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2020 3 24 通信原理 1 Chap1绪论 2020 3 24 通信原理 2 本章纲要 1 1通信系统的组成1 2通信系统分类与通信方式1 3信息及其度量1 4主要性能指标 本章学习目的 掌握通信系统的组成模型 分类 通信方式 信息量的概念 信息量的定义 信息量计算方法和通信系统两个主要指标 2020 3 24 通信原理 3 2020 3 24 通信原理 4 通信系统的组成 1 1 1通信系统的基本概念通信 communication 消息 或信息 的传输和交换的全过程 电通信举例 古代通信 幽王烽火戏诸侯 马拉松的奇迹 现代通信之业务内容 电报 电话 传真 广播 电视 因特网 通信系统的组成 消息 message 信息的物理表现形式 离散消息连续消息信息 information 消息的内涵 主要指消息中所包含的受信者原来不知道而待知的东西信号 signal 信息在物理层上的外延 信息的电的表示形式 或是与信息一一对应的电量或光量 2020 3 24 通信原理 5 2020 3 24 通信原理 6 通信系统的组成 1 1 2通信系统的组成实现消息传递所需的一切技术设备和信道的总和称为通信系统 1 通信系统的模型 各处的噪声之和 信号源 信源可分为两大类 连续消息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消息的状态是可数的或离散的 如符号 数据等 2020 3 24 通信原理 7 信号源 按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类 模拟信号 analogsignal 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数字信号 digitalsignal 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注 区分是模拟信号还是数字信号不是以时间是否连续为标准 2020 3 24 通信原理 8 信号源 2020 3 24 通信原理 9 信号源 2020 3 24 通信原理 10 调制与解调 名词解释基带信号信号的频谱从零频附近开始 如语音信号为300 3400Hz 图像信号为0 6MHz已调信号经过调制以后的信号 又称带通信号或频带信号三个基本特征一是携带有信息 二是适合在信道中传输 三是信号的频谱通常具有带通形式 2020 3 24 通信原理 11 信道与噪声 信道信号传输的通道 可分为有线和无线两大类 通常 信号在信道中传输会受到衰减和畸变 噪声源不是人为地加入设备中 而是通信系统中各处设备以及信道中噪声和干扰的等效集中表示 在通信系统模型中 信道是噪声 干扰 的集中加入之处 2020 3 24 通信原理 12 2020 3 24 通信原理 13 通信系统的组成 通信系统由四部分组成 是通信系统的一般表示 反映了通信系统的共性 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 2020 3 24 通信原理 14 通信系统的组成 2 模拟通信系统 信号源 调制器 解调器 受信者 信道 基带信号 已调信号 2020 3 24 通信原理 15 通信系统的组成 3 数字通信系统 注 缺省同步系统 已调信号 基带信号 信道编码 噪声源 加密器 信息源 数字调制 信道 受信者 解密器 信道译码 数字解调 信源编码 信源译码 2020 3 24 通信原理 16 通信系统的组成 4 数字通信的优点 教材P5 数字传输的抗干扰能力强 尤其在中继时 数字信号可以再生而消除噪声的积累 传输差错可以控制 从而改善了传输质量 便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理 数字信息易于作高保密性的加密处理 数字信息可以综合传递各种消息 使通信系统功能增强 2020 3 24 通信原理 17 通信系统的组成 数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同 常用的方式分两大类 数字基带传输系统和数字调制系统 数字通信系统优点的实现是用占据更宽的系统频带而换得的 在系统频带紧张的场合这将成为其缺点 BACK 2020 3 24 通信原理 18 通信系统的分类与通信方式 1 按消息的物理特征分类 业务 如电报 电话 数据 图像通信系统 2 按调制方式分类Base bandvsFrequency band 1 2 1通信系统分类 2020 3 24 通信原理 19 通信系统的分类与通信方式 针对频带传输信号而言 数字信号 PCM M等脉冲数字调制 AM DSB SSB VSB FM PM 模拟信号 模拟信号 PAM PDM PPM脉冲模拟调制 正弦波调制 脉冲调制 频带 数字信号 ASK FSK PSK DPSK数字调制 2020 3 24 通信原理 20 通信系统的分类与通信方式 3 按信号特征分类最常用分为模拟与数字通信系统两大类 4 按传输媒介分类最常用分为有线 包括光纤 与无线 5 按信号复用方式分类 频分复用 使不同的信号占据不同的频率范围 时分复用 不同的信号占据不同的时间区间 码分复用 用一组包含正交码字的码组携带多路信息 2020 3 24 通信原理 21 通信系统的分类与通信方式 1 2 2通信方式 半双工 通信双方 两点 均能收发消息但不能同时收发 例如无线对讲机 单工 单方向传输 一点发 一点收 例如遥控 全双工 通信双方 两点 能同时收发信号 