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1、通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理電子教研室 ：李春杰Tel:81630939 87656139(辦辦)E-mail: 通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)“任何時間任何時間”要求支持動中通信要求支持動中通信（無線通信是前提）（無線通信是前提） 以及通信的暢通無阻；以及通信的暢通無阻；“任何人任何人”要求支持巨大用戶量：要求支持巨大用戶量：但頻譜資源有限但頻譜資源有限“任何地點任何地點”要求無縫覆蓋：要求無縫覆蓋：但傳輸能力有限但傳輸能力有限“任何形式任何形式”要求傳輸各種多媒
2、體信息：要求傳輸各種多媒體信息：但處理能力有限但處理能力有限通信原理第1章(樊昌信第5版) 通信原理通信原理是通信工程、電子工程、信息工程、是通信工程、電子工程、信息工程、計算機通信、圖像處理與傳輸?shù)葘I(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)計算機通信、圖像處理與傳輸?shù)葘I(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，且是以上專業(yè)考研、考博的專業(yè)課程之一。課，且是以上專業(yè)考研、考博的專業(yè)課程之一。 本課將以通信系統(tǒng)為背景，本課將以通信系統(tǒng)為背景，主要講述通信系統(tǒng)和主要講述通信系統(tǒng)和通信技術(shù)的基本原理通信技術(shù)的基本原理。內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概念、。內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概念、信息論初步、模擬信號調(diào)制技術(shù)、語音編碼、多路復信息論初步、模擬信號調(diào)制
3、技術(shù)、語音編碼、多路復用、數(shù)字信號的基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)?。用、?shù)字信號的基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)?。通信原理?章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第第1章章 緒論緒論通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論l1. 1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。n消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等。n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。通信原理第1章(樊昌信第5版)n通過語言、聲、光等直覺的方式傳遞通過語言、聲、光等直覺的方式傳遞信息。如：人力、馬力和烽火臺等；信息。如：人力、馬力和烽火臺等；n文字、印刷術(shù)的
4、發(fā)明，郵政的出現(xiàn)；文字、印刷術(shù)的發(fā)明，郵政的出現(xiàn)； n電氣通信時代：電報、電話、廣播電視；電氣通信時代：電報、電話、廣播電視；n信息時代：計算機和互聯(lián)網(wǎng)；信息時代：計算機和互聯(lián)網(wǎng)；n未來：未來： 通信原理第1章(樊昌信第5版)l1.2 通信系統(tǒng)的組成n1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型u信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，如麥克風。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。u發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。u信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。u噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。通信原理第1章(樊昌信第5版)u接收設(shè)備：從受到減損的接收
5、信號中正確恢復出原始電信號。 u受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚聲器等。通信原理第1章(樊昌信第5版)n1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型u模擬信號和數(shù)字信號p模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風輸出電壓： (a) 話音信號 (b) 抽樣信號圖1-2 模擬信號通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論p數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：u通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 (a) 二進制信號 (b) 2PSK信號圖1-3 數(shù)字信號通信原理第1章
6、(樊昌信第5版)信源信源信源編碼信源編碼信道編碼信道編碼調(diào)制調(diào)制（信道編碼）（信道編碼）傳輸信道傳輸信道信宿信宿信源解碼信源解碼解調(diào)解調(diào)信道解碼信道解碼噪聲源噪聲源模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號即模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號即A/DA/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換； 降低數(shù)字信號的數(shù)碼率即數(shù)據(jù)壓縮；降低數(shù)字信號的數(shù)碼率即數(shù)據(jù)壓縮；由于噪聲、衰落和干擾會引起差錯，由于噪聲、衰落和干擾會引起差錯，進行檢錯、糾錯編碼，從而提高抗干擾能力；進行檢錯、糾錯編碼，從而提高抗干擾能力；n 波形編碼，信號調(diào)制，使基帶信號波形編碼，信號調(diào)制，使基帶信號 適合在特定的信道中傳輸。適合在特定的信道中傳輸。有線、無線信道，網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備。有線、無線
7、信道，網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備。 對信號作上述處理相反對變換。對信號作上述處理相反對變換。信道中以及分散在通信系統(tǒng)中其他各信道中以及分散在通信系統(tǒng)中其他各 處的噪聲的集中表示。處的噪聲的集中表示。原始電信號原始電信號( (消息信號或稱基帶信號消息信號或稱基帶信號) ) 的來源，分為模擬信源和數(shù)字信源。的來源，分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送發(fā)送設(shè)備設(shè)備接收接收設(shè)備設(shè)備模擬模擬通信原理第1章(樊昌信第5版)n n 以犧牲系統(tǒng)頻帶為代價！以犧牲系統(tǒng)頻帶為代價！通信原理第1章(樊昌信第5版)1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)有線有線無線無線單工單工半
8、雙工半雙工全雙工全雙工串行串行并行并行，專線專線通信網(wǎng)通信網(wǎng)FDMTDMCDMWDM通信原理第1章(樊昌信第5版)n1.3.2 通信方式u單工、半雙工和全雙工通信p單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞絧半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收發(fā)的工作方式p全雙工通信：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論u并行傳輸和串行傳輸p并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸 優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施缺點：需要 n 條通信線路，成本高 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒
9、論緒論p串行傳輸 ：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費用缺點：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施u其他分類方式：p同步通信和異步通信p專線通信和網(wǎng)通信通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論l1.4 信息及其度量信息及其度量n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容n如何度量離散消息中所含的信息量?u度量信息量的原則p能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。p度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無關(guān)。p消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)【例】 “某客機墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達的事件越
