通信原理第七版第1章

1、通信原理通信原理Principles of Communications 課件整理：王懷興課件整理：王懷興 QQ：76944908 Email： TEL第1章章 緒論緒論信息作為一種資源，只有通過傳播、交流與共享才有意義，而通信是信息傳輸?shù)闹匾侄?，本書主要討論如何可靠而有效地傳輸信息。本章?nèi)容本章內(nèi)容基本概念基本概念(Basic concept)通信系統(tǒng)模型、通信系統(tǒng)分類、通信方式信息及其度量信息及其度量(Information and its measurement)信息量、信源熵、總信息量系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)性能指標(System performance index

2、)可靠性、有效性繩結繩結第第1 1章章 緒論緒論1.1 通信基本概念通信基本概念(Basic concept of communication)通信：通信：信息的傳輸與交換1.1.1 通信的發(fā)展歷程通信的發(fā)展歷程擊鼓擊鼓鳴金鳴金旗語旗語信鴿信鴿烽火烽火電報電報電話電話電視電視網(wǎng)絡網(wǎng)絡模擬式模擬式數(shù)字化數(shù)字化智能化智能化高速化高速化寬帶化寬帶化綜合化綜合化移動化移動化個人化個人化第第1 1章章 緒論緒論1.1 通信基本概念通信基本概念(Basic concept of communication)1.1.2 消息、信息與信號消息、信息與信號聲音聲音音頻電信號音頻電信號將音頻電信號音頻電信號放大、

3、調制產(chǎn)生AM信號信號，并耦合到發(fā)射天線發(fā)射天線將AM信號信號感應成大氣傳輸?shù)碾姶挪姶挪?無線電波)接收天線將電磁波電磁波轉換為AM信號信號 (含有噪聲)濾波并將AM信號信號解調為音音頻信號頻信號，經(jīng)音頻功放放大后驅動揚聲器還原為聲音聲音消息中包含的有用或有意義的內(nèi)容消息的光或電表示形式/方便傳輸/消息的傳輸載體通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶ο?，有很多種形式第第1 1章章 緒論緒論1.1 通信基本概念通信基本概念(Basic concept of communication)1.1.2 消息、信息與信號消息、信息與信號消息消息信號信號信息信息連續(xù)消息連續(xù)消息語音、溫度、圖像、振動離散消息離散消息文字、數(shù)字、

4、符號、節(jié)拍模擬信號模擬信號信號幅度與時間連續(xù)取值數(shù)字信號數(shù)字信號信號幅度與時間離散取值1、如何區(qū)分模擬與數(shù)字信號?2、如何將消息轉換成信號？第第1 1章章 緒論緒論1.1 通信基本概念通信基本概念(Basic concept of communication)1.1.2 消息、信息與信號消息、信息與信號 三者什么關系？三者什么關系？ 消息消息信號信號信息信息內(nèi)涵內(nèi)涵表現(xiàn)形式表現(xiàn)形式傳輸載體傳輸載體模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號Q&A?第第1 1章章 緒論緒論1.1 通信基本概念通信基本概念(Basic concept of communication)1.1.2 消息、信息與信號消息

5、、信息與信號 模擬與數(shù)字信號？模擬與數(shù)字信號？ 區(qū)分原則：區(qū)分原則：看攜載消息的信號參量的取值取值連續(xù)且狀態(tài)數(shù)無窮-模擬信號取值離散且狀態(tài)數(shù)有限-數(shù)字信號第第1 1章章 緒論緒論1.1 通信基本概念通信基本概念(Basic concept of communication)1.1.2 消息、信息與信號消息、信息與信號 消息轉換成信號？消息轉換成信號？ 通信：通信：利用信號(電、光等)傳輸消息中的信息。通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)：完成通信過程所需要的電子設備及信道總體。第第1 1章章 緒論緒論1.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型(Model of communication system)第第1 1章章 緒

6、論緒論1.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型(Model of communication system)1、通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)一般模型sourcetransmitterchannelreceiverdestinationnoise2、模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型第第1 1章章 緒論緒論3、數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型(Model of communication system)信源編碼：信源編碼：把模擬信號變成數(shù)字信號(A/D)，提高有效性；加密編碼：加密編碼：擾亂原來的碼元排布規(guī)律，提高保密性；信道編碼：信道編碼：增加冗余碼元(校驗元)，提高可靠性；

