数字通信原理

批准人：年月日通信原理概论教案作业提要课目：数字通信原理概述目的：通过本节课让同志们了解数字通信的基本原理及概念，为下一步训练打下良好的基础。内容：一、数字通信的概念二、数字通信系统的模型及主要特点三、数字通信系统的主要性能指标四、数字通信网的概念实施方法：理论讲解、多媒体演示教学对象：集训队学员时间：20时钟地点：教室要求：1、认真听课，做好笔记；2、严格遵守课堂纪律不做与上课无关的事项；3、大家在上课的过程中要积极思考，积极提问。教学保障：计算机、投影仪各一台作业进程作业准备……………………………………………………3分钟1.准备器材，清点人数；2.宣布作业提要；3.提示科目理论。作业实施……………………………………………………42分钟同志们这节课我们一起来学习数字通信的基本原理。现代通信技术的发展趋势为五化：数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化；而数字化是其它四化的基础。这不仅因为数字化信息具有很高的传输质量，便于加密、纠错、交换和计算机进行处理。而且采用数字技术可使图像、数据、话音等各种连续的和离散日消息都能转换为0和1形式的数字信号，从而综合在一个网内传送和处理，实现不同业务终端之间的互通，为通信业务的多样化和多媒体通信开辟了道路。还使数字传输与数字交换得以综合而实现网络技术一体化；等等。随着学习的深入，同志们就会逐步体会到“电信技术的革命关键在于数字化”这句话的道理。模拟通信必将被数字通信所取代已成为世界各国的共识，面临这一变革。我们本节课的目的在于使同志们对数字通信建立初步的概念，主要介绍以下几个问题：1、数字通信的概念2、数字通信系统的模型及主要特点3、数字通信系统的主要性能指标4、数字通信网的概念一、数字通信的概念现代电子通信，就它的基本技术体制来说，可以氛围两种类型，即模拟通信与数字通信。在讲述什么是模拟通信和数字通信之前，我们需要先对模拟信号与数字信号加以说明。（一）模拟信号与数字信号1、模拟信号大家知道，在通信时，消息是携带在信号的某个参量或某几个参量上的（如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等）。如信号的某个参量可以取无限多个数值并且与消息一一对应则该信号，称为模拟信号。如语声激励话筒而产生的语音信号，电视摄象机输出的亮度信号等。2、数字信号凡某一参量只能取有限个数值的信号，我们称之为数字信号。如早期的电报信号、电传机送出的脉冲信号等。图b是数字信号的波形，其特点是：幅值被限制在有限个数值之内。需要说明的是，模拟信号有时也称为连续信号，因为模拟信号的某一参量可以连续变化（可以取无限多个值）。数字信号有时也称为离散信号，因为数字信号某一参量的去取值是离散的。（二）模拟通信与数字通信通信的目的是为了传递和交换携带信息的信号。根据信道上传输的信号是模拟信号还是数字信号，通信技术体制分为模拟通信和数字通信两类。1、模拟通信通常以模拟信号的形式来传递消息的通信方式称为模拟通信。所以模拟通信系统将按模拟信号传输特点来设计。2、数字通信通常将以数字信号的形式来传递消息的方式称为数字通信。同理，数字通信系统将按数字信号传输的特点来设计。需要强调的是，模拟信号并非一定要在模拟通信系统中才能传输，任何模拟信号都可经模/数转换边为数字信号后，在数字信道中传输。数字电话通信就是以数字方式传输语音模拟信号的例子。同样，数字信号也并非一定要在数字通信系统中才能传输，只要加上相应的数字终端设备，数字信号也可在模拟通信系统中传输。任何一种信息，即可以用模拟方式传输，也可以用数字方式传输，而且不论是模拟通信还是数字通信，在整个通信系统中有较大一部分是共用的。这对了解数模兼容的通信技术是十分重要的。二、数字通信系统模型及主要特点（一）数字通信系统模型及各部分功能信源：其功能是把原始消息变换成原始电信号。常见的信源产生模拟信号的电话机、话筒、摄象机和输出数字信号的电子计算机、电传机、纸带读出机等各种数字终端设备。信源编（译）码：信源编码的功能有二，当信源送来的是模拟信号时，发端的信源编码器要将模拟信号转换为数字信号。