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1、通信原理通信原理_樊昌信第樊昌信第 1 1 章章本文由 zzuzpb 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。通信原理第 1 章 绪论 章第 1 章 绪论 章1. 1 通信的基本概念通信的目的：传递消息中所包含的信息。 消息：是物质或精神状态的一种反映，例如 语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像 等。 信息：是消息中包含的有效内容。 实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台 电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、 因特网和计算机通信等。第 1 章 绪论 章电信发明史1837 年：莫尔斯发明有线电报 1876 年：贝尔发
2、明有线电话 1918 年：调幅无线电广播、超外差接收机问世 1936 年：商业电视广播开播 后面讲述中， “通信”这一术语是指“电通信” ， 包括光通信，因为光也是一种电磁波。 在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实 现的。第 1 章 绪论 章1.2 通信系统的组成1.2.1 通信系统的一般模型信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信 号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。 发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。 信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理 媒质。分为有线信道和无线信道两大类。 噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。第 1 章 绪论 章接收设备：从受到减
3、损的接收信号中正确恢复出原始电 信号。 受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如 扬声器等。第 1 章 绪论 章1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟信号和数字信号模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克 风输出电压：(a) 话音信号(b) 抽样信号 图 1-2 模拟信号tt第 1 章 绪论 章数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电 报信号、计算机输入输出信号：t(a) 二进制信号 (b) 2PSK 信号 图 1-3 数字信号t通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号， 相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。第 1 章 绪论 章模拟通信系统模型
4、模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：图 1-4 模拟通信系统模型两种变换： 模拟消息 原始电信号（基带信号） 基带信号 已调信号（带通信号）第 1 章 绪论 章数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统图 1-5 数字通信系统模型信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性 完成模/数转换信道编码与译码目的：增强抗干扰能力 加密与解密目的：保证所传信息的安全 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致第 1 章 绪论 章1.2.3 数字通信的特点优点抗干扰能力强，且噪声不积累 传输差错可控 便于处理、变换、存储
5、 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输 易于集成，使通信设备微型化，重量轻 易于加密处理，且保密性好缺点：需要较大的传输带宽 对同步要求高第 1 章 绪论 章1.3 通信系统分类与通信方式1.3.1 通信系统的分类按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、 数据通信系统、图像通信系统 按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传 输系统调制传输系统又分为多种调制，详见书中表 1-1。按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统 按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通 信 按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分 复用第 1 章 绪论 章1.
6、3.2 通信方式单工、半双工和全双工通信单工通信：消息只能单方向传输的工作方式 半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收 发的工作方式全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式第 1 章 绪论 章并行传输和串行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方 ： 式在两条或两条以上的并行信道上同时传输同时发送 8 比特0 1 1 0 1 1 0 0发 送 方接 收 方优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施 缺点：需要 n 条通信线路，成本高第 1 章 绪论 章串行传输 ：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接 一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺
7、设费用 缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施其他分类方式：同步通信和异步通信 专线通信和网通信第 1 章 绪论 章1.4 信息及其度量信息：是消息中包含的有效内容 如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。 度量方法应该与消息的重要程度无关。 消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关 【例】 “某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这 条消息包含有更多的信息。 上例表明： 消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。第 1 章 绪论 章度量信息量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述： 消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越 大。 设：P
