簡明通信原理 第1章C

1、簡明通信原理簡明通信原理 主講：許毅主講：許毅 簡明通信原理簡明通信原理 第第1章章 緒論緒論 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 基本概念基本概念（定義/組成/分類/特點(diǎn)/通信方式) 信息度量信息度量 （Ii、H、I總 ） 性能指標(biāo)性能指標(biāo)（有效性和可靠性） 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.1 通信的基本概念通信的基本概念 u1.1.1 通信與電信通信與電信 l通信通信（communication）的基本任務(wù)是傳遞消息中所包含的信息。按照信息傳 遞的手段與技術(shù)的不同，通信的發(fā)展經(jīng)歷了以下5個階段： l電信電信（telecommunication）是利用電信號傳遞消息的通信方式。如電話、廣播 電視等。 特點(diǎn): 迅速、準(zhǔn)確

2、、可靠，且不受空間與時間、地點(diǎn)與距離的限制。 u1.1.2 消息、信息與信號消息、信息與信號 在學(xué)習(xí)通信的過程中，首先遇到的是“ 消息、信息和信號 ”這幾 個名詞或術(shù)語。 l消息（消息（message）是通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶ο蟆Ｋ鼇碜杂谛旁辞矣卸喾N形 式。 消息可以分為兩大類： v連續(xù)消息（如連續(xù)變化的語音、音樂和活動圖片） v離散消息（如狀態(tài)可數(shù)的文字、符號或數(shù)據(jù)） l信息（信息（information）是消息中有意義的內(nèi)容。 l信號（信號（signal）是消息的電表示形式。在電信系統(tǒng)中，為了將各種消 息（如一幅圖片）通過線路傳輸，必須首先將消息轉(zhuǎn)變成電信號（如 電壓、電流、電磁波等）。 相應(yīng)消

3、息，信號也分為兩大類：如表1-1和圖1-2所示。 表1-1信號類型與特征 圖1-2 模擬信號和數(shù)字信號示例 模 擬 信 號數(shù) 字 信 號 特征：信號的取值是連續(xù)的 例如：電話機(jī)送出的語音信號，攝像機(jī) 輸出的圖像信號等 特征：信號的取值是離散的 例如：電報機(jī)、計(jì)算機(jī)輸出的信號 l消息與電信號之間的轉(zhuǎn)換，通常由傳感器來實(shí)現(xiàn)。例如： v 話筒（聲音傳感器）把聲音轉(zhuǎn)變成音頻信號； v 攝像機(jī)把圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號； v 熱敏電阻（溫度傳感器）把溫度轉(zhuǎn)變成電信號。 l消息、信息和信號的關(guān)系： v消息是信息的外在形式；消息是信息的外在形式； v信息是消息的內(nèi)涵；信息是消息的內(nèi)涵； v信號是消息（或信息）的傳

4、輸載體。信號是消息（或信息）的傳輸載體。 l通信（即電信）就是利用電信號將消息中所包含的信息從 信源傳遞到目的地（信宿）。 1.2 通信系統(tǒng)的模型通信系統(tǒng)的模型 u1.2.1 基本模型基本模型 l通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)（communication system）是指完成通信這一過程所需的全部電子設(shè) 備和信道的總體。 圖1-3 通信系統(tǒng)的基本模型 v信源（信源（information source）是消息（或信息）的發(fā)源地，它的作用是把消息 （非電量）轉(zhuǎn)換成電信號（稱為消息信號）。例如，電話機(jī)的話筒話筒把說話的 聲音轉(zhuǎn)換成話音信號。 v發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的作用是對信源輸出的消息信號進(jìn)行處理和變換， 以適