信源编码的第二个作用是进行降低信号冗余度的编码，其目的是减少码元数目和降低码元速率，提高传输有效性。这方面的内容我们后面会讲到。信源译码的作用与信源编码相反。例如，信源编码为模数转换器时，信源译码就是数模转换器。信道编（译）码：信道编码又称抗干扰编码或纠错编码。它是将信源编码器输出的数字基带信号人为地按照一定的规律加入多余码元，以便在接收端译码器中发现或纠正码元在传输中的错误，这样可以降低码元传输的概率。初看起来，信道编码增加多余度的作用与信源编码降低多余度的作用互相抵消了。其实不然，因为信源编码中降低的是数字信号中的自然冗余度，它是随机的，因此自然冗余度不能起纠正错误的作用。而信道编码中加入的多余码元是为使数码形成一定规律，从而使接收端能识别并纠正错误。信道译码的作用与信道编码相反。加（解）密器：其作用是对信码进行加（解）密。数字调制（解调）器：将工作在较低频段上的数子基带信号经过调制，将数字基带信号的频带搬移到相应的信道频带上。说明：1、一个实际的数字系统，并非都具备以上所有环节。2、由于数字通信传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号，所以接收端必须有一个与发送端相同的节拍；不然，会因为收发步调不一制而造成混乱，故数字通信系统必须有一个同步问题（二）数字通信的主要特点通过刚才对数字通信系统模型和各部份作用的学习，接下来我们简要介绍一下数字通信的特点。1、抗干扰能力强，无噪声积累在模拟通信中，为了提高信噪比，需要及时对传输信号进行放大（增音），但在放大的同时噪声也被放大，由于模拟信号的幅值是连续的，难以把传输信号与干扰噪声分开，随着传输距离增加，噪声积累也随之增大，从而使传输质量恶化。在数字通信中，由于数字信号的幅度取值只有有限个（通常取0和1两个值），在传输过程中受到噪声干扰时，只要信噪比没有恶化到一定程度（噪声不使判决发生错误），可通过经一段距离再生一次的方法，再生出已消除噪声的原发送信号。由于无噪声积累可实现长距离高质量传输。2、便于加密3、可采用信道编码技术使错误率降低；4、设备便于集成化、微型化；由于设备中大部分电路都是数字电路，而数字电路比模拟电路更容易集成化，可采用大规模和超大规模集成电路，制成体积小、功耗低、成本低、可靠性高、速度快的设备。5、更有利于传输和交换的综合在计算机和程控数字交换技术迅速发展和广泛应用的背景下，数字通信能使传输和程控交换都以数字信号形式进行。这不仅可省去许多设备，而且大大改善男端对端的话音质量。数字交换和数字传输的结合形成了综合数字网（IDN），这将使通信网的建设大为便利和节约，并便于利用计算机对数字信息进行各种处理。6、可兼容数字、电话、电报、数据和图像及各种信息的传输，组成综合业务数字网；数字通信中所有的信号（语音、电报、音乐、数据等）都可以转换为统一形式的二进制数字脉冲，进入IDN进行传输和交换，实现端对端的数字连接，成为综合业务数字网（ISDN）。ISDN可为多种业务共用，因此通信网变得更为灵活和经济高效。在实际应用中还可带来极大的便利。7、占用信道频道宽（缺点）；如：模拟通信一路话占4KHZ，数字电话一路话占十几至几十KHZ；以上列举了数字通信的主要优点，但数字通信也有它的缺点，最主要的一个缺点是占用的信道频带比较宽。我们只举一个例子给出大致的数量概念，以通电话为例，模拟通信中一路话音信号占用的频带为4kHz，而数字电话一般需要十几~~几十kHz的带宽；此外数字通信的设备一般也比模拟通信复杂一些。三、数字通信系统的主要性能指标在设计及评价一个通信系统时，必然涉及通信系统的性能指标问题。通信系统的性能指标包括信息传输的有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、及维护使用方法等等。因为通信的任务是传递信息，从信息传输角度讲，在各项实际要求中起主导的、决定作用的，主要是通信系统传输信息的有效性和可靠性。（一）有效性指标指给定信道和时间内的传输信息的多少，是系统信息数量上的表征；它通常用码元速率RB、信息速率Rb和频带利用率衡量。