通信原理第一章PPT.ppt

安徽大学 电子信息工程学院 2012年2月,主讲教师：刘 瑜 ： 通信原理,教材：通信原理简明教程，南利平等编著，清华大学出版社 本教材有一定深度，希望同学们结合讲课材料和其他参考书来学习。 推荐参考书： 通信原理， 樊昌信，国防工业出版社 通信原理概论，贺贵明，华中科技大学出版社 通信原理学习辅导与习题解答，教材的配套习题集 李学华等 清华大学出版社,关于本课程的先修基础知识和学习注意点 先修基础知识： 基本的电子电路知识 概率论与随机过程的基本知识 信号与系统，特别是傅里叶变换的概念与应用 学习注意点： 本课程作为电子信息类的选修科目，侧重于通信基本 概念和原理的应用，不同于通信类专业的必修要求（96学时），由于课时数较少（54学时），学习的内容深度要求相对要浅显一些，主要目标是使电子类专业学生能在通信原理方面学到概论性的知识和技术。,考核方式,通信原理的分数由平时成绩和考试成绩两部分组成。 考试成绩即期末统一考试成绩占70%。 平时成绩占30%，上课随机点名三次不到者，平时成绩不及格。,第一章 绪论,主要内容 1.1 引言 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系统的主要性能指标 1.6 通信技术的发展概况,主要目的 1、学习通信原理的意义； 2、明确通信理论和技术的部分主要概念； 3、串接通信理论和技术的主要知识框架。,物质、能源、信息是人类生存的三大要素资源。 物质与能源：大学物理课程（基本性质与基本方法） 信息：通信原理课程论述了信息传输与处理的基本过程与方法，是进一步掌握信息科学的必由之路。 对于电子类专业学生，也是拓宽知识面，从而为一系列相关学科（通信电子、自控、遥控遥测、仪表、家电、智能楼宇等）的创造性工作奠定必要的信息科学背景基础。,为什么需要学习通信原理？,1.1 引言,一、什么是通信 （1）通信的通俗定义： 一点向另一点传递消息的过程 （2）通信的专业定义： 利用信号（电、光、声音或烟火、旗帜等）的某一个或几个参数（如电波的振幅、频率、相位等）的变化承载信息，在特定物理媒介（称“信道”）中传输、交换和处理的过程。 （3）现代通信 一般是指“电（光）通信”，通常以语音、图象、数据为媒体，通过电信号(光信号)将信息由一个地方传到另一个地方 通信包括传输、复用、交换和网络等四大技术，本课程主要涉及传输原理,二 通信的发展简史,1.第一阶段 信号、语言 古代通信的起源 烽火戏诸侯,相传，周幽王为博取爱妃褒姒一笑，曾在骊山烽火台举烽火戏弄诸侯。而当犬戎攻入骊山，幽王再次下令点燃烽火时，各诸侯却无人来救，幽王被杀，褒姒被掳，西周灭亡,蔡伦，东汉桂阳人，中国“蔡侯纸”的发明者。元兴元年 (公元105年)用树皮、麻头、破布、旧鱼网造出了达到书写实用水平的植物纤维纸，成为中国古代四大发明之一。安帝元初元年(公元114年)封为龙亭侯。建光元年(公元121年)因宫廷斗争被迫服毒自尽,蔡 伦 字敬仲(？公元121年),2.第二阶段文字、印刷、邮政 运动通信,北宋杭州著名印刷匠，他于10411051年间，创制了一套胶泥活字，发明了活字印刷、木活字排版；还采用两块铁板互换，一版印刷，另一版排版，印刷效率大为提高。毕升的活字印刷，包括了造活字、排版和拆版一整套完备的过程，其原理和今天铅字排印基本相同,毕 升,王 选,计算机汉字激光照排系统,3.第三阶段电气通信,塞缪尔莫尔斯 (Samuel Finley Breese Morse，17911872),在一次远洋旅途中，莫尔斯结识了杰克逊医生(一位电学博士)。闲聊中谈到电磁感应现象从此，莫尔斯走上了科学发明的崎岖道路。终于在1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电报机,1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，莫尔斯发出人类历史上的第一份电报：“上帝创造了何等的奇迹!”,一名成功的画家。1826年至1842年任美国画家协会主席,1862年31岁，发表了第二篇论文论物理力线，进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质,麦克斯韦,1864年他的第三篇论文电磁场的动力学理论，从几个基本实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论 1873年出版的电学和磁学论一书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理、达尔文的物种起源和赖尔的地质学原理相媲美的里程碑式的著作,1876年3月10日历史上最伟大的发明之一：电话诞生了。“沃森先生，请立刻过来，我需要帮助。”这是贝尔通过电话传出的第一句话,1847年 3 月3 日生于英国苏格兰爱丁堡，1873 年被聘为美国波士顿大学发声生理学教授。当时电报已很发达，贝尔研究利用一条线路进行多路电报通信的实验。在实验过程中，他萌发在电报线路上通话的设想 1876年在J.亨利的鼓励和T.A.