通信原理第1章

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1、课程类型：课程类型：专业基础课学学 时：时：40参考教材：参考教材：现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社通信原理，樊昌信，国防工业出版社通信系统原理教程，王兴亮，西安电子科技大学出版社考考 核：核：平时成绩30（作业、课堂、考勤）期末考试70（闭卷）第1章 概述 1.1 通信的发展 1.2 通信的概念 1.3 通信系统 1.4 信息论基础 1.5 通信系统的主要性能指标 1.1 通信的发展 1.1.1 通信发展简史1838年，摩尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段 1864年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论 1876年，贝尔利用电磁感应原理发明了电话 1888年，赫兹用实验证明电磁理论，促使后来无线

2、通信的出现 1896年，马可尼发明无线电报 1937年，雷沃斯发明脉冲编码调制，奠定了数字通信基础 1946年，第一台数字电子计算机问世 1947年，晶体管在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件 1948年，香农提出了信息论，建立了通信统计理论 1961年，发明集成电路 20世纪80年代，计算机局域网出现 20世纪90年代，蜂窝电话系统开通1.1.2 通信技术的发展与展望电缆通信 （有线）微波中继通信 （无线）光纤通信 （有线）卫星通信 （无线）移动通信 （无线）1.2 通 信 的 概 念 1.2.1 通信的定义通信(Communication)就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息

3、的传输与交换，其目的是传输消息。1.2.2 通信的分类1. 按传输媒质分类按传输媒质的不同， 通信可分为有线通信和无线通信。 有线通信特点是媒质能看得见，摸得着。无线通信特点是传输媒质看不见、摸不着。 2. 按信道中传输的信号分类模拟信号是指信号的某一参量有无限个取值。数字信号是指信号的某一参量只有有限个取值。参量可以是连续波的振幅、频率、相位或是脉冲波的振幅、宽度、位置等。3. 按工作频段分类根据通信设备的工作频率不同，可分为长波通信、 中波通信、短波通信、微波通信等。通信的中工作频率和工作波长可互换， 公式为 式中, 为工作波长；f为工作频率；C为电波在自由空间中的传播速度，通常认为C=3

4、108 m/s。 4. 按调制方式分类根据消息在送到信道之前是否采用调制，通信可分为基带传输和频带传输。基带传输：信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的通信方式；频带传输：信号经过调制后再送到信道中传输，接收端有相应解调措施的通信方式。常用的调制方式 1.2.3 通信的方式1. 按消息传送的方向与时间分类按消息传送的方向与时间不同，可分为单工通信、 半双工通信及全双工通信。 （a） 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式 2. 按数字信号排序分类按照数字信号排列的顺序， 分为串序传输和并序传输。串序传输：数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的通信方式；并序传输：数字信

5、号序列被分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输。 按数字信号排序划分的通信方式 (a) 串序传输方式 ； (b) 并序传输方式 3. 按通信网络形式分类通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分 支方式和交换方式。 (a) 两点间直通方式； (b) 分支方式； (c) 交换方式 分支方式及交换方式均属网通信的范畴。无疑，它们和两点间直通方式相比，还有其特殊的一面。例如，网通信中有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等，其中既有信息控制问题，也有网同步问题等，尽管如此，网通信的基础仍是点与点之间的通信。 因此，本书只把注意力集中到点与点之间的通信上，而对网通信只限于基础知识

6、介绍。 1.3 通信系统 1.3.1 通信系统的模型1.3.2 模拟通信系统1.3.3 数字通信系统1. 数字频带传输通信系统2. 数字基带传输通信系统 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。3. 模拟信号数字化传输通信系统在日常生活中，大部分信号(如语音信号)为连续变化的模拟信号，要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需进行相反的转换，即D/A转换。1.3.4 数字通信的主要优点和缺点 1. 数字通信的主要优点(1) 抗干扰、抗噪声性能好。(2) 差错可控。 (3) 易加密。(4) 易于与现

7、代技术相结合。2. 数字通信的主要缺点数字通信相对于模拟通信来说，主要有以下两个缺点：(1) 频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带较宽。以电话为例，一路数字电话一般要占据约2060 kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4 kHz的带宽。(2) 需要严格的同步系统。数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求接收端和发送端保持严格同步。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。1.4 信 息 论 基 础 1.4.1 信息的度量“信息”(information)与消息(message)信息：消息中包含的有意义的内容；传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。对接收者来说，事件愈不可

8、能发生，愈会使人感到意外，则信息量就愈大。 由概率论可知，事件的不确定程度可用事件出现的概率来描述，事件出现(发生)的可能性愈小，概率愈小；反之，概率愈大。因此，消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关，消息出现的概率愈小，消息中包含的信息量就愈大，且概率为零时(不可能发生事件)信息量为无穷大， 概率为1时(必然事件)信息量为0。 综上所述，可以得出消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系应反映如下规律： (1) 消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数， 即 I=IP(x) (2) 消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大，反之信息量愈小，即 P=1时 I=0P=0时 I= (3) 若干

