《通信原理》第六版課件-第1章

1、通信原理 通信原理 第第1章章 緒論緒論 主要內(nèi)容提要 l通信的基本概念通信的基本概念 l通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 l通信系統(tǒng)的分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類與通信方式 l信息及其度量信息及其度量 l通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 第第1章章 緒論緒論 l1. 1 通信的基本概念通信的基本概念 n通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。 n消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如 語(yǔ)音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像 等。 n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。 n實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段： u非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺(tái) u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

2、等。 第第1章章 緒論緒論 n電信發(fā)明史 u1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào) u1876年：貝爾發(fā)明有線電話 u1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機(jī)問世 u1936年：商業(yè)電視廣播開播 n后面講述中，“通信”這一術(shù)語(yǔ)是指“電通信”， 包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。 n在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號(hào)來實(shí) 現(xiàn)的。 第第1章章 緒論緒論 l1.2 通信系統(tǒng)的組成 n1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型 u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。 u發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。 u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)。

3、分為有線信道和無線信道兩大類。 u噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。 第第1章章 緒論緒論 u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)。 u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。 第第1章章 緒論緒論 n1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 u模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) p模擬信號(hào)：代表消息的信號(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) 第第1章章 緒論緒論 p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)： u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

4、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) 第第1章章 緒論緒論 u模擬通信系統(tǒng)模型 p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)： p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 第第1章章 緒論緒論 u數(shù)字通信系統(tǒng)模型 p數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng) p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 p信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力 p加密與解密目的：保證所傳信息的安全 p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) p同步目

5、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 第第1章章 緒論緒論 n1.2.3 數(shù)字通信的特點(diǎn) u優(yōu)點(diǎn) p抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累 p傳輸差錯(cuò)可控 p便于處理、變換、存儲(chǔ) p便于將來自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸 p易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕 p易于加密處理，且保密性好 u缺點(diǎn)： p需要較大的傳輸帶寬 p對(duì)同步要求高 第第1章章 緒論緒論 l1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 n1.3.1 通信系統(tǒng)的分類 u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) u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

6、，詳見書中表1-1。 u按信號(hào)特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng) u按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng) u按工作波段分類：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通 信 u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 第第1章章 緒論緒論 n1.3.2 通信方式 u單工、半雙工和全雙工通信 p單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?p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 p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 第第1章章 緒論緒論 u并行傳輸和串行傳輸 p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

7、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 第第1章章 緒論緒論 p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 u其他分類方式： p同步通信和異步通信 p專線通信和網(wǎng)通信 第第1章章 緒論緒論 l1.4 信息及其度量信息及其度量 n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容 n如何度量離散消息中所含的信息量? u度量信息量的原則 p能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。 p度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無關(guān)。 p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

8、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。 第第1章章 緒論緒論 u度量信息量的方法 p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。 p設(shè)：P(x) 消息發(fā)生的概率， I 消息中所含的信息量， p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 ； p 滿足上述3條件的關(guān)系式如下： 信息量的定義 )()()()( 2121 xPIxPIxP

9、xPI )(log )( 1 logxP xP I aa 第第1章章 緒論緒論 p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) 。 p通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有 (b) p【例例】 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 p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 )(log )( 1 logxP xP I aa 22 1 loglog( ) ( ) IP x P x )b(12log 2/1 1

10、log) 1 ()0( 22 II 第第1章章 緒論緒論 p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 p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)，即8進(jìn)制波形，I = 3比特。 )b(log /1 1 log 1 log 222 M MP I 2 log 2( ) k Ikb 第第1章章 緒論緒論 p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,

11、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 12 12 , , M M xxx P xP xP x 1 ()1 M i i P x 21222 log()log()log() M P xP xP x， ， 1212222 2 1 ( )( ) log( )() log()() log() ( ) g( )(/(1.4 6) MM M ii i H xP xP xP xP xP xP x P x loP x 比特 符號(hào)） 第第1章章 緒論緒論 u【例例1】 一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個(gè)符 號(hào)組成，它

12、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 01203210100321010023102002010312032100120210的 信息量。 【解解】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 )b(1088log74log134log143/8log23 2222 I 符號(hào)）比特 符號(hào)數(shù) /(89. 1 57 108 I I 第第1章章 緒論緒論 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

13、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。 符號(hào)）（比特/906. 1 8 1 log 8 1 4 1 log 4 1 4 1 log 4 1 8 3 log 8 3 2222 H )b(64.108906.157I 第第1章章 緒論緒論 n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。 ( )logaH xfxfx dx 第第1章章 緒論緒論 l1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信

14、系統(tǒng)主要性能指標(biāo) n通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性 u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?問題。 u可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)?“質(zhì)量”問題。 n模擬通信系統(tǒng)： u有效性：可用有效傳輸頻帶來度量。 u可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。 第第1章章 緒論緒論 n數(shù)字通信系統(tǒng) u有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。 p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） p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

15、特/秒，簡(jiǎn)記為 b/s ，或bps )B( 1 T RB 第第1章章 緒論緒論 p碼元速率和信息速率的關(guān)系 或 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)：M = 2，碼元速率和信息速率 在數(shù)量上相等。 對(duì)于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M = 8）中，若碼元速 率為1200 B，則信息速率為3600 b/s。 )b/s(log2MRR Bb )B( log2M R R b B 第第1章章 緒論緒論 p頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸 速率，即 或 u可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。 p誤碼率 p誤信率，又稱誤比特率 在二進(jìn)制中有 )B/Hz( B RB Hz)b/(s B Rb b 傳輸總碼元數(shù) 錯(cuò)誤碼元數(shù) e P 傳輸總比特?cái)?shù) 錯(cuò)誤比特?cái)?shù) b P eb PP 第第1章章 緒論