01西南大学-通信原理-第一章-概论

通信原理,主讲教师：高 渤 ,含弘光大 继往开来,电路与通信教研室 高渤,2,通信原理【 第一章 概论 】,学习内容,通信的基本概念,1,2,3,4,通信系统分类与通信方式,信息及其度量,通信系统的组成,通信系统主要性能指标,5,第一章 绪 论,电路与通信教研室 高渤,3,通信原理【 第一章 概论 】,学习目标, 学习要点1、常用通信术语；2、模拟信号与数字信号的区别；3、基带信号与已调信号的区别；4、通信系统的组成、分类和通信方式；5、数字通信系统的优缺点；6、离散信源的信息量、平均信息量（熵）的计算；7、码元速率、信息速率和频带利用率的定义、计算及其关系；8、误码率和误信率的定义及其关系。,电路与通信教研室 高渤,4,通信原理【 第一章 概论 】,学习目标, 重点1、概念： 信号区别、通信系统的组成和分类、数字通信的特点、通信方式、主要性能指标。2、计算： 信息量、信源熵、总信息量的计算；信息速率、码元速率、频带利用率、误码率、误信率的计算。,电路与通信教研室 高渤,5,通信原理【 第一章 概论 】,学习目标, 难点1、模拟信号的数字信号的区别。2、基带信号、载波信号和已调信号。3、离散、等概和独立的含义。4、比特率和波特率的区别。5、关系式的物理意义。6、误信率、误码率和进制数M之间的关系。,电路与通信教研室 高渤,6,通信原理【 第一章 概论 】,学习内容,通信的基本概念,1,2,3,4,通信系统分类与通信方式,信息及其度量,通信系统的组成,通信系统主要性能指标,5,第一章 绪 论,电路与通信教研室 高渤,7,通信原理【 第一章 概论 】,第一节 通信的基本概念,一、通信的目的 传递消息中所包含的信息。 1、消息： 携带有信息的载体称为消息，如语音、文字、图像等。 2、信息： 表征认识过程深入的需要度量（抽象），是消息中包含的有效内容。 3、信号： 是事物状态或参数的数量形式，通常用函数表示把消息载 入具有某种物理能量（如电、光）的信号上。,电路与通信教研室 高渤,8,通信原理【 第一章 概论 】,第一节 通信的基本概念,二、实现通信的方式和手段 1、非电的：如旗帜、烽火台等。 2、电 的：如电报、电话、电视、因特网和计算机通信等。,三、电信发明史1837年：莫尔斯发明有线电报； 1876年：贝尔发明有线电话；1918年：调幅无线电广播；1936年：商业电视广播开播。 “通信”这一术语是指“电通信”（包括光通信），因为光也是一种电磁波。在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。,电路与通信教研室 高渤,9,通信原理【 第一章 概论 】,学习内容,通信的基本概念,1,2,3,4,通信系统分类与通信方式,信息及其度量,通信系统的组成,通信系统主要性能指标,5,第一章 绪 论,电路与通信教研室 高渤,10,通信原理【 第一章 概论 】,一、通信系统的一般模型,第二节 通信系统的组成,电路与通信教研室 高渤,11,通信原理【 第一章 概论 】,第二节 通信系统的组成,二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型 1、模拟信号和数字信号,电路与通信教研室 高渤,12,通信原理【 第一章 概论 】,模拟通信系统模型,第二节 通信系统的组成,通常，按照信道中传输的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。,2、模拟通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。,电路与通信教研室 高渤,13,通信原理【 第一章 概论 】,3、数字通信系统模型 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。,加密与解密：保证所传信息的安全。数字调制与解调：形成适合在信道中传输的带通信号。同 步：使收发两端的信号在时间上保持步调一致。,第二节 通信系统的组成,数字通信系统模型,信源编码与译码：提高信息传输的有效性，完成模/数转换。,信道编码与译码：提高信息传输的可靠性，增强抗干扰能力。,电路与通信教研室 高渤,14,通信原理【 第一章 概论 】,第二节 通信系统的组成,4、数字通信的优缺点1）优点 抗干扰能力强，且噪声不积累； 传输差错可控； 便于处理、变换、存储； 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输； 易于集成，使通信设备微型化，重量轻； 易于加密处理，且保密性好。2）缺点： 需要较大的传输带宽； 对同步要求高。