通信原理第1章18158ppt課件

1 通信原理 2 通信原理 第1章緒論 3 第1章緒論 1 1通信的基本概念通信的目的 傳遞消息中所包含的信息 消息 是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映 例如語(yǔ)音 文字 音樂 數(shù)據(jù) 圖片或活動(dòng)圖像等 信息 是消息中包含的有效內(nèi)容 實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段 非電的 如旌旗 消息樹 烽火臺(tái) 電的 如電報(bào) 電話 廣播 電視 遙控 遙測(cè) 因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等 4 第1章緒論 電信發(fā)明史1837年 莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)1876年 貝爾發(fā)明有線電話1918年 調(diào)幅無(wú)線電廣播 超外差接收機(jī)問世1936年 商業(yè)電視廣播開播 后面講述中 通信 這一術(shù)語(yǔ)是指 電通信 包括光通信 因?yàn)楣庖彩且环N電磁波 在電通信系統(tǒng)中 消息的傳遞是通過電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的 5 第1章緒論 1 2通信系統(tǒng)的組成1 2 1通信系統(tǒng)的一般模型信息源 簡(jiǎn)稱信源 把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào) 如麥克風(fēng) 信源可分為模擬信源和數(shù)字信源 發(fā)送設(shè)備 產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào) 信道 將來自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì) 分為有線信道和無(wú)線信道兩大類 噪聲源 集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲 6 第1章緒論 接收設(shè)備 從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào) 受信者 信宿 把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息 如揚(yáng)聲器等 7 第1章緒論 1 2 2模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào) 代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù) 例如麥克風(fēng)輸出電壓 a 話音信號(hào) b 抽樣信號(hào)圖1 2模擬信號(hào) 8 第1章緒論 數(shù)字信號(hào) 代表消息的信號(hào)參量取值為有限個(gè) 例如電報(bào)信號(hào) 計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào) 通常 按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào) 相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng) a 二進(jìn)制信號(hào) b 2PSK信號(hào)圖1 3數(shù)字信號(hào) 9 第1章緒論 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng) 兩種變換 模擬消息 原始電信號(hào) 基帶信號(hào) 基帶信號(hào) 已調(diào)信號(hào) 帶通信號(hào) 圖1 4模擬通信系統(tǒng)模型 10 第1章緒論 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)信源編碼與譯碼目的 提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換信道編碼與譯碼目的 增強(qiáng)抗干擾能力加密與解密目的 保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的 形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)同步目的 使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致 圖1 5數(shù)字通信系統(tǒng)模型 11 第1章緒論 1 2 3數(shù)字通信的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng) 且噪聲不積累傳輸差錯(cuò)可控便于處理 變換 存儲(chǔ)便于將來自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸易于集成 使通信設(shè)備微型化 重量輕易于加密處理 且保密性好缺點(diǎn) 需要較大的傳輸帶寬對(duì)同步要求高 12 第1章緒論 1 3通信系統(tǒng)分類與通信方式1 3 1通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類 電報(bào)通信系統(tǒng) 電話通信系統(tǒng) 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 圖像通信系統(tǒng) 按調(diào)制方式分類 基帶傳輸系統(tǒng)和帶通 調(diào)制 傳輸系統(tǒng)調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制 詳見書中表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)按傳輸媒介分類 有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)按工作波段分類 長(zhǎng)波通信 中波通信 短波通信 按信號(hào)復(fù)用方式分類 頻分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用 碼分復(fù)用 13 第1章緒論 1 3 2通信方式單工 半雙工和全雙工通信單工通信 消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞桨腚p工通信 通信雙方都能收發(fā)消息 但不能同時(shí)收發(fā)的工作方式全雙工通信 通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式 14 第1章緒論 并行傳輸和串行傳輸并行傳輸 將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸優(yōu)點(diǎn) 節(jié)省傳輸時(shí)間 速度快 不需要字符同步措施缺點(diǎn) 需要n條通信線路 成本高 15 第1章緒論 串行傳輸 將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點(diǎn) 只需一條通信信道 節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用缺點(diǎn) 速度慢 需要外加碼組或字符同步措施其他分類方式 同步通信和異步通信專線通信和網(wǎng)通信 16 第1章緒論 1 4信息及其度量信息 是消息中包含的有效內(nèi)容如何度量離散消息中所含的信息量 度量信息量的原則能度量任何消息 并與消息的種類無(wú)關(guān) 度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)關(guān) 消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān) 例 某客機(jī)墜毀 這條消息比 今天下雨 這條消息包含有更多的信息 上例表明 消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生 信息量就越大 17 第1章緒論 度量信息量的方法事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述 消息出現(xiàn)的概率越小 則消息中包含的信息量就越大 設(shè) P x 消息發(fā)生的概率 I 消息中所含的信息量 則P x 和I之間應(yīng)該有如下關(guān)系 I是P x 的函數(shù) I I P x P x I P x I P x 1時(shí) I 0 P x 0時(shí) I 滿足上述3條件的關(guān)系式如下 信息量的定義 18 第1章緒論 上式中對(duì)數(shù)的底 若a 2 信息量的單位稱為比特 bit 可簡(jiǎn)記為b若a e 信息量的單位稱為奈特 nat 若a 10 信息量的單位稱為哈特萊 Hartley 通常廣泛使用的單位為比特 這時(shí)有 b 例 設(shè)一個(gè)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)輸出的信息含量為在工程應(yīng)用中 習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特 19 第1章緒論 若有M個(gè)等概率波形 P 1 M 且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的 則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為若M是2的整冪次 即M 2k 則有當(dāng)M 4時(shí) 即4進(jìn)制波形 I 2比特 當(dāng)M 8時(shí) 即8進(jìn)制波形 I 3比特 20 第1章緒論 對(duì)于非等概率情況設(shè) 一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號(hào)組成的集合 其中每個(gè)符號(hào)xi i 1 2 3 M 按一定的概率P xi 獨(dú)立出現(xiàn) 即且有則x1 x2 x3 xM所包含的信息量分別為于是 每個(gè)符號(hào)所含平均信息量為由于H x 同熱力學(xué)中的熵形式相似 故稱它為信息源的熵 21 第1章緒論 例1 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201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量 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) 故該消息的信息量每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為 22 第1章緒論 若用熵的概念來計(jì)算 則該消息的信息量以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于 它們平均處理方法不同 前一種按算數(shù)平均的方法 結(jié)果可能存在誤差 這種誤差將隨著消息序列中符號(hào)數(shù)的增加而減小 當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí) 用熵的概念計(jì)算更為方便 23 第1章緒論 連續(xù)消息的信息量關(guān)于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述 可以證明 連續(xù)消息的平均信息量為式中 f x 連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度 24 第1章緒論 1 5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 有效性和可靠性有效性 指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源 頻帶寬度和時(shí)間間隔 或者說是傳輸?shù)?速度 問題 可靠性 指接收信息的準(zhǔn)確程度 也就是傳輸?shù)?質(zhì)量 問題 模擬通信系統(tǒng) 有效性 可用有效傳輸頻帶來度量 可靠性 可用接收端最終輸出信噪比來度量 25 第1章緒論 數(shù)字通信系統(tǒng)有效性 用傳輸速率和頻帶利用率來衡量 碼元傳輸速率RB 定義為單位時(shí)間 每秒 傳送碼元的數(shù)目 單位為波特 Baud 簡(jiǎn)記為B 式中T 碼元的持續(xù)時(shí)間 秒 信息傳輸速率Rb 定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù) 單位為比特 秒 簡(jiǎn)記為b s 或bps 26 第1章