《通信基础》课件.ppt

第1章通信基础,本章教学要点：通信概念信息论基础通信性能的基本指标通信信道的基本特性,1.1通信的概念1.1.1通信的定义通信（Communication）就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。它要将大量有用的信息快速、准确、广泛、无失真、高效率、安全地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的方法称为电信（Telecommunication），这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、空间的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。在自然科学中，“通信”一般指“电信”，即利用有线电、无线电、光和其他电磁媒质，对消息、情报、指令、文字、图像、声音等消息进行传输。电信业务可分为电报、电话、传真、数据传输及可视电话等，从广义的角度看，广播、电视、雷达、导航、遥测、遥控等也可列入电信的范畴。,第1章通信基础,1.1.2通信的分类按传输媒质分按信道中传输信号分按工作频段分按调制方式分,第1章通信基础,第1章通信基础,1.1.3通信的方式1按消息传送的方向与时间分通信的工作方式可分为:单工通信、半双工通信及全双工通信。,图1-1按消息传送的方向与时间划分的通信方式,2按数字信号排序分在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同，可将通信方式分为串序传输和并序传输。如图1-2所示。,(a)串序传输,(b)并序传输,图1-2按数字信号排序划分的通信方式,第1章通信基础,第1章通信基础,3按通信网络形式分通信网络形式通常可分为三种：点到点通信方式、点到多点通信（分支）方式和多点到多点通信（交换）方式，它们的示意图如图1-3所示。,点到点通信方式,点到多点通信（分支）方式,多点到多点通信（交换）方式,图1-3按通信网络形式划分的通信方式,第1章通信基础,1.1.4通信系统的模型通信的任务是完成消息的传递和交换。以点对点通信为例，要实现消息从一地向另一地的传递，必须有三个部分：发送端、接收端和收发两端之间的信道，如图1-4所示,图1-4通信系统的模型,第1章通信基础,1.2信息论基础1.2.1信息的度量“信息”（Information）一词在概念上与消息（Message）相似，但其含义更具普遍性、抽象性。传输信息的多少可直观地用“信息量”来衡量。由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述，事件出现（发生）的可能性越小，则概率越小；反之，概率越大。基于此认识，可以得到：消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。且概率为零时（不可能发生事件）信息量为无穷大；概率为1时（必然事件），信息量为0。,第1章通信基础,由此可见，消息中所含的信息量与消息出现的概率之间的关系应符合如下规律。（1）消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数，即(1-1)（2）消息出现的概率越小，它所含信息量越大；反之，信息量越小。且(1-2)（3）若干个互相独立的事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即可以看出，I与P(x)间应满足以上三点，则有如下关系式：(1-3)信息量I的单位与对数的底数a有关，a=2单位为比特（bit或b）；a=e单位为奈特（nat或n）；a=10单位为笛特（Det）或称为十进制单位；a=r单位称为r进制单位。通常使用的单位为比特。,第1章通信基础,1.2.2平均信息量平均信息量等于各符号的信息量与各自出现的概率乘积之和。二进制时：把P(1)=P，P(0)=1-P代入，则对于多个信息符号的平均信息量的计算：设各符号出现的概率为则每个符号所含信息的平均值（平均信息量）,第1章通信基础,由于平均信息量同热力学中的熵形式相似，故通常又称为信息源的熵，平均信息量的单位为b/符号。当离散信息源中每个符号等概率出现，且各符号的出现为统计独立时，该信息源的信息量最大。此时最大熵（平均信息量）为：,第1章通信基础,1.3通信系统的性能指标衡量、比较一个通信系统的好坏时，必然要涉及系统的主要性能指标，否则就无法衡量通信系统的好坏。1.3.1一般通信系统的性能指标通信系统的性能指标包括有效性、可靠性、适应性、保密性、标准性、维修性、工艺性等。从信息传输的角度来看，通信的有效性和可靠性是最主要的两个性能指标。一般情况下，要增加系统的有效性，就得降低可靠性，反之亦然。,第1章通信基础,1.3.2通信系统的有效性指标数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，则系统的有效性越好。通常可从以下三个角度来定义传输速率。1码元传输速率RB码元传输速率通常又称为码元速率，用符号RB表示,单位为波特（Baud），常用符号“B”表示。例如，某系统在2s内共传送4800个码元，则系统的传码率为2400B。数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率RB与信号的进制无关，只与码元宽度TB有关。=(1-7),第1章通信基础,2信息传输速率Rb信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。信息传输速率用符号Rb表示。Rb是指单位时间（每秒钟）内传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），简记为b/s或bps。例如，若某信源在1s内传送1200个符号，且每一个符号的平均信息量为1b，则该信源的Rb=1200b/s。因为信息量与信号进制数M有关，因此，Rb也与M有关。