8、(x) 消息发生的概率， I 消息中所含的信息量， 则 P(x) 和 I 之间应该有如下关系：I 是 P(x) 的函数： I I P(x) P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1 时，I 0； P(x) = 0 时，I ； I P( x1 ) P( x2 ) L = I P( x1 ) + I P( x 2 ) + L满足上述 3 条件的关系式如下：I = log a 1 = ? log a P( x) P( x)信息量的定义第 1 章 绪论 章I = log a 1 = ? log a P( x ) P( x)上式中对数的底： 若 a = 2，信息量的单位称为比特(bit)
9、 ，可简记为 b 若 a = e，信息量的单位称为奈特(nat)， 若 a = 10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley) 。 通常广泛使用的单位为比特，这时有 1 (b) I = log 2 = ? log 2 P ( x )P( x)【例】 设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字 例 “0”或“1” ，则信源每个输出的信息含量为I (0) = I (1) = log 2 1 = log 2 2 = 1 (b) 1/ 2在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作 1 比特第 1 章 绪论 章若有 M 个等概率波形（P = 1/M） ，且每一个波形的出现 是独立的，则传送 M 进制波形之一
10、的信息量为I = log 2 1 1 = log 2 = log 2 M P 1/ M (b)若 M 是 2 的整幂次，即 M = 2k，则有I = log 2 2k = k(b)当 M = 4 时，即 4 进制波形，I = 2 比特， 当 M = 8 时，即 8进制波形，I = 3 比特。第 1 章 绪论 章对于非等概率情况 设：一个离散信源是由 M 个符号组成的集合，其中每个符 号 xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率 P(xi)独立出现，即? ? x1, x2 , L, xM P( x1 ) , P( x2 ) , L, P( xM ) ? ? ?且有 P(x ) =
11、1i =1 iM则 x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分别为log 2 P( x1 ) ， log 2 P( x2 ) ， ， log 2 P( xM ) ? L ?于是，每个符号所含平均信息量为H ( x) = P( x1 )? log2 P( x1 ) + P( x2 )? log2 P( x2 ) + L+ P( xM )? log2 P( xM ) = ? P( xi )lo g2 P( xi ) (比特 / 符号）i =1 M(1.4 ? 6)由于 H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵第 1 章 绪论 章【例 1】 一离散信源由“0” ， “1” ， “2”
12、 ， “3”四个符 例 号组成，它们出现的概率分别为 3/8，1/4，1/4，1/8， 且每个符号的出现都是独立的。试求某消息 2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210 的 信息量。 【解】此消息中， “0”出现 23 次， “1”出现 14 次， “2” 出现 13次， “3”出现 7 次，共有 57 个符号，故该消息的 I = 23log2 8 / 3 + 14 log2 4 + 13log2 4 + 7 log2 8 = 108 (b) 信息量I 108 I= = = 1.89 每个符号的算术平均信息量为 (比特
13、 / 符号） 符号数 57第 1 章 绪论 章若用熵的概念来计算：3 3 1 1 1 1 1 1 H = ? log 2 ? log 2 ? log 2 ? log 2 8 8 4 4 4 4 8 8 = 1.906 （比特/ 符号）则该消息的信息量I = 57 1 . 906 = 108 . 64 (b)以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处 理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存 在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而 减小。 当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。第 1 章 绪论 章连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。 可以证明，连续消息
14、的平均信息量为H ( x) = ? ?f ( x ) log a f ( x )dx式中，f (x) 连续消息出现的概率密度。第 1 章 绪论 章1.5 通信系统主要性能指标通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源 （频带宽度和时间间隔） ，或者说是传输的“速度” 问题。 可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的 “质量”问题。模拟通信系统：有效性：可用有效传输频带来度量。 可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。第 1 章 绪论 章数字通信系统有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。码元传输速率 RB：定义为单位时间（每秒）传送码 元的数目，单位为波特
15、（Baud） ，简记为 B。RB = 1 T ( B)式中 T 码元的持续时间（秒） 信息传输速率 Rb：定义为单位时间内传递的平均信 息量或比特数，单位为比特/秒，简记为 b/s ，或 bps第 1 章 绪论 章码元速率和信息速率的关系Rb = R B log 2 M (b/s)(B)或RB = Rb log 2 M对于二进制数字信号：M = 2，码元速率和信息速率 在数量上相等。 对于多进制，例如在八进制（M = 8）中，若码元速 率为1200 B， ，则信息速率为 3600 b/s。第 1 章 绪论 章频带利用率：定义为单位带宽（1 赫兹）内的传输 速率，即=或RB B(B/Hz)b =Rb Bb/(s ? Hz)可靠性：常用误码率和误信率表示。误码率Pe = 错误码元数 传输总码元数误信率，又称误比特率Pb = 错误比特数 传输总比特数在二进制中有Pb = Pe第 1 章 绪论 章1.6 小结通信的目的、 通信的目的、电信发明史 通信系统的模型 数字信号、模拟信号，基带信号、已调信号（带通信号、 数字信号、模拟信号，基带信号、已调信号（带通信号、 频带信号） 频带信号）数字通信特点 通信系统分类 单工、半双工、全双工通信， 单工、半双工、全双工通信，并行传输和串行传输 信息及其度量 通信系统的有效性和可靠性1
