數(shù)字通信技術(shù)及應(yīng)用模塊一初識數(shù)字通信教學(xué)導(dǎo)航教知識重點

知識難點

推薦教學(xué)方式

建議學(xué)時通信基本概念。數(shù)字通信系統(tǒng)的組成及其各部分功能。數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性和可靠性指標(biāo)。數(shù)字通信的優(yōu)缺點。知識重點數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性和可靠性之間的關(guān)系。信息量、傳碼率、傳信率、頻帶利用率、誤碼率及誤信率的計算。知識難點通過實用通信系統(tǒng)案例介紹，導(dǎo)出數(shù)字通信系統(tǒng)組成理論知識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過實用通信系統(tǒng)現(xiàn)場認(rèn)知實踐訓(xùn)練，加深對通信系統(tǒng)組成的感性認(rèn)識。另舉一實用通信系統(tǒng)進(jìn)行案例分析，鞏固理論知識，將理論與實際結(jié)合起來，同時拓展學(xué)生知識面。推薦教學(xué)方式12學(xué)時建議學(xué)時教學(xué)導(dǎo)航推薦學(xué)習(xí)方法

必須掌握的理論知識

必須掌握的技能

學(xué)本模塊要注重概念的理解。理論學(xué)習(xí)要注意結(jié)合給出的案例及實踐訓(xùn)練來理解，要注重實際系統(tǒng)與理論模型的對應(yīng)關(guān)系。

通過典型例題掌握信息量、傳碼率、傳信率、頻帶利用率、誤碼率及誤信率的計算方法。

推薦學(xué)習(xí)方法通信基本概念。數(shù)字通信系統(tǒng)的組成及其各部分功能。數(shù)字通信的優(yōu)缺點。

必須掌握的理論知識會計算數(shù)字通信系統(tǒng)有效性和可靠性指標(biāo)。針對任意的實用通信系統(tǒng)，能找出與系統(tǒng)模型的對應(yīng)關(guān)系。

必須掌握的技能案例導(dǎo)入VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)VoIP全稱VoiceoverInternetProtocol，中文就是“通過IP數(shù)據(jù)包發(fā)送實現(xiàn)的語音業(yè)務(wù)”，通俗來說也就是通過互聯(lián)網(wǎng)打電話。VoIP網(wǎng)絡(luò)電話是建立在IP技術(shù)上的分組化、數(shù)字化傳輸技術(shù)，其基本原理是：通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏?，再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓處理后，恢復(fù)成原來的語音信號，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)基本構(gòu)成示意圖如圖1-1所示。VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)圖1-1VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)的基本構(gòu)成我國VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)圖1-2我國VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)思考題：VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)由哪些部分構(gòu)成？各部分的作用是什么？技術(shù)解讀1.1通信基本概念1.2數(shù)字通信系統(tǒng)組成1.3數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.4數(shù)字通信的特點1.5通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢通信（Communication）——是信息（或消息）的傳輸和交換過程。消息（Message）——是信源所產(chǎn)生的信息的物理表現(xiàn)形式，是我們感覺器官所能感知的語言、文字、數(shù)據(jù)、圖像等的統(tǒng)稱。消息可分為離散消息和連續(xù)消息兩類。信息（Information）——是消息的內(nèi)涵，即消息中所包含的對受信者（信宿）有意義的內(nèi)容。信號（Signal）——是消息的物理載體。與消息相對應(yīng)，可將信號分為模擬信號和數(shù)字信號。1.1通信基本概念思考題：“通信”、“信息”、“消息”及“信號”分別什么涵義？它們之間有怎樣的聯(lián)系和區(qū)別？1.1通信基本概念一個基于點與點之間的通信系統(tǒng)概括地講可以由發(fā)送端、傳輸媒介、接收端三大部分構(gòu)成，點對點通信系統(tǒng)的一般模型如圖1-3所示。

