数字通信技术及应用--模块一

当M=2（二进制）时，P(xi)=1/M=1/2，则 1 1 I(xi)=log2 P =log2 1 / M =log2M=log22=1bit ( x) i 即对于等概的二进制波形，每个符号（码元）所包 含的信息量为1bit。 当M=2N（M进制）时，P(xi)=1/M=2-N，则 I(xi)=-log2P(xi)=log2M=log22-N=Nbit 即对于等概的M进制波形，每个符号（码元）所包 含的信息量为Nbit，是二进制的N倍。 三、离散独立非等概消息的信息量：若某消息集由M个可能 的消息组成，每次只取其中之一，各消息之间相互统计 M 独立，且出现概率不相等，且 I= - P(xi)=1，则这类 i 1 消息为离散独立非等概消息。 根据信息量相加的概念，则该类消息的信息量为
2.可采用信道编码技术，降低传输误码率。 3.便于与各种数字终端接口连接，可用计算机技术对数 字信号进行处理、变换、存储，形成智能网络。 4.便于实现加密处理，通信保密性强。 5.便于集成化，使通信设备微型化，降低成本。而且有 体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点。
二、缺点 1.占用频带宽。
不过随着频带压缩技术的应用和光纤等大容量宽带
传输媒介 信源 发送设备 信道 接收设备 信宿
发送端
噪声源
接收端
数字通信系统的一般模型
下面我们对以上内容分别进行描述
一、信源：原始电信号的来源。 它是把原始消息转换成原始电信号，这样的电信号通常称 为基带信号。如话筒、摄像机等。 二、发送设备：许多电路和系统的总称。 它主要是把信号放大和变换(编码、调制等)。 三、信道：用于在发送设备和接收设备之间传输信号的媒质。 它分为有线信道(同轴电缆、光纤等)和无线信道(大气、 真空、海水等)两大类。 信道是噪声(干扰)集中加入之处。 四、噪声源：不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及 信道中噪声与干扰的集中表示。 五、接收设备：对带有干扰的接收信号进行必要的处理和变换(解 调、解码等)，从中正确恢复出相应的原始信号。 六、信宿：信息传输的归宿点或通信系统的终点。 它是完成电量到非电量的变换。如扬声器、显像管、计算机等。
将带宽与传输速率相联系，可以更好地考虑系统有效性。
1.3.3 可靠性指标 是指接收信息的准确程度,在模拟通信系统中主要用 信噪比来衡量；在数字通信系统中一般用差错率来衡量， 具体指标有误码率、误信率。 一、误码率(Pe)：是指码元在传输过程中被传错的概率， 即在传输码元总数中发生差错的码元数所占的比例。它 是多次统计结果的平均量，所以指的是平均误码率,则 错误接收码元数 n P lim e 有 N 传输总码元数 N 二、误信率(Pb)：又称误比特率，是指码元在传输过程中 其信息量丢失的概率，即在传输比特总数中发生差错的 比特数所占的比例。它是多次统计结果的平均量，所以 综上所述：有效 指的是平均误码率，则有 性和可靠性相互
1.5.1 通信发展简史 1.5.2 通信的种类 1.5.3 通信技术发展趋势
模块一
初识数字通信
1.1 通信基本概念 通信技术中常涉及“通信”、“消息”、“信息”、“ 信号”这四个术语，它们之间既有联系又有区别。 一、通信：信息（消息）的传输和交换过程。 我们一般所说通信是指电信，即以语言、图像、数据为 媒体，通过电 或光 信号由一方传输到另一方。
矛盾，提高有效 性就会降低可靠 对于二进制:Pb=Pe，对于多进制:Pb﹤ Pe。因此,传 性，反之亦然。
Pb 错误接收比特数 传输总比特数
输可靠性考虑,二进制比多进制好。
1.4 数字通信的特点
