通信原理 第一章

1、1.1 1.1 引言引言1.2 1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成1.3 1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 1.5 1.5 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 信道信道 交交 換換 機(jī)機(jī)電話網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖電話網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖: : 為用戶 構(gòu)成網(wǎng)的基本要素：構(gòu)成網(wǎng)的基本要素： 終端設(shè)備，傳輸鏈路，交換設(shè)備。（硬件）終端設(shè)備，傳輸鏈路，交換設(shè)備。（硬件） 交交 換換 機(jī)機(jī)終端終端終端終端噪聲噪聲局間傳輸局間傳輸局內(nèi)傳輸局內(nèi)傳輸局內(nèi)傳輸局內(nèi)傳輸1.1 引引 言言2、通信系統(tǒng)：以電信號(hào)作為信息轉(zhuǎn)換和傳輸系統(tǒng)。、通信系統(tǒng)：以電信號(hào)作為信息轉(zhuǎn)換和傳輸系

2、統(tǒng)。 它只能為兩個(gè)用戶之間提供單方向的信息傳遞。它只能為兩個(gè)用戶之間提供單方向的信息傳遞。 （點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單向傳輸）（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單向傳輸） 3、電信網(wǎng)：多用戶通信系統(tǒng)互聯(lián)的通信體系。、電信網(wǎng)：多用戶通信系統(tǒng)互聯(lián)的通信體系。 （多點(diǎn)中的任意兩點(diǎn)間的雙向傳輸）（多點(diǎn)中的任意兩點(diǎn)間的雙向傳輸）4、通信網(wǎng)：包括電信網(wǎng)，、通信網(wǎng)：包括電信網(wǎng)， CATV網(wǎng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)網(wǎng)，移動(dòng)通信網(wǎng)，移動(dòng)通信網(wǎng)，廣播電視網(wǎng)廣播電視網(wǎng)等等。5、網(wǎng)的結(jié)構(gòu)：環(huán)型，星型，總線型，復(fù)合型，網(wǎng)型、網(wǎng)的結(jié)構(gòu)：環(huán)型，星型，總線型，復(fù)合型，網(wǎng)型1.1.1 基本概念基本概念1、通信、通信: 完成信息的轉(zhuǎn)換和傳輸。完成信息的轉(zhuǎn)換和傳輸。 6、

3、網(wǎng)的組成、網(wǎng)的組成: 以電話網(wǎng)為例以電話網(wǎng)為例 框圖框圖問(wèn)問(wèn) 題題1 1、什么形式的電信號(hào)適合系統(tǒng)傳輸？、什么形式的電信號(hào)適合系統(tǒng)傳輸？ 2 2、何種性能的系統(tǒng)能完成信號(hào)的傳輸？、何種性能的系統(tǒng)能完成信號(hào)的傳輸？ 通信系統(tǒng)總模型：通信系統(tǒng)總模型：通信系統(tǒng)由四部分組成。通信系統(tǒng)由四部分組成。通信原理的討論是圍繞通信系統(tǒng)的模型而展開(kāi)的通信原理的討論是圍繞通信系統(tǒng)的模型而展開(kāi)的根據(jù)具體的通信形式有具體的系統(tǒng)模型與之對(duì)應(yīng)根據(jù)具體的通信形式有具體的系統(tǒng)模型與之對(duì)應(yīng) 各處的噪聲之和各處的噪聲之和 信號(hào)源信號(hào)源發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備信信 道道接收設(shè)備接收設(shè)備受信者受信者噪聲源噪聲源 發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端模擬系

