chap1-绪论-(1)解析

1、2022-1-31 2022-1-32 1.1 通信系统的组成通信系统的组成 1.2 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式 1.3 信息及其度量信息及其度量 1.4 主要性能指标主要性能指标 掌握通信系统的组成模型、分类、通信方掌握通信系统的组成模型、分类、通信方式、信息量的概念、信息量的定义、信息式、信息量的概念、信息量的定义、信息量计算方法和通信系统两个主要指标。量计算方法和通信系统两个主要指标。2022-1-332022-1-34 1.1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念通信（通信（communication） 消息（或信息）的传输和交换的全过程。消息（或信息）的传输和交

2、换的全过程。 电通信电通信举例：举例： 古代通信古代通信幽王烽火戏诸侯；马拉松的奇迹；幽王烽火戏诸侯；马拉松的奇迹； 现代通信之业务内容：电报、电话、传真、广播、现代通信之业务内容：电报、电话、传真、广播、电视、因特网。电视、因特网。 消息（消息（message） 信息的物理表现形式；信息的物理表现形式；离散消息离散消息连续消息连续消息信息（信息（information）消息的内涵；消息的内涵；主要指消息中所包含的受信者原来不知道而待主要指消息中所包含的受信者原来不知道而待知的东西知的东西信号（信号（signal） 信息在物理层上的外延；信息在物理层上的外延； 信息的电的表示形式，或是与信息一

3、一对应的信息的电的表示形式，或是与信息一一对应的电量或光量。电量或光量。2022-1-352022-1-36 1.1.2 通信系统的组成通信系统的组成 实现消息传递所需的一切技术设备和信道的总实现消息传递所需的一切技术设备和信道的总和称为和称为通信系统通信系统。（1）通信系统的模型）通信系统的模型 信号源信号源发送设备发送设备信信 道道接收设备接收设备受信者受信者噪声源噪声源 发送端发送端接收端接收端各处的噪声之和各处的噪声之和 信源可分为两大类：信源可分为两大类： 连续消息连续消息指消息的状态连续变化或是不可数的。指消息的状态连续变化或是不可数的。如语音、活动图片等如语音、活动图片等离散消息

4、离散消息消息的状态是可数的或离散的。消息的状态是可数的或离散的。如符号、数据等。如符号、数据等。2022-1-37 按信号参量的取值方式不同可把信号分为按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类：两类：模拟信号（模拟信号（analog signal）凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号且直接与消息相对应的信号数字信号（数字信号（digital signal）凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号与消息相对应的信号注注：区分是模拟信号还是数字信号不是以时间：区分是模拟

5、信号还是数字信号不是以时间是否连续为标准。是否连续为标准。2022-1-382022-1-39Of (t)t(a)f (nT )tPAM信号(b)O2022-1-310100110111001Of (nT )t00111001数字信息PSK波形(a)(b) 名词解释名词解释基带信号基带信号信号的频谱从零频附近开始。信号的频谱从零频附近开始。 如语音信号为如语音信号为3003400 Hz, 图像信号为图像信号为06 MHz已调信号已调信号经过调制以后的信号，又称带通信号或频带信号经过调制以后的信号，又称带通信号或频带信号三个基本特征三个基本特征一是携带有信息；一是携带有信息； 二是适合在信道中传

6、输；二是适合在信道中传输；三是信号的频谱通常具有带通形式。三是信号的频谱通常具有带通形式。2022-1-311 信道信道信号传输的通道。信号传输的通道。可分为有线和无线两大类。可分为有线和无线两大类。通常，信号在信道中传输会受到衰减和畸变。通常，信号在信道中传输会受到衰减和畸变。 噪声源噪声源不是人为地加入设备中，而是通信系统中各处不是人为地加入设备中，而是通信系统中各处设备以及信道中噪声和干扰的等效集中表示。设备以及信道中噪声和干扰的等效集中表示。在通信系统模型中，信道是噪声（干扰）的集在通信系统模型中，信道是噪声（干扰）的集中加入之处。中加入之处。2022-1-3122022-1-313

