第1章【緒論】

1、通信原理第第1章章 緒論緒論l內(nèi)容提要: n通信的定義通信的定義 n模擬通信與數(shù)字通信的基本概念模擬通信與數(shù)字通信的基本概念n通信系統(tǒng)的分類(lèi)通信系統(tǒng)的分類(lèi)n通信方式通信方式n信息及其度量信息及其度量n性能指標(biāo)性能指標(biāo) 第第1章章 緒論緒論l1. 1 基本概念基本概念n通信：利用信號(hào)將消息中所包含的信息從信源傳送到一個(gè)或者多個(gè)目的地。n消息：是信息的物理表現(xiàn)形式，例如語(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。n信息：是消息的內(nèi)涵，即消息中所包含的受信者原來(lái)不知而待知的有效內(nèi)容。n信號(hào)：消息的載體。消息攜載在信號(hào)的某一個(gè)參量上。n實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：u非電的：如旌旗、消息樹(shù)、烽火臺(tái) u電的：如電

2、報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。n電信發(fā)明史u1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)u1876年：貝爾發(fā)明有線電話 u1918年：調(diào)幅無(wú)線電廣播、超外差接收機(jī)問(wèn)世u1936年：商業(yè)電視廣播開(kāi)播 第第1章章 緒論緒論n后面講述中，“通信”這一術(shù)語(yǔ)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(guò)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 通信的概念：利用電(或光)信號(hào)將消息中所包含的信息從信源傳送到一個(gè)或者多個(gè)目的地。第第1章章 緒論緒論p通信網(wǎng)：為了完成多用戶(hù)中任意兩個(gè)用戶(hù)之間信源與信宿之間的通信過(guò)程, 一般需要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)多用戶(hù)通信系統(tǒng)互連的通信體系稱(chēng)之為通信網(wǎng)

3、。 l通信網(wǎng)的構(gòu)成1）終端設(shè)備：電話、電報(bào)、監(jiān)視器（攝像頭）、顯示器等2）傳輸設(shè)備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等3）交換設(shè)備：程控交換、ATM交換、光交換等4）協(xié)議和準(zhǔn)則第第1章章 緒論緒論l基帶信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)基帶信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)n基帶信號(hào)是指來(lái)自信源的消息信號(hào)，即原始電信號(hào)?；鶐У暮x是指信號(hào)的頻譜從零頻附近開(kāi)始。n載波信號(hào)是指未受調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)。n已調(diào)信號(hào)是指參數(shù)受到調(diào)制后的已調(diào)載波信號(hào)，因?yàn)橥ǔ＞哂袔ㄐ问?，所以又稱(chēng)帶通信號(hào)。第第1章章 緒論緒論l模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)n模擬信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù)(不可數(shù)，無(wú)窮多) 。對(duì)于基帶信號(hào)對(duì)于基帶信號(hào)(一

4、般指未調(diào)制過(guò)的信號(hào)一般指未調(diào)制過(guò)的信號(hào))瞬時(shí)值瞬時(shí)值狀態(tài)數(shù)無(wú)限，如正弦信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)、圖像狀態(tài)數(shù)無(wú)限，如正弦信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)、圖像信號(hào)等。信號(hào)等。對(duì)于已調(diào)信號(hào)對(duì)于已調(diào)信號(hào)(載波一般為正弦信號(hào)載波一般為正弦信號(hào))的參數(shù)的參數(shù)A.F.P狀態(tài)數(shù)無(wú)限。狀態(tài)數(shù)無(wú)限。 (a) 話音信號(hào) (b) 抽樣信號(hào)圖1-2 模擬信號(hào)l數(shù)字信號(hào)：電信號(hào)的參量離散取值(有限)n基帶信號(hào)的瞬時(shí)值狀態(tài)數(shù)有限?；鶐盘?hào)的瞬時(shí)值狀態(tài)數(shù)有限。 如計(jì)算機(jī)如計(jì)算機(jī).電報(bào)機(jī)等輸出的信號(hào)。電報(bào)機(jī)等輸出的信號(hào)。n已調(diào)信號(hào)的參數(shù)已調(diào)信號(hào)的參數(shù)A.F.P狀態(tài)數(shù)有限。狀態(tài)數(shù)有限。二進(jìn)制代碼二進(jìn)制基帶信號(hào)10tttt2ASK2FSK2PSK第第1章章

