通信系统的主要性能指标课件

1、通信系统的主要性能指标1.4 数字通信系统的主要性能指标一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面。方面。v（1） 有效性：指通信系统传输消息的有效性：指通信系统传输消息的“速率速率”问题，即快慢问题。问题，即快慢问题。v（2） 可靠性：指通信系统传输消息的可靠性：指通信系统传输消息的“质量质量”问题，即好坏问题。问题，即好坏问题。通信系统的主要性能指标v（3） 适应性：指通信系统使用时的适应性：指通信系统使用时的环境条件。环境条件。v（4） 经济性：指系统的成本问题。经济性：指系统的成本问题。v（5） 保密性：指系统对所传信号的保密性：指系统对所传信

2、号的加密措施，这点对军用系统显得更加重要。加密措施，这点对军用系统显得更加重要。v（6） 标准性：指系统的接口、各种标准性：指系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。结构及协议是否合乎国家、国际标准。v（7） 维修性：指系统是否维修方便。维修性：指系统是否维修方便。v（8） 工艺性：指通信系统各种工艺工艺性：指通信系统各种工艺要求。要求。通信系统的主要性能指标 模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不

3、同调制方式可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。同的。 如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。需传输频带却宽于调幅。 1.4.1 信息及其度量信息及其度量 通信系统中传输的具体对象是消息，但通信通信系统中传输的具体对象是消息，但通信的的 最终目的是传递信息，因此有必要明确信息最终目的是传递信息，因此有必要明确信息的含义。的含义。通信系统的主要性能指标1 信息的含义信息的含义 消息消息：有待于传输的文字、符号、数据和语

4、言、活动图片等。：有待于传输的文字、符号、数据和语言、活动图片等。 信息信息：可理解为消息中所包含的有意义的内容，不同的消息可以：可理解为消息中所包含的有意义的内容，不同的消息可以包含相同的信息。有如下特征：包含相同的信息。有如下特征： 1）能被摄取；）能被摄取； 2）可以传输（信息的本质特征）可以传输（信息的本质特征） 3）能够转换和再生（信息的处理、变换）能够转换和再生（信息的处理、变换） 4）能共享（通信的必要）能共享（通信的必要）信息信息的定义：信息是事物的运动状态和规律（自然信息不肯的定义：信息是事物的运动状态和规律（自然信息不肯定度的描述），它可以被传输、摄取、处理和利用。定度的描

5、述），它可以被传输、摄取、处理和利用。通信系统的主要性能指标信息、信号、消息的区别和联系信息、信号、消息的区别和联系v信号信号：是信息的物理表达层，是三个层次中最具体：是信息的物理表达层，是三个层次中最具体的层次。它是一个物理量，是一个载荷信息的实体，的层次。它是一个物理量，是一个载荷信息的实体，可测量、可描述、可显示。可测量、可描述、可显示。 v消息消息：(或称为符号或称为符号)是信息的数学表达层，它虽不是信息的数学表达层，它虽不是一个物理量，但是可以定量地加以描述，它是具是一个物理量，但是可以定量地加以描述，它是具体物理信号的进一步数学抽象，可将具体物理信号体物理信号的进一步数学抽象，可将

6、具体物理信号抽象为两大类型：抽象为两大类型： 离散离散(数字数字)消息，是一组未知量，可用随机序列消息，是一组未知量，可用随机序列来描述：来描述：U=(U1 Ul UL)连续连续(模拟模拟)消息，也是未知量，它可用随机过程消息，也是未知量，它可用随机过程来描述：来描述：U(t,)通信系统的主要性能指标v信息信息：它是更高层次哲学上的抽象，是信号与：它是更高层次哲学上的抽象，是信号与消息的更高表达层次。三个层次中，信号最具消息的更高表达层次。三个层次中，信号最具体，信息最抽象。它们三者之间的关系是哲学体，信息最抽象。它们三者之间的关系是哲学上的内涵与外延的关系。上的内涵与外延的关系。v理解：理解