例如电话 单工 半双工 全双工 串序传输 将数字信号按时间顺序一个接一个的传输 它占用一条通路 适合远距离 并序传输 将数字信号码元序列分割成多路同时传输 适合近距离 数字通信 BACK 2020 3 24 通信原理 22 图1 6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 2020 3 24 通信原理 23 图1 7并行和串行通信方式示意图 a 并行传输 b 串行传输 2020 3 24 通信原理 24 信息及其度量 1 3 1信息的描述信息 消息中有意义的内容 消息理解为信源 信息是消息 信号 的不确定性的度量 确定事物不含信息 传输信息的多少用信息量衡量 不确定性来自客观事物本身的随机性 可以用概率统计来定量描述 2020 3 24 通信原理 25 信息及其度量 1 3 2信息量I原则信息量是消息出现概率的函数 I f P x 消息出现的概率越小 所包含的信息量越大 P x 1时 I 0 P x 0时 I 若某消息由若干个独立消息组成 则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和 可加性 2020 3 24 通信原理 26 信息及其度量 结论 定义 某离散消息x的信息量为I 消息出现的概率为P x 则I P x I是P x 函数 对由若干个相互独立事件构成消息 有 I P x1 P x2 I P x1 I P x2 I与P x 间的关系必满足原则 1 2 取a 2I bit比特取a eI nit奈特取a 10I 哈特莱 2020 3 24 通信原理 27 信息及其度量 1 3 3离散独立等概消息的信息量离散 消息集由M个可能的消息 事件 所组成 每次只取其中之一 独立 各消息间相互统计独立 等概 各消息的出现概率相等 2020 3 24 通信原理 28 信息及其度量 二进制M 2 设有二进制 等概率出现的离散消息0 1消息P x1 P x2 1 2 定义 传送两个等概的二进制波形之一的信息量为1bit 2020 3 24 通信原理 29 信息及其度量 M进制M 2K 对M进制 等概率出现的离散消息0 1 2 M 1消息p x1 p x2 1 M 2 K 从波形上看 M进制有M种波性 每一种波形等概率出现所以M是波形数 P xi P是每一波形出现的概率 结论 对等概的M进制的每个符号 码元 所包含的信息量为Kbit 是二进制的K倍 2020 3 24 通信原理 30 信息及其度量 1 3 4离散独立非等概消息的信息量平均信息量 熵H x 设消息由n个相互独立的符号组成 称为符号集 且每个符号包含的信息量均不相等所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量 2020 3 24 通信原理 31 信息及其度量 定义信息源的熵H X 重要结论 最大熵出现在等概之时 等概时 P xi 1 M Hmax log2Mbit 符号 2020 3 24 通信原理 32 信息及其度量 总信息量I 若某符号集的熵为H x 则该符号集发送m个符号 从而组成一个消息 时 所发送的信息量为 BACK 例子 2020 3 24 通信原理 33 解 方法一 因消息共57个符号 一个符号含有算术平均信息量为 方法二 总 总 2020 3 24 通信原理 34 习题1 国际莫尔斯电码用点和划的序列发送英文字母 划持续了3单位的电流脉冲表示 点用持续1单位的电流脉冲表示 且划出现的概率是点出现概率的1 3 1 计算点和划的信息量 2 计算点和划的平均信息量 2020 3 24 通信原理 35 主要性能指标 接续质量 迅速性传输质量 清晰度稳定质量 可靠性涉及系统的有效性 可靠性 适应性 标准性 经济性及维护使用 通信的性能好坏主要应从有效性和可靠性两方面衡量 有效性 速度可靠性 质量 2020 3 24 通信原理 36 主要性能指标 1 4 1模拟系统性能指标模拟系统的有效性可用有效传输频带宽度来度量 模拟系统的可靠性用接收端最终输出信噪比来度量 信噪比S N 化为分贝时 2020 3 24 通信原理 37 主要性能指标 1 4 2数字系统性能指标传输速率 有效性 和差错率 可靠性 有效性 传输速率码元传输速率RBd定义 每秒传送的码元个数 单位 波特 Baud 缩写为Bd 若码元宽度为T 则RBd 1 T 2020 3 24 通信原理 38 主要性能指标 信息传输速率Rb定义 每秒钟传送的信息量 单位 比特 秒 bit s RBd与Rb之间的关系一般情况下 Rb RBd H 等概时 H log2M二进制 Rb2 RBd2 但单位不同M进制 RbM RBdMlog2M 例子 2020 3 24 通信原理 39 例题 设一数字传输系统传送二进制码元的速率为9600Baud 那么该系统的信息速率为 若该系统改为十六进制信号码元 码元的速率为1200Baud 则这时系统的信息速率为 2020 3 24 通信原理 40 习题2 某系统采用脉冲组方式传送信息 每个脉冲组包含4个信息脉冲和1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 1 码元速率 2 平均信息速率 2020 3 24 通信原理 41 习题3 我国黑白电视机系统的帧频为25Hz 每帧图像在屏幕上显示的有效行数为437行 屏幕宽高比为4 3 假设图像的相邻像素间相互独立 每一级像素的亮度可划分为10级 各级亮度出现概率相等 试求该电视图像的平均信息速率 2020 3 24 通信原理 42 主要性能指标 频带利用率 带宽效率 b定义 单位频带提供的码元传输速率 或信息传输速率 即意义 把带宽与传输