通信原理第一章課件

通信原理主講：朱杰聯(lián)系方式：Email:zhuj@Tel:84078869成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院通信原理主講：朱杰聯(lián)系方式：成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院1什么是通信？通信(Communication)是指由一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞。什么是通信？通信(Communication)是指由一地向另2轉(zhuǎn)換器(Ⅰ)發(fā)射機(jī)消息（廣播節(jié)目）信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)換器(Ⅱ)接收機(jī)消息（廣播節(jié)目）信號(hào)解調(diào)無(wú)線電廣播系統(tǒng)的組成進(jìn)入19世紀(jì)后,人們開始試圖用電信號(hào)進(jìn)行通信。電纜通信微波中繼通信SSBFDMSSB、FM、FDMBPSK、QPSKMQAM光纖通信WDM衛(wèi)星通信FDM、FDMATDM、TDMA通信是指利用電子技術(shù)等手段，借助光電信號(hào)實(shí)現(xiàn)從一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞。轉(zhuǎn)換器(Ⅰ)發(fā)射機(jī)消息（廣播節(jié)目）信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)換器(Ⅱ)接收機(jī)3移動(dòng)通信第二代：窄帶時(shí)分多址（TDMA）、窄帶碼分多址(CDMA)

標(biāo)準(zhǔn)——?dú)W洲GSM、美國(guó)IS-95、日本PDC第三代（3G）：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三網(wǎng)合一電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、有線電視網(wǎng)個(gè)人通信“5W”通信模式：任何人（Whoever）能在任何時(shí)間（Whenever）、任何地點(diǎn)（Wherever）以任何方式（Whatever）與任何他人（Whomever）進(jìn)行通信。移動(dòng)通信第二代：窄帶時(shí)分多址（TDMA）、窄帶碼分多址(CD4學(xué)好通信的基礎(chǔ)條件選修和復(fù)習(xí)幾門基礎(chǔ)課程概率論信號(hào)與系統(tǒng)隨機(jī)過(guò)程自學(xué)學(xué)好通信的基礎(chǔ)條件選修和復(fù)習(xí)幾門基礎(chǔ)課程5如何學(xué)習(xí)主動(dòng)聽課，認(rèn)真作好筆記及時(shí)消化當(dāng)天的內(nèi)容，知識(shí)需要日積月累，但問(wèn)題不需要認(rèn)真做好每次布置的作業(yè)認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)完按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告堅(jiān)持按時(shí)到課如何學(xué)習(xí)主動(dòng)聽課，認(rèn)真作好筆記6關(guān)于成績(jī)成績(jī)由以下部分組成：期末考試成績(jī)80%實(shí)驗(yàn)成績(jī)10%平時(shí)成績(jī)10%到課情況作業(yè)情況關(guān)于成績(jī)成績(jī)由以下部分組成：7教材與參考書教材《通信原理》

樊昌信等著

國(guó)防工業(yè)出版社

參考書：1、《現(xiàn)代通信原理》曹志剛等著清華大學(xué)出版社2、《隨機(jī)過(guò)程》3、《信號(hào)與系統(tǒng)》教材與參考書教材《通信原理》參考書：8同步原理緒論（信息論基礎(chǔ)知識(shí)）通信原理課程主體內(nèi)容隨機(jī)信號(hào)分析基礎(chǔ)模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)差錯(cuò)控制編碼信道數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)的最佳接收正交編碼與偽隨機(jī)序列同步原理緒論（信息論基礎(chǔ)知識(shí)）通信原理課程主體內(nèi)容隨機(jī)信號(hào)分9第一章緒論

第一部分通信及通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介

通信的幾個(gè)基本概念

通信發(fā)展史介紹

通信系統(tǒng)的構(gòu)成

通信系統(tǒng)的分類

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo).5.第一章緒論

第一部分通信及通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介通信的幾10§1.1通信的基本概念信息、消息和信號(hào)信息：從工程上來(lái)講信息是客觀事物可能存在的狀態(tài)及其隨時(shí)間而發(fā)生變化的反映消息：攜帶信息的載體（e.g.文字、語(yǔ)音、圖象）信號(hào)：指消息在通信系統(tǒng)中物理參數(shù)的函數(shù)表示形式

