通信原理教程1绪论信息论 ppt课件

通信系统原理 第1章 绪论 主讲：杨春萍 先修课程 n概率论、随机过程 n信号与系统 n高等数学、线性代数 n模拟电子电路 n高频电子线路 n数字逻辑电路 本课程的学习要求 n n 主要任务主要任务：本课程主要介绍信息端到端的传输 系统，主要讨论通信系统的组成和性能指标。 n n 授课内容授课内容 ：1-10、13章(第6版) n n 学习要求学习要求 ： 要求掌握基本的通信原理，以及原理的基本应 用 n n 考核方式考核方式：平时成绩20%考试成绩80% n n 参考书参考书 徐家恺，通信原理教程第2版，科学出版 社； 曹志刚，现代通信原理，清华大学出版社 ； 周炯槃，通信原理，北京邮电大学出版社 。 第1章 绪论 n通信的基本概念 n通信系统的组成 n通信系统分类与通信方式 n信息及其度量 n通信系统主要性能指标 通信的基本概念 n通信概念 为达到联系的目的，采用电的或非电的任何 方法，通过任何媒质，将信息从一地传到另 一地的过程称为通信（“电通信”）。实质： 完成信息的转换和传输。 n通信的重要性 当今信息社会，通信与传感、计算机技术紧 密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”。 n通信系统 以电信号作为信息转换和传输系统。 它只能为两个用户之间提供单方向的信息传 递。 （点对点的单向传输） n通信网 多用户通信系统互联的通信体系。 （多点中的任意两点间的双向传输） 以电话网为例 框图 信道 交 换 机 电话网结构示意图: 为用户 构成网的基本要素： 终端设备，传输链路，交换设备。（硬件） 交 换 机 终端终端 噪声 局间传输 局内传输 局内传输 通信的基本概念 n消息、信息与信号 信号（信号（signalsignal） ：传输消息的手段（媒介），是 消息的载体（或媒介），通信系统中传输的是信 号。 消息消息（messagemessage）：通信的目的是传递消息，如语 音、文字、图形、图像等； 信息信息（informationinformation） ：消息的有效（或有意义 ）内容，不同消息可有相同内容； 信息一词在概念上与消息的意义相似，但是它的信息一词在概念上与消息的意义相似，但是它的 含义更普遍化、抽象化。信息可被理解为消息中含义更普遍化、抽象化。信息可被理解为消息中 包含的有意义的内容。信息的多少可以用包含的有意义的内容。信息的多少可以用“ “信息量信息量 “ “来衡量。来衡量。 通信系统的组成 n通信系统模型 发送端 接收端 噪 声 发送设 备 信 道 接收设 备 信 宿 信 源 通信系统由四部分组成。 通信原理的讨论是围绕通信系统的模型而展开的 根据具体的通信形式有具体的系统模型与之对应 各处的噪声之和 n各部分功能 信源：把各种可能消息转换成原始电信号， 如话筒、键盘、磁带、摄像机等。 n消息类型多种多样，如：符号、文字、语声、音乐 、数据、图片、活动图象等等。 发送设备：把原始电信号变为适合在信道中 传输的信号。方法是对原始电信号进行某种 变换。 信道：信号传输的通道。 接收设备：与发送设备的作用相反，它能从 接收的信号中恢复出相应的原始信号。 信宿：将复原的原始信号转换成相应的消息 。 噪声源：信道中的噪声以及分散在通信系统 其它各处的噪声的集中表示。 n通信原理研究内容 通信原理的讨论就是围绕通信系统的模型展 开的。上述模型概括地反映了通信系统的共 性。根据我们研究对象及所关心的问题不同 ，将会使用不同形式的较具体的通信系统模 型。 n模拟通信系统和数字通信系统模型 一、消息分类 离散消息（数字消息）：指消息的状态是 可数的或离散型的，例如：符号、文字或 数据。 连续消息（模拟消息）：指消息的状态是 连续变化的。例如：连续变化的语声、图 象等。 二、信号分类 各种消息需要转换成电信号。消息与电信号 之间必须是一一对应关系，否则在接收端就 无法复制出原来的消息。 通常消息被载荷在电信号的某一参量上， 如果电信号的该参量携带着离散消息，则该 参量就是离散取值的。这样的信号称为数字 信号。如计算机输入/输出信号。 如果电信号的该参量连续取值，则称这样 的信号为模拟信号。如电话机输出的信号。 模拟信号 基带信号(一般指未调 制过的信号)瞬时值状 态无限，如正弦信号. 语音信号.图像信号等 。 已调信号(载波一般为 正弦信号)的参数状态 数无限 数字信号 码元：一个接一 个按节拍传送的 数字信号单元， 为代表数字信号 一个取值的波形 。 