電磁學(xué)第一章課后答案 1

1、通信原理,通信原理,第1章 緒論,第1章 緒論,1. 1 通信的基本概念 通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。 消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。 信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。 實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段： 非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺(tái) 電的：如電報(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。,第1章 緒論,電信發(fā)明史 1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào) 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(jī)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?yàn)楣庖彩且环N電磁波。 在電通

2、信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。,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(jiǎn)稱信源）：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。 發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。 信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。 噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。,第1章 緒論,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)。 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1章 緒論,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(hào)和數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào)：代表

3、消息的信號(hào)參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：,(a) 話音信號(hào) (b) 抽樣信號(hào) 圖1-2 模擬信號(hào),第1章 緒論,數(shù)字信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值為有限個(gè)，例如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào)： 通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，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(jìn)制信號(hào) (b) 2PSK信號(hào) 圖1-3 數(shù)字信號(hào),第1章 緒論,模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)： 兩種變換： 模擬消息 原始電信號(hào)（基帶信號(hào)） 基帶信號(hào) 已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）,圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型,第1章 緒論,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(hào)來

4、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?完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換 信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)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?hào) 同步目的：使收發(fā)兩端的信號(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,第1章 緒論,1.2.3 數(shù)字通信的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累 傳輸差錯(cuò)可控 便于處理、變換、存儲(chǔ) 便于將來自不同信源的信號(hào)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(diǎn)： 需要較大的傳輸帶寬 對(duì)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

5、統(tǒng)的分類 按通信業(yè)務(wù)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)、圖像通信系統(tǒng) 按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（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(hào)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(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信 按信號(hào)復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用,第1章 緒論,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?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 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1章 緒論,并行傳

6、輸和串行傳輸 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,第1章 緒論,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 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

7、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(jī)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。,第1章 緒論,度量信息量的方法 事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述： 消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。 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(shí)，I 0； P(x) = 0時(shí)，I ； 滿足上述3條件的關(guān)系式如下： 信息量的定義,第1

8、章 緒論,上式中對(duì)數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡(jiǎn)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(shí)有 (b) 【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 在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特,第1章 緒論,若有M個(gè)等概率波形（P = 1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)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(shí)，即4進(jìn)制波形，I = 2比特， 當(dāng)M = 8時(shí)，

9、即8進(jìn)制波形，I = 3比特。,第1章 緒論,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,第1章 緒論,【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 01203210100321010023102002010

10、312032100120210的信息量。 【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,第1章 緒論,若用熵的概念來計(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。,第1章 緒論,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,

11、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?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），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。 可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。 模擬通信系統(tǒng)： 有效性：可用有效傳輸頻帶來度量。 可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。,第1章 緒論,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,第1章 緒論,碼元速率和信息速率的關(guān)系