緒論(通信原理)

1、第一章第一章 緒緒 論論 Introduction 內(nèi)容提要內(nèi)容提要: 通信的定義通信的定義 模擬通信與數(shù)字通信的基本概念模擬通信與數(shù)字通信的基本概念 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 通信方式通信方式 信息及其度量信息及其度量 性能指標性能指標 3學時1.1 定定 義義 1. 通信與通信網(wǎng)通信與通信網(wǎng) 通通 信信 概概 念念 ：信息的傳遞過程稱為通信：信息的傳遞過程稱為通信. 以語言以語言.圖像圖像.數(shù)據(jù)為媒體數(shù)據(jù)為媒體,通過通過電電(光光)信號將信息由一方傳輸?shù)搅硪环?。信號將信息由一方傳輸?shù)搅硪环健?通信網(wǎng)概念通信網(wǎng)概念：通信過程通過通信網(wǎng)絡完成，網(wǎng)絡由通信系統(tǒng)：通信過程通過通信網(wǎng)絡完成，網(wǎng)絡

2、由通信系統(tǒng)互連構成?；ミB構成。 Efficiency is highly enhanced via communication network 通信網(wǎng)的構成通信網(wǎng)的構成1）終端設備：電話、電報、監(jiān)視器（攝像頭）、顯示器等）終端設備：電話、電報、監(jiān)視器（攝像頭）、顯示器等2）傳輸設備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等）傳輸設備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等3）交換設備：程控交換、）交換設備：程控交換、ATM交換、光交換等交換、光交換等4）協(xié)議和準則）協(xié)議和準則 2模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號 模擬信號：電信號的參量連續(xù)取值模擬信號：電信號的參量連續(xù)取值 基帶信號基帶信號(一般指未調(diào)制過的信號一般指未

3、調(diào)制過的信號)瞬時值狀態(tài)數(shù)無限，如正弦信號、瞬時值狀態(tài)數(shù)無限，如正弦信號、語音信號、圖像信號等。語音信號、圖像信號等。 已調(diào)信號已調(diào)信號(載波一般為正弦信號載波一般為正弦信號)的參數(shù)的參數(shù)A.F.P狀態(tài)數(shù)無限。狀態(tài)數(shù)無限。PM:FM:AM:正弦: 數(shù)字信號：電信號的參量離散取值數(shù)字信號：電信號的參量離散取值 基帶信號的瞬時值狀態(tài)數(shù)有限?；鶐盘柕乃矔r值狀態(tài)數(shù)有限。 如計算機如計算機.電報機等輸出的信號。電報機等輸出的信號。 已調(diào)信號的參數(shù)已調(diào)信號的參數(shù)A.F.P狀態(tài)數(shù)有限。狀態(tài)數(shù)有限。*注注: 也可稱也可稱ASK 、FSK 、PSK等數(shù)字已調(diào)信號為連續(xù)信號等數(shù)字已調(diào)信號為連續(xù)信號,因為因為他們

4、的瞬時值在某一范圍內(nèi)連續(xù)取值。他們的瞬時值在某一范圍內(nèi)連續(xù)取值。 二進制代碼二進制基帶信號10tttt2ASK2FSK2PSK 3通信系統(tǒng)通信系統(tǒng): 傳遞信息所需的一切技術設備的總和傳遞信息所需的一切技術設備的總和. 信道中傳輸?shù)氖悄M信號時為信道中傳輸?shù)氖悄M信號時為模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)。 信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號時為信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號時為數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)。 本課程的主要任務本課程的主要任務本課程主要介紹信息端到端的傳輸系統(tǒng)，主要討論系本課程主要介紹信息端到端的傳輸系統(tǒng)，主要討論系統(tǒng)的組成和性能指標。統(tǒng)的組成和性能指標。1.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型基本的點對點通信均是把發(fā)送

5、端的消息傳送到接收端?；镜狞c對點通信均是把發(fā)送端的消息傳送到接收端。 信息源發(fā)送設備信道接收設備受信者噪聲源信息源（也稱發(fā)送端）信息源（也稱發(fā)送端）:把各種可能的消息轉(zhuǎn)換成原始電把各種可能的消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。信號。發(fā)送設備發(fā)送設備:對原始信號完成某種變換，是之適合在信道中對原始信號完成某種變換，是之適合在信道中傳輸。傳輸。信道信道:信號傳輸?shù)耐ǖ佬盘杺鬏數(shù)耐ǖ?。接收設備接收設備:從接收的信號中恢復出相應的原始信號。從接收的信號中恢復出相應的原始信號。受信者（也稱信息宿受終端）受信者（也稱信息宿受終端）:將復原的原始信號轉(zhuǎn)換成將復原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應的消息。相應的消息。噪聲源噪聲源:信