4、統(tǒng)框圖：模擬系統(tǒng)框圖： 信號(hào)源調(diào)制器解調(diào)器受信者噪聲源信 道基 帶 信 號(hào)頻 帶 信 號(hào)頻帶信號(hào)頻帶信號(hào)基帶信號(hào)基帶信號(hào)數(shù)字系統(tǒng)框圖：數(shù)字系統(tǒng)框圖： 編編 碼碼 器器 噪噪 聲聲 源源 加加 密密 器器信信 息息 源源調(diào)調(diào) 制制 器器信信 道道受受 信信 者者解解 密密 器器譯譯 碼碼 器器 解解 調(diào)調(diào) 器器注：缺省同步系統(tǒng)注：缺省同步系統(tǒng)。1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成1.2.1 通信系統(tǒng)模型（總模型）通信系統(tǒng)模型（總模型）描述點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信描述點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信 框圖框圖1.2.2 模擬通信與數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬通信與數(shù)字通信系統(tǒng)模型1、模擬系統(tǒng)、模擬系統(tǒng) 框圖框圖2、數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng) 框

5、圖框圖傳輸?shù)男盘?hào)是傳輸?shù)男盘?hào)是“離散離散”的的 強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量和基帶信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)性。強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量和基帶信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)性。數(shù)字通信的特點(diǎn)數(shù)字通信的特點(diǎn) 1）數(shù)字信號(hào)傳輸中所受的干擾可通過(guò)差錯(cuò)控制編碼控制并消除。）數(shù)字信號(hào)傳輸中所受的干擾可通過(guò)差錯(cuò)控制編碼控制并消除。 增加編碼器、解碼器增加編碼器、解碼器 2）需要保密時(shí)可對(duì)基帶信號(hào)人為）需要保密時(shí)可對(duì)基帶信號(hào)人為“擾亂擾亂” 加密、解密加密、解密 3）傳輸中是按節(jié)拍逐個(gè)傳送脈沖單元信號(hào)，稱(chēng)之為碼元。）傳輸中是按節(jié)拍逐個(gè)傳送脈沖單元信號(hào)，稱(chēng)之為碼元。 收發(fā)須同步控制：包括碼元同步、幀同步、群同步等。收發(fā)須同步控制：包括碼元同步、幀同步、群同

6、步等。常用的方式分兩大類(lèi)：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)常用的方式分兩大類(lèi)：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)： 1)1)數(shù)字傳輸?shù)目垢蓴_能力強(qiáng)數(shù)字傳輸?shù)目垢蓴_能力強(qiáng), ,尤其在中繼時(shí)尤其在中繼時(shí), ,數(shù)字信號(hào)可以再生而消數(shù)字信號(hào)可以再生而消除噪聲的積累除噪聲的積累 2)2)傳輸差錯(cuò)可以控制傳輸差錯(cuò)可以控制, ,從而改善了傳輸質(zhì)量從而改善了傳輸質(zhì)量 3)3)便于使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理便于使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理 4)4)數(shù)字信息易于作高保密性的加密處理數(shù)字信息易于作高保密性的加密處理 5)5)數(shù)字信息可以綜合傳遞各種消息數(shù)字信息可以綜

7、合傳遞各種消息, ,使通信系統(tǒng)功能增強(qiáng)使通信系統(tǒng)功能增強(qiáng)其優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是用占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶而換得的。其優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是用占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶而換得的。在系統(tǒng)頻帶緊張的場(chǎng)合這將成為其缺點(diǎn)。在系統(tǒng)頻帶緊張的場(chǎng)合這將成為其缺點(diǎn)。數(shù)字通信系統(tǒng)的具體模型也根據(jù)其設(shè)計(jì)方法有所不同數(shù)字通信系統(tǒng)的具體模型也根據(jù)其設(shè)計(jì)方法有所不同1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式 1、按消息的物理特征分類(lèi)（業(yè)務(wù)）按消息的物理特征分類(lèi)（業(yè)務(wù)） 如電報(bào)、電話、數(shù)據(jù)、圖像通信系統(tǒng)如電報(bào)、電話、數(shù)據(jù)、圖像通信系統(tǒng)2、按調(diào)制方式分類(lèi)按調(diào)制方式分類(lèi) 針對(duì)頻帶傳輸信號(hào)而言針對(duì)頻帶傳輸信號(hào)而言信號(hào)數(shù)字：信號(hào)數(shù)字：PCM 、 M

