第1章绪论信息与信道教学教材

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1、1,第1章绪论、信息与信道,石高涛 天津大学计算机科学与技术学院,2,通信系统,通信是由一地向另一地传递符号、文字、语音、图片等消息，是交流和传递信息的活动。 为了完成消息的收发所涉及的功能部件构成了通信系统，包括所有影响消息从消息发送者到消息接收者经过的部件,3,主要内容,通信系统模型 通信系统分类 通信方式 通信系统的主要性能指标 信息及其度量 信道与信道容量 通信介质,4,通信系统的组成,通信就是由一地向另一地传递消息。通信系统是指完成通信过程的全部设备和传输介质。 通信系统的一般模型,通信系统结构模型,我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，

2、,6,信道的功能,信道是指信号传输通道，按传输媒介的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。 图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。,通信系统模型,7,接收端的功能,基本任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号，并将原始电信号转换成相应的信息，提供给受信者。 接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等,通信系统模型,8,主要内容,通信系统模型 通信系统分类 通信方式 通信系统的主要性能指标 信息及其度量 信道与信道容量 通信介质,9,通信系统分类,根据通信系统实现技术的不同，可以将其分为两类通信方式 模拟通信方式 无线电视、无线广播等系统 信号以

3、模拟信号的形式进行传输 数字通信方式 计算机局域网等现代通信系统 信号以数字信号的形式进行传输,10,模拟通信系统模型,11,模拟通信系统通信过程,发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。,12,模拟通信系统通信过程,为了使多路信号同时在信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。 在收端，经解调器和逆变换器还原成语音信息。,调制是信号的一种变换，通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后的信号称为已调信号。,13,数字通信系统模型 频带传输,数

4、字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。 变换器的作用是把信息转换成数字基带信号。 信源编码的主要任务是提高数字信号传输的有效性。信源编码器的输出就是信息码元，接收端译码则是信源编码的逆过程,数字频带传输通信系统,14,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。 信道编码的任务是提高数字信号传输的可靠性。 在信息码组中按一定的规则附加一些监督码元，以使接收端根据相应的规则进行检错和纠错。 接收端信道译码是其相反的过程。,数字频带传输通信系统,数字通信系统模型 频带传输,15,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。 同步系统（图没有画出）可以使通信系统的收、发两端或整个通信

5、系统，以精度很高的时钟提供定时，以使系统的数据流能与发送端同步、有序而准确地接收与恢复原信息。,数字频带传输通信系统,数字通信系统模型 频带传输,16,数字基带传输通信系统,数字基带传输系统模型,与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的 数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图 所示。,17,数字通信系统的优点,抗干扰能力强 在模拟通信中，电信号在信道上传送的过程中受到的电气干扰很难消除，使得通信质量变坏。 数字通信在接收端只要干扰信号不是大到使“有电脉冲”和“无电脉冲”都分不出来的程度，就不会影响通信质量。 通信距离远，通信质量受距离的影响小 模拟信号在传送中能量会逐渐发生衰减，放

6、大器会把有用的信号和无用的杂音一起放大，限制了通信距离。 数字通信可把受到干扰的电脉冲再生成原来没有受到干扰的那样，使失真和噪音不易积累。通信距离可以达到很远。,18,数字通信系统的优点,保密性好 模拟通信传送的电信号，加密比较困难。 而数字通信传送的是离散的电信号，可以方便地进行加密处理。 通信设备的制造和维护简便 数字通信的电路主要由电子开关组成，很容易采用各种集成电路，体积小、耗电少。 能适应各种通信业务的要求 各种信息（电话、电报、图像、数据以及其它通信业务）都可变为统一的数字信号进行传输，而且可与数字交换结合，实现统一的综合业务数字网。,19,通信系统的分类,业务类型分 语音通信和非

7、语音通信 电话 vs 互联网 传输方式分 基带传输和频带传输 市话系统 vs 广播系统 信号类型分 模拟信号和数字信号 无线电广播 vs 计算机网络 信道类型分 无线通信和有线通信,20,主要内容,通信系统模型 通信系统分类 通信方式 通信系统的主要性能指标 信息及其度量 信道与信道容量 通信介质,21,通信方式,串行传输、并行传输 RS232；RS485；IEEE1284 IEEE1284 (SPP, EPP, ECP) 同步传输、异步传输 单工、半双工、全双工传输,22,通信方式,串行传输和并行传输 串行传输 数据一位接一位地在一条信道上传输。收发双方要保持位同步和字符同步。 收发双方只需

8、要一条传输通道。实现容易，是一种常用传输方式。 并行传输 一个字符的所有比特同时传送，每一位单独使用一条通道。常用于现场通信或计算机与外设之间的数据传输。,23,异步传输,异步传输方式中每一个字符的发送都是独立和随机的，以不均匀的速率传输，如键盘输入 为了实现异步传输，需要每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束以便接收方捕捉信息。传输方式简单，但需要额外附加代价。 在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位(高电平)。接收方根据“1”至“0”的跳变来判断一个新字符的开始，然后接收字符中的所有位。,24,同步传输,同步传输中，收发双方具有同步的时钟，数据的传输由定时信号控制。通信设备从接收信号

9、中提取出定时信号，接收同步的数据。 以数据块(数据帧)为传输单位。传输操作双方动作呼应。 为使接收双方能判别数据块的开始和结束，需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧。,25,通信方式,单工、半双工和全双工传输 按照信号传输方向和时间的关系分为三类：单工传输、半双工传输和全双工传输。 单工传输：信号只能在一个方向传输， 半双工传输：信号可以在两个方向上传输，但不能同时传输，必须是交替进行。一个时间只能允许向一个方向传送， 全双工传输：信号可以同时在两个方向上传输。这种方案使用的信道也是一种双向信道。,26,主要内容,通信系统模型 通信系统分类 通信