沃森的协助下，经过反复实验，终于试验电话通话成功 1878年贝尔和沃森成功的在相距 300KM的波士顿和纽约之间作了长途电话通话公开实验，三个月后他成立了贝尔电话公司，从此电话得到了迅速发展,贝 尔 Bell，Alexander Graham(18471922),赫 兹 早逝的物理学家,1894年逝世时仅37岁,其后不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现了无线电传播。无线电报(1894年)、无线电广播(1906年)、无线电导航(1911年)、无线电话(1916年)、短波通讯(1921年)、无线电传真(1923年)、电视(1929年)、微波通讯(1933年)、雷达(1935年)以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化,1886年29岁时做了关于电磁波的实验发现了电磁波，为无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹,1894年当他读到赫兹的电磁波存在时，对无线电产生了兴趣，便开始尝试一连串的实验。那一年他20岁，刚刚被Bologna大学拒绝入学 1895年成功地将无线信号传递到一座小山后面，建立了约1.6公里间的无线电通讯 1896年因意大利拒绝受理他的专利申请，2月来到英国，同年取得第一个无线电电报专利权 1897年他得到1.5万英镑的资助，在伦敦成立了无线电报公司 1899年第一个无线电信息从法国传到英国 1901年他做了一个历史性的试验，成功地将无线信号从英国跨越了大西洋传递到了纽芬兰，这一年他27岁 1909年他与布劳(C.F.Braun,18501918)因发展了无线电电报，共同获得诺贝尔物理奖,马可尼 G. Marconi(1874 1937年),马可尼是家喻户晓的名人，但几乎没有人知道布劳。事实上从许多方面看来，是布劳的工作引导了近代无线电发展的方向。原因是马可尼以专利来保护自己的各种发明，布劳则将其所有的发现以论文的形式发表出来！这”小小“的差异导致他们“完全不同”的命运，除了都获得诺贝尔奖外。,现代信息论的创始人，1938年发表了著名的论文继电器和开关电路的符号分析，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论的开端,香农在贝尔实验室工作时进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用,无失真变长信源编码定理(香农第一定理) 有噪信道编码定理(香农第二定理) 保真准则下信源编码定理(香农第三定理),香 农 Shannon,60年代在英国发明了光纤 70年代，美国康宁公司将它商业化 7080年代，光纤被用于短距离传输，但价格十分昂贵 1987年发明了光纤放大器，光纤产业得以迅速发展 2009年获诺贝尔物理奖,高 锟 华裔通信科学家,4.第四阶段多媒体通信,计算机 互联网 多媒体通信,多媒体通信是指在一次呼叫过程中能同时提供多种媒体信息(声音、图像、图形、数据、文本等)的通信方式，它是通信技术、计算机技术和网络技术相结合的产物。利用多媒体通信，相隔万里的用户不仅能利用声像图文并茂地交流信息，使分布在不同地点的多媒体信息能步调一致地作为一个完整的信息呈现在用户面前，而且用户对通信全过程具有完备的交互控制能力。这就是多媒体通信的分布性、同步性和交互性特点,1958年8月1日我国第一台数字电子计算机诞生，103 机是每秒30次运算速度的电子管计算机 2008年9月18日曙光5000A实现了每秒230万亿次运算速度,ENIAC,三 通信技术的发展趋势,1.数字化 2.微型化 3.标准化 4.智能化 5.全球化 6.个人化,实现消息传递所需的一切设备、传输媒质和通信协议的总和称为通信系统。 从现代通信系统的构成来看，一个通信系统的技术设备可能非常多，拥有成千上万的用户终端，而且在系统内部的不同环节，其传输媒质和信号传输方式也可能有所不同。,1.2 通信系统的组成,下图所示的是公共电话系统和移动电话系统结构简图。其中，移动用户与基站之间是无线传输方式； 基站与移动电话交换局之间，以及移动电话交换局与移动电话交换局之间的传输媒质可能是光纤或电缆； 长途交换网之间的传输信道可以是光纤信道、卫星信道和微波接力信道。,对于点与点之间，要完成通信的过程至少要有： 发送信息者（称“信源”） 接收信息者（称“信宿” ） 传输信息的通道（称“信道” ） 但是很多信号（如语音），如果不经过处理，传输距离很短，而且很容易被干扰； 所以在大多数通信系统中，需要“发送设备”和“接收设备”，它们作用就是使信号传输得更远，质量更好； 它们具体包含了那些部件，其实就是通信原理这门课要讨论的主要内容。,不论一个通信系统有多么复杂，从两个用户之间的一次通信过程来看，都可以看成一个点到点之间的通信系统。因此，点与点之间建立的通信系统是通信的最基本形式，也是研究其它较复杂系统的基础。,1.2.1 通信系统的一般模型,如下图所示：,信源,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,发送设备,信道,噪声源,接收设备,信宿,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。