8、 等等 脈沖數(shù)字調(diào)制脈沖數(shù)字調(diào)制AM、DSB、SSB、VSBFM、PM模擬調(diào)制模擬調(diào)制信號(hào)數(shù)字：信號(hào)數(shù)字：ASK、FSK、PSK、DPSK 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)模擬：信號(hào)模擬：PAM、PDM、PPM 脈沖模擬調(diào)制脈沖模擬調(diào)制正弦波調(diào)制正弦波調(diào)制脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制兩類(lèi)兩類(lèi)1.3.1 通信系統(tǒng)分類(lèi)通信系統(tǒng)分類(lèi)3、按信號(hào)特征分類(lèi)、按信號(hào)特征分類(lèi) 最常用分為模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類(lèi)最常用分為模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類(lèi)4、按傳輸媒介分類(lèi)、按傳輸媒介分類(lèi) 最常用分為有線（包括光纖）與無(wú)線最常用分為有線（包括光纖）與無(wú)線5、按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)、按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)頻分復(fù)用：使不同的信號(hào)占據(jù)不同的頻

9、率范圍頻分復(fù)用：使不同的信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用：不同的信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間：不同的信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間碼分復(fù)用：用一組包含正交碼字的碼組攜帶多路信息碼分復(fù)用：用一組包含正交碼字的碼組攜帶多路信息1.3.2 通信方式通信方式半雙工：通信雙方（兩點(diǎn)）均能收發(fā)消息但半雙工：通信雙方（兩點(diǎn)）均能收發(fā)消息但不能同時(shí)不能同時(shí)收發(fā)。收發(fā)。例如無(wú)線對(duì)講機(jī)例如無(wú)線對(duì)講機(jī)單工：?jiǎn)畏较騻鬏敚ㄒ稽c(diǎn)發(fā)、一點(diǎn)收）。例如遙控單工：?jiǎn)畏较騻鬏敚ㄒ稽c(diǎn)發(fā)、一點(diǎn)收）。例如遙控全雙工：通信雙方（兩點(diǎn)）全雙工：通信雙方（兩點(diǎn)）能同時(shí)能同時(shí)收發(fā)信號(hào)。例如電話收發(fā)信號(hào)。例如電話單工、半雙工、全雙工單工、半雙工、全雙工串

10、序傳輸：將數(shù)字信號(hào)按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)的傳輸串序傳輸：將數(shù)字信號(hào)按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)的傳輸, ,它占用一條通路。適合遠(yuǎn)距離。它占用一條通路。適合遠(yuǎn)距離。并序傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成多路同時(shí)傳輸，并序傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成多路同時(shí)傳輸，適合近距離適合近距離 數(shù)字通信數(shù)字通信1.4 信息及其度量信息及其度量 1.4.1 信息的描述信息的描述傳輸信息的多少用信息量衡量傳輸信息的多少用信息量衡量信息：消息中有意義的內(nèi)容，消息理解為信源信息：消息中有意義的內(nèi)容，消息理解為信源對(duì)由若干個(gè)相互獨(dú)立事件構(gòu)成消息，有：對(duì)由若干個(gè)相互獨(dú)立事件構(gòu)成消息，有： I p(x1 ) p(x2 ) = I p

11、(x1 ) + I p(x2 ) + （2）取取 a = 2 I：bit 比特比特取取 a = e I：net 奈特奈特取取 a = 10 I：哈特萊哈特萊由信息論知：消息出現(xiàn)的概率愈小，所包含的信息量愈大由信息論知：消息出現(xiàn)的概率愈小，所包含的信息量愈大 （1 1）定義：定義：信息量為信息量為 I、消息出現(xiàn)的概率為、消息出現(xiàn)的概率為 p(x ) 則則 I = = p(x ) ) I 是是p (x )函數(shù)函數(shù))(log)(logxpxp1 1Iaa- -=I 與與 P(x ) 間的關(guān)系必滿足（間的關(guān)系必滿足（1）、（）、（2）1.4.2 信息的度量信息的度量 bitxpI1211log)(1l