10、不可能發(fā)生，信息量就越大。 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論u度量信息量的方法p事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述：消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。 p設(shè)：P(x) 消息發(fā)生的概率， I 消息中所含的信息量， p則 P(x) 和 I 之間應(yīng)該有如下關(guān)系：I 是 P(x) 的函數(shù)： I I P(x)P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時，I 0； P(x) = 0時，I ； p 滿足上述3條件的關(guān)系式如下：信息量的定義)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章
11、章 緒論緒論p上式中對數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡記為b 若a = e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若 a = 10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley) 。p通常廣泛使用的單位為比特，這時有(b)p【例】例】 設(shè)一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為 p在工程應(yīng)用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特 )(log)(1logxPxPIaa221loglog( )( )IP xP x )b(12log2/11log) 1 ()0(22 II通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論p若有M個等概率波形（
12、P = 1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則傳送M進制波形之一的信息量為p若M是2的整冪次，即 M = 2k，則有當M = 4時，即4進制波形，I = 2比特，當M = 8時，即8進制波形，I = 3比特。)b(log/11log1log222MMPI2log 2( )kIkb通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論p對于非等概率情況設(shè)：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即 且有則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為于是，每個符號所含平均信息量為由于H(x)同熱力學中的熵形式相
13、似，故稱它為信息源的熵 1212,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x21222log( )log()log()MP xP xP x， ，121222221( )( ) log( )() log()() log()( ) g( )(/(1.4 6)MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符號）通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論u【例例1】 一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息20 32120120210的信息量?！窘狻俊?/p>
14、解】此消息中，“0”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個符號，故該消息的信息量每個符號的算術(shù)平均信息量為)b(1088log74log134log143/8log232222I符號）比特符號數(shù)/(89. 157108II通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論若用熵的概念來計算：則該消息的信息量 以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結(jié)果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號數(shù)的增加而減小。當消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。符號）（比特/906. 181log8141log4141log4183
15、log832222H)b(64.108906.157I通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論n連續(xù)消息的信息量關(guān)于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量為式中，f (x) 連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。 ( )logaH xfxfx dx 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論l1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n通信系統(tǒng)的主要性能指標：有效性和可靠性u有效性：指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。u可靠性：指接收信息的準確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問
16、題。n模擬通信系統(tǒng)：u有效性：可用有效傳輸頻帶來度量。u可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論n數(shù)字通信系統(tǒng)u有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。 p碼元傳輸速率（波特率）RB：定義為單位時間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為B。p式中T 碼元的持續(xù)時間（秒） p信息傳輸速率（比特率）Rb：定義為單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位為比特/秒，簡記為 b/s ，或bps )B(1TRB通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論p碼元速率和信息速率的關(guān)系或 對于二進制數(shù)字信號：M = 2，碼元速率和信息速率在
17、數(shù)量上相等。 對于多進制，例如在八進制（M = 8）中，若碼元速率為1200 B，則信息速率為3600 b/s。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論u頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即或n可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。u誤碼率u誤信率，又稱誤比特率在二進制中有)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb傳輸總碼元數(shù)錯誤碼元數(shù)eP傳輸總比特數(shù)錯誤比特數(shù)bPebPP 要求要求Pb在在10-310-6之間；之間；要求要求Pb在在10-7以下。以下。通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論l1.6 小結(jié)小結(jié)1. 掌握模擬信號與數(shù)字信號的定義和特點掌握模擬信號與數(shù)字信號的定義和特點2. 了解模擬通信系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式了解模擬通信系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式3. 了解數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式了解數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式4. 掌握離散信息源平均信息量的計算方法掌握離散信息源平均信息量的計算方法5. 掌握衡量模擬通信系統(tǒng)的性能指標掌握衡量模擬通信系統(tǒng)的性能指標6. 掌握數(shù)字通信的特點及主要性能指標掌握數(shù)字通信的特點及主要性能指標 通信原理第1章(樊昌信第5版)本章作業(yè)本章作業(yè)習題：習題：11，2，3，7，9，10
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