通信原理第7版第1章PPT課件(樊昌信版)

1、 卞 靜 緒 論 樊昌信 曹麗娜 編著基本概念 信息度量 性能指標(biāo) 模型/分類/通信方式信息量/信源熵 有效性/可靠性 本章內(nèi)容: 第1章 緒 論 通信的基本概念1.1 擊鼓鳴金電報(bào)烽火電話電視因特網(wǎng)數(shù)字化智能化高速化寬帶化移動(dòng)化個(gè)人化。綜合化 1.1.1 通信的發(fā)展聲音音頻信號(hào)將音頻信號(hào)放大、調(diào)制，產(chǎn)生 AM信號(hào)，并耦合到發(fā)射天線接收天線將電磁波轉(zhuǎn)換為 AM信號(hào)（含有噪聲）將AM信號(hào)解調(diào)還原為音頻信號(hào)，再經(jīng)音頻功放后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，還原為聲音。發(fā)射天線將AM信號(hào)感應(yīng)成可以輻射到大氣中的電磁波 （無線電波） 1.1.2 消息 信息 信號(hào)調(diào)幅（調(diào)幅（AM）無線廣播系統(tǒng)）無線廣播系統(tǒng)：消息中蘊(yùn)含的有

2、效內(nèi)容。消息中蘊(yùn)含的有效內(nèi)容。 ：通信系統(tǒng)傳輸：通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶?duì)象。形式多種的對(duì)象。形式多種: : ：消息消息的電表示的電表示形式形式/ /傳輸載體。傳輸載體。模擬信號(hào)：模擬信號(hào)： 數(shù)字信號(hào)：數(shù)字信號(hào)： 信號(hào)參量取值連續(xù)信號(hào)參量取值連續(xù) 信號(hào)參量取值離散信號(hào)參量取值離散 語音、溫度、圖像語音、溫度、圖像 數(shù)據(jù)、文字、符號(hào)數(shù)據(jù)、文字、符號(hào)連續(xù)消息：連續(xù)消息： 離散消息：離散消息： 信號(hào)信號(hào)消息消息信息信息信號(hào)消息信息傳輸載體 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 表現(xiàn)形式 內(nèi)涵 n 三者關(guān)系 模擬信號(hào) 和 數(shù)字信號(hào):話筒（聲音傳感器）把聲音轉(zhuǎn)變成音頻信號(hào)；話筒（聲音傳感器）把聲音轉(zhuǎn)變成音頻信號(hào)；數(shù)字終端把符號(hào)轉(zhuǎn)變

3、成數(shù)字信號(hào)；數(shù)字終端把符號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)；攝像機(jī)把圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)；攝像機(jī)把圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)；熱敏電阻（溫度傳感器）把溫度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。熱敏電阻（溫度傳感器）把溫度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。 消息 電信號(hào)的轉(zhuǎn)換:傳感器傳感器基于以上對(duì) 消息 、信息 和 信號(hào) 的理解：通信通信系統(tǒng) 通信系統(tǒng)模型1.2 1.2.1 通信系統(tǒng)一般模型消息消息 電信號(hào)電信號(hào)如如 電話機(jī)的電話機(jī)的話話筒筒把聲音把聲音音頻信號(hào)音頻信號(hào)電信號(hào)電信號(hào) 消息消息如如電話機(jī)的電話機(jī)的聽聽筒筒把音頻信號(hào)把音頻信號(hào)聲音聲音原始電信號(hào)原始電信號(hào)適合在信道中傳輸適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。的信號(hào)。如如 編碼、調(diào)制編碼、調(diào)制其功能與發(fā)送設(shè)備相反。其功

4、能與發(fā)送設(shè)備相反。 如如 譯碼、解調(diào)譯碼、解調(diào)destination source transmitter receiver channel noise 能傳輸信號(hào)的能傳輸信號(hào)的 各種物理媒介各種物理媒介l 模擬消息 原始電信號(hào)（基帶）l 基帶信號(hào) 已 調(diào) 信號(hào)（帶通） 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型n ：n信源編碼：l模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 l提高有效性提高有效性n信道編碼：l增強(qiáng)抗干擾能力增強(qiáng)抗干擾能力 1.2.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型l抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累；抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累；l傳輸差錯(cuò)可控；傳輸差錯(cuò)可控；l便于處理、變換、存儲(chǔ)；便于處理、變換、存儲(chǔ)；l便于將來自不同信源的信號(hào)綜