通信模式單工：?jiǎn)畏较颍ㄟb控器）半雙工：不能同時(shí)收發(fā)（無(wú)線電對(duì)講機(jī)）全雙工：雙方同時(shí)收發(fā)（電話）數(shù)據(jù)傳輸方式串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)在信道中傳輸并行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)碼元序列同時(shí)在信道中傳輸§1.1通信的基本概念信息、消息和信號(hào)11A87654321BAB18765432A87654321B1876543212§1.1通信的基本概念通信的定義通信：是指信息的傳輸與交換通信的目的：傳輸信息例如：電通信：利用“電”來(lái)傳遞信息的方式光通信：利用“光”來(lái)傳遞信息的方式 §1.1通信的基本概念通信的定義13§1.2通信系統(tǒng)的構(gòu)成通信系統(tǒng)的一般模型信息源收信者噪聲源發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備信道發(fā)送端接收端PointtoPointCommunications§1.2通信系統(tǒng)的構(gòu)成通信系統(tǒng)的一般模型信息源收信者噪聲源14發(fā)送端：信息源：信源，將消息變成原始的電信號(hào)發(fā)送設(shè)備：將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的信號(hào)變換為便于信道傳輸?shù)男盘?hào)形式信道：信號(hào)傳輸?shù)拿浇椋ㄓ袩o(wú)線和有線之分）接收端：接收設(shè)備：將信道中送來(lái)的已調(diào)信號(hào)還原成原始信號(hào)收信者：信宿，將原始電信號(hào)還原成信息噪聲源：信道中的噪聲與分散在通信系統(tǒng)中的其它各處的噪聲的集中表示（加性噪聲、乘性噪聲）各模塊功能描述：發(fā)送端：各模塊功能描述：15模擬通信系統(tǒng)模型模擬信源收信者噪聲源調(diào)制器解調(diào)器信道功能描述：模擬信源：模擬通信中的信息源是狀態(tài)連續(xù)的模擬信源（電話）調(diào)制器：將來(lái)自信源的基帶信號(hào)變換成適合在信道上傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)的設(shè)備解調(diào)器：將已調(diào)信號(hào)還原成基帶信號(hào)，與調(diào)制相反過(guò)程處理的設(shè)備模擬通信系統(tǒng)模型模擬信源收信者噪聲源調(diào)制器解調(diào)器信道功能描述16數(shù)字通信系統(tǒng)模型功能描述：信源編碼：AD信道編碼：使數(shù)字信號(hào)與傳輸媒介匹配信源編碼收信者調(diào)制器解調(diào)器信道噪聲干擾信息源信道編碼信源解碼信道解碼數(shù)字通信系統(tǒng)模型功能描述：信源編碼：AD信源編碼17§1.3通信系統(tǒng)分類根據(jù)消息的物理特征分為：語(yǔ)音通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖象通信系統(tǒng)

根據(jù)調(diào)制方式（是否采用調(diào)制）可分：基帶傳輸：將未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳輸頻帶傳輸：調(diào)制傳輸，將各種信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q（利于傳輸、提高性能---抗干擾能力、有效利用頻帶）根據(jù)傳輸?shù)拿浇榉譃椋簾o(wú)線通信（微波、衛(wèi)星、移動(dòng)）有線通信（CATV、光纜）§1.3通信系統(tǒng)分類根據(jù)消息的物理特征分為：18根據(jù)信道上傳輸信號(hào)的波形特征分為：模擬通信系統(tǒng)：幅度連續(xù)數(shù)字通信系統(tǒng)：幅度被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)，它不是連續(xù)的，而是離散的（抗干擾能力強(qiáng)、便于各種處理、易于集成、性價(jià)比好、便于多路復(fù)用）

根據(jù)信號(hào)的復(fù)用方式可分：頻分復(fù)用FDM：用頻譜搬移的方法使不同信號(hào)占用不同的頻譜范圍時(shí)分復(fù)用TDM：用脈沖調(diào)制的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同時(shí)間區(qū)間（時(shí)隙）碼分復(fù)用CDM：用一組正交的脈沖序列分別攜帶不同信息波分復(fù)用WDM：通過(guò)不同顏色（頻率/波長(zhǎng)）的光傳輸不同的信號(hào)。根據(jù)信道上傳輸信號(hào)的波形特征分為：19§1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

在研究設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的好壞時(shí)，必然涉及系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)問(wèn)題。通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)很多，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：有效性：是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題可靠性：是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題適應(yīng)性：指環(huán)境使用條件標(biāo)準(zhǔn)性：指元件的標(biāo)準(zhǔn)性互換性經(jīng)濟(jì)性：指成本是否低保密性：是否便于加密使用、維修：是否方便§1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 在研究設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)一個(gè)通20有效性：用有效傳輸頻帶來(lái)度量取決于消息所包含的信息量和對(duì)信息源的處理；處理的目的是使單位時(shí)間內(nèi)傳輸更多的消息或者一定的頻帶內(nèi)傳輸更多的消息可靠性：用信宿輸出的信噪比來(lái)度量(S/N)信噪功率比S/N越大，通信質(zhì)量越好；S/N是由信號(hào)功率和信號(hào)傳輸過(guò)程中引起的失真和各種干擾、噪聲決定的模擬通信系統(tǒng)指標(biāo)討論：數(shù)字通信系統(tǒng)指標(biāo)討論：有效性：用信息傳輸速率來(lái)度量碼元速率RB：每秒傳輸碼元的數(shù)目，單位：波特（B）信息傳輸速率Rb：每秒鐘傳輸?shù)男畔⒘?，單位：比?秒（bit/s）可靠性：用差錯(cuò)率來(lái)度量誤碼率Pe：是指錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例誤信率Pb：誤比特率，是指錯(cuò)誤接收的信息量在傳送信息總量中所占的比例。有效性：用有效傳輸頻帶來(lái)度量模擬通信系統(tǒng)指標(biāo)討論：數(shù)字通信系21信息量：衡量各種不同消息中包含信息多少的標(biāo)準(zhǔn)。 單位：比特（bit），符號(hào)用I表示設(shè)信息傳輸速率為Rb(bit/s)，碼元速率為RBN(B)，則其中，RBN=RB2/log2N

