通信原理 第1章 (第七版)

1、 第1章 緒 論 通信的基本概念1.1 擊鼓鳴金電報烽火電話電視因特網(wǎng)數(shù)字化智能化高速化寬帶化移動化個人化。綜合化 1.1.1 通信的發(fā)展1837年莫爾斯1876年貝爾1936年聲音音頻信號將音頻信號放大、調(diào)制，產(chǎn)生 AM信號，并耦合到發(fā)射天線接收天線將電磁波轉(zhuǎn)換為 AM信號（含有噪聲）將AM信號解調(diào)還原為音頻信號，再經(jīng)音頻功放后，驅(qū)動揚(yáng)聲器，還原為聲音。發(fā)射天線將AM信號感應(yīng)成可以輻射到大氣中的電磁波 （無線電波） 1.1.2 消息 信息 信號：消息中蘊(yùn)含的有效內(nèi)容。消息中蘊(yùn)含的有效內(nèi)容。 ：通信系統(tǒng)傳輸：通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶ο蟆Ｐ问蕉喾N的對象。形式多種: : ：消息消息的電表示的電表示形式形式

2、/ /傳輸載體。傳輸載體。模擬信號：模擬信號： 數(shù)字信號：數(shù)字信號： 信號參量取值連續(xù)信號參量取值連續(xù) 信號參量取值離散信號參量取值離散 語音、溫度、圖像語音、溫度、圖像 數(shù)據(jù)、文字、符號數(shù)據(jù)、文字、符號連續(xù)消息：連續(xù)消息： 離散消息：離散消息： 信號信號消息消息信息信息信號消息信息傳輸載體 模擬信號 數(shù)字信號 表現(xiàn)形式 內(nèi)涵 n 三者關(guān)系 模擬信號 和 數(shù)字信號:話筒（聲音傳感器）把聲音轉(zhuǎn)變成音頻信號；話筒（聲音傳感器）把聲音轉(zhuǎn)變成音頻信號；數(shù)字終端把符號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號；數(shù)字終端把符號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號；攝像機(jī)把圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號；攝像機(jī)把圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號；熱敏電阻（溫度傳感器）把溫度轉(zhuǎn)變成電

3、信號。熱敏電阻（溫度傳感器）把溫度轉(zhuǎn)變成電信號。 消息 電信號的轉(zhuǎn)換:基于以上對 消息 、信息 和 信號 的理解：通信通信系統(tǒng) 通信系統(tǒng)模型1.2 1.2.1 通信系統(tǒng)一般模型消息消息 電信號電信號如如 電話機(jī)的電話機(jī)的話話筒筒把聲音把聲音音頻信號音頻信號電信號電信號 消息消息如如電話機(jī)的電話機(jī)的聽聽筒筒把音頻信號把音頻信號聲音聲音原始電信號原始電信號適合在信道中傳輸適合在信道中傳輸?shù)男盘?。的信號。如?編碼、調(diào)制編碼、調(diào)制其功能與發(fā)送設(shè)備相反。其功能與發(fā)送設(shè)備相反。 如如 譯碼、解調(diào)譯碼、解調(diào)destination source transmitter receiver channel no

4、ise 能傳輸信號的能傳輸信號的 各種物理媒介各種物理媒介l 模擬消息 原始電信號（基帶）l 基帶信號 已 調(diào) 信號（帶通） 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型n ：n信源編碼：l模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 l提高有效性提高有效性n信道編碼：l增強(qiáng)抗干擾能力增強(qiáng)抗干擾能力 1.2.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型l抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累；抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累；l傳輸差錯可控；傳輸差錯可控；l便于處理、變換、存儲；便于處理、變換、存儲；l便于將來自不同信源的信號綜合傳輸；便于將來自不同信源的信號綜合傳輸；l易于集成；易于加密。易于集成；易于加密。l可能需要較大的傳輸帶寬；可能需要較大的傳輸帶寬；l對同步要求

5、高。對同步要求高。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn) 1.2.4 數(shù)字通信的特點(diǎn) 通信系統(tǒng)分類 與 通信方式1.3 詳見表詳見表3-13-1n按復(fù)用方式劃分：頻分、時分、碼分復(fù)用。n同一個通信系統(tǒng)可以分屬于不同分類。 AM廣播系統(tǒng)中短波通信、模擬通信、 帶通傳輸系統(tǒng)（調(diào)制系統(tǒng)）。 1.3.1 通信系統(tǒng)分類 l單工單工通信：通信： （單向）（單向）l半雙工半雙工通信：通信： （雙向、不同時）（雙向、不同時）l全雙工全雙工通信：通信： （雙向、同時）（雙向、同時） ： 1.3.2 通信方式在并行信道上在并行信道上同時同時傳輸傳輸 n 個比特信息。個比特信息。l并行傳輸：0 1 1 0 0 1 0 0 1 10101

6、0l串行傳輸：數(shù)字碼元序列按時間順序數(shù)字碼元序列按時間順序一個接一個一個接一個地在地在一條一條信道中傳輸。信道中傳輸。 優(yōu)點(diǎn)：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)缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施；應(yīng)用：應(yīng)用：設(shè)備之間的遠(yuǎn)距離通信： 計算機(jī)和計算機(jī)之間串口數(shù)據(jù)傳輸。 信息及其度量1.4 l信息是消息的內(nèi)涵；信息是消息的內(nèi)涵；l通信的目的在于傳輸消息中所包含的信息；通信的目的在于傳輸消息中所包含的信息；l消息中消息中不確定的內(nèi)容不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息；才構(gòu)成信息；l信息量就是對這種不確定性的定量描述。信息量就是對這種不確定性的定量描述。n信息具有以下特性：l在當(dāng)今信息社會中，信息

