通信原理新講稿第1章--緒論.ppt

2019/7/12,1,通信原理,Communication System Principles,2019/7/12,2,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.3 通信系統(tǒng)分類 1.4 信息及其度量 1.5 主要性能指標(biāo) 本課程的學(xué)習(xí)要領(lǐng),第 1 章 緒 論,2019/7/12,3,1.1 通信的基本概念,2019/7/12,4,通信的目的：,傳遞消息中包含的信息。 本課程主要研究傳輸。,消息( Message )：,是指信源所產(chǎn)生的信息的物理表現(xiàn)。 例如：語音、文字、圖形、圖像等。 消息必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（簡稱信號(hào)），才能 在通信系統(tǒng)中傳輸。,消息、信息和信號(hào),2019/7/12,5,消息、信息和信號(hào),信息( Information )：,是指消息中所包含的對(duì)受信者有意義的內(nèi)容 （或有效內(nèi)容）。 不同形式表現(xiàn)（漢字、符號(hào)、圖形等）的同 一消息，載有相同的信息。,信號(hào)( Signal )：,是指消息的物理載體，是傳輸消息的手段。 可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。,2019/7/12,6,1.2 通信系統(tǒng)的組成模型,2019/7/12,7,通信系統(tǒng)的一般模型,通信的目的是傳輸消息。 實(shí)現(xiàn)消息傳遞所需的一切設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)(包括傳輸、交換、終端)。 基于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信系統(tǒng)的一般模型可用圖 1 - 1 來描述。,2019/7/12,8,信源,發(fā)送 設(shè)備,信道,接收 設(shè)備,信宿,干擾源,前進(jìn),通信系統(tǒng)的一般模型,2019/7/12,9,定義 產(chǎn)生消息的來源。 作用 把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。 實(shí)例 電話機(jī)、攝像機(jī)、電傳機(jī)、計(jì)算 機(jī)等。 分類模擬信源、數(shù)字信源,返回,信源,2019/7/12,10,照相機(jī)（圖形數(shù)據(jù)）,攝象機(jī)（圖像、語音）,電話（語音、數(shù)據(jù)）,傳真（圖形數(shù)據(jù)）,計(jì)算機(jī)機(jī)（數(shù)據(jù)）,信源,返回,2019/7/12,11, 變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，使信源和信 道 匹配。 變換方式是多樣的： 調(diào)制是最常見的頻譜搬移變換方式。 數(shù)字通信系統(tǒng)，發(fā)送設(shè)備包括編碼器與調(diào)制器。,返回,發(fā)送設(shè)備,2019/7/12,12,標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)頻譜示意圖,返回,2019/7/12,13,信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。 無線信道中，信道可以是大氣（自由空間） 有線信道中，信道可以是明線、 電纜或光纖。 第3章討論信道,信道,返回,2019/7/12,14,無線信道,蜂窩網(wǎng),2019/7/12,15,無線信道,通信系統(tǒng)多層次覆蓋,返回,2019/7/12,16,有線信道,明線,2019/7/12,17,有線信道,對(duì)稱電纜：雙絞線,2019/7/12,18,有線信道,同軸電纜,基站用射頻同軸電纜 (50同軸電纜),射頻同軸電纜,2019/7/12,19,有線信道,光纖,返回,2019/7/12,20,功能 是完成發(fā)送設(shè)備的反變換， 即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。 任務(wù) 是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)；對(duì)于多路復(fù)用信號(hào)，還包括解多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。,返回,接收設(shè)備,2019/7/12,21,信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)， 其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。,返回,信宿,2019/7/12,22,干擾源是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。 可分為內(nèi)部干擾和外部干擾，而且外部干擾往往是從信道引入的，因此，為了分析方便，把干擾源視為各處干擾的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。 ,返回,干擾源,2019/7/12,23,模擬通信模型和數(shù)字通信模型,信源分為兩大類： 連續(xù)信源；離散信源。 連續(xù)信源消息是通過模擬信號(hào)來傳遞的。離散信源消息是通過數(shù)字信號(hào)來傳遞的。 傳輸模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)稱模擬通信系統(tǒng)；傳輸數(shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)稱數(shù)字通信系統(tǒng)。,2019/7/12,24,連續(xù)信號(hào)及其抽樣,2019/7/12,25,離散信號(hào)及其連續(xù)載波調(diào)制,2019/7/12,26,模擬通信系統(tǒng)模型,信源發(fā)出的是基帶信號(hào)，具有頻率很低的頻譜分量， 一般不宜直接傳輸。把基帶信號(hào)變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，并可在接收端進(jìn)行反變換，是用調(diào)制器和解調(diào)器實(shí)現(xiàn)的。 模擬通信系統(tǒng)模型中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備主要是調(diào)制器和解調(diào)器。,2019/7/12,27,圖 1- 4 模擬通信系統(tǒng)模型,模擬 信源,調(diào)制器,信道,解調(diào)器,模擬 信宿,干擾源,模擬通信系統(tǒng)模型,2019/7/12,28,數(shù)字通信系統(tǒng)模型,數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)， 如圖 1 - 5 所示。 