，N為進(jìn)制數(shù)注：因?yàn)樾畔⒘颗c進(jìn)制有關(guān)，因此信息速率也和進(jìn)制有關(guān)，N進(jìn)制數(shù)字信號(hào)每秒鐘的信息量為RBNlog2N，所以

RbN=RBNlog2N且在二進(jìn)制中，

Rb2=RB2，在數(shù)值上信息速率=碼元速率

信息量：衡量各種不同消息中包含信息多少的標(biāo)準(zhǔn)。其中，RBN=22例：一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)每分鐘傳輸18kbit的信息量，求其碼元速率？如果改用八進(jìn)制數(shù)字信號(hào)完成每分鐘傳輸18kbit的信息量，其碼元速率又為多少？例：一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)每分鐘傳輸18kbit的信息量，求其碼23習(xí)題1-7解：由題目可知傳輸二電平數(shù)字信每秒傳輸300個(gè)碼元，則知傳碼率：RB=300B

當(dāng)0、1等概出現(xiàn)時(shí)，傳信率：Rb=RB2log22=300bit/s習(xí)題1-7解：由題目可知傳輸二電平數(shù)字信每秒傳輸300個(gè)碼元24第二部分信息論初步

信息的度量

第二部分信息論初步

信息的度量

25§1.5信息的度量“信息量”概念的引入 消息是攜帶信息的載體，它以具體的信號(hào)形式表現(xiàn)出來(lái)；信息是抽象、本質(zhì)的內(nèi)容，可以理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容。不同的消息形式可以包含相同的信息。例如：文字語(yǔ)音可以表示相同的信息。 那么，具體針對(duì)一個(gè)通信系統(tǒng)，該如何衡量其傳輸能力，即傳遞信息多少？引出了“信息量”的概念。

Hartley和香農(nóng)(C.E.Shannon)從消息的統(tǒng)計(jì)特性出發(fā)，從信息的不確定性和概率測(cè)度的角度定義了通信中信息量的概念，并給出了信息度量的方法。§1.5信息的度量“信息量”概念的引入Har26描述方法：隨機(jī)過(guò)程消息產(chǎn)生源描述統(tǒng)計(jì)特性離散消息離散信源離散型隨機(jī)過(guò)程概率分布率x~P(x)連續(xù)消息連續(xù)信源連續(xù)型隨機(jī)過(guò)程概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)§1.5.1消息的統(tǒng)計(jì)特性描述方法：隨機(jī)過(guò)程消息產(chǎn)生源描述統(tǒng)計(jì)特性離散消息離散信源離散27§1.5.2離散信源的信息量離散信源的特性：線性疊加性：若干獨(dú)立消息之和的信息量是每個(gè)消息所含信息量的線性疊加。指數(shù)增加特性：由有限個(gè)符號(hào)組成的離散信源來(lái)說(shuō)，隨著消息的長(zhǎng)度增加，其可能出現(xiàn)消息的數(shù)目是按指數(shù)增加的。§1.5.2離散信源的信息量離散信源的特性：線性疊加性：28設(shè)u1,u2,u3…

uN，uj∈{xi}，i=1,……,k，概率為p(xi)Hartley公式：1.單一符號(hào)的信息量：信息量的計(jì)算：設(shè)u1,u2,u3…uN，uj∈{xi}，i=1,29單位：對(duì)數(shù)以2為底，單位為比特（bit）對(duì)數(shù)以e為底，單位為奈特（nit）對(duì)數(shù)以10為底，單位為哈特萊（Hartley）注：三種單位的使用應(yīng)根據(jù)計(jì)算及使用的方便來(lái)決定。例題：已知漢字電報(bào)中數(shù)字2出現(xiàn)的概率為0.08，求2的信息量？單位：注：三種單位的使用應(yīng)根據(jù)計(jì)算及使用的方便來(lái)決定。例題：30習(xí)題1-1解：E的信息量

x的信息量習(xí)題1-1解：E的信息量31設(shè)u1,u2,u3…

uN，ui∈{xj}，j=1,……,k，概率為p(xj)，xj出現(xiàn)的次數(shù)為nj根據(jù)相加性的特點(diǎn)，總的信息量為：2.隨機(jī)序列的信息量：設(shè)u1,u2,u3…uN，ui∈{xj}，j=1,32例題：一個(gè)離散信源每毫秒發(fā)出a，b，c，d

中符號(hào)中的一個(gè)，各相互獨(dú)立符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為 試求：1秒內(nèi)離散信源發(fā)送消息acabcbaabaddabbbdaaaccaaadcccdaadaaaddadacdadcdabccdaaccd