5、合傳輸；便于將來自不同信源的信號(hào)綜合傳輸；l易于集成；易于加密。易于集成；易于加密。l可能需要較大的傳輸帶寬；可能需要較大的傳輸帶寬；l對(duì)同步要求高。對(duì)同步要求高。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn) 1.2.4 數(shù)字通信的特點(diǎn) 通信系統(tǒng)分類 與 通信方式1.3 詳見表詳見表3-13-1n按復(fù)用方式劃分：頻分、時(shí)分、碼分復(fù)用。n同一個(gè)通信系統(tǒng)可以分屬于不同分類。 AM廣播系統(tǒng)中短波通信、模擬通信、 帶通傳輸系統(tǒng)（調(diào)制系統(tǒng)）。 1.3.1 通信系統(tǒng)分類 l單工單工通信：通信： （單向）（單向）l半雙工半雙工通信：通信： （雙向、不同時(shí)）（雙向、不同時(shí)）l全雙工全雙工通信：通信： （雙向、同時(shí)）（雙向、同時(shí)） ： 1

6、.3.2 通信方式在并行信道上在并行信道上同時(shí)同時(shí)傳輸傳輸 n 個(gè)比特信息。個(gè)比特信息。l并行傳輸：l串行傳輸：0 1 1 0 0 1 0 0 1 101010l串行傳輸：數(shù)字碼元序列按時(shí)間順序數(shù)字碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)一個(gè)接一個(gè)地在地在一條一條信道中傳輸。信道中傳輸。 基本概念 信息度量 性能指標(biāo) 模型/分類/通信方式信息量/信源熵 有效性/可靠性 本章內(nèi)容: 第1章 緒 論 信息及其度量1.4 l信息是消息的內(nèi)涵；信息是消息的內(nèi)涵；l通信的目的在于傳輸消息中所包含的信息；通信的目的在于傳輸消息中所包含的信息；l消息中消息中不確定的內(nèi)容不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息；才構(gòu)成信息；l信息量就是對(duì)

7、這種不確定性的定量描述。信息量就是對(duì)這種不確定性的定量描述。n信息具有以下特性：l在當(dāng)今信息社會(huì)中，信息是最寶貴的資源之一。在當(dāng)今信息社會(huì)中，信息是最寶貴的資源之一。時(shí)效壓縮存儲(chǔ)傳輸相對(duì)共享存在度量擴(kuò)充：l度量方法與消息的度量方法與消息的種類種類無關(guān)。無關(guān)。l與消息的與消息的重要程度重要程度無關(guān)。無關(guān)。：l“美國世貿(mào)大樓被炸（美國世貿(mào)大樓被炸（9.119.11事件）事件）”（時(shí)效性） l“明天下雨明天下雨”可見：可見：消息中所含信息量和不可預(yù)測(cè)性或不確定性有關(guān)。消息中所含信息量和不可預(yù)測(cè)性或不確定性有關(guān)。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。如

8、何度量如何度量消息中所含的消息中所含的信息量信息量 ? ?根據(jù)概率論知識(shí)：事件的不確定性根據(jù)概率論知識(shí)：事件的不確定性 可用事件出現(xiàn)的可用事件出現(xiàn)的概率概率來描述。來描述。：l度量方法與消息的度量方法與消息的種類種類無關(guān)。無關(guān)。l與消息的與消息的重要程度重要程度無關(guān)。無關(guān)。：l“美國世貿(mào)大樓被炸（美國世貿(mào)大樓被炸（9.119.11事件）事件）”（時(shí)效性） l“明天下雨明天下雨”可見：可見：消息中所含信息量和不可預(yù)測(cè)性或不確定性有關(guān)。消息中所含信息量和不可預(yù)測(cè)性或不確定性有關(guān)。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。如何度量如何度量消息中所含的消息

9、中所含的信息量信息量 ? ?根據(jù)概率論知識(shí)：事件的不確定性 可用事件出現(xiàn)的概率來描述。I P I = f P(x) P 1，I0P 0，IP(x) I(y)相加性相加性a= 2，比特比特(bit) ，簡(jiǎn)記為，簡(jiǎn)記為ba= e，奈特，奈特(nat) a=10，哈特萊，哈特萊(Hartley)1 nat=1.44 b為什么為什么 取對(duì)數(shù)取對(duì)數(shù) ？ 1. 離散消息 x 的信息量 概率相同，每個(gè)符號(hào)蘊(yùn)含的信息量也相同；概率相同，每個(gè)符號(hào)蘊(yùn)含的信息量也相同； 二二進(jìn)制的每個(gè)碼元含進(jìn)制的每個(gè)碼元含 1 （b) ) 四四進(jìn)制的每個(gè)碼元含進(jìn)制的每個(gè)碼元含 2 （b) ) 推廣：推廣：M進(jìn)制的每個(gè)碼元含進(jìn)制的每

