通信原理(第1章)课件

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1、通信原理,茅正冲 13585001811,2,信息作为一种资源，只有通过广泛地传播与交流，才能产生利用价值、促进社会成员之间的合作、推动社会生产力的发展、创造出巨大的经济效益。,本门课程主要讨论信息的传输和交换的基本原理，即通信系统的基本原理，基本性质和基本的分析方法。,3,绪论,确知信号、随机信号、信道,模拟调制系统,模拟信号的数字传输,数字基带传输系统,数字频带传输系统,新型数字带通传输技术,差错控制编码,4,第1章 绪论,5,1.1 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

2、有效内容。 信号-信号是指随时间变化的物理量。因为消息不适合于在信道中直接传输，需将其调制成适合在信道中传输的信号。信号可以分为连续时间信号和离散时间信号 信息是指消息中所包含的有意义的内容，消息是信息的载体，消息又是以具体信号形式表现出来的。 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。,因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息。 “通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。,6,1.1 通信的基本概念,通信发展史 1837年电报开始的 通信初级阶段 1948年香农提出信息论开始的 近代通信阶段 80年代以后光纤通

3、信应用、综合业务数字网崛起的 现代通信阶段,7,1.1 通信的基本概念,通信初级阶段 1837年，摩尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段 1843年，亚历山大本取得电传打字电报的专利 1864年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论,并被当时的赫兹证明，促使了后来无线通信的出现 1876年，贝尔利用电磁感应原理发明了电话 1879年，第一个专用人工电话交换系统投入运行 1880年，第一个付费电话系统运营 1892年，加拿大政府开始规定电话速率 1896年，马可尼发明无线电报 1907年，电子管问世，通信进入电子信息时代 1915年，横贯大陆电话开通; 实现越洋语音连接 1918年，调幅无线电广播、超外差式

4、接收机问世 1925年，开通三路明线载波电话，开始多路通信 1936年，调频无线电广播开播 1937年，雷沃斯发明脉冲编码调制，奠定了数字通信基础 1938年，电视广播开播 20世纪40年代二战期间，雷达与微波通信得到发展 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,8,1.1 通信的基本概念,近代通信阶段 1948年，香农提出了信息论，建立了通信统计理论 1950年，时分多路通信应用于电话系统 1951年，直拨长途电话开通 1956年，敷设越洋通信电缆 1957年，发射第一颗人造地球卫星 1958年，发射第一颗通信卫星 1962年，发

5、射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；脉冲编码调制进入实用阶段 20世纪60年代，彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现 1969年，电视电话业务开通 20世纪70年代，商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系结构,9,1.1 通信的基本概念,现代通信阶段-通信革命 20世纪80年代，开通数字网络的公用业务；个人计算机和计算机局域网出现；网络体系结构国际标准陆续制定 20世纪90年代，蜂窝电话系统开通，各种无线通信和数据移动通信技术不断涌现；光纤通信得到迅速普遍的应用；国际互联网和多媒体通信技术得到极大发展，

6、 1997年，68个国家签定国际协定，互相开放电信市场,数据通信 计算机科学技术与通信技术相结合的产物 计算机以及各种数据设备之间经由数据通路（专线或通信网络）所进行的数据交换 计算机通信 指两台或多台“自治”的计算机之间的数据交换 不能“自治”的各种数据设备之间的数据交换属于数据通信，但不是计算机通信 数据/计算机通信的革命 始于20世纪70/80年代 90年代Internet普及与多媒体通信技术发展加速了变革 数据通信与计算机通信逐渐融合 通信产业与计算机产业日趋重合,10,1.2 通信系统组成,1.2.1 通信系统的一般模型,图 1-1 通信系统的一般模型,11,1.2 通信系统组成,1

7、.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型,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,图 1-2 模拟信号波形, 模拟信号和数字信号,12,1.2 通信系统组成,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,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。,13,1.2 通信系统组成, 模拟通信系统模型,经过调制后的信号成为已调信号;发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。因此，原始电信号又称为基带信号，而已调信号又称为频带信号。,14,1.2 通信系统组成, 数字通信系统模型,图 1-5 数字

