通信原理樊昌信六版第1章

第一章绪论1.1引言(了解)1.2通信系统的组成(理解)1.3通信系统分类与通信方式(识记)1.4信息及其度量(理解)1.5主要性能指标(识记)**第1章绪论进入第一章绪论从古到今，人类的社会活动总离不开消息的传递和交换§1.1引言古代的消息树、烽火台和驿马传令现代的电通信—固定电话,手机,电报,传呼,电视…本课程将介绍现代电信系统的基本理论知识!第一章绪论1.1引言(了解)1.2通信系统的组成(理解)1.3通信系统分类与通信方式(识记)1.4信息及其度量(理解)1.5主要性能指标(识记)**第1章绪论第一章绪论§1.2通信系统的组成1.2.1通信系统模型信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源发送端接收端图1-1通信系统的一般模型第一章绪论信息源——把各种可能消息转换成原始电信号。语声、事件场景、数据记录→麦克风、摄象机、光驱、软盘。发送设备——将原始电信号变换成利于在信道传输的信号。广播电台、电视发射塔、计算机COM口。信道——信号传输通道。空间、电线。接收设备—从接收信号恢复相应的原始信号。收音机、电视机、计算机COM口。受信者——将原始电信号转换成消息。喇叭、TV显象管、显示器。噪声源——信道中噪声及分散在通信系统其它各处的噪声集中表示。第一章绪论模拟通信与数字通信模型信息可以分为:01001101uttu连续消息：连续变化的语音，图像等离散消息：符号，文字或数据等第一章绪论按信道中传输的是模拟信号——模拟通信系统是数字信号——数字通信系统应当指出：也可将模拟信号变成数字信号传输。数字通信的优点抗干扰能力强传输差错可以控制可使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理可以加密在同一个通信网里，可以传递各种消息第一章绪论图1-4模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源模拟通信系统模型:第一章绪论模拟通信系统的一个例子是中波广播电台，发射频率为1450KHz。麦克风调制功放调谐放大解调对比课本上图1-4第一章绪论图1–3数字通信系统模型(a)信息源加密器编码器调制器信道解调器译码器解密器受信者噪声源数字通信系统模型:第一章绪论图1–3数字通信系统模型(b)数字通信系统模型:信息源基带信号形成器信道接收滤波器受信者噪声源第一章绪论其他数字通信系统模型信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源数字通信系统模型:第一章绪论电传机电缆FSK调制解调译码受信者数字通信系统的例子：第一章绪论1.1引言(了解)1.2通信系统的组成(理解)1.3通信系统分类与通信方式(识记)1.4信息及其度量(理解)1.5主要性能指标(识记)**现代通信发展趋势第1章绪论第一章绪论1.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统的分类(1)按通信业务分电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等(2)按调制方式分基带（如RS232（COM））、频带传输（调制传输）（如音频电话）第一章绪论表1-1常见的调制方式调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制幅度键控ASK数据传输相位键控数据传输第一章绪论调制方式用途脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话续表（2）第一章绪论（4）按传输媒体分有线通信：光缆、电缆（电线）。无线通信：微波、短波、移动、卫星、散射等。（3）按信号特征分，可以把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统（5）按工作波段分，分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外通信等(6)按信号复用方式分频分复用：不同信号占据不同的频率范围时分复用：不同信号占据不同的时间区间码分复用：第一章绪论表1–2频率范围波长符号传输媒质用途3~30Hz107~108m极低频ELF长波无线电远程导航、水下通信30~300Hz106~107m超低频SLF有线、长波无线电水下通信300~3kHz105~106m特低频ULF有线、长波无线电远程通信3Hz~30kHz104~108m甚低频VLF有线、长波无线电远程导航、水下通信、声纳30~300kHz103~104m低频LF有线、长波无线电导航、水下通信、无线电信标300kHz~3MHz102~103m中频MF同轴电缆短波无线电调幅广播、海事通信、业余无线电3~30MHz10~102m高频HF同轴电缆短波无线电远程广播、短波广播定点军用通信、业余无线电30~300MHz1~10mVHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航第一章绪论续表（2）频率范围波长符号传输媒质用途300MHz~3GHz10~100cmUHF无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达、GPS、蜂窝网3~30GHz1~10cmSHF无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mmEHF无线电雷达、微波接力、射电天文学107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可见光间传播光通信第一章绪论1.3.2对于点点通信：按消息传输的方向与时间关系分：（见樊昌信书P9，图1-6.）方式单工半双工全双工通信例子BP、广播、电视对讲机电话、手机发端信道收端(a)(a)单工第一章绪论1.3.2对于点点通信：按消息传输的方向与时间关系分：（见樊昌信书P9，图1-6.）