作者：龚佑红,周友兵
出版社：电子工业出版社
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数字通信技术及应用试读：
前言
。龚佑红 主编周友兵 主编束美其 参编苏红艳 参编管金虹 参编毕军志 责任编辑陈健德 其他贡献者E-mail：chenjd＠phei.com.cn徐海燕 封面设计职业教育 继往开来（序）
自我国经济在21世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。
中国电子教育学会立足于电子行业企事业单位，为行业教育事业的改革和发展，为实施“科教兴国”战略做了许多工作。电子工业出版社作为职业教育教材出版大社，具有优秀的编辑人才队伍和丰富的职业教育教材出版经验，有义务和能力与广大的高职院校密切合作，参与创新职业教育的新方法，出版反映最新教学改革成果的新教材。中国电子教育学会经常与电子工业出版社开展交流与合作，在职业教育新的教学模式下，将共同为培养符合当今社会需要的、合格的职业技能人才而提供优质服务。
近期由电子工业出版社组织策划和编辑出版的“全国高职高专院校规划教材·精品与示范系列”，具有以下几个突出特点，特向全国的职业教育院校进行推荐。（1）本系列教材的课程研究专家和作者主要来自于教育部和各省市评审通过的多所示范院校。他们对教育部倡导的职业教育教学改革精神理解得透彻准确，并且具有多年的职业教育教学经验及工学结合、校企合作经验，能够准确地对职业教育相关专业的知识点和技能点进行横向与纵向设计，能够把握创新型教材的出版方向。（2）本系列教材的编写以多所示范院校的课程改革成果为基础，体现重点突出、实用为主、够用为度的原则，采用项目驱动的教学方式。学习任务主要以本行业工作岗位群中的典型实例提炼后进行设置，项目实例较多，应用范围较广，图片数量较大，还引入了一些经验性的公式、表格等，文字叙述浅显易懂。增强了教学过程的互动性与趣味性，对全国许多职业教育院校具有较大的适用性，同时对企业技术人员具有可参考性。（3）根据职业教育的特点，本系列教材在全国独创性地提出“职业导航、教学导航、知识分布网络、知识梳理与总结”及“封面重点知识”等内容，有利于老师选择合适的教材并有重点地开展教学过程，也有利于学生了解该教材相关的职业特点和对教材内容进行高效率的学习与总结。（4）根据每门课程的内容特点，为方便教学过程对教材配备相应的电子教学课件、习题答案与指导、教学素材资源、程序源代码、教学网站支持等立体化教学资源。
职业教育要不断进行改革，创新型教材建设是一项长期而艰巨的任务。为了使职业教育能够更好地为区域经济和企业服务，我们殷切希望高职高专院校的各位职教专家和老师提出建议，共同努力，为我国的职业教育发展尽自己的责任与义务！
中国电子教育学会前言
现代社会是信息化社会，人们的生活和工作都离不开信息的传递和交换，通信对社会的现代化进程起到了极其重大的推动作用，世界各国在通信领域都投入了大量的人力、物力和财力，通信技术已渗透到社会许多行业的职业岗位中，因此通信技术也已成为高职高专院校学生就业必需的重要能力之一。
目前，高职高专院校多个专业都开设本课程，但是对于目前介绍通信技术基本原理和理论的教材，大多数院校反映教材内容原理性强，知识深奥难懂，内容和实际应用脱节，学习效果不佳，因此编者结合几年来的课程改革实践经验，意在编写出方便教学、针对高职学生学习特点的应用型教材。
本教材通过案例引导，以实际案例分析技术知识，将理论与实际进行了充分结合。加上每个模块设定有实训项目，非常有利于学生学习知识和提高技能，并拓展了学生的知识面，激发了学生的学习兴趣。本教材的主要特点如下。（1）教材内容模块化：从通信相关职业岗位的技能要求出发，以通信中信号的传输处理过程为主线，将数字通信技术的原有传统知识进行综合与整理，结合职业教育的特点，通过7个模块进行介绍。（2）典型案例重应用：注重理论和实际的充分结合，在每个模块的开头以实际案例引入本模块知识内容，技术解读结束后再针对另一案例进行分析。各模块案例引入的内容有：VoIP网络电话系统，固定电话网中的信道、音频通信终端、差错控制技术在蓝牙系统中的应用，基带局域网、移动通信系统中的调制技术，数字程控交换机中的同步问题等。（3）实训项目练技能：每个模块根据不同的内容设计不同类型的实训项目，包括现场实训、仿真实训、实验、工程实践等形式。（4）内容梳理助理解：每个模块内容讲解完后，通过知识梳理与总结部分对本模块的知识体系、知识要点、重要公式等内容，按照学生学习的逻辑过程进行简单的梳理分析和总结。同时，在模块的每个小节后都配有灵活性较强的思考题，帮助学生开动脑筋，更好地理解所学内容。