5、合于在信道中傳輸。通常包括放大、濾波、編碼編碼、調(diào)調(diào) 制制、多路復(fù)用等過程。 v信道信道（channel）是指傳輸信號的各種物理介質(zhì)，如電纜 和光纖（有線信道）、空間或大氣（無線信道）。 v噪聲源是信道中的噪聲以及通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中 表示。 v接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反。如譯碼、解調(diào)。譯碼、解調(diào)。 v信宿是消息（或信息）的目的地，其功能與信源相反。例 如，電話機(jī)的聽筒聽筒將語音信號還原成聲音。 u1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 l兩對重要變換： v“連續(xù)消息連續(xù)消息原始電信號原始電信號”，相應(yīng)器件是信源和信宿。 v“基帶信號基帶信號已調(diào)信號已調(diào)信號”，相應(yīng)器件是調(diào)制器和

6、解調(diào)器。 連續(xù)消息原始電信 號 電信號連續(xù)消息 基帶信號已調(diào)信號已調(diào)信號基帶信號 u1.2.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 v信源編碼信源編碼（source coding）：一是進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換；二是去除冗 余信息，提高傳輸?shù)挠行?。解碼（譯碼）是編碼的逆過程。 v信道編碼信道編碼：進(jìn)行差錯控制，提高傳輸?shù)目煽啃浴＃ㄔ斠姷?章） v數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的本質(zhì)及原理相似，都是把基帶信號加載到高頻載 波上。解調(diào)是調(diào)制的逆過程。（詳見第7章） l綜上所述，在完成通信的過程中，將涉及以下主要通信技術(shù)： “編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)” l本書的重點(diǎn)就是介紹這些技術(shù)的

7、原理、性能和應(yīng)用。 u1.2.4 數(shù)字通信的優(yōu)缺點(diǎn)數(shù)字通信的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： v抗干擾能力強(qiáng)，可消除噪聲的積累（利用中繼手段）。 v便于差錯控制，改善通信質(zhì)量。 v支持復(fù)雜的信號處理技術(shù)，便于信號處理、存儲和交換。 v可將不同類型的信息（如語音、數(shù)據(jù)、視頻圖像等）綜合到一個 信道中進(jìn)行多路傳輸。 v易于集成，從而使通信設(shè)備的體積小、重量輕、功耗小和成本低。 v便于加密，且保密性好。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： v比模擬通信占用更寬的信道帶寬， v對同步要求高而需要較復(fù)雜的同步設(shè)備。 1.3 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 l 通信系統(tǒng)可以從不同角度進(jìn)行分類，常見分類如下。 l 此外，還可按信號復(fù)用方式分類。在

8、同一條物理信道中同時傳輸多路信號時 要采用復(fù)用方式。常用的復(fù)用方式有：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用和空 分復(fù)用等。 l 需要說明，同一個通信系統(tǒng)可以分屬于不同的分類。如大家熟悉的無線電廣 播系統(tǒng)，既是中波或短波通信系統(tǒng)、也是模擬通信系統(tǒng)和帶通傳輸系統(tǒng)（調(diào) 制系統(tǒng)）。 信道中傳輸?shù)?是模擬信號。 信道中傳輸 的是數(shù)字信 號。 用導(dǎo)線（如各種電纜） 作為傳輸媒質(zhì)。如有 線電視系統(tǒng)等。 用自由空間作為傳輸媒 質(zhì)。如廣播電視系統(tǒng)等。 以基帶信號（未經(jīng) 調(diào)制的信號）作為 傳輸信號的系統(tǒng)。 以已調(diào)信號（經(jīng)過調(diào) 制的信號）作為傳輸 信號的系統(tǒng)。 目前，已實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)綜合，即把各種通信 業(yè)務(wù)（電話、電報、傳真、

9、數(shù)據(jù)、圖像）綜 合在一個網(wǎng)內(nèi)傳輸。其中，電話通信網(wǎng)是一 種電信業(yè)務(wù)量最大、服務(wù)面積最廣的專業(yè)網(wǎng)， 可兼容其他許多種非話業(yè)務(wù)網(wǎng)。 根據(jù)波長的大小或頻率的高低，可將電磁波劃分 成不同的波段（或頻段），分別稱為長波、中波、 短波、微波、遠(yuǎn)紅外通信等。關(guān)于波段的劃分和 用途，詳見第3章的表3-1。 1.4 通信方式通信方式 通信方式是指通信雙方（或多方）之間的工作方式。 u1.4.1 單工、半雙工和全雙工通信單工、半雙工和全雙工通信 - - - - -按傳輸?shù)姆较蚍较蚺c時間時間關(guān)系劃分 v單工通信單工通信： 單方向傳遞消息。例如，廣播、遙控。 v半雙工通信半雙工通信：通信雙方都具有發(fā)信和收信功能，但不