7、數(shù)字調制：數(shù)字調制：把前面得到的數(shù)字信號加載到載波上；后面的信源譯碼、解密、信道譯碼以及數(shù)字解調幾個過程分別是前面對應過程的逆過程。逆過程。第第1 1章章 緒論緒論4、數(shù)字通信的特點數(shù)字通信的特點1.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型(Model of communication system)第第1 1章章 緒論緒論1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式Communication system classification and communication mode按照通按照通信業(yè)務信業(yè)務分類分類按調制方按調制方式分類式分類按信道按信道中信號中信號特征分特征分類類按傳輸媒介按傳輸媒

8、介不同分類不同分類按照工按照工作波段作波段分類分類按照信號按照信號復用方式復用方式分類分類按照信號按照信號傳輸頻帶傳輸頻帶不同分類不同分類電報、電話、數(shù)據(jù)、圖像通信等模擬調制、數(shù)字調制、脈沖模擬調制、脈沖數(shù)字調制等模擬、數(shù)字通信有線(架空明線，同軸電纜，光纖，波導等)、無線(短波電離層，微波視距、衛(wèi)星中繼等)通信長波、中波、短波、微波、紅外以及激光通信等頻分復用、時分復用、碼分復用、波分復用、空分復用等基帶傳輸與頻帶傳輸系統(tǒng)同一個通信系統(tǒng)可以分屬于不同的分類，例如AM廣播系統(tǒng)，既是中短波通信，也是模擬通信，也是帶通傳輸系統(tǒng)。1、通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類第第1 1章章 緒論緒論1.3 通信系

9、統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式Communication system classification and communication mode2、通信方式通信方式按傳遞方向與時間分按傳遞方向與時間分單工單工通信simplex communication單向傳輸半雙工半雙工通信Half-duplex communication可雙向傳輸，但不能同時進行全雙工全雙工通信Duplex communication正反方向可以同時傳輸?shù)诘? 1章章 緒論緒論1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式Communication system classification and co

10、mmunication mode2、通信方式通信方式按照數(shù)據(jù)碼元傳輸方式分為串行串行與并行并行傳輸01101101發(fā)送方接收方特點：特點：速度快、成本高應用：應用：近距離快速通信舉例：舉例：計算機與打印機發(fā)送方01101101接收方011011010 1 1 0 1 1 0 1優(yōu)點：優(yōu)點：單線通信、成本低缺點：缺點：速度慢，需外同步應用：應用：遠距離通信第第1 1章章 緒論緒論1.4 信息及其度量信息及其度量(Information and its measurement)通信的目的是傳輸消息中所包含的信息；消息中不確定的內(nèi)容構成信息；信息是事物存在狀態(tài)或運行方式不確定性的描述；信息具有：普遍

11、存在性、可擴展或壓縮性、可存儲與傳輸性、相對性、可度量性、可共享和時效性；當今社會，信息是一種寶貴的資源；信息必須依附于消息(物質形式)這個載體存在；信息是消息的內(nèi)涵，同一個信息可以用不同的消息表示；思考：思考：如何度量消息中所包含的信息量？第第1 1章章 緒論緒論1.4 信息及其度量信息及其度量(Information and its measurement)原則：原則：1、度量方法與消息形式或種類無關； 2、度量方法與消息的重要程度無關。舉例：舉例：1、聽說劉翔退役后要來二師當體育教師！ 2、本年度的院士評選中，華中科技大學某某老師評為院士! 3、湖北第二師范學院在高新二路路口！ 4、美國

12、世貿(mào)大樓被轟炸（9.11）！ 5、王懷興老師是本屆師德標兵！總結：總結：1、消息中包含的信息與不確定程度有關； 2、消息事件不確定性越小，信息越大。第第1 1章章 緒論緒論1.4 信息及其度量信息及其度量(Information and its measurement)1 1、離散消息、離散消息x x的信息量的信息量某事件x的發(fā)生概率為P(x)，則所包含的信息量為：)(log)(1log)(xPxPxIaaIPxPxIPa0)(log)(，01)(log)(IPxPxIPa，a=2時，單位為比特(bit)，稱為二進制單位a=e時，單位為奈特(nat)a=10時，單位為哈特萊(hartley，簡

