《通信原理》第六版課件第1章

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1、通信原理 通信原理第1章 緒論 主要內(nèi)容提要l通信的基本概念l通信系統(tǒng)的組成l通信系統(tǒng)的分類與通信方式l信息及其度量l通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 第1章 緒論l 1. 1 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(dòng)圖像等。n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。 n實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：u非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺 u電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。 第1章 緒論n電信發(fā)明史u 1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)u 1876年：貝爾發(fā)明有線電話 u 1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機(jī)

2、問世u 1936年：商業(yè)電視廣播開播 n后面講述中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。 n在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實(shí)現(xiàn)的。 第1章 緒論l 1.2 通信系統(tǒng)的組成n 1.2.1 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(fēng)。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。 第1章 緒論u接收設(shè)備：從受到減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。 u受信者（信宿）：把原

3、始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。 第1章 緒論n 1.2.2 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(fēng)輸出電壓： (a) 話音信號 (b) 抽樣信號圖1-2 模擬信號 第1章 緒論p數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個(gè)，例如電報(bào)信號、計(jì)算機(jī)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(jìn)制信號 (b) 2PSK信號圖1-3 數(shù)字信號 第1章 緒論u模擬通信系統(tǒng)模型p模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)： p兩種變換：模擬消息 原始電信

4、號（基帶信號）基帶信號 已調(diào)信號（帶通信號）圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型 第1章 緒論u數(shù)字通信系統(tǒng)模型p數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng) p信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換 p信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力p加密與解密目的：保證所傳信息的安全p數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?p同步目的：使收發(fā)兩端的信號在時(shí)間上保持步調(diào)一致 圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 第1章 緒論n 1.2.3 數(shù)字通信的特點(diǎn)u優(yōu)點(diǎn)p抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累p傳輸差錯(cuò)可控p便于處理、變換、存儲p便于將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸 p易于集成，使通信設(shè)備微型化，重

5、量輕p易于加密處理，且保密性好u缺點(diǎn)：p需要較大的傳輸帶寬p對同步要求高 第1章 緒論l 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式n 1.3.1 通信系統(tǒng)的分類u按通信業(yè)務(wù)分類：電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng) u按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng) 調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制，詳見書中表1-1。 u按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)u按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng) u按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通信 u按信號復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用 第1章 緒論n 1.3.2 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

6、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(shí)收發(fā)的工作方式 p全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式 第1章 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(shí)傳輸 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施缺點(diǎn)：需要 n 條通信線路，成本高 第1章 緒論p串行傳輸 ：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用缺點(diǎn)：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 第1章 緒論l 1.4 信息及其度量

7、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(jī)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(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。 第1章 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

8、) P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時(shí)，I 0； P(x) = 0時(shí)，I ； p 滿足上述3條件的關(guān)系式如下：信息量的定義 )()()()( 2121 xPIxPIxPxPI )(log)(1log xPxPI aa 第1章 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(shí)有(b)p【例】 設(shè)一個(gè)二進(jìn)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(gè)輸出的信息含量為 p在工程應(yīng)用中，習(xí)

9、慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特 )(log)(1log xPxPI aa 2 21log log ( )( )I P xP x )b(12log2/11log)1()0( 22 II 第1章 緒論p若有M個(gè)等概率波形（P = 1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)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(dāng)M = 4時(shí)，即4進(jìn)制波形，I = 2比特，當(dāng)M = 8時(shí)，即8進(jìn)制波形，I = 3比特。)b(log/1 1log1log 222 MMPI 2log 2 ( )kI k b 第1章 緒論p對于非等概率情況設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號組成的集合，其中每個(gè)符號xi

10、 (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，即 且有則x 1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為于是，每個(gè)符號所含平均信息量為由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵 1 21 2, , , , , MMx x xP x P x P x 1 ( ) 1M ii P x 2 1 2 2 2log ( ) log ( ) log ( )MP x P x P x ，1 2 1 2 2 2 221( ) ( ) log ( ) ( ) log ( ) ( ) log ( )( ) g ( ) ( / (1.4 6)M MM i iiH x P x P

11、 x P x P x P x P xP x lo P x 比特符號） 第1章 緒論u【例1】 一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個(gè)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(gè)符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅?，“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(gè)符號，故該消息的信息量每個(gè)符號的算術(shù)平均信息量為)b(1088log74log134log143/8log23 2222 I符號）比特符號

12、數(shù)/(89.157108 II 第1章 緒論若用熵的概念來計(jì)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(dāng)消息序列較長時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。符號）（比特/906.1 81log8141log4141log4183log83 2222 H )b(64.108906.157 I 第1章 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。可以證明，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 x f x f x dx 第

13、1章 緒論l 1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性u有效性：指傳輸一定信息量時(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)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(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。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。 第1章 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RB：定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為B。式中T 碼元的持續(xù)時(shí)間（秒） p信息傳輸速率Rb：定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，

14、簡記為 b/s ，或bps )B(1TRB 第1章 緒論p碼元速率和信息速率的關(guān)系或 對于二進(jìn)制數(shù)字信號：M = 2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M = 8）中，若碼元速率為1200 B，則信息速率為3600 b/s。)b/s(log2 MRR Bb )B(log2 MRR bB 第1章 緒論p頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即或 u可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。p誤碼率p誤信率，又稱誤比特率在二進(jìn)制中有)B/Hz(BRB Hz)b/(s BRbb傳輸總碼元數(shù)錯(cuò)誤碼元數(shù)eP傳輸總比特?cái)?shù)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)bP eb PP 第1章 緒論l 1.6 小結(jié) 信息量： 通信系統(tǒng)的兩個(gè)主要指標(biāo)：有效性和可靠性 模擬通信系統(tǒng)中：有效性用帶寬衡量；可靠性用輸出信噪比衡量。數(shù)字通信系統(tǒng)中：有效性用碼元速率、信息速率、頻帶利用率衡量；可靠性用誤碼率、誤信率衡量。)(log)(1log xPxPI aa