7、：信息可以认为是具体的物理信号、数学信息可以认为是具体的物理信号、数学描述的消息的内涵，即信号具体载荷的内容、描述的消息的内涵，即信号具体载荷的内容、消息描述的含义。而信号则是抽象信息在消息描述的含义。而信号则是抽象信息在物理物理层层表达的外延；消息则是抽象信息在表达的外延；消息则是抽象信息在数学层数学层表表达的外延。同一信息，可以采用不同的信号形达的外延。同一信息，可以采用不同的信号形式式( (比如文字、语言、图象等比如文字、语言、图象等) )来载荷；同一信来载荷；同一信息，也可以采用不同的数学表达形式息，也可以采用不同的数学表达形式( (比如离比如离散或连续散或连续) )来定量描述。同样，

8、同一信号形式，来定量描述。同样，同一信号形式，比如比如“0”0”与与“1”1”可以表达不同形式的信息，可以表达不同形式的信息，比如无与有、断与通、低与高比如无与有、断与通、低与高( (电平电平) )等等。等等。通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标2 离散消息的信息量v对接收者来说，只有消息中不确定的内容才对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。因此，信息含量就是没有必要再传输它了。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。对消息中这种不确定性的度

9、量。通信系统的主要性能指标 首先，让我们从常识的角度来感觉三条消首先，让我们从常识的角度来感觉三条消息：息： 太阳从东方升起；太阳从东方升起； 太阳比往日大太阳比往日大两倍；两倍； 太阳将从西方升起太阳将从西方升起 。 第一条几乎第一条几乎没有带来任何信息，没有带来任何信息， 第二条带来了大量信息，第二条带来了大量信息，第三条带来的信息多于第二条。第三条带来的信息多于第二条。 1）、信息量）、信息量通信系统的主要性能指标 究其原因，第一事件是一个必然事件，人们不足为奇；究其原因，第一事件是一个必然事件，人们不足为奇； 第三事件几乎不可能发生，它使人感到惊奇和意外，也就是第三事件几乎不可能发生，

10、它使人感到惊奇和意外，也就是说，它带来更多的信息。因此，信息含量是与惊奇这一因素说，它带来更多的信息。因此，信息含量是与惊奇这一因素相关联的，这是不确定性或不可预测性的结果。相关联的，这是不确定性或不可预测性的结果。 越是不可预越是不可预测的事件，测的事件， 越会使人感到惊奇，带来的信息越多。越会使人感到惊奇，带来的信息越多。 根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，来描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此， 消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现消息中包含的信息

11、量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。假设的概率越小，消息中包含的信息量就越大。假设P(xi)是一个是一个消息发生的概率，消息发生的概率，I(xi)是从该消息获悉的信息，根据上面的认是从该消息获悉的信息，根据上面的认知，知， 显然显然I (xi)与与P(xi)之间的关系反映为如下规律：之间的关系反映为如下规律： 通信系统的主要性能指标 （1） 信息量是概率的函数，信息量是概率的函数， 即即 I (xi) =fP(xi) （2） P(xi)越小，越小， I (xi)越大；越大； 反之，反之， I越小，越小， 且且 P(xi)1时，时， I (xi) 0 P(x

12、i)0时，时， I (xi) （3） 若干个互相独立事件构成的消息，若干个互相独立事件构成的消息， 所含信息量等于所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性， 即即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+通信系统的主要性能指标 综上所述，综上所述， 信息量信息量I与消息出现的概率与消息出现的概率P(x)之间的关系之间的关系应为应为信息量的单位与对数底数信息量的单位与对数底数a有关。有关。 a=2时，时， 信息量的单位为信息量的单位为比特比特(bit)；a=e时，信息量的单位为时，信息量的单位为奈特奈特(nit)；

