电子信息技术导论-通信部分

电子信息技术导论

——通信技术概论

第一局部通信技术概述

第二局部数字通信系统介绍通信类课程专业方向与课程设置:专业方向专业基础类课程专业方向性课程通信产品设计与开发电路、模电、数电、通信电子线路、微机原理与接口技术、C/C++、单片机等。DSP原理与应用、嵌入式系统。通信系统与通信网络信息论与编码、通信原理、电磁场理论等。数据通信与计算机网络、移动通信、微波技术与天线、光纤通信、物联网技术、卫星通信、网络安全等。信号与信息处理信息论与编码、信号与系统、数字信号处理等。语音信号处理、图像处理、数据压缩技术等。通信类应用软件开发C/C++、Java语言等。高级语言程序设计、Web技术与应用等。一、根本概念第一局部：通信技术概述2、信息：未知的消息。1、通信：信息传输的过程称为通信信息的根本概念在于它的不确定性,任何已确定的事物都不含信息。接收者在收到信息之前，对它的内容是不知道的，所以，信息是新知识、新内容；信息是能使认识主体对某一事物的未知性或不确定性减少的有用知识.信息的特点：信息是可以度量的，信息量大小与概率有关。信息可以被处理、存储和传输。信息传输必须有载体〔媒体〕。3、信号：传输信息的载体，通常为电量或光量。信号的两个作用？举例：计算机通信、电视系统。信道复用特性:多用户共用信道。二、信息度量1、信息传输模型模型(1)、符号的自信息量(2)、条件自信息量I(xi/yj):符号在传输过程中损失的信息量。2、离散信源的信息度量〔3〕互信息量传输的信息量例：设天气预报有两种消息，晴天和雨天，出现的概率分别为1/4和3/4，我们分别用来表示晴天，以来表示雨天，那么我们的信源模型如下：居住某地区的女孩中有25%是大学生，在女大学生中有75%身高为1.6m以上，而女孩中身高1.6m以上的占总数一半。假设得知“身高1.6m以上的某女孩是大学生的消息，问获得多少信息量。定义：自信息量的数学期望为信源的平均信息量，称为熵表示信源平均每个符号所携带的信息量。3、信息熵例：天气预报，有两个信源

说明第二个信源各符号的平均信息量更大一些例：一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求〔1〕各符号的信息量〔2〕求该信源的熵〔3〕某消息的信息量可见：〔1〕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。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。〔2〕信源在各符号等概率时熵最大。〔2bit/sign)Hmax(X)=logn例：电视屏上约有

500×600=3×105个格点，按每点有

10个不同的灰度等级考虑。按等概率计算，平均每个画面可提供的信息量为

I=3×105×

3.32比特/画面

=9.96×105

比特/画面

有一篇千字文章，假定每字可从万字表中任选仍按等概率计算，平均每篇千字文可提供的信息量为H〔X〕＝4×3．32比特／字一篇文章的总信息量为I=1000H(X)=13280bit连续信源熵信源的分布主要有三种形式：均匀分布——Hc(X)=log(b-a)正态分布——Hc(X)=0.5log2πeσ2指数分布——Hc(X)=logme三、通信系统的根本组成1、扩音系统——模拟基带系统2、播送电视系统——模拟调制系统调制：将信号装载在高频正弦波上〔载波〕。调制的作用〔1〕实现信道复用〔2〕改善传输特性。3、计算机局域网通信——数字基带系统信源编码：将各种信息转化为1、0二进制数据。(数字编码)离散信源编码〔ASCALL码〕；连续信源编码〔PCM〕。信道编码——过失控制编码。线路编码:将数据转换为适宜的方波进行传输。4、数字调频播送——数字调制系统线路编码:将数据转换为适宜的高频正弦波传输-数字调制。典型通信网络:三大通信网络〔三网合一？〕—————电信网络〔1〕：固定网络典型通信网络—————电信网络〔2〕移动通信网络典型通信网络:—————播送电视网络典型通信网络:—————计算机通信网络无线传感器网络：WSN车辆自组织网络：四、通信系统分类1．按信道复用方式分类

传输多路信号有三种复用方式：即频分多址FDMA、时分多址TDMA和码分多址CDMA。有线电视同轴电缆带宽为500MHz，电视信号带宽为6MHz，可容纳83套电视节目。考虑防护带，实际容纳60套节目。调制的作用：改善信号传输性能；实现频分复用。PCM32系统：一帧有32个时隙，每个时隙8μs，传送8bit的二进制数。帧长256bit，帧周期256μs。用户码必须具有正交性。A〔-1-1-1+1+1-1+1+1〕B〔-1-1+1-1+1+1+1-1〕2、按消息传递的方向分类：单工、半双工、全双工。3、串行通信与并行通信：4、基带通信与调制通信：5、模拟通信与数字通信：五、通信系统主要性能指标有效性指标：是指在传输的“速度〞问题；可靠性指标：是指接收信息的准确程度，即传输的“质量〞。这两个指标相互矛盾。〔一〕、有效性指标模拟系统：带宽。数字系统：码元传输速率〔数据传输速率〕码元传输速率RB。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特〔Baud〕，记为B。数据传输速率Rb。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。〔二〕、可靠性指标模拟系统：信噪比。数字系统：误码率〔误信率〕。误码率〔码元过失率〕Pe是指发生过失的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即误信率〔信息过失率〕Pb是指发生过失的比特数在传输总比特数中所占的比例，即例题：数据10100001共用10μs，设1、0等概率出现。〔1〕采用二进制码元传输，求传码率和传信率。〔2〕假设在2s内平均有4个码元错误，求误码率和误信率。

