通信原理 第1章(7版)

1、 制作：曹丽娜 美工设计美工设计：陈英 技术支持：张嘉等人 电子课件 第1章 绪 论 通信原理（第7版）樊昌信 曹丽娜 编著基本概念 信息度量 性能指标 模型模型/ /分类分类/ /通信方式通信方式信息量信息量/ /信源熵信源熵 有效性有效性/ /可靠性可靠性 本章内容: 第1章 绪 论 1.1 基本概念击鼓鸣金电报烽火电话电视因特网数字化智能化高速化宽带化移动化个人化。综合化 1. 声音音频信号将音频信号放大、调制，产生 AM信号，并耦合到发射天线接收天线将电磁波转换为 AM信号（含有噪声）将AM信号解调还原为音频信号，再经音频功放后，驱动扬声器，还原为声音。发射天线将AM信号信号感应成可以

2、辐射到大气中的电磁波 （无线电波）2. ：消息中蕴含的有效内容。消息中蕴含的有效内容。 ：通信系统传输：通信系统传输的对象。的对象。形式多种: ：消息消息的电表示的电表示形式形式/ /传输载体。传输载体。模拟信号：模拟信号： 数字信号：数字信号： 信号参量取值连续信号参量取值连续 信号参量取值离散信号参量取值离散 语音、温度、图像语音、温度、图像 数据、文字、符号数据、文字、符号连续消息：连续消息： 离散消息：离散消息： 信号消息信息信号消息信息传输传输载体载体 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 表现形式表现形式 内涵内涵 如何区分模拟与数字信号？ 如何将 消息转换为电信号？ 模拟信号 和

3、数字信号:区分原则: 看携载消息的信号参量取值。看携载消息的信号参量取值。取值连续取值连续（无穷多）（无穷多）取值离散取值离散（有限个）（有限个）话筒（声音传感器）把声音转变成音频信号；话筒（声音传感器）把声音转变成音频信号；数字终端把符号转变成数字信号；数字终端把符号转变成数字信号；摄像机把图像转变成视频信号；摄像机把图像转变成视频信号；热敏电阻（温度传感器）把温度转变成电信号。热敏电阻（温度传感器）把温度转变成电信号。 消息 电信号的转换:基于以上对 消息 、信息 和 信号 的理解：就是利用电信号传输消息中所包含的信息。通信 完成通信过程所需的电子设备和信道的总体 communicatio

4、n system 通信系统1.2 通信系统模型消息消息 电信号电信号如如 电话机的电话机的话话筒筒把声音把声音音频信号音频信号电信号电信号 消息消息如如电话机的电话机的听听筒筒把音频信号把音频信号声音声音原始电信号原始电信号适合在信道中传输适合在信道中传输的信号。的信号。如如 编码、调制编码、调制其功能与发送设备相反。其功能与发送设备相反。 如如 译码、解调译码、解调destination source transmitter receiver channel noise 能传输信号的能传输信号的 各种物理媒介各种物理媒介 1. 一般模型：l 模拟消息模拟消息 原始电信号（基带）原始电信号（基

5、带）l 基带信号基带信号 已已 调调 信号（带通）信号（带通） 2. 模拟通信系统的模型3. 数字通信系统的模型u信源编码：信源编码：模模/ /数转换数转换 提高有效性提高有效性u信道编码：信道编码：增强抗干扰能力增强抗干扰能力u调制：把信息寄托到调制：把信息寄托到载波上载波上 u解调：从已调信号中卸载信息解调：从已调信号中卸载信息 编码编码/译码译码 调制调制/解调解调 同步同步抗干扰能力强，且噪声不积累；抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；传输差错可控；便于处理、变换、存储；便于处理、变换、存储；便于将来自不同信源的信号综合传输；便于将来自不同信源的信号综合传输；易于集成；易于加密。

6、易于集成；易于加密。需要较大的传输带宽；需要较大的传输带宽；对同步要求高。对同步要求高。优点优点缺点缺点4. 数字通信的特点按信道信号按信道信号特征分类特征分类按传输媒质按传输媒质分类分类按传输方式按传输方式分类分类按通信业务按通信业务分类分类按工作波段按工作波段分类分类模拟通信 数字通信有线通信 无线通信基带传输 带通传输电话、数据、 图像通信等长波、中波、短波、微波、红外以及激光通信等详见表详见表3-13-1n还可按复用方式划分：频分、时分、码分复用。n同一个通信系统可以分属于不同分类。 AM广播系统中短波通信、模拟通信、 带通传输系统（调制系统）。 1.3 通信系统分类和通信方式 1.