10、個(gè)碼元含 log2M （b) ) 41)3()2() 1 ()0(PPPP01232logb24IIII 【1-1】二進(jìn)制信源二進(jìn)制信源（0 0，1 1） 【1-2】四進(jìn)制信源四進(jìn)制信源（0 0，1 1，2, 32, 3）21) 1 ()0( PP01221log( )log 2b1IIP x解解：試求：等概獨(dú)立發(fā)送符號(hào)時(shí)，每個(gè)符號(hào)的信息量試求：等概獨(dú)立發(fā)送符號(hào)時(shí)，每個(gè)符號(hào)的信息量 。例例例例 信源中每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值。信源中每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值。 設(shè)設(shè) 則則 統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的M個(gè)符號(hào)的離散信源的平均信息量為個(gè)符號(hào)的離散信源的平均信息量為 H與熱力學(xué)中的熵形式一樣，故

11、稱為與熱力學(xué)中的熵形式一樣，故稱為信源的熵信源的熵。1)()(,),(,),(,11 iMiMiMixPxPxPxPxxx且且211( )log(b/( )MiiiHp xp x符號(hào)） 2. 離散消息的平均信息量 比較例比較例【1-31-3】與與【1-21-2】可知：可知： 等概時(shí)，熵最大等概時(shí)，熵最大:max2logHM211( )log( )MiiiHp xp x0123(0)(1)(2)(3)(1.90b6/HPIPIPIPI符號(hào)）21log( )iiIP x例例解利用信息相加性概念來計(jì)算：利用信息相加性概念來計(jì)算：ImH總利用利用熵熵的概念來計(jì)算：的概念來計(jì)算：012323141371

12、08bIIIII總（ ）5757 1 906108.64 (b)IH 總1.906 (b/H 符號(hào)）例例解： 歸納：歸納：基本概念 信息度量 性能指標(biāo) 模型/分類/通信方式信息量/信源熵 有效性/可靠性 本章內(nèi)容: 第1章 緒 論 通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.5 可靠性可靠性text有效性有效性性能性能指標(biāo)指標(biāo)模模 擬擬 通通 信信數(shù)數(shù) 字字 通通 信信l 傳輸帶寬傳輸帶寬l 輸出信噪比輸出信噪比l 頻帶利用率頻帶利用率 l 差錯(cuò)概率差錯(cuò)概率 矛盾、關(guān)聯(lián)、互換1BsRT 例如：例如：1 1秒內(nèi)傳輸秒內(nèi)傳輸10001000個(gè)碼元，則個(gè)碼元，則 RB =1000 BaudBaud 1.5.1 數(shù)字通信系統(tǒng)

13、的有效性指標(biāo) Rb與與 RB的關(guān)系的關(guān)系bBRHR2log MbBRR2 bBMRR時(shí)H為紐帶數(shù)值相等數(shù)值相等單位不同單位不同 （3）頻帶利用率）頻帶利用率把把 B 與與 傳輸速率傳輸速率 聯(lián)系起來聯(lián)系起來r定義為單位帶寬內(nèi)的傳輸速率，定義為單位帶寬內(nèi)的傳輸速率，即 (Baud/Hz)BRB-1(b/s Hz )bbRB2log Mb（1）誤碼率誤碼率 Pe 二進(jìn)制：二進(jìn)制：Pb=Pe ； M進(jìn)制：進(jìn)制：PbPe ； why ?（2）誤信率誤信率(誤比特率） Pb 1.5.2 數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo) 本章小結(jié)：l 術(shù)語，模型，分類，通信方式l 數(shù)字通信的優(yōu)缺點(diǎn)l 信息量：Ii ，H，I總l

14、RB，Rb，；Pe ，Pb 例題1 1、對(duì)于同樣以、對(duì)于同樣以2400b/s2400b/s比特率發(fā)送的信號(hào)，若比特率發(fā)送的信號(hào)，若A A系統(tǒng)以系統(tǒng)以2PSK2PSK調(diào)制方式傳輸時(shí)所需帶寬為調(diào)制方式傳輸時(shí)所需帶寬為2400hz2400hz，而，而B B系統(tǒng)以系統(tǒng)以4PSK4PSK調(diào)制調(diào)制方式傳輸時(shí)所需帶寬為方式傳輸時(shí)所需帶寬為1200hz1200hz，哪個(gè)系統(tǒng)更有效？，哪個(gè)系統(tǒng)更有效？例題1 1、對(duì)于同樣以、對(duì)于同樣以2400b/s2400b/s比特率發(fā)送的信號(hào)，若比特率發(fā)送的信號(hào)，若A A系統(tǒng)以系統(tǒng)以2PSK2PSK調(diào)制方式傳輸時(shí)所需帶寬為調(diào)制方式傳輸時(shí)所需帶寬為2400hz2400hz，而，