一、优点 1.抗干扰能力强，可消除噪声积累，通过中继再生，适 于远距离传输。 模拟通信系统的噪声累加随着传输距离的增加而 增加，输出信噪比越来越小，差错率就越大。 数字通信系统的信息包含在脉冲的有无之中，通 过再生判决恢复原始数据，消除了噪声积累，抗干扰 能力强。
数字通信技术及应用
制作：程占杰
2016.01.
目
录
1.1 通信基本概念 1.2 数字通信系统组成
1.2.1 通信系统的一般模型 1.2.2 数字通信系统模型
1.3 数字通信系统性能指标
1.3.1 信息量 1.3.2 有效性指标 1.3.3 可靠性指标
1.4 数字通信的特点 1.5 通信技术发展现状与趋势
1 I (xi) log log ) a a P(xi P(xi)
信息量的单位取决于对数所取的底，若以2为底， 单位为比特(bit) ，以e为底，单位为奈特(nat)，以10 为底，单位为哈特莱(Hartley) ,通常取比特为单位。 从信息量的定义可以看出，信息量是消息出现概率 的函数，消息出现的概率越小，所包含的信息量越大； 若某消息由若干个独立消息组成，则该消息所包含的信 息量是每个独立消息所含信息量之和。 二、离散独立等概消息的信息量：若某消息集由M个可 能的消息组成，每次只取其中之一，各消息之间相互统 计独立，且出现概率相等，P(xi)=1/M，则这类消息为离 散独立等概消息。
RB=1/TB
码元是携带信息的基本数字信号单元。它可以是二 进制，也可以是多进制。
式中TB为码元持续时间。
二、传信率(Rb)：又称信息速率、比特率，指系统在单位 时间传送信息量的多少，单位是比特/秒(bits/s)。
传信率和传码率具有不同的定义，又有确定的关系: 1.当传输的码元等概时，对于二进制来说，则有 RB2=Rb2 ，即数值 相等，但单位却不同。对于多(M)进制来说，则有RbM = RBMlog2M。 2.当传输的码元非等概时，则有Rb=RBH(x)。
通信发展简史(3)
1.2.2 数字通信系统模型 通信系统按传输信号类型可分为模拟通信系统( 利用模拟信号来传递信息)和数字通信系统(利用数字信 号来传递信息) 。
如将前面通信系统的一般模型的发送端和接收端进 一步分解，可构成如下通信系统模型框图：
发送端
信源
信源编码
同步
加密
信道编码
数字频带调制 信 道 噪 声
接收端
信宿
1.3 数字通信系统性能指标 通信系统的性能指标涉及通信的有效性、可靠性、 标准性、经济性等方面。 在此之前，我们先要理解信息的度量问题。
1.3.1 信息量 信息是消息中包含的有意义或有效的内容，信息包 含在消息之中。 不同消息包含的信息量不同，不同 受信者从同一消息中所获得的信息量也不同，从而需要 对信息进行度量。下面仅分析离散消息的信息量。 一、信息量定义：衡量某消息中包含信息多少的物理量。 在通信领域，信息量指将信息用符号表示后符号的数量。 对于离散消息，其定义为：若一离散消息xi出现的概率 P(xi)，则这一消息所含的信息量为：
三、调制：基带信号在无线信道中不能直接传输，必须经 过调制。调制是将数字基带信号转换成适于信道传输的 数字频带信号。
四、噪声：分为系统内部噪声和系统外部噪声。它对通信 是有害的，必须通过改善传输媒质性能和信道编码等措 施来加以克服。 五、同步：它是使收发两端的信号在时间上保持步调一致， 是保证数字通信六、数字复接：它是依据时分复用基本原理把若干个低速 数字信号合并成一个高速的数字信号，以增大传输容量 和提高传输效率。
传输线路的发展，这一缺点将逐步得到克服。
2.同步技术要求高。
在数字通信系统中，接收方要能正确地解调发送方
的信号，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到
信息码组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，因 而系统设备复杂。
1.5 通信技术发展现状与趋势 1.5.1 通信发展简史
通信发展简史(1)