7、通信系统分类 l单工单工通信：通信： （单向）（单向）l半双工半双工通信：通信： （双向、不同时）（双向、不同时）l全双工全双工通信：通信： （双向、同时）（双向、同时） ： 2. 通信方式优点优点：节省传输时间，速度快节省传输时间，速度快; 缺点：缺点：需要需要 n 条通信线路，成本高条通信线路，成本高 ;应用：应用：设备之间的设备之间的近近距离通信距离通信: : 计算机和打印机之间数据的传输。计算机和打印机之间数据的传输。在并行信道上在并行信道上同时同时传输传输 n 个比特信息。个比特信息。l并行传输并行传输：l串行传输：串行传输：0 1 1 0 0 1 0 0 1 101010l串行传输

8、：串行传输：数字码元序列按时间顺序数字码元序列按时间顺序一个接一个一个接一个地在地在一条一条信道中传输。信道中传输。 优点优点：成本低，只需一条通信信道；成本低，只需一条通信信道； 缺点：缺点：速度慢，需要外加同步措施。速度慢，需要外加同步措施。 应用：应用：远远距离的通信。距离的通信。 基本概念 信息度量 性能指标 模型模型/ /分类分类/ /通信方式通信方式信息量信息量/ /信源熵信源熵 有效性有效性/ /可靠性可靠性 本章内容: 第1章 绪 论 l通信通信的目的目的在于传输消息中传输消息中所包含的信息。信息。l消息中消息中不确定的内容不确定的内容才构成信息。才构成信息。l信息量信息量就是

9、对是对这种不确定性不确定性的定量定量描述。l信息信息具有普遍存在性普遍存在性（即存在于任何事物的运动和变化中）；可扩充可扩充或压缩性；可存储压缩性；可存储与传输性；相对性传输性；相对性（不同的认识主体观察到的信息不同）；可度量、可共可度量、可共享享和时效性时效性（信息具有“生命周期”）。l在在当今信息社会信息社会中，信息是最宝贵，信息是最宝贵的资源资源之一。引言1.4 信息及其度量l信息必须依附于一定的物质形式存在，这种承载信息信息必须依附于一定的物质形式存在，这种承载信息的物质就是消息。的物质就是消息。 l同样的信息可用不同形式的消息来表述。同样的信息可用不同形式的消息来表述。 l信息是消息

10、的内涵，即信息是消息的内涵，即消息中包含的有效内容。消息中包含的有效内容。：l度量方法与消息的度量方法与消息的种类种类无关。无关。l与消息的与消息的重要程度重要程度无关。无关。：l“美国世贸大楼被炸（美国世贸大楼被炸（9.119.11事件）事件）”（时效性） l“明天下雨明天下雨”可见：可见：消息中所含信息量和不可预测性或不确定性有关。消息中所含信息量和不可预测性或不确定性有关。消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。如何度量如何度量消息中所含的消息中所含的信息量信息量 ? ?根据概率论知识：事件的不确定性根据概率论知识：事件的不确定性 可用事件

11、出现的可用事件出现的概率概率来描述来描述。I P I =f P(x) 1loglog( )( )aaIP xP x P 1，I0P 0，IP(x)I(y)相加性相加性a= 2，比特比特(bit) ，简记为，简记为ba= e，奈特，奈特(nat) a=10，哈特莱，哈特莱(Hartley)21log( )IP x1 nat=1.44 b为什么为什么 取对数取对数 ？ 1. 离散消息 x 的信息量 概率相同，每个符号蕴含的信息量也相同；概率相同，每个符号蕴含的信息量也相同； 二二进制的每个码元含进制的每个码元含 1 （b) ) 四四进制的每个码元含进制的每个码元含 2 （b) ) 推广：推广：M进

