《信息传输原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信息传输原理（205页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,信息传输原理,2,第一章 概论 1.1 通信的发展 古代通信的起源 两类通信方式 近代通信的发展,通信-信息传输的狭义概念,3,1.2 消息、信息和信号 消息：语音、文字、图形、图像 信息：消息的有效内容不同消息可有相同内容 信号：传输消息的手段（媒介）通信系统中传输的是信号,4,信息的度量：*制定度量方法考虑的原则货 物 消 息货运量 信息量有多种 有多种和种类无关 和类型无关和贵重程度 和重要程度无关 无关总量是单件 总量是单件独立货运量之和 消息的信息量之和,5,*制定度量信息的方法# 消息“量” 信息量# 例：“明天降雨量将有一毫米” - 信息量小“明天降雨量将达到一米” - 信息
2、量大“明日太阳将从东方升起” - 信息量零# 信息量 I = I P(x) ，P(x) - 发生概率# 定义：I = loga 1/P(x) = -logaP(x)# 通常取 a = 2, 此时单位为“比特”。# 对于一个等概率、二进制码元：I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/2) = 1 比特,6,# 对于一个等概率、M进制码元：I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/M) = log2 M 比特若 M = 2k ，则 I = k 比特,7,1.3数字信息传输1.3.1基本概念 两类信号 模拟信号：取值连续，例如语音 数字信号：取值离散，例如数据,8,模拟
3、信号与数字信号,9,两类信息传输系统 模拟信息传输系统要求 高保真度准则 信号噪声功率（电压）比手段 参量估值方法 数字信息传输系统要求 正确准则 错误率手段 统计判决理论,10,1.3.2 数字信息传输的优点 取值有限，能正确接收。,11,可采用纠错和检错技术，大大提高抗 干扰性。可采用高保密性能的数字加密技术。 可综合传输各种模拟和数字输入信号 易于设计、制造，体积小、重量轻。 可作信源编码，压缩冗余度，提高信 道利用率。 信噪比随带宽按指数规律增长。,12,1.3.3 数字信息传输系统模型,13,模拟通信系统模型,发送端,接收端,噪 声,14,1.3.4 数字信息传输系统的主要性能指标,
4、有效性和可靠性的关系（速度质量） 传输速率： 码元速率RB 波特 信息速率：Rb 比特/秒对M进制：Rb = RB log2 M 消息速率：RM 错误率： 误码率Pe = 错误接收码元数/传输码元总数 误比特率Pb = 错误接收比特数/传输总比特数,15,误字率Pw = 错误接收字数/总传输字数 误码率和误比特率的关系Pb = Pe x M / 2(M-1) Pe /2 误字率和误比特率的关系对于二进制，若一个字由k比特组成，则Pw1 (1 Pe)k 频带利用率 能量利用率,16,1.4 信 道1.4.0 信道的定义：,17,1.4.1 无线信道 无线电通信的起源 电磁波发射对波长的要求 频段
5、（波长）划分,18,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用(kHz)3 30 甚低频(VLF) 远程导航、水下通信 (10-100 km) 声纳、授时30 300 低频(LF) 导航、水下通信 (1-10 km) 无线电信标 300 3000 中频(MF) 广播、海事通信、(100-1000m) 测向、遇险求救、 海岸警卫,19,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用(MHz)3 30 高频(HF) 远程广播、电报、电话、飞机 (10-100m) 与船只间通信、船岸通信、 业余无线电 30 300 甚高频(VHF) 电视、调频广播、陆地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽车、 警
6、察、导航、飞机通信 300 3000 特高频(UHF) 电视、蜂窝网、微波链路、(分米波） 无线电探空仪、导航、卫星 通信、GPS、监视雷达、无线电高度计,20,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用(GHz)3 30 超高频(HF) 卫星通信、无线电高度计、（厘米波） 微波链路、机载雷达、气象 雷 达、公用陆地移动通信 30 300 极高频(VHF) 铁路业务、雷达着陆系统、（毫米波） 实验用 300 3000 亚毫米波 实验用 （0.1 1 mm）,21,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用(THz)43 430 红外线 光通信系统(7 0.7 m)430 750 可见光 光
7、通信系统(0.7 0.4 m)750 3000 紫外线 光通信系统(0.4 0.1 m) 注：kHz = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz, THz = 1012 Hz, mm = 10-3 m, m = 10-6 m,22,电磁波传播：地波、天波、视线传播,23,地 波,频率：2MHz 以下 绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时 传输距离：可达数百数千 km,24,D层：高60 80 km E层：高100 120 km F层：高150 400 km F1层：140 200 km F2层：250 400 km 晚上：D层、F1层消失E层、F2层减弱,电离层的结构
