数字通信工程(科学出版社十四五普通高等教育研究生规划教材)

第1章绪论 　　通信工程是指以实现信息的传输与交换为目标，应用通信领域有关的科学知识和技术手段，将现有资源转化为通信产品、系统或网络的过程。在当今信息化和智能化的社会，社会生产活动中的各类信息由声音、文字、图像、数据和视频等多种媒体承载，并通过通信网络将信息传递到各类信息应用系统，实现信息资源的共享和基于信息的社会生产。数字传输是通信网络支持各种通信服务的基础，数字通信工程重点讨论数字通信系统的工程设计中涉及的基础理论和关键技术。 　　本章主要介绍数字通信系统的组成、数字通信的信息论基础、数字通信系统的主要性能指标，以及数字通信的发展历程和趋势，旨在使读者对数字通信系统及其发展有一个初步的认识。 　　1.1通信系统的组成 　　1.1.1通信系统的一般模型 　　传递信息所需的一切设备的总和称为通信系统。一个点对点的信息传输系统可以简单分为发射机、信道和接收机三个部分，其中发射机是将承载信息的消息转化为适合于传输的信号，并将信号能量注入传输媒介（或信道）中，接收机从传输媒介（或信道）中接收信号，并将接收到的信号转化为用户需要的形式。发射机分为信源和发送设备，接收机分为接收设备和信宿，就得到通信系统的一般模型，如图1-1 所示。 　　通信系统的一般模型中，各模块的功能和作用如下。 　　1.信源和信宿 　　信源是指信息的发送者，信宿是指信息的接收者。信源可以分为模拟信源和数字信源两类，模拟信源输出特征值（如幅度、频率和相位等）取值连续的信号，即模拟信号；数字信源输出特征值取值离散的信号，即数字信号。如果模拟信号通过数字通信系统传输，则需要将模拟信号转换为数字信号。 　　2.发送设备 　　发送设备的作用是将信源产生的信号变换为适合在信道中传输的形式。变换的方式有多种，如放大、滤波、编码、调制和混频等，发送设备还可以包含特殊的处理模块，如多路复用和加密等。 　　3.信道 　　狭义上，信道就是指传输信号的通道，是从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，可以是有线信道，如双绞线、同轴电缆或光纤等，也可以是无线信道，如短波信道、陆地移动信道和卫星信道等。信道既给信号提供传输通路，同时也会带来各种干扰和噪声，主要的噪声类型有热噪声、信号衰减、相位噪声和多径噪声等。影响信道利用率的主要因素有发射机功率、接收机灵敏度和信道容量等。广义上，发送设备和接收设备的一部分都可以和传输媒介一起视为广义信道，如调制信道和编码信道等。 　　4.接收设备 　　接收设备的基本功能是完成发送过程的反变换，即将信号放大并进行滤波、解调、检测、变频和译码等，其目的是从带有噪声和干扰的信号中恢复出发送端发送的原始信息。对于多路复用信号，还包括多路解复用处理，实现正确分路功能；此外，在接收设备设计中，还需要尽可能减小噪声与干扰所带来的影响。 　　以上所述是一个单向通信系统。很多情况下，信源兼为信宿，通信的双方需要交互信息，需要实现双向通信。在双向通信中，要求通信双方都有发送设备和接收设备，如果两个方向有各自的传输媒介，则双方可以独立进行发送和接收。若共用同一传输媒介，则通常釆用频率、时间或其他通信资源分割的方法来共享信道。 　　1.1.2数字通信系统的组成 　　数字通信系统的组成如图1-2所示。 　　图1-2数字通信系统的组成 　　数字通信系统包括信源编码与译码、信道编码与译码、加密与解密、信道和同步等模块，下面分别进行介绍。 　　1.信源编码与译码 　　信源编码主要完成模拟信号的数字化。如果信源产生的信号是模拟信号，首先需要对模拟信号进行数字化，一般包括采样、量化和编码三个过程。数字电话系统中话音信号的脉冲编码调制（PulseCode Modulation，PCM）就是一个典型的模拟信号数字化过程。