的信息量？（lg2=0.301lg3=0.477lg5=0.7）例題：1秒內(nèi)離散信源發(fā)送消息acabcbaaba33解：此消息的長(zhǎng)度57個(gè)字符，其中a出現(xiàn)23次，b出現(xiàn)7次，c出現(xiàn)13次，d出現(xiàn)14次，則此消息的信息量為：解：此消息的長(zhǎng)度57個(gè)字符，其中a出現(xiàn)23次，b出現(xiàn)7次，c34§1.5.3多個(gè)信源與互信息

設(shè)兩個(gè)信源X和Y，出現(xiàn)的符號(hào)對(duì)應(yīng)為xi和yj，則聯(lián)合信息量

I(xiyj)=-logP(xiyj)條件信息量

I(xi|yj)=-logP(xi|yj)§1.5.3多個(gè)信源與互信息設(shè)兩個(gè)信源X和35互信息量信道XNoiseY=X+N先驗(yàn)概率：P(xi)后驗(yàn)概率：P(xi/yj)轉(zhuǎn)移概率：P(yj/xi)互信息量：互信息表示X和Y統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)程度互信息量信道XNoiseY=X+N先驗(yàn)概率：P(xi)互信36什么叫“熵” 物理學(xué)上為了衡量熱力體系中不能利用的熱能，用溫度除熱能所得的熵。 在通信系統(tǒng)中，把信源輸出消息的平均信息量稱為信源的熵。采用“熵”來(lái)衡量通信系統(tǒng)傳輸能力的原因： 當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí)，用符號(hào)出現(xiàn)的概率來(lái)計(jì)算消息的信息量麻煩?！捌骄畔⒘俊钡亩x： 每個(gè)符號(hào)所含信息量的平均值?！?.5.4離散信源的熵什么叫“熵”§1.5.4離散信源的熵37計(jì)算公式:香農(nóng)熵：表示N個(gè)符號(hào)的離散消息源的平均信息量單位：比特/符號(hào)性質(zhì)：H(X)P平均信息量是非負(fù)的，即H(X)≥0平均信息量具有上凸性，即H(X)是P(x)的上凸函數(shù)計(jì)算公式:香農(nóng)熵：表示N個(gè)符號(hào)的離散消息源的平均信息量性質(zhì)：38例題：計(jì)算上例中信源的平均信息量？【解】★

消息的信息量I與平均信息量H的關(guān)系：I=MHM為消息的總符號(hào)數(shù)【上例的信息量】例題：【解】★消息的信息量I與平均信息量H的關(guān)系：I=MH39小結(jié)討論：上題中，利用平均信息量算得的消息總信息量與利用哈萊特公式計(jì)算的結(jié)果存在一定的差異，原因在于：統(tǒng)計(jì)的消息不夠長(zhǎng)，各符號(hào)出現(xiàn)的幾率與概率場(chǎng)給出的概率不一定相等，但隨著序列長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，其誤差將趨向于零。小結(jié)討論：上題中，利用平均信息量算得的消息總信息量與利用哈萊40習(xí)題1-4（1）解：由題目可知不同字母等概率出現(xiàn)時(shí)，其出現(xiàn)概率為1/4，則每個(gè)字母的平均信息量為：每個(gè)脈沖寬度為5ms時(shí)，每個(gè)字母占用的時(shí)間為：

則每秒傳送的符號(hào)數(shù)為：1/10-2=100（符號(hào)/秒）則平均信息速率為：

（2）平均信息量為：平均信息速率為：習(xí)題1-4（1）解：由題目可知不同字母等概率出現(xiàn)時(shí)，其出現(xiàn)概41習(xí)題1-5（1）解：由題目可知?jiǎng)澇霈F(xiàn)的概率是點(diǎn)出現(xiàn)概率的1/3，則點(diǎn)出現(xiàn)的概率為P1=3/4，劃出現(xiàn)的概率為1/4

點(diǎn)的信息量為：劃的信息量為：

（2）平均信息量為：習(xí)題1-5（1）解：由題目可知?jiǎng)澇霈F(xiàn)的概率是點(diǎn)出現(xiàn)概率的1/42習(xí)題1-8由題1-2已求得信息源的熵為，則（1）傳送1小時(shí)的信息量為：（2）在符號(hào)傳輸?shù)雀怕食霈F(xiàn)時(shí)有最大信源熵，基于此即可求取傳送1小時(shí)可能達(dá)到的最大信息量。習(xí)題1-2由題意可知求取信源符號(hào)的平均信息量，即信源的熵習(xí)題1-8由題1-2已求得信息源的熵為43習(xí)題1-6由題意求取信源的平均信息量，即信源的熵已知信源每秒發(fā)送1000個(gè)符號(hào)，則平均信息速率為：習(xí)題1-6由題意求取信源的平均信息量，即信源的熵已知信源每秒44平均信息量 表示：聯(lián)合熵（共熵） 定義：對(duì)于X，Y兩個(gè)離散信源，X中xi與Y中yj同時(shí)出現(xiàn)的平均信息量成為~