數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多，主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、 同步以及加密等。,2019/7/12,29,數(shù)字信源,信道,噪聲源,數(shù)字通信系統(tǒng)模型,數(shù)字信源,信道,發(fā)生器 基帶波形,譯碼器,信宿,干擾源,信源編碼,加密,數(shù)字調(diào)制,信道編碼,數(shù)字解調(diào),信道解碼,解密,受信者,信源解碼,特點(diǎn),2019/7/12,30,1) 信源編碼與譯碼,信源編碼的作用： 減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮。 碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。,返回,2019/7/12,31,2） 信道編碼與譯碼,減少差錯(cuò) 發(fā)送端對(duì)信息碼元加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”； 接收端按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。,目的：,方法：,返回,2019/7/12,32,3） 加密與解密,目的：保證所傳信息的安全。 方法：人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密； 在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對(duì)收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來信息，叫解密。,返回,2019/7/12,33,4） 數(shù)字調(diào)制與解調(diào),數(shù)字調(diào)制 就是數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號(hào)。 基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控 ASK、頻移鍵控 FSK、絕對(duì)相移鍵控 PSK、相對(duì)（差分）相移鍵控 DPSK。 采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號(hào)。 數(shù)字調(diào)制是本課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。,返回,2019/7/12,34,5） 同步與數(shù)字復(fù)接,同步是使收、發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致。 按功用可分為：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。 數(shù)字復(fù)接 是依據(jù)時(shí)分復(fù)用把若干個(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號(hào)，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。,返回,2019/7/12,35,說明,實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)不一定包括圖中的所有環(huán)節(jié)。 模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，例如數(shù)字電話系統(tǒng)。 數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，如通過模擬電話線路傳輸數(shù)據(jù)，但這時(shí)要用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行正弦調(diào)制。,返回,2019/7/12,36,數(shù)字電話系統(tǒng),調(diào)制解調(diào)器,返回,2019/7/12,37,數(shù)字通信的主要特點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng)。 遠(yuǎn)距離傳輸可消除噪聲積累。 采用信道編碼技術(shù)可控制差錯(cuò)。降低誤碼率， 提高傳輸?shù)目煽啃浴?易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，從而形成智能網(wǎng)。 易于集成化， 從而使通信設(shè)備微型化。 易于加密處理， 且保密強(qiáng)度高。,2019/7/12,38,數(shù)字通信的缺點(diǎn),占據(jù)系統(tǒng)頻帶較寬，頻帶利用率不高。 對(duì)同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。 隨著光纖等的采用、 窄帶調(diào)制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字通信的這些缺點(diǎn)已經(jīng)弱化。數(shù)字通信將占主導(dǎo)地位。,2019/7/12,39,1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式,2019/7/12,40,按消息的物理特征：話音、數(shù)據(jù)、可視圖文、圖像通信等。 按調(diào)制方式分類：詳見表 1 1 按信號(hào)特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 按傳輸媒質(zhì)分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。 有線通信-導(dǎo)線、架空明線、同軸電纜、光纖、波導(dǎo) 無線通信-短波電離層、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼 按信號(hào)復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。,通信系統(tǒng)的分類,2019/7/12,41,通信方式,對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。 按數(shù)字信號(hào)排列順序，可分為并行傳輸和串行傳輸。 按通信的網(wǎng)絡(luò)形式劃分。由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上。,2019/7/12,42,返回,2019/7/12,43,1.4 信息及其度量,信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。 任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的。對(duì)接收者來說，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息；否則，信源輸出已確切知曉，就沒有必要再傳輸它了。 