本书内容丰富新颖，易于教学，主要内容包括：模块一初识数字通信、模块二通信信道认知、模块三信号的有效传输技术、模块四信号的可靠传输技术、模块五数字信号的基带传输、模块六数字信号的频带传输、模块七通信系统的同步。建议课堂教学时数为90学时，具体分配见各模块教学导航，各院校可根据实际教学情况进行相应的学时调整和内容取舍。
本书由龚佑红、周友兵主编，束美其、苏红艳、管金虹参与编写。在本书的编写过程中还得到淮安信息职业技术学院信息与通信工程系领导和同行们的大力支持和热情帮助，在此表示衷心的感谢！
由于作者水平和时间有限，加之通信技术及其应用涉及面广，书中难免存在不足和谬误，恳请阅读本书的专家学者及工程技术人员批评指正！
为了方便教师教学及学生学习，本书配有免费的电子教学课件和测试题参考答案，请有需要的教师及学生登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后再进行下载，有问题时请在网站留言板留言或与电子工业出版社联系（E-mail：hxedu＠phei.com.cn）。读者也可通过该精品课链接网址浏览和参考更多的教学资源，http：//210.29.224.45：8888/sztx/index.html。
作者
2010年10月模块一 初识数字通信教学导航1案例导入1 VolP网络电话系统
随着社会的快速发展，生活节奏的加快，电话已经成为人们工作、生活中一种不可或缺的重要通信工具。电话的发展经历了从模拟到数字，从固定到移动的变更，电话的形式越来越多样化，语音质量越来越好，资费也越来越便宜。其中，VoIP网络电话就是近年来兴起的一种电话形式，由于只用一台计算机、一条宽带、几台电话机加上一个计费软件和语音网关就可以构建一个网络“话吧”，网络公司向加盟者或者运营商提供技术支持即可，而且语音清晰、稳定无回音、不断线、资费极其合理，因此网络电话“话吧”在学校、居民住宅区、工业区很受消费者欢迎。
VoIP全称为Voice over Internet Protocol，中文意思是“通过IP数据包发送实现的语音业务”，通俗来说也就是通过互联网打电话。VoIP网络电话是建立在IP技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送语音的目的。
VoIP网络电话系统基本构成示意图如图1-1所示，主要由终端设备（TE）、IP电话网关（GW）、PSTN/ISDN/PBX网络、IP网以及IP电话网的管理层面构成。图1-1 VoIP网络电话系统的基本构成示意图
终端是提供实时、双向通信的用户设备。IP电话网关处于电话网与IP网络之间，是IP网络与PSTN/ISDN/PBX网络之间的接口设备，也是实现VoIP网络电话的核心与关键设备，具有路由管理功能。终端把各地区电话区号映射为相应的地区网关IP地址，这些信息存放在一个数据库中，有关处理软件完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打VoIP网络电话时，电话网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的IP地址，并将此IP 地址加入IP数据包中，同时选择最佳路由，以减少传输时延，IP数据包经因特网到达目的地电话网关。对于因特网未延伸到或暂时未设立网关的地区，可设置路由，由最近的网关通过长途电话网转接实现通信业务。管理层面包括用户的注册和管理、业务的管理、计费的管理及技术的支持等。
我国VoIP网络电话系统的组网结构如图1-2所示。其中网闸又称网守，负责用户的注册和管理，一个网闸可以管理多个网关，主要功能有：用户认证、地址解析、带宽管理、路由管理、安全性管理、区域管理、呼叫处理等。
一个典型的呼叫过程是：呼叫由PSTN语音交换机发起，通过中继接口接入网关，网关获得用户希望呼叫的被叫号码后，向网守发出查询信息，网守查找被叫网关的IP地址，并根据网络资源情况来判断是否应该建立连接。如果可以建立连接，则将被叫网关的IP地址通知给主叫网关，主叫网关在得到被叫网关的IP地址后，通过IP网络与对方网关建立起呼叫连接，被叫网关则向PSTN网络发起呼叫并由交换机向被叫用户振铃，被叫摘机后，被叫网关和交换机之间的话音通道连通，网关之间则开始利用H.245协议进行能力交换，确定通话使用的编解码，在能力交换完成后，主被叫方即可开始通话。图1-2 我国VoIP网络电话系统的组网结构