表達(dá)式：§1.5.5多個(gè)信源的熵與平均互信息量平均信息量§1.5.5多個(gè)信源的熵與平均互信息量45條件熵(H(Y/X))

意義：已知X中出現(xiàn)xi的條件下Y中出現(xiàn)yj的條件平均信息量

同理可知H(X/Y)

條件熵(H(Y/X)) 同理可知H(X/Y)46平均互信息量：互信息量的統(tǒng)計(jì)平均值平均互信息量：互信息量的統(tǒng)計(jì)平均值47平均互信息的性質(zhì)：I(X,Y)≥0I(X,Y)=I(Y,X)I(X,Y)≤H(X),I(X,Y)≤H(Y)I(X,Y)是概率P(x)的上凸函數(shù)，是轉(zhuǎn)移概率Q(y/x)的下凸函數(shù)平均互信息的性質(zhì)：I(X,Y)≥048I(X,Y)H(Y/X)H(X/Y)熵、條件熵、聯(lián)合熵與平均互信息量的關(guān)系圖形表示法 H(XY)=H(X)+H(Y/X)=H(Y)+H(X/Y) I(X,Y)=H(X)-H(X/Y)=H(Y)-H(Y/X)

統(tǒng)計(jì)獨(dú)立：H(X/Y)=H(X)，H(Y/X)=H(Y)I(X,Y)H(Y/X)H(X/Y)熵、條件熵、聯(lián)合熵與平均49信息論基本概念小結(jié)香農(nóng)熵：信息不確定性的量度互信息：兩個(gè)信源之間的相互關(guān)聯(lián)性的量度信息論基本概念小結(jié)香農(nóng)熵：信息不確定性的量度50§1.5.6連續(xù)信源的熵方法：離散區(qū)間上取極限微分熵§1.5.6連續(xù)信源的熵方法：離散區(qū)間上取極限51§1.5.7連續(xù)信源的最大熵峰值受限：（幅度受限）均方受限：（功率受限）§1.5.7連續(xù)信源的最大熵峰值受限：（幅度受限）52§1.5.8多個(gè)連續(xù)信源的熵聯(lián)合熵條件熵互信息§1.5.8多個(gè)連續(xù)信源的熵聯(lián)合熵53通信原理主講：朱杰聯(lián)系方式：Email:zhuj@Tel:84078869成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院通信原理主講：朱杰聯(lián)系方式：成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院54什么是通信？通信(Communication)是指由一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞。什么是通信？通信(Communication)是指由一地向另55轉(zhuǎn)換器(Ⅰ)發(fā)射機(jī)消息（廣播節(jié)目）信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)換器(Ⅱ)接收機(jī)消息（廣播節(jié)目）信號(hào)解調(diào)無(wú)線電廣播系統(tǒng)的組成進(jìn)入19世紀(jì)后,人們開始試圖用電信號(hào)進(jìn)行通信。電纜通信微波中繼通信SSBFDMSSB、FM、FDMBPSK、QPSKMQAM光纖通信WDM衛(wèi)星通信FDM、FDMATDM、TDMA通信是指利用電子技術(shù)等手段，借助光電信號(hào)實(shí)現(xiàn)從一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞。轉(zhuǎn)換器(Ⅰ)發(fā)射機(jī)消息（廣播節(jié)目）信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)換器(Ⅱ)接收機(jī)56移動(dòng)通信第二代：窄帶時(shí)分多址（TDMA）、窄帶碼分多址(CDMA)

標(biāo)準(zhǔn)——?dú)W洲GSM、美國(guó)IS-95、日本PDC第三代（3G）：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三網(wǎng)合一電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、有線電視網(wǎng)個(gè)人通信“5W”通信模式：任何人（Whoever）能在任何時(shí)間（Whenever）、任何地點(diǎn)（Wherever）以任何方式（Whatever）與任何他人（Whomever）進(jìn)行通信。移動(dòng)通信第二代：窄帶時(shí)分多址（TDMA）、窄帶碼分多址(CD57學(xué)好通信的基礎(chǔ)條件選修和復(fù)習(xí)幾門基礎(chǔ)課程概率論信號(hào)與系統(tǒng)隨機(jī)過(guò)程自學(xué)學(xué)好通信的基礎(chǔ)條件選修和復(fù)習(xí)幾門基礎(chǔ)課程58如何學(xué)習(xí)主動(dòng)聽課，認(rèn)真作好筆記及時(shí)消化當(dāng)天的內(nèi)容，知識(shí)需要日積月累，但問(wèn)題不需要認(rèn)真做好每次布置的作業(yè)認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)完按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告堅(jiān)持按時(shí)到課如何學(xué)習(xí)主動(dòng)聽課，認(rèn)真作好筆記59關(guān)于成績(jī)成績(jī)由以下部分組成：期末考試成績(jī)80%實(shí)驗(yàn)成績(jī)10%平時(shí)成績(jī)10%到課情況作業(yè)情況關(guān)于成績(jī)成績(jī)由以下部分組成：60教材與參考書教材《通信原理》