基带信号的瞬时 值状态数有限。 已调信号(载波一 般为正弦信号)的 参数状态数有限 。 三、模拟通信系统与数字通信系统 n若信道中传输的是模拟信号，则称该通信系统为 模拟通信系统。 n若信道中传输的是数字信号，则称该通信系统为 数字通信系统。 注：可以把模拟信号变换成数字信号（A/D变换） ，经数字通信方式传输后，在接收端进行相反的 变换（D/A变换），以还原出模拟信号。 四、模拟通信与数字通信的发展 n1844年5月24日莫尔斯（Morse）在华盛顿和巴 尔的摩之间发送世界上第一份电报。 n1876年贝尔（Behr）发明电话，模拟通信的开始 n1960年以后数字通信才日益兴旺起来 n发展趋势 数字化、智能化、综合化、个人化，最终实现全球ISDN 个人通信。 五、数字通信的优缺点 n数字通信更能适应对通信技术越来越高的要求。 n数字通信的抗干扰能力强，尤其在中继时，数字 信号可以再生而消除噪声的积累。 n传输差错可以控制，从而改变了传输质量 n便于使用现代数字信号处理技术来对数字信息进 行处理 n数字信息易于作高保密性的加密处理 n数字通信可以综合传递各种消息，使通信系统功 能增强。 缺点： n需要更大的带宽。 n需要同步信号。 六、模拟通信系统模型 图1-4 模拟通信系统模型 注：系统里可能还有滤波、放大、变频、发射等过程。其过程被认为 是足够理想的。 发送端 接收端 噪 声 调 制 信 道 解 调 信 宿 信 源 n原始电信号特点 通常具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接 传输。 n调制解调的作用 将原始电信号变换成频带适合信道传输的信号 ，并在接收端进行反变换。这种变换和反变换 称为调制和解调。 经过调制的信号称为已调信号，它具有两个基 本特性：一是携带有信息，二是适应在信道中 传输。 n基带信号 我们将发送端调制前和接收端解调后的信号称 为基带信号。因此原始电信号又称基带信号， 而已调信号称为频带信号。 七、数字通信系统模型 图1-5 数字通信系统模型 发送端接收端 信 源 信道编码 调 制 信 道 压缩编码 解 调 信 宿 保密解码 信道解码 压缩解码 保密编码 噪 声 同 步 信源编码 信源解码 n注：a实际的通信系统并非一定要如图1-3所示 的那样包含所有的环节。本书中将要讨论的数 字基带传输系统，它的模型就不包括调制与解 调环节。 数字基带传输系统模型 发送端 接收端 噪 声 基带信号 形成器 信 道 接收 滤波器 信 宿 信 源 nb数字通信系统传送的消息一般都是离散型的， 但也可以是连续型的。 受 信 者 发送端接收端 信 源 信道编码 调 制 信 道 压缩编码 解 调 信 宿 保密解码 信道解码 压缩解码 保密编码 噪 声 同 步 信源编码 信源解码 n信源编码：压缩编码、加密、A/D转换。 压缩编码：用于减少数字信号的冗余度。 保密编码（加密器）：对基带信号进行人为“扰乱”， 即加上密码，这叫加密。 n信道编码：差错控制编码、扩频编码。 n同步问题：由于数字通信是一个接一个按节拍 传送的数字信号单元，即码元，因而接收端必 须与发送端相同的节拍接收。另外，为了表述 消息内容，基带信号都是按消息内容进行编组 的（相当于写文章要有标点符号一样）。因此 编组的规律在收发之间也必须一致。在数字通 信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而 称编组一致为“群同步”、“帧同步”、“句同步”或“ 码组同步”。 问题：举出熟悉的通信系统的种类？ 通信系统的分类与通信方式 n通信系统的分类 这里从通信系统模型的角度讨论其分类 按通信业务分类 电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图象 通信系统 按调制方式分类 根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输（如 音频市内电话）和频带（调制）传输。 按信号特征分类 按信道传输的是模拟信号还是数字信号，可以分成模 拟通信系统与数字通信系统两类。 按传输媒介分类 分为有线和无线两类。 按工作波段分类 分为长波、中波、短波和远红外线通信。 按信号复用方式分类 传送多路信号有三种方式，即频分复用、时分复用和码分复 用。 