,电路与通信教研室 高渤,15,通信原理【 第一章 概论 】,学习内容,通信的基本概念,1,2,3,4,通信系统分类与通信方式,信息及其度量,通信系统的组成,通信系统主要性能指标,5,第一章 绪 论,电路与通信教研室 高渤,16,通信原理【 第一章 概论 】,一、通信系统的分类 1、按通信业务分：电报、电话、数据通信、图像通信等。 2、按调制方式分：基带传输系统和带通（调制）传输系统。 3、按信号特征分：模拟通信系统和数字通信系统。 4、按传输媒介分：有线通信系统和无线通信系统。 5、按工作波段分：长波通信、中波通信、短波通信等。 6、按信号复用方式分： 频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM），波分复用（WDM）。,第三节 通信系统分类与通信方式,电路与通信教研室 高渤,17,通信原理【 第一章 概论 】,二、通信方式 1、按通信双方的工作方式分为： 单工通信、半双工通信、全双工通信三种方式。,第三节 通信系统分类与通信方式,（1）单工通信：消息只能单方向传输的工作方式，如图所示。,2、按信号传输方式分为：并行传输和串行传输两种方式。,3、其它方式分为： 同步通信和异步通信；专线通信和网通信等。,电路与通信教研室 高渤,18,通信原理【 第一章 概论 】,（3）双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式 。,第三节 通信系统分类与通信方式,（2）半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发。,电路与通信教研室 高渤,19,通信原理【 第一章 概论 】,（1）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，如图所示。,第三节 通信系统分类与通信方式,2、按信号传输方式分为：并行传输和串行传输两种方式。,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。,电路与通信教研室 高渤,20,通信原理【 第一章 概论 】,（2）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，如图所示。,第三节 通信系统分类与通信方式,优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用，成本低；缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施。,电路与通信教研室 高渤,21,通信原理【 第一章 概论 】,学习内容,通信的基本概念,1,2,3,4,通信系统分类与通信方式,信息及其度量,通信系统的组成,通信系统主要性能指标,5,第一章 绪 论,电路与通信教研室 高渤,22,通信原理【 第一章 概论 】,一、几个基本概念 1、信息： 是消息中包含的有效内容。 2、信息量： 通信系统中传输消息所包含的信息的多少的总和，是个概念统计的度量值（抽象），常以信息量的统计平均值来代替，也称平均信息量。 3、信源的熵： 信源输出平均信息量叫做信源的熵。 4、信道容量： 单位时间内信道上所能传输的最大信息量称为信道容量。,第四节 信息及其度量,电路与通信教研室 高渤,23,通信原理【 第一章 概论 】,二、信息的度量（信息量） 即如何度量消息（连续消息或离散消息）中所含的信息量？,第四节 信息及其度量,1、度量信息量的原则1）能度量任何消息，并与消息的种类无关；2）度量方法应该与消息的重要程度无关；3）消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关，因为只有 消息中不确定的内容才构成信息。,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。结论：消息出现的概论越小，则消息中包含的信息量就越大。,电路与通信教研室 高渤,24,通信原理【 第一章 概论 】,第四节 信息及其度量,2、度量信息量的方法 1）度量方法 事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述，即：信息是用不确定性的量度定义的，并且消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。,2）消息的统计特性： 连续信源（用概率密度函数描述）； 离散信源（用条件概率，转移概率矩阵描述）。,电路与通信教研室 高渤,25,通信原理【 第一章 概论 】,三、信息量的度量（信息量的计算）,第四节 信息及其度量,1、离散信源的信息量,1）设 为消息发生的概率， 为消息中所含的信息量，,则 和 之间应该有如下关系，即 是 的函数：,2）并且 ， ； ， ； 时， ； 时， 。