10、能同時收發(fā)。 v全雙工通信全雙工通信：通信的雙方可同時進(jìn)行收發(fā)信息。例如，電話等。 u1.4.2 并行傳輸和串行傳輸并行傳輸和串行傳輸 l并行并行傳輸是將數(shù)字碼元序列以成組的方式在兩條以上的并行信道上同 時傳輸。 v優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時間、速度快。 v缺點(diǎn)：需要多條通信線路、成本高。 v應(yīng)用：設(shè)備之間的近距離通信，如計(jì)算機(jī)和打印機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸。 l串行串行傳輸是將數(shù)字序列按時間順序一個接一個地在一條信道中傳輸。 v優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道。 v缺點(diǎn)：比并行傳輸?shù)乃俣嚷?v應(yīng)用：遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信多采用這種方式。 0 1 1 0 0 1 0 0 1.5 信息的度量信息的度量 l通信的目的在于傳輸消息

11、中所包含的信息。信息的多少可用“信息量” 來度量。 l消息中所包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。 l概率越小，信息量就越大。例如，“美國世貿(mào)大樓被炸”這條消息比 “今天有雨”這條消息包含有更多的信息量。 l下面介紹離散消息和數(shù)字（離散）信源發(fā)出的信息的度量方法。 u1.5.1 離散消息的信息量離散消息的信息量 l設(shè)離散消息 xi 出現(xiàn)的概率為 ，則它所含的信息量為 （1-5-1） l信息量的單位：奈特（nat）；哈特萊（Hartley）；比特（bit） a=e a=10 a=2 l常用的單位為比特，這時有 （bit） （1-5-2） 1 loglog() () iaai i IP x P

12、x 22 1 loglog() () ii i IP x P x ( ) i P x 【例1-1】 設(shè)離散信源等概率發(fā)送每個符號，且每個符號的出現(xiàn)是獨(dú)立的。 （1）若它是二進(jìn)制信源（0，1），計(jì)算每個符號的信息量。 （2）若它是四進(jìn)制信源（0，1，2，3），計(jì)算每個符號的信息量。 解：（1）已知 則每個二進(jìn)制碼的信息量為 （2）已知 則每個四進(jìn)制碼的信息量為 l評注：評注：等概時，每個符號含有相同的信息量； 一個二進(jìn)制碼含1bit的信息量；一個四進(jìn)制碼含2bit的信息量。 l 推廣：對于等概且獨(dú)立發(fā)送的M進(jìn)制離散信源，其每個符號所含的信息量為 式中，M為符號的進(jìn)制數(shù)。 1 ( 0 )(1) 2

13、 PP 012 log 2 1 (bit)II 1 (0)(1)(2)(3) 4 PPPP 01232 log 42 (bit)IIII 22 1 loglog(bit) i IM P u1.5.2 離散信源的平均信息量（離散信源的平均信息量（熵熵） -指每個符號所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值。 設(shè)一個M進(jìn)制離散信源的概率場為 ，且有 則該信源的平均信息量為 比特/符號 （bit/symbol） 顯然，等概時，熵有最大值： 即等于每個符號的信息量。 12 12 , , M M xxx P xP xP x 1 ()1 M i i Px max22 1 11 loglog M i HM MM M i ii

14、 M i ii xPxPIxPxH 1 2 1 )(log)()()( u1.5.3 總信息量總信息量 l借助于熵H(x)，可以容易地求出信源發(fā)送的一條消息（n個符號）的 總信息量，即 【例1-3】 四進(jìn)制離散信源（0，1，2，3）中各符號出現(xiàn)的概率分別 為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的，試求： （1）該信源的平均信息量（熵）； （2）該信源發(fā)送的某條消息： 20102013021300120321010032101002310200201031203 2100120210的總信息量。 nxHI)( 解：（1）由式（1-5-4）可得該信源的熵： （2）借助熵的概念來