6、道中的噪聲以及分散在通信系統(tǒng)其他各處的噪信道中的噪聲以及分散在通信系統(tǒng)其他各處的噪聲的集中表示。聲的集中表示。噪聲源一一模擬通信模擬通信 1、系統(tǒng)構成模擬、系統(tǒng)構成模擬 （1）點）點點單路通信系統(tǒng)點單路通信系統(tǒng)模擬信源調(diào)制器發(fā)濾波器信道收濾波器解調(diào)器信宿n(t)A A點點ni(t)no(t)i)NS(o)NS(B B點點 此系統(tǒng)為單向通信系統(tǒng)即單工通信系統(tǒng)此系統(tǒng)為單向通信系統(tǒng)即單工通信系統(tǒng),當當A、B都有調(diào)制都有調(diào)制解調(diào)器時可實現(xiàn)雙工通信。解調(diào)器時可實現(xiàn)雙工通信。調(diào)調(diào) 制制 器器: 使信號與信道相匹配使信號與信道相匹配, 便于頻分復用等便于頻分復用等發(fā)濾波器發(fā)濾波器: 濾除調(diào)制器輸出的無用信號

7、濾除調(diào)制器輸出的無用信號收濾波器收濾波器: 濾除信號頻帶以外的噪聲濾除信號頻帶以外的噪聲 一般設一般設n(t)為高斯白噪聲為高斯白噪聲,則則ni(t)為窄帶白噪聲為窄帶白噪聲 （2）點）點-點多路通信系統(tǒng)點多路通信系統(tǒng) p124信源n調(diào)制器n帶通n信源1調(diào)制器1帶通1fc1fcn相加器信道帶通n解調(diào)器n收信者n帶通1解調(diào)器1收信者1fc1fcnA點B點復接分接FBffc1fcn保護頻帶信道帶寬信號帶寬:f:F:B對信道進行頻域分割FDMfBFnmax 2、 需要研究的問題需要研究的問題1）基帶信號的特性）基帶信號的特性2）調(diào)制與解調(diào)原理）調(diào)制與解調(diào)原理3）已調(diào)信號的特性）已調(diào)信號的特性4）在有

8、噪聲的情況下系統(tǒng)的性能。）在有噪聲的情況下系統(tǒng)的性能。 3、模擬通信的主要特點、模擬通信的主要特點1） 抗干擾能力差抗干擾能力差2） 不易于保密通信不易于保密通信3） 設備不易于大規(guī)模集成設備不易于大規(guī)模集成4） 不適應飛速發(fā)展的計算機通信的要求不適應飛速發(fā)展的計算機通信的要求5） 簡單、易于實現(xiàn)。簡單、易于實現(xiàn)。二數(shù)字通信二數(shù)字通信 1、 系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型 （1）點）點-點單路通信系統(tǒng)點單路通信系統(tǒng) 信源信源編碼加密信道編碼調(diào)制發(fā)濾波器信道發(fā)同步器n(t)收濾波器解調(diào)信道譯碼解密信源解碼信宿PePe收同步器.信信 源源: 提供待傳遞的語音、圖象或數(shù)字信息。提供待傳遞的語音、圖象或數(shù)字信息。信

9、源編碼信源編碼: 對模擬信號進行對模擬信號進行A/D和壓縮，對數(shù)字信號進行壓縮。和壓縮，對數(shù)字信號進行壓縮。信道編碼信道編碼: 提高通信可靠性，提高通信可靠性，Pe 0 （1.4-1) 2).消息的出現(xiàn)概率越小，它所含的信息量愈大；反之信息消息的出現(xiàn)概率越小，它所含的信息量愈大；反之信息量愈小，且量愈小，且當當P(x)=1時，時，I=0。 3).若干個相互獨立事件構成的消息，所含的信息量等于各若干個相互獨立事件構成的消息，所含的信息量等于各獨立事件信息量的和，即：獨立事件信息量的和，即：Ip(x1)p(x2)p(x3)=Ip(x1)+Ip(x2)+Ip(x3)+ (1.4-2)I與與p(x)間

