绪论(通信原理)

1、第一章第一章 绪绪 论论 Introduction 内容提要内容提要: 通信的定义通信的定义 模拟通信与数字通信的基本概念模拟通信与数字通信的基本概念 通信系统的分类通信系统的分类 通信方式通信方式 信息及其度量信息及其度量 性能指标性能指标 3学时1.1 定定 义义 1. 通信与通信网通信与通信网 通通 信信 概概 念念 ：信息的传递过程称为通信：信息的传递过程称为通信. 以语言以语言.图像图像.数据为媒体数据为媒体,通过通过电电(光光)信号将信息由一方传输到另一方。信号将信息由一方传输到另一方。 通信网概念通信网概念：通信过程通过通信网络完成，网络由通信系统：通信过程通过通信网络完成，网络

2、由通信系统互连构成。互连构成。 Efficiency is highly enhanced via communication network 通信网的构成通信网的构成1）终端设备：电话、电报、监视器（摄像头）、显示器等）终端设备：电话、电报、监视器（摄像头）、显示器等2）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等3）交换设备：程控交换、）交换设备：程控交换、ATM交换、光交换等交换、光交换等4）协议和准则）协议和准则 2模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 模拟信号：电信号的参量连续取值模拟信号：电信号的参量连续取值 基带信号基带信号(一般指未调制过的信号一般指未

3、调制过的信号)瞬时值状态数无限，如正弦信号、瞬时值状态数无限，如正弦信号、语音信号、图像信号等。语音信号、图像信号等。 已调信号已调信号(载波一般为正弦信号载波一般为正弦信号)的参数的参数A.F.P状态数无限。状态数无限。PM:FM:AM:正弦: 数字信号：电信号的参量离散取值数字信号：电信号的参量离散取值 基带信号的瞬时值状态数有限。基带信号的瞬时值状态数有限。 如计算机如计算机.电报机等输出的信号。电报机等输出的信号。 已调信号的参数已调信号的参数A.F.P状态数有限。状态数有限。*注注: 也可称也可称ASK 、FSK 、PSK等数字已调信号为连续信号等数字已调信号为连续信号,因为因为他们

4、的瞬时值在某一范围内连续取值。他们的瞬时值在某一范围内连续取值。 二进制代码二进制基带信号10tttt2ASK2FSK2PSK 3通信系统通信系统: 传递信息所需的一切技术设备的总和传递信息所需的一切技术设备的总和. 信道中传输的是模拟信号时为信道中传输的是模拟信号时为模拟通信系统模拟通信系统。 信道中传输的是数字信号时为信道中传输的是数字信号时为数字通信系统数字通信系统。 本课程的主要任务本课程的主要任务本课程主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论系本课程主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论系统的组成和性能指标。统的组成和性能指标。1.2 通信系统模型通信系统模型基本的点对点通信均是把发送

5、端的消息传送到接收端。基本的点对点通信均是把发送端的消息传送到接收端。 信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源信息源（也称发送端）信息源（也称发送端）:把各种可能的消息转换成原始电把各种可能的消息转换成原始电信号。信号。发送设备发送设备:对原始信号完成某种变换，是之适合在信道中对原始信号完成某种变换，是之适合在信道中传输。传输。信道信道:信号传输的通道信号传输的通道 。接收设备接收设备:从接收的信号中恢复出相应的原始信号。从接收的信号中恢复出相应的原始信号。受信者（也称信息宿受终端）受信者（也称信息宿受终端）:将复原的原始信号转换成将复原的原始信号转换成相应的消息。相应的消息。噪声源噪声源:信

6、道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。声的集中表示。噪声源一一模拟通信模拟通信 1、系统构成模拟、系统构成模拟 （1）点）点点单路通信系统点单路通信系统模拟信源调制器发滤波器信道收滤波器解调器信宿n(t)A点A点ni(t)no(t)i)NS(o)NS(B点B点 此系统为单向通信系统即单工通信系统此系统为单向通信系统即单工通信系统,当当A、B都有调制都有调制解调器时可实现双工通信。解调器时可实现双工通信。调调 制制 器器: 使信号与信道相匹配使信号与信道相匹配, 便于频分复用等便于频分复用等发滤波器发滤波器: 滤除调制器输出的无用信号滤除

7、调制器输出的无用信号收滤波器收滤波器: 滤除信号频带以外的噪声滤除信号频带以外的噪声 一般设一般设n(t)为高斯白噪声为高斯白噪声,则则ni(t)为窄带白噪声为窄带白噪声 （2）点）点-点多路通信系统点多路通信系统 p124信源n调制器n带通n信源1调制器1带通1fc1fcn相加器信道带通n解调器n收信者n带通1解调器1收信者1fc1fcnA点B点复接分接FBffc1fcn保护频带信道带宽信号带宽:f:F:B对信道进行频域分割FDMfBFnmax 2、 需要研究的问题需要研究的问题1）基带信号的特性）基带信号的特性2）调制与解调原理）调制与解调原理3）已调信号的特性）已调信号的特性4）在有噪声