15、計(jì)算，這條由57個符號組成的消息的總信息量為 (bit) 此外，還可以利用信息相加性概念來計(jì)算。這條消息中，“0”出現(xiàn)23次， “1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，故該條消息的總信息量為 l 評注：評注：以上兩種結(jié)果略有差別，原因在于它們平均處理方法不同。這種誤差 將隨著消息序列中符號數(shù)的增加而減小。而且，當(dāng)消息序列較長時，用熵的 概念計(jì)算更為方便。 4 2 1 ()log() ii i HP xP x 2222 33111111 loglogloglog 88444488 1.906(bit/symbol) 0123 2222 2314137 23log (8/3) 14lo

16、g 4 13log 47log 8108(bit) IIIII 64.10857906. 1nHI 1.6 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) l通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息，因此評價通信系統(tǒng) 性能的主要指標(biāo)是有效性有效性和可靠性可靠性。 l有效性有效性指的是傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶 寬度或時間）； l可靠性可靠性指的是接收信息的準(zhǔn)確程度。 l這兩者既相互矛盾又相互聯(lián)系，并可互換。 u1.6.1 模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) l1有效性有效性 -可用傳輸帶寬傳輸帶寬來度量。 信號占用的傳輸帶寬越小，通信系統(tǒng)的有效性就越好。 例如，若單邊帶信號占用的帶寬為4k

17、Hz，雙邊帶信號則需要8kHz， 說明單邊帶方式的有效性好。 l2可靠性可靠性 -常用接收端輸出信噪比輸出信噪比（SNR）來度量。 SNR指的是信號與噪聲的功率之比，它反映了消息經(jīng)傳輸后的 “保真”程度和抗噪能力。 例如，調(diào)頻系統(tǒng)的可靠性通常比調(diào)幅系統(tǒng)的好，但調(diào)頻信號占用 的帶寬比調(diào)幅信號的寬。所以說可靠性與有效性總是一對矛盾。 u1.6.2 數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) l1有效性有效性 v（1）碼元速率 ，是指單位時間（每秒）內(nèi)傳送的碼元數(shù)目。單位為波特 （Baud），所以也稱 為波特率。 設(shè)碼元寬度為Ts，則碼元速率為 （1-6-1） v（2）信息速率 ，又稱比特率，是指

18、單位時間內(nèi)傳送的信息量。單位為比 特/秒（bit/s），簡記為b/s，或bps（bit per second）。 與 存在如下關(guān)系： （等概時） （1-6-2） 例如，每秒傳送2 400個碼元，即 =2 400 Baud；若采用二進(jìn)制，信息速率 為2 400bit/s；若采用八進(jìn)制（M = 8），信息速率為7 200bit/s。 B R B R B s 1 R T bB2 logRRM b R b R B R B R v （3）頻帶利用率是指單位頻帶（每赫茲）內(nèi)所實(shí)現(xiàn)的傳輸速率，可表示為 （1-6-4） 或 （1-6-5） 【例1-4】 對于同樣以2 400bit/s比特率發(fā)送的消息信號，若A系統(tǒng)以2PSK調(diào)制 方式進(jìn)行傳輸時所需帶寬為2 400Hz，而B系統(tǒng)以4PSK調(diào)制方式傳輸時的帶寬 為1 200Hz。試問：哪個系統(tǒng)更有效？ 解： A系統(tǒng) B系統(tǒng) 所以，B系統(tǒng)的有效性更好。 l 評注：評注：兩個傳輸速率相同的系統(tǒng)，若占用的帶寬不同，則兩者的傳輸效率不 同，所以頻帶利用率更好地反映了數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性。 b b 2 400 1(bps/Hz) 2 400 R B b b 2 400 2(bps/Hz) 1200 R B b b (bps/Hz) R B B (Baud/Hz) R