10、的關系式為：間的關系式為： I= loga1/p(x)=-logap(x) (1.4-3)信息量的單位的確定取決信息量的單位的確定取決 于上式中對數(shù)底于上式中對數(shù)底 a 的確定：的確定： a值單位2比特(bit)e奈特(nit)10哈特萊2、等概率出現(xiàn)的離散消息的信息量的度量、等概率出現(xiàn)的離散消息的信息量的度量 若要傳遞的離散消息是在若要傳遞的離散消息是在M個消息之中獨立的選擇其一，且認個消息之中獨立的選擇其一，且認為每個消息的出現(xiàn)概率是相同的。因次，為了傳遞一個消息，為每個消息的出現(xiàn)概率是相同的。因次，為了傳遞一個消息，只需采用一個只需采用一個M進制的波來傳送。即，傳送進制的波來傳送。即，傳

11、送M個消息之一與傳個消息之一與傳送送M進制波形之一是完全等價的?，F(xiàn)定以傳送兩個等概的二進進制波形之一是完全等價的?，F(xiàn)定以傳送兩個等概的二進制波形之一的信息量為制波形之一的信息量為1，單位為，單位為“比特比特”。由式。由式(1.4-3)知：知： I =log21/(1/2)=log22=1(bit) (1.4-4) 可見對以上事件只要在接收者看來每一傳送波形是獨立等概出可見對以上事件只要在接收者看來每一傳送波形是獨立等概出現(xiàn)的現(xiàn)的,則一個波形所傳遞的信息量為則一個波形所傳遞的信息量為: I =log21/P (bit) (1.4-5) P-每一波形出現(xiàn)的概率每一波形出現(xiàn)的概率因因 P=1/M，上

12、式又可以寫做：，上式又可以寫做： I =log2M (bit) (1.4-6) M-傳送的波形數(shù)傳送的波形數(shù) 例題例題1.13、非等概出現(xiàn)的離散消息的度量、非等概出現(xiàn)的離散消息的度量 設離散信息源是一個由設離散信息源是一個由M個符號組成的集合，稱符號集。個符號組成的集合，稱符號集。其中每個符號其中每個符號xi按一定概率按一定概率P(xi)獨立出現(xiàn)的，設各符號獨立出現(xiàn)的，設各符號出現(xiàn)的概率：出現(xiàn)的概率：x1x2xMP（x1）P（x2） P（xM）且有：（1.4-7)則則x1、x2、xM所包含的信息量分別為所包含的信息量分別為-log2P(x1)、-log2P(x2)、-log2P(xM)。因此，

13、每個符號所含信息量的。因此，每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即統(tǒng)計平均值，即平均信息量平均信息量為為其中稱其中稱H (x)為為信息源的熵信息源的熵，其單位為，其單位為bit/符號符號。顯然，當。顯然，當P(xi)=1/M（等概條件下的概率值）時，式（等概條件下的概率值）時，式(1.4-7)即成為即成為式式(1.4-6)。 可以證明，當每個符號等概率出現(xiàn)時，平均信息可以證明，當每個符號等概率出現(xiàn)時，平均信息量最大。此時最大熵量最大。此時最大熵H=log2M(bit/符號）符號）例題例題1.24、連續(xù)消息的信息量的度量、連續(xù)消息的信息量的度量 連續(xù)消息的信息量可用概率密度來描述?？勺C明，連續(xù)消息的

14、平均信息量（相對熵）為式中 f(x)-連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。 1.5 主要性能指標主要性能指標 性能指標性能指標（質(zhì)量指標）：對整個系統(tǒng)綜合提出和規(guī)定的,用以衡量系統(tǒng)的質(zhì)量優(yōu)劣。 有效性-傳輸一定信息量時所占用的資源. 傳輸信息的速度. 可靠性-接收信息的準確程度. 傳輸信息的質(zhì)量. 1模擬通信 B越小，有效性越好，(S/N)O越大，可靠性越好。 2數(shù)字通信 衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性的主要性能指標是傳輸速率、頻帶利用率?？煽啃灾笜酥饕遣铄e率。傳輸速率傳輸速率（1）碼元傳輸速率（）碼元傳輸速率（RB）簡稱傳碼率，定義為單位時間（每秒）內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單簡稱傳碼率，定義為單位時間（每秒）內(nèi)傳

