通信原理第一章概念

通信原理第一章概念第一頁，共五十九頁，2022年，8月28日參考書：1、北京交通大學(xué)《通信系統(tǒng)原理》，張樹京2、清華大學(xué)《現(xiàn)代通信原理》，曹志剛3、西安電子科技大學(xué)《現(xiàn)代通信原理與技術(shù)》，張輝4、西安電子科技大學(xué)《通信系統(tǒng)原理》，沈振元2第二頁，共五十九頁，2022年，8月28日

第一章通信的基本概念與基本問題一．通信的基本概念

通信的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與交換。本課主要是討論信息的傳輸。傳輸?shù)男畔谡Z音、圖像、數(shù)據(jù)等消息媒體中,通過電(光)信號(hào)形式由一方傳輸?shù)搅硪环剑ㄍǔＪ沁h(yuǎn)距離）?！?.1通信系統(tǒng)的構(gòu)成及性能指標(biāo)3第三頁，共五十九頁，2022年，8月28日幾個(gè)名詞：信息、消息、信號(hào)

信息是一種不確定度的描述，是消息中包含有意義的內(nèi)容；消息中包含了信息，消息有不同的形式，如符號(hào)、文字、語音、數(shù)據(jù)、圖象等，根據(jù)所傳的消息不同分成了目前的各種通信業(yè)務(wù)。不同的消息中可以包含相同的信息我們可以從消息中提取信息；信號(hào)為消息的表示形式，在通信系統(tǒng)中傳遞的實(shí)際是各種消息的電(光)信號(hào)。因此信號(hào)分析是本課的基礎(chǔ)。4第四頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

二．通信系統(tǒng)的構(gòu)成

通信系統(tǒng)：指傳輸信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總合?？捎孟旅娴囊话隳Ｐ图右愿爬?。信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲源（發(fā)送端）（接收端）5第五頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

1.信息源與受信者：信息源的作用是把各種可能的消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)；受信者將復(fù)原的原始信號(hào)恢復(fù)成相應(yīng)的消息

2.發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備：發(fā)送設(shè)備對(duì)原始信號(hào)完成某種變換（如調(diào)制或編碼），再送入信道；接收設(shè)備與發(fā)送設(shè)備功能相反，從接收信號(hào)中復(fù)原出原始信號(hào)（如解調(diào)、譯碼等）。

3.信道：指信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，即傳輸媒質(zhì).可以是有線的，也可以是無線的，而有線和無線又都有多種傳輸媒質(zhì)。6第六頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題4.噪聲源：是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其它各處的噪聲的集中表示。在任何系統(tǒng)中必然存在，對(duì)通信的質(zhì)量（可靠性）產(chǎn)生影響。因此通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是：克服距離障礙，迅速、可靠地傳遞信息。7第七頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

按信號(hào)特征不同可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。根據(jù)研究對(duì)象及所關(guān)心的問題不同通信系統(tǒng)有不同形式，通常按照通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)而將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)。8第八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題1）模擬信號(hào)與模擬通信系統(tǒng)模擬信號(hào)指基帶信號(hào)(一般指未調(diào)制過的信號(hào))瞬時(shí)值狀態(tài)數(shù)無限，如正弦信號(hào)、語音信號(hào)、圖像信號(hào)等；或已調(diào)信號(hào)(載波一般為正弦信號(hào))的參數(shù)即幅度A、頻率F、相位P

狀態(tài)數(shù)無限。模擬信號(hào)波形舉例：9第九頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

10第十頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

信道中傳輸模擬信號(hào)時(shí)為模擬通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)的一般模型如下圖：其中調(diào)制器的作用使信號(hào)與信道相匹配,便于頻分復(fù)用等。信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者噪聲源發(fā)送端接收端11第十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

（2）數(shù)字信號(hào)與數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)指基帶信號(hào)的瞬時(shí)值狀態(tài)數(shù)有限，如計(jì)算機(jī).電報(bào)機(jī)等輸出的信號(hào)；或已調(diào)信號(hào)的參數(shù)幅度A、頻率F、相位P狀態(tài)數(shù)有限。數(shù)字信號(hào)波形舉例：12第十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

*注:也可稱ASK、FSK、PSK等數(shù)字已調(diào)信號(hào)為連續(xù)信號(hào),

因?yàn)樗麄兊乃矔r(shí)值在某一范圍內(nèi)連續(xù)取值。

13第十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

信道中傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型如下圖：

信息源調(diào)制器信道噪聲受信者解調(diào)器編碼器加密器譯碼器解密器其中編碼器又分為信源編碼和信道編碼兩部分。14第十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

信源編碼:對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D變換和壓縮，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮。以提高傳輸效率。信道編碼:增加冗余提高通信可靠性。