15、而B B系統(tǒng)以系統(tǒng)以4PSK4PSK調(diào)制調(diào)制方式傳輸時(shí)所需帶寬為方式傳輸時(shí)所需帶寬為1200hz1200hz，哪個(gè)系統(tǒng)更，哪個(gè)系統(tǒng)更有效有效？ ：24001/(s Hz)2400bbRbB 24002/(s Hz)1200bbRbB 頻帶利用率頻帶利用率例題、某數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進(jìn)制碼元的速率為、某數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進(jìn)制碼元的速率為1200b/sBaud，求該系統(tǒng)的信息速率。若該系統(tǒng)改為傳送八進(jìn)制信號(hào)碼求該系統(tǒng)的信息速率。若該系統(tǒng)改為傳送八進(jìn)制信號(hào)碼元，碼元速率不變，則系統(tǒng)信息速率為多少？元，碼元速率不變，則系統(tǒng)信息速率為多少？例題、某數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進(jìn)制碼元的速率為、某數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進(jìn)

16、制碼元的速率為1200b/sBaud，求該系統(tǒng)的信息速率。若該系統(tǒng)改為傳送八進(jìn)制信號(hào)碼求該系統(tǒng)的信息速率。若該系統(tǒng)改為傳送八進(jìn)制信號(hào)碼元，碼元速率不變，則系統(tǒng)信息速率為多少？元，碼元速率不變，則系統(tǒng)信息速率為多少？2log1200(b/s)bBRRM2log3600(b/s)bBRRM例題3、某四進(jìn)制傳輸系統(tǒng)，每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間（寬度）為、某四進(jìn)制傳輸系統(tǒng)，每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間（寬度）為833*10-6 s，連續(xù)工作，連續(xù)工作1h后，接收到后，接收到6個(gè)錯(cuò)碼，且每個(gè)錯(cuò)個(gè)錯(cuò)碼，且每個(gè)錯(cuò)誤碼元中僅發(fā)生誤碼元中僅發(fā)生1bit錯(cuò)誤。求：錯(cuò)誤。求： （1）該系統(tǒng)的碼元速率和信息速率）該系統(tǒng)的碼元速率和信息

17、速率 （2）該系統(tǒng)的誤碼率和誤信率（誤比特率）該系統(tǒng)的誤碼率和誤信率（誤比特率）3、某四進(jìn)制傳輸系統(tǒng)，每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間（寬度）為、某四進(jìn)制傳輸系統(tǒng)，每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間（寬度）為833*10-6 s，連續(xù)工作，連續(xù)工作1h后，接收到后，接收到6個(gè)錯(cuò)碼，且每個(gè)錯(cuò)個(gè)錯(cuò)碼，且每個(gè)錯(cuò)誤碼元中僅發(fā)生誤碼元中僅發(fā)生1bit錯(cuò)誤。求：錯(cuò)誤。求： （1）該系統(tǒng)的碼元速率和信息速率）該系統(tǒng)的碼元速率和信息速率62111200(Baud)833 10log2400(b/s)BBbBRTRRM3、某四進(jìn)制傳輸系統(tǒng)，每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間（寬度）為、某四進(jìn)制傳輸系統(tǒng)，每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間（寬度）為833*10-6 s，連續(xù)工作，連續(xù)工作1h后，接收到后，接收到6個(gè)錯(cuò)碼，且每個(gè)錯(cuò)個(gè)錯(cuò)碼，且每個(gè)錯(cuò)誤碼元中僅發(fā)生誤碼元中僅發(fā)生1bit錯(cuò)誤。求：錯(cuò)誤。求：（2）該系統(tǒng)的誤碼率和誤信率（誤比特率）該系統(tǒng)的誤碼率和誤信率（誤比特率）碼元總數(shù)：碼元總數(shù)：誤碼率：誤碼率：誤信率：誤信率：41200 3600432 10 ()BNR t個(gè)6461.39 10432 10eeNPN72/ log6.94 10bePPM3、某四進(jìn)制傳輸系統(tǒng)，每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間（寬度）為、某四進(jìn)制傳輸