聊城大學(xué)通信原理課件第一章緒論

通信原理第一章緒論7/21/20231CP第一章緒論目錄本章主要介紹通信的常用術(shù)語、通信系統(tǒng)的組成及分類、通信方式。重點(diǎn)介紹數(shù)字通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，信息及其度量及衡量通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)。7/21/20232CP第一章緒論大綱要求掌握內(nèi)容：通信系統(tǒng)的基本問題與主要性能指標(biāo)；模擬通信與數(shù)字通信；信息量、平均信息量、信息速率。

熟悉內(nèi)容：通信系統(tǒng)的分類；通信方式。

了解內(nèi)容：通信的概念7/21/20233CP第一章緒論第一章緒論1.1引言1.2通信系統(tǒng)組成1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.6通信技術(shù)的發(fā)展概況7/21/20234CP第一章緒論１.1引言

1、通信概念：信息的傳遞與交換過程稱為通信.

應(yīng)用例子：古代的，烽火臺，近代的，信號燈，現(xiàn)代的，打電話。由于電、光傳遞信息快、準(zhǔn)確可靠，這類傳遞信息方式稱為“電信”，今天電信已習(xí)慣指通信。由于電、光傳遞信息快、準(zhǔn)確可靠，這類傳遞信息方式稱為“電信”，今天電信已習(xí)慣指通信。7/21/20235CP第一章緒論1.2通信系統(tǒng)的組成

一、通信系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)。通信的目的：傳輸消息。消息具有不同的形式，例如：符號、文字、話音、音樂、數(shù)據(jù)、圖片、活動的圖像等。根據(jù)所傳遞的消息的不同，目前通信業(yè)務(wù)可以分為：電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。為了研究通信系統(tǒng)我們要建立了通信系統(tǒng)模型。7/21/20236CP第一章緒論通信系統(tǒng)的一般模型信宿接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備信道信源噪聲信源信道信宿噪聲通信系統(tǒng)的基本組成7/21/20237CP第一章緒論模擬信號波形(a)連續(xù)信號；7/21/20238CP第一章緒論數(shù)字信號波形二進(jìn)制波形；7/21/20239CP第一章緒論1.模擬通信系統(tǒng)模型信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300~3400Hz，圖像信號為0~6MHz。由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘枺⒖稍诮邮斩诉M(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。（語音信號）經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號。7/21/202310CP第一章緒論已調(diào)信號有三個基本特征：攜帶有信息適合在信道中傳輸信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。7/21/202311CP第一章緒論模擬通信系統(tǒng)中的兩種變換連續(xù)消息與基帶信號的變換基帶信號與頻帶信號之間的變換實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。7/21/202312CP第一章緒論模擬通信系統(tǒng)模型模擬信源調(diào)制器信道解調(diào)器模擬信宿噪聲源7/21/202313CP第一章緒論2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型

技術(shù)問題主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步以及加密等。7/21/202314CP第一章緒論數(shù)字信源信道發(fā)生器基帶波形譯碼器信宿噪聲源在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時，數(shù)字基帶信號無需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)。下面我們看一下各個部分的功用7/21/202315CP第一章緒論1)信源編碼與譯碼作用一:是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。作用二:

是當(dāng)信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。即模數(shù)轉(zhuǎn)換。信源編碼方法：PCM、ADPCM、DM等信源譯碼是信源編碼的逆過程。7/21/202316CP第一章緒論2）信道編碼與譯碼數(shù)字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起誤碼。為了減少差錯，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。使數(shù)字信號適應(yīng)信道所進(jìn)行的變換稱為信道編碼接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。信道編碼：線性分組碼、卷積碼、循環(huán)碼等。7/21/202317CP第一章緒論3）加密與解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全，人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來信息，叫解密。7/21/202318CP第一章緒論4）數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號?；镜臄?shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對（差分）相移鍵控DPSK。對這些信號可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號。數(shù)字調(diào)制是本課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。7/21/202319CP第一章緒論5）同步與數(shù)字復(fù)接同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時分復(fù)用基本原理把若干個低速數(shù)字信號合并成一個高速的數(shù)字信號，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。7/21/202320CP第一章緒論3.數(shù)字通信的主要特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)。（遠(yuǎn)距離傳輸可消除噪聲積累)

兩類通信方式抗干擾性能比較

(a)模擬信號(b)數(shù)字信號7/21/202321CP第一章緒論采用信道編碼技術(shù)可控制差錯。降低誤碼率，提高傳輸?shù)目煽啃?。易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算技術(shù)對信號進(jìn)行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網(wǎng)。易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。易于加密處理，且保密強(qiáng)度高。7/21/202322CP第一章緒論2）缺點(diǎn)占據(jù)寬的系統(tǒng)頻帶，因此數(shù)字通信的頻帶利用率不高。數(shù)字通信對同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。不過，隨著光纖等的采用、窄帶調(diào)制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字通信的這些缺點(diǎn)已經(jīng)弱化。數(shù)字通信將占主導(dǎo)地位。7/21/202323CP第一章緒論1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式一、通信系統(tǒng)分類1、按消息的物理特征分：電報通信系統(tǒng)和電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)等。2、按信號特征分類:模擬信號還是數(shù)字信號3、按傳輸媒質(zhì)分類:有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。有線通信--導(dǎo)線、架空明線、同軸電纜、光纖無線通信--短波電離層、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。7/21/202324CP第一章緒論4、按信號復(fù)用方式分類:頻分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用頻分復(fù)用：不同信號占據(jù)不同的頻率范圍時分復(fù)用：不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間碼分復(fù)用：用一組包含相正交的碼字的碼組攜帶多路信號。5、按調(diào)制方式分類:基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸。（常見的調(diào)制方式如下表所示）