調(diào)制器:作用同模擬通信。但不一定必需，有調(diào)制器和解調(diào)器的稱為數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)；無調(diào)制器和解調(diào)器的稱為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。

15第十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

說明：1）上述圖中只給出了點(diǎn)到點(diǎn)單向通信系統(tǒng)，實(shí)際在大多數(shù)場(chǎng)合通信系統(tǒng)需要進(jìn)行多路復(fù)用、雙向進(jìn)行，信源兼為受信者，通信設(shè)備包括發(fā)信設(shè)備和收信設(shè)備。2）通信系統(tǒng)除了完成信息傳遞外，還必須進(jìn)行信息的交換，傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)共同組成一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，乃至通信網(wǎng)。3）通信系統(tǒng)的軟件部分。（信令、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)管理等）

傳輸、復(fù)用、交換、網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)代通信的四大技術(shù)，本課程只介紹傳輸、復(fù)用技術(shù)。

16第十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）抗干擾能力強(qiáng)；2）便于集成；3）便于加密；4）便于計(jì)算機(jī)處理，便于發(fā)展綜合業(yè)務(wù)。缺點(diǎn)：基帶信號(hào)PCM一路信號(hào)速率位64kb/s，要傳輸它至少需要32kHz帶寬，為了保證質(zhì)量，一般都占用64kHz帶寬，相比模擬通信一路信號(hào)一般占用4kHz帶寬，效率很低。17第十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

三．通信系統(tǒng)的分類

1．按消息的物理特征分類：電報(bào)通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖象通信系統(tǒng)這些系統(tǒng)可以是專用的，但通常是兼容的或并存的，趨勢(shì)是發(fā)展綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，各種類型的信息都能在一個(gè)統(tǒng)一的通信網(wǎng)中傳輸、交換和處理。

18第十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

2．按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)：不經(jīng)調(diào)制直接傳輸。頻帶傳輸系統(tǒng)（或稱載波傳輸）：經(jīng)過調(diào)制后傳輸，對(duì)應(yīng)多種調(diào)制方式。19第十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日

常用調(diào)制方式

20第二十頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題3.按傳輸信號(hào)的特征分類模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)其中數(shù)字通信成為發(fā)展的主流。數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，便于進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)處理，便于實(shí)現(xiàn)集成化，便于加密及計(jì)算機(jī)處理，便于實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng),便于多路復(fù)用。

21第二十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

4．按傳輸媒介分類有線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)有線通信系統(tǒng)（固定電話、光纖通信、電力線載波、有線電視網(wǎng)絡(luò)、校園網(wǎng)）等無線通信系統(tǒng)有調(diào)幅、調(diào)頻廣播、移動(dòng)通信、空間遙測(cè)、雷達(dá)導(dǎo)航、微波接力、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。各種傳輸媒質(zhì)有其特定的工作頻率，常用傳輸媒介的頻率范圍及用途如下表:22第二十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日

常用傳輸媒介的頻率范圍及用途

23第二十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

5.按傳送信號(hào)的復(fù)用方式分類頻分復(fù)用（FDM）時(shí)分復(fù)用（TDM）碼分復(fù)用（CDM）波分復(fù)用（WDM）

其中頻分復(fù)用主要用于傳統(tǒng)的載波通信，時(shí)分復(fù)用廣泛用于數(shù)字微波通信等，碼分復(fù)用主要由于擴(kuò)頻通信和新型移動(dòng)通信，如133CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)，波分復(fù)用主要用于光纖通信，衛(wèi)星通信中還有空分復(fù)用（SDM）。

24第二十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題6、通信方式：

1）按照消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可以分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信三種。單工通信指消息只能單方向傳送。如：遙控器半雙工指通信雙方都能收發(fā)，但不能同時(shí)進(jìn)行收、發(fā)的工作方式。如：交警用的對(duì)講機(jī)。全雙工指通信的雙方都可以同時(shí)進(jìn)行收發(fā)的工作方式。25第二十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題2）在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號(hào)碼元排列的方法不同，有串行傳輸和并行傳輸。串行傳輸是將數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸，這種方式只需占用一條通道，節(jié)省通道，但速率較慢，適合遠(yuǎn)距離傳輸。并行傳輸是將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成兩路或多路數(shù)字信號(hào)碼元序列，同時(shí)在信道中傳輸，這種方式占用通道較多，速率較快，適合近距離傳輸，如：計(jì)算機(jī)主板上的數(shù)據(jù)線。26第二十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

