合肥工業(yè)大學(xué)通信原理胡慶新夏娜第1章

1、通信原理 60學(xué)時+1次實驗，4.5學(xué)分，閉卷考試、平時成績兩位教師：1、胡慶新 前30學(xué)時 p 考試后到成績出來前2、夏娜 后30學(xué)時通信原理 Principles of Communications 通信：信息交流原理：基本規(guī)律，定理(理論)，來自實踐指導(dǎo)實踐數(shù)學(xué)：微積分、概率論、線性方程 信號與系統(tǒng)：傅里葉變換，譜的概念 學(xué)習(xí)方法：習(xí)題 第1章 緒論1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 1. 1 通信的基本概念通信的基本概念 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.4 信息及其度量信息及其度量 1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

2、第1章 緒論l1. 1 通信的基本概念通信的基本概念n目的：信息交流n信號：電信號，電壓、電流等n消息：人可感知的，如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、短信、圖片或活動圖像等。漫天消息n信息：獲得某個消息時被消除的不確定性n立場影響“不確定” - 從發(fā)布者角度n實現(xiàn)通信的方式：u非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺 u電的：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n電信史u1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報u1864年：麥克斯韋預(yù)言電磁輻射的存在u1876年：貝爾發(fā)明有線電話 u1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世u1936年：商業(yè)電視廣播開播 u1969年：互聯(lián)

3、網(wǎng)誕生(美國軍用，83年民用)u1973年：現(xiàn)代手機誕生(Martin Cooper) n“通信”特指“電信”，含光通信，光是一種電磁波。n信息通過消息表現(xiàn)出來，消息通過信號傳輸 - 信號特性+如何傳輸 看課程目錄課程體系通信傳什么如何傳確定信號干擾實際信號信道模擬系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)模擬信號數(shù)字化基帶系統(tǒng)頻帶系統(tǒng)差錯控制同步、通信網(wǎng)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（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，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)男盘枴信道：將發(fā)送信號傳送到接收端的物理媒介。分為有線信道和無線信道

4、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。1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成u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。 u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。n1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型u模擬信號和數(shù)字信號p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：幅度表示信息幅度表示信息 (a) 話音信號 (b) 抽樣信號圖1-2 模擬信號1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成p數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：p序列信號：器件內(nèi)部存儲、處理的信號1010,0 x0A,.

5、 對數(shù)字信號采樣、比較、再生p同步：發(fā)收步調(diào)一致 位同步：區(qū)分位 約定波特率-碼元寬度，同步提取 幀(群)同步：區(qū)分串 串口例11101011110110 (a) 二進制信號 (b) 2PSK信號圖1-3 數(shù)字信號碼元(位)0V101110011碼元寬度(秒)1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成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（基帶信號）基帶信號 已調(diào)信號（帶通信號）1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型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)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng) p信源編碼與譯碼目的：有效性 例

6、 語音 - MP3p信道編碼與譯碼目的：可靠性 例 奇偶校驗 順序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?p同步目的：使收發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致 圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成n1.2.3 數(shù)字通信的特點u優(yōu)點p抗干擾能力強，且噪聲不積累p傳輸差錯可控p便于處理、變換、存儲p便于將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸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：p需要較大的傳輸帶寬p對同步要求高1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成第第1章章 緒論緒論l1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式n

7、1.3.1 通信系統(tǒng)的分類u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) 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，詳見書中表1-1。u按信號特征分類：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：長波通信、中波通信、短波通信 u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 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)墓ぷ鞣绞絧半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收發(fā)的工作方式p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

8、信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式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)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式p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1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式第第1章章 緒論緒論l1.4 信息及其度量信息及其

