桂林理工大学-通信原理-第1章-绪论

1、通信原理,桂林理工大学信息科学与工程学院 通信教研室 施晓东 Email: ,关于本课程,通信原理为信息类专业的技术基础课，要求重点掌握通信系统的基本概念和基本分析方法，以及信息传输的基本原理；熟悉各种通信技术的基本特点以及性能。 先修课程：信号与系统、概率论与随机过程等 课程结构：理论（54课时）+ 实验（10课时） 学习方式：课堂教学 + 课后作业+实验 考试方式：笔试，闭卷 成绩评定：70%考试 + 30%（平时+实验）,主要参考书,樊昌信通信原理第六版 国防工业出版社 曹志刚,现代通信原理 清华大学出版社 L.W.Couch,数字与模拟通信系统第七版 电子工业出版社,课程主要内容,第1章 绪论（4学时） 第2章 确知信号 第3章 随机过程（6学时） 第4章 信道（4学时） 第5章 模拟调制系统（6学时） 第6章 数字基带传输系统（6学时） 第7章 数字带通传输系统（6学时） 第8章 新型数字带通调制技术（4学时） 第9章 模拟信号的数字传输（6学时）,课程主要内容,第10章 数字信号的最佳接收（4学时） 第11章 差错控制编码（6学时） 第12章 正交编码与伪随机序列 第13章

2、 同步原理（2学时） 第14章 通信网,第1章 绪论,第1章 绪论,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统的分类和通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系统的主要性能指标,本章学习目标,了解 通信技术的发展； 掌握 消息、信息、信号 的定义； 掌握 数字通信的概念，理解 数字通信的优点； 掌握 通信系统模型 及其 主要性能指标；,重点：1.信息的度量； 2.数字通信系统模型的理解与掌握。 难点：数字通信系统性能指标的理解与计算；,1.1 通信的基本概念,古代峰火边防,海军旗语,信鸽传书,传统通信的几种形式,1.1 通信的基本概念,无线广播,移动通信,移动电视,电视广播,雷达,卫星广播,现代通信的几种形式,1.1 通信的基本概念,通信: 信息（或消息）的 传输 和 交换 。 （要求 准确 、迅速）,消息：信息的 物理表现形式 。如符号、文字、 话音、数据 或 图像 等。,信息：消息 的 内涵 ，即信息是消息中所包含 的人们原来不知 而待知的内容 。,1.1 通信的基本概念,电通信：是利用 电（电流或电波，包括光）来 传 递 信息 。 现代通信 一般 均是指

3、 “电通信”。,信号：消息的电的表示形式。在电通信系统中， 电信号是消息传递的物质载体。,通信系统：是完成传递信息任务所需要的一切技术 设备和传输媒介所构成的总体。,1.1 通信的基本概念,通信系统与电力系统的主要区别,在电力系统中，信号的波形是确定的，设计电力系统时主要考虑如何尽量减少电能的损失。,通信系统中，接收端在没有收到信号之前是不知道信号波形的，否则就没有可传输的信息，也就没必要进行通信了。,思考：,1.2 通信系统的组成,1.2.1 通信系统一般模型,在本书中，特指将原始信息转换成电信号的设备，如麦克风等,如调制器、功率放大器、天线等,如双绞线、光纤、同轴电缆等。 注意：自由空间也是一种信道,是一种随机信号，对通信有害， 但不可避免。,是发送设备处理的“逆过程”,在本书中，特指将电信号还原成原始信息的设备，如扬声器等,1.2 通信系统的组成,1.2.2 模拟通信系统和数字通信系统,模拟信号与数字信号,通信系统中，消息的传递是通过其物理载体电 信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参 量（幅度、频率或相位等）上。 按信号参量的取值方式不同，可把信号分为模拟 信号和数字信号两

4、类。,模拟通信系统和数字通信系统,按照 信道中传输的信号 是模拟信号还是数字信 号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字 通信系统。,1.2 通信系统的组成,(a) 二进制信号 (b) 2PSK信号,(a) 话音信号 (b) 抽样信号,模拟信号：电参量的取值连续（不可数、无穷多）,数字信号：电参量的取值仅可能取有限个值,1.2 通信系统的组成,两种重要的变换,1. 发送端通过信源把连续消息变换成原始电信号（基带信号，基带的含义是信号频谱从零频附近开始），在接收端通过信宿进行相反的变换。,2. 调制器把基带信号转换成适合在信道传输的信号，并在接收端通过解调器进行反变换。经过调制后的信号成为已调信号（带通信号、频带信号）。,模拟通信系统模型,1.2 通信系统的组成,模拟通信系统模型（以AM广播为例）,模拟信源,调制器,人的语音频率在300Hz到4000Hz之间，无法通过天线发射出去（教材P65）,从这个过程中我们可以知道，实际上，模型中的调制解调器中都包含了放大功能,1.2 通信系统的组成,数字通信系统模型,可能是模拟信源（如麦克风），也可能是数字信源（如计算机）,若信源是数字信源，主要

5、是对其进行数据压缩，以降低码元速率，提高信息传输的有效性； 若是模拟信源，则先进行A/D变换再进行压缩,主要功能是检错和纠错，提高信号的抗干扰能力，从而保证通信的可靠性。,与模拟调制的作用类似：把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道传输的带通信号。,是发送端处理的“逆过程”，不再赘述,通过人为地将所传输的数字序列扰乱，提高信息传输的安全性。,1.2 通信系统的组成,数字通信的特点,优点：,缺点：,1.3 通信系统分类与通信方式,通信系统的分类,表1-1 常见调制方式及用途,表1-1 常见调制方式及用途,表1-2 通信波段及常用传输媒质,表1-2 通信波段及常用传输媒质,图1: 信号复用方式示意图,时间,频率,码字,码分复用（CDM）,1.3 通信系统分类与通信方式,通信方式单工、半双工和全双工通信,单工通信：消息只能够 单方向传输 的工作方式，如广播、遥控等。,半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式，如使用同一载频的传统对讲机等。,全双工通信：通信双方可 同时进行收发 消息的工作方式，如电话等。,1.3 通信系统分类与通信方式,通信方式并行传输 和