四．通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)在設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)時(shí)，往往涉及通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以衡量其質(zhì)量的優(yōu)劣，性能指標(biāo)也稱質(zhì)量指標(biāo)。通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)涉及有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)使用等。但從研究信息的傳輸來說，主要有兩個(gè)，即：有效性-----消息傳輸?shù)乃俣葐栴}可靠性-----消息傳輸?shù)馁|(zhì)量問題27第二十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

二者是一對(duì)矛盾，通常根據(jù)實(shí)際應(yīng)用求得相對(duì)的統(tǒng)一。即在滿足一定可靠性指標(biāo)下，盡量提高消息傳輸速度；或在維持一定有效性指標(biāo)時(shí)，使消息傳輸質(zhì)量盡可能提高。對(duì)于不同通信系統(tǒng)，具體表現(xiàn)也不同28第二十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題1．模擬通信有效性----傳輸帶寬B.給定信道帶寬,能容納最大的通信路數(shù).

可靠性----信噪比(S/N)o通信系統(tǒng)接收端的輸出信號(hào)噪聲功率比(SNR,SignalNoiseRatio)。有些地方單位經(jīng)常用“分貝”來表示。

B越小，占用信道帶寬越少，有效性越好；

So/No越大，信號(hào)質(zhì)量高，可靠性越好。29第二十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

2．?dāng)?shù)字通信有效性--傳輸速率（R），又分成:

（1）碼元傳輸速率(RB)：單位時(shí)間能夠傳送的碼元數(shù)(波特,Baud)。每個(gè)碼元傳輸所占用的時(shí)間TB（秒，S）

為碼長,則RB=1/TB(波特,Baud)。若碼元為二進(jìn)制RB

對(duì)應(yīng)RB2,若為M進(jìn)制

RB

對(duì)應(yīng)RBM，RB2=RBM·log2M

30第三十頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

（2）信息傳輸速率(Rb):

單位時(shí)間能夠傳送的信息量(bit/s)。

Rb=RB·log2M比特/秒

RB=Rb/log2M波特

RB≤Rb，因?yàn)槎噙M(jìn)制碼元要用多位二進(jìn)制表示，所需傳輸時(shí)間長，傳輸速率降低。

31第三十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性指標(biāo)—差錯(cuò)概率，又分為：誤碼率Pe

=接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)/發(fā)出的總碼元數(shù)；誤比特率Pb

=接收的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)/發(fā)出的總比特?cái)?shù)；

PeB↓→可靠性好

PeB↑→Peb↑，但Peb≤PeB

32第三十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

在二進(jìn)制中Peb=PeB

，但在M>2進(jìn)制中，因一個(gè)碼元中含信息量為log2M比特，錯(cuò)一個(gè)碼元時(shí)log2M比特信息量不一定全部錯(cuò)誤，故Peb<PeB

。

說明：在許多資料上也借用帶寬來描述數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性即傳輸速率，例如說某信道的帶寬為56kb/s,也就意味著該信道的數(shù)據(jù)傳輸速率為56kb/s。33第三十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

§1.2信息論初步一、信息的度量通信的目的在于傳輸信息，為了衡量通信系統(tǒng)的傳輸能力，需要對(duì)被傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行定量的描述，要涉及信息量的定義。這里分成兩種信道討論，即離散信源——產(chǎn)生離散消息的信源；連續(xù)信源——產(chǎn)生連續(xù)消息的信源；34第三十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

(一)離散信源

1.信息量一個(gè)消息攜帶的信息量大小與消息出現(xiàn)的可能性有關(guān)，而可能性可以由消息的統(tǒng)計(jì)特性——概率描述。離散消息xi攜帶的信息量

例：設(shè)某系統(tǒng)字母E出現(xiàn)的概率是0.105，x出現(xiàn)的概率為0.002，求E及x的信息量。35第三十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

單位：

?

對(duì)數(shù)以2為底單位為比特(bit)

?

對(duì)數(shù)以e為底單位為奈特(nit)

?

對(duì)數(shù)以10為底單位為哈特萊(Hartley)

其中比特(bit)為單位使用較多,沒有特殊說明。課程中都是用bit。

若干獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，其信息量滿足可加性，即

I[P(x1)p(x2)…]=I[P(x1)+I[p(x2)]+…

36第三十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

2．平均信息量(也稱信源熵)

當(dāng)P(xi)=1/M，i=1，2，…M時(shí)，H(x)=

log2M取最大值。

3．條件信息量

I(xi/yj)=－log2P(xi/yj)

bit，信道損失的信息量。

4．互信息量（后驗(yàn)概率與先驗(yàn)概率之比）

37第三十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

互信息量反映了兩個(gè)隨機(jī)事件xi

與yj之間的關(guān)聯(lián)程度。

物理意義：接收端所能獲取的發(fā)端的信息，即信道所傳輸?shù)男畔⒘俊?/p>

當(dāng)I(xi/yj)=0，I(xi,yj)=I(xi)，信道不丟失xi的信息量；當(dāng)P(xi/yj)=P(xi)時(shí)，I(xi/yj)=I(xi)，信道收xi的信息量全丟失。

