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1、第一章第一章 数字通信引数字通信引言言第1页，本讲稿共16页21 绪论绪论t数字通信：采用针对数字信息的加工、处理和传输技术，把数字通信：采用针对数字信息的加工、处理和传输技术，把信源产生的信息（消息、信号）有效、可靠地传送到一个或信源产生的信息（消息、信号）有效、可靠地传送到一个或多个接收者（用户、目的地）。多个接收者（用户、目的地）。t优点：优点：l资源利用率高；资源利用率高；l实现容易，成本低；实现容易，成本低；l多用户系统中，数字传输支持信息的电子寻址（多用户系统中，数字传输支持信息的电子寻址（Addressing）和路由）和路由（Routing）；）；l不同形式的信息通过数字传输机制
2、变得统一，即不同形式或种类的信不同形式的信息通过数字传输机制变得统一，即不同形式或种类的信源可以通过复接，合成为一个数字信源，实现多媒体通信；源可以通过复接，合成为一个数字信源，实现多媒体通信；l数字信息比模拟波形更容易加密；数字信息比模拟波形更容易加密；l数字信息可以用电子方法，精确、快速地实现信息的存储和提取；数字信息可以用电子方法，精确、快速地实现信息的存储和提取；l多级接力传输系统中，数字信息在每一级重构、再生，而模拟系统中，多级接力传输系统中，数字信息在每一级重构、再生，而模拟系统中，噪声和失真为逐级累积等。噪声和失真为逐级累积等。第2页，本讲稿共16页31.1数字通信系统的组成数字
3、通信系统的组成t目的目的l掌握数字通信系统的分析方法，即给定一个数字通信系统，分析其特掌握数字通信系统的分析方法，即给定一个数字通信系统，分析其特定传输环境下所能达到的性能指标；定传输环境下所能达到的性能指标；l数字通信系统的基本设计方法，包括两方面：数字通信系统的基本设计方法，包括两方面：t给定传输条件（信道特性），设计一个数字通信系统，在规定允许失真条件下，提供最大的数字通信能力；t在给定要求的失真和业务负载条件下，设计有效的信道完成数据传输任务。t数字通信系统的构成数字通信系统的构成第3页，本讲稿共16页41.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成信道编码信道编码：用适合信道传输的码进行
4、传输，或对源码进行重编码使具：用适合信道传输的码进行传输，或对源码进行重编码使具有检错、纠错能力。有检错、纠错能力。信源编码信源编码：降低信息冗余度的编码，以较少的码元传输较多的：降低信息冗余度的编码，以较少的码元传输较多的 信息，提高传输效率。信息，提高传输效率。数字调制数字调制/解调：解调：把数字基带信号的频谱搬移到高频处，把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合形成适合在信道中传输的频带信号。在信道中传输的频带信号。同步同步：包括载波同步、位同步、帧同步、网同步，是接收端正确恢复数字：包括载波同步、位同步、帧同步、网同步，是接收端正确恢复数字信息所不可缺少的。信息所不可缺少的。第4页，
5、本讲稿共16页51.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型 信道是指以传输媒质为基础的信号通道。信道是指以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道狭义信道：仅是指信号的传输媒质：仅是指信号的传输媒质。广义信道广义信道：为了研究的需要，将有关转换设备一并划入狭义信道，：为了研究的需要，将有关转换设备一并划入狭义信道，称为广义信道。称为广义信道。广义信道中除传输媒质外，还包括有关发送广义信道中除传输媒质外，还包括有关发送设备、接收设备、天线、调制、解调等。广义信道按功能可设备、接收设备、天线、调制、解调等。广义信道按功能可分为分为：电缆电缆光缆光缆狭义信道狭义信道短波广播短波广播超短波、微波传输超短波、
6、微波传输卫星通信卫星通信移动通信移动通信有线信道有线信道无线信道无线信道调制信道调制信道 研究的着眼点只关心调制器输出和解调器的输入研究的着眼点只关心调制器输出和解调器的输入编码信道编码信道 研究的着眼点只关心编码和译码（数字通信系统）研究的着眼点只关心编码和译码（数字通信系统）第5页，本讲稿共16页61.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型t广义信道广义信道调制信道调制信道 指调制器输出到接收端的解调器输入指调制器输出到接收端的解调器输入编码信道编码信道 从从编码器输出至译码器输入编码器输出至译码器输入 调制信道调制信道数字数字信源信源调调制制器器解解调调器器终端终端媒媒质质编编码码器器译
