通信原理(樊昌信第六版)第1章資料

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)、圖片或活動圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。實現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺…電的：如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計算機通信等。第1章緒論電信獨創(chuàng)史1837年：莫爾斯獨創(chuàng)有線電報1876年：貝爾獨創(chuàng)有線電話1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世1936年：商業(yè)電視廣播開播 ……………后面講解并描述中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”，包括光通信，因為光也是一種電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實現(xiàn)的。遠古通信手段烽火臺擊鼓在我國的古代歷史上，流傳著“幽王烽火戲諸侯”、“梁紅玉擊鼓戰(zhàn)金山”等傳聞信鴿旗語驛站航行用的信號燈等工具。遠古通信手段圖1為摩洛哥于1965年國際電信聯(lián)盟成立100周年發(fā)行的紀念郵票。左圖為古羅馬時代傳遞信息的火炬塔。右圖中是由烽火通信發(fā)展而來的支架通信。公元1794年，法國的夏普獨創(chuàng)了“托架式信號機”圖2為伊朗紀念1975年世界電信日發(fā)行的紀念郵標。在城堡上構(gòu)筑高臺，利用烽火向遠方傳遞信息。圖1摩洛哥電信聯(lián)盟成立100周年紀念圖2伊朗世界電信日紀念遠古通信手段郵票上的烽火通信：1979年5月12日希臘發(fā)行的歐羅巴郵政專題首日封，郵票為希臘鄉(xiāng)村郵遞員。

點燃松脂傳遞信號

高地筑墻墻背面兩邊各有5個火炬插座

所燃火把數(shù)量和排列位置的不同表示各種軍事信息遠古通信手段原始的光通信歷史故事：“千金買笑”---（褒姒）良夜頤宮奏管簧，無端烽火燭穹蒼?？蓱z列國奔馳苦，止博褒妃笑一場！生動的馬拉松故事：公元前四九零年，希臘人和波斯人在希臘的馬拉松進行了一場激烈的斗爭，結(jié)果希臘人取得了成功。菲力比斯馬拉松到雅典：42公里195米現(xiàn)代通信手段電報電話尋呼移動電話有線廣播、無線廣播有線電視、無線電視因特網(wǎng)遠古通信與現(xiàn)代通信對比遠古通信：目視光通信方式：在較遠的距離之間較剛好地完成信息的傳遞。現(xiàn)代通信：電信方式、電話和廣播的獨創(chuàng)起先電信：利用電信號馱載待傳信息進行傳輸和交換的通信方式。通信（communication)作為電信（Telecomunication)是從19世紀30年頭起先的?，F(xiàn)代通信發(fā)展歷史回顧（1）理論發(fā)展1831年法拉弟（英）提出“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”。預(yù)報了發(fā)電機的誕生1873年麥克斯韋提出電磁波輻射原理，奠定了用無線電波進行通信的理論基礎(chǔ)1930年調(diào)制理論，復(fù)用理論問世，在理論上為模擬通信準備了條件現(xiàn)代通信發(fā)展歷史回顧1948年信息論問世（香農(nóng)提出，香農(nóng)又稱shannon），在理論上為數(shù)字通信準備了條件“通信的基本問題就是在一點重新精確地或近似地再現(xiàn)另一點所選擇的消息”——《通信的數(shù)學(xué)理論》用數(shù)理統(tǒng)計的方法來探討通信系統(tǒng)，影響深遠的信息論解決如何精確地傳送通信符號的基本技術(shù)問題。現(xiàn)代通信發(fā)展歷史回顧1962年數(shù)字傳輸理論問世（在理論上為數(shù)字通信準備了條件）1969年“分組交換”理論問世（ARPAnet)AdvancedResearchProjectsAgency（高級探討支配管理局）NetworkInternet前身現(xiàn)代通信發(fā)展歷史回顧（2）技術(shù)發(fā)展1838年莫爾斯獨創(chuàng)有線電報，標記著人類從今進入了電通信時代現(xiàn)代通信發(fā)展歷史回顧1876年貝爾獨創(chuàng)電話（電磁感應(yīng)原理制作的送話器）貝爾（1847－1922）英國人誕生在蘇格蘭的愛丁堡1868年在倫敦工作1871年去波士頓工作1873年任波士頓高校聲音生理學(xué)教授1875年獨創(chuàng)多路電報1876年獨創(chuàng)電話電話的另一位獨創(chuàng)者：格雷－電解液送話器1876年2月14日，貝爾和格雷都向電話專利局申請專利，不過，格雷晚到了2個鐘頭。于1876年3月7日，專利局就把這一專利權(quán)授于貝爾了。在以后的日子里，就貝爾屬于獨創(chuàng)以及申請專利權(quán)這一事務(wù)，在法律上，引起了一系列的激烈紛爭，最終貝爾成功了?，F(xiàn)代通信發(fā)展史的回顧

（貝爾與電話）現(xiàn)代通信發(fā)展歷史回顧1895年馬克尼(意大利)，波波夫（俄國）獨創(chuàng)無線電報為人類通信技術(shù)開拓了一個嶄新的領(lǐng)域馬可尼（1874—1937），意大利人。1894年在父親的莊園試驗1895年去倫敦1897年建立無線電報公司1899年首次實現(xiàn)美法無線通信1939年建立世界性無線通信網(wǎng)曾獲諾貝爾獎金曾參與法西斯黨第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。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號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中正確復(fù)原出原始電信號。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。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)模型模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：(a)話音信號(b)抽樣信號圖1-2模擬信號第1章緒論數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：通常，依據(jù)信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，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)二進制信號(b)2PSK信號圖1-3數(shù)字信號第1章緒論模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)：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）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)字信號來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酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換信道編碼與譯碼目的：增加抗干擾實力加密與解密目的：保證所傳信息的平安數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘柾侥康模菏故瞻l(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一樣圖1-5數(shù)字通信系統(tǒng)模型第1章緒論1.2.3數(shù)字通信的特點優(yōu)點抗干擾實力強，且噪聲不積累傳輸差錯可控便于處理、變換、存儲便于將來自不同信源的信號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：須要較大的傳輸帶寬對同步要求高第1章緒論1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類按通信業(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)……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：長波通信、中波通信、短波通信……詳見書中表1-2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)墓ぷ鞣绞桨腚p工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收 發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式第1章緒論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 優(yōu)點：節(jié)約傳輸時間，速度快：不須要字符同步措施 缺點：須要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)約線路鋪設(shè)費用 缺點：速度慢，須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)當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“今日下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達的事務(wù)越不行能發(fā)生，信息量就越大。第1章緒論度量信息量的方法事務(wù)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)當有如下關(guān)系：I是P(x)的函數(shù)：I＝I[P(x)]P(x)，I；P(x)，I； P(x)=1時，I＝0；P(x)=0時，I＝；

滿足上述3條件的關(guān)系式如下： －信息量的定義第1章緒論上式中對數(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)。通常廣泛運用的單位為比特，這時有 (b)【例】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“1”，則信源每個輸出的信息含量為在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個二進制碼元稱作1比特第1章緒論若有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。第1章緒論對于非等概率狀況 設(shè)：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)按確定的概率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(xué)中的熵形式相像，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201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅?，“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

第1章緒論若用熵的概念來計算：則該消息的信息量

以上兩種結(jié)果略有差別的緣由在于，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便利。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1.5通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標：有效性和牢靠性有效性：指傳輸確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}。牢靠性：指接收信息的精確程度，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。牢靠性：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