信源编码的另外一个功能是通过压缩编码来提高信息传输效率，压缩编码的方法可分为波形编码、参数编码和混合编码等。例如，数字电话系统中采用PCM编码的单路语音信息速率为64Kbit/s，进行压缩编码后单路话音的速率可以降到32Kbit/s或更低。 　　2.信道编码与译码 　　信道编码的目的是增强信息传输的可靠性。由于信号在信道传输时受到噪声和干扰的影响，接收端恢复数字信息时可能会出现差错，为了减小接收信息的差错概率，信道编码器对传输的信息按照一定的规则进行差错控制编码，接收端的信道译码器按照相应的逆规则进行信道译码，从而实现纠错或检错。在计算机系统中广泛使用的奇偶校验码就是一种简单的差错控制编码方式，它具有1bit的检错能力。 　　3.加密与解密 　　为了保证信息传输的安全性，按照一定的规则将要传输的信号加上密码，即加密。接收端（通常是授权或指定的接收机）对接收到的数字序列解密，恢复明文信息。在需要保证信息传输的私密性的场合通常需要有加密与解密模块，加密与解密技术在军事通信中被广泛采用。随着信息安全的需求日益迫切，近年来，物理层安全传输技术迅速发展，可以作为上层加密技术的一种安全增强和有益补充。 　　4.调制与解调 　　基本的数字调制方式有幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。在接收端可以米用相干解调或非相干解调的方法进行信号的解调，此外，还有在这三种基本调制方式基础上发展起来的其他数字调制方式，如正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）、*小频移键控（Minimum Shift Keying，MSK）、连续相位调制（Continuous PhaseModulation，CPM）等。为了进一步提高频谱利用效率，高阶调制（如512QAM）已被广泛应用。 　　5.同步 　　同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确和可靠工作的前提条件，可以分为载波同步、符号同步和帧同步等不同类型，在数字化接收机中通常采用参数估计的方法来实现。 　　需要指出的是，图1-2给出的只是点到点数字通信系统的一般组成，实际数字通信系统不一定包括所有的模块，例如，只有需要保证通信私密性的数字通信系统才需要加密与解密模块；实际通信系统也可能增加一些模块，如多路传输的情况下会在信道编码前增加数字复接模块，并在信道译码后进行数字分接。 　　数字通信已成为当今通信技术发展的主流。与模拟通信相比，数字通信具有以下优点。 　　（1）抗干扰能力强，且中继传输过程中不存在噪声积累。在数字通信系统中，接收机的设计目标不是精确还原信号波形，而是从受到噪声污染的信号中判断发射机发送的是哪一个波形。以二进制数字通信系统为例，发射机发送的信号波形有两种，分别对应二进制信息“1”和“0”，接收机通过判断收到的是哪一种信号波形来恢复所传输的二进制信息。在数字中继通信系统中，各个中继站可以采用再生式中继转发，在多级中继转发过程中，信号噪声不积累。而在模拟中继传输中，要求接收机能够以尽量小的失真度重现原信号波形，每一级中继站不仅将信号进行了放大，同时还将前面每一级中继站的带内噪声进行了放大，噪声是逐级积累的。 　　（2）传输差错可控。在数字通信系统中，可以通过信道编码技术进行检错与纠错，降低误码率，提高信息传输的可靠性。 　　（3）便于用现代数字信号处理技术对信号进行处理、交换和存储。采用数字信号处理技术能够实现数字基带信号频谱成形、同步参数估计、信号复用/解复用等功能。 　　（4）易于集成化和小型化，使通信设备小型化、功耗低、重量轻。数字通信大量采用大规模集成电路技术，可以极大地减小通信设备的功耗和体积。 　　（5）易于进行加密处理，且保密性高。 　　