,3）信息具有相加性,电路与通信教研室 高渤,26,通信原理【 第一章 概论 】,若满足上述3个条件，则给出信息量的定义关系式：,第四节 信息及其度量,上式中对数的底（度量的单位）：若 ，信息量的单位称为比特（bit），若 ，信息量的单位称为奈特（nat），若 ，信息量的单位称为哈特莱（Hartley）。,通常广泛使用的单位为比特，这时公式为：,电路与通信教研室 高渤,27,通信原理【 第一章 概论 】,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量为,第四节 信息及其度量,在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特。,电路与通信教研室 高渤,28,通信原理【 第一章 概论 】,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,第四节 信息及其度量,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。,A、对于等概率情况：,电路与通信教研室 高渤,29,通信原理【 第一章 概论 】,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,第四节 信息及其度量,B、对于非等概率情况：,，且有,则x1 , x2 , x3 , , xM ，所包含的信息量分别为,故，每个符号所含平均信息量（熵）为,（b/符号）,由于 同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵。,电路与通信教研室 高渤,30,通信原理【 第一章 概论 】,例1：一离散信源由“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201020130213001203210100321010023 102002010312032100120210的信息量。,第四节 信息及其度量,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，则该消息的信息量为：,则，每个符号的算术平均信息量为,电路与通信教研室 高渤,31,通信原理【 第一章 概论 】,用“熵”（平均信息量）的概念计算，则根据1.46式，得,第四节 信息及其度量,则，该消息的信息量,原 因: 它们平均处理方法不同。前一种按算术平均的方法，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。,电路与通信教研室 高渤,32,通信原理【 第一章 概论 】,第四节 信息及其度量,2、连续信源的信息量,连续消息的信息量可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） 为连续消息出现的概率密度。,电路与通信教研室 高渤,33,通信原理【 第一章 概论 】,学习内容,通信的基本概念,1,2,3,4,通信系统分类与通信方式,信息及其度量,通信系统的组成,通信系统主要性能指标,5,第一章 绪 论,电路与通信教研室 高渤,34,通信原理【 第一章 概论 】, 通信系统主要性能指标：1、有效性： 指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。2、可靠性： 指接收信息的准确程度，即传输的“质量”问题。,第五节 通信系统主要性能指标,一、模拟通信系统 1、有效性：用有效传输频带来度量。 2、可靠性：用接收端最终输出信噪比（S/N、SNR）来度量， 信噪比越高越可靠。,电路与通信教研室 高渤,35,通信原理【 第一章 概论 】,第五节 通信系统主要性能指标,信噪比：有用信号的平均功率和噪声平均功率之比。,电话：40dB；电视：60dB；演唱80dB；交响乐 100dB。,AM：40dB； FM：60dB 。,单位：dB（分贝）,欧盟规定受损临界点：140dB；喷气飞机：125dB；摇滚乐队：110dB；沙克尔主场（德甲）：129dB。,电路与通信教研室 高渤,36,通信原理【 第一章 概论 】,第五节 通信系统主要性能指标,二、数字通信系统 1、有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。,1）码元传输速率RB： 携带消息的信号单元称为码元，单位时间（每秒）内传输的码元数，也称信号速率。单位波特（Baud），简记为B。,式中T 为码元的持续时间（秒），波特率：1波特 = 1码元/秒。注 意：码元可以是多元码，也可以是二元码。,电路与通信教研室 高渤,37,通信原理【 第一章 概论 】,2）信息传输速率Rb： 单位时间（每秒）内传递的平均信息量或比特数，也称为比特率。单位：比特/秒或b/s ，简记为bps。工程上，常用比特率来表示二进制的位数。,第五节 通信系统主要性能指标,3）码元速率和信息速