5、 緒論緒論l1.2 通信系統(tǒng)的組成n1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型u信息源（簡(jiǎn)稱(chēng)信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，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?hào)。u信道：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無(wú)線信道兩大類(lèi)。u噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。第第1章章 緒論緒論u接收設(shè)備：從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。 u受信者（信宿）：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。第第1章章 緒論緒論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(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)：p兩種變換：模擬消息 原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）基帶

6、信號(hào) 已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型點(diǎn)-多點(diǎn)模擬信號(hào)通信系統(tǒng)信源n調(diào)制器n帶通n信源1調(diào)制器1帶通1fc1fcn相加器信道帶通n解調(diào)器n收信者n帶通1解調(diào)器1收信者1fc1fcnA點(diǎn)B點(diǎn)復(fù)接分接FBffc1fcn保護(hù)頻帶信道帶寬信號(hào)帶寬:f:F:B 對(duì)信道進(jìn)行頻域分割 FDM fBFnmax第第1章章 緒論緒論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(hào)來(lái)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?hào) p同步目的：使收發(fā)兩

7、端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致 圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型點(diǎn)-點(diǎn)多路通信系統(tǒng)l設(shè)各個(gè)信源都為模擬信源 m1(t)A/D1復(fù)接廣義信道D1(t)mn(t)A/DnDn(t)分接D1(t)D/A1m1(t)Dn(t)D/Anmn(t)發(fā)同步器收同步器D(t).FD11D21Dn1FD12D22Dn2一幀D(t)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分割（對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分割（TDM），也可進(jìn)行頻域分割（），也可進(jìn)行頻域分割（FDM）。）。若無(wú)幀同步碼，則無(wú)法對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行正確分接。若無(wú)幀同步碼，則無(wú)法對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行正確分接。第第1章章 緒論緒論n1.2.3 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

8、處理、變換、存儲(chǔ)p便于將來(lái)自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸p易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕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(duì)同步要求高第第1章章 緒論緒論l1.3 通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式n1.3.1 通信系統(tǒng)的分類(lèi)u按通信業(yè)務(wù)分類(lèi)：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(lèi)：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng) 。其中調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制調(diào)制方式調(diào)制方式主要用途主要用途連連續(xù)續(xù)波波調(diào)調(diào)制制線性調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制AM廣播廣播單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制SSB載波通信、短波無(wú)線電話通信載波通信、短波無(wú)線電話通信雙邊帶調(diào)制雙邊

9、帶調(diào)制DSB立體聲廣播立體聲廣播殘留邊帶調(diào)制殘留邊帶調(diào)制VSB電視廣播、傳真電視廣播、傳真非線性調(diào)制非線性調(diào)制頻率調(diào)制頻率調(diào)制微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制相位調(diào)制中間調(diào)制方式中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制振幅鍵控振幅鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸頻移鍵控頻移鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸相移鍵控相移鍵控PSK數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸最小頻移鍵控最小頻移鍵控MSK等等數(shù)字微波、空間通信數(shù)字微波、空間通信脈脈沖沖調(diào)調(diào)制制脈沖模擬調(diào)制脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測(cè)中間調(diào)制方式、遙測(cè)脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制PWM中間調(diào)制方式中間調(diào)制方式脈位調(diào)制脈位調(diào)制PPM遙測(cè)、光纖傳輸遙測(cè)、

10、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話中繼線、衛(wèi)星、空間通信市話中繼線、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制增量調(diào)制DM軍用、民用數(shù)字電話軍用、民用數(shù)字電話差分脈碼調(diào)制差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖象編碼電視電話、圖象編碼矢量編碼調(diào)制矢量編碼調(diào)制VCM語(yǔ)音、圖象壓縮編碼語(yǔ)音、圖象壓縮編碼通信系統(tǒng)的分類(lèi)(續(xù))u按信號(hào)特征分類(lèi)：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)u按傳輸媒介分類(lèi)：有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng) u按工作波段分類(lèi)：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信 u按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用 第第1章章 緒論緒論第第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

11、通信：消息只能單方向傳輸?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(shù)字信號(hào)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 串行傳輸 ：將數(shù)字信號(hào)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在串行傳輸中,如何解決碼組(字符)的同步問(wèn)題:同步傳輸和異步傳輸。l異步傳輸:每

