通信原理 第1章 绪论

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1、1.1 通信的基本概念1.2 通信系统的组成1.3 通信系统分类与通信方式1.4 信息及其度量1.5 通信系统的主要性能指标,从古到今，人类的社会活动总离不开消息的传递和交换,第一节 通信的基本概念,古代的消息树、烽火台和驿马传令,现代的电通信、光通信固定电话,手机,广播电视,通信的内容：信息的传输、复用、交换、网络 本课程涉及：信息的传输、复用、网络 本课程重点：传输原理,消息：信号：信息：通信：,第一节 通信的基本概念,概念区分：,通信系统传送的对象。如语音、图像、文字等,消息的载体。如电信号、光信号等。,消息中有意义的内容。,消息的传递。,一、通信系统的一般模型,第二节 通信系统的组成,

2、消息,连续（模拟）消息模拟信号模拟通信系统,离散（数字）消息数字信号数字通信系统,二、模拟通信与数字通信模型,第二节 通信系统的组成,1、模拟通信系统模型:,二、模拟通信与数字通信模型,第二节 通信系统的组成,模拟通信系统的一个例子是中波广播电台，发射频率为1450KHz。,二、模拟通信与数字通信模型,第二节 通信系统的组成,信,息,源,加,密,器,信 道编码,调,制,器,信,道,解,调,器,信道译码,解,密,器,受,信,者,噪声源,2、数字通信系统模型:,二、模拟通信与数字通信模型,第二节 通信系统的组成,接 收 滤 波 器,基 带 信 号 形 成,信 源 编 码,信 源 译 码,数字通信系

3、统的例子：,二、模拟通信与数字通信模型,第二节 通信系统的组成,应当指出：也可将模拟信号变成数字信号传输。,数字通信的优点,抗干扰能力强,传输差错可以控制,可使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理,可以加密,在同一个通信网里，可以传递各种消息,2、数字通信系统模型:,二、模拟通信与数字通信模型,第二节 通信系统的组成,数字通信的缺点：传输带宽较大,第三节 通信系统分类与通信方式,一、通信系统的分类,按业务种类分电话通信系统、电报通信系统、数据通信系统等。 (2) 按是否调制分基带（如RS232（COM）、频带传输（调制传输）（如音频电话）,表 1- 1常见的调制方式,续表 2,载波调制,(

4、3) 按信道所传信号分数字通信系统、模拟通信系统。 (4)按传输媒体分有线通信：光缆、电缆（电线）。无线通信：微波、短波、移动、卫星、散射等。,第三节 通信系统分类与通信方式,一、通信系统的分类,(5)按照工作波段分长波通信、中波通信、短波通信、远红外通信等。 (6)按信号复用方式分频分复用：不同信号占据不同的频率范围时分复用：不同信号占据不同的时间区间码分复用：正交脉冲序列携带不同信息。,第三节 通信系统分类与通信方式,一、通信系统的分类,表 1 2 通信波段与常用传输媒质,续表（2）,1、点点通信时，按消息传输的方向与时间关系分：,单工,第三节 通信系统分类与通信方式,二、通信方式,半双工

5、,1、点点通信时，按消息传输的方向与时间关系分：,第三节 通信系统分类与通信方式,二、通信方式,全双工,1、点点通信时，按消息传输的方向与时间关系分：,第三节 通信系统分类与通信方式,二、通信方式,2、按数字信号码元序列排列，有串行、并行通信传输之说：,串行传输,第三节 通信系统分类与通信方式,二、通信方式,并行传输,2、按数字信号码元序列排列，有串行、并行通信传输之说：,第三节 通信系统分类与通信方式,二、通信方式,第四节 信息及其度量,一、信息的度量,例题1： 明天太阳将从东方升起； 明天太阳将从西方升起 。,第一条几乎没有带来任何信息， 第二条带来了大量信息。,信息是消息中有意义的内容。

6、 信息量就是对消息中这种不确定性的度量。,相同的消息可以有不同的形式。,分析：事件越不可能，信息量越大信息量与消息概率反向变化 P(x)1时， I0； P(x)0时， I ,第四节 信息及其度量,一、信息的度量例题2： “今年冬天比去年冬天更冷些!” “今年冬天和去年夏天一样热!”第一条带来较少信息， 第二条带来了大量信息。,结论：1、信息量是概率的函数， 即2、P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)1时，I0； P(x)0时， I3、若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,