7、译码码器器发发转转换换器器收收转转换换器器编码信道编码信道第6页，本讲稿共16页71.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型t通信信道及特性通信信道及特性 1 1有线信道有线信道 双绞线、同轴电缆、波导、光纤等。频率范围从双绞线、同轴电缆、波导、光纤等。频率范围从kHz-100GHz-kHz-100GHz-有线信道属于典型的恒参信道。有线信道属于典型的恒参信道。信号在信道中传输会造成幅度和相位失真，这种线性畸变可以通过接收机信号在信道中传输会造成幅度和相位失真，这种线性畸变可以通过接收机端的均衡技术措施减小或消除。端的均衡技术措施减小或消除。第第9 9章将研究带限滤波信道的最佳传输信号和信号的
8、最佳接收问题，章将研究带限滤波信道的最佳传输信号和信号的最佳接收问题，第第1010章研究信道均衡器的设计。章研究信道均衡器的设计。2 光纤信道光纤信道 光纤信道提供的带宽比同轴电缆信道大几个数量级。光纤信道提供的带宽比同轴电缆信道大几个数量级。由于低损耗光缆和光子器件技术的不断成熟，光纤通信得到了广泛应用。由于低损耗光缆和光子器件技术的不断成熟，光纤通信得到了广泛应用。如如:地面市话网数字话音传输、地面数字视频广播、跨洋通信网络等。地面市话网数字话音传输、地面数字视频广播、跨洋通信网络等。调制方式采用幅度调制，频率和相位调制及相干解调仍存在困难。调制方式采用幅度调制，频率和相位调制及相干解调仍
9、存在困难。第7页，本讲稿共16页8频率范围频率范围 波长波长 符符 号号 传输媒质传输媒质 用用 途途3 Hz30 kHz 104108 m 甚低频甚低频VLF 有线线对、长波无有线线对、长波无线电线电 音频、电话、数据终端长距离导航、音频、电话、数据终端长距离导航、时标时标 30300 kHz 103104 m 低频低频LF 有线线对、长波无有线线对、长波无线电线电 导航、导航、信标、信标、电力线通信电力线通信 300 kHz3MHz102103 m 中频中频MF 同轴电缆、短波无同轴电缆、短波无线电线电 调幅广播、移动陆地通信、业余无调幅广播、移动陆地通信、业余无线电线电330 MHz 1
10、0102 m 高频高频HF 同轴电缆、短波无同轴电缆、短波无线电线电 移动无线电话、移动无线电话、短波广播定点军用短波广播定点军用通信、通信、业余无线电业余无线电 30300 MHz 110 m 甚高频甚高频VHF 同轴电缆、米波无同轴电缆、米波无线电线电 电视、电视、调频广播、调频广播、空中管制、空中管制、车辆、车辆、通信、通信、导航导航 3 无线电信道无线电信道 通信频段与用途通信频段与用途300 MHz3 GHz 电电电电10100 cm 特高频特高频UHF 波导波导分米波无线分米波无线电电 微波接力、微波接力、卫星和空间通信、卫星和空间通信、雷达雷达 330 GHz 110 cm 超高
11、频超高频 SHF 波导波导厘米波无线厘米波无线电电 微波接力、微波接力、卫星和空间通信、卫星和空间通信、雷达雷达 30300 GHz 110 mm 极高频极高频 EHF 波导波导毫米波无线毫米波无线电电 雷达、雷达、微波接力、微波接力、射电天文学射电天文学 43T3000THz 0.17um 紫外可见光紫外可见光红外红外 光纤光纤激光空间传激光空间传播播 光通信光通信 传播方式：地波传播、天波传播、视线传播传播方式：地波传播、天波传播、视线传播第8页，本讲稿共16页91.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它具有如下共性：通过对调制信道进行大量的分析研究
12、，发现它具有如下共性：（1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；（2）绝大多数的信道都是线性的，绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；即满足线性叠加原理；（3）信号通过信道具有固定的或时变的信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间延迟时间；（4）信号通过信道会受到固定的或时变的信号通过信道会受到固定的或时变的损耗损耗；（5）即使没有信号输入，）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。可以用一个二对端可以用一个二对端(或多对端或多对端)的时变线性网络表示调制信道。的时变线性
