通信原理第一章PPT.ppt

安徽大學 電子信息工程學院 2012年2月,主講教師：劉 瑜 ： 通信原理,教材：通信原理簡明教程，南利平等編著，清華大學出版社 本教材有一定深度，希望同學們結(jié)合講課材料和其他參考書來學習。 推薦參考書： 通信原理， 樊昌信，國防工業(yè)出版社 通信原理概論，賀貴明，華中科技大學出版社 通信原理學習輔導與習題解答，教材的配套習題集 李學華等 清華大學出版社,關(guān)于本課程的先修基礎知識和學習注意點 先修基礎知識： 基本的電子電路知識 概率論與隨機過程的基本知識 信號與系統(tǒng)，特別是傅里葉變換的概念與應用 學習注意點： 本課程作為電子信息類的選修科目，側(cè)重于通信基本 概念和原理的應用，不同于通信類專業(yè)的必修要求（96學時），由于課時數(shù)較少（54學時），學習的內(nèi)容深度要求相對要淺顯一些，主要目標是使電子類專業(yè)學生能在通信原理方面學到概論性的知識和技術(shù)。,考核方式,通信原理的分數(shù)由平時成績和考試成績兩部分組成。 考試成績即期末統(tǒng)一考試成績占70%。 平時成績占30%，上課隨機點名三次不到者，平時成績不及格。,第一章 緒論,主要內(nèi)容 1.1 引言 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.3 通信系統(tǒng)分類及通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標 1.6 通信技術(shù)的發(fā)展概況,主要目的 1、學習通信原理的意義； 2、明確通信理論和技術(shù)的部分主要概念； 3、串接通信理論和技術(shù)的主要知識框架。,物質(zhì)、能源、信息是人類生存的三大要素資源。 物質(zhì)與能源：大學物理課程（基本性質(zhì)與基本方法） 信息：通信原理課程論述了信息傳輸與處理的基本過程與方法，是進一步掌握信息科學的必由之路。 對于電子類專業(yè)學生，也是拓寬知識面，從而為一系列相關(guān)學科（通信電子、自控、遙控遙測、儀表、家電、智能樓宇等）的創(chuàng)造性工作奠定必要的信息科學背景基礎。,為什么需要學習通信原理？,1.1 引言,一、什么是通信 （1）通信的通俗定義： 一點向另一點傳遞消息的過程 （2）通信的專業(yè)定義： 利用信號（電、光、聲音或煙火、旗幟等）的某一個或幾個參數(shù)（如電波的振幅、頻率、相位等）的變化承載信息，在特定物理媒介（稱“信道”）中傳輸、交換和處理的過程。 （3）現(xiàn)代通信 一般是指“電（光）通信”，通常以語音、圖象、數(shù)據(jù)為媒體，通過電信號(光信號)將信息由一個地方傳到另一個地方 通信包括傳輸、復用、交換和網(wǎng)絡等四大技術(shù)，本課程主要涉及傳輸原理,二 通信的發(fā)展簡史,1.第一階段 信號、語言 古代通信的起源 烽火戲諸侯,相傳，周幽王為博取愛妃褒姒一笑，曾在驪山烽火臺舉烽火戲弄諸侯。而當犬戎攻入驪山，幽王再次下令點燃烽火時，各諸侯卻無人來救，幽王被殺，褒姒被擄，西周滅亡,蔡倫，東漢桂陽人，中國“蔡侯紙”的發(fā)明者。元興元年 (公元105年)用樹皮、麻頭、破布、舊魚網(wǎng)造出了達到書寫實用水平的植物纖維紙，成為中國古代四大發(fā)明之一。安帝元初元年(公元114年)封為龍亭侯。建光元年(公元121年)因?qū)m廷斗爭被迫服毒自盡,蔡 倫 字敬仲(？公元121年),2.第二階段文字、印刷、郵政 運動通信,北宋杭州著名印刷匠，他于10411051年間，創(chuàng)制了一套膠泥活字，發(fā)明了活字印刷、木活字排版；還采用兩塊鐵板互換，一版印刷，另一版排版，印刷效率大為提高。畢升的活字印刷，包括了造活字、排版和拆版一整套完備的過程，其原理和今天鉛字排印基本相同,畢 升,王 選,計算機漢字激光照排系統(tǒng),3.第三階段電氣通信,塞繆爾莫爾斯 (Samuel Finley Breese Morse，17911872),在一次遠洋旅途中，莫爾斯結(jié)識了杰克遜醫(yī)生(一位電學博士)。閑聊中談到電磁感應現(xiàn)象從此，莫爾斯走上了科學發(fā)明的崎嶇道路。終于在1837年9月4日，莫爾斯制造出了一臺電報機,1844年5月24日，在華盛頓國會大廈聯(lián)邦最高法院會議廳里，莫爾斯發(fā)出人類歷史上的第一份電報：“上帝創(chuàng)造了何等的奇跡!”,一名成功的畫家。1826年至1842年任美國畫家協(xié)會主席,1862年31歲，發(fā)表了第二篇論文論物理力線，進一步發(fā)展了法拉第的思想，擴充到磁場變化產(chǎn)生電場，而且得到了新的結(jié)果：電場變化產(chǎn)生磁場，由此預言了電磁波的存在，并證明了這種波的速度等于光速，揭示了光的電磁本質(zhì),麥克斯韋,1864年他的第三篇論文電磁場的動力學理論，從幾個基本實驗事實出發(fā)，運用場論的觀點，以演繹法建立了系統(tǒng)的電磁理論 1873年出版的電學和磁學論一書是集電磁學大成的劃時代著作，全面地總結(jié)了19世紀中葉以前對電磁現(xiàn)象的研究成果，建立了完整的電磁理論體系。這是一部可以同牛頓的自然哲學的數(shù)學原理、達爾文的物種起源和賴爾的地質(zhì)學原理相媲美的里程碑式的著作,1876年3月10日歷史上最偉大的發(fā)明之一：電話誕生了。