7/21/202325CP第一章緒論表1-1常見的調(diào)制方式

調(diào)制方式用途載波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制振幅鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸移頻鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸7/21/202326CP第一章緒論調(diào)制方式用途載波調(diào)制脈沖調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、

LPC

中低速數(shù)字電話續(xù)表（2）7/21/202327CP第一章緒論

表1–2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)

頻率范圍波長符號傳輸媒質(zhì)用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距離導(dǎo)航、時標(biāo)30~300kHz103~104m低頻LF有線線對長波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無線電調(diào)幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航7/21/202328CP第一章緒論續(xù)表（2）頻率范圍波長符號傳輸媒質(zhì)用途300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導(dǎo)厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)30~300GHz1~10mm極高頻EHF波導(dǎo)毫米波無線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)

107~108GHz3×10-6~3×10-5

mm

紫外可見光紅外光纖激光空間傳播光通信7/21/202329CP第一章緒論二、通信方式通信過程中涉及通信方式與信道共享問題。下面只對通信方式作一簡單介紹。1．按消息傳遞的方向與時間關(guān)系分對于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時間關(guān)系，通信方式可分為單工、半雙工、全雙工通信。

2．按數(shù)字信號排列順序分在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號代碼排列的順序可分為串行傳輸、并行傳輸。7/21/202330CP第一章緒論單工通信，是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，因此只占用一個信道。廣播、遙測、遙控等。半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。使用同一載頻的對講機(jī)，收發(fā)報機(jī)以及問詢、檢索、科學(xué)計算等數(shù)據(jù)通信。全雙工通信，是指通信雙方可同時進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道。普通電話、手機(jī)都是最常見的全雙工通信方式，計算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。7/21/202331CP第一章緒論單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

(a)單工；(b)半雙工；(c)全雙工收端發(fā)端f1f2f7/21/202332CP第一章緒論按數(shù)字信號排列順序分在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸。并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時間，但需要傳輸信道多，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。。7/21/202333CP第一章緒論串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。此外，還可以按通信的網(wǎng)絡(luò)形式劃分。由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上。7/21/202334CP第一章緒論并行和串行通信方式示意圖

(a)并行傳輸；(b)串行傳輸返回主目錄7/21/202335CP第一章緒論1.4信息及其度量一、信息量的度量通信的目的在于傳遞信息，消息包含著信息，消息的傳遞意味著信息的傳遞。對信息這個術(shù)語的含義以及它的定量描述作扼要的討論是十分必要的。消息：發(fā)生或未發(fā)生具體事件具體表述。

信息：隱含在消息之中的內(nèi)容。

消息的傳遞意味著信息的傳遞。每一消息信號必定包含有接收者需要知道的信息，消息以具體信號形式表現(xiàn)出來，而信息則是更抽象化、更普遍化，是有本質(zhì)的內(nèi)容。這是消息與信息的不一致。7/21/202336CP第一章緒論首先應(yīng)清楚以下問題①信息與消息的形式無關(guān)用語音和文字發(fā)送的天氣預(yù)報消息，所含信息內(nèi)容相同②信息與消息的重要程度無關(guān)明日下雨的天氣預(yù)報消息，不因該地區(qū)曾久旱無雨，還是風(fēng)調(diào)雨順而含有信息量增大。

③信息的多少與消息事件發(fā)生的可能性有關(guān)“明天中午12時正常開飯”、“明天中午12時有地震”后者聽后會使人驚奇和意外，則信息量大?；蛘哒f某些消息比另外一些消息傳遞了更多的信息。7/21/202337CP第一章緒論如何度量信息？如何計算消息的信息量？火車運(yùn)輸貨物多少用“貨運(yùn)量”衡量消息信號傳輸信息多少用“信息量”衡量消息的傳遞意味著消息的傳遞，信息可被理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容。某些消息比另外一些消息傳遞了更多的信息。概率論知識：

事件出現(xiàn)的可能性愈小，概率愈小事件出現(xiàn)的可能性愈大，概率愈大信息量與消息出現(xiàn)的概率有關(guān)。7/21/202338CP第一章緒論比如：明天要下雪（大家都很驚訝，概率很?。┨枏臇|方升起。（司空見慣的事情，信息量就小）結(jié)論：對于接收者而言，事件發(fā)生的概率越小，信息量越大，即信息量反映實(shí)踐的不確定性。對于通信雙方而言，假如雙方已知道通信內(nèi)容，那么通信就毫無意義可言。7/21/202339CP第一章緒論綜上所述，為計算信息量（消息）關(guān)系式，應(yīng)反映如下規(guī)律：