13、网络表示调制信道。时变时变线性线性网络网络时变时变线性线性网络网络二端对网络二端对网络多端对网络多端对网络第9页，本讲稿共16页101.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型t信道的数学模型（信道的数学模型（理想信道、线性滤波信道、线性时变滤波信道理想信道、线性滤波信道、线性时变滤波信道）l加性噪声信道（理想信道）加性噪声信道（理想信道）n加性高斯白噪声信道，简称AWGN信道；l线性滤波信道线性滤波信道 n理想信道为线性滤波信道的特例，即信道冲击响应为第10页，本讲稿共16页111.2通信信道及数学模型通信信道及数学模型l线性时变滤波信道线性时变滤波信道 n对离散多径信道，信道的时变冲激响应为
14、n信道的输出信号为第11页，本讲稿共16页121.3数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标t主要技术指标（主要技术指标（有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护性等有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护性等)l传输速率传输速率 n符号（码元）传输速率 n比特传输速率 n信息传输速率 l差错率差错率 n符号差错率 n比特差错率 n帧差错率 l利用率利用率 n功率利用率 n频率利用率 第12页，本讲稿共16页131.4数字通信的发展数字通信的发展t1837年，莫尔斯电报通信系统是最早的数字通信系统；年，莫尔斯电报通信系统是最早的数字通信系统；t1924年，奈奎斯特研究了带限
15、信道无码间干扰传输的最大速率年，奈奎斯特研究了带限信道无码间干扰传输的最大速率-现代数字通信系统的起源；对于带宽为现代数字通信系统的起源；对于带宽为W（Hz）的基带传输系）的基带传输系统，发送信号统，发送信号 无码间传输的最大速率为无码间传输的最大速率为2W波特，基带波形为波特，基带波形为t1948 年，香农导出了数字通信系统的基本限制，信道容量公式年，香农导出了数字通信系统的基本限制，信道容量公式t1950 年年，汉明纠错编码的研究，开创了纠错编解码的研究领域；，汉明纠错编码的研究，开创了纠错编解码的研究领域；第13页，本讲稿共16页141.4数字通信的发展数字通信的发展t1960年，里德、
16、所罗门年，里德、所罗门(Reed&Solomon)发展了新的分组码，发展了新的分组码，RS码；码；t1966年，福尼年，福尼(Forney)发展了级联码；发展了级联码；t19611971年，卷积码编译码的发展；年，卷积码编译码的发展；t1982年年，恩格伯克，恩格伯克(Ungerboeck)发展了网格编码调制；发展了网格编码调制；t1993年，伯罗（年，伯罗（Berrou）等人的）等人的Turbo码和迭代译码。码和迭代译码。第14页，本讲稿共16页151.5课程主要内容课程主要内容t内容安排内容安排l第一章：绪论第一章：绪论l第二章：数字调制方法第二章：数字调制方法l第三章：第三章：AWGN信
17、道中的数字通信信道中的数字通信l第四章：限带信道中的数字通信第四章：限带信道中的数字通信l第五章：信道容量与信道编码第五章：信道容量与信道编码l第六章：载波与符号同步第六章：载波与符号同步l第七章：分组码与卷积信道码第七章：分组码与卷积信道码l第八章：多径衰落信道中的数字通信第八章：多径衰落信道中的数字通信第15页，本讲稿共16页16参考教材参考教材t参考教材参考教材l 1John G.Proakis.Digital Communications,(4th,Ed)（影印版），（影印版），电子工业出版社，电子工业出版社，2001l2Bernard Sklar.Digital Communications:Fundamentals and Applications(2nd Ed)（影印版），电子工业出版社，（影印版），电子工业出版社，2001l3 Theodore S.Rappaport.Wireless Communications:Principles and Practice(2nd Ed),（影印版），电子工业出版社，（影印版），电子工业出版社，2004第16页，本讲稿共16页