12、og212 1、等概率、等概率1）設(shè)有二進(jìn)制，等概率出現(xiàn)的離散消息）設(shè)有二進(jìn)制，等概率出現(xiàn)的離散消息 0、 1 消息消息 p (x1 )=p (x2 )= 1/2 定義：傳送兩個(gè)等概的二進(jìn)制波形之一的信息量為定義：傳送兩個(gè)等概的二進(jìn)制波形之一的信息量為 1 bitMMI22log11log 2） 對(duì)對(duì)M進(jìn)制，等概率出現(xiàn)的離散消息進(jìn)制，等概率出現(xiàn)的離散消息 0，1，2 , , M-1 消息消息 p( x1 )=p (x2 )= =1/M從波形上看，從波形上看，M進(jìn)制有進(jìn)制有M種波性，每一種波形等概率出現(xiàn)種波性，每一種波形等概率出現(xiàn) 所以所以M 是波形數(shù)，是波形數(shù)，p (xi ) =P 是每一波形

13、出現(xiàn)的概率是每一波形出現(xiàn)的概率2、非等概率、非等概率設(shè)消息由設(shè)消息由 n 個(gè)相互獨(dú)立的符號(hào)組成，稱(chēng)為符號(hào)集個(gè)相互獨(dú)立的符號(hào)組成，稱(chēng)為符號(hào)集)(iixpx 對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng) )()()(2121nnxpxpxpxxx且每個(gè)符號(hào)包含的信息量均不相等且每個(gè)符號(hào)包含的信息量均不相等 所以用統(tǒng)計(jì)平均的方法來(lái)描述一個(gè)符號(hào)所含的信息量所以用統(tǒng)計(jì)平均的方法來(lái)描述一個(gè)符號(hào)所含的信息量例子例子)(log)()(log)()(log)()(2_22_212_1nnxpxpxpxpxpxpXH niiixpxp12_)(log)( 定義信息源的熵定義信息源的熵 H(X )dxxfxfXHe)(log)()(_ 平平均均信信息

14、息1.4.3 連續(xù)消息的信息量連續(xù)消息的信息量 用概率密度來(lái)描述用概率密度來(lái)描述 f (x)，為為，它它們們出出現(xiàn)現(xiàn)的的概概率率分分別別、組組成成：例例：信信息息源源有有四四個(gè)個(gè)符符號(hào)號(hào)814141833210321100210203001213130020201，求求某某個(gè)個(gè)信信息息且且每每個(gè)個(gè)信信息息量量相相互互獨(dú)獨(dú)立立的的信信息息量量210120100032312010002102023010解：解：方法一方法一bitI33831log2323020 次次：出出現(xiàn)現(xiàn)bitI28411log1414121 次次：出出現(xiàn)現(xiàn)bitI21811log77323 次次：出出現(xiàn)現(xiàn)bitI26411l

15、og1313222 次次：出出現(xiàn)現(xiàn)因消息共因消息共57個(gè)符號(hào)，一個(gè)符號(hào)含有算術(shù)平均信息量為個(gè)符號(hào)，一個(gè)符號(hào)含有算術(shù)平均信息量為方法二方法二81log8141log4141log4183log832222 41_)(log)()( iiixpxpxH統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)平平均均符符號(hào)號(hào)bit906. 1 bitIIIII1083210 總總)(64.10857906. 157)(bitxHI 總總符符號(hào)號(hào)bitII89. 15710857 1.5 1.5 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 接續(xù)質(zhì)量接續(xù)質(zhì)量：迅速性：迅速性 傳輸質(zhì)量傳輸質(zhì)量：清晰度：清晰度 穩(wěn)定質(zhì)量穩(wěn)定質(zhì)量：可靠性：可靠性涉及系統(tǒng)的有效性、可靠性、適