7、通信系统由四部分组成，是通信系统的一通信系统由四部分组成，是通信系统的一般表示，反映了通信系统的共性。般表示，反映了通信系统的共性。 通信原理的讨论是围绕通信系统的模型而通信原理的讨论是围绕通信系统的模型而展开的。展开的。 根据具体的通信形式有具体的系统模型与根据具体的通信形式有具体的系统模型与之对应。之对应。2022-1-314（2）模拟通信系统）模拟通信系统 信号源信号源调制器调制器解调器解调器受信者受信者噪声源噪声源信信 道道基基 带带 信信 号号已已 调调 信信 号号2022-1-315（3）数字通信系统）数字通信系统注：缺省同步系统注：缺省同步系统。已调信号已调信号基带信号基带信号信

8、道编码信道编码噪声源噪声源加加 密密 器器信信 息息 源源数字调制数字调制信信 道道受受 信信 者者解解 密密 器器信道译码信道译码 数字解调数字解调信源编码信源编码信源译码信源译码2022-1-316（4）数字通信的优点（教材）数字通信的优点（教材P5）1.数字传输的抗干扰能力强数字传输的抗干扰能力强,尤其在中继时尤其在中继时,数字信号可以再生而消除噪声的积累。数字信号可以再生而消除噪声的积累。2.传输差错可以控制传输差错可以控制,从而改善了传输质量。从而改善了传输质量。3.便于使用数字信号处理技术来对数字信息便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理。进行处理。4.数字信息易于作高保密性

9、的加密处理。数字信息易于作高保密性的加密处理。5.数字信息可以综合传递各种消息数字信息可以综合传递各种消息,使通信系使通信系统功能增强。统功能增强。2022-1-317 数字通信系统的具体模型也根据其设计方数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同。法有所不同。 常用的方式分两大类：数字基带传输系统常用的方式分两大类：数字基带传输系统和数字调制系统。和数字调制系统。 数字通信系统优点的实现是用占据更宽的数字通信系统优点的实现是用占据更宽的系统频带而换得的。在系统频带紧张的场系统频带而换得的。在系统频带紧张的场合这将成为其缺点。合这将成为其缺点。BACK2022-1-3181、按消息的物理特

10、征分类（业务）按消息的物理特征分类（业务） 如电报、电话、数据、图像通信系统如电报、电话、数据、图像通信系统2、按调制方式分类按调制方式分类 Base-band vs Frequency-band1.2.1 通信系统分类通信系统分类2022-1-319针对频带传输信号而言针对频带传输信号而言数字信号：数字信号：PCM 、 M 等等 脉冲数字调制脉冲数字调制AM、DSB、SSB、VSBFM、PM模拟信号模拟信号模拟信号：模拟信号：PAM、PDM、PPM 脉冲模脉冲模拟调制拟调制正弦波调制正弦波调制脉冲调制脉冲调制频带频带数字信号：数字信号：ASK、FSK、PSK、DPSK 数字数字调制调制202

11、2-1-3203、按信号特征分类、按信号特征分类 最常用分为模拟与数字通信系统两大类最常用分为模拟与数字通信系统两大类4、按传输媒介分类、按传输媒介分类 最常用分为有线（包括光纤）与无线最常用分为有线（包括光纤）与无线5、按信号复用方式分类、按信号复用方式分类频分复用：使不同的信号占据不同的频率范围频分复用：使不同的信号占据不同的频率范围时分复用时分复用：不同的信号占据不同的时间区间：不同的信号占据不同的时间区间码分复用：用一组包含正交码字的码组携带多码分复用：用一组包含正交码字的码组携带多路信息路信息2022-1-3211.2.2 通信方式通信方式半双工：通信双方（两点）均能收发消息但半双工

12、：通信双方（两点）均能收发消息但不能同时不能同时收收发。例如无线对讲机发。例如无线对讲机单工：单方向传输（一点发、一点收）。例如遥控单工：单方向传输（一点发、一点收）。例如遥控全双工：通信双方（两点）全双工：通信双方（两点）能同时能同时收发信号。例如电话收发信号。例如电话单工、半双工、全双工单工、半双工、全双工串序传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输串序传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输, , 它占用一条通路。适合远距离。它占用一条通路。适合远距离。并序传输：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，并序传输：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，适合近距离适合近距离 数字通信数字通