樊昌信等著

國(guó)防工業(yè)出版社

參考書：1、《現(xiàn)代通信原理》曹志剛等著清華大學(xué)出版社2、《隨機(jī)過(guò)程》3、《信號(hào)與系統(tǒng)》教材與參考書教材《通信原理》參考書：61同步原理緒論（信息論基礎(chǔ)知識(shí)）通信原理課程主體內(nèi)容隨機(jī)信號(hào)分析基礎(chǔ)模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)差錯(cuò)控制編碼信道數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)的最佳接收正交編碼與偽隨機(jī)序列同步原理緒論（信息論基礎(chǔ)知識(shí)）通信原理課程主體內(nèi)容隨機(jī)信號(hào)分62第一章緒論

第一部分通信及通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介

通信的幾個(gè)基本概念

通信發(fā)展史介紹

通信系統(tǒng)的構(gòu)成

通信系統(tǒng)的分類

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo).5.第一章緒論

第一部分通信及通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介通信的幾63§1.1通信的基本概念信息、消息和信號(hào)信息：從工程上來(lái)講信息是客觀事物可能存在的狀態(tài)及其隨時(shí)間而發(fā)生變化的反映消息：攜帶信息的載體（e.g.文字、語(yǔ)音、圖象）信號(hào)：指消息在通信系統(tǒng)中物理參數(shù)的函數(shù)表示形式

通信模式單工：?jiǎn)畏较颍ㄟb控器）半雙工：不能同時(shí)收發(fā)（無(wú)線電對(duì)講機(jī)）全雙工：雙方同時(shí)收發(fā)（電話）數(shù)據(jù)傳輸方式串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)在信道中傳輸并行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)碼元序列同時(shí)在信道中傳輸§1.1通信的基本概念信息、消息和信號(hào)64A87654321BAB18765432A87654321B1876543265§1.1通信的基本概念通信的定義通信：是指信息的傳輸與交換通信的目的：傳輸信息例如：電通信：利用“電”來(lái)傳遞信息的方式光通信：利用“光”來(lái)傳遞信息的方式 §1.1通信的基本概念通信的定義66§1.2通信系統(tǒng)的構(gòu)成通信系統(tǒng)的一般模型信息源收信者噪聲源發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備信道發(fā)送端接收端PointtoPointCommunications§1.2通信系統(tǒng)的構(gòu)成通信系統(tǒng)的一般模型信息源收信者噪聲源67發(fā)送端：信息源：信源，將消息變成原始的電信號(hào)發(fā)送設(shè)備：將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的信號(hào)變換為便于信道傳輸?shù)男盘?hào)形式信道：信號(hào)傳輸?shù)拿浇椋ㄓ袩o(wú)線和有線之分）接收端：接收設(shè)備：將信道中送來(lái)的已調(diào)信號(hào)還原成原始信號(hào)收信者：信宿，將原始電信號(hào)還原成信息噪聲源：信道中的噪聲與分散在通信系統(tǒng)中的其它各處的噪聲的集中表示（加性噪聲、乘性噪聲）各模塊功能描述：發(fā)送端：各模塊功能描述：68模擬通信系統(tǒng)模型模擬信源收信者噪聲源調(diào)制器解調(diào)器信道功能描述：模擬信源：模擬通信中的信息源是狀態(tài)連續(xù)的模擬信源（電話）調(diào)制器：將來(lái)自信源的基帶信號(hào)變換成適合在信道上傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)的設(shè)備解調(diào)器：將已調(diào)信號(hào)還原成基帶信號(hào)，與調(diào)制相反過(guò)程處理的設(shè)備模擬通信系統(tǒng)模型模擬信源收信者噪聲源調(diào)制器解調(diào)器信道功能描述69數(shù)字通信系統(tǒng)模型功能描述：信源編碼：AD信道編碼：使數(shù)字信號(hào)與傳輸媒介匹配信源編碼收信者調(diào)制器解調(diào)器信道噪聲干擾信息源信道編碼信源解碼信道解碼數(shù)字通信系統(tǒng)模型功能描述：信源編碼：AD信源編碼70§1.3通信系統(tǒng)分類根據(jù)消息的物理特征分為：語(yǔ)音通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖象通信系統(tǒng)

根據(jù)調(diào)制方式（是否采用調(diào)制）可分：基帶傳輸：將未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳輸頻帶傳輸：調(diào)制傳輸，將各種信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q（利于傳輸、提高性能---抗干擾能力、有效利用頻帶）根據(jù)傳輸?shù)拿浇榉譃椋簾o(wú)線通信（微波、衛(wèi)星、移動(dòng)）有線通信（CATV、光纜）§1.3通信系統(tǒng)分類根據(jù)消息的物理特征分為：71根據(jù)信道上傳輸信號(hào)的波形特征分為：模擬通信系統(tǒng)：幅度連續(xù)數(shù)字通信系統(tǒng)：幅度被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)，它不是連續(xù)的，而是離散的（抗干擾能力強(qiáng)、便于各種處理、易于集成、性價(jià)比好、便于多路復(fù)用）

