電子信息技術(shù)導(dǎo)論-通信部分

電子信息技術(shù)導(dǎo)論

——通信技術(shù)概論

第一局部通信技術(shù)概述

第二局部數(shù)字通信系統(tǒng)介紹通信類課程專業(yè)方向與課程設(shè)置:專業(yè)方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)類課程專業(yè)方向性課程通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)電路、模電、數(shù)電、通信電子線路、微機(jī)原理與接口技術(shù)、C/C++、單片機(jī)等。DSP原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)。通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)信息論與編碼、通信原理、電磁場(chǎng)理論等。數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、微波技術(shù)與天線、光纖通信、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)安全等。信號(hào)與信息處理信息論與編碼、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等。語音信號(hào)處理、圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)等。通信類應(yīng)用軟件開發(fā)C/C++、Java語言等。高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、Web技術(shù)與應(yīng)用等。一、根本概念第一局部：通信技術(shù)概述2、信息：未知的消息。1、通信：信息傳輸?shù)倪^程稱為通信信息的根本概念在于它的不確定性,任何已確定的事物都不含信息。接收者在收到信息之前，對(duì)它的內(nèi)容是不知道的，所以，信息是新知識(shí)、新內(nèi)容；信息是能使認(rèn)識(shí)主體對(duì)某一事物的未知性或不確定性減少的有用知識(shí).信息的特點(diǎn)：信息是可以度量的，信息量大小與概率有關(guān)。信息可以被處理、存儲(chǔ)和傳輸。信息傳輸必須有載體〔媒體〕。3、信號(hào)：傳輸信息的載體，通常為電量或光量。信號(hào)的兩個(gè)作用？舉例：計(jì)算機(jī)通信、電視系統(tǒng)。信道復(fù)用特性:多用戶共用信道。二、信息度量1、信息傳輸模型模型(1)、符號(hào)的自信息量(2)、條件自信息量I(xi/yj):符號(hào)在傳輸過程中損失的信息量。2、離散信源的信息度量〔3〕互信息量傳輸?shù)男畔⒘坷涸O(shè)天氣預(yù)報(bào)有兩種消息，晴天和雨天，出現(xiàn)的概率分別為1/4和3/4，我們分別用來表示晴天，以來表示雨天，那么我們的信源模型如下：居住某地區(qū)的女孩中有25%是大學(xué)生，在女大學(xué)生中有75%身高為1.6m以上，而女孩中身高1.6m以上的占總數(shù)一半。假設(shè)得知“身高1.6m以上的某女孩是大學(xué)生的消息，問獲得多少信息量。定義：自信息量的數(shù)學(xué)期望為信源的平均信息量，稱為熵表示信源平均每個(gè)符號(hào)所攜帶的信息量。3、信息熵例：天氣預(yù)報(bào)，有兩個(gè)信源

說明第二個(gè)信源各符號(hào)的平均信息量更大一些例：一離散信源由0，1，2，3四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求〔1〕各符號(hào)的信息量〔2〕求該信源的熵〔3〕某消息的信息量可見：〔1〕兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念來計(jì)算比較方便。而且隨著消息序列長(zhǎng)度的增加，兩種計(jì)算誤差將趨于零?！?〕信源在各符號(hào)等概率時(shí)熵最大?！?bit/sign)Hmax(X)=logn例：電視屏上約有