“沃森先生，請立刻過來，我需要幫助。”這是貝爾通過電話傳出的第一句話,1847年 3 月3 日生于英國蘇格蘭愛丁堡，1873 年被聘為美國波士頓大學發(fā)聲生理學教授。當時電報已很發(fā)達，貝爾研究利用一條線路進行多路電報通信的實驗。在實驗過程中，他萌發(fā)在電報線路上通話的設想 1876年在J.亨利的鼓勵和T.A.沃森的協(xié)助下，經(jīng)過反復實驗，終于試驗電話通話成功 1878年貝爾和沃森成功的在相距 300KM的波士頓和紐約之間作了長途電話通話公開實驗，三個月后他成立了貝爾電話公司，從此電話得到了迅速發(fā)展,貝 爾 Bell，Alexander Graham(18471922),赫 茲 早逝的物理學家,1894年逝世時僅37歲,其后不到6年，意大利的馬可尼、俄國的波波夫分別實現(xiàn)了無線電傳播。無線電報(1894年)、無線電廣播(1906年)、無線電導航(1911年)、無線電話(1916年)、短波通訊(1921年)、無線電傳真(1923年)、電視(1929年)、微波通訊(1933年)、雷達(1935年)以及遙控、遙感、衛(wèi)星通訊、射電天文學它們使整個世界面貌發(fā)生了深刻的變化,1886年29歲時做了關(guān)于電磁波的實驗發(fā)現(xiàn)了電磁波，為無線電技術(shù)的發(fā)展開拓了新的道路，構(gòu)成了現(xiàn)代文明的骨架，后人為了紀念他，把頻率的單位定為赫茲,1894年當他讀到赫茲的電磁波存在時，對無線電產(chǎn)生了興趣，便開始嘗試一連串的實驗。那一年他20歲，剛剛被Bologna大學拒絕入學 1895年成功地將無線信號傳遞到一座小山后面，建立了約1.6公里間的無線電通訊 1896年因意大利拒絕受理他的專利申請，2月來到英國，同年取得第一個無線電電報專利權(quán) 1897年他得到1.5萬英鎊的資助，在倫敦成立了無線電報公司 1899年第一個無線電信息從法國傳到英國 1901年他做了一個歷史性的試驗，成功地將無線信號從英國跨越了大西洋傳遞到了紐芬蘭，這一年他27歲 1909年他與布勞(C.F.Braun,18501918)因發(fā)展了無線電電報，共同獲得諾貝爾物理獎,馬可尼 G. Marconi(1874 1937年),馬可尼是家喻戶曉的名人，但幾乎沒有人知道布勞。事實上從許多方面看來，是布勞的工作引導了近代無線電發(fā)展的方向。原因是馬可尼以專利來保護自己的各種發(fā)明，布勞則將其所有的發(fā)現(xiàn)以論文的形式發(fā)表出來！這”小小“的差異導致他們“完全不同”的命運，除了都獲得諾貝爾獎外。,現(xiàn)代信息論的創(chuàng)始人，1938年發(fā)表了著名的論文繼電器和開關(guān)電路的符號分析，首次用布爾代數(shù)進行開關(guān)電路分析，并證明布爾代數(shù)的邏輯運算，可以通過繼電器電路來實現(xiàn)，明確地給出了實現(xiàn)加、減、乘、除等運算的電子電路的設計方法。這篇論文成為開關(guān)電路理論的開端,香農(nóng)在貝爾實驗室工作時進一步證明了可以采用能實現(xiàn)布爾代數(shù)運算的繼電器或電子元件來制造計算機，香農(nóng)的理論還為計算機具有邏輯功能奠定了基礎，從而使電子計算機既能用于數(shù)值計算，又具有各種非數(shù)值應用功能，使得以后的計算機在幾乎任何領(lǐng)域中都得到了廣泛的應用,無失真變長信源編碼定理(香農(nóng)第一定理) 有噪信道編碼定理(香農(nóng)第二定理) 保真準則下信源編碼定理(香農(nóng)第三定理),香 農(nóng) Shannon,60年代在英國發(fā)明了光纖 70年代，美國康寧公司將它商業(yè)化 7080年代，光纖被用于短距離傳輸，但價格十分昂貴 1987年發(fā)明了光纖放大器，光纖產(chǎn)業(yè)得以迅速發(fā)展 2009年獲諾貝爾物理獎,高 錕 華裔通信科學家,4.第四階段多媒體通信,計算機 互聯(lián)網(wǎng) 多媒體通信,多媒體通信是指在一次呼叫過程中能同時提供多種媒體信息(聲音、圖像、圖形、數(shù)據(jù)、文本等)的通信方式，它是通信技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。利用多媒體通信，相隔萬里的用戶不僅能利用聲像圖文并茂地交流信息，使分布在不同地點的多媒體信息能步調(diào)一致地作為一個完整的信息呈現(xiàn)在用戶面前，而且用戶對通信全過程具有完備的交互控制能力。這就是多媒體通信的分布性、同步性和交互性特點,1958年8月1日我國第一臺數(shù)字電子計算機誕生，103 機是每秒30次運算速度的電子管計算機 2008年9月18日曙光5000A實現(xiàn)了每秒230萬億次運算速度,ENIAC,三 通信技術(shù)的發(fā)展趨勢,1.數(shù)字化 2.微型化 3.標準化 4.智能化 5.全球化 6.個人化,實現(xiàn)消息傳遞所需的一切設備、傳輸媒質(zhì)和通信協(xié)議的總和稱為通信系統(tǒng)。 從現(xiàn)代通信系統(tǒng)的構(gòu)成來看，一個通信系統(tǒng)的技術(shù)設備可能非常多，擁有成千上萬的用戶終端，而且在系統(tǒng)內(nèi)部的不同環(huán)節(jié)，其傳輸媒質(zhì)和信號傳輸方式也可能有所不同。