方式单工半双工全双工通信例子BP、广播、电视对讲机电话、手机发端信道收端发端收端(b)(b)半双工第一章绪论1.3.2对于点点通信：按消息传输的方向与时间关系分：（见樊昌信书P9，图1-6.）方式单工半双工全双工通信例子BP、广播、电视对讲机电话、手机发端信道收端发端收端信道(c)(c)全双工第一章绪论在数字通信中，按数字信号码元序列排列，有串行、并行通信传输之说：（见樊昌信书P9，图1-7.）方式串序（串行）并序传输（并行）说明一条通道多条导线传输例子COM、RS232（计算机）打印机口（计算机）发送设备接收设备101(b)串行传输第一章绪论发送设备接收设备¡并行传输第一章绪论1.1引言(了解)1.2通信系统的组成(理解)1.3通信系统分类与通信方式(识记)1.4信息及其度量(理解)1.5主要性能指标(识记)**第1章绪论第一章绪论1.4信息具有随机性信息含量就是对消息中这种不确定性的度量让我们从常识的角度来感觉几条消息：①太阳从东方升起；②太阳将从西方升起。第一条几乎没有带来任何信息，第二条带来了大量信息。第一章绪论信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。“今年冬天更冷些!”“今年冬天和去年夏天一样热!”第一条几乎没有带来任何信息，第二条带来了大量信息。第二条的消息比第一条的消息----具有更小的概率！第一章绪论根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息，根据上面的认知，显然I与P(x)之间的关系反映为如下规律：（1）信息量是概率的函数，即xpIxpfI第一章绪论（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，即I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1时，I→0P(x)→0时，I→∞第一章绪论综上所述，信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系a=2单位为bit（常使用）a=e单位为奈特（nat）a=10单位为哈特莱(也称笛特（Det）)或称十进制单位)(log)(1logxpxpIaa第一章绪论可见，传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。同理，传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。下面举例说明信息量的对数度量是一种合理的度量方法。例1–1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211I(0)=I(1)=log2=log22=1(bit)第一章绪论综上所述，对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为I=log2=log2=log2M(bit)(1.3-3)p1M11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M=2K（K=1，2，3，…），则式(1.3-3)可改写为第一章绪论式中,K是二进制脉冲数目，也就是说，传送每一个M（M=2K）进制波形的信息量就等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目K。？？？？I=log22K=K(bit)(1.3-4)第一章绪论H(x)=P(x1)［log2P(x1)］+P(x2)［log2P(x2)］+…+P(xn)［log2P(xn)］=符号）/)((log)(21bitxpxpinii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ni1如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,n)出现的概率为P(xi)，P(xi)=1则x1,x2,…,xn所包含的信息量分别为-log2P(x1),-log2P(x2)，…，-log2P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为第一章绪论显然，当信源中每个符号等概独立出现时，式(1.3-5)即成为式(1.3-3)，此时信源的熵有最大值。H(x)=P(x1)［log2P(x1)］+P(x2)［log2P(x2)］+…+P(xn)［log2P(xn)］=符号）/)((log)(21bitxpxpiniiI=log2=log2=log2M(bit)(1.3-3)p1M11等概率第一章绪论例1-2一离散信源由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201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解：此消息中，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，故该消息的信息量为)(1088log74log134log1438log232222bitI第一章绪论每个符号的算术平均信息量为符号位）符号位/(89.157108bitII若用熵的概念来计算，由式（1.3-5）得81log8141log4183log83222H符号位）/(906.1bit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。第一章绪论信息论中有一个重要结论，就是任何形式的待传信息都可以用二进制形式表示而不失主要内容。抽样定理告诉我们：一个频带受限的连续信号，可以用每秒一定数目的抽样值代替。而每个抽样值可以用若干个二进制脉冲序列来表示。因此，以上信息量的定义和计算同样适用于连续信号。以上我们介绍了离散消息所含信息