500×600=3×105個(gè)格點(diǎn)，按每點(diǎn)有

10個(gè)不同的灰度等級(jí)考慮。按等概率計(jì)算，平均每個(gè)畫面可提供的信息量為

I=3×105×

3.32比特/畫面

=9.96×105

比特/畫面

有一篇千字文章，假定每字可從萬字表中任選仍按等概率計(jì)算，平均每篇千字文可提供的信息量為H〔X〕＝4×3．32比特／字一篇文章的總信息量為I=1000H(X)=13280bit連續(xù)信源熵信源的分布主要有三種形式：均勻分布——Hc(X)=log(b-a)正態(tài)分布——Hc(X)=0.5log2πeσ2指數(shù)分布——Hc(X)=logme三、通信系統(tǒng)的根本組成1、擴(kuò)音系統(tǒng)——模擬基帶系統(tǒng)2、播送電視系統(tǒng)——模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制：將信號(hào)裝載在高頻正弦波上〔載波〕。調(diào)制的作用〔1〕實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用〔2〕改善傳輸特性。3、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)通信——數(shù)字基帶系統(tǒng)信源編碼：將各種信息轉(zhuǎn)化為1、0二進(jìn)制數(shù)據(jù)。(數(shù)字編碼)離散信源編碼〔ASCALL碼〕；連續(xù)信源編碼〔PCM〕。信道編碼——過失控制編碼。線路編碼:將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適宜的方波進(jìn)行傳輸。4、數(shù)字調(diào)頻播送——數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)線路編碼:將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適宜的高頻正弦波傳輸-數(shù)字調(diào)制。典型通信網(wǎng)絡(luò):三大通信網(wǎng)絡(luò)〔三網(wǎng)合一？〕—————電信網(wǎng)絡(luò)〔1〕：固定網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò)—————電信網(wǎng)絡(luò)〔2〕移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò):—————播送電視網(wǎng)絡(luò)典型通信網(wǎng)絡(luò):—————計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：WSN車輛自組織網(wǎng)絡(luò)：四、通信系統(tǒng)分類1．按信道復(fù)用方式分類

傳輸多路信號(hào)有三種復(fù)用方式：即頻分多址FDMA、時(shí)分多址TDMA和碼分多址CDMA。有線電視同軸電纜帶寬為500MHz，電視信號(hào)帶寬為6MHz，可容納83套電視節(jié)目?？紤]防護(hù)帶，實(shí)際容納60套節(jié)目。調(diào)制的作用：改善信號(hào)傳輸性能；實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。PCM32系統(tǒng)：一幀有32個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙8μs，傳送8bit的二進(jìn)制數(shù)。幀長(zhǎng)256bit，幀周期256μs。用戶碼必須具有正交性。A〔-1-1-1+1+1-1+1+1〕B〔-1-1+1-1+1+1+1-1〕2、按消息傳遞的方向分類：?jiǎn)喂?、半雙工、全雙工。3、串行通信與并行通信：4、基帶通信與調(diào)制通信：5、模擬通信與數(shù)字通信：五、通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性指標(biāo)：是指在傳輸?shù)摹八俣权晢栴}；可靠性指標(biāo)：是指接收信息的準(zhǔn)確程度，即傳輸?shù)摹百|(zhì)量〞。這兩個(gè)指標(biāo)相互矛盾?！惨弧场⒂行灾笜?biāo)模擬系統(tǒng)：帶寬。數(shù)字系統(tǒng)：碼元傳輸速率〔數(shù)據(jù)傳輸速率〕碼元傳輸速率RB。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特〔Baud〕，記為B。數(shù)據(jù)傳輸速率Rb。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s?！捕场⒖煽啃灾笜?biāo)模擬系統(tǒng)：信噪比。數(shù)字系統(tǒng)：誤碼率〔誤信率〕。誤碼率〔碼元過失率〕Pe是指發(fā)生過失的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即誤信率〔信息過失率〕Pb是指發(fā)生過失的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例，即例題：數(shù)據(jù)10100001共用10μs，設(shè)1、0等概率出現(xiàn)?！?〕采用二進(jìn)制碼元傳輸，求傳碼率和傳信率?！?〕假設(shè)在2s內(nèi)平均有4個(gè)碼元錯(cuò)誤，求誤碼率和誤信率。