12、制的每个码元含进制的每个码元含 log2M （b) ) 【1-1】二进制信源二进制信源（0 0，1 1） 【1-2】四进制信源四进制信源（0 0，1 1，2, 32, 3）解：解：试求：等概独立发送符号时，每个符号的信息量试求：等概独立发送符号时，每个符号的信息量 。例例例例 信源中每个符号所含信息量的统计平均值。信源中每个符号所含信息量的统计平均值。 设设 则则 统计独立的统计独立的M个符号的离散信源的平均信息量为个符号的离散信源的平均信息量为 H与热力学中的熵形式一样，故称为与热力学中的熵形式一样，故称为信源的熵信源的熵。211( )log(b/( )MiiiHp xp x符号） 2. 离

13、散消息的平均信息量 比较例比较例【1-31-3】与与【1-21-2】可知：可知： 等概时，熵最大等概时，熵最大: : 【1-3】 四进制信源（四进制信源（0，1，2， 3），）， P(0)=3/8， P(1)= P(2)= 1/4， P(3)=1/8， 试求信源的平均信息量。试求信源的平均信息量。211( )log( )MiiiHp xp x0123(0)(1)(2)(3)(1.90b6/HPIPIPIPI符号）21log( )iiIP x例例解解 【1-4】 某离散信源的概率场同某离散信源的概率场同【例1-3】，由它发送，由它发送一条消息：一条消息：201020130213001203210

14、100321010023102 002010312032100120210，求这条消息的总信息量。，求这条消息的总信息量。 利用信息相加性概念来计算：利用信息相加性概念来计算： 一条由一条由 m 个符号构成的消息，其总信息个符号构成的消息，其总信息 量为量为:利用利用熵熵的概念来计算：的概念来计算：01232314137108bIIIII总（ ）5757 1 906108.64 (b)IH 总1.906 (b/H 符号）例例解：解：221loglog( )( )(b)IP xP x 211( )log(b/( )MiiiHp xp x符号）l二进制二进制的每个码元含的每个码元含 1 bitl等

15、概时，熵最大等概时，熵最大: : Hmax=log2Ml借助熵的概念：借助熵的概念：I总总= m H 归纳：归纳：基本概念 信息度量 性能指标 模型模型/ /分类分类/ /通信方式通信方式信息量信息量/ /信源熵信源熵 有效性有效性/ /可靠性可靠性 本章内容: 第1章 绪 论 可靠性可靠性text有效性有效性性能性能指标指标模模 拟拟 通通 信信数数 字字 通通 信信l 传输带宽传输带宽l 输出信噪比输出信噪比l 频带利用率频带利用率 l 差错概率差错概率 矛盾、关联、互换1.5 通信系统主要性能指标（1）码元传输速率码元传输速率 RB （传码率、波特率）（传码率、波特率）r定义：每秒传送的

16、码元个数。定义：每秒传送的码元个数。r单位：波特（单位：波特（BaudBaud）r计算：若一个码元的时间长度为计算：若一个码元的时间长度为Ts 秒，则秒，则 1BsRT 例如：例如：1 1秒内传输秒内传输10001000个码元，则个码元，则 RB =1000 BaudBaud与进制数与进制数 有关吗有关吗 ？与信源统计与信源统计特性有关特性有关 吗吗 ？ 1. 数字通信系统的有效性指标（2）信息传输速率信息传输速率 Rb (传信率，比特率传信率，比特率)r定义：每秒传递的比特数（信息量）。定义：每秒传递的比特数（信息量）。r单位：单位：比特比特/秒（秒（bit/s ）简记为）简记为 b/s 或或 bps Rb与与 RB的关系的关系 内涵？内涵？H为纽带为纽带 （3）频带利用率）频带利用率把 B 与 传输速率传输速率 联系起来r定义为单位带宽内的传输速率，定义为单位带宽内的传输速率，即 A系统：系统：2 000 b/s，占用，占用 2 000 Hz的带宽；的带宽