13、a=10时，时， 信信息量的单位为十进制单位，叫息量的单位为十进制单位，叫哈特莱哈特莱。目前广泛使用的单位。目前广泛使用的单位为比特。为比特。 )(log)(1log)(iaiaixpxpxI通信系统的主要性能指标例二：二进制离散信源（例二：二进制离散信源（0，1）p(0)=1/3;求求出现出现 “1”的信息量。的信息量。解：由于全概率为解：由于全概率为1，故，故p(1)=2/3 信息量信息量 Ilog22/3 = 0.585 bit通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标设离散信源是一个由设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，个符号组成的符号集， 其中每个符号其中每个符号xi(i=1,

14、 2, 3, , n)出现的概率为出现的概率为P(xi)， 且有且有 P(xi)=1, 则则x1, x2, , xn 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为-log2 P(x1), -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为平均信息量为H(x)=P(x1)log2 P(x1)+P(x2)log2 P(x2)+P(xn)log2 P(xn) =ni 1符号）/()(log)(21bitxpxpinii 由于由于H同热力学中的熵形式一样，同热力学中的熵形式一样， 故通常又称它为信息故通常又称它

15、为信息源的熵，其单位为源的熵，其单位为bit/符号。符号。 2. 离散信源的平均信息量通信系统的主要性能指标 例三：一离散信源由例三：一离散信源由0， 1， 2， 3四个符号组成，它们出现的四个符号组成，它们出现的概率分别为概率分别为3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每个符号的出现都是独立的。，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息试求某消息232120120210的信息量。的信息量。 解解 此消息中，此消息中，0出现出现23次，次，1出现出现14次，次，2出现出现13次，次，3出出现现7次，共有次，共有57个符号，故该消息的信息量为个符号，故该消息的信息量为)(1088log74log

16、134log1438log232222bitI通信系统的主要性能指标 每个符号的算术平均信息量为符号位）符号位/(89. 157108bitII若用熵的概念来计算， 由式（1.3 - 5）得 81log8141log4183log83222H符号位）/(906. 1bit 可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时， 用熵的概念来计算比较方便。用熵的概念来计算比较方便。 而且随着消息序列长度的增加，而且随着消息序列长度的增加， 两种计算误差将趋于零。两种计算误差将趋于零。 通信系统的主要性能指标v例例四四 设一信息源的输出由设一信息源的输出由

17、128个不同符个不同符号组成。其中号组成。其中16个出现的概率为个出现的概率为1/32，其，其余余112个出现概率为个出现概率为1/224。信息源每秒发。信息源每秒发出出1000个符号，且每个符号彼此独立。试个符号，且每个符号彼此独立。试计算该信息源的平均信息速率。计算该信息源的平均信息速率。 解：每个符号的平均信息量为解：每个符号的平均信息量为 符号/404. 6224log224111232log32116)(22bitxH已知码元速率已知码元速率RB=1000B=1000B，故该信息源的，故该信息源的平均信息速率为平均信息速率为sbitxHRRBb/6404)(通信系统的主要性能指标通信

18、系统的主要性能指标最大熵定理NiNiiiNNNHNxpxpXH1max1log1log1log)(log)()(大，且该信源的平均信息量最的出现为统计独立时，等概出现，而且各符号当离散信源中每个符号通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标0.50.40.30.20.100.610.90.80.70.10.20.30.40.50.60.70.80.91通信系统的主要性能指标1、某信源的符号集由A、B、C、D和E组成，设每一个符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/13；信源以1000B速率传送信息。（1）求传送1小时的信息量；（2）求传送1小时可能达到的最大信息量

19、。通信系统的主要性能指标 数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。 可靠性可用差错率来衡量。 1. 传输速率 码元传输速率码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。 例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。 数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:)(1BTRB通信系统的有效性、可靠性通信系统的有效性、可靠性通信系统的主要性能指标 通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制的一个码元可以用 log2 M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系： RB2=RBMlog2 M (B)信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。 每个码元或符号通常都含有一定bit