通信原理第1章 绪论讲解

第1章 绪论,1.1 通信的发展 1.2 消息、信息和信号 1.3 通信系统 基本概念 数字通信的优点 数字通信系统模型 数字通信系统的主要性能指标 1.4 信道 无线信道 有线信道 信道模型 信道特性对信号传输的影响 1.5 信道中的噪声 1.6 信道容量,通信：信息的传递 通信的发展史 古代通信的起源 近代通信的发展 两类通信方式 通信发展的五大阶段 语言 邮政 印刷 电报、电话、广播 信息时代、计算机通信,1.1 通信的发展,消息：待于传输的语音、文字、图形、图像等 同一种信息的内容可用不同形式的消息来表达 连续消息：消息的状态连续变化或是不可数的 离散消息：指消息的状态是可数的或离散的 信息：消息的有效内容 不同消息可有相同内容 信号：是消息的具体表现形式或消息的载体 通常是指随时间变化的物理量(与消息相对应的电量) 通信系统中传输的是信号 模拟信号与数字信号 三者关系： 消息、信号是具体的概念，信息是抽象的概念； 消息是信息的载体，而信号又是消息的载体，是具体表现的物理参量。,1.2 消息、信息和信号,模拟信号：连续信号，信号的某一参量可以连续变化， 或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续 模拟信号波形 (a) 连续信号 (b) 抽样信号 数字信号：离散信号，信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。 数字信号波形 (a) 二进制波形 (b) 2PSK波形,1.2 消息、信息和信号,模拟信号与数字信号,信息的度量-信息量 离散消息的信息量 消息中包含的信息量I是该消息出现的概率P(x)的函数, I = I P(x) ； 消息出现的概率越小，所包含的信息量越大；反之，越小； 若干个相互独立的消息，那么总的信息量应该是每个消息的信息量之和； 若一个消息 （或其描述的事件）出现的概率为 ，则这一消息所含的信息量为：,1.2 消息、信息和信号,通常取 a = 2, 此时单位为bit(比特),例1-1 已知二进制离散信源(0，1)，每一符号波形等概独立发送，求传送每一个波形的信息量。 解：由于每一波形出现的概率为P=1/2，故其信息量为： I = log2 1/P(x)= log2 2=1bit 例1-2 已知四进制离散信源(0，1，2，3)，每一符号波形等概独立发送，求传送每一个波形的信息量。 解：由于每一波形出现的概率为P=1/4，故其信息量为： I = log2 1/P(x)= log2 4=2bit M(M=2k)进制的每一波形所含的信息量，恰好是二进制每一波形 所含信息量的k倍。（前提：独立、等概）,1.2 消息、信息和信号,信息的度量-信息量,1.2 消息、信息和信号,信息的度量-信息量,例1-3 一信息源由4个符号A、B、C、D组成，它们出现的概率分别 是1/4、3/8、1/8、1/4，且每个符号的出现都是独立的。试求某个消息“ABACDDACCCDBBBDCDABCDAADCBCA”的信息量。,已知一段消息总共有28个符号，其中A出现7次，B出现6次，C出现8次，D出现7次。所以此消息携带的总信息量为:,解：符号A、B、C、D携带的信息量分别为：,IA = log2 1/P(xA)= log2 4=2bit IB = log2 1/P(xB)= log28/ 3=1.415bit IC = log2 1/P(xC)= log2 8=3bit ID = log2 1/P(xD)= log2 4=2bit,离散信源的平均信息量-信源熵 定义：信源中每个符号所包含信息量的统计平均值 统计独立的N个符号的离散信息源的平均信息量为：,1.2 消息、信息和信号,信息的度量-信息量, 信源熵的性质： (1) 非负； (2) 当信源符号等概率出现，信源熵有最大值，为： H(X) =-log2 q= log2 N 其中，q为每个信源符号发生的概率，N为信源中符号种类 的数目； (3) 消息中包含的符号个数为n，信源熵为H(X) ，则总信息量为： I= H(X) ·n,（bit/符号）,1.2 消息、信息和信号,信息的度量-信息量,例1-3 一信息源由4个符号A、B、C、D组成，它们出现的概率分别 是1/4、3/8、1/8、1/4，且每个符号的出现都是独立的。试求某个消息“ABACDDACCCDBBBDCDABCDAADCBCA”的信息量。,解：平均信息量为：,H(X) = P(xA) ×log2 1/P(xA)+ P(xB) × log2 1/P(xB) +P(xC) × log2 1/P(xC)+ P(xD) × log2 1/P(xD) = 1/4 × log2 4+ 3/8 × log28/ 3 + 1/8 × log2 8+ 1/4 × log2 4 =1.906(bit/符号),所以该消息所含信息量为： I= H(X) ·n=1.906 ×28=53.37(bit),通信系统 定义：实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和 通信系统的一般模型,1.3 通信系统,信源:消息的产生地，把各种消息转换成原始电信号 模拟信源:输出的是模拟信号 数字信源:输出离散的数字信号,发送设备：将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。