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 本課程的學習要領,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 )：,是指信源所產生的信息的物理表現。 例如：語音、文字、圖形、圖像等。 消息必須轉換成電信號（簡稱信號），才能 在通信系統(tǒng)中傳輸。,消息、信息和信號,2019/7/12,5,消息、信息和信號,信息( Information )：,是指消息中所包含的對受信者有意義的內容 （或有效內容）。 不同形式表現（漢字、符號、圖形等）的同 一消息，載有相同的信息。,信號( Signal )：,是指消息的物理載體，是傳輸消息的手段。 可分為模擬信號和數字信號。,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。 實現消息傳遞所需的一切設備和傳輸媒質的總和稱為通信系統(tǒng)(包括傳輸、交換、終端)。 基于點與點之間的通信系統(tǒng)的一般模型可用圖 1 - 1 來描述。,2019/7/12,8,信源,發(fā)送 設備,信道,接收 設備,信宿,干擾源,前進,通信系統(tǒng)的一般模型,2019/7/12,9,定義 產生消息的來源。 作用 把各種消息轉換成原始電信號。 實例 電話機、攝像機、電傳機、計算 機等。 分類模擬信源、數字信源,返回,信源,2019/7/12,10,照相機（圖形數據）,攝象機（圖像、語音）,電話（語音、數據）,傳真（圖形數據）,計算機機（數據）,信源,返回,2019/7/12,11, 變換成適合在信道中傳輸的信號，使信源和信 道 匹配。 變換方式是多樣的： 調制是最常見的頻譜搬移變換方式。 數字通信系統(tǒng)，發(fā)送設備包括編碼器與調制器。,返回,發(fā)送設備,2019/7/12,12,標準調幅信號頻譜示意圖,返回,2019/7/12,13,信道是指傳輸信號的物理媒質。 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,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)送設備的反變換， 即進行解調、譯碼、解碼等。 任務 是從帶有干擾的接收信號中正確恢復出相應的原始基帶信號；對于多路復用信號，還包括解多路復用，實現正確分路。,返回,接收設備,2019/7/12,21,信宿是傳輸信息的歸宿點， 其作用是將復原的原始信號轉換成相應的消息。,返回,信宿,2019/7/12,22,干擾源是通信系統(tǒng)中各種設備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。 可分為內部干擾和外部干擾，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來傳遞的。離散信源消息是通過數字信號來傳遞的。 傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)稱模擬通信系統(tǒng)；傳輸數字信號的通信系統(tǒng)稱數字通信系統(tǒng)。,2019/7/12,24,連續(xù)信號及其抽樣,2019/7/12,25,離散信號及其連續(xù)載波調制,2019/7/12,26,模擬通信系統(tǒng)模型,信源發(fā)出的是基帶信號，具有頻率很低的頻譜分量， 一般不宜直接傳輸。把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸的信號，并可在接收端進行反變換，是用調制器和解調器實現的。 模擬通信系統(tǒng)模型中的發(fā)送設備和接收設備主要是調制器和解調器。,2019/7/12,27,圖 1- 4 模擬通信系統(tǒng)模型,模擬 信源,調制器,信道,解調器,模擬 信宿,干擾源,模擬通信系統(tǒng)模型,2019/7/12,28,數字通信系統(tǒng)模型,數字通信系統(tǒng)是利用數字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)， 如圖 1 - 5 所示。 數字通信涉及的技術問題很多，主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數字調制/解調、數字復接、 同步以及加密等。,2019/7/12,29,數字信源,信道,噪聲源,數字通信系統(tǒng)模型,數字信源,信道,發(fā)生器 基帶波形,譯碼器,信宿,干擾源,信源編碼,加密,數字調制,信道編碼,數字解調,信道解碼,解密,受信者,信源解碼,特點,2019/7/12,30,1) 信源編碼與譯碼,信源編碼的作用： 減少碼元數目和降低碼元速率，即通常所說的數據壓縮。 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 發(fā)送端對信息碼元加入保護成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”； 接收端按一定規(guī)則進行解碼，從解碼過程中發(fā)現錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實現可靠通信。,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：人為將被傳輸的數字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密； 在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復制品對收到的數字序列進行解密，恢復原來信息，叫解密。,返回,2019/7/12,33,4） 數字調制與解調,數字調制 就是數字基帶信號的頻譜搬移，形成適合在信道中傳輸的頻帶信號。 基本的數字調制方式有振幅鍵控 ASK、頻移鍵控 FSK、絕對相移鍵控 PSK、相對（差分）相移鍵控 DPSK。 采用相干解調或非相干解調還原為數字基帶信號。 數字調制是本課程的重點內容之一。,返回,2019/7/12,34,5） 同步與數字復接,同步是使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調一致。 按功用可分為：載波同步、位同步、群同步和網同步。 數字復接 是依據時分復用把若干個低速數字信號合并成一個高速的數字信號，以擴大傳輸容量和提高傳輸效率。,返回,2019/7/12,35,說明,實際的數字通信系統(tǒng)不一定包括圖中的所有環(huán)節(jié)。 模擬信號經過數字編碼后可以在數字通信系統(tǒng)中傳輸，例如數字電話系統(tǒng)。 數字信號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據，但這時要用調制解調器（Modem）將數字基帶信號進行正弦調制。,返回,2019/7/12,36,數字電話系統(tǒng),調制解調器,返回,2019/7/12,37,數字通信的主要特點,抗干擾能力強。 遠距離傳輸可消除噪聲積累。 采用信道編碼技術可控制差錯。降低誤碼率， 提高傳輸的可靠性。 