38第三十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

5．平均互信息量（互信息量的統(tǒng)計(jì)平均值）

I(x,y)=(bit/符號(hào))

式中，H(x)——表示發(fā)送的每個(gè)符號(hào)的平均信息量；

H(x/y)發(fā)送符號(hào)在有噪聲的信道中傳輸平均丟失的信息量，或當(dāng)輸出符號(hào)已知時(shí)輸入符號(hào)的平均信息量。

I(x,y)=H(x)－H(x/y)(bit/符號(hào))

信源熵平均條件熵(信道所傳輸?shù)钠骄畔⒘?

39第三十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日I(xi/yj)=－log2P(xi/yj)I(x,y)=H(x)－H(x/y)(bit/符號(hào))信息量平均信息量(也稱信源熵)條件信息量互信息量平均互信息量40第四十頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

(二）連續(xù)信源

1信源熵

2平均互信息量

I（x，y)=H(x)-H(x/y)41第四十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

二、信道容量和香農(nóng)公式

1．信息傳輸速率：單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)钠骄畔⒘俊?/p>

R=Ht(x)-Ht(x/y)=r[H(x)-H(x/y)]，式中Ht(x)——單位時(shí)間內(nèi)信息源發(fā)出的平均信息量，或稱信息源的信息速率；

42第四十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題Ht(x)=rH(x)Ht(x/y)——單位時(shí)間內(nèi)對(duì)x發(fā)送而收到y(tǒng)的條件平均信息量。

Ht(x/y)=rH(x/y)

其中r為單位時(shí)間傳送的符號(hào)數(shù)。說明：當(dāng)無噪聲時(shí)H(x/y)=0，R=H(x)r；當(dāng)噪聲很大時(shí)H(x/y)=H(x)，R=0；信道確定后H(x/y)為定值。43第四十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題例：一個(gè)由字母A,B,C,D組成的字，對(duì)于傳輸?shù)拿恳粋€(gè)字母用二進(jìn)制脈沖編碼，00表示A，01表示B，10表示C，11表示D，每個(gè)脈沖寬度為5ms。1）不同的字母等概率出現(xiàn)時(shí)，計(jì)算傳輸?shù)钠骄畔⑺俾剩?）若每個(gè)字母出現(xiàn)的概率分別為44第四十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題2．信道容量

對(duì)一切可能的信源概率分布，信道傳輸信息的速率R的最大值。

C=max(R)=max[H(x)－H(x/y)]r(bit/s)，顯然信源等概率分布時(shí)的R即為C，

（一）對(duì)于離散信道45第四十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

例1：在二進(jìn)制對(duì)稱信道中，P(1/0)=P(0/1)=0.01，

r=1000符號(hào)/S，求C。解：

現(xiàn)在P(x1/y1)=P(x2/y2)=0.99，

P(x1/y2)=P(x2/y1)=0.01，并且考慮到P(y1)+P(y2)=1，所以上式可以改寫為46第四十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日47第四十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

（二）連續(xù)信道

這是著名的香農(nóng)公式，式中S為信號(hào)x的功率，B為信道帶

寬，S/N為信道信噪比(功率比)。

48第四十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

物理意義：

香農(nóng)公式是現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)，實(shí)際通信系統(tǒng)在保持一定信道容量時(shí)，根據(jù)具體情況解決信號(hào)帶寬B（有效性）與信噪比S/N（可靠性）的矛盾與統(tǒng)一，如FM系統(tǒng)犧牲帶寬換取信噪比的改善；移動(dòng)通信節(jié)省帶寬，需要加大發(fā)信功率等（碼分多址移動(dòng)通信采用了擴(kuò)頻通信技術(shù)，節(jié)省發(fā)信功率，減小干擾。49第四十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題依此可以畫出頻帶利用率與信噪比關(guān)系曲線，并確定出香農(nóng)極限，作為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考和指導(dǎo)。

50第五十頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章通信的基本概念與基本問題

例2.已知電視圖像由3×105

個(gè)像素組成，設(shè)每個(gè)像素有64

種色彩，每種色彩有16個(gè)亮度等級(jí)。試計(jì)算：

（1）每秒傳送30個(gè)畫面所需的信道容量；

（2）如果接收機(jī)信噪聲比為30dB，那么傳送彩色圖像所需的信道帶寬為多少？

解：每像素信息量=㏒2（64×16）=