6、串行传输,并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。,串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地再一条信道上传输。,1.4 信息及其度量,任何 信源 产生的 输出 都是 随机的 ，信息量 就是 对 消息 中 这种 不确定性 的 度量 。 信息量 与 事件发生 的 概率 有关，事件 出现的概率 越小，信息量 就 越大；必然事件的 概率 为 1 ，则 它 传递的 信息量 就为 0 。,1.4 信息及其度量,若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量具 有相加性:,综合 以上 三条规律 ，根据 概率论 知识 ，信息量与 消息 出现的 概率 之间的 关系 应为 ：,信息量的单位 与 对数 底数 a 有关。 a=2 时，信息量的单位为 比特 (bit) ，最常用； a=e 时，信息量的单位为 奈特 (nat)； a=10 时，信息量的单位为 哈特莱（Hartly）。,1.4 信息及其度量,可见，传送 等概率 的 二进制 波形 之一 的 信息量 为 1 比特 。同理，传送 等概率 的 四进制 波形 之一 的 信息量 为 2 比特。,【例1

7、-1】 设 二进制 离散信源 ，以 相等 的 概率 发送数字 0 或 1 ，则 信源 每个输出 的 信息含量 为多少？,1.4 信息及其度量,传送 等概率 四进制 波形 之一 的 信息量 为 2 比特，每个 四进制波形 需要用 2 个 二进制脉冲 表示； 传送 等概率 八进制 波形 之一 的 信息量 为 3 比特，每个 八进制波形 需要用 3 个 二进制脉冲 表示。 综上所述，式中 K 是 二进制 脉冲 数目。,式中 P 为 每一个波形出现的概率，M 为传送的波形数。若 M 是 2 的 整幂次，比如 （ K =1，2，）则 式(1.4-4) 可改写为：,式(1.4-4),1.4 信息及其度量,设 离散 信息源 是 一个 由 n 个 符号 组成的 集合 ，按 独立出现。记,2、非等概情况的信息量的计算,1.4 信息及其度量,由于 H 同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为 信息源的熵 ，其 单位 为 bit / 符号。 当信源中 每个符号 等概 独立 出现 时，式(1.4-6)即成为 式(1.4-5) 。可以证明，此时 信源的熵有最大值：,1.4 信息及其度量,【例1-2】一 离散信源

8、由 0 ，1 ，2 ，3 四个符号 组成 ，它们 出现 的 概率 分别为 3/8 ，1/4 ，1/4 ，1/8 ，且 每个符号 的 出现 都是 独立的 。试求 某消息：2010201302 13001203210100321010023102002010312032100120210 的 信息量 。,解：0 出现 23 次 ； 1 出现 14 次 ；2 出现 13 次 ；3 出现 7 次 ；共有 57 个 符号，故 该消息的 总信息量 为,1.4 信息及其度量,每个符号 的 算术平均信息量 为：,可见，两种算法 的 结果 有 一定误差 ，但当 消息很长 时，用 熵 的 概念 来计算 比较方便 。 而且 随着 消息序列长度 的 增加 ， 两种 计算误差将趋于 零 。,若用 熵 的 概念 来计算，由 式(1.4-5) 得：,1.5 通信系统主要性能指标,通信的任务是快速、准确地传递信息。评价通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。,有效性 是指 在 给定时间 内 所传输 的 信息内容 的多少 ，或者说是 传输的 “速度” 问题； 可靠性 是指 接收信息 的 准确程度 ，也就是 传

9、输的 “质量”问题。,这两个问题 相互矛盾 而又 相对统一 ，通常 还可以 进行 互换 。,1.5 通信系统主要性能指标,一、模拟通信系统,有效性指标：用 单位时间 传送的 信息量 或 有效传输频带 来衡量。 频带相同时，单位时间内传送信息量越大，有效性越好；单位时间传送的信息量相同时，占用频带越窄，有效性越好。,1.5 通信系统主要性能指标,有效性 用 传输速率 来衡量； 可靠性 用 差错率 来衡量。 ,二、数字通信系统,1.5 通信系统主要性能指标,在数字通信中，一个码元（符号）在 时间轴上的长度 被称为 码元长度 。,数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的 码元长度 TB 有关,信息传输速率 Rb 简称 传信率，又称 比特率 等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是 比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或 bps 。,1.5 通信系统主要性能指标,式中，H 是 信源中 每个符号 所含的 平均信息量 ( 熵 ),码元速率 和 信息速率 有 确定的关系 ，即,等概传输 时，熵 有 最大值 ，信息速率 也达到 最大 ，即,式中，M 为 符号的 进制数 。二进制 的 码元速率和 信息速率 在数量上 相等。,1.5 通信系统主要性能指标,频带利用率是单位频带内的码元传输速率。它真正衡量数字通信系统的传输效率，即系统有效性。,数字信号的传输带宽 B 不仅与 码元速率 RB 有关，而且与数字信号的调制方式有关。,码元传输速率 RB 与 信息传输速率 Rb 有关，为了比较不同系统的传输效率，又可定义 频带利用率 为：,1.5 通信系统主要性能指标,误码率（码元差错率）Pe ，是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即：,衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。,2、差错率,1.5 通信系统主要性能指标,误信率（信息差错率）是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即：,显然，在二进制中有：,作 业,习题：1-2、1-4、1-

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