第二局部数字通信系统介绍信源编码：将信息转化为数据“1〞、“0〞。加密编码：通过加密算法提高信息传输的平安性，实现保密通信。信道编码：〔1〕过失控制编码：提高信息传输的可靠性。检错码、纠错码。〔2〕线路编码：将“1〞、“0〞转变为适宜的信号，以便在信道中传输。基带编码、调制编码。一信源编码

在数字通信系统中，将信源的各种符号转变为1，0

〔1〕定长码和变长码：1、分类信源符号ai符号出现概率p(ai)码1码2码3码4a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001信源符号ai符号出现概率p(ai)码1码2码3码4a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001性质1：即时码在码树图上为非延长码。a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001性质2：唯一可译码存在的条件a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001〔1〕定长码K=2存在唯一可译码；

〔2〕K1=1，K2=K3=K4=2：不存在唯一可译码；

〔3〕K1=1，K2=2，K3=K4=3：存在唯一可译码；

(4)K1=1，K2=2，K3=3，K4=4：存在唯一可译码；

2、编码器性能指标a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001例：将下表所列的某六进制信源进行二进制编码。试问〔1〕这些码中哪些是唯一可译码？

〔2〕哪些码是非延长码〔即时码〕？

〔3〕对所有即时码求出其平均码长和编码效率。

C1C2C3C4C5C6a11/2000000101a21/4001011010000001a31/160100111101101001100a41/16011011111101100010101a51/1610001111111101001110110a61/161010111111111101111110111〔1〕唯一可译码:C1,C2,C3,C6

〔2〕非延长码〔即时码):C1,C3,C6

〔3〕即时码求出其平均码长和编码效率:

H(X)=2bit/symbol.

k1=3,编码效率:0.67

k2=k3=1.89,编码效率0.94

k6=2.5,编码效率0.8C1C2C3C4C5C6a11/2000000101a21/4001011010000001a31/160100111101101001100a41/16011011111101100010101a51/1610001111111101001110110a61/1610101111111111011111101113、经典信源编码变长码主要编码方法有：香农〔Shannon〕费诺〔Fano〕哈夫曼〔Huffman〕1、香农〔Shannon〕编码〔1〕将信源消息符号按其出现的概率大小依次排列。〔2〕确定满足以下不等式的整数码长Ki。〔3〕计算第i个消息的累加概率。〔4〕将累加概率Pi变换成二进制数，取Pi二进数的小数点后Ki位做为二进制码字。信源消息符号ai符号概率(ai)累加概率Pi-logp(ai)码字长度Ki码字a10.2002.323000a20.190.22.393001a30.180.392.473011a40.170.572.563100a50.150.742.743101a60.100.893.3241110a70.010.996.64711111102、费诺编码方法(1)将信源消息符号按概率大小依次排列。(2)将依次排列的信源符号按概率值分为两大组，使两个组的概率之和近于相同，并对各组赋予一个二进制码元“0〞和“1〞。(3)将每一大组的信源符号进一步再分成两组，使划分后的两个组的概率之和近于相同，并又赋予两个组一个二进制符号“0〞和“1〞。(4)如此重复，直至每个组只剩下一个信源符号为止。(5)信源符号所对应的码字即为费诺码。消息符号ai各个消息概率p(ai)第一次分组第二次分组第三次分组第四次分组二元码字码长Kia10.2000002a20.19100103a30.1810113a40.1710102a50.15101103a60.101011104a70.01111114

3、哈夫曼编码方法(1)将信源消息符号按其出现的概率大小依次排列，(2)取两个概率最小的字母分别配以0和1两个码元，并将这两个概率相加作为一个新字母的概率，与未分配的二进符号的字母重新排队。(3)对重排后的两个概率最小符号重复步骤(2)的过程。(4)不断继续上述过程，直到最后两个符号配以0和1为止。(5)从最后一级开始，向前返回得到各个信源符号所对应的码字。哈夫曼编码方法得到的码并非唯一的〔1〕每次对信源缩减时，赋予信源最后两个概率最小的符号，用0和1是可以任意的，所以可以得到不同的哈夫曼码，但不会影响码字的长度。〔2〕对信源进行缩减时，两个概率最小的符号合并后的概率与其它信源符号的概率相同时，这两者在缩减信源中进行概率排序，其位置放置次序是可以任意的，故会得到不同的哈夫曼码。此时将影响码字的长度，一般将合并的概率放在上面，这样可获得较小的码方差。例设有离散无记忆信源信源符号ai概率p(ai)码字Wi1码长Ki1码字Wi2码长Ki2a10.411002a20.2012012a30.20003112a40.1001041003a50.1001141013信源符号ai概率p(ai)码字Wi1码长Ki1码字Wi2码长Ki2a10.411002a20.2012012a30.20003112a40.1001041003a50.1001141013信源符号ai概率p(ai)码字Wi1码长Ki1码字Wi2码长Ki2a10.411002a20.2012012a30.20003112a40.1001041003a50.1001141013例：假设消息符号的概率分布为：p(u0)=1/2,p(u1)=1/4,p(u2)=1/8,p(u3)=1/8。求：香农编码、费诺编码和哈夫曼编码。平均码长？编码效率？1、错码类型：随机错码、突发错码。2、过失控制方式〔1〕检错重发：可靠性高，双向信道，实时性差。〔2〕前向纠错：单向信道，实时性好。但编码复杂。〔3〕检错删除：传输效率高，实时性好。但可靠性差。二、信道编码〔1〕—过失控制编码3、循环冗余校验码——检错码在计算机网络中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。冗余码的计算举例现在

k=6,M=101001。设

n=3,生成序列

P=1101被除数是2nM=101001000。模2运算的结果是：商

Q=110101，余数

R=001。

把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去即：S=101001001，共L=9位。110101

←

Q(商)P(除数)→

1101101001000

←

2nM(被除数)

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000