8、通信系统模型,在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以不经过调制和解调过程而让数字基带信号直接进行传输，我们称之为数字信号的基带传输。与此相应，另外一些信道，比如在无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字信号的频带传输。,15,1.2 通信系统组成,1.2.3数字通信的特点,16,1.3 通信系统的分类与通信方式,1.3.1 通信系统的分类,17,1.3 通信系统的分类与通信方式,1.3.2 通信方式, 按消息传递的方向与时间关系分,单工通信,18,1.3 通信系统的分类与通信方式, 按码元排列顺序分,并行传输,

9、串行传输,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。,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。,1.3.2 通信方式,19,1.4 信息及其度量,一、离散消息的信息量,信息 是消息中包含的有效内容,消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。,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。,举例：两则消息 大陆和台湾统一； 今天下雨。 其中， 比 包含有更多的信息。,20,1.4 信息及其度量,度量信息量的方法： 事件的不确定程度可以用其出现的概

10、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(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，I , IP(x1)P(x2) = IP(x1)+IP(x2) ,满足上述4条件的关系式如下：,21,1.4 信息及其度量,当对数底 a = 2 时，信息量的单位为比特（bit） a = e 时，信息量的单位为奈特（nit） a = 10时，信息量的单位为哈特莱,通常广泛使用的单位为比特，这时有,22,1

11、.4 信息及其度量,例 1.4-1 已知二进制离散信源（0，1），若“0”出现的概率为1/3，求出现“1”的信息量。,解：由于全概率为1，即 P(0) + P(1) = 1 则出现“1”的概率P(1) = 2/3 故出现“1”的信息量为,bit,例 1.4-2 已知二进制离散信息源（0，1），每一符号波形等概率独立发送，求传送二进制波形之一的信息量。,解：由于每一波形出现的概率为 P(x) = 1/2， 故其信息量为,bit,23,1.4 信息及其度量,例 1.4-3 已知四进制离散信源（0，1，2，3），独立等概率发送，求传送每一波形的信息量。,解：由于每一波形出现的概率为 P(x) = 1

12、/4， 故其信息量为,bit,结论： 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 进制波形之一的信息量为, 若M是2的整幂次，即 M = 2k，则有,24,1.4 信息及其度量,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,则整个消息的信息量,式中：ni 为第 i 个符号出现的次数 P(xi)为第个符号出现的概率 n 为离散消息源的符号数目 n=n1+n2+nm,25,1.4 信息及其度量,例 1.4-4 一离散信源由 0，1，2，3 四个符号组成

13、，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201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。,解：在此消息中，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,26,1.4 信息及其度量,二、离散信源的平均信息量 H,所谓平均信息量是指信源中每个符号所含信息量的统计平均值。统计独立的个符号的离散信息源的平均信息量为,由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵。,信源中每个符号等概率独立出现 ，则得最大信息熵,27,1.4

14、 信息及其度量,例 1.4-5 利用统计平均值的方法（熵的概念），重现计算 例 1.4-4。,解：信息熵为,则该消息所含信息量为,I = 57 1.906 = 108.64 ( bit ),28,1.4 信息及其度量,三、连续信源的信息量,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，连续消息的平均信息量为,式中，f (x) 连续消息出现的概率密度。,29,1.5 通信系统主要性能指标,30,1.5 通信系统主要性能指标,一、模拟通信系统的性能指标,信噪比 = 信号平均功率 / 噪声平均功率=S/N,31,1.5 通信系统主要性能指标,二、数字通信系统的性能指标,32,1.5 通信

15、系统主要性能指标,1、传输速率, 码元传输速率，又称码元速率或传码率。,单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud）， 简记为B。,T 码元的持续时间（秒）, 信息传输速率，又称比特率或传信率。,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 。,33,1.5 通信系统主要性能指标, 码元速率和信息速率的关系,例 1.5-1 某系统每秒钟传输的码元数目为2400个，求：二进制、四进制下 RB 和 Rb。,解： 二进制： RB = 2400 ( Baud )；Rb = 2400 ( bit/s ),四进制： RB = 2400 ( Baud )；Rb = 4800 ( bit/s ),若信源的传码率为 RB ，熵为 H，则该信源的传信率为 Rb = RBH,34,1.5 通信系统主要性能指标,2、频带利用率,单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即,35,1.5 通信系统主要性能指标,3、差错率,误码率和误信率, 误码率,Pe = 错误码元数 / 传输总码元数, 误信率,Pb = 错误比特数 / 传输总比特数,在二进制中有 Pe = Pb,Thank You !,