通信原理-第1章

通信原理第1章緒論1.1

通信的基本概念1.2

通信系統(tǒng)的組成1.3

通信系統(tǒng)分類與通信方式

1.4

信息及其度量1.5

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

第1章緒論

1.1通信的基本概念

古代的烽火臺、金鼓、旌旗以及當(dāng)今的書信、電報、電話、廣播、電視等都是現(xiàn)實生活中我們所熟悉的通信實例。盡管通信的方式各種各樣，傳遞的內(nèi)容千差萬別，但都有一個共性，那就是進行信息的傳遞。通信------按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸。通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。1.1通信的基本概念消息：是信息的物理表現(xiàn)形式，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等，是通信系統(tǒng)中傳輸?shù)木唧w對象。消息是隨機變化的。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。是一個含義廣泛、抽象的概念。信號：消息的載體。信號隨消息變化，是隨機信號。通信的本質(zhì)是隨機的。1.1通信的基本概念實現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如烽火臺、旌旗、消息樹…電的：如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計算機通信等。

1.1通信的基本概念電信發(fā)明史1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報1876年：貝爾發(fā)明有線電話1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世1936年：商業(yè)電視廣播開播……………后面講述中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”，包括光通信，因為光也是一種電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實現(xiàn)的。通信：利用電（或光）信號將消息中所包含的信息從信源傳送到一個或多個目的地。

第1章緒論1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號（基帶信號），如話筒(聲音—音頻信號)、攝象機（圖像—視頻信號）。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

1.2

通信系統(tǒng)的組成信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端的物理媒質(zhì)。是信號傳輸?shù)耐ǖ溃譃橛芯€信道和無線信道。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。接收設(shè)備：從受到減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚聲器等。1.2

通信系統(tǒng)的組成圖1-2廣播通信系統(tǒng)示意圖1.2

通信系統(tǒng)的組成1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：

(a)話音信號

(b)抽樣信號圖1-3模擬信號1.2

通信系統(tǒng)的組成數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

(a)二進制信號

(b)2PSK信號圖1-4數(shù)字信號1.2

通信系統(tǒng)的組成模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)：兩種變換： 模擬消息

原始電信號（基帶信號） 基帶信號

已調(diào)信號（帶通信號或頻帶信號）圖1-5模擬通信系統(tǒng)模型1.2

通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)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)換信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘柾侥康模菏故瞻l(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致圖1-6數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.2

通信系統(tǒng)的組成1.2.3數(shù)字通信的特點優(yōu)點：抗干擾能力強，且噪聲不積累。傳輸差錯可控。便于處理、變換、存儲。便于將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸。易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕。易于加密處理，且保密性好。缺點：需要較大的傳輸帶寬對同步要求高第1章緒論

1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)……按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（頻帶或調(diào)制）傳輸系統(tǒng)調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制，詳見書中表1-1。按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通……按信號復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用1.3

通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.2通信方式單工、半雙工和全雙工通信單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞桨腚p工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收 發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式

1.3

通信系統(tǒng)分類與通信方式并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號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傳輸

優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施

缺點：需要n條通信線路，成本高。1.3

通信系統(tǒng)分類與通信方式串行傳輸：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費用

缺點：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施其他分類方式：同步通信和異步通信；專線通信和網(wǎng)通信第1章緒論1.4信息及其度量信息：是消息中包含的有效內(nèi)容如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無關(guān)。消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)

【例】“某客機墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。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。

1.4

信息及其度量度量信息量的方法（離散消息的信息量）事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述： 設(shè)：P(x)

－消息發(fā)生的概率，

I

－消息中所含的信息量，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，I＝

0；P(x)=0時，I＝

；

－信息量的定義1.4

信息及其度量上式中對數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)，可簡記為b

若a=e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特，這時有

(b)【例】

設(shè)一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個二進制碼元稱作1比特。1.4

信息及其度量若有M個等概率波形（P=1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則傳送M進制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即

M=2k，則有 當(dāng)M=4時，即4進制波形，I=2比特， 當(dāng)M=8時，即8進制波形，I=3比特。1.4

信息及其度量對于非等概率情況（離散信源的平均信息量） 設(shè)：一個離散信源是由M個符號組成的集合，即

則x1,x2,

x3,…,

xM

所包含的信息量分別為 于是，每個符號所含平均信息量為 由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵bit/符號1.4

信息及其度量

【例1】

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)都是獨立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅?，“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

每個符號的算術(shù)平均信息量為

1.4

信息及其度量若用熵的概念來計算：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。當(dāng)消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。(bit/符號)1.4

信息及其度量[例2]某信息源的符號集有A、B、C、D和E組成，設(shè)每一符號獨立出現(xiàn)，其出現(xiàn)的概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。試求該信息源的符號平均信息量（信源熵）。解：該信息源符號的平均信息量（熵）為1.4

信息及其度量連續(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。第1章緒論1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性有效性：指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}?？煽啃裕褐附邮招畔⒌臏?zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶（帶寬）來度量?？煽啃裕嚎捎媒邮斩俗罱K輸出信噪比來度量。1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。碼元傳輸速率（傳碼率）RB：定義為單位時間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特(Baud),簡記為B。式中T－碼元的持續(xù)時間（秒）信息傳輸速率（傳信率、比特率）Rb：單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位為比特/秒，簡記為b/s

，或bps

1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)碼元速率和信息速率的關(guān)系

或 對于二進制數(shù)字信號：M=2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對于多進制，例如在八進制（M=8）中，若碼元速率為1200B，則信息速率為3600b/s。1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即 或可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率誤信率，又稱誤比特率 在二進制中有1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)[例3]設(shè)一信息源的輸出由128個不同符號組成。其中16個出現(xiàn)的概率為1/32，其余112個出現(xiàn)概率為1/224。信源每秒發(fā)出1000個符號，且彼此獨立。試計算該信源的平均信息速率。解：每個符號的平均信息量1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

[例4]已知某八進制數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率為3000bit/s,在接收端10分鐘內(nèi)共測得出現(xiàn)18個錯誤碼元，試求該系統(tǒng)的誤碼率。解：

依題意

則

RB=Rb/log28=1000B則系統(tǒng)的誤碼率：1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)[例5]

某數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖撬倪M制碼元,4秒傳8000個碼元。另一數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖鞘M制碼元,6秒傳7200個碼元。分別求出每個系統(tǒng)的碼元速率和信息速率。1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)[例7]

攝像機每30毫秒產(chǎn)生1幅40萬像素的彩圖。每像素有RGB三種顏色構(gòu)成，各32個灰度級。求攝像機輸出的信息速率。（200Mbps)[例6]

黑白電視機的圖像每秒傳25幀,每幀6