電子信息技術(shù)導(dǎo)論-通信部分

1、電子信息技術(shù)導(dǎo)論通信技術(shù)概論第一部分 通信技術(shù)概述第二部分 數(shù)字通信系統(tǒng)介紹通信類課程專業(yè)方向與課程設(shè)置:專業(yè)方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)類課程專業(yè)方向性課程通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)電路、模電、數(shù)電、通信電子線路、微機(jī)原理與接口技術(shù)、C/C+、單片機(jī)等。DSP原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)。通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)信息論與編碼、通信原理、電磁場(chǎng)理論等。數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、微波技術(shù)與天線、光纖通信、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)安全等。信號(hào)與信息處理信息論與編碼、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等。語(yǔ)音信號(hào)處理、圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)等。通信類應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)C/C+、Java語(yǔ)言等。 高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、Web技術(shù)與應(yīng)用等。一、基本概

2、念一、基本概念第一部分：通信技術(shù)概述第一部分：通信技術(shù)概述2、信息：未知的消息。、信息：未知的消息。1、通信：信息傳輸?shù)倪^(guò)程稱為通信、通信：信息傳輸?shù)倪^(guò)程稱為通信n信息的基本概念在于它的不確定性不確定性,任何已確定的事物都不含信息。n接收者在收到信息之前，對(duì)它的內(nèi)容是不知道的，所以，信息是新知識(shí)、新內(nèi)容；n信息是能使認(rèn)識(shí)主體對(duì)某一事物的未知性或不確定性減少的有用知識(shí).信息的特點(diǎn)：信息的特點(diǎn)：信息是可以度量的，信息量大小與概率有關(guān)。信息是可以度量的，信息量大小與概率有關(guān)。信息可以被處理、信息可以被處理、存儲(chǔ)和傳輸。信息傳輸必須有載體存儲(chǔ)和傳輸。信息傳輸必須有載體（媒體）。（媒體）。3、信號(hào)：、信

3、號(hào)：傳輸信息的載體，通常為電量或光量。傳輸信息的載體，通常為電量或光量。信號(hào)的兩個(gè)作用？信號(hào)的兩個(gè)作用？舉例：計(jì)算機(jī)通信、電視系統(tǒng)。舉例：計(jì)算機(jī)通信、電視系統(tǒng)。信道復(fù)用特性信道復(fù)用特性: 多用戶共用信道。多用戶共用信道。二、信息度量二、信息度量1、 信息傳輸模型模型1212.qnaaaXpppP11qiip1()log()iiI xbitp x1(/)log(/)ijijI xybitp xy(1)、符號(hào)的自信息量、符號(hào)的自信息量(2)、條件自信息量、條件自信息量I(xi/yj):符號(hào)在傳輸過(guò)程中損失的信息量。符號(hào)在傳輸過(guò)程中損失的信息量。2、 離散信源的信息度量（3）互信息量）互信息量)/(

4、)();(jiijiyxIxIyxI傳輸?shù)男畔⒘總鬏數(shù)男畔⒘? ),()(/):()()(/), (/)( )( )()( ) (/)( ) (/)A()( ) ( ):( )0.5,(/)?()( )(/)0.2 1(/)( )( )0.5p Ap ABp A BP ABp ABp A Bp B Ap BP Ap ABp B p A Bp A p B ABp ABp A p Bp Bp A BP ABp Ap B Ap A Bp Bp B獨(dú)立概率聯(lián)合概率及條件概率的關(guān)系若 、 相互獨(dú)立 則例 若下雨的概率 下大雨的概率為p(A)=0.2,求0.4例：設(shè)天氣預(yù)報(bào)有兩種消息，晴天和雨天，出現(xiàn)的概

5、率分別為1/4和3/4，我們分別用 來(lái)表示晴天，以 來(lái)表示雨天，則我們的信源模型如下： 1a2a1,2( )1/ 4,3/ 4aaXp x1( )log42I abit24()log0.4153I abit)()()(A)/()()/()()()()()/(,)()()/(BpApABp，BABpApBApBpABpAPABpABpBpABPBAp則相互獨(dú)立、若居住某地區(qū)的女孩中有25%是大學(xué)生，在女大學(xué)生中有75%身高為1.6m以上，而女孩中身高1.6m以上的占總數(shù)一半。假如得知“身高1.6m以上的某女孩是大學(xué)生的消息，問(wèn)獲得多少信息量。)()()(A)/()()/()()()()()/(,