1.2數(shù)字通信系統(tǒng)組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型圖1-3通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)一般模型的各組成部分功能：信源（Source）是原始電信號的來源。它的作用是把原始消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，即完成非電量到電量的變換，這樣的電信號通常稱為基帶信號。發(fā)送設(shè)備（Transmitter）是許多電路和系統(tǒng)的總稱。發(fā)送設(shè)備的主要功能有兩個：放大和變換。信道（Channel）是用于在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間傳輸信號的媒質(zhì)。根據(jù)傳輸媒質(zhì)的不同，可分為有線信道和無線信道兩大類。噪聲源（Noise）不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中噪聲與干擾的集中表示。接收設(shè)備（Receiver）的任務(wù)是對帶有干擾的接收信號進(jìn)行必要的處理和變換，從中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號來。即進(jìn)行與發(fā)送設(shè)備相對應(yīng)的反變換。信宿（Destination）是信息傳輸?shù)臍w宿點或通信系統(tǒng)的終點，可以是人或者機(jī)器。其作用與信源的作用相反，即完成電量到非電量的變換，將恢復(fù)出來的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。1.2數(shù)字通信系統(tǒng)組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)按傳輸信號類型可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。利用模擬信號來傳遞信息的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)；利用數(shù)字信號來傳遞信息的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)模型如圖1-4所示。

1.2數(shù)字通信系統(tǒng)組成1.2.2數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖1-4數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型的各組成部分功能：信源編碼的功能有兩個：一是將模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換，以進(jìn)入數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸；二是通過數(shù)據(jù)壓縮設(shè)法降低數(shù)字信號的數(shù)碼率，從而提高消息傳輸?shù)挠行?。信道編碼的功能有兩個：一是對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入監(jiān)督碼元，組成所謂的“抗干擾編碼”，提高數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾能力，實現(xiàn)可靠通信。二是為了使信源編碼后的數(shù)字信號更適合于在信道上傳輸，進(jìn)行碼型變換。調(diào)制是將數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號。將基帶信號的頻譜搬移到適合于無線信道傳輸?shù)念l譜上才能在無線信道中傳輸。接收端的解調(diào)、信道解碼、信源解碼等設(shè)備的功能與發(fā)送端對應(yīng)設(shè)備的功能正好相反，是一一對應(yīng)的反變換關(guān)系。噪聲分為系統(tǒng)內(nèi)部噪聲與系統(tǒng)外部噪聲兩大類。同步是使收發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致，它是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的前提條件。1.2數(shù)字通信系統(tǒng)組成1.2.2數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.2數(shù)字通信系統(tǒng)組成思考題：1．以無線廣播為例，想想圖1-3模型中信源、信宿及信道包含的具體內(nèi)容是什么？2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)的一般模型中各組成部分的主要功能是什么？1.3數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.3.1信息量信息量定義

衡量某消息中包含信息多少的物理量稱為信息量。信息量的定義為：若一消息xi出現(xiàn)的概率為P(xi)，則這一消息所含的信息量為

（1-1）

離散獨立等概消息的信息量若某消息集由M個可能的消息（事件）所組成，每次只取其中之一，各消息之間相互統(tǒng)計獨立，且出現(xiàn)概率相等，，則這類消息為離散獨立等概消息。當(dāng)（二進(jìn)制）時，，則bit（1-2）即對于等概的二進(jìn)制波形，其每個符號（碼元）所包含的信息量為1bit。當(dāng)（進(jìn)制）時，，則bit（1-3）即等概進(jìn)制的每個符號（碼元）所包含的信息量為Nbit，是二進(jìn)制的N倍。1.3數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.3.1信息量離散獨立非等概消息的信息量若某消息集由M個可能的消息（事件）所組成，每次只取其中之一，各消息之間相互統(tǒng)計獨立，出現(xiàn)概率相等，且，則這類消息為離散獨立非等概消息。根據(jù)信息量相加的概念，該類消息的信息量為bit（1-4）信源熵（entropy）是指信源符號集中每個符號所包含信息量的統(tǒng)計平均值。其定義式如下：比特/符號（1-5）當(dāng)信源中每個符號等概率獨立出現(xiàn)時，信源熵有最大值。等概時，，因此 比特/符號（1-6）若某符號集的熵為，則當(dāng)符號集發(fā)送個符號組成一則消息時，所發(fā)送的總信息量為bit(1-7)1.3數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.3.1信息量有效性是指傳輸一定信息量時所占用的信道資源數(shù)（頻率范圍或時間間隔）。在模擬通信系統(tǒng)中主要用帶寬來衡量；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，一般用傳輸速率來衡量，具體指標(biāo)有傳碼率、傳信率和頻帶利用率。傳碼率：又稱碼元速率，指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)傳送碼元數(shù)目的多少，用RB表示，單位為碼元/秒，又稱波特（Baud）。