易于與各種數字終端接口，用現代計算技術對信號進行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網。 易于集成化， 從而使通信設備微型化。 易于加密處理， 且保密強度高。,2019/7/12,38,數字通信的缺點,占據系統(tǒng)頻帶較寬，頻帶利用率不高。 對同步要求高，系統(tǒng)設備比較復雜。 隨著光纖等的采用、 窄帶調制技術和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數字通信的這些缺點已經弱化。數字通信將占主導地位。,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、數據、可視圖文、圖像通信等。 按調制方式分類：詳見表 1 1 按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。 按傳輸媒質分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。 有線通信-導線、架空明線、同軸電纜、光纖、波導 無線通信-短波電離層、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼 按信號復用方式分類：頻分復用、時分復用和碼分復用。,通信系統(tǒng)的分類,2019/7/12,41,通信方式,對于點與點之間的通信，按消息傳遞的方向與時間關系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。 按數字信號排列順序，可分為并行傳輸和串行傳輸。 按通信的網絡形式劃分。由于通信網的基礎是點與點之間的通信，所以本課程的重點放在點與點之間的通信上。,2019/7/12,42,返回,2019/7/12,43,1.4 信息及其度量,信號是消息的載體，而信息是其內涵。 任何信源產生的輸出都是隨機的。對接收者來說，只有消息中不確定的內容才構成信息；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。 假設P(x)是一個消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息，I與P(x)之間的關系反映為如下規(guī)律： ,2019/7/12,45,（1） 信息量是概率的函數， 即 I=fP(x) （2） P(x)越小， I 越大； 反之， I 越小， 且 P(x)1時， I0 P(x)0時， I,2019/7/12,46, （3） 若干個互相獨立事件構成的消息， 所含信息量等于各獨立事件信息量之和，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與消息出現的概率P(x)之間的關系應為 I = loga 1/P(x) = -loga P(x) 信息量的單位與對數底數 a 有關。 a=2時，信息量的單位為比特(bit) 廣泛使用； a=e時，信息量的單位為奈特(nat)； a=10時，信息量單位為十進制，叫哈特萊。,2019/7/12,48,例 11 設二進制離散信源， 以相等的概率發(fā)送數字0或1，則信源每個輸出的信息含量為 I(0) = I(1) = - log2 (1/2) =log22 = 1 (bit) 傳送等概率的二進制波形之一（P=1/2）的信息量為1比特。由此，通常把一個二進制脈沖波形稱為一個比特。 由此可見，比特的定義的含義。,2019/7/12,49,對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個波形的出現是獨立的，即信源是無記憶的，則傳送 M進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，設離散信源是一個由n個符號組成的符號集 每個符號 xi(i=1, 2, 3, , n) 出現的概率為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，每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，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，當信源中每個符號等概獨立出現時，此時信源的熵有最大值。,2019/7/12,52,例 1-2 一離散信源由0，1，2，3四個符號組成，它們出現的概率分別為3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每個符號的出現都是獨立的。試求某消息 2010201302130012032101003210100 23102002010312032100120210 的信息量。,2019/7/12,53,解 此消息中，0出現23次，1出現14次，2出現13次，3出現7次，共有57個符號，故該消息的信息量為,每個符號的算術平均信息量為,2019/7/12,54,若用熵的概念來計算， 由式（1.4-6）得,2019/7/12,55,1.5主要性能指標,通信系統(tǒng)的主要性能指標是有效性和可靠性。 有效性: 指在給定信道內所傳輸的信息內容的多少，或者說是傳輸的“速度”。 可靠性: 指接收信息的準確程度，也就是傳輸的“質量”。,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。 不同調制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調后的信噪比是不同的。 如調頻信號抗干擾能力比調幅好，但調頻信號所需傳輸頻帶卻寬于調幅。,2019/7/12,57,數字通信系統(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 可靠性可用差錯率來衡量。 誤碼率（碼元差錯率） 誤信率（信息差錯率）,2019/7/12,58,碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內傳輸碼元的數目，單位是波特（Baud），記為 B。 例如，若1秒內傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。 數字信號有多進制和二進制之分，但碼元速率與進制數無關，只與傳輸的碼元長度 T 有關:,2019/7/12,59,通常在給出碼元速率時，有必要說明碼元的進制。由于M進制的一個碼元可以用 log2 M個二進制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M 進制的碼元速率 RBM 與二進制的碼元速率 RB2 之間有以下轉換關系： 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。表示單位時間內傳遞的平均信息量或比特數，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系為 Rb=RBH (b/s) H為信源中每符號含平均信息量(熵), 等概傳輸時，最大熵為 log2 M，則 Rb=RB log2 M (b/s),2019/7/12,61