根據(jù)信號(hào)的復(fù)用方式可分：頻分復(fù)用FDM：用頻譜搬移的方法使不同信號(hào)占用不同的頻譜范圍時(shí)分復(fù)用TDM：用脈沖調(diào)制的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同時(shí)間區(qū)間（時(shí)隙）碼分復(fù)用CDM：用一組正交的脈沖序列分別攜帶不同信息波分復(fù)用WDM：通過(guò)不同顏色（頻率/波長(zhǎng)）的光傳輸不同的信號(hào)。根據(jù)信道上傳輸信號(hào)的波形特征分為：72§1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

在研究設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的好壞時(shí)，必然涉及系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)問(wèn)題。通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)很多，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：有效性：是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題可靠性：是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題適應(yīng)性：指環(huán)境使用條件標(biāo)準(zhǔn)性：指元件的標(biāo)準(zhǔn)性互換性經(jīng)濟(jì)性：指成本是否低保密性：是否便于加密使用、維修：是否方便§1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 在研究設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)一個(gè)通73有效性：用有效傳輸頻帶來(lái)度量取決于消息所包含的信息量和對(duì)信息源的處理；處理的目的是使單位時(shí)間內(nèi)傳輸更多的消息或者一定的頻帶內(nèi)傳輸更多的消息可靠性：用信宿輸出的信噪比來(lái)度量(S/N)信噪功率比S/N越大，通信質(zhì)量越好；S/N是由信號(hào)功率和信號(hào)傳輸過(guò)程中引起的失真和各種干擾、噪聲決定的模擬通信系統(tǒng)指標(biāo)討論：數(shù)字通信系統(tǒng)指標(biāo)討論：有效性：用信息傳輸速率來(lái)度量碼元速率RB：每秒傳輸碼元的數(shù)目，單位：波特（B）信息傳輸速率Rb：每秒鐘傳輸?shù)男畔⒘?，單位：比?秒（bit/s）可靠性：用差錯(cuò)率來(lái)度量誤碼率Pe：是指錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例誤信率Pb：誤比特率，是指錯(cuò)誤接收的信息量在傳送信息總量中所占的比例。有效性：用有效傳輸頻帶來(lái)度量模擬通信系統(tǒng)指標(biāo)討論：數(shù)字通信系74信息量：衡量各種不同消息中包含信息多少的標(biāo)準(zhǔn)。 單位：比特（bit），符號(hào)用I表示設(shè)信息傳輸速率為Rb(bit/s)，碼元速率為RBN(B)，則其中，RBN=RB2/log2N

，N為進(jìn)制數(shù)注：因?yàn)樾畔⒘颗c進(jìn)制有關(guān)，因此信息速率也和進(jìn)制有關(guān)，N進(jìn)制數(shù)字信號(hào)每秒鐘的信息量為RBNlog2N，所以

RbN=RBNlog2N且在二進(jìn)制中，

Rb2=RB2，在數(shù)值上信息速率=碼元速率

信息量：衡量各種不同消息中包含信息多少的標(biāo)準(zhǔn)。其中，RBN=75例：一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)每分鐘傳輸18kbit的信息量，求其碼元速率？如果改用八進(jìn)制數(shù)字信號(hào)完成每分鐘傳輸18kbit的信息量，其碼元速率又為多少？例：一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)每分鐘傳輸18kbit的信息量，求其碼76習(xí)題1-7解：由題目可知傳輸二電平數(shù)字信每秒傳輸300個(gè)碼元，則知傳碼率：RB=300B

當(dāng)0、1等概出現(xiàn)時(shí)，傳信率：Rb=RB2log22=300bit/s習(xí)題1-7解：由題目可知傳輸二電平數(shù)字信每秒傳輸300個(gè)碼元77第二部分信息論初步

信息的度量

第二部分信息論初步

信息的度量

78§1.5信息的度量“信息量”概念的引入 消息是攜帶信息的載體，它以具體的信號(hào)形式表現(xiàn)出來(lái)；信息是抽象、本質(zhì)的內(nèi)容，可以理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容。不同的消息形式可以包含相同的信息。例如：文字語(yǔ)音可以表示相同的信息。 那么，具體針對(duì)一個(gè)通信系統(tǒng)，該如何衡量其傳輸能力，即傳遞信息多少？引出了“信息量”的概念。