9、个互相独立事件构成的消息， 其所含信息量等于各独立事件信息量的和， 即 可以看出，I与P(x)间若满足以上三点， 则它们有如下关系式： 信息量I的单位与对数的底数a有关：a=2 单位为比特(bit，或b)；a=e 单位为奈特(nat，或n)；a=10 单位为笛特(Det)或称为十进制单位；a=r 单位称为r进制单位。 【例】 试计算二进制符号等概率和多进制(M进制)等概率时每个符号的信息量。解：二进制等概率时，即P(1)=P(0)=1/2M进制等概率时，有 P(1)=P(2)=P(M)=1/M (M进制单位) =log2M (bit) 【例】 试计算二进制符号不等概率时的信息量(设P(1)=P

10、)。 解 P(1)=P， 故P(0)=1-P，则 可见, 不等概率时， 每个符号的信息量不同。 1.4.2 平均信息量平均信息量等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率之和。 二进制时： 把P(1)=P代入，则 下面计算多个信息符号的平均信息量。设各符号出现的概率为 则每个符号所含信息的平均值(平均信息量)为 由于平均信息量同热力学中的熵形式相似，故通常又称它为 信息源的熵，平均信息量的单位为bit/符号(比特/符号)。当离散信息源中每个符号等概出现，而且各符号的出现为统计独立时，该信息源的信息量最大。此时最大熵（平均信息 量）为 例 设由5个符号组成的信息源， 其相应概率为 试求信源的平均信息

11、量I。 解 5个符号等概率出现时 【例】 一信息源由4个符号A、B、C、D组成，它们出现的概率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求信息源输出为 CABACABDACBDAABDCACBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。解：信源输出的信息序列中，A出现23次，B出现14次，C出现13次，D出现7次，共有57个。则出现A的信息量为 出现B的信息量为 出现C的信息量为 出现D的信息量为 该信息源总的信息量为 I=30.11+28.35+27.72+21.18=107.36 (bit)每一个符号的平均信息量为 上面计算中，

12、我们没有利用每个符号出现的概率来计算，而是用每个符号在57个符号中出现的次数(频度)来计算的。 实际上，用平均信息量公式直接计算可得 总的信息量为 I=571.90=108.30 (bit) 可以看出，本例中两种方法的计算结果是有差异的，原因就是前一种方法中把频度视为概率来计算。当信源中符号出现 的数目m时，则上两种计算方法结果一样。 当57个符号等概率出现时 1.5 通信系统的主要性能指标 1.5.1 一般通信系统的性能指标有效性和可靠性。有效性是指要求通信系统高效率地传输消息。 可靠性是指要求通信系统可靠地传输消息。两者是相互矛盾的。1.5.2 通信系统的有效性指标 1. 码元传输速率RB

13、又可称为码元速率、数码率、传码率、 码率、信号速率或波形速率。码元速率是指单位时间(每秒钟)内传输码元的数目，单位为波 特(Baud)， 常用符号“B”表示(注意，不能用小写)。例如，系统在2s内共传送了4800个码元，则系统的传码率为2400B。 码元速率RB与信号的进制数无关，只与码元宽度Tb有关。 通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制， 多进制(N)码元速率RBN与二进制码元速率RB2，在保证系统信息速率不变的情况下可相互转换，转换关系式为 RB2=RBNlog2N (B) 式中，N=，k=2, 3, 4 2. 信息传输速率又可称为信息速率、传信率、比特率等。指单位时间(每秒钟

14、)内传送的信息量，单位为比特/秒(bit/s)，简记为b/s或bps。例如，若某信源在1秒钟内传送1200个符号，且每一个符号的平均信息量为1(bit)，则该信源的 =1200b/s或1200 bps。因为信息量与信号进制数N有关，因此， 也与N有关。 3.Rb与RB之间的互换在二进制中，码元速率RB2同信息速率Rb2在数值上相等， 但单位不同。 在多进制中，RBN与RbN之间数值不同，单位亦不同。它们之间在数值上有如下关系式: (1-9) 在码元速率保持不变的条件下，二进制信息速率Rb2与多进制信息 速率RbN之间的关系为 (1-10) 【例】 已知二进制数字信号在2min内共传送了72 0

15、00个码元，(1) 问其码元速率和信息速率各为多少? (2) 如果码元宽度不变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号，则其码元速率为多少? 信息速率又为多少? 解： (1) 在260s内传送了72 000个码元 (2) 若改为八进制 4.频带利用率频带利用率指的是传输效率问题。如果频带利用率高，说明通信系统的传输效率高，否则相反。频带利用率的定义是单位频带内码元传输速率的大小，即 (1-11) 频带宽度B的大小取决于码元速率RB，而码元速率RB与信息速率有确定的关系。因此，频带利用率还可用信息速率Rb 的形式来定义，以便比较不同系统的传输效率， 即 (1-12) 1.5.3 通信系统的可靠性指标 (1) 码元差错率码元差错率Pe简称误码率，它是指接收错误的码元数在传送总码元数中所占的比例。2. 信息差错率Pb信息差错率Pb简称误信率，或误比特率，它是指接收的错误信息量在传输的信息总量中所占的比例。