通信原理-第1章

通信原理第1章緒論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(lèi)與通信方式

1.4

信息及其度量1.5

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

第1章緒論

1.1通信的基本概念

古代的烽火臺(tái)、金鼓、旌旗以及當(dāng)今的書(shū)信、電報(bào)、電話、廣播、電視等都是現(xiàn)實(shí)生活中我們所熟悉的通信實(shí)例。盡管通信的方式各種各樣，傳遞的內(nèi)容千差萬(wàn)別，但都有一個(gè)共性，那就是進(jìn)行信息的傳遞。通信------按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸。通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。1.1通信的基本概念消息：是信息的物理表現(xiàn)形式，例如語(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等，是通信系統(tǒng)中傳輸?shù)木唧w對(duì)象。消息是隨機(jī)變化的。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。是一個(gè)含義廣泛、抽象的概念。信號(hào)：消息的載體。信號(hào)隨消息變化，是隨機(jī)信號(hào)。通信的本質(zhì)是隨機(jī)的。1.1通信的基本概念實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如烽火臺(tái)、旌旗、消息樹(shù)…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。

1.1通信的基本概念電信發(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(wèn)世1936年：商業(yè)電視廣播開(kāi)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(guò)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通信：利用電（或光）信號(hào)將消息中所包含的信息從信源傳送到一個(gè)或多個(gè)目的地。

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(chēng)信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)（基帶信號(hào)），如話筒(聲音—音頻信號(hào))、攝象機(jī)（圖像—視頻信號(hào)）。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)。圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

1.2

通信系統(tǒng)的組成信道：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃譃橛芯€信道和無(wú)線信道。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。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。1.2

通信系統(tǒng)的組成圖1-2廣播通信系統(tǒng)示意圖1.2

通信系統(tǒng)的組成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1-3模擬信號(hào)1.2

通信系統(tǒng)的組成數(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1-4數(shù)字信號(hào)1.2

通信系統(tǒng)的組成模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來(lái)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)或頻帶信號(hào)）圖1-5模擬通信系統(tǒng)模型1.2

通信系統(tǒng)的組成數(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(lái)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1-6數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.2

通信系統(tǒng)的組成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(lái)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)同步要求高第1章緒論

1.3通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類(lèi)按通信業(yè)務(wù)分類(lèi)：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(lèi)：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（頻帶或調(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(jiàn)書(shū)中表1-1。按信號(hào)特征分類(lèi)：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒介分類(lèi)：有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)按工作波段分類(lèi)：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通……按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用1.3

通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式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

1.3

通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式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。1.3

通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式串行傳輸：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(lèi)方式：同步通信和異步通信；專(zhuān)線通信和網(wǎng)通信第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(lèi)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。

1.4

信息及其度量度量信息量的方法（離散消息的信息量）事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來(lái)描述： 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＝

；

－信息量的定義1.4

信息及其度量上式中對(duì)數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱(chēng)為比特(bit)，可簡(jiǎn)記為b

若a=e，信息量的單位稱(chēng)為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱(chēng)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(chēng)作1比特。1.4

信息及其度量若有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。1.4

信息及其度量對(duì)于非等概率情況（離散信源的平均信息量） 設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號(hào)組成的集合，即

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(chēng)它為信息源的熵bit/符號(hào)1.4

信息及其度量

【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?！窘狻看讼⒅?，“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

1.4

信息及其度量若用熵的概念來(lái)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。當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。(bit/符號(hào))1.4

信息及其度量[例2]某信息源的符號(hào)集有A、B、C、D和E組成，設(shè)每一符號(hào)獨(dú)立出現(xiàn)，其出現(xiàn)的概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。試求該信息源的符號(hào)平均信息量（信源熵）。解：該信息源符號(hào)的平均信息量（熵）為1.4

信息及其度量連續(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(lái)描述?？梢宰C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。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(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題?？煽啃裕褐附邮招畔⒌臏?zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶（帶寬）來(lái)度量?？煽啃裕嚎捎媒邮斩俗罱K輸出信噪比來(lái)度量。1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)衡量。碼元傳輸速率（傳碼率）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（傳信率、比特率）Rb：?jiǎn)挝粫r(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

1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)碼元速率和信息速率的關(guān)系

或 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)：M=2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對(duì)于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M=8）中，若碼元速率為1200B，則信息速率為3600b/s。1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即 或可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率誤信率，又稱(chēng)誤比特率 在二進(jìn)制中有1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)[例3]設(shè)一信息源的輸出由128個(gè)不同符號(hào)組成。其中16個(gè)出現(xiàn)的概率為1/32，其余112個(gè)出現(xiàn)概率為1/224。信源每秒發(fā)出1000個(gè)符號(hào)，且彼此獨(dú)立。試計(jì)算該信源的平均信息速率。解：每個(gè)符號(hào)的平均信息量1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

[例4]已知某八進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率為3000bit/s,在接收端10分鐘內(nèi)共測(cè)得出現(xiàn)18個(gè)錯(cuò)誤碼元，試求該系統(tǒng)的誤碼率。解：

依題意

則

RB=Rb/log28=1000B則系統(tǒng)的誤碼率：1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)[例5]

某數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖撬倪M(jìn)制碼元,4秒傳8000個(gè)碼元。另一數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖鞘M(jìn)制碼元,6秒傳7200個(gè)碼元。分別求出每個(gè)系統(tǒng)的碼元速率和信息速率。1.5

通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)[例7]

攝像機(jī)每30毫秒產(chǎn)生1幅40萬(wàn)像素的彩圖。每像素有RGB三種顏色構(gòu)成，各32個(gè)灰度級(jí)。求攝像機(jī)輸出的信息速率。（200Mbps)[例6]

黑白電視機(jī)的圖像每秒傳25幀,每幀6