13、記為hart)1nat=1.44bit，1hart=3.32bit，一般采用一般采用bit單位單位第第1 1章章 緒論緒論1.4 信息及其度量信息及其度量(Information and its measurement)【例1.1】 A=0，1為二進制信源，B=0，1，2，3為四進制信源，若信源中每個符號都是等概率分布的，試求每個符號的信息量？)( 15 . 0log5 . 0) 1 ()0(,210bitIIPPA信源解：)(225. 0log25. 0)3()2() 1 ()0(,23210bitIIIIPPPPB信源小結：小結：1、概率相同的符號所包含的信息相同；2、二進制符號等概率時，

14、每個碼元1比特；3、四進制符號等概率時，每個符號2比特；4、M進制符號等概率時，每個符號log2M比特。第第1 1章章 緒論緒論1.4 信息及其度量信息及其度量(Information and its measurement)2 2 離散消息的平均信息量離散消息的平均信息量1)()()()(111MiiMiMixPxPxPxPxxxPX且則各符號統(tǒng)計獨立時，離散信源的平均信息量為)/)(log)()(12symbolbitxPxPXHiMiiH與熱力學中熵的形式一樣，稱為信源熵。信源熵。)(log)(2bitxPxIii為xi的自信息?！纠?.2】信源A=0，1，2，3為四進制信源，(1)當P

15、(0)=8/3,P(1)=P(2)=1/4,P(3)=1/8；(2)各符號等概率分布時，分別求平均信息量。解：解：(1)按照(1)中的概率分布有：第第1 1章章 緒論緒論1.4 信息及其度量信息及其度量(Information and its measurement)/(906. 181log8141log41283log83)(symbolbitAH)/(241log414)(symbolbitAH(2)按照(2)中的概率分布有：小結：小結：各符號等概率分布時，信源熵最大第第1 1章章 緒論緒論1.4 信息及其度量信息及其度量(Information and its measurement)

16、【例1.3】信源A=0，1，2，3 ，當P(0)=8/3,P(1) = P(2)=1/4, P(3)=1/8時，求信源發(fā)出的消息序列201020130213001203210100321010023102002010312032100120210，求此條消息的總信息量。解：解：利用各符號自信息相加來計算，則有：)(10871314233210bitIIIII總利用熵的概念來計算H(A)=1.906bit/symbol，則有：)(64.108906. 157)(57bitAHI總小結：小結：已知H與符號個數(shù)m，則總信息為I總=mH第第1 1章章 緒論緒論1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性

17、能指標(The key performance index of communication system)通信系統(tǒng)性能指標有有效性、可靠性、適應性、經(jīng)濟性、標準性、可維護性、保密性、認證性等。性能性能指標指標有效性有效性可靠性可靠性矛盾、關聯(lián)、互換模擬通信系統(tǒng)傳輸帶寬有效性輸出信噪比可靠性數(shù)字通信系統(tǒng)頻帶利用率有效性差錯概率可靠性第第1 1章章 緒論緒論1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標(The key performance index of communication system)1、通信系統(tǒng)的有效性有效性指標(1)(1)碼元傳輸率碼元傳輸率RB( (傳碼率、波特率傳碼率

18、、波特率) )定義：定義：每秒傳送的碼元個數(shù),單位為波特(Baud)計算：計算：若碼元周期為TB秒，則RB=1/TB。例如：例如：一秒內(nèi)傳輸1000個碼元，則RB=1000Baud(2)(2)信息傳輸率信息傳輸率Rb( (傳信率，比特率傳信率，比特率) )定義：定義：每秒傳遞的比特數(shù)，單位bit/s或bps。計算：計算： Rb=RBH或 Rb=RBlog2M(bit/s或bps) 可見，當信源為二進制時，M=2，則有Rb=RB第第1 1章章 緒論緒論1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標(The key performance index of communication system)1、通信系統(tǒng)的有效性有效性指標(3)(3)頻帶利用率頻帶利用率)/(HzBaudBRB)/(HzsbitBRbbMb2logQ&AA系統(tǒng)：每秒傳輸二進制碼元2000個，占用帶寬2000Hz；B系統(tǒng)：每秒傳輸1500bit信息，占用1000Hz帶寬；Pe與Pb之間有什么關系？第第1 1章章 緒論緒論1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標(The key performance index of communication system)2、通信系統(tǒng)的可靠性可靠性指標(1)(1)誤碼率誤碼率P Pe eNNPee傳輸總碼