,1.2 通信系統(tǒng)的組成,下圖所示的是公共電話系統(tǒng)和移動電話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。其中，移動用戶與基站之間是無線傳輸方式； 基站與移動電話交換局之間，以及移動電話交換局與移動電話交換局之間的傳輸媒質(zhì)可能是光纖或電纜； 長途交換網(wǎng)之間的傳輸信道可以是光纖信道、衛(wèi)星信道和微波接力信道。,對于點與點之間，要完成通信的過程至少要有： 發(fā)送信息者（稱“信源”） 接收信息者（稱“信宿” ） 傳輸信息的通道（稱“信道” ） 但是很多信號（如語音），如果不經(jīng)過處理，傳輸距離很短，而且很容易被干擾； 所以在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，需要“發(fā)送設備”和“接收設備”，它們作用就是使信號傳輸?shù)酶h，質(zhì)量更好； 它們具體包含了那些部件，其實就是通信原理這門課要討論的主要內(nèi)容。,不論一個通信系統(tǒng)有多么復雜，從兩個用戶之間的一次通信過程來看，都可以看成一個點到點之間的通信系統(tǒng)。因此，點與點之間建立的通信系統(tǒng)是通信的最基本形式，也是研究其它較復雜系統(tǒng)的基礎。,1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型,如下圖所示：,信源,在本書中，特指將原始信息轉(zhuǎn)換成電信號的設備，如麥克風等,發(fā)送設備,信道,噪聲源,接收設備,信宿,如調(diào)制器、功率放大器、天線等,如雙絞線、光纖、同軸電纜等。 注意：自由空間也是一種信道,是一種隨機信號，對通信有害， 但不可避免。,與是發(fā)送設備處理的“逆過程”,在本書中，特指將電信號還原成原始信息的設備，如揚聲器等,在上述通用模型中，發(fā)送設備對來自信源的信號的處理可能有2種情況： 一、直接對模擬信號進行放大和傳輸（例如無線廣播電臺、第一代移動通信系統(tǒng)“大哥大”） 二、把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（提高抗噪聲性能、且易于加密）后，再進行處理和傳輸，如數(shù)字電視、網(wǎng)絡電臺、2G/3G/4G移動通信等 根據(jù)這兩種不同情況，我們把通信系統(tǒng)分為：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)2大類,要點提示：區(qū)分模擬還是數(shù)字通信系統(tǒng)，要看信道中傳輸?shù)氖?模擬信號和還是數(shù)字信號,模擬通信模型和數(shù)字通信模型,連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語音、活動圖片等。 離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的， 如符號、數(shù)據(jù)等。 消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體電信號來實現(xiàn)的， 即把消息承載在電信號的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位； 脈沖波的幅度、寬度或位置）。,按信號參量的取值方式不同可把信號分為模擬信號和數(shù)字信號。 凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應的信號，均稱為模擬信號，如電話機送出的語音信號、電視攝像機輸出的圖像信號等。 模擬信號有時也稱連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值，而不一定在時間上也連續(xù)， 凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相對應的信號，均稱為數(shù)字信號，如電報信號、計算機輸入/輸出信號、PCM（脈沖編碼調(diào)制）信號等。 數(shù)字信號有時也稱離散信號，這個離散是指信號的某一參量是離散變化的，而不一定在時間上也離散。,信號的基本分類 消息的載體是信號，而信號可分為兩大類：模擬信號和數(shù)字信號,連續(xù)的模擬信號,t,t,離散的模擬信號,2進制數(shù)字信號,連續(xù)的數(shù)字信號 （2進制）,離散的數(shù)字信號 （2進制）,注意：“數(shù)字”信號的特點是在取值上（即縱坐標）是有限多個值的集合,多進制數(shù)字信號,連續(xù)的數(shù)字信號 （4進制）,t（秒）,00 01 10 11 01,0,1,2,3,稱為1個碼元周期Tb,注意：在多進制數(shù)字信號中， 碼元比特,1,2,3,4,1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型,如下圖所示（以調(diào)幅/AM廣播為例）：,模擬信源,調(diào)制器,人的語音頻率在300Hz到4000Hz之間，無法通過天線發(fā)射出去,從這個過程中我們可以知道，實際上，模型中的調(diào)制解調(diào)器中都包含了放大功能,補充知識：基帶信號與頻帶信號,基帶信號： 很多信源輸出的信號，含有豐富的低頻成分，即，其頻譜在低頻附近（例如我們說的語音在3004kHz，再例如數(shù)字電路輸出的TTL信號）。