频分复用：用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范 围。用于传统的模拟通信中。 时分复用：用抽样或脉冲调制方法使不同信号占据不同的时 间区间。用于数字通信系统中。 码分复用：用一组互相正交的码字的码组携带多路信号。多 用于空间扩频通信中，用于扩频通信和移动通信系统中。 n通信方式 对于点与点之间的通信，按消息传送的方向与时间 的关系，通信方式可分为：单工通信、半双工通信 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。 例如：遥测、遥控、广播、无线寻呼。 发 端 收 端 信 道 半双工通信：是指通信双方都能收发消息，但不能 同时进行收发的工作方式。如无线对讲机、检索 。 全双工通信：指通信双方可同时进行收发消息的工 作方式。如普通电话、手机。 发端 收端 信道 收端 发端 信道 收端 收端 信道 发端 发端 在数字通信中，按照数字信号码元排列方法 不同，有串序与并序传输之分。 串序传输：是将数字信号码元序列按时间顺序一个 接一个地在信道中传输. 应用于远距离传输。因 为这种方式只需占用一条通路。 发 送 设 备 接收 设备 1 0 1 并序传输：将数字信号码元序列分割成两路或两 路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输， 则称为并序传输.适用于近距离传输。 值得注意的是：串行和并行的概念是指组成一个 字符的各码元是依顺序逐位传输还是并行地传输 。至于数据字符还是逐个依次发送。 发 送 设 备 接收 设备 在串序传输中，按数据传输的同步方式分为 同步传输和异步传输。 在串行传输中,如何解决码组(字符)的同步问题:同步 传输和异步传输 n同步传输:以固定时钟节拍来发送数据信号的.在串 行数据流中,各信号码元之间的相对位置都是固定 的,接收端要从收到的数据码流中正确区分发送的 字符,必须建立同步的时钟.同步传输是以帧为单位 发送数据,并有帧的起始和终止标志. 与异步传输相比,同步传输在技术实现上复杂,但 不需要对每一个字符单独加起、止码元作为识别 字符的标志，只是在一串字符的前后加上标志序 列.因此,传输效率高,适合较高速率的数据通信系 统(2.4kb/s以上). n异步传输:每次传输一个字符代码(5-8bits),传 输时在一个字符的前后均加上一个特殊的标 志(称为起始位和终止位).通常,起始位为一个 码元,极性为0, 终止位为1-2个码元,极性为1 每一个字符的起始时刻是随机的、任意的（这就是 异步的含义）,但在同一字符内码元的长度是相等 的。接收端从根据“终止位”到“起始位”的跳变 (“1”“0”)识别一个新的字符，从而区分一个个字符 异步传输的优点是：字符同步实现简单，收发双方 的时钟信号不需要精确的同步。缺点是：每个字符 增加了2-3bit，降低了传输效率，适合1.2kb/s以下 的数据传输。 实际的通信系统分为专线和通信网两类。 点与点之间的通信是专线通信，多点间的通信 属网通信。 网通信的基础仍是点与点的通信。因此，本书 重点讨论点与点通信的原理。 通信网：通信网：为了完成多用户中任意两个用户之间 的通信，一般需要建立一个网络，这个多用 户通信系统互连的通信体系称之为通信网。 信息及其度量 n消息与信息 消息：消息各种各样，没有大小 信息：与消息的意义相似，但其含义更普遍化 、抽象化。信息可被理解为消息中包含的有 意义的内容。不同的消息可以包含相同的信 息。（例如，分别用语音和文字发送的天气 预报，所含信息内容相同。） 如同搬运货物多少采用“货运量”来衡量一样， 传输信息的多少使用“信息量”去衡量。 信号是消息的载体 信息是消息的内涵 n信息的度量（信息量公式） n度量消息中所包含的信息量的方法，与消息种类 无关，另外和消息重要程度无关。 “地球围绕太阳转” “海洋已经被核爆炸污染” 事件愈不可能，愈是使人感到意外和惊奇，信息量 就愈大。即与事件发生概率有关。 n消息中所包含的信息量I与消息出现的概率P(x)之 间的关系 a=2时，信息量的单位为比特（bit）； a=e时，信息量的单位为奈特（nat）； a=10时，信息量的单位为哈莱特。 哪条消息包含 的信息量大？ n等概出现的离散消息的度量 假设需要传输的离散消息是在M个消息中独立地选择 其一，且认为每一消息的出现概率是相同的。