第二局部數(shù)字通信系統(tǒng)介紹信源編碼：將信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)“1〞、“0〞。加密編碼：通過加密算法提高信息傳輸?shù)钠桨残裕瑢?shí)現(xiàn)保密通信。信道編碼：〔1〕過失控制編碼：提高信息傳輸?shù)目煽啃浴z錯(cuò)碼、糾錯(cuò)碼?！?〕線路編碼：將“1〞、“0〞轉(zhuǎn)變?yōu)檫m宜的信號(hào)，以便在信道中傳輸?；鶐Ь幋a、調(diào)制編碼。一信源編碼

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，將信源的各種符號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?，0

〔1〕定長(zhǎng)碼和變長(zhǎng)碼：1、分類信源符號(hào)ai符號(hào)出現(xiàn)概率p(ai)碼1碼2碼3碼4a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001信源符號(hào)ai符號(hào)出現(xiàn)概率p(ai)碼1碼2碼3碼4a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001性質(zhì)1：即時(shí)碼在碼樹圖上為非延長(zhǎng)碼。a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001性質(zhì)2：唯一可譯碼存在的條件a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001〔1〕定長(zhǎng)碼K=2存在唯一可譯碼；

〔2〕K1=1，K2=K3=K4=2：不存在唯一可譯碼；

〔3〕K1=1，K2=2，K3=K4=3：存在唯一可譯碼；

(4)K1=1，K2=2，K3=3，K4=4：存在唯一可譯碼；

2、編碼器性能指標(biāo)a11/20011a21/411101001a31/80000100001a41/8110110000001例：將下表所列的某六進(jìn)制信源進(jìn)行二進(jìn)制編碼。試問〔1〕這些碼中哪些是唯一可譯碼？

〔2〕哪些碼是非延長(zhǎng)碼〔即時(shí)碼〕？

〔3〕對(duì)所有即時(shí)碼求出其平均碼長(zhǎng)和編碼效率。

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

〔2〕非延長(zhǎng)碼〔即時(shí)碼):C1,C3,C6

〔3〕即時(shí)碼求出其平均碼長(zhǎng)和編碼效率:

H(X)=2bit/symbol.

k1=3,編碼效率:0.67

k2=k3=1.89,編碼效率0.94

k6=2.5,編碼效率0.8C1C2C3C4C5C6a11/2000000101a21/4001011010000001a31/160100111101101001100a41/16011011111101100010101a51/1610001111111101001110110a61/1610101111111111011111101113、經(jīng)典信源編碼變長(zhǎng)碼主要編碼方法有：香農(nóng)〔Shannon〕費(fèi)諾〔Fano〕哈夫曼〔Huffman〕1、香農(nóng)〔Shannon〕編碼〔1〕將信源消息符號(hào)按其出現(xiàn)的概率大小依次排列?！?〕確定滿足以下不等式的整數(shù)碼長(zhǎng)Ki?！?〕計(jì)算第i個(gè)消息的累加概率?！?〕將累加概率Pi變換成二進(jìn)制數(shù)，取Pi二進(jìn)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)后Ki位做為二進(jìn)制碼字。信源消息符號(hào)ai符號(hào)概率(ai)累加概率Pi-logp(ai)碼字長(zhǎng)度Ki碼字a10.2002.323000a20.190.22.393001a30.180.392.473011a40.170.572.563100a50.150.742.743101a60.100.893.3241110a70.010.996.64711111102、費(fèi)諾編碼方法(1)將信源消息符號(hào)按概率大小依次排列。(2)將依次排列的信源符號(hào)按概率值分為兩大組，使兩個(gè)組的概率之和近于相同，并對(duì)各組賦予一個(gè)二進(jìn)制碼元“0〞和“1〞。(3)將每一大組的信源符號(hào)進(jìn)一步再分成兩組，使劃分后的兩個(gè)組的概率之和近于相同，并又賦予兩個(gè)組一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)“0〞和“1〞。(4)如此重復(fù)，直至每個(gè)組只剩下一個(gè)信源符號(hào)為止。(5)信源符號(hào)所對(duì)應(yīng)的碼字即為費(fèi)諾碼。消息符號(hào)ai各個(gè)消息概率p(ai)第一次分組第二次分組第三次分組第四次分組二元碼字碼長(zhǎng)Kia10.2000002a20.19100103a30.1810113a40.1710102a50.15101103a60.101011104a70.01111114