這些信號我們統(tǒng)稱為基帶信號 頻帶信號： 將基帶信號從低頻段調(diào)制到高頻段后的信號（又稱“已調(diào)信號/已調(diào)波”）,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離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。,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 實際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。 由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對信號的變化起決定性作用，而其他過程對信號不會發(fā)生質(zhì)的變化，只是對信號進行了放大或改善了信號特性，因而被認為是理想的，而不是通信原理的重點討論內(nèi)容。,模擬通信的主要特點 1） 抗干擾能力差 2） 不易于保密通信 3） 設備不易于大規(guī)模集成 4） 不適應飛速發(fā)展的計算機通信的要求 5） 簡單、易于實現(xiàn)。,1.2.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型,數(shù)字通信系統(tǒng)又可分為 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)（用以傳輸數(shù)字基帶信號） 數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)（又稱“數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)”，用以傳輸數(shù)字頻帶信號）,1、數(shù)字基帶通信系統(tǒng)模型,如下圖所示,在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠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，其模型中不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)，例如局域網(wǎng)通信、USB串口通信都屬于這一類。,2、數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)模型,信 源,可能是模擬信源（如麥克風），也可能是數(shù)字信源（如計算機）,信 源 編 碼,如果信源是數(shù)字信源，主要對其壓縮、加密等； 如果是信源是模擬信源，則先進行A/D變換再進行壓縮、加密,信 道 編 碼,主要功能是檢錯和糾錯，將在后續(xù)章節(jié)詳細介紹。 主要目的是為了保證通信的可靠性,數(shù) 字 調(diào) 制,與模擬調(diào)制的作用是類似的：都是為了使通信傳輸?shù)男畔⒏h、更多、更抗干擾，將在以后詳細介紹,是發(fā)送端處理的“逆過程”，不再贅述,隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信道編碼與數(shù)字調(diào)制有融合的趨勢,怎樣理解信源編碼和信道編碼,信源編碼：根據(jù)信源的特點進行的相應的編碼處理（主要指的是模/數(shù)轉(zhuǎn)換和壓縮）。 例如語音可采用PCM編碼，靜止圖像有jpg編碼，動態(tài)圖像有mpeg編碼，音樂有mp3編碼等等 可以看出不同的信源往往有不同的信源編碼（這是因為不同的信源的統(tǒng)計特性是不同的） 目的：提高通信的有效性,怎樣理解信源編碼和信道編碼,信道編碼：根據(jù)信道的特點進行相應的編碼，以使信號適合在這種信道中傳輸，主要指的是檢錯、糾錯。 如在計算機中普遍用的CRC(循環(huán)冗余)編碼等 不同的信道往往采用不同的信道編碼（因為不同的信道有不同的誤碼特性） 目的：提高通信的可靠性,加密與解密,在需要實現(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)送端相同的密碼復制品對收到的數(shù)字序列進行解密，恢復原來信息，叫解密。,同步與數(shù)字復接,同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準確、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、群同步等 數(shù)字復接就是依據(jù)時分復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，以擴大傳輸容量和提高傳輸效率。,信號與通信系統(tǒng)模型,模擬信號經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸 數(shù)字電話系統(tǒng) 數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸 計算機數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸，但這時必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號進行正弦調(diào)制，以適應模擬信道的傳輸特性。 