。,37,四、性能极限,信道容量公式 在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率C，由Shannon公式确定：,其中， B是信号占用的信道带宽，S是信号功率， N是噪声功率。n0是噪声功率谱密度。,38,四、性能极限,1. 信道容量极限讨论 n0=0 或 S = ，均能使C = 。 n0=0意味着无噪声，S = 意味着发送功率要达到无穷大。 要提高信道容量C，则应减小噪声或者提高发射功率。,39,四、性能极限,2.信道容量与带宽B的关系 B=0， C=0，无法传输信息。 信道容量极限：信道带宽B趋于无穷大，信道容量C趋于一个定值，该定值称为信道容量极限。,40,四、性能极限,3.频带利用率极限 当 Rb =C 时，由Shannon公式得： 上式为系统可能的最高频带利用率，即频带利用率极限。,41,四、性能极限,4.带宽与信噪比互换关系 当信道容量C 保持不变时，带宽B与信噪比可以进行互换。 带宽较小的改变将会导致信号功率较大的改变。 带宽和信号功率的互换，通常可由编码和调制来实现。,42,四、性能极限,5.归一化信道带宽与信噪比关系,§1.5 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、文字并茂； 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； 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。,一、通信的要求,45,概述 语音编码技术 图像编码技术 信道编码技术 数字调制技术 同步技术,二、本课程的内容,均衡技术 分集技术 扩频通信技术 数字复接技术 光波调制复用技术 多址通信技术,46,教材与参考书,教材： 数字通信技术. 张杭 等编著.人民邮电出版社 2008 参考教材： （1）通信原理. 沈越弘等编著 机械工业出版社 2004 （2）数字通信基础与应用（第二版）. Bernard Sklar著，徐平平 宋铁成 叶芝慧等译电子工业出版社, 2004 （3）现代通信原理. 曹志刚 钱亚生. 清华大学出版社，1992 （4）现代通信技术. 陈显治. 电子工业出版社，2001,47,教材与参考书,（5）现代通信理论与技术导论. 张德纯等. 西安电子科技大学出版社 2004 （6）数字移动通信. 郭梯云 杨家玮 李建东. 人民邮电出版社 1995 （7） 扩频通信. 查光明 熊贤祚. 西安电子科技大学出版社 1990 （8）光同步数字传送网（修订本）. 韦乐平. 人民邮电出版社，1998 （9）现代光纤通信与网络教程.张宝富 刘忠英 万谦. 北京：人民邮电出版社，2002,48,作业与思考题,1.1 画出 “数字通信系统”组成框图并简述各组成部分的功能？ 1.2 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2048KB， 连续传2个小时后，接收端收到的错误码元个数为1000个，求误码率。 1.4 已知电话信道的带宽为3.4kHz，试求： （1）接收端信噪比S/N=30dB时的信道容量。 （2）若要求该信道能传输4800b/s的数据， 信道带宽是传输速率的两倍，则接收端要求最小信噪比S/N为多少dB。,谢 谢！,