显然 为了传递一个消息，只需采用一个M进制的波形来 传送。传送M个消息之一这样一件事与传送M进制 波形之一是完全等价的。传送M进制波形之一的信 息量为： n非等概出现的离散消息的度量 设离散消息源是一个由n个符号组成的集合，称符号 集。符号集中的每一个符号在消息中是按一定概率 独立出现的，即： 则各个符号所包含的信息量分别为： 于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信 息量（信息源的熵）为： 【例题】 一部按键电话机上有10个数字键(09) 及”*”和”#”字键。设发射”*”和”#”的概率各为 0.005，发射09的概率为0.099。如果以2个键/ 秒的速度按压电话，试求平均信息量和信息速 率。 【解】H = 3.38比特/键 Rb = 3.38比特/键 2键/秒= 6.76比特/秒 n连续消息的度量 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： 其中：f (x)-连续消息出现的概率密度。 通信系统主要性能指标 通信系统的性能指标涉及有效性、可靠性、适应 性、标准性、经济性及维护使用等等。 主要性能指标为有效性、可靠性 n有效性：消息传输的速度问题 n可靠性：是指接收信息的准确程度。消息传输 的质量问题 这对矛盾通常只能依据实际要求取得相对的统一 。 n模拟通信系统的主要性能指标 有效性：消息传输速度主要决定于消息所含 的信息量和对连续消息（即信息源）的处理 。用单位时间内传送的信息量来衡量。工程 上使用有效传输频带衡量。 可靠性：接收机输出的信号平均功率与噪声 平均功率之比。（接收端输出信噪比） B越小，有 效性越好 S/N越大，可靠 信越好 模拟通信中还有一个重要性能指标是均 方误差，是衡量发送的连续信号与接收 端复制的连续信号之间误差程度的质量 指标。 造成误差的原因： （1）加性干扰：信号在传输时叠加上噪声产生 的误差。特点：始终存在（不管信号有无） 。 （2）乘性干扰：由于信道传输特性不理想产生 的误差。特点：随信号的消失而消失。 对于由乘性干扰产生的误差，常常还用更具 体的性能指标来描述，例如，用于通话的通 信系统还有保真度、可懂度、清晰度等质量 指标，这些就不作说明了。 由加性干扰产生的误差，通常用信号噪声比 这一指标衡量。在后面的讨论中，我们今后 在估计模拟通信系统的质量指标时，往往采 用输出信噪比来衡量。如果在相同的比较条 件下，某一个系统的输出的信噪比最高，则 称该系统通信质量最好，或称该系统抗信道 噪声（或干扰）的能力最强。 n数字通信系统的主要性能指标 数字信号是怎样表示的： 由于数字通信是传输离散信号的，因此，这些离散值就 可以一一加以表示。按人们的习惯，自然就想到用十进 制数字（0，1，2，9）去表示。 比如，某一离散值用一位十进制数字来表示，或者 为了准确些，用几位十进制数字去表示。十进制数字在 人们日常生活中虽然比较习惯和熟悉，但对于机器来讲 ，根据数字电路的特点，却是不方便的。 在计算机和数字通信中最适宜采用的是二进制，即 只有两种不同状态（只有两个电压值或只有两个电流值 ）的“0”或“1”。二进制数的各种运算规则与十进制的完 全相同，区别仅在于前者“逢二进一”，而后者是逢“十进 一”。二进制与十进制之间有一一对应的表述关系。 用二进制数可以表示任意一个离散值 在数字通信中，若离散信号的状态只有两种，则可用 一位二进制去表示；若离散信号的状态多于两种，则 可用若干位二进制符号支表示。当然，除了采用二进 制外，还可采用多进制（大于2的进制）比如选用N进 制，这里的N是大于2的一个正整数。自然N进制与二 进制仍然是可以相互表示的。比如，当N=4，则N进制 的每一个符号可以用两位二进制符号去表示，反之亦 然。 原则上，N进制的一个符号可用log2N个二进制符号去 表示。但要注意，当log2N不为整数时，则应取大于此 值的第一个整数。 在数字通信中常常用相同的时间间隔来表示一个二进 制信号，这个间隔被叫做码元长度，这样的信号简称 为二进制码元。 1 0 1 T 数字通信系统主要性能指标 传输速率（有效性）：码元速率RB、信息速率 Rb 差错率（可靠性）：误码率Pe、误信率Pb p码元速率RB：码元传输速率又称码元速率或传 码率，它被定义为每秒钟传送码元的数目，单 位为“波特”，常用符号“Baud”表示。 【例】若系统每秒传送4800个码元，则该系统的传