思考题
VoIP网络电话系统由哪些部分构成?各部分的作用是什么?技术解读11.1 通信基本概念
通信技术中常涉及“通信”、“消息”、“信息”及“信号”这四个术语，它们之间既有联系又有区别。
通信（Communication）是信息（或消息）的传输和交换过程。美国科学家、信息论的奠基人香农（C.E.Shannon）指出，人们只在两种情况下有通信的需要：一是自己有消息要告诉对方，而估计对方不知道这个消息；二是自己有某种疑问要询问对方，估计对方能给出一定的解答。这里的“不知道”、“疑问”就是通信前对某事件可能发生的结果不能做出明确的判断，存在“不确定性”。通信后，由原先的“不知道”到“知道”，原先的“疑问”得到了解答，即消除了原先存在的不确定性。通信的作用就是通过消息的传送，使接收者从收到的消息中获取了一定的信息，消除了原先存在的不确定性。我们一般所说的通信是指电信，即以语言、图像、数据为媒体，通过电或光信号将信息由一方传输到另一方。
消息（Message）是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、数据、图像等的统称。消息可分为离散消息和连续消息两类，如文字、符号、数据等消息状态是可数的或有限的，为离散消息；如语音、图像等消息状态是连续变化的，为连续消息。
信息（Information）是消息的内涵，即消息中所包含的对受信者（信宿）有意义的内容。因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息。信息可以是语音、图像、数据、字符或者代码等任何可以由受信者（人或机器）读懂的消息。从通信或传输的角度来讲，信息和消息具有相同的含义。但从信息论的观点，香农则把信息定义为“信息就是用来消除不确定性的东西”，即信息是指对收信者来说预先不确切知道的事情。通信的结果可使收信者知道了某一确定的内容，即消除了不确定性。简而言之，通信可使接收者收到一定的信息。“信息”与“消息”两者之间既有联系又有区别。“消息”是表达“信息”的形式，是载荷“信息”的客体；“信息”是“消息”的抽象本质。
信号（Signal）是消息的物理载体。在通信系统中，消息的传递常常是通过它的物质载体电信号或光信号来实现的，也就是说把消息寄托在信号的某一参量上，如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置；光波的强度或频率等。与消息相对应，可将信号分为模拟信号和数字信号。
模拟信号的某一参量连续取值或有无穷多个值，且直接与连续消息相对应。例如，电话送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。但值得注意的是，模拟信号不一定在时间上都连续，如PAM信号。
数字信号的某一参量只能取有限个值，并且常常不直接与离散消息相对应。例如，电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。值得注意的是，数字信号不一定在时间上也离散，如2PSK信号。
思考题“通信”、“信息”、“消息”及“信号”分别有什么含义?它们之间有怎样的联系和区别?1.2 数字通信系统组成1.2.1 通信系统的一般模型
在案例导入1中介绍的案例VoIP网络电话系统是计算机、网络和通信结合的产物，是现代数据通信网的业务网之一。它的基本任务就是完成信号从一地到另一地的传递，这也是通信的任务，完成信息传送的一系列技术设备及传输媒质构成的总体就是通信系统。由图1-1所示的VoIP网络电话系统的基本构成可以看出，一个基于点与点之间的通信系统通常由发送端、传输媒介、接收端三大部分构成，点对点通信系统的一般模型如图1-3所示。图1-3 点对点通信系统的一般模型
发送端包括信源和发送设备，接收端包括信宿和接收设备，传输媒介即信道。在VoIP网络电话系统中，终端设备部分既是发送设备，也是接收设备；IP电话网关、PSTN/ISDN/PBX网络及IP网络中设备也属于发送和接收设备范畴。PSTN/ISDN/PBX网络及IP网络中的光缆、电缆等传输媒介是用来传送语音信息的信道。