,与是发送设备处理的“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,在上述通用模型中，发送设备对来自信源的信号的处理可能有2种情况： 一、直接对模拟信号进行放大和传输（例如无线广播电台、第一代移动通信系统“大哥大”） 二、把模拟信号转换成数字信号（提高抗噪声性能、且易于加密）后，再进行处理和传输，如数字电视、网络电台、2G/3G/4G移动通信等 根据这两种不同情况，我们把通信系统分为：模拟通信系统和数字通信系统2大类,要点提示：区分模拟还是数字通信系统，要看信道中传输的是 模拟信号和还是数字信号,模拟通信模型和数字通信模型,连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。 离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的， 如符号、数据等。 消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的， 即把消息承载在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位； 脉冲波的幅度、宽度或位置）。,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。 凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。 模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指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， 凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM（脉冲编码调制）信号等。 数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。,信号的基本分类 消息的载体是信号，而信号可分为两大类：模拟信号和数字信号,连续的模拟信号,t,t,离散的模拟信号,2进制数字信号,连续的数字信号 （2进制）,离散的数字信号 （2进制）,注意：“数字”信号的特点是在取值上（即纵坐标）是有限多个值的集合,多进制数字信号,连续的数字信号 （4进制）,t（秒）,00 01 10 11 01,0,1,2,3,称为1个码元周期Tb,注意：在多进制数字信号中， 码元比特,1,2,3,4,1.2.2 模拟通信系统模型,如下图所示（以调幅/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,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,补充知识：基带信号与频带信号,基带信号： 很多信源输出的信号，含有丰富的低频成分，即，其频谱在低频附近（例如我们说的语音在3004kHz，再例如数字电路输出的TTL信号）。这些信号我们统称为基带信号 频带信号： 将基带信号从低频段调制到高频段后的信号（又称“已调信号/已调波”）,已调信号有三个基本特征： 携带有信息 适合在信道中传输 信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。,两种变换 连续消息与基带信号的变换 基带信号与频带信号之间的变换 实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。 由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为是理想的，而不是通信原理的重点讨论内容。,模拟通信的主要特点 1） 抗干扰能力差 2） 不易于保密通信 3） 设备不易于大规模集成 4） 不适应飞速发展的计算机通信的要求 5） 简单、易于实现。,1.2.3 数字通信系统模型,数字通信系统又可分为 数字基带通信系统（用以传输数字基带信号） 数字频带通信系统（又称“数字调制通信系统”，用以传输数字频带信号）,1、数字基带通信系统模型,如下图所示,在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时， 数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中不包括调制与解调环节，例如局域网通信、USB串口通信都属于这一类。,2、数字频带通信系统模型,信 源,可能是模拟信源（如麦克风），也可能是数字信源（如计算机）,信 源 编 码,如果信源是数字信源，主要对其压缩、加密等； 如果是信源是模拟信源，则先进行A/D变换再进行压缩、加密,信 道 编 码,主要功能是检错和纠错，将在后续章节详细介绍。 主要目的是为了保证通信的可靠性,数 字 调 制,与模拟调制的作用是类似的：都是为了使通信传输的信息更远、更多、更抗干扰，将在以后详细介绍,是发送端处理的“逆过程”，不再赘述,随着通信技术的飞速发展，信道编码与数字调制有融合的趋势,怎样理解信源编码和信道编码,信源编码：根据信源的特点进行的相应的编码处理（主要指的是模/数转换和压缩）。 