6、)()()/(BpApABp，BABpApBApBpABpAPABpABpBpABPBAp則相互獨(dú)立、若定義：自信息量的數(shù)學(xué)期望為信源的平均信息量，稱為熵表示信源平均每個(gè)符號(hào)所攜帶的信息量。3、信息熵）bitxpxpxIxpXHniiiniii符號(hào)/()(1log)()()()(111212.qnaaxXpppP例：天氣預(yù)報(bào)，有兩個(gè)信源1,21( )1/4,3/4aaXp x1,22( )1/2,1/2aaXp x1134()log4log0.809/443符號(hào)H Xbit 211()log2log21/22符號(hào)H Xbit說(shuō)明第二個(gè)信源各符號(hào)的平均信息量更大一些例： 一離散信源由0， 1，

7、2， 3四個(gè)符號(hào)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(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求（1）各符號(hào)的信息量（2）求該信源的熵（3）某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量 1234:(1)1.415/,2/,3/IbitIIbitIbit解符號(hào)符號(hào)符號(hào)signbitH/906. 18log814log414log4138log83)2(2222)(1087131423)3(4321bitIIIII642.10857HI可見(jiàn)：（1）兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí)， 用熵的概

8、念來(lái)計(jì)算比較方便。 而且隨著消息序列長(zhǎng)度的增加， 兩種計(jì)算誤差將趨于零。 （2）信源在各符號(hào)等概率時(shí)熵最大。（2bit/sign) Hmax(X)=logn n例：電視屏上約有例：電視屏上約有 500 600= 3 105個(gè)格點(diǎn)，個(gè)格點(diǎn)，按每點(diǎn)有按每點(diǎn)有 10個(gè)不同的灰度等級(jí)考慮。按等概率個(gè)不同的灰度等級(jí)考慮。按等概率計(jì)算，平均每個(gè)畫面可提供的信息量為計(jì)算，平均每個(gè)畫面可提供的信息量為 格點(diǎn)/32. 3)(1log)()(1012bitxpxpXHiiiI=3 105 3.32 比特比特/畫面畫面 = 9.96 105 比特比特/畫面畫面 n有有一篇千字文章，假定每字可從萬(wàn)字表中一篇千字文章，

9、假定每字可從萬(wàn)字表中任選任選n 仍按等概率計(jì)算，平均每篇千字文可提仍按等概率計(jì)算，平均每篇千字文可提供的信息量為供的信息量為n H H（X X）4 4 3 332 32 比特字比特字n一篇文章的總信息量為一篇文章的總信息量為I=1000H(X)=13280bitI=1000H(X)=13280bit66m ax111316 516(1) ( )log4log8log8loglog2.23 /488163 165(2)1000 2.23 3600 8.028 101000 log5 3600 8.36 10H XbitIbitIbit符 號(hào)連續(xù)信源熵信源的分布主要有三種形式：均勻分布Hc(X)=

10、log(b-a)正態(tài)分布Hc(X)=0.5log2e2指數(shù)分布Hc(X)=logme22()221()() lo g()1()1()21()cXXxxmXxmXHXpxd xpxpXbapxepxem 三、通信系統(tǒng)的基本組成三、通信系統(tǒng)的基本組成1、擴(kuò)音系統(tǒng)、擴(kuò)音系統(tǒng)模擬基帶系統(tǒng)模擬基帶系統(tǒng)2、廣播電視系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制：將信號(hào)裝載在高頻正弦波上（載波）。調(diào)制：將信號(hào)裝載在高頻正弦波上（載波）。調(diào)制的作用調(diào)制的作用（1）實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用）實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用 （2）改善傳輸特性。）改善傳輸特性。3、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)通信、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)通信數(shù)字基帶系統(tǒng)數(shù)字基帶系統(tǒng)信源編碼：將各種信息轉(zhuǎn)