13、信BACK2022-1-322图 1 - 6单工、 半双工和全双工通信方式示意图 (a) 单工； (b) 半双工； (c) 全双工2022-1-323 图 1 7并行和串行通信方式示意图 (a) 并行传输； (b) 串行传输2022-1-3241.3.1 信息的描述信息的描述信息：消息中有意义的内容，消息理解为信源。信息：消息中有意义的内容，消息理解为信源。信息是消息（信号）的不确定性的度量。确定信息是消息（信号）的不确定性的度量。确定事物不含信息。事物不含信息。 传输信息的多少用信息量衡量。传输信息的多少用信息量衡量。不确定性来自客观事物本身的随机性，可以用不确定性来自客观事物本身的随机性，

14、可以用概率统计来定量描述。概率统计来定量描述。2022-1-3251.3.2 信息量信息量 I1.原则原则信息量是消息出现概率的函数。信息量是消息出现概率的函数。I=fP(x)消息出现的概率越小，所包含的信息量越大。消息出现的概率越小，所包含的信息量越大。 P(x)1时，时， I0；P(x)0时，时， I若某消息由若干个独立消息组成，则该消息若某消息由若干个独立消息组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和（之和（可加性可加性）。）。2022-1-3262.结论结论定义：定义：某离散消息某离散消息x x的的信息量为信息量为 I、消息出现的概率

15、为、消息出现的概率为 P(x ) 则则 I = = P (x ) ) I 是是P (x )函数函数对由若干个相互独立事件构成消息，有：对由若干个相互独立事件构成消息，有： I P(x1 ) P(x2 ) = I P(x1 ) + I P(x2 ) + I 与与 P(x ) 间的关系必满足间的关系必满足原则原则（1）、（）、（2）)(log)(1log xPxPIaa取取 a = 2 I：bit 比特比特取取 a = e I：nit 奈特奈特取取 a = 10 I：哈特莱哈特莱2022-1-3271.3.3 离散独立等概消息的信息量离散独立等概消息的信息量离散：消息集由离散：消息集由M个可能的消

16、息（事件）所组个可能的消息（事件）所组成，每次只取其中之一。成，每次只取其中之一。独立：各消息间相互统计独立。独立：各消息间相互统计独立。等概：各消息的出现概率相等（等概：各消息的出现概率相等（ ）。）。MxP1)(2022-1-3281. 二进制二进制 M=2bitxpI1211log)(1log212 设有二进制，等概率出现的离散消息设有二进制，等概率出现的离散消息 0、 1 消息消息 P (x1 )=P (x2 )= 1/2 定义定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为为 1 bit2022-1-3292. M进制进制 M=2KbitKMMI l

17、og11log22对对M进制，等概率出现的离散消息进制，等概率出现的离散消息 0，1，2 , , M-1 消息消息 p( x1 )=p (x2 )= =1/M=2-K从波形上看，从波形上看，M进制有进制有M种波性，每一种波形等概率出现种波性，每一种波形等概率出现 所以所以M 是波形数，是波形数，P (xi ) =P 是每一波形出现的概率是每一波形出现的概率结论：结论：对等概的对等概的M进制的每个符号（码元）所包含的信息进制的每个符号（码元）所包含的信息量为量为K bit，是二进制的，是二进制的K倍。倍。2022-1-3301.3.4 离散独立非等概消息的信息量离散独立非等概消息的信息量1.平均

18、信息量平均信息量熵熵H(x)设消息由设消息由 n 个相互独立的符号组成，称为符号集个相互独立的符号组成，称为符号集)(iixpx 对对应应 )()()(2121nnxpxpxpxxx且每个符号包含的信息量均不相等且每个符号包含的信息量均不相等 所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量2022-1-331)(log)()(log)()(log)()(2_22_212_1nnxPxPxPxPxPxPXH)/( )(log)(12_符号bitxPxPniii定义信息源的熵定义信息源的熵 H(X )重要结论：重要结论：最大熵出现在最大熵出现在等概之时