例如语音可采用PCM编码，静止图像有jpg编码，动态图像有mpeg编码，音乐有mp3编码等等 可以看出不同的信源往往有不同的信源编码（这是因为不同的信源的统计特性是不同的） 目的：提高通信的有效性,怎样理解信源编码和信道编码,信道编码：根据信道的特点进行相应的编码，以使信号适合在这种信道中传输，主要指的是检错、纠错。 如在计算机中普遍用的CRC(循环冗余)编码等 不同的信道往往采用不同的信道编码（因为不同的信道有不同的误码特性） 目的：提高通信的可靠性,加密与解密,在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全， 人为将被传输的数字序列扰乱， 即加上密码，这种处理过程叫加密。 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。,同步与数字复接,同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。 按照同步的功用不同，可分为 载波同步、位同步、群同步等 数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。,信号与通信系统模型,模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输 数字电话系统 数字信号也可以在模拟通信系统中传输 计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。 模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。,数字通信的主要特点,抗干扰能力强。 差错可控。 易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。 易于集成化， 从而使通信设备微型化。 易于加密处理， 且保密强度高。 但是，数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。,一路模拟电话带宽4kHz，而一路相同质量的数字电话带宽64kHz，经过压缩处理后也要20kHz以上。,1.3 通信系统的分类及通信方式,1.3.1 通信系统的分类 按信道传输的信号种类来分 按传输的媒介种类来分 按信号是否经过调制,模拟通信系统,数字通信系统,有线通信系统,无线通信系统,基带通信系统,频带（调制）通信系统,根据实际情况来确定是否需要调制（如传输距离）,表 1- 1常见的调制方式（后续章节详细介绍）,续表（2）,按通信系统承载的业务种类分,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,Service,按复用的方式分,频分复用（FDM）通信系统（广播）,时分复用（TDM）通信系统（PCM电话）,码分复用（CDM）通信系统（中国电信CDMA移动电话）,后续章节将详细介绍,这些复用方式并不互相排斥，可能同时使用在一个通信系统中，例如在TD-SCDMA中就同时使用了TDM和CDM,按工作频段(波长)划分,1.3.2通信方式,前述通信系统模型都是单向通信系统 但在多数场合下，信源兼为信宿，需要双向通信，电话就是一个最好的例子 这时通信双方都要有发送和接收设备，并需要各自的传输媒质，如果通信双方共用一个信道，就必须用频率或时间分割的方法来共享信道。因此，通信过程中涉及通信方式与信道共享问题。,1、对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。,单工通信， 是指消息只能单方向传输的工作方式， 因此只占用一个信道。 广播、遥测、遥控、无线寻呼等。 半双工通信，是指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。 使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信。 全双工通信， 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。 普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式， 计算机之间的高速数据通信也是这种方式。,单工、 半双工和全双工通信方式示意图 (a) 单工； (b) 半双工； (c) 全双工,2、按数字信号码元排列方式划分通信方式：并行传输和串行传输 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，如打印通信接口等。 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施 缺点：需要 n 条通信线路，成本高,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在一条信道上传输，如USB通信，RS-232等。 