11、化為信源編碼：將各種信息轉(zhuǎn)化為1、0二進(jìn)制數(shù)據(jù)。二進(jìn)制數(shù)據(jù)。(數(shù)字編碼數(shù)字編碼)離散信源編碼（離散信源編碼（ASCALL碼）；碼）；連續(xù)信源編碼（連續(xù)信源編碼（PCM）。）。 信道編碼信道編碼差錯(cuò)控制編碼。差錯(cuò)控制編碼。 線路編碼線路編碼: 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的方波進(jìn)行傳輸。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的方波進(jìn)行傳輸。4、數(shù)字調(diào)頻廣播、數(shù)字調(diào)頻廣播數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 線路編碼線路編碼: 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的高頻正弦波傳輸將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的高頻正弦波傳輸-數(shù)字調(diào)制。數(shù)字調(diào)制。典型通信網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò): 三大通信網(wǎng)絡(luò)三大通信網(wǎng)絡(luò)（三網(wǎng)合一？）（三網(wǎng)合一？）電信網(wǎng)絡(luò)（電信網(wǎng)絡(luò)（1）：固定網(wǎng)絡(luò)）：固定網(wǎng)絡(luò)典型通

12、信網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò)電信網(wǎng)絡(luò)（電信網(wǎng)絡(luò)（2）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò):廣播電視網(wǎng)絡(luò)廣播電視網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò):計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：WSN車輛自組織網(wǎng)絡(luò)：車輛自組織網(wǎng)絡(luò)：四、通信系統(tǒng)分類四、通信系統(tǒng)分類1 按信道復(fù)用方式分類按信道復(fù)用方式分類傳輸多路信號(hào)有三種復(fù)用方式：即頻分多址FDMA、時(shí)分多址TDMA和碼分多址CDMA。 有線電視同軸電纜帶寬為500MHz，電視信號(hào)帶寬為6MHz ，可容納83套電視節(jié)目。考慮防護(hù)帶，實(shí)際容納60套節(jié)目。 調(diào)制的作用：改善信號(hào)傳輸性能；實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。 PCM32系統(tǒng)：一幀有32個(gè)時(shí)隙，每個(gè)

13、時(shí)隙8s，傳送8bit的二進(jìn)制數(shù)。幀長(zhǎng)256bit，幀周期256 s 。 用戶碼必須具有正交性。 imiiTSmT：SYXYYXX11011數(shù)字碼正交BYYBXAAXYBXAYBXA)()(A（-1-1-1+1+1-1+1+1）B（-1-1+1-1+1+1+1-1） 發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備101(b )發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備(a )2、按消息傳遞的方向分類：?jiǎn)喂?、半雙工、全雙工。、按消息傳遞的方向分類：?jiǎn)喂?、半雙工、全雙工。3、串行通信與并行通信：、串行通信與并行通信：4、基帶通信與調(diào)制通信：、基帶通信與調(diào)制通信：5、模擬通信與數(shù)字通信：、模擬通信與數(shù)字通信：五、通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)五、通信系統(tǒng)主要性能指

14、標(biāo)有效性指標(biāo)：是指在傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題；可靠性指標(biāo)：是指接收信息的準(zhǔn)確程度，即傳輸?shù)摹百|(zhì)量”。這兩個(gè)指標(biāo)相互矛盾。（一）、有效性指標(biāo) 模擬系統(tǒng)：帶寬。數(shù)字系統(tǒng)：碼元傳輸速率（數(shù)據(jù)傳輸速率）碼元傳輸速率RB。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。數(shù)據(jù)傳輸速率Rb。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s 。 （二）、可靠性指標(biāo)（二）、可靠性指標(biāo) 模擬系統(tǒng)：信噪比。數(shù)字系統(tǒng)：誤碼率（誤信率）。 誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說(shuō)，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即 傳輸總碼元數(shù)錯(cuò)誤碼元