信息量就是對(duì)消息中不確定性的度量。,2019/7/12,44,事件的不確定性可用事件出現(xiàn)概率描述。 因此，消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。 假設(shè)P(x)是一個(gè)消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息，I與P(x)之間的關(guān)系反映為如下規(guī)律： ,2019/7/12,45,（1） 信息量是概率的函數(shù)， 即 I=fP(x) （2） P(x)越小， I 越大； 反之， I 越小， 且 P(x)1時(shí)， I0 P(x)0時(shí)， I,2019/7/12,46, （3） 若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息， 所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)= IP(x1)+ IP(x2)+ ,2019/7/12,47,綜上所述， 信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系應(yīng)為 I = loga 1/P(x) = -loga P(x) 信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù) a 有關(guān)。 a=2時(shí)，信息量的單位為比特(bit) 廣泛使用； a=e時(shí)，信息量的單位為奈特(nat)； a=10時(shí)，信息量單位為十進(jìn)制，叫哈特萊。,2019/7/12,48,例 11 設(shè)二進(jìn)制離散信源， 以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個(gè)輸出的信息含量為 I(0) = I(1) = - log2 (1/2) =log22 = 1 (bit) 傳送等概率的二進(jìn)制波形之一（P=1/2）的信息量為1比特。由此，通常把一個(gè)二進(jìn)制脈沖波形稱為一個(gè)比特。 由此可見，比特的定義的含義。,2019/7/12,49,對(duì)于離散信源，M個(gè)波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無記憶的，則傳送 M進(jìn)制波形之一的信息量為 I = -log2(1/M ) = log2 M (bit),2019/7/12,50,如果是非等概情況，設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集 每個(gè)符號(hào) xi(i=1, 2, 3, , n) 出現(xiàn)的概率為P(xi)， 且有 , 則x1, x2, , xn 所包含的信息量分別為-log2P(x1), -log2P(x2)， ，-log2P(xn)。于是，每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，即平均信息量為,2019/7/12,51,H(x)=P(x1)log2 P(x1) +P(x2)log2 P(x2)+P(xn)log2 P(xn) =,顯然，當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，此時(shí)信源的熵有最大值。,2019/7/12,52,例 1-2 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。試求某消息 2010201302130012032101003210100 23102002010312032100120210 的信息量。,2019/7/12,53,解 此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號(hào)，故該消息的信息量為,每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為,2019/7/12,54,若用熵的概念來計(jì)算， 由式（1.4-6）得,2019/7/12,55,1.5主要性能指標(biāo),通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是有效性和可靠性。 有效性: 指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取薄?可靠性: 指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”。,2019/7/12,56,模擬通信系統(tǒng)的有效性和可靠性,有效性可用有效傳輸頻帶來度量。 可靠性用接收端最終輸出信噪比來度量。 不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。 如調(diào)頻信號(hào)抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號(hào)所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。,2019/7/12,57,數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性和可靠性,有效性可用傳輸速率來衡量。 碼元傳輸速率 信息碼元傳輸速率 可靠性可用差錯(cuò)率來衡量。 誤碼率（碼元差錯(cuò)率） 誤信率（信息差錯(cuò)率）,2019/7/12,58,碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號(hào)速率等。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。 例如，若1秒內(nèi)傳2400個(gè)碼元，則傳碼率為2400B。 數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度 T 有關(guān):,2019/7/12,59,通常在給出碼元速率時(shí)，有必要說明碼元的進(jìn)制。由于M進(jìn)制的一個(gè)碼元可以用 log2 M個(gè)二進(jìn)制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M 進(jìn)制的碼元速率 RBM 與二進(jìn)制的碼元速率 RB2 之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系： RB2=RBMlog2 M (B),2019/7/12,60,信息傳輸速率Rb 簡稱傳信率，又稱比特率。表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位比特/秒，可記為bit/s 或 b/s 或 bps。碼元速率和信息速率關(guān)系為 Rb=RBH (b/s) H為信源中每符號(hào)含平均信息量(熵), 等概傳輸時(shí)，最大熵為 log2 M，則 Rb=RB log2 M (b/s),2019/7/12,61