3、哈夫曼編碼方法(1)將信源消息符號(hào)按其出現(xiàn)的概率大小依次排列，(2)取兩個(gè)概率最小的字母分別配以0和1兩個(gè)碼元，并將這兩個(gè)概率相加作為一個(gè)新字母的概率，與未分配的二進(jìn)符號(hào)的字母重新排隊(duì)。(3)對(duì)重排后的兩個(gè)概率最小符號(hào)重復(fù)步驟(2)的過程。(4)不斷繼續(xù)上述過程，直到最后兩個(gè)符號(hào)配以0和1為止。(5)從最后一級(jí)開始，向前返回得到各個(gè)信源符號(hào)所對(duì)應(yīng)的碼字。哈夫曼編碼方法得到的碼并非唯一的〔1〕每次對(duì)信源縮減時(shí)，賦予信源最后兩個(gè)概率最小的符號(hào)，用0和1是可以任意的，所以可以得到不同的哈夫曼碼，但不會(huì)影響碼字的長(zhǎng)度。〔2〕對(duì)信源進(jìn)行縮減時(shí)，兩個(gè)概率最小的符號(hào)合并后的概率與其它信源符號(hào)的概率相同時(shí)，這兩者在縮減信源中進(jìn)行概率排序，其位置放置次序是可以任意的，故會(huì)得到不同的哈夫曼碼。此時(shí)將影響碼字的長(zhǎng)度，一般將合并的概率放在上面，這樣可獲得較小的碼方差。例設(shè)有離散無記憶信源信源符號(hào)ai概率p(ai)碼字Wi1碼長(zhǎng)Ki1碼字Wi2碼長(zhǎng)Ki2a10.411002a20.2012012a30.20003112a40.1001041003a50.1001141013信源符號(hào)ai概率p(ai)碼字Wi1碼長(zhǎng)Ki1碼字Wi2碼長(zhǎng)Ki2a10.411002a20.2012012a30.20003112a40.1001041003a50.1001141013信源符號(hào)ai概率p(ai)碼字Wi1碼長(zhǎng)Ki1碼字Wi2碼長(zhǎng)Ki2a10.411002a20.2012012a30.20003112a40.1001041003a50.1001141013例：假設(shè)消息符號(hào)的概率分布為：p(u0)=1/2,p(u1)=1/4,p(u2)=1/8,p(u3)=1/8。求：香農(nóng)編碼、費(fèi)諾編碼和哈夫曼編碼。平均碼長(zhǎng)？編碼效率？1、錯(cuò)碼類型：隨機(jī)錯(cuò)碼、突發(fā)錯(cuò)碼。2、過失控制方式〔1〕檢錯(cuò)重發(fā)：可靠性高，雙向信道，實(shí)時(shí)性差?！?〕前向糾錯(cuò)：?jiǎn)蜗蛐诺?，?shí)時(shí)性好。但編碼復(fù)雜?！?〕檢錯(cuò)刪除：傳輸效率高，實(shí)時(shí)性好。但可靠性差。二、信道編碼〔1〕—過失控制編碼3、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼——檢錯(cuò)碼在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC的檢錯(cuò)技術(shù)。冗余碼的計(jì)算舉例現(xiàn)在

k=6,M=101001。設(shè)

n=3,生成序列

P=1101被除數(shù)是2nM=101001000。模2運(yùn)算的結(jié)果是：商

Q=110101，余數(shù)

R=001。

把余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去即：S=101001001，共L=9位。110101

←

Q(商)P(除數(shù))→

1101101001000

←

2nM(被除數(shù))

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000