模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘柗N類。,數(shù)字通信的主要特點,抗干擾能力強。 差錯可控。 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， 從而使通信設備微型化。 易于加密處理， 且保密強度高。 但是，數(shù)字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價而換取的。,一路模擬電話帶寬4kHz，而一路相同質(zhì)量的數(shù)字電話帶寬64kHz，經(jīng)過壓縮處理后也要20kHz以上。,1.3 通信系統(tǒng)的分類及通信方式,1.3.1 通信系統(tǒng)的分類 按信道傳輸?shù)男盘柗N類來分 按傳輸?shù)拿浇榉N類來分 按信號是否經(jīng)過調(diào)制,模擬通信系統(tǒng),數(shù)字通信系統(tǒng),有線通信系統(tǒng),無線通信系統(tǒng),基帶通信系統(tǒng),頻帶（調(diào)制）通信系統(tǒng),根據(jù)實際情況來確定是否需要調(diào)制（如傳輸距離）,表 1- 1常見的調(diào)制方式（后續(xù)章節(jié)詳細介紹）,續(xù)表（2）,按通信系統(tǒng)承載的業(yè)務種類分,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)等,Service,按復用的方式分,頻分復用（FDM）通信系統(tǒng)（廣播）,時分復用（TDM）通信系統(tǒng)（PCM電話）,碼分復用（CDM）通信系統(tǒng)（中國電信CDMA移動電話）,后續(xù)章節(jié)將詳細介紹,這些復用方式并不互相排斥，可能同時使用在一個通信系統(tǒng)中，例如在TD-SCDMA中就同時使用了TDM和CDM,按工作頻段(波長)劃分,1.3.2通信方式,前述通信系統(tǒng)模型都是單向通信系統(tǒng) 但在多數(shù)場合下，信源兼為信宿，需要雙向通信，電話就是一個最好的例子 這時通信雙方都要有發(fā)送和接收設備，并需要各自的傳輸媒質(zhì)，如果通信雙方共用一個信道，就必須用頻率或時間分割的方法來共享信道。因此，通信過程中涉及通信方式與信道共享問題。,1、對于點與點之間的通信，按消息傳遞的方向與時間關(guān)系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。,單工通信， 是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑?因此只占用一個信道。 廣播、遙測、遙控、無線尋呼等。 半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息， 但不能同時進行收和發(fā)的工作方式。 使用同一載頻的對講機，收發(fā)報機以及問詢、檢索、科學計算等數(shù)據(jù)通信。 全雙工通信， 是指通信雙方可同時進行收發(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、手機都是最常見的全雙工通信方式， 計算機之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。,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,2、按數(shù)字信號碼元排列方式劃分通信方式：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，如打印通信接口等。 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,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，如USB通信，RS-232等。 優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設費用，通常，一般的遠距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。 缺點：需要外加碼組或字符同步措施。,3、按照網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)劃分通信方式,由于通信網(wǎng)的基礎是點與點之間的通信，所以本課程的重點放在點與點之間的通信上。,1.4 信息及其量度,鐵路系統(tǒng)運送貨物量多少采用“貨運量”（不管運送什么貨物，通過體積與重量兩個參數(shù)進行折算）來度量。 通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來度量。 信息量的概念與消息、信號、信息的準確概念密切相關(guān)。,1.消息 消息是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，是人能夠感知的描述，在不同時間有不同的表現(xiàn)形式。