优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用，通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。 缺点：需要外加码组或字符同步措施。,3、按照网络结构划分通信方式,由于通信网的基础是点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点与点之间的通信上。,1.4 信息及其量度,铁路系统运送货物量多少采用“货运量”（不管运送什么货物，通过体积与重量两个参数进行折算）来度量。 通信系统中传输信息的多少采用“信息量”来度量。 信息量的概念与消息、信号、信息的准确概念密切相关。,1.消息 消息是物质或精神状态的一种反映，是人能够感知的描述，在不同时间有不同的表现形式。例如：文字、数据、话音、音乐、图形、图象 前者称为离散消息消息的状态是可数或离散的；后者称为连续消息消息的状态是连续变化的。 2.信息 消息的有效内容，不同消息可有相同内容，消息也可以不包含有效内容。 3.信号 信号是消息传递的物质载体，在电通信中，信号表现为与消息一一对应的电参数，消息是承载在电信号的某一个或几个参量上。 4.简单的类比 消息：语言文字； 信号：说话声音； 信息：思想内容。 思想（信息）通过语言文字（消息）来表达，语言（消息）通过声音（信号）来传输，这就是信号、信息和消息三者之间的关系。,信息是消息中的有效内容，在一切有意义的通信中，消息的传递就意味着信息的传递。但是对接收者而言，消息传递的信息多少是不同的。例如，“明天太阳从东边出来”绝对没有“明天太阳从西边出来”对人的吸引力大。这说明信息是有量值的。 5.信息量 信息量-衡量信息多少的物理量 如何度量消息中所含的信息量？ 度量信息量的原则 能度量任何消息，并与消息的种类无关。 度量方法应该与消息的重要程度无关。 消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关 【例】 “某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。,度量信息量的方法 事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述： 消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。 设：P(x) 消息发生的概率， I 消息中所含的信息量， 则 P(x) 和 I 之间应该有如下关系： 1、I 是 P(x) 的函数： I I P(x) 2、P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1时，I 0； P(x) = 0时，I ； 3、 满足上述3条件的关系式如下： 信息量的定义,之所以取对数是由于信息量的“累加性”决定的,上式中对数的底： 若a = 2，信息量的单位称为比特(bit) ，可简记为b 若a = e，信息量的单位称为奈特(nat)， 若 a = 10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley) 。 通常广泛使用的单位为比特，这时有 (b) 【例】 设一个二进制离散信源，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 在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特 。,若有M个等概率波形（P = 1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为 若M是2的整幂次，即 M = 2k，则有 当M = 4时，即4进制波形，I = 2比特， 当M = 8时，即8进制波形，I = 3比特。,对于非等概率情况 设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)独立出现，即 且有 则x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分别为 于是，每个符号所含平均信息量为 由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵,【例】 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2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210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 每个符号的算术平均信息量为,若用熵的概念来计算： 则该消息的信息量 以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。 当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。