通信系统一般模型由以下几个主要部分组成。（1）信源（Source）：原始电信号的来源。它的作用是把原始消息转换成原始电信号，即完成非电量到电量的变换，这样的电信号通常称为基带信号。例如，话筒、摄像机等属于模拟信源，送出的是模拟信号；电传机、计算机等各种数字终端设备是数字信源，输出的是数字信号。（2）发送设备（Transmitter）：许多电路和系统的总称。发送设备的主要功能有两个：放大和变换。要把信号传往远处，就必须把它放大到具有足够的功率，再发送出去。另外，发送设备将信源和信道匹配，把原始电信号变换（包括编码、调制等）成适合在信道中传输的信号。（3）信道（Channel）：用于在发送设备和接收设备之间传输信号的媒质。根据传输媒质的不同，信道可分为有线信道和无线信道两大类。有线信道包括明线、同轴电缆、光纤等；无线信道可以是大气（自由空间）、真空及海水（包括地波传播、短波电离层反射）等。有线信道和无线信道均有多种物理媒质，媒质的固有特性和引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。因此，在通信系统模型中，信道是噪声（干扰）集中加入之处。（4）噪声源（Noise）：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。（5）接收设备（Receiver）：其任务是对带有干扰的接收信号进行必要的处理和变换，从中正确恢复出相应的原始信号，即进行与发送设备相对应的反变换，如解调、解码等。（6）信宿（Destination）：信息传输的归宿点或通信系统的终点，可以是人或者机器。其作用与信源的作用相反，即完成电量到非电量的变换，将恢复出来的原始电信号转换成相应的消息。典型的例子有：扬声器、显像管、计算机等。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和数字通信系统。利用模拟信号来传递信息的系统称为模拟通信系统；利用数字信号来传递信息的系统称为数字通信系统。在如图1-3 所示的点对点通信系统的一般模型中，如果将发送端和接收端功能进一步分解，选择相应功能设备则可构成不同的通信系统。
数字通信系统模型如图1-4所示。
信源产生的信号绝大多数都是模拟信号。信源编码的功能有两个：一是将模拟信号转换成相应的数字信号，即模/数转换，以进入数字通信系统传输，常用的模/数转换方法有脉冲编码调制（PCM）技术、增量调制（ΔM）技术及自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）技术等；二是通过数据压缩设法降低数字信号的数码率，从而提高消息传输的有效性。在某些系统中，信源编码还包含加密功能，即在压缩后进行保密编码，以提高数字信息传输的安全性。图1-4 数字通信系统模型
信道编码的功能有两个：一是对传输的信息码元按一定的规则加入监督码元，组成所谓的“抗干扰编码”，提高数字通信系统的抗干扰能力，实现可靠通信；二是为了使信源编码后的数字信号更适合于在信道上传输，进行码型变换。
经过信源编码和信道编码后的数字信号仍然是基带信号，只适于在有线信道中直接传输，在无线信道中不能直接传输。基带信号必须经过调制，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。将基带信号的频谱搬移到适于无线信道传输的频谱上，才能在无线信道中传输。
接收端的解调、信道解码、信源解码等设备的功能与发送端对应设备的功能正好相反，是一一对应的反变换关系。
噪声分为系统内部噪声与系统外部噪声两大类。噪声对通信是有害的，因为它对通信系统中的信号传输与处理起扰乱作用。因此，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。
同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，它是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。按照同步的作用不同，分为载波同步、位同步、群同步和网同步。
在数字通信系统中还经常运用数字复接技术，数字复接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。
对于具体的数字通信系统而言，其方框图并非要和图1-4完全一样。例如，若信源发出的是数字信号，则信源编码和信源解码环节就可省掉；若通信距离不太远，且通信容量不太大时，信道一般可采用基带传输方式，这样就不需要调制和解调环节了。
思考题
1.以无线广播为例，想想图1-3的一般模型中信源、信宿及信道包含的具体内容是什么?