（1-8）傳信率：又稱比特率，指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)傳送信息量的多少，用Rb表示，單位為比特/秒（bit/s）。（1-10）頻帶利用率：指通信系統(tǒng)在單位頻帶內(nèi)所能達(dá)到的傳信率，用或表示，單位為比特/秒/赫茲（bit/s/Hz）。其定義式為

Bd/Hz（1-12）

bit/(s?Hz)（1-13）1.3數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.3.2有效性指標(biāo)可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，在模擬通信系統(tǒng)中主要用信噪比來衡量；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，一般用差錯率來衡量，具體指標(biāo)有誤碼率、誤信率。誤碼率:指在傳輸碼元總數(shù)中發(fā)生差錯的碼元數(shù)所占的比例。

（1-14）誤比特率:指在傳輸比特總數(shù)中發(fā)生差錯的比特數(shù)所占的比例。

（1-15）

對于二進(jìn)制系統(tǒng)而言，Pb=Pe

；對于多進(jìn)制系統(tǒng)而言，Pb<Pe

。因此，從傳輸可靠性考慮，二進(jìn)制比多進(jìn)制好。1.3數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.3.3可靠性指標(biāo)1.3數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)思考題：1．何謂碼元速率和信息速率？它們之間的關(guān)系如何？2．什么是通信系統(tǒng)的誤碼率和誤信率？兩者是否相等？抗干擾能力強(qiáng)，可消除噪聲積累，因此可中繼，可多次復(fù)制（再生）。

可采用信道編碼技術(shù)，降低傳輸誤碼率。

便于與各種數(shù)字終端接口，可用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)對數(shù)字信號進(jìn)行處理、變換、存儲，形成智能網(wǎng)。

便于加密處理，且保密性好。便于集成化，從而使通信設(shè)備微型化，降低成本。

1.4數(shù)字通信的特點1.4.1優(yōu)點占用頻帶寬。同步技術(shù)要求高。1.4數(shù)字通信的特點1.4.2缺點1.4數(shù)字通信的特點思考題：何謂數(shù)字通信？數(shù)字通信有哪些優(yōu)缺點？1.5通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1.5.1通信發(fā)展簡史年代事件1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)1831年英國法拉弟發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律1837年美國科學(xué)家莫爾斯(Morse)發(fā)明有線電報，發(fā)明了莫爾斯電碼1865年英國物理學(xué)家麥克斯韋(Maxwell)發(fā)表電磁場理論1876年貝爾(Bell)利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了電話機(jī)1887年德國物理學(xué)家赫茲(Hertz)實驗證明電磁波的存在1898年意大利科學(xué)家馬可尼(Marconi)和俄國波波夫發(fā)明無線電報1904年英國物理學(xué)家弗萊明(Fleming)發(fā)明真空二極管1906年美國工程師福雷斯特(Forest)發(fā)明真空三極管1936年FM廣播出現(xiàn)；黑白電視機(jī)發(fā)明1937年英國人里夫斯提出脈沖編碼調(diào)制理論1945年美國發(fā)明第一臺計算機(jī)ENIAC1948年肖克萊(Shockley)等人發(fā)明了晶體三極管；香農(nóng)（Shannon）提出了信息論1950年時分多路（TDM）技術(shù)出