7、是最寶貴的資源之一。在當(dāng)今信息社會中，信息是最寶貴的資源之一。時效壓縮存儲傳輸相對共享存在度量擴(kuò)充：l度量方法與消息的度量方法與消息的種類種類無關(guān)。無關(guān)。l與消息的與消息的重要程度重要程度無關(guān)。無關(guān)。：l“美國世貿(mào)大樓被炸（美國世貿(mào)大樓被炸（9.119.11事件）事件）”（時效性） l“明天下雨明天下雨”可見：可見：消息中所含信息量和不可預(yù)測性或不確定性有關(guān)。消息中所含信息量和不可預(yù)測性或不確定性有關(guān)。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。如何度量如何度量消息中所含的消息中所含的信息量信息量 ? ?根據(jù)概率論知識：事件的不確定性根據(jù)概率論知識：

8、事件的不確定性 可用事件出現(xiàn)的可用事件出現(xiàn)的概率概率來描述。來描述。：l度量方法與消息的度量方法與消息的種類種類無關(guān)。無關(guān)。l與消息的與消息的重要程度重要程度無關(guān)。無關(guān)。：l“美國世貿(mào)大樓被炸（美國世貿(mào)大樓被炸（9.119.11事件）事件）”（時效性） l“明天下雨明天下雨”可見：可見：消息中所含信息量和不可預(yù)測性或不確定性有關(guān)。消息中所含信息量和不可預(yù)測性或不確定性有關(guān)。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。如何度量如何度量消息中所含的消息中所含的信息量信息量 ? ?根據(jù)概率論知識：事件的不確定性 可用事件出現(xiàn)的概率來描述。I P I = f

9、 P(x) P 1，I0P 0，IP(x) I(y)相加性相加性a= 2，比特比特(bit) ，簡記為，簡記為ba= e，奈特，奈特(nat) a=10，哈特萊，哈特萊(Hartley)1 nat=1.44 b 1. 離散消息 x 的信息量 概率相同，每個符號蘊(yùn)含的信息量也相同；概率相同，每個符號蘊(yùn)含的信息量也相同； 二二進(jìn)制的每個碼元含進(jìn)制的每個碼元含 1 （b) ) 四四進(jìn)制的每個碼元含進(jìn)制的每個碼元含 2 （b) ) 推廣：推廣：M進(jìn)制的每個碼元含進(jìn)制的每個碼元含 log2M （b) ) 【1-1】二進(jìn)制信源二進(jìn)制信源（0 0，1 1） 【1-2】四進(jìn)制信源四進(jìn)制信源（0 0，1 1，2

10、, 32, 3）解解：試求：等概獨(dú)立發(fā)送符號時，每個符號的信息量試求：等概獨(dú)立發(fā)送符號時，每個符號的信息量 。例例例例 信源中每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值。信源中每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值。 設(shè)設(shè) 則則 統(tǒng)計獨(dú)立的統(tǒng)計獨(dú)立的M個符號的離散信源的平均信息量為個符號的離散信源的平均信息量為 H與熱力學(xué)中的熵形式一樣，故稱為與熱力學(xué)中的熵形式一樣，故稱為信源的熵信源的熵。211( )log(b/( )MiiiHp xp x符號） 2. 離散消息的平均信息量 比較例比較例【1-31-3】與與【1-21-2】可知：可知： 等概時，熵最大等概時，熵最大:211( )log( )MiiiHp xp x

11、0123(0)(1)(2)(3)(1.90b6/HPIPIPIPI符號）21log( )iiIP x例例解利用信息相加性概念來計算：利用信息相加性概念來計算：利用利用熵熵的概念來計算：的概念來計算：01232314137108bIIIII總（ ）5757 1 906108.64 (b)IH 總1.906 (b/H 符號）例例解： 歸納：歸納：通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.5 可靠性可靠性有效性有效性性能性能指標(biāo)指標(biāo)模模 擬擬 通通 信信數(shù)數(shù) 字字 通通 信信l 傳輸帶寬傳輸帶寬l 輸出信噪比輸出信噪比l 頻帶利用率頻帶利用率 l 差錯概率差錯概率 矛盾、關(guān)聯(lián)、互換1BsRT 例如：例如：1 1秒內(nèi)傳輸秒內(nèi)傳輸10001000個碼元，則個碼元，則 RB =1000 BaudBaud 1.5.1 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo) Rb與與 RB的關(guān)系的關(guān)系 H為紐帶（3）頻帶利用率）頻帶利用率把把 B 與與 傳輸速率傳輸速率 聯(lián)系起來聯(lián)系起來r定義為單位帶寬內(nèi)的傳輸速率，定義為單位帶寬內(nèi)的傳輸速率，即 Q&A A系統(tǒng)：系統(tǒng)：2 000 b/s，占用，占用 2 000 Hz的帶寬；的帶寬； B系統(tǒng)：系統(tǒng)：1 500 b/s，占用，占用 1 000 Hz的帶寬。的帶寬。（1）誤