9、度量n信息信息：獲得某個消息時被消除的獲得某個消息時被消除的不確定性不確定性n如何度量離散消息中所含的如何度量離散消息中所含的信息量信息量?u信息量表示驚訝程度信息量表示驚訝程度很驚訝很驚訝 - 信息量大，不驚奇信息量大，不驚奇 - 信息量小信息量小 7.23與普通交通事故與普通交通事故 鐵路專用、鐵路專用、“絕不追尾絕不追尾”技術(shù)手段技術(shù)手段 - 不可能出事不可能出事 普通交通事故普通交通事故 - 經(jīng)常發(fā)生經(jīng)常發(fā)生u消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。ushannon也是這樣想的也是這樣想的 概率概率 - 信息量信息量1.4 信息及其度量u度

10、量信息量的方法度量信息量的方法p設(shè)：設(shè)：P(x) 消息發(fā)生的概率，消息發(fā)生的概率， I 消息中所含的信息量，消息中所含的信息量， p則則 P(x) 和和 I 之間應(yīng)該有如下關(guān)系之間應(yīng)該有如下關(guān)系：nI 是是 P(x) 的函數(shù)：的函數(shù)： I I P(x)且大于且大于0nP(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時，時，I 0； P(x) = 0時，時，I ；n p 找得滿足上述找得滿足上述3條件的關(guān)系式如下條件的關(guān)系式如下： 信息量的定義信息量的定義)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaap上式中對數(shù)的底：上式中對數(shù)的底： 若若a = 2，

11、信息量的單位稱為，信息量的單位稱為比特比特(bit) ，可簡記為，可簡記為b 若若a = e，信息量的單位稱為奈特，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若若 a = 10，信息量的單位稱為哈特萊，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，這時有通常廣泛使用的單位為比特，這時有(b)p【例】【例】 設(shè)一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字設(shè)一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或或“1”，則信源每個輸出的信息含量為，則信源每個輸出的信息含量為 p在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個二進制碼元稱作在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個二進制碼元稱作1比特比特 )(log)(1logxP

12、xPIaa221loglog( )( )IP xP x )b(12log2/11log)1()0(22 II1.4 信息及其度量p非等概率非等概率設(shè)：一個離散信源是由設(shè)：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符個符號組成的集合，其中每個符號號xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即獨立出現(xiàn)，即 且有且有則則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為所包含的信息量分別為于是，于是，每個符號所含每個符號所含平均信息量平均信息量為為由于由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱它為信息源的同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵熵 12

13、12,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x21222log()log()log()MP xP xP x， ，121222221( )( ) log( )( ) log( )() log()( ) g( ) (/(1.4 6)MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符號）1.4 信息及其度量u【例例1】 一離散信源由一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個符號組四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息2010201

14、302130 01203210100321010023102002010312032100120210的的信息量。信息量?！窘狻看讼⒅?，【解】此消息中，“0”出現(xiàn)出現(xiàn)23次，次，“1”出現(xiàn)出現(xiàn)14次，次，“2”出現(xiàn)出現(xiàn)13次，次，“3”出現(xiàn)出現(xiàn)7次，共有次，共有57個符號，故該消息的信息個符號，故該消息的信息量量每個符號的算術(shù)平均信息量為每個符號的算術(shù)平均信息量為) b(1088log74log134log143/8log232222I符號）比特符號數(shù)/(89. 157108II1.4 信息及其度量若用熵的概念來計算：若用熵的概念來計算：則該消息的信息量則該消息的信息量108與與108.64

15、結(jié)果略有差別結(jié)果略有差別:序列太短，出現(xiàn)次數(shù)有誤差！可忽略！序列太短，出現(xiàn)次數(shù)有誤差！可忽略！ 由概率：由概率：0出現(xiàn)出現(xiàn)3/8*57=21.375，實際，實際23個個當(dāng)消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。當(dāng)消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。符號）（比特/906. 181log8141log4141log4183log832222H)b(64.108906.157I1.4 信息及其度量p信息量的用途：信息量的用途：例例: A、B、C、D，4個符號個符號(消息消息)等概，等概，用幾位二進制編碼？用幾位二進制編碼？ A出現(xiàn)代表的信息量：出現(xiàn)代表的信息量：2bit 為區(qū)分為區(qū)分ABCD，用