数字通信系统也存在不足，一般比模拟通信系统需要占用更大的传输带宽。以话音传输为例，单边带模拟话音信号通常占据的带宽约为3.4kHz，而1路同样话音质量的标准PCM数字电话信号的无码间串扰传输约需要占用32kHz的带宽。另外，数字通信系统对于同步的要求和实现的复杂度比模拟通信系统高。 　　1.2数字通信的信息论基础 　　1.2.1信息的定义 　　什么是信息？谁释放信息？谁传播信息？谁接收信息？这些都是数字通信系统设计中的基础概念问题。 　　关于信息的定义有很多种说法，科恩-塔诺季（GCohen-Tannoudji）认为信息是一种物理实体，尽管它不是一种粒子，它可能比较类似于场或力的概念，是一种抽象的但确实具有物理意义的量。阿列克谢 格林鲍姆（Alexei Grinbaum）认为，信息是一种语言，不具备物理实质，是一种解决我们遇到的理论障碍的办法；米歇尔 勒贝拉克认为，信息是信息学及算法学的一个数学概念。1948年，香农（C.E.Shannon）在W Mathematical Theory of（通信的数学理论）一文中给出了信息的定量表示，香农信息反映的是事物的不确定性。这里我们主要讨论香农信息。 　　关于信息的释放者，以爱因斯坦（A.Einstein）为代表的现实主义者认为，信息是由物理学应该描述的一种基本现实释放的。以玻尔（N.H.D.Bohr）为代表的流派认为，不能确定是否存在释放信息的基本现实，只有进行测量才会出现信息，探究谁是信息的释放者是徒劳的；约翰 惠勒（John A.Wheeler）认为现实始于信息，著名物理学家霍金（S.W.Hawking）也是这一观点的支持者。 　　关于谁传播信息的问题，有一种观点认为信息本身是一种实体，可以被提取出来，可以直接传播而不必借助于某些外在的物理载体（光子、电子和辐射波等）；另一种观点认为，并不存在纯粹状态的物理信息比特。这样，信息要得以传播就需要一个物理载体，如电磁波、声波或某种粒子的量子态等。 　　关于信息的接收者，任何被观察的物理现象都会向观察者提供一些信息。恒星闪耀时，会告诉天文学家、物理学家关于其结构、温度等的信息，如果没有人能够从理论上解读从恒星发来的光，这些光是否还在“讲述”关于这颗恒星构造的信息呢？这仍是一个尚无定论的问题。 　　下面讨论信息、消息和信号的关系。信息是消息中包含的某种有意义的抽象的东西。消息是对事件的具体描述，可以是一组有序符号序列，如状态、字母、文字或数字等，也可以是连续时间函数，如语音、图像或视频等。前者称为离散消息，后者称为连续消息。信号是消息的具体物理表现形式，如声信号、光信号和电信号等。因此，消息和信号是信息的载体，信息是消息的内涵。一份电报、一句话、一段文字和报纸上登载的一则新闻都是消息，只有消息中包含接收者未知的内容才构成信息。如果某个事件对于接收者是确知的，则对于接收者而言，该消息没有任何价值。 　　虽然消息的传递意味着信息的传递，但是对于接收者而言，某些消息比起另外一些消息却包含有更多的信息，如果某个概率很小的事件实际发生了，会使人感到十分惊讶或引起更多的关注，则该事件包含的信息量大。如果概率很大的事件发生了，人们会觉得不足为奇，这说明消息中所包含的信息量与消息所描述事件的发生概率是密切相关的。 　　1.2.2信源的数学醒 　　数字通信中，信源的输出总是随机的，需要采用统计的方法进行定性描述。微课本节主要讨论离散信源和连续信源的数学模型。 　　*简单的离散信源输出的是一串取自有限符号集的符号序列。若字符集包含n个可能的字符，如，则该离散信源的输出是选自该字符集的符号序列。假设字符集的第1个字符出现的概率为则离散信源输出符号序列可用概率分布集合来描述： 　　若，出现的概率相等，则。 　　若离散信源输出序列的各符号之间满足统计独立的条件，则称为离散无记忆信源（Discrete Memoryless Source，DMS）。