7、第四节 信息及其度量,一、信息的度量,综上所述，信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为,a = 2 单位为比特（bit）（常使用）a = e 单位为奈特（nat）a = 10 单位为哈特莱(也称笛特（Det）)或称十进制单位,第四节 信息及其度量,一、信息的度量,P=1/2(传送等概的二进制波形之一）时的信息量为1比特； P=1/4(传送等概的四进制波形之一）时的信息量为2比特； P=1/8(传送等概的八进制波形之一）时的信息量为3比特；,第四节 信息及其度量,二、等概离散无记忆信源的信息量,对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，

8、则传送M进制波形之一的信息量为,I=log2 =log2 =log2 M(bit),上式中， P为每一个波形出现的概率， M为传送的波形数。 若M是2的整幂次，比如M=2K（K=1，2，3， ），则上式可改写为,第四节 信息及其度量,二、等概离散无记忆信源的信息量,式中, K是二进制脉冲数目，也就是说，传送每一个M（M=2K）进制波形的信息量就等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目K。,I=log2 2K=K (bit),H(x)=-P(x1)log2P(x1)-P(x2)log2P(x2) - - P(xn)log2P(xn)=,由于H同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为信息源的熵，其单

9、位为bit/符号,如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1, 2, 3, , n)出现的概率为P(xi)， 且有 P(xi)=1,则x1, x2, , xn 所包含的信息量分别为-log2P(x1), -log2P(x2)，-log2P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为,第四节 信息及其度量,三、非等概离散信源的信息量,当信源中每个符号等概独立出现时，上式即成为等概时的信息量计算公式， 此时信源的熵有最大值。,H(x)=-P(x1)log2P(x1)-P(x2)log2P(x2)-P(xn)log2P(xn)=,I=log2

10、 =log2 =log2 M(bit),等概率,第四节 信息及其度量,三、非等概离散消息的信息量,例 1 - 2一离散信源由0， 1， 2， 3四个符号组成，它们现的概率分别为3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求下面消息的平均信息量（信息熵）。 201020130213001203210100321010023102002010312032100120210,第四节 信息及其度量,解：方法一：用熵的概念来计算，,每个符号的算术平均信息量为,可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时， 用熵概念来计算比较方便。 而且随着消息序列长度的增加， 两种算误差将趋于

11、零。,第四节 信息及其度量,方法二：利用信息量的概念计算，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，故该消息的信息量为,以上我们介绍了离散消息所含信息量的度量方法。 对于连续消息呢？,第四节 信息及其度量,第五节 主要性能指标,从传输角度看，通信系统的主要性能指标：1、有效性：在给定信道内所传输的信息内容的多少。（速度） 2、可靠性：接收信息的准确程度。（质量）二者是一对矛盾。,第五节 主要性能指标,1、有效性（速度指标）：用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。2、可靠性（质量指标）：用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制

12、方式在同样信道噪声下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。 ,一、模拟通信系统的性能指标,有效性（速度指标）： （1）码元传输速率RB,第五节 主要性能指标,二、数字通信系统的性能指标,又称符号速率，简称传码率。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。 例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。 数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:,有效性（速度指标）： （2）信息传输速率Rb,第五节 主要性能指标,二、数字通信系统的性能指标,又称比特率，简称传信率。它

13、表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。,有效性（速度指标）： （3）码元传输速率RB与信息传输速率Rb关系 ,Rb=RBH (b/s),式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。 等概传输时，熵有最大值log2M，信息速率也达到最大，即,Rb=RB log2 M (b/s),第五节 主要性能指标,二、数字通信系统的性能指标,每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即,或,例如：码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，信息速率为12

14、00b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。 ,式中，M为符号的进制数。,有效性（速度指标）： （3）码元传输速率RB与信息传输速率Rb关系,第五节 主要性能指标,二、数字通信系统的性能指标,比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率：,或者是单位频带内的信息传输速率：,有效性（速度指标）： （4）频带利用率 ,第五节 主要性能指标,二、数字通信系统的性能指标,（2）误信率 Pb又叫信息差错率，是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例， 即,2、可靠性（质量指标）： （1）误码率Pe 又叫码元差错率，是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即 ,第五节 主要性能指标,二、数字通信系统的性能指标,二进制时Pb=Pe?,作业： 1.4 1.5 1.6 1.9,