16、，用00表示表示A 01表示表示B 10表示表示C 11表示表示D共需要共需要2位二進制表示上述符號位二進制表示上述符號如果有一段僅由如果有一段僅由ABCD構(gòu)成的文字共計構(gòu)成的文字共計160個符號，編個符號，編成二進制需要成二進制需要320位，即位，即320bits1.4 信息及其度量1、一個消息需要多少二進制來編碼p信息量信息量的用途的用途：例例: A、B、C、D，4個符號個符號(消息消息)，A:1/2 B:3/8 C:1/16 D:1/16用幾位二進制編碼？用幾位二進制編碼？I=1.53bit/符號?？缮儆诜枴？缮儆?位二進制！位二進制！ 為區(qū)分為區(qū)分ABCD，用，用0表示表示A 10表

17、示表示B 110表示表示C 111表示表示D如果有一段僅由如果有一段僅由ABCD構(gòu)成的文字共計構(gòu)成的文字共計160個符號，編成個符號，編成二進制需要二進制需要80*1+60*2+10*3+10*3=260位，即位，即260bits 不是不是320bits1.4 信息及其度量不同的編碼方式得到數(shù)據(jù)壓縮 - Huffman編碼1、一個消息需要多少二進制來編碼p若有若有M個等概率波形（個等概率波形（P = 1/M），且每一個波形的出），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則現(xiàn)是獨立的，則M進制波形之一出現(xiàn)時的信息量為進制波形之一出現(xiàn)時的信息量為p若若M是是2的整冪次，即的整冪次，即 M = 2k，則有，則有

18、當(dāng)當(dāng)M = 2時，即時，即2進制波形，進制波形，I = 1比特，比特， 當(dāng)當(dāng)M = 4時，即時，即4進制波形，進制波形，I = 2比特，比特，當(dāng)當(dāng)M = 8時，即時，即8進制波形，進制波形，I = 3比特。比特。)b(log/11log1log222MMPI2log 2( )kIkb1.4 信息及其度量2、一個碼元能夠攜帶的信息量、一個碼元能夠攜帶的信息量第第1章章 緒論緒論l1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n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)：u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}。u可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程

19、度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。n模擬通信系統(tǒng)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。 1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)u有效性：用用傳輸速率傳輸速率和和頻帶利用率頻帶利用率來衡量。來衡量。 p碼元傳輸速率碼元傳輸速率RB：定義為單位時間（每秒）傳送碼元：定義為單位時間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為），簡記為B。式中式中T 碼元的持續(xù)時間（秒）碼元的持續(xù)時間（秒） p信息傳輸速率信息傳輸速率Rb：定義為單位時間內(nèi)傳遞的平均信息：定義為單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位為比特量

20、或比特數(shù)，單位為比特/秒，簡記為秒，簡記為 b/s ，或，或bps )B(1TRBp碼元速率和信息速率的關(guān)系碼元速率和信息速率的關(guān)系或或 對于二進制數(shù)字信號：對于二進制數(shù)字信號：M = 2，碼元速率和信息速率，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。在數(shù)量上相等。 對于多進制，例如在八進制（對于多進制，例如在八進制（M = 8）中，若碼元速）中，若碼元速率為率為1200 B，則信息速率為，則信息速率為3600 b/s。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)p頻帶利用率：定義為單位帶寬（：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即或或u可靠性可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。：常用誤碼率和誤信率表示。p誤碼率誤碼率p誤信率，又稱誤比特率誤信率，又稱誤比特率在二進制中有在二進制中有)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb傳輸總碼元數(shù)錯誤碼元數(shù)eP傳輸總比特數(shù)錯誤比特數(shù)bPebPP1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)第第1 1章章 緒論緒論1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 一般模型、消息與信號、信道一般模型、消息與信號、信道 模擬通信系統(tǒng)：調(diào)制器、基帶、已調(diào)模擬通信系統(tǒng)：調(diào)制器、基帶、已調(diào) 數(shù)字通信系統(tǒng)：編碼器、位、幀、同步數(shù)字通信系統(tǒng)：編碼器、位、幀、同步1. 1 通信的基本概念通信的基本概念 信號、消息、