假設(shè)P(x)是一個消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息。（1）信息量是概率的函數(shù)，即I=f［P(x)］（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且

P(x)→1時，I→0；P(x)→0時，I→∞7/21/202340CP第一章緒論3）若干個互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，即

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…滿足以上三點(diǎn)，信息量I與p(x)的函數(shù)關(guān)系為：一般的:a＞17/21/202341CP第一章緒論信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時，信息量的單位為比特(bit)；a=e時，信息量的單位為奈特(nit)；a=10時，信息量的單位為哈特萊。目前廣泛使用的單位為比特。公式為：7/21/202342CP第一章緒論二、離散信息的度量1、獨(dú)立等概率出現(xiàn)離散消息的度量

M進(jìn)制獨(dú)立等概率出現(xiàn)的消息，單一出現(xiàn)（每個出現(xiàn)的概率為p(x)=1/M）,則每個符號的信息量為當(dāng)M=2時，即對于二進(jìn)制信息來講一個符號的信息量為：I=1(bit)

當(dāng)M=2k時，等概率出現(xiàn)，每個符號的信息量為：I=log22K=K(bit)7/21/202343CP第一章緒論例1

設(shè)四進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0、1、2、3，則信源每個輸出的信息含量為：

I(0)=I(1)=I(2)=I(3)=log24=2bitP=1/8的信息量為3比特P=1/16的信息量為4比特P=1/M的信息量為log2M(bit)7/21/202344CP第一章緒論2、非等概率出現(xiàn)離散消息的度量1）單一符號傳送非等概情況例如：離散信號源只有0和1，其中0出現(xiàn)概率為7/8，求一個“1”所含的信息量。解：由已知得1出現(xiàn)的概率為p(1)=1/8

所以它所含的信息量為I=log28=3bit2)一串符號構(gòu)成的消息的信息量例如：一串符號中0的概率為1/3，1的概率為2/3，求1011的所含信息量。7/21/202345CP第一章緒論3、平均信息量H(x)（信源熵）設(shè)離散信源是一個由n個符號組成的符號集，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,n)出現(xiàn)的概率為P(xi)，且有：xi所包含的信息量：平均信息量為：通常又稱它為信息熵，其單位為bit/符號。7/21/202346CP第一章緒論注意：

1、不同離散信源有不同的信源熵；

2、信源上越大越好；

3、最大信源熵出現(xiàn)在每個符號等概率出現(xiàn)時。（即對于M進(jìn)制數(shù)字信號而言，當(dāng)M中符號等概出現(xiàn)時，它的信源熵最大，且為H(x)=log2Mbit）7/21/202347CP第一章緒論

例題2一離散信源由0，1，2，3四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。7/21/202348CP第一章緒論解此消息中，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個符號，故該消息的信息量為7/21/202349CP第一章緒論例題3設(shè)一個信息源的輸出由128個不同的符號組成，其中16個出現(xiàn)的概率為1/32，其余112個出現(xiàn)的概率為1/224。且每個符號都是獨(dú)立的，求平均信息量。解：每個符號的平均信息量為：返回主目錄7/21/202350CP第一章緒論1.5主要性能指標(biāo)一、通信系統(tǒng)主要的性能指標(biāo)衡量比較評價一個系統(tǒng)的好壞，必然要涉及通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)問題，否則無法衡量。指標(biāo)有：有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)性等。

7/21/202351CP第一章緒論其中最關(guān)鍵的是有效性和可靠性

有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取?。可靠性是指接收信息的?zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”。它們是一對對立統(tǒng)一的矛盾

最關(guān)鍵：在滿足一定可靠性條件下，盡量提高傳輸速率；在維持一定的有效性下，盡量提高傳輸質(zhì)量。7/21/202352CP第一章緒論二、模擬通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性可用有效傳輸頻帶來度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度?？煽啃杂媒邮斩俗罱K輸出信噪比來度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。如調(diào)頻信號抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。7/21/202353CP第一章緒論三、數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性可用傳輸速率來衡量。碼元傳輸速率RB信息傳輸速率Rb可靠性可用差錯率來衡量。誤碼率Pe（碼元差錯率）誤信率Pb（信息差錯率有效性可用傳輸速率來衡量。7/21/202354CP第一章緒論A、碼元長度：傳輸一個碼所需要的時間。B、碼元：在碼元長度內(nèi)的信號。例如對于二進(jìn)制信號而言，它有兩種符號0和1，傳輸0或1所需要的時間即碼元長度，而這里面的信號0或1即是碼元。010017/21/202355CP第一章緒論1.傳輸速率1)

碼元傳輸速率RB

簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。例如，若1秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。

數(shù)字信號有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度T有關(guān):7/21/202356CP第一章緒論2)信息傳輸速率Rb簡稱傳信率