8、的情况下系统的性能。）在有噪声的情况下系统的性能。 3、模拟通信的主要特点、模拟通信的主要特点1） 抗干扰能力差抗干扰能力差2） 不易于保密通信不易于保密通信3） 设备不易于大规模集成设备不易于大规模集成4） 不适应飞速发展的计算机通信的要求不适应飞速发展的计算机通信的要求5） 简单、易于实现。简单、易于实现。二数字通信二数字通信 1、 系统模型系统模型 （1）点）点-点单路通信系统点单路通信系统 信源信源编码加密信道编码调制发滤波器信道发同步器n(t)收滤波器解调信道译码解密信源解码信宿PePe收同步器.信信 源源: 提供待传递的语音、图象或数字信息。提供待传递的语音、图象或数字信息。信源编

9、码信源编码: 对模拟信号进行对模拟信号进行A/D和压缩，对数字信号进行压缩。和压缩，对数字信号进行压缩。信道编码信道编码: 提高通信可靠性，提高通信可靠性，Pe 0 （1.4-1) 2).消息的出现概率越小，它所含的信息量愈大；反之信息消息的出现概率越小，它所含的信息量愈大；反之信息量愈小，且量愈小，且当当P(x)=1时，时，I=0。 3).若干个相互独立事件构成的消息，所含的信息量等于各若干个相互独立事件构成的消息，所含的信息量等于各独立事件信息量的和，即：独立事件信息量的和，即：Ip(x1)p(x2)p(x3)=Ip(x1)+Ip(x2)+Ip(x3)+ (1.4-2)I与与p(x)间的关

10、系式为：间的关系式为： I= loga1/p(x)=-logap(x) (1.4-3)信息量的单位的确定取决信息量的单位的确定取决 于上式中对数底于上式中对数底 a 的确定：的确定： a值单位2比特(bit)e奈特(nit)10哈特莱2、等概率出现的离散消息的信息量的度量、等概率出现的离散消息的信息量的度量 若要传递的离散消息是在若要传递的离散消息是在M个消息之中独立的选择其一，且认个消息之中独立的选择其一，且认为每个消息的出现概率是相同的。因次，为了传递一个消息，为每个消息的出现概率是相同的。因次，为了传递一个消息，只需采用一个只需采用一个M进制的波来传送。即，传送进制的波来传送。即，传送M

11、个消息之一与传个消息之一与传送送M进制波形之一是完全等价的。现定以传送两个等概的二进进制波形之一是完全等价的。现定以传送两个等概的二进制波形之一的信息量为制波形之一的信息量为1，单位为，单位为“比特比特”。由式。由式(1.4-3)知：知： I =log21/(1/2)=log22=1(bit) (1.4-4) 可见对以上事件只要在接收者看来每一传送波形是独立等概出可见对以上事件只要在接收者看来每一传送波形是独立等概出现的现的,则一个波形所传递的信息量为则一个波形所传递的信息量为: I =log21/P (bit) (1.4-5) P-每一波形出现的概率每一波形出现的概率因因 P=1/M，上式又

12、可以写做：，上式又可以写做： I =log2M (bit) (1.4-6) M-传送的波形数传送的波形数 例题例题1.13、非等概出现的离散消息的度量、非等概出现的离散消息的度量 设离散信息源是一个由设离散信息源是一个由M个符号组成的集合，称符号集。个符号组成的集合，称符号集。其中每个符号其中每个符号xi按一定概率按一定概率P(xi)独立出现的，设各符号独立出现的，设各符号出现的概率：出现的概率：x1x2xMP（x1）P（x2） P（xM）且有：（1.4-7)则则x1、x2、xM所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为-log2P(x1)、-log2P(x2)、-log2P(xM)。因此，每个

13、符号所含信息量的。因此，每个符号所含信息量的统计平均值，即统计平均值，即平均信息量平均信息量为为其中称其中称H (x)为为信息源的熵信息源的熵，其单位为，其单位为bit/符号符号。显然，当。显然，当P(xi)=1/M（等概条件下的概率值）时，式（等概条件下的概率值）时，式(1.4-7)即成为即成为式式(1.4-6)。 可以证明，当每个符号等概率出现时，平均信息可以证明，当每个符号等概率出现时，平均信息量最大。此时最大熵量最大。此时最大熵H=log2M(bit/符号）符号）例题例题1.24、连续消息的信息量的度量、连续消息的信息量的度量 连续消息的信息量可用概率密度来描述。可证明，连续消息的平均