Hartley和香農(nóng)(C.E.Shannon)從消息的統(tǒng)計(jì)特性出發(fā)，從信息的不確定性和概率測(cè)度的角度定義了通信中信息量的概念，并給出了信息度量的方法?！?.5信息的度量“信息量”概念的引入Har79描述方法：隨機(jī)過(guò)程消息產(chǎn)生源描述統(tǒng)計(jì)特性離散消息離散信源離散型隨機(jī)過(guò)程概率分布率x~P(x)連續(xù)消息連續(xù)信源連續(xù)型隨機(jī)過(guò)程概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)§1.5.1消息的統(tǒng)計(jì)特性描述方法：隨機(jī)過(guò)程消息產(chǎn)生源描述統(tǒng)計(jì)特性離散消息離散信源離散80§1.5.2離散信源的信息量離散信源的特性：線性疊加性：若干獨(dú)立消息之和的信息量是每個(gè)消息所含信息量的線性疊加。指數(shù)增加特性：由有限個(gè)符號(hào)組成的離散信源來(lái)說(shuō)，隨著消息的長(zhǎng)度增加，其可能出現(xiàn)消息的數(shù)目是按指數(shù)增加的?！?.5.2離散信源的信息量離散信源的特性：線性疊加性：81設(shè)u1,u2,u3…

uN，uj∈{xi}，i=1,……,k，概率為p(xi)Hartley公式：1.單一符號(hào)的信息量：信息量的計(jì)算：設(shè)u1,u2,u3…uN，uj∈{xi}，i=1,82單位：對(duì)數(shù)以2為底，單位為比特（bit）對(duì)數(shù)以e為底，單位為奈特（nit）對(duì)數(shù)以10為底，單位為哈特萊（Hartley）注：三種單位的使用應(yīng)根據(jù)計(jì)算及使用的方便來(lái)決定。例題：已知漢字電報(bào)中數(shù)字2出現(xiàn)的概率為0.08，求2的信息量？單位：注：三種單位的使用應(yīng)根據(jù)計(jì)算及使用的方便來(lái)決定。例題：83習(xí)題1-1解：E的信息量

x的信息量習(xí)題1-1解：E的信息量84設(shè)u1,u2,u3…

uN，ui∈{xj}，j=1,……,k，概率為p(xj)，xj出現(xiàn)的次數(shù)為nj根據(jù)相加性的特點(diǎn)，總的信息量為：2.隨機(jī)序列的信息量：設(shè)u1,u2,u3…uN，ui∈{xj}，j=1,85例題：一個(gè)離散信源每毫秒發(fā)出a，b，c，d

中符號(hào)中的一個(gè)，各相互獨(dú)立符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為 試求：1秒內(nèi)離散信源發(fā)送消息acabcbaabaddabbbdaaaccaaadcccdaadaaaddadacdadcdabccdaaccd

的信息量？（lg2=0.301lg3=0.477lg5=0.7）例題：1秒內(nèi)離散信源發(fā)送消息acabcbaaba86解：此消息的長(zhǎng)度57個(gè)字符，其中a出現(xiàn)23次，b出現(xiàn)7次，c出現(xiàn)13次，d出現(xiàn)14次，則此消息的信息量為：解：此消息的長(zhǎng)度57個(gè)字符，其中a出現(xiàn)23次，b出現(xiàn)7次，c87§1.5.3多個(gè)信源與互信息

設(shè)兩個(gè)信源X和Y，出現(xiàn)的符號(hào)對(duì)應(yīng)為xi和yj，則聯(lián)合信息量

I(xiyj)=-logP(xiyj)條件信息量

I(xi|yj)=-logP(xi|yj)§1.5.3多個(gè)信源與互信息設(shè)兩個(gè)信源X和88互信息量信道XNoiseY=X+N先驗(yàn)概率：P(xi)后驗(yàn)概率：P(xi/yj)轉(zhuǎn)移概率：P(yj/xi)互信息量：互信息表示X和Y統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)程度互信息量信道XNoiseY=X+N先驗(yàn)概率：P(xi)互信89什么叫“熵” 物理學(xué)上為了衡量熱力體系中不能利用的熱能，用溫度除熱能所得的熵。 在通信系統(tǒng)中，把信源輸出消息的平均信息量稱為信源的熵。采用“熵”來(lái)衡量通信系統(tǒng)傳輸能力的原因： 當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí)，用符號(hào)出現(xiàn)的概率來(lái)計(jì)算消息的信息量麻煩?！捌骄畔⒘俊钡亩x： 每個(gè)符號(hào)所含信息量的平均值?！?.5.4離散信源的熵什么叫“熵”§1.5.4離散信源的熵90計(jì)算公式:香農(nóng)熵：表示N個(gè)符號(hào)的離散消息源的平均信息量單位：比特/符號(hào)性質(zhì)：H(X)P平均信息量是非負(fù)的，即H(X)≥0平均信息量具有上凸性，即H(X)是P(x)的上凸函數(shù)計(jì)算公式:香農(nóng)熵：表示N個(gè)符號(hào)的離散消息源的平均信息量性質(zhì)：91例題：計(jì)算上例中信源的平均信息量？【解】★

消息的信息量I與平均信息量H的關(guān)系：I=MHM為消息的總符號(hào)數(shù)【上例的信息量】例題：【解】★消息的信息量I與平均信息量H的關(guān)系：I=MH92小結(jié)討論：上題中，利用平均信息量算得的消息總信息量與利用哈萊特