12、次傳輸一個(gè)字符代碼(5-8bits),傳輸時(shí)在一個(gè)字符的前后均加上一個(gè)特殊的標(biāo)志(稱(chēng)為起始位和終止位).通常,起始位為一個(gè)碼元,極性為0, 終止位為1-2個(gè)碼元,極性為1。優(yōu)點(diǎn)：字符同步實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，收發(fā)雙方的時(shí)鐘信號(hào)不需要精確的同步。缺點(diǎn)：每個(gè)字符增加了2-3bit，降低了傳輸效率，適合1.2kb/s以下的數(shù)據(jù)傳輸。l同步傳輸:以固定時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的.在串行數(shù)據(jù)流中,各信號(hào)碼元之間的相對(duì)位置都是固定的,接受端要從收到的數(shù)據(jù)碼流中正確區(qū)分發(fā)送的字符,必須建立同步的時(shí)鐘.同步傳輸是以幀為單位發(fā)送數(shù)據(jù),并有幀的起始和終止標(biāo)志.l與異步傳輸相比,同步傳輸在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上復(fù)雜,但不需要對(duì)每一個(gè)字符單獨(dú)

13、加起、止碼元作為識(shí)別字符的標(biāo)志，只是在一串字符的前后加上標(biāo)志序列.因此,傳輸效率高,適合較高速率的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(2.4kb/s以上).第第1章章 緒論緒論n1.3.2 通信方式u其他分類(lèi)：p按通信設(shè)備與傳輸線路之間的連接類(lèi)型劃分：專(zhuān)線通信與網(wǎng)通信；p按通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分。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(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(lèi)無(wú)關(guān)。p度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)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。

14、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(xiàn)的概率來(lái)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)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)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa第第1章章 緒論緒論p上式中對(duì)數(shù)的底：

15、若a = 2，信息量的單位稱(chēng)為比特(bit) ，可簡(jiǎn)記為b 若a = e，信息量的單位稱(chēng)為奈特(nat)， 若 a = 10，信息量的單位稱(chēng)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】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)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱(chēng)作1比特 )(log)(1logxPxPIaa221loglog( )( )IP xP x )b(12log2/11log) 1 ()0(22 II例1.1已知四進(jìn)制離散信源（0，1，2，3），獨(dú)立等概發(fā)送，求傳送每一波形的信息量。解：由于每一波形出現(xiàn)

16、的概率為p=1/4，故其信息量可見(jiàn)：四進(jìn)制的每一波形所含的信息量，恰好是二進(jìn)制每一波形包含信息量的2倍。這是由于每一個(gè)四進(jìn)制波形需要用2個(gè)二進(jìn)制波形表示。)bit(24logp1logI22推廣：推廣：M（M=2K）進(jìn)制的每一波形所含的信息）進(jìn)制的每一波形所含的信息量，恰好是二進(jìn)制每一波形包含信息量的量，恰好是二進(jìn)制每一波形包含信息量的K倍。倍。第第1章章 緒論緒論p對(duì)于非等概率情況設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號(hào)組成的集合，其中每個(gè)符號(hào)xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，即 且有則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為于是，每個(gè)符號(hào)所含平均信息

17、量為由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱(chēng)它為信息源的熵 1212,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x21222log()log()log()MP xP xP x， ，121222221( )( ) log( )() log()() log()( ) g( )(/(1.4 6)MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符號(hào)）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(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。試求某消息2010201302130 0120321

18、0100321010023102002010312032100120210的信息量。【解】【解】此消息中，“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(hào)，故該消息的信息量每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為)b(1088log74log134log143/8log232222I符號(hào)）比特符號(hào)數(shù)/(89. 157108II第第1章章 緒論緒論若用熵的概念來(lái)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(hào)數(shù)的增加而減小。當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。符號(hào)）（比

19、特/906. 181log8141log4141log4183log832222H)b(64.108906.157I第第1章章 緒論緒論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(lái)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 xfxfx dx 第第1章章 緒論緒論l1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)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(píng)有效性：指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題。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(wèn)題。n模擬通信系統(tǒng)：u有效性

20、：可用有效傳輸頻帶來(lái)度量。u可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。 數(shù)字通信系統(tǒng)u有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)衡量碼元傳輸速率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(jiǎn)記為B。式中T 碼元的持續(xù)時(shí)間（秒） 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，簡(jiǎn)記為 b/s ，或bps )B(1TRB第第1章章 緒論緒論p碼元速率和信息速率的關(guān)系或 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)：M = 2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對(duì)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(log2MRRBb)B(log2MRRbB碼元傳輸速率信息傳輸速率定義每秒鐘傳輸碼元的個(gè)數(shù)又稱(chēng)碼元速率或傳碼率每秒鐘傳輸?shù)男畔⒘?，又稱(chēng)信息速率或傳信率單位波特，常用“B”表示比特/秒，（bit/s或bps）標(biāo)識(shí)符RB2（