通信原理第六版

通信原理2021/8/21通信原理第1章緒論2021/8/22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(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹(shù)、烽火臺(tái)…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)通信等。2021/8/23第1章緒論電信發(fā)明史1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)1876年：貝爾發(fā)明有線電話1918年：調(diào)幅無(wú)線電廣播、超外差接收機(jī)問(wèn)世1936年：商業(yè)電視廣播開(kāi)播 ……………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。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過(guò)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2021/8/24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(jiǎn)稱(chēng)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。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。2021/8/25第1章緒論信道：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無(wú)線信道兩大類(lèi)。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。接收設(shè)備：從受到衰減的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。受信者（信宿su）：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。2021/8/26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(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量(如信號(hào)的幅度、頻率、相位)取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓。模擬信號(hào)也稱(chēng)連續(xù)信號(hào)，指某一參數(shù)（如幅值）連續(xù)。時(shí)間上可不連續(xù)，如圖1-2b(a)話音信號(hào)(b)抽樣信號(hào)圖1-2模擬信號(hào)2021/8/27第1章緒論數(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)。數(shù)字信號(hào)也稱(chēng)離散信號(hào)，指某一參數(shù)（如幅值、相位）離散，而時(shí)間上可不離散，如圖1-3b(a)二進(jìn)制信號(hào)(b)2PSK信號(hào)圖1-3數(shù)字信號(hào)2021/8/28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)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。2021/8/29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(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)：圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型2021/8/210模擬通信系統(tǒng)包含兩種變換： 模擬消息原始電信號(hào)：由信源、信宿（受信者）完成。 基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)：由調(diào)制器、解調(diào)器完成。原始電信號(hào)常稱(chēng)為基帶信號(hào)，這是由于信號(hào)的頻譜從0頻開(kāi)始。已調(diào)信號(hào)常稱(chēng)為帶通信號(hào)（或頻帶信號(hào)），因他的頻譜具有帶通形式2021/8/211第1章緒論數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng):利用數(shù)字信號(hào)傳遞信息的通信系統(tǒng)圖1-5數(shù)字通信系統(tǒng)模型2021/8/212信源編碼與譯碼目的：（1）提高信息傳輸?shù)挠行?，即通過(guò)壓縮技術(shù)降低碼元速率，進(jìn)而減少傳輸所占的帶寬。（2）完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換。信道編碼與譯碼：編碼器進(jìn)行差錯(cuò)可控編碼，以增強(qiáng)抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(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)同步目的：使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致2021/8/2131.2.3數(shù)字通信的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)：數(shù)字信號(hào)只有兩種狀態(tài)，只要噪聲不影響判決，就能正確接收。采用中繼方式傳輸時(shí)，噪聲不積累。傳輸差錯(cuò)可控便于處理、變換、存儲(chǔ)易于與各種數(shù)字終端接口易于集成，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(diǎn)：需要較大的傳輸帶寬。對(duì)同步要求高，故設(shè)備復(fù)雜。2021/8/214第1章緒論1.3通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類(lèi)按通信業(yè)務(wù)分類(lèi)：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)……按調(diào)制方式分類(lèi)：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(jiàn)書(shū)中表1-1（P6）。按信號(hào)特征分類(lèi)：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒介分類(lèi)：有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)2021/8/215按工作波段分類(lèi)：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信…表1-2（P7）按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用(用正交的脈沖序列攜帶不同的信號(hào))

2021/8/216第1章緒論1.3.2通信方式按消息傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間分為：?jiǎn)喂ぁ腚p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?，如廣播、遙測(cè)、遙控半雙工通信：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，如對(duì)講機(jī)、收發(fā)報(bào)機(jī)。2021/8/217全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式如電話、手機(jī)、計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。2021/8/218第1章緒論按數(shù)字代碼排列的順序分為：并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的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2021/8/219第1章緒論串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)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其他分類(lèi)方式：同步通信和異步通信（按同步方式不同）專(zhuān)線通信（指點(diǎn)與點(diǎn)間通信）網(wǎng)通信（指點(diǎn)與多點(diǎn)、多點(diǎn)與多點(diǎn)間通信）2021/8/220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(lèi)無(wú)關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)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(jī)墜毀zhui”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。

2021/8/221第1章緒論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(lái)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，2021/8/222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＝

；

若干個(gè)獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和滿足上述3條件的關(guān)系式如下： －信息量的定義2021/8/223第1章緒論信息量的單位與上式中對(duì)數(shù)的底有關(guān)： 若a=2，信息量的單位稱(chēng)為比特(bit)，可簡(jiǎn)記為b

若a=e，信息量的單位稱(chēng)為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱(chēng)為哈特萊(Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有 (b)【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)輸出符號(hào)的信息量為在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱(chēng)作1比特2021/8/224第1章緒論若有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。2021/8/225第1章緒論對(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,

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(chēng)它為信息源的熵

2021/8/226第1章緒論【例1】一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(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(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

2021/8/227第1章緒論若用熵的概念來(lái)計(jì)算：則該消息的信息量

以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算術(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。2021/8/228第1章緒論連續(xù)消息的信息量連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來(lái)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。2021/8/229第1章緒論1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性有效性：指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（帶寬和時(shí)間間隔），或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題?？煽啃裕褐附邮招畔⒌臏?zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶來(lái)度量。相同的消息，采用不同的調(diào)制方式需要不同的帶寬。可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。2021/8/230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(lái)衡量。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）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)，單位為比特/秒，簡(jiǎn)記為b/s

，或bps。

二進(jìn)制符號(hào)等概率傳輸中，每個(gè)符號(hào)的信息量為1bit,故他的傳碼率與傳信率相等。2021/8/231第1章緒論碼元速率和信息速率的關(guān)系。由于M進(jìn)制中，每個(gè)碼元攜帶log2M比特信息量,因此碼元速率和信息速率的關(guān)系為 或

2021/8/232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1200B，，則