《通信原理》第六版課件-第1章

1、通信原理 通信原理 第第1章章 緒論緒論 主要內容提要 l通信的基本概念通信的基本概念 l通信系統的組成通信系統的組成 l通信系統的分類與通信方式通信系統的分類與通信方式 l信息及其度量信息及其度量 l通信系統的主要性能指標通信系統的主要性能指標 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：是物質或精神狀態(tài)的一種反映，例如 語音、文字、音樂、數據、圖片或活動圖像 等。 n信息：是消息中包含的有效內容。 n實現通信的方式和手段： u非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺 u電的：如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、 因特網和計算機通信

2、等。 第第1章章 緒論緒論 n電信發(fā)明史 u1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報 u1876年：貝爾發(fā)明有線電話 u1918年：調幅無線電廣播、超外差接收機問世 u1936年：商業(yè)電視廣播開播 n后面講述中，“通信”這一術語是指“電通信”， 包括光通信，因為光也是一種電磁波。 n在電通信系統中，消息的傳遞是通過電信號來實 現的。 第第1章章 緒論緒論 l1.2 通信系統的組成 n1.2.1 通信系統的一般模型 u信息源（簡稱信源）：把各種消息轉換成原始電信 號，如麥克風。信源可分為模擬信源和數字信源。 u發(fā)送設備：產生適合于在信道中傳輸的信號。 u信道：將來自發(fā)送設備的信號傳送到接收端的物理 媒質。

3、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中各處的噪聲。 第第1章章 緒論緒論 u接收設備：從受到減損的接收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的消息，如 揚聲器等。 第第1章章 緒論緒論 n1.2.2 模擬通信系統模型和數字通信系統模型 u模擬信號和數字信號 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 第第1章章 緒論緒論 p數字信號：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，按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號， 相應地

4、把通信系統分為模擬通信系統和數字通信系統。 (a) 二進制信號 (b) 2PSK信號 圖1-3 數字信號 第第1章章 緒論緒論 u模擬通信系統模型 p模擬通信系統是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統： p兩種變換： 模擬消息 原始電信號（基帶信號） 基帶信號 已調信號（帶通信號） 圖1-4 模擬通信系統模型 第第1章章 緒論緒論 u數字通信系統模型 p數字通信系統是利用數字信號來傳遞信息的通信系統 p信源編碼與譯碼目的： 提高信息傳輸的有效性 完成模/數轉換 p信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力 p加密與解密目的：保證所傳信息的安全 p數字調制與解調目的：形成適合在信道中傳輸的帶通信號 p同步目

5、的：使收發(fā)兩端的信號在時間上保持步調一致 圖1-5 數字通信系統模型 第第1章章 緒論緒論 n1.2.3 數字通信的特點 u優(yōu)點 p抗干擾能力強，且噪聲不積累 p傳輸差錯可控 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，使通信設備微型化，重量輕 p易于加密處理，且保密性好 u缺點： p需要較大的傳輸帶寬 p對同步要求高 第第1章章 緒論緒論 l1.3 通信系統分類與通信方式 n1.3.1 通信系統的分類 u按通信業(yè)務分類：電報通信系統、電話通信系統、 數據通信系統、圖像通信系統 u按調制方式分類：基帶傳輸系統和帶通（調制）傳 輸系統 調制傳輸系統又分為多種調制

6、，詳見書中表1-1。 u按信號特征分類：模擬通信系統和數字通信系統 u按傳輸媒介分類：有線通信系統和無線通信系統 u按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通 信 u按信號復用方式分類：頻分復用、時分復用、碼分 復用 第第1章章 緒論緒論 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的工作方式 p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 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

7、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 第第1章章 緒論緒論 p串行傳輸 ：將數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專線通信和網通信 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。 p度量方法應該與消息的重要程度無關。 p消息中所含信息量和消息內容的不確定性有關 【例】 “某客

8、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不可能發(fā)生，信息量就越大。 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的概率來描述： 消息出現的概率越小，則消息中包含的信息量就越 大。 p設：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 之間應該有如下關系： I 是 P(x) 的函數： 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條件的關系式如下： 信息量的定義 )()()()( 2121 xPIxPIxP

9、xPI )(log )( 1 logxP xP I aa 第第1章章 緒論緒論 p上式中對數的底： 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】 設一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數字 “0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為 p在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特 )(log )( 1 logxP xP I aa 22 1 loglog( ) ( ) IP x P x )b(12log 2/1 1

10、log) 1 ()0( 22 II 第第1章章 緒論緒論 p若有M個等概率波形（P = 1/M），且每一個波形的出現 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 /1 1 log 1 log 222 M MP I 2 log 2( ) k Ikb 第第1章章 緒論緒論 p對于非等概率情況 設：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，即 且有 則x1 , x2,

11、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似，故稱它為信息源的熵 12 12 , , M M xxx P xP xP x 1 ()1 M i i P x 21222 log()log()log() M P xP xP x， ， 1212222 2 1 ( )( ) log( )() log()() log() ( ) g( )(/(1.4 6) MM M ii i H xP xP xP xP xP xP x P x loP x 比特 符號） 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

12、們出現的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8， 且每個符號的出現都是獨立的。試求某消息 2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的 信息量。 【解解】此消息中，“0”出現23次，“1”出現14次，“2” 出現13次，“3”出現7次，共有57個符號，故該消息的 信息量 每個符號的算術平均信息量為 )b(1088log74log134log143/8log23 2222 I 符號）比特 符號數 /(89. 1 57 108 I I 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 以上兩種結果略有差別的原因

13、在于，它們平均處 理方法不同。前一種按算數平均的方法，結果可能存 在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號數的增加而 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. 1 8 1 log 8 1 4 1 log 4 1 4 1 log 4 1 8 3 log 8 3 2222 H )b(64.108906.157I 第第1章章 緒論緒論 n連續(xù)消息的信息量 關于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數來描述。 可以證明，連續(xù)消息的平均信息量為 式中，f (x) 連續(xù)消息出現的概率密度。 ( )logaH xfxfx dx 第第1章章 緒論緒論 l1.5 通信系統主要性能指標通信

14、系統主要性能指標 n通信系統的主要性能指標：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），或者說是傳輸的“速度” 問題。 u可靠性：指接收信息的準確程度，也就是傳輸的 “質量”問題。 n模擬通信系統： 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。 第第1章章 緒論緒論 n數字通信系統 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：定義為單位時間（每秒）傳送碼 元的數目，單位為波特（Baud），簡記為B。 式中T 碼元的持續(xù)時間（秒） p信息傳輸速率Rb：定義為單位時間內傳遞的平均信 息量或比特數，單位為比

15、特/秒，簡記為 b/s ，或bps )B( 1 T RB 第第1章章 緒論緒論 p碼元速率和信息速率的關系 或 對于二進制數字信號：M = 2，碼元速率和信息速率 在數量上相等。 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(log2MRR Bb )B( log2M R R b B 第第1章章 緒論緒論 p頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內的傳輸 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 在二進制中有 )B/Hz( B RB Hz)b/(s B Rb b 傳輸總碼元數 錯誤碼元數 e P 傳輸總比特數 錯誤比特數 b P eb PP 第第1章章 緒論