15、數(shù)ep 誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例， 即bp 錯(cuò)誤信息比特?cái)?shù)傳輸總信息比特?cái)?shù)例題：數(shù)據(jù)10100001共用10s，設(shè)1、0等概率出現(xiàn)。（1）采用二進(jìn)制碼元傳輸，求傳碼率和傳信率。（2）若在2s內(nèi)平均有4個(gè)碼元錯(cuò)誤，求誤碼率和誤信率。sbitRBRbB/108,108) 1 (556654(2)2.5 10 ,2.5 1016 10ebpp第二部分 數(shù)字通信系統(tǒng)介紹信源編碼：將信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)“1”、“0”。加密編碼：通過(guò)加密算法提高信息傳輸?shù)陌踩裕?實(shí)現(xiàn)保密通信。信道編碼：（1）差錯(cuò)控制編碼：提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?檢錯(cuò)碼、糾錯(cuò)碼。（2）線路編碼：將

16、“1”、“0”轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的信號(hào)， 以 便在信道中傳輸。 基帶編碼、調(diào)制編碼。一一 信源編碼信源編碼在數(shù)字通信系統(tǒng)中，將信源的各種符號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵跀?shù)字通信系統(tǒng)中，將信源的各種符號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?，0（1）定長(zhǎng)碼和變長(zhǎng)碼：）定長(zhǎng)碼和變長(zhǎng)碼：1、分類121niKiKXHKapKniii)(:)(:1編碼效率平均碼長(zhǎng)93. 0,875. 1/75. 1)8/1 , 8/1 , 4/1 , 2/1 ()(44KsymbolbitHXHC1C2C3C4C5C6a11/2000000101a21/4001011010000001a31/160100111101101001100a41/16011011111101100

17、010101a51/1610001111111101001110110a61/161010111111111101111110111C1C2C3C4C5C6a11/2000000101a21/4001011010000001a31/160100111101101001100a41/16011011111101100010101a51/1610001111111101001110110a61/1610101111111111011111101113 3、經(jīng)典信源編碼、經(jīng)典信源編碼1loglog22iiipKp14.3)(71iiiKapK831.014.361.2)(KXHRn2、費(fèi)諾、費(fèi)諾編碼

18、方法編碼方法74.2)(71iiiKapK953.074.261.2)(KXHR72. 2)(71iiiKapK96. 072. 261. 2)(KXHR1 . 01 . 02 . 02 . 04 . 054321aaaaaPX1、錯(cuò)碼類型：隨機(jī)錯(cuò)碼、突發(fā)錯(cuò)碼。、錯(cuò)碼類型：隨機(jī)錯(cuò)碼、突發(fā)錯(cuò)碼。2、差錯(cuò)控制方式、差錯(cuò)控制方式（1）檢錯(cuò)重發(fā)：可靠性高，雙向信道，實(shí)時(shí)性差。）檢錯(cuò)重發(fā)：可靠性高，雙向信道，實(shí)時(shí)性差。（2）前向糾錯(cuò)：?jiǎn)蜗蛐诺?，?shí)時(shí)性好。但編碼復(fù)雜。）前向糾錯(cuò)：?jiǎn)蜗蛐诺?，?shí)時(shí)性好。但編碼復(fù)雜。（3）檢錯(cuò)刪除：傳輸效率高，實(shí)時(shí)性好。但可靠性差。）檢錯(cuò)刪除：傳輸效率高，實(shí)時(shí)性好。但可靠性差。二、信道編碼（1）差錯(cuò)控制編碼3、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼檢錯(cuò)碼n在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 的檢錯(cuò)技術(shù)。冗余碼的計(jì)算舉例 n現(xiàn)在 k = 6, M = 101001。n設(shè) n = 3, 生成序列 P = 1101n被除數(shù)是 2nM = 101001000。 n模 2 運(yùn)算的結(jié)果是：商 Q = 110101，余數(shù) R =001。 n把余數(shù) R 作為冗余碼添加在數(shù)據(jù) M 的后面發(fā)送出去 即：S=101001001，共 L=9 位。 110101 Q (商) P (除數(shù)) 1101 101001000 2nM (被除數(shù)) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1