19、等概之时。等概时：等概时：P(xi)=1/M，Hmax=log2M bit/符号符号2022-1-3322.总信息量总信息量 I若某符号集的熵为若某符号集的熵为H(x)，则该符号集发送，则该符号集发送m个符号个符号（从而组成一个消息）时，所发送的信息量为（从而组成一个消息）时，所发送的信息量为)( )(log)(12_bitxPxPmmHIniiiBACK例子例子2022-1-333，为，它们出现的概率分别、成：信息源有四个符号组例81414183321021321100210203001213130020201，求某个信息且每个信息量相互独立的信息量210120100032312010002

20、102023010解：解：方法一方法一bitI33831log2323020 次次：出出现现bitI28411log1414121 次次：出出现现bitI21811log77323 次次：出出现现bitI26411log1313222 次次：出出现现因消息共因消息共57个符号，一个符号含有算术平均信息量为个符号，一个符号含有算术平均信息量为方法二方法二81log8141log4141log4183log832222 41_)(log)()( iiixpxpxH统统计计平平均均符符号号bit906. 1 bitIIIII1083210 总总)(64.10857906. 157)(bitxHI 总

21、总symbolbitIH/89.157/10857/ 2022-1-334国际莫尔斯电码用点和划的序列发送英文字国际莫尔斯电码用点和划的序列发送英文字母，划持续了母，划持续了3单位的电流脉冲表示，点用单位的电流脉冲表示，点用持续持续1单位的电流脉冲表示，且划出现的概单位的电流脉冲表示，且划出现的概率是点出现概率的率是点出现概率的1/3。（1）计算点和划的信息量；）计算点和划的信息量；（2）计算点和划的平均信息量。）计算点和划的平均信息量。2022-1-335 接续质量接续质量：迅速性：迅速性 传输质量传输质量：清晰度：清晰度 稳定质量稳定质量：可靠性：可靠性 涉及系统的有效性、可靠性、适应性、

22、标涉及系统的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用。准性、经济性及维护使用。 通信的性能好坏主要应从通信的性能好坏主要应从有效性有效性和和可靠性可靠性两方面衡量。两方面衡量。有效性：速度有效性：速度可靠性：质量可靠性：质量2022-1-3361.4.1 模拟系统性能指标模拟系统性能指标模拟系统的有效性可用有效模拟系统的有效性可用有效传输频带宽度传输频带宽度来度量。来度量。模拟系统的可靠性用接收端最终模拟系统的可靠性用接收端最终输出信噪输出信噪比比来度量。来度量。信噪比信噪比S/NS/N，化为分贝时，化为分贝时dBNSSNR lg102022-1-3371.4.2 数字系统性能指标数字

23、系统性能指标 传输速率传输速率(有效性有效性)和和差错率差错率(可靠性可靠性)1.有效性有效性传输速率传输速率码元传输速率码元传输速率RBd定义：每秒传送的码元个数；定义：每秒传送的码元个数；单位：波特（单位：波特（Baud，缩写为，缩写为Bd）；）；若码元宽度为若码元宽度为T，则，则RBd=1/T。2022-1-338信息传输速率信息传输速率Rb定义：每秒钟传送的信息量；定义：每秒钟传送的信息量；单位：比特单位：比特/秒（秒（bit/s）RBd与与Rb之间的关系之间的关系一般情况下：一般情况下：Rb=RBdH，等概时，等概时，H=log2M二进制：二进制：Rb2=RBd2，但单位不同，但单位

24、不同M进制：进制：RbM=RBdMlog2M例子例子2022-1-339设一数字传输系统传送二进制码元的速率为设一数字传输系统传送二进制码元的速率为9600 Baud，那么该系统的信息速率，那么该系统的信息速率为为 ；若该系统改为十六进制信号码；若该系统改为十六进制信号码元，码元的速率为元，码元的速率为1200Baud，则这时系统，则这时系统的信息速率为的信息速率为 。 sb/9600sb/48002022-1-340某系统采用脉冲组方式传送信息。每个脉冲某系统采用脉冲组方式传送信息。每个脉冲组包含组包含4个信息脉冲和个信息脉冲和1个休止脉冲。每个信个休止脉冲。每个信息脉冲和休止脉冲的宽度均为息脉冲和休止脉冲的宽度均为1ms，且，且4个信个信息脉冲等概出现，试求：息脉冲等概出现，试求：（1）码元速率；）码元