14、信息量（相对熵）为式中 f(x)-连续消息出现的概率密度。 1.5 主要性能指标主要性能指标 性能指标性能指标（质量指标）：对整个系统综合提出和规定的,用以衡量系统的质量优劣。 有效性-传输一定信息量时所占用的资源. 传输信息的速度. 可靠性-接收信息的准确程度. 传输信息的质量. 1模拟通信 B越小，有效性越好，(S/N)O越大，可靠性越好。 2数字通信 衡量数字通信系统的有效性的主要性能指标是传输速率、频带利用率。可靠性指标主要是差错率。传输速率传输速率（1）码元传输速率（）码元传输速率（RB）简称传码率，定义为单位时间（每秒）内传输码元的数目，单简称传码率，定义为单位时间（每秒）内传输码

15、元的数目，单位：波特，可计为位：波特，可计为Baud或或B。如果一个码元的时间长度为如果一个码元的时间长度为T秒，则码元速率为秒，则码元速率为 RB=1/T （B）（2）信息传输速率（）信息传输速率（Rb)简称传信率，定义为单位时间（每秒）内传递的信息量（比特简称传信率，定义为单位时间（每秒）内传递的信息量（比特数），单位：比特数），单位：比特/秒，可计为秒，可计为bit/s, 或或b/s, 或或bps。若信源的码率为若信源的码率为RB，熵为，熵为H，则该信源的平均信息速率为：，则该信源的平均信息速率为： （bit/s)等概时等概时(合理），则有合理），则有Rb=RBlog2M (bit/s)

16、或或RB=Rb/log2M (B)其中其中M为符号的进制数。为符号的进制数。码元传输速率信息传输速率定义每秒钟传输码元的个数又称码元速率或传码率每秒钟传输的信息量，又称信息速率或传信率单位波特，常用“B”表示比特/秒，（bit/s或bps）标识符RB2（二进制）RBM（M进制）Rb二进制与M进制转换关系RB2=RBMlog2M(B)等概时等概时两者间关系Rb=RBMlog2M(bit/s)传输速率例 二进制代码二进制信号 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0四进制代码四进制信号 1 -1 3 -3 1Ts2Ts2:二进制码元宽度Ts4Ts4:四进制码元宽度Ts4=2Ts2 RB4=RB2/2

17、当P(1)=P(0)时，P(3)=P(-3)=P(1)=P(-1)=1/4，I(1)=I(0)=log(1/2)=1bit，I(3)=I(-3)=I(-1)=I(1)=log(1/4)=2bit，可见Rb2=RB2=RB2log22，Rb4=RB42=RB4log24一般：独立事件一般：独立事件 X1，X2，XM 构成消息构成消息X，当，当P(Xi)=1/M i=1,2, M 时，每个符号携带信息量的平均值时，每个符号携带信息量的平均值最大为最大为 H(X)=log2M bit/符号，此时符号，此时 Rb = RBlog2M频带利用率频带利用率定义为单位频带内的传输速率，定义为单位频带内的传输

18、速率，即即或或可靠性指标可靠性指标衡量数字通信系统可靠性的指标衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率是差错率，常用误码率和误信率表示。表示。误码率误码率，是指错误接收的码元数，是指错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比例，在传送总码元数中所占的比例，或更确切的表述为，码元在传输或更确切的表述为，码元在传输系统中被传错的概率。系统中被传错的概率。误信率误信率，又称误比特率，是指错，又称误比特率，是指错误接收的信息量在传送总信息量误接收的信息量在传送总信息量中所占的比例，或者说，它是码中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失元的信息量在传输系统中被丢失的概率。的

19、概率。 总发送的码元数接受出现差错的码元数误码率PeB)Hz/B(BRB)Hzs /bit(BRbb总发送的比特数接受出现差错的比特数误信率ebP在二进制中有在二进制中有eB=Peb 基本要求掌握模拟通信和数字通信的定义，了解它们的基本组成了解通信系统的各种分类方法掌握信息的含义及其度量方法掌握通信系统的主要性能指标难点：码元传输速率和信息传输速率之间的关系。 习题: P15 1-4 1-6 1-7 1-10例例1.1已知四进制离散信源（已知四进制离散信源（0，1，2，3），独立等概发），独立等概发送，求传送每一波形的信息量。送，求传送每一波形的信息量。解：由于每一波形出现的概率为解：由于每一

20、波形出现的概率为p=1/4，故其信息量，故其信息量可见：四进制的每一波形所含的信息量，恰好是二进制可见：四进制的每一波形所含的信息量，恰好是二进制每一波形包含信息量的每一波形包含信息量的2倍。这是由于每一个四进制波倍。这是由于每一个四进制波形需要用形需要用2个二进制波形表示。个二进制波形表示。)bit(24logp1logI22推广：推广：M（M=2K）进制的每一波形所含的信息）进制的每一波形所含的信息量，恰好是二进制每一波形包含信息量的量，恰好是二进制每一波形包含信息量的K倍。倍。例1.2某离散信源由某离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分别为四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4, 1/8，且每个符号的出现都是独立的。求消息，且每个符号的出现都是独立的。求消息201020