,连续消息的信息量 关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为 式中，f (x) 连续消息出现的概率密度。,例题1.4,某信源每天播报某地的天气预报，此地晴天、多云、阴、雨的概率分别为1/2、1/4、1/8、1/8 求： （1）晴、多云、阴、雨的各自所含信息量 （2）信息串“晴-多云-阴-晴-晴-晴-多云-雨”所含的总信息量 （3）此信源的每个消息的平均信息量（ “信息熵”）,例题1.4（解）,例题1.4（解）,信息熵其通用公式为,这个公式与热力学中的熵相似，但热力学中的熵总是增加的，而信息熵在通信过程中则总是减小的。,（即信息熵）,1.5 通信系统的性能指标,通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。 所谓有效性，是指消息传输的“速度”问题 而可靠性主要是指消息传输的“质量”问题,二者是“对立统一”体,例如：在一段固定时间的强干扰下，传输速率越大则误码越多；,检错纠错码加入的冗余信息越多，则越可靠。,1.5.1 模拟通信系统的指标,模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽来表征。 例如收音机调幅电台的带宽通常在10kHz左右，而调频电台的带宽通常在180kHz左右 模拟通信系统的可靠性指标用整个通信系统的输出信噪比来衡量。 调频的音质明显好于调幅电台,1.5.2 数字通信系统的指标,一、有效性指标 数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来表征。 1、传输速率 传输速率有两种表示方法：码元传输速率RB和信息传输速率Rb 码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B 信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它是指系统每秒钟传送的信息量，单位是比特/秒，常用符号“bit/s”表示。,码元速率RB与信息速率Rb的关系,在等概率条件下， 4进制符号每符号的概率为1/4，所含信息量为2bit 8进制符号每符号的概率为1/8，所含信息量为3bit 可以看出对于等概率N进制信源 每传1个符号等于传了log2N(bit)信息，所以,有效性指标之2、频带利用率,又分为码元频带利用率和信息频带利用率 码元频带利用率： 数字通信系统的码元速率RB与其所占频率带宽B的比值，即 信息频带利用率 数字通信系统的信息速率Rb与其所占频率带宽B的比值，即,二、数字通信系统的可靠性指标,在二进制中有,例 一个二进制数字系统一分钟传送了18 000 bit的信息量。 (1) 系统的码元速率多大？ (2) 如果每分钟传送的信息量仍为18 000 bit，但改用八进制数字信号，其码元速率多大？,解（1）,（2）,例 设一数字传输系统传送二进制码元的速率为1200B，试求该系统的信息传输速率； 若该系统改为传送四进制数字信号，码元速率为2400 B，则系统信息传输速率为多少？,解 (1) 已知二进制码元速率Rs=1200 B，则 Rb=Rslog22=12001=1200 b/s (2) 已知四进制码元速率Rs=2400 B，则 Rb=Rs log24=24002=4800 b/s,结论：采用多进制传输可以提高有效性。,解 首先求出此数字系统的二进制码元速率 再求出在2 s内收到的二进制码元总数 21062=4106 (个) 所以误码率为,例 设有一个数字系统，在125 s内传输250个二进制码元。若该系统在2 s内有3个码元产生误码，试问其误码率是多少？,1.6 通信发展趋势,在过去三四十年间，对数据传输需求的增长以及大规模集成电路的发展，促进了通信技术的发展。 目前通信技术在以下领域正经历快速的进展。 卫星通信 光纤通信 移动通信 微波通信,1 卫星通信系统,卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站，它能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站， 从而实现两个或多个地域之间的通信。 根据通信卫星与地面之间的位置关系，可以分为静止通信卫星(或同步通信卫星)和移动通信卫星。静止通信卫星是轨道在赤道平面上的卫星，它离地面高度为35 780 km，采用三个相差120的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外)。 预计到2010年前， 星间激光通信的传输速率将达到40Gb/s，地面终端设备将日益小型化，,2 光纤通信系统,光纤通信是以光导纤维(简称光纤)作为传输媒质、以光波为运载工具（载波）的通信方式。光纤通信具有容量大、 频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点，且成本低，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。 目前，单波长光通信系统速率已达10 Gb/s，其潜力