15、輸碼元的數(shù)目，單位：波特，可計為位：波特，可計為Baud或或B。如果一個碼元的時間長度為如果一個碼元的時間長度為T秒，則碼元速率為秒，則碼元速率為 RB=1/T （B）（2）信息傳輸速率（）信息傳輸速率（Rb)簡稱傳信率，定義為單位時間（每秒）內(nèi)傳遞的信息量（比特簡稱傳信率，定義為單位時間（每秒）內(nèi)傳遞的信息量（比特數(shù)），單位：比特數(shù)），單位：比特/秒，可計為秒，可計為bit/s, 或或b/s, 或或bps。若信源的碼率為若信源的碼率為RB，熵為，熵為H，則該信源的平均信息速率為：，則該信源的平均信息速率為： （bit/s)等概時等概時(合理），則有合理），則有Rb=RBlog2M (bit/

16、s)或或RB=Rb/log2M (B)其中其中M為符號的進制數(shù)。為符號的進制數(shù)。碼元傳輸速率信息傳輸速率定義每秒鐘傳輸碼元的個數(shù)又稱碼元速率或傳碼率每秒鐘傳輸?shù)男畔⒘?，又稱信息速率或傳信率單位波特，常用“B”表示比特/秒，（bit/s或bps）標識符RB2（二進制）RBM（M進制）Rb二進制與M進制轉(zhuǎn)換關系RB2=RBMlog2M(B)等概時等概時兩者間關系Rb=RBMlog2M(bit/s)傳輸速率例 二進制代碼二進制信號 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0四進制代碼四進制信號 1 -1 3 -3 1Ts2Ts2:二進制碼元寬度Ts4Ts4:四進制碼元寬度Ts4=2Ts2 RB4=RB2

17、/2當P(1)=P(0)時，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，可見Rb2=RB2=RB2log22，Rb4=RB42=RB4log24一般：獨立事件一般：獨立事件 X1，X2，XM 構成消息構成消息X，當，當P(Xi)=1/M i=1,2, M 時，每個符號攜帶信息量的平均值時，每個符號攜帶信息量的平均值最大為最大為 H(X)=log2M bit/符號，此時符號，此時 Rb = RBlog2M頻帶利用率頻帶利用率定義為單位頻帶內(nèi)的傳輸速率，定義為單位頻帶內(nèi)的

18、傳輸速率，即即或或可靠性指標可靠性指標衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標是差錯率，常用誤碼率和誤信率是差錯率，常用誤碼率和誤信率表示。表示。誤碼率誤碼率，是指錯誤接收的碼元數(shù)，是指錯誤接收的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例，在傳送總碼元數(shù)中所占的比例，或更確切的表述為，碼元在傳輸或更確切的表述為，碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。系統(tǒng)中被傳錯的概率。誤信率誤信率，又稱誤比特率，是指錯，又稱誤比特率，是指錯誤接收的信息量在傳送總信息量誤接收的信息量在傳送總信息量中所占的比例，或者說，它是碼中所占的比例，或者說，它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率

19、。的概率。 總發(fā)送的碼元數(shù)接受出現(xiàn)差錯的碼元數(shù)誤碼率PeB)Hz/B(BRB)Hzs /bit(BRbb總發(fā)送的比特數(shù)接受出現(xiàn)差錯的比特數(shù)誤信率ebP在二進制中有在二進制中有eB=Peb 基本要求掌握模擬通信和數(shù)字通信的定義，了解它們的基本組成了解通信系統(tǒng)的各種分類方法掌握信息的含義及其度量方法掌握通信系統(tǒng)的主要性能指標難點：碼元傳輸速率和信息傳輸速率之間的關系。 習題: P15 1-4 1-6 1-7 1-10例例1.1已知四進制離散信源（已知四進制離散信源（0，1，2，3），獨立等概發(fā)），獨立等概發(fā)送，求傳送每一波形的信息量。送，求傳送每一波形的信息量。解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為解：由于每一波形出現(xiàn)的概率為p=1/4，故其信息量，故其信息量可見：四進制的每一波形所含的信息量，恰好是二進制可見：四進制的每一波形所含的信息量，恰好是二進制每一波形包含信息量的每一波形包含信息量的2倍。這是由于每一個四進制波倍。這是由于每一個四進制波形需要用形需要用2個二進制波形表示。個二進制波形表示。)bit(24logp1logI22推廣：推廣：M（M=2K）進制的每一波形所含的信息）進制的每一波形所含的信息量，恰好是二進