,信道：传输信号的物理媒质,噪声源 固有，非人为加入的设备 为研究方便，认为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道,接收设备 ：从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始 基带信号,信宿：传输信息的归宿点，将复原的原始信号转换成相应的消息,模拟通信系统 信道中传输的是模拟信号 模拟通信系统的一般模型,1.3 通信系统,模拟通信的主要特点 抗干扰能力差 不易于保密通信 设备不易于大规模集成 不适应飞速发展的计算机通信的要求 简单、易于实现,数字通信系统 信道中传输的是数字信号 数字通信系统的一般模型,1.3 通信系统,信源编解码：压缩、加密解密 信道编解码：差错控制 调制解调器：信道传输,1.3 通信系统,数字通信系统,数字通信系统的优缺点,优点 抗干扰、抑制噪声能力强，可中继 取值有限，能正确接收 差错可控制的传输，质量高 易于保密 便于与各种数字终端接口，适合计算机通信 易于实现VLSI（超大规模集成电路 ） 缺点： 信道占用宽 解决方案-宽频信道、压缩编码 电路复杂 解决方案-VLSI,通信系统的主要性能指标,1.3 通信系统,模拟通信系统的主要性能指标,有效性(速度)-带宽B 可靠性(质量) -信噪比S/N 信噪比：信号与噪声的平均功率之比 信噪比可用分贝(dB)表示，SNR=10lg(S/N) dB,数字通信系统的主要性能指标,有效性(速度)-传输速率、频带利用率 码元传输速率(码元速率、传码率、波特率) RB 定义：每秒钟传输的码元个数 RB=1/TB 其中，TB为码元持续时间(码元宽度) 单位：波特(Baud) 信息传输速率(信息速率、传信率、比特率) Rb 定义：每秒钟传输的信息量 单位：比特/秒(b/s 、 bps、bit/s),1.3 通信系统,有效性(速度)-传输速率、频带利用率 码元传输速率(码元速率、传码率、波特率) RB 信息传输速率(信息速率、传信率、比特率) Rb 以上二者关系 一般情况下， Rb=RB·H 等概时，H=log2N，Rb=RB·log2N 其中，N为信源中符号种类的数目,即进制数 二进制：Rb2=RB2 N进制：RbN=RBN·log2N 二进制与多进制的比较(等概情况下) 码元速率相同,即RB2=RBN时 RbN=Rb2·log2N 信息速率相同,即Rb2=RbN时 RBN=RB2/log2N,数字通信系统的主要性能指标,1.3 通信系统,有效性(速度)-传输速率、频带利用率 频带利用率(带宽效率) B 、b 定义：单位频带内的码元速率或信息速率 B=RB/B (Bd/Hz) ；b=Rb/B(b/(s·Hz) 等概且码元速率相等时，bN=b2·log2N 可靠性(质量)-差错率 误码率Pe 定义：错误接收码元数目在传输码元总数中所占的比例 误信率Pb 定义：错误接收比特数目在传输比特总数中所占的比例 二者关系 二进制： Pe=Pb 多进制： PePb,数字通信系统的主要性能指标,1.3 通信系统,例1-4 已知二进制数字信号的传输率为2400 b/s，试问变换成四进制数字信号时，传输速率为多少波特？ 解：若信息速率保持不变，则传码率为: RB=Rb/log2N=2400/2=1200Bd,例1-5 某系统采用脉冲组方式传递信息。每个脉冲组包含4个信息脉冲和一个休止脉冲。每个信息脉冲和休止脉冲的宽度均为1ms，且4个信息脉冲等概出现。试求码元速率和平均信息速率。 解： 由题可知TB=1ms，则码元速率RB=1/TB=1000Bd 而5个脉冲中有4个信息脉冲，且等概出现，从而每个信息 脉冲包含2b信息，所以Rb=4/5×2×RB=1600bps,1.3 通信系统,【练习】 设某数字传输系统传输二进制码元的速率为2400Bd（等概），试求该系统的信息速率；若改为传送十六进制信号码元，码元速率不变，则这时的系统信息速率为多少？ (2400b/s 9600b/s),【练习】 设某信源的符号集由ABCDE组成，设每一符号独立出现，概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16，5/16；信息源以2000Bd速率传送信息。 (1)求传送一小时的信息量； (2)若以其他概率传输，求传送一小时可能达到的最大信息量。 (1.606×107b 1.672×107b),信道：是指以传输媒质为基础的信号通道。,1.4 信道,信道,狭义信道,广义信道,有线信道,无线信道,调制信道,编码信道,信道的数学模型 恒参信道及其传输特性,1.4 信道,信道的数学模型,调制信道模型,有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端； 绝大多数的信道都是线性的， 即满足线性叠加原理； 信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间； 信号通过信道会受到固定的或时变的损耗； 即使没有信号输入， 在信道的输出端仍可能有一定的输出(噪声)。,so(t) = f si(t) + n(t) 其中， si(t) 输入的已调信号； so(t) 输出信号； n(t) 加性噪声，与si(t)相互独立。 f si(t) 与输入有关的一个函数, 表示信道对于信号的影响。,1.4 信道,信道的数学模型,调制信道模型,so(t) = f si(t) + n(t),通常， f si(t) 可以表示为：c(t)* si(t)， 频域表示C() Si() 其中C()表示时变线性网络的特性 ，称为乘性干扰。 最简单情况： C() = 常数，表示衰减。 当C() =常数，称为恒(定)参(量)信道 当C() 常数，称为随(机)参(量)信道,1.4 信道,信道的数学模型,编码信道模型,输出的总的错误概率为,其中，P(0/0), P(1/1) 正确转移概率 P(0/1), P(1/0) 错误转移概率 P(0/0) = 1 - P(1/0)， P(1/1) = 1 - P(0/1),1.4 信道,信道的数学模型,编码信道模型,无记忆编码信道：由于信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的,多进制无记忆编码信道模型,1.4 信道,