由此可见，在码元速率相同的情况下，多进制速率比二进制 速率高；在信息速率相同的情况下，多进制速率比二进制速率低。 因此，从传输有效性方面考虑，多进制比二进制好。
三、频带利用率(ηB、ηb)：是指通信系统在单位频带内 所能达到的传码率或传信率，它反映了系统对频带资源 的利用水平。其定义式如下： η B=RB/B (Baud/Hz) η b=Rb/B (Bit/s·Hz) 式中B为信号传输占用的频带宽度。
I= - nilog2P(xi)bit i 1
但是，当消息很长时，用符号出现概率和次数来计 算信息量比较麻烦，此时可用信源熵的概念来计算。 四、信源熵：是指信源符号集中每个符号所包含信息量的 统计平均值。则有 M H(x)= - P(xi)log2P(xi)bit i 1 当信源中每个符号等概率独立出现时，信源熵有最 大值。等概时P(xi)=1/M ，因此 H(max)= log2M 若某符号集的熵为H(x)，则当符号集发送m个符号组 成一则消息时，所发送的总信息量为 M I=mH(x)= - m P(xi)log2P(xi)bit



1838年, 1864年, 兹证明, 1876年, 1879年, 1880年, 1896年, 1907年, 1915年, 1918年,
摩尔斯发明有线电报,开始了电报通信阶段 麦克斯韦创立了电磁辐射理论,并被当时的赫 促使了后来无线通信的出现 贝尔利用电磁感应原理发明了电话 第一个专用人工电话交换系统投入运行 第一个付费电话系统运营 马可尼发明无线电报 电子管问世, 通信进入电子信息时代 横贯大陆电话开通; 实现越洋语音连接 调幅无线电广播、超外差式接收机问世
i 1
M
1.3.2 有效性指标 有效性即信息传播的速度，是指传输一定信息量 时所占用的信道资源数。在模拟通信系统中主要用带宽 来衡量；在数字通信系统中一般用信号的传输速率来衡 量，具体指标有传码率、传信率 和频带利用率。
一、传码率(RB)： 传码率又称码元速率、波特率，指系统在单位时 间内传送码元数目的多少，单位是码元/秒，又称波特 (Baud)。则有
消息的核心是信息
通
信号里搭载的是消息
信
通信传输的是信号
在通信系统中形式上传输的是消息，但实质上传输的是信 息。消息只是表达信息的工具、载荷信息的客体。
1.2 数字通信系统组成
1.2.1 通信系统的一般模型 通信系统---完成信息传送的一系列技术设备 及传输媒质构成的总体。即数字信号从一端(点)到 另一端(点)交换和处理过程的系统，通常由发送端 、传输媒介、接收端三大部分构成，如下图：
通信发展简史(2)

1925年, 开通三路明线载波电话, 开始多路通信


1936年, 调频无线电广播开播
1937年, 雷沃斯发明脉冲编码调制,奠定了数字通信的 基础 1938年, 电视广播开播 20世纪40年代二战期间, 雷达与微波通信得到发展



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
二、消息：信源所产生的信息的物理表现形式,是我们感 觉器官所能感知的语言、文字、图像、数据等的统称。
它分为离散消息和连续消息。
离散消息---如文字、符号、数据等消息状态是可数的 或有限的。 连续消息---如语音、图像等消息状态是连续变化的。
三、信息：消息的内涵，即消息中所包含的对受信者 （信宿）有意义的内容。 四、信号：消息的物理载体。它分为模拟信号和数字信号。 它们之间的关系如下
信源解码
解密
信道解码
数字频带解调
下面我们对以上内容分别进行描述
一、信源编码：信源产生的信号绝大多数是模拟信号，信 源编码的功能有两个： 1.模数转换。常用的转换方法有脉冲编码调制(PCM)技术 是为了提高数字 、增量调制(ΔM)技术、自适应差值脉冲编码调制 通信的有效性以 (ADPCM)等。 及实现A/D转换而 2.提高消息传输的有效性。它是通过数据压缩降低数字信 采取的编码 号的数码率来实现的。 在某些系统中，信源编码还包括加密功能，即在压 缩后进行保密编码，以提高数字信息传输的安全性。 二、信道编码：它有两个功能： 为了降低误码 1.实现可靠通信。对传输的信息码元按一定的规则加入监 率，提高数字 督码元，组成“抗干扰编码”，提高抗干扰能力。 通信可靠性而 采取的编码 2.进行码型变换。为了使信源编码后的数字信号更适合于 在信道上传输。