2.在数字通信系统的一般模型中，各组成部分的主要功能是什么?1.3 数字通信系统性能指标
为了衡量通信系统的质量优劣，必须引入通信系统的性能指标。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。从信息传输的角度来讲，通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。在介绍有效性和可靠性指标之前，我们还需要先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。离散消息的信息量与消息的概率有关，连续消息的信息量则与消息的概率密度函数有关。下面仅分析离散消息的信息量。
1.信息量定义
衡量某消息中包含信息多少的物理量称为信息量。对于离散消息，信息量的定义为：若一离散消息x出现的概率为P（x），则这一消息ii所含的信息量为
信息量的单位取决于式（1-1）中对数底a的取值。a=2时，信息量单位为比特（bit）；a=e时，信息量单位为奈特（nat）；a=10时，信息量单位为哈特莱（Hartly）。目前广泛使用的单位为比特。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。
2.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（事件）所组成，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（x）=1/M，则i这类消息为离散独立等概消息。
当M=2（二进制）时，P（x）=1/2，则i
即对于等概的二进制波形，其每个符号（码元）所包含的信息量为1bit。N-N
当M=2（M进制）时，P（x）=1/M=2，则i
即等概M进制的每个符号（码元）所包含的信息量为Nbit，是二进制的N倍。
3.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（事件）所组成，每次只取其中之一，各消息之间相互统计独立，出现概率不等，且=1，则这类消息为离散独立非等概消息。
根据信息量相加的概念，该类消息的信息量为
式中，n为第i种符号（码元）出现的次数；P（x）为第i种符号ii（码元）出现的概率；M为信源的符号（码元）种类。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。
信源熵（entropy）是指信源符号集中每个符号所包含信息量的统计平均值。其定义式如下：
可以证明，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，
因此，
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1.3.2 有效性指标
有效性是指传输一定信息量时所占用的信道资源数（频率范围或时间间隔）。在模拟通信系统中主要用带宽来衡量；在数字通信系统中，一般用传输速率来衡量，具体指标有传码率、传信率和频带利用率。
1.传码率
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，用R表示，单位为码元/秒，又称波特（Baud）。B
式中，T为码元持续时间。B
码元是携带信息的基本数字信号单元。在数字通信中，它一般是指在信道中所传送数字信号的一个波形符号。它可以是二进制的，也可以是多进制的。在二进制数字通信系统中，码元只有两种取值，即“0”和“1”。
2.传信率
传信率又称信息速率、比特率，指系统在单位时间内传送信息量的多少，用R表示，单位为比特/秒（bit/s）。b
比特是英文bit 的译音。比特的英文全称为binary digit，意为二进制数字。在二进制中，1位二进制数字就叫1bit。在数字通信中，比特还是信息量的度量单位，一个等概二进制码元所包含的信息量为1bit。
传信率与传码率具有不同的定义，二者不能混淆，但它们之间又有确定的关系。当传输的码元等概时，对于二进制来说，二者关系可表示为
因此，二进制的传码率与传信率在数值上是相等的，但两者单位不同。而对于M进制码元来说，每一码元所包含的信息量为logM比2特。因此，二者关系可表示为
当传输的码元非等概时，二者关系可表示为
通过上述分析不难看出，码元速率相同的情况下，M进制的信息速率比二进制高；在信息速率相同的情况下，M进制的码元速率比二进制低。因此，从传输有效性方面考虑，多进制比二进制好。
3.频带利用率
频带利用率是指通信系统在单位频带内所能达到的传码率或传信率，用η或η表示。它反映了系统对频带资源的利用水平，其定义式Bb为
式中，B为信号传输占用的频带宽度。
将带宽与传输速率相联系，可以更好地考虑系统有效性。【实例1-1】某信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16；信息源以2000Baud速率传递信息。（1）求传送1h（小时）的信息量。（2）求传送1h可能达到的最大信息量。
解：（1）先求信息源的熵：
则平均信息速率
故传送1 h的信息量为（2）等概率时最大信息熵为
此时平均信息速率最大，故最大信息量为【实例1-2】设有三个数字通信系统 A、B和C，在125μs时间内分别传送了256个八进制、二进制和二进制码元，而系统B和C所占用的信道频带分别为2.048MHz和1.024MHz，试计算三个系统的传码率、传信率以及B、C两个系统的频带利用率。
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