1、码元速率（RB）码元速率RB也称为传码率，符号传输速率等。定义：码元速率RB是指每秒钟传输码元的数目。单位：为波特（baud）简记为B。2、信息速率（Rb）也称为传信率、比特率。定义：每秒钟传输的信息量。单位：比特/秒，简记为（b/s）3、频带利用率（η）单位频带内的传输速率。（二）可靠性指标是指信道系统传输信息质量上的表征，指的是接收信息的准确程度。衡量数字通信系统可靠性的主要指标是错误率，具体的有误码率Pe和误信率（误比特率）Pb两种表示方法。1、误码率（Pe）在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元数的比值，用Pe表示；2、误信率（Pb）系统在传输中发生差错的比特数与传输总比特数的比值，用Pb表示。错误率的大小由通路的系统特性和信道质量决定。最后需指出的是：可靠性和有效性指标是互相矛盾的和可以互换的，即可通过降低有效性的方法来提高系统的可靠性，或反之。四、数字通信网的概念（一）通信网的概念及发展方向通信的最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但尽管有许多这样的通信系统，还是不能称为通信网，只有将众多的通信系统按一定拓扑模式组合在一起才称为通信网。即多个点对点的通信系统相互连接构成的通信体系称为通信网。通信网硬件的三要素为：终端节点（对应图中的用户）、交换节点（对应图中的端局，汇接局）及传输链路。对传统的模拟通信方式而言，终端节点发出的和接收的信号都是模拟信号，链路中传输和交换节点交换的信号及是模拟信号，这样的通信网叫模拟通信网。随着经济的高速发展，要求通信网提供的业务种类越来越多，传递信息的形式已从传统的电话通信向数据通信、图像通信乃至多媒体通信等多样化方向发展。且通过通信网传输、交换、处理的信息量不断增大，质量要求也越来越高，这就要进一步提高传输效能及设备效率等等。现代通信网根据这种形势，正加速采用现代通信技术，以计算机为基础的各种智能终端技术和数据库技术积极使通信网向数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化方向发展。世界各国在发展过程中第一步通常是建设本国的综合数字网（IDN），第二步是在IDN的基础上组建综合业务数字网（ISDN）和宽带综合业务数字网（B-ISDN）下面我们就对IDN和ISDN作一简要介绍。（二）综合数字网（IDN）由于微电子技术和计算机技术的发展，目前国际上较发达国家长途传输的数字化已接近百分之百，市内电话局中交换设备也基本数字化。采用数字传输与数字交换综合而成的电话网称为综合数字网（IDN）。这里的综合是指传输和交换处理都是以数字方式进行的，但在IDN中，终端节点所发送的信号仍然是模拟信号。由于终端节点发送的信号是模拟信号，所以，这样的网络不能进行业务的综合，即对不同的通信业务需要不同的专用IDN。为电话通信所建立的IDN就叫电话IDN。综合数字网除了具有1)、抗干扰性强；2)、失真不积累；3)、终端设备简单；4)、便于加密；5)、网络成本低；6)、传输性能好等数字通信技术所具有的优点外，还由于广泛采用数字设备后，数字网在连接点上不再需要模/数交换和数/模变换，因此可以节省许多费用，降低了网络成本，并能提高传输性能，经济的实现高质量通信，具有较好的经济效益。随着各种电信新业务的日益增多，综合数字网为将来过渡到综合业务数字网（ISDN）创造了必要的条件。（三）综合业务数字网（ISDN）1、ISDN的基本定义和特点ITUT在1984年提出的关于ISDN的一系列建议中指出ISDN是以电话IDN为基础发展而成的网络。它提供对端的数字连接性，用来提供包括话音和非话音业务在内的多种业务；用户能够通过一组标准多用途的用户/网路接口接到这个网络。ISDN的基本概念和特点可归纳为以下几点：1）ISDN是可以提供多种业务的电信网络；2）ISDN在电话IDN的基础上发展而成的，发展初期还是以电话为主；3）ISDN主要特点是在网内可实现端到端的数字连接；4）用户通过一组标准多用途的用户/网路接口接入网络，可以