10、方式 通信系统的主要性能指标 信息及其度量 信道与信道容量 通信介质,27,通信系统的主要性能指标,数据元素(Data element)或者信息元素 数据元素是数据通信中要发送的信息，它是表示信息的最小单位，即位 信号元素(signal element)或者码元 信号元素是数字信号的最小单元 信号元素承载着数据元素，用来传递数据元素的，它是信息的载体，而数据元素则是被承载。(汽车载人的关系) 根据通信设计的需要，一个信号元素或者码元可以承载1个或多个数据元素,1,1,0,11,10,01,28,通信系统的主要性能指标,有效性 传输速率 码元速率（传码率）RB：单位时间传输的码元数目，单位是 “

11、码元/s”或者”波特”。所以码元速率也成为波特率。 信息速率（比特率）Rb ：单位时间传输的信息数目，单位是bit/s。 数据通信的目标是为了降低信号速率而增加数据速率 一个二进制码元的信息量为1bit。M进制码元传输中,每个码元包含log2M bit的信息，因此有,bit/s,29,通信系统的主要性能指标,可靠性 差错率 误码率：错误接收码元数/总码元数 误比特率：错误的接收比特数/总的比特数 对误比特率的要求与所传输的信号有关，如传输数字电话信号时，要求误比特率在10-310-6之间，而传输计算机数据则要求误比特率小于10-9,30,主要内容,通信系统模型 通信方式 通信系统的主要性能指标

12、 信息及其度量 信道与信道容量 通信介质,31,单个消息的信息及其度量,信源输出的消息是随机的。即在未收到消息之前，是不能肯定信源到底发送什么样的消息。 通信的目的也就是要使接收者在接收到消息后，尽可能多的消除接收者对信源所存在的不定度 因此这个被消除的不定度实际上就是在通信中所要传送的信息量。,32,单个消息的信息及其度量,根据前面分析，可知，事件发生的不确定性是与事件发生的概率有关。 事件发生的概率越小，猜测它的难度就越大，不确定度也越大。 事件发生的概率越大，猜测它的难度就越小，不确定性就越小。 因此，事件的信息量应该是该事件发生的先验概率的函数。 称 表示事件ai发生所含有的自信息量。

13、,33,单个消息的信息及其度量,函数 应当满足如下条件： 1.是先验概率的单调递减函数。 2. P=1时，I=0; P=0时， I=无穷 3. 两个独立事件的联合信息应当是他们分别的信息量之和。 满足上述条件的函数形式如下： 因此，信源的每个输出ai所传递的信息定义为该输出的自信息量I(ai)，它应当是该信息出现概率的函数。可由 log(pi)给出。,当对数以2为底时，则信息量的单位为比特(bit);对数以e为底时，信息量单位为奈特(nit);,当信源输出n个独立输出时，该如何计算这n个输出组成的信息量？,34,信源的信息及其度量多个消息,假设某信息源输出的信息其取值范围（a1, a2, ai

14、）是有限的或可数的，信源的信息量可以定义为所有输出的自信息量的数学期望值： 信源的信息量称为信源的熵H(X) 通常对数的底数取2，则熵的单位为 比特/符号 0log0 0,35,二进制熵函数 P为0或1时，二进制无记忆源的熵为零，此时的信息是确定的、完全可预测的. 当概率为0.5时，熵最大，为1。此时，信息的不确定性最大。 熵是信息的不确定性度量,信息及其度量的举例,36,例1 一个离散无记忆的信号源，字符集大小为N，信源的输出是等概率的，求此信源的熵 例2 一个带宽为4000Hz的信源以奈奎斯特速率采样，采样序列可以建模为一个字符集-2, -1, 0, 1, 2的离散无记忆信源，相应的概率为

15、1/2, , 1/8, 1/16, 1/16,求信源的速率（bps）,信息及其度量的举例,37,例1,38,例2,39,作业 某离散信源由“0” “1” “2”和“3”四个符号组成，其发生的概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8，求消息2013021103200120033020320102223的信息量。,信息及其度量的举例,40,思考题,设有12个形状完全相同的球，其中一个球的重量与其他球不同(不知是轻还是重)，其它球均等重。为了用天平(无砝码)称出这个不同重量的球，问至少必须多少次？ 提示： 所需次数=（总的不确定信息量）/ (天平测一次消除的不确定性信息量),41,答案,42,主要内

16、容,通信系统模型 通信方式 通信系统的主要性能指标 信息及其度量 信道与信道容量 通信介质,43,信道与信道容量,信道（channel） 狭义信道 发信机和收信机间传输信息的媒介或通道 广义信道 编码信道：所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。 调制信道：所谓调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的部分,44,信道与信道容量,信道（channel） 狭义信道 发信机和收信机间传输信息的媒介或通道 广义信道 编码信道：所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。 调制信道：所谓调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的部分 信道传输损耗：信号能量在信道中传输过程会受到消减，不同的信道对信号损耗的影响也不相同。,信道可以提供的最大传输能力如何？,45,香农(Shannon),1938年香农在MIT获得电气工程硕士学位 ，硕士论文奠定了数字电路的理论基础。被誉为“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。” 1940年香农在MIT获得数学博士学位，而他的博士论文是关于人类遗传学的，题目是理论遗