例如：文字、數(shù)據(jù)、話音、音樂、圖形、圖象 前者稱為離散消息消息的狀態(tài)是可數(shù)或離散的；后者稱為連續(xù)消息消息的狀態(tài)是連續(xù)變化的。 2.信息 消息的有效內(nèi)容，不同消息可有相同內(nèi)容，消息也可以不包含有效內(nèi)容。 3.信號 信號是消息傳遞的物質(zhì)載體，在電通信中，信號表現(xiàn)為與消息一一對應的電參數(shù)，消息是承載在電信號的某一個或幾個參量上。 4.簡單的類比 消息：語言文字； 信號：說話聲音； 信息：思想內(nèi)容。 思想（信息）通過語言文字（消息）來表達，語言（消息）通過聲音（信號）來傳輸，這就是信號、信息和消息三者之間的關(guān)系。,信息是消息中的有效內(nèi)容，在一切有意義的通信中，消息的傳遞就意味著信息的傳遞。但是對接收者而言，消息傳遞的信息多少是不同的。例如，“明天太陽從東邊出來”絕對沒有“明天太陽從西邊出來”對人的吸引力大。這說明信息是有量值的。 5.信息量 信息量-衡量信息多少的物理量 如何度量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：消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。,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：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 之間應該有如下關(guān)系： 1、I 是 P(x) 的函數(shù)： I I P(x) 2、P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時，I 0； P(x) = 0時，I ； 3、 滿足上述3條件的關(guān)系式如下： 信息量的定義,之所以取對數(shù)是由于信息量的“累加性”決定的,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 在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特 。,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M = 4時，即4進制波形，I = 2比特， 當M = 8時，即8進制波形，I = 3比特。,對于非等概率情況 設：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即 且有 則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為 于是，每個符號所含平均信息量為 由于H(x)同熱力學中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵,【例】 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2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210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個符號，故該消息的信息量 每個符號的算術(shù)平均信息量為,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。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數(shù)的增加而減小。 當消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。,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?？梢宰C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。,例題1.4,某信源每天播報某地的天氣預報，此地晴天、多云、陰、雨的概率分別為1/2、1/4、1/8、1/8 求： （1）晴、多云、陰、雨的各自所含信息量 （2）信息串“晴-多云-陰-晴-晴-晴-多云-雨”所含的總信息量 （3）此信源的每個消息的平均信息量（ “信息熵”）,例題1.4（解）,例題1.4（解）,信息熵其通用公式為,這個公式與熱力學中的熵相似，但熱力學中的熵總是增加的，而信息熵在通信過程中則總是減小的。,（即信息熵）,1.5 通信系統(tǒng)的性能指標,通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標。 所謂有效性，是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴栴} 而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題,二者是“對立統(tǒng)一”體,例如：在一段固定時間的強干擾下，傳輸速率越大則誤碼越多；,檢錯糾錯碼加入的冗余信息越多，則越可靠。