16、應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)使用涉及系統(tǒng)的有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)使用有效性、可靠性的具體體現(xiàn)是消息傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量問(wèn)題有效性、可靠性的具體體現(xiàn)是消息傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量問(wèn)題誤差形式：誤差形式：1）加性干擾產(chǎn)生的誤差通常由噪聲引起）加性干擾產(chǎn)生的誤差通常由噪聲引起 2）乘性干擾產(chǎn)生的誤差通常由信道傳輸特性不理想引起。）乘性干擾產(chǎn)生的誤差通常由信道傳輸特性不理想引起。目前，我們目前，我們僅研究?jī)H研究加性干擾產(chǎn)生的誤差，均方誤差指加性干擾產(chǎn)生的誤差，均方誤差指標(biāo)將轉(zhuǎn)化為信噪比。標(biāo)將轉(zhuǎn)化為信噪比。信息量：衡量單位時(shí)間內(nèi)傳送消息中有效內(nèi)容的能力。信息量：衡量單位時(shí)間內(nèi)傳送消息中有效內(nèi)容的

17、能力。1.5.11.5.1 模擬系統(tǒng)性能指標(biāo)：模擬系統(tǒng)性能指標(biāo)：信息量信息量和和均方誤差均方誤差均方誤差：衡量發(fā)送和接收信號(hào)之間的誤差程度均方誤差：衡量發(fā)送和接收信號(hào)之間的誤差程度1.5.21.5.2 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)：數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)：傳輸速率傳輸速率和和差錯(cuò)率差錯(cuò)率數(shù)字信號(hào)的描述：二進(jìn)制：數(shù)字信號(hào)的描述：二進(jìn)制：0、1 兩個(gè)狀態(tài)兩個(gè)狀態(tài) N 進(jìn)制：進(jìn)制：0、1、2 N-1 N個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài) 碼元的概念：在二進(jìn)制中，用相同的時(shí)間間隔表示一位二進(jìn)制數(shù)字，碼元的概念：在二進(jìn)制中，用相同的時(shí)間間隔表示一位二進(jìn)制數(shù)字，這個(gè)時(shí)間間隔稱(chēng)為碼元長(zhǎng)度。這個(gè)時(shí)間間隔稱(chēng)為碼元長(zhǎng)度。 在碼元長(zhǎng)度內(nèi)的信號(hào)稱(chēng)為

18、二進(jìn)制碼元。所以二進(jìn)制的每在碼元長(zhǎng)度內(nèi)的信號(hào)稱(chēng)為二進(jìn)制碼元。所以二進(jìn)制的每個(gè)碼元時(shí)間上等長(zhǎng)。個(gè)碼元時(shí)間上等長(zhǎng)。 同理同理 N 進(jìn)制的每個(gè)碼元時(shí)間上也等長(zhǎng)。進(jìn)制的每個(gè)碼元時(shí)間上也等長(zhǎng)。 進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系：進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系： 例：例：N = 4 表示表示4 進(jìn)制的每個(gè)狀態(tài)可用進(jìn)制的每個(gè)狀態(tài)可用2 位二進(jìn)制狀態(tài)描述；位二進(jìn)制狀態(tài)描述； 若為小數(shù)，則取大于此值的第一個(gè)整數(shù)。若為小數(shù)，則取大于此值的第一個(gè)整數(shù)。2log2 N推廣推廣1、傳輸速率傳輸速率 ：碼元傳輸速率。又稱(chēng)碼元速率或傳碼率：碼元傳輸速率。又稱(chēng)碼元速率或傳碼率 定義：每秒鐘傳送碼元的數(shù)目。定義：每秒鐘傳送碼元的數(shù)目。 BR不同進(jìn)制的碼元速率轉(zhuǎn)換關(guān)系不同進(jìn)制的碼元速率轉(zhuǎn)換關(guān)系