8、,25,天 波电离层高度：60 300 km 单跳最大距离：4000 km 多跳可以环球 频率：2 30 MHz,26,频率： 30 MHz 传播距离: d2 + r2 =(h+r)2, 或h D2/50 (m) 式中 D km,视线传播,h,r,地面,27,无线电中继,28,静止卫星中继传输,29,平流层中继传输,HAPS(High Altitude Platform Station),30,大气对电磁波传播的影响,31,散射通信,电离层散射 频率: 30 60 MHz 对流层散射 频率: 100 4000 MHz 流星余迹散射 频率: 30 100 MHz,32,蜂窝网,33,1.4.2
9、有线信道 明线 对称电缆 同轴电缆,图1.4.8 同轴电缆截面示意图,34,有线电信道电气特性,35,光纤 结构 损耗,36,1.4.3 信道模型 调制信道模型: 对于单“端对”信道eo(t) = f ei(t) + n(t)式中 ei(t) 输入的已调信号；eo(t) 输出信号；n(t) 加性噪声，它与ei(t)相互独立。f ei(t) 与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。,37,编码信道模型: 二进制信号、无记忆信道，其中，P(0/0), P(1/1) 正确转移概率P(0/1), P(1/0) 错误转移概率转移概率 决定于编码信道的特性P(0/0) = 1 - P(1/0)P(1
10、/1) = 1 - P(0/1),38,四进制,39,1.5 信道中的噪声,按照来源分类： 人为噪声：电火花、家用电器 自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声 按照性质分类： 脉冲噪声 窄带噪声 起伏噪声 今后讨论信息传输系统时主要涉及：白噪声 热噪声是一种典型白噪声。,40,第一章 信息与信息系统,1.1 信息与信息量,41,熵的定义：设：信源 X 能发出n个不同的消息x1, x2, , xi, , xn， 则定义熵为信源的平均信息量 H(X)：式中，I (xi) = - log2 P(xi) (b) I (xi)表示消息 xi含有的信息量 熵H(X)可以理解为信源的平均不确定度。,42,二进制信
11、源的熵 设： 信源仅有“0”和“1”两种消息。发送“1”的概率P(1) = ，则 发送“0”的概率P(0) = 1 - = 信源的熵等于若一个消息是一个码元，则熵H()的单位：比特 / 码元H() 曲线 当 = 1/2时，此信源的熵最大；这时的两个消息是等概率出现的，其不确定度最大。 当 1/2时，一个消息比另一个消息更可能出现，因此不确定度减小。 若 或 等于0，则不确定度为0。,43,n 进制信源的熵 设：信源有n种可能出现的消息，并用Pi表示第i个消息的 出现概率，则由熵的定义可以写出此信源的熵 熵的最大值：令上式对Pk的导数等于0，求H的最大值。由于故当Pk变时， 可仅使Pn随之变化，
12、并保持其他Pi为常数。于是得到利用求导数公式上式变为或,44,令等于0，就可以求出H的最大值。当Pk = Pn，上式等于0。由于Pk是任意一个消息的出现概率，所以有将上式代入得到H的最大值：,45,1.2 离散信道模型 二进制无记忆编码信道的模型信道的特性：由下列信道转移概率矩阵所完全确定式中，P(yj /xi) 发送 xi ，收到 yj 的条件概率。信道输入和输出概率关系若输入概率矩阵为则由可以计算出,46,输入输出的联合概率矩阵P(X, Y)将P(X)写成对角线形式：并与相乘，得到联合概率矩阵P(X, Y)：式中， 发送 xi 收到 yj 的联合概率,47,例1：设有一个二进制信道，如图所
13、示，其转移矩阵为：若信道输入的概率为试求输出概率矩阵P(Y)和联合概率矩阵P(X, Y)。解 输出概率矩阵:联合概率矩阵:,48,1.3 联合熵和条件熵设：一信道有n个可能输入和m个可能输出，则可用输入概率P(xi)，输出概率P(yj)，转移概率P(yj/xi)和联合概率P(xi, yj)定义下列不同的熵函数： 信源的平均不确定度； 接收码元的平均不确定度；给定发送X后接收码元的平均不确定度； 收到一个码元后发送码元的平均不确定度；整个通信系统的平均不确定度。 联合熵公式：,49,1.4 无噪声信道容量 互信息量 I (X; Y) 定义：在收到发送码元后，此发送码元的平均不确定度的下降量式中， H(X) 信源的平均不确定度； H(X / Y) 收到一个码元后发送码元的平均不确定度上式可以改写为性质： 信道容量C 定义：互信息量的最大值 （b/码元） 性质：C 仅是信道转移概率的函数；C是一个码元能够传输的最大平均信息量。,50,例2：试求下图中的无噪声离散信道的容量。【解】 由式 及式可知，对于无噪声信道，当 i j 时， P(xi, yj) = 0, P(xi / yj) = 0;当 i = j 时，P(xi / yj) = 1。因此，H(X / Y) = 0，I(X; Y) = H(X)若信源中所有码元是等概率的，则信源的熵H(X)最大。因此，,51,