,1.5.1 模擬通信系統(tǒng)的指標,模擬通信系統(tǒng)的有效性指標用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。 例如收音機調(diào)幅電臺的帶寬通常在10kHz左右，而調(diào)頻電臺的帶寬通常在180kHz左右 模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。 調(diào)頻的音質(zhì)明顯好于調(diào)幅電臺,1.5.2 數(shù)字通信系統(tǒng)的指標,一、有效性指標 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標用傳輸速率和頻帶利用率來表征。 1、傳輸速率 傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb 碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率。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 信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它是指系統(tǒng)每秒鐘傳送的信息量，單位是比特/秒，常用符號“bit/s”表示。,碼元速率RB與信息速率Rb的關(guān)系,在等概率條件下， 4進制符號每符號的概率為1/4，所含信息量為2bit 8進制符號每符號的概率為1/8，所含信息量為3bit 可以看出對于等概率N進制信源 每傳1個符號等于傳了log2N(bit)信息，所以,有效性指標之2、頻帶利用率,又分為碼元頻帶利用率和信息頻帶利用率 碼元頻帶利用率： 數(shù)字通信系統(tǒng)的碼元速率RB與其所占頻率帶寬B的比值，即 信息頻帶利用率 數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率Rb與其所占頻率帶寬B的比值，即,二、數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標,在二進制中有,例 一個二進制數(shù)字系統(tǒng)一分鐘傳送了18 000 bit的信息量。 (1) 系統(tǒng)的碼元速率多大？ (2) 如果每分鐘傳送的信息量仍為18 000 bit，但改用八進制數(shù)字信號，其碼元速率多大？,解（1）,（2）,例 設一數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進制碼元的速率為1200B，試求該系統(tǒng)的信息傳輸速率； 若該系統(tǒng)改為傳送四進制數(shù)字信號，碼元速率為2400 B，則系統(tǒng)信息傳輸速率為多少？,解 (1) 已知二進制碼元速率Rs=1200 B，則 Rb=Rslog22=12001=1200 b/s (2) 已知四進制碼元速率Rs=2400 B，則 Rb=Rs log24=24002=4800 b/s,結(jié)論：采用多進制傳輸可以提高有效性。,解 首先求出此數(shù)字系統(tǒng)的二進制碼元速率 再求出在2 s內(nèi)收到的二進制碼元總數(shù) 21062=4106 (個) 所以誤碼率為,例 設有一個數(shù)字系統(tǒng)，在125 s內(nèi)傳輸250個二進制碼元。若該系統(tǒng)在2 s內(nèi)有3個碼元產(chǎn)生誤碼，試問其誤碼率是多少？,1.6 通信發(fā)展趨勢,在過去三四十年間，對數(shù)據(jù)傳輸需求的增長以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，促進了通信技術(shù)的發(fā)展。 目前通信技術(shù)在以下領(lǐng)域正經(jīng)歷快速的進展。 衛(wèi)星通信 光纖通信 移動通信 微波通信,1 衛(wèi)星通信系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)是將通信衛(wèi)星作為空中中繼站，它能夠?qū)⒌厍蛏夏骋坏孛嬲景l(fā)射來的無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)到另一個地面站， 從而實現(xiàn)兩個或多個地域之間的通信。 根據(jù)通信衛(wèi)星與地面之間的位置關(guān)系，可以分為靜止通信衛(wèi)星(或同步通信衛(wèi)星)和移動通信衛(wèi)星。靜止通信衛(wèi)星是軌道在赤道平面上的衛(wèi)星，它離地面高度為35 780 km，采用三個相差120的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)。 預計到2010年前， 星間激光通信的傳輸速率將達到40Gb/s，地面終端設備將日益小型化，,2 光纖通信系統(tǒng),光纖通信是以光導纖維(簡稱光纖)作為傳輸媒質(zhì)、以光波為運載工具（載波）的通信方式。光纖通信具有容量大、 頻帶寬、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強、通信質(zhì)量高等優(yōu)點，且成本低，與同軸電纜相比可以大量節(jié)約有色金屬和能源。 目前，單波長光通信系統(tǒng)速率已達10 Gb/s，其潛力