例如，在8进制中，当所有传输的符号独立等概率出现时，一个符号能传递的信息量为lb8=3，当符号速率为1200B时，信息速率为12003=3600b/s。,第1章通信基础,3Rb与RB的关系在二进制中，码元速率RB2同信息速率Rb2的关系在数值上相等，但单位不同。在多进制中，RBM与RbM数值不同，单位也不同。它们之间在数值上有如下关系式:=在码元速率保持不变的情况下，二进制信息速率Rb2与多进制信息速率RbM之间的关系为:4频带利用率频带利用率指传输效率，也就是说，我们不仅关心通信系统的传输速率，还要看在这样的传输速率下所占用的信道频带宽度是多少。如果频带利用率高，说明通信系统的传输效率高，否则相反。频带利用率的定义是单位频带内码元传输速率的大小，即:(B/Hz),第1章通信基础,1.3.3通信系统的可靠性指标对于模拟通信系统，可靠性通常以整个系统的输出信噪比来衡量。信噪比是信号的平均功率与噪声的平均功率之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小，信号的质量越好。衡量数字通信系统可靠性的指标，可用信号在传输过程中出错的概率来表述，即用差错率来衡量。差错率越大，表明系统可靠性越差。差错率通常有两种表示方法。（1）码元差错率Pe码元差错率Pe简称误码率，确切地说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率。用表达式可表示成单位时间内接收的错误码元数单位时间内系统传输的总码元数,第1章通信基础,（2）信息差错率Pb信息差错率Pb简称误信率，或误比特率，它是指接收错误的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。用表达式可表示成单位时间内接收的错误比特数（错误信息量）单位时间内系统传输的总比特数（总信息量）（3）Pe与Pb的关系对于二进制信号而言，误码率和误比特率相等。而M进制信号的每个码元含有n=lbM比特信息，并且一个特定的错误码元可以有（M-1）种不同的错误样式。当M较大时，误比特率:,第1章通信基础,1.4通信信道的基本特性1.4.1信道的概念通俗地说，信道是指以传输媒质（质）为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路；抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。信道可分为狭义信道和广义信道。其中，广义信道可分为调制信道和编码信道两种。调制信道和编码信道的示意图如图1-5所示。,图1-5调制信道与编码信道示意图,第1章通信基础,2信道的模型通常，为了方便地表述信道的一般特性，我们引入信道的模型调制信道模型和编码信道模型。（1）调制信道可用一个二对端（或多对端）的时变线性网络去替代调制信道。这个网络就称作调制信道模型，如图1-6所示。(a)二对端时变线性网络(b)多对端时变线性网络图1-6调制信道模型,第1章通信基础,（2）编码信道编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道，可用数字信号的转移概率来描述。例如，在最常见的二进制数字传输系统中，一个简单的编码信道模型可通过图1-7来表示。图1-7二进制无记忆编码信道模型根据概率性质可知：P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1,第1章通信基础,1.4.2传输信道传输信道可分为有线信道和无线信道，有线信道主要指各种线缆和光缆，无线信道主要指可以传输无线电波和光波的空间或大气。下面介绍几种常用的传输媒质。1有线信道常用的有线信道传输媒质有：（1）双绞线（2）同轴电缆（3）架空明线（4）多芯电缆（5）光纤2无线信道无线信道的传输载体主要是无线电波和光波。频率不同，电磁波传播的特性也不同。根据频率、媒质及媒质分界面对电波传播产生的不同影响，可将电波传播方式分为如下几种：,第1章通信基础,（1）地波传播（2）天波传播（3）视距传播（4）散射传播（5）对流层电波传播（6）电离层电波传播,第1章通信基础,1.4.3信道内的噪声信道内噪声表现的形式多种多样，通常需根据噪声的来源可以粗略地分为4类：（1）无线电噪声（2）工业噪声（3）天电噪声（4）内部噪声从防止或减小噪声对信号传输影响的角度来说，根据噪声的性质来分类更为有利，这可分为以下几种：（1）单频噪声（2）脉冲干扰（3）起伏噪声,第1章通信基础,1.4.4常见的几种噪声下面介绍几种符合实际信道特性的噪声。1白噪声所谓白噪声，是指它的功率谱密度函数在整个频率域（-+）内是常数，即服从均匀分布。理想的白噪声功率谱密度通常定义为：式中，是白噪声的单边功率谱密度，单位是W/Hz。白噪声的自相关函数是一个位于处的冲激函数，强度为。白噪声的和图形如图1-8所示。,图1-8理想白噪声的功率谱密度和自相关函数,第1章通信基础,2高斯噪声所谓高斯（Gaussian）噪声，是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声，可用数学表达式表示成式中，a为噪声的数学期望值，也就是均值；为噪声的方差；exp(x)是以e为底的指数函数。,第1章通信基础,3高斯型白噪声在通信系统理论分析中，特别是在分析、计算系统抗噪声性能时，经常假定系统信道中的噪声为高斯型白噪声。一个原因是高斯型白噪声可用具体数学表达式表述，便于推导分析和运算；另一个原因是高斯型白噪声反映了具体信道中的噪声情况，比较真实地代表了信道噪声的特性。4窄带高斯噪声当高斯噪声通过以为中心角频率的窄带系统时，就可形成窄带高斯噪声。所谓窄带系统，是指系统的频带宽度B比中心频率小很多的通信系统，即的系统。这是符合大多数信道的实际情况的，信号通过窄带系统后就形成窄带信号，其特点是频谱局限在附近很窄的频率范围内，其包络和相位都在作缓慢随机变化。,第1章通信基础,1.4.5信道容量1信号带宽一般信号虽然频谱很宽，但绝大部分实用信号的主要能量（功率）都集中在某个不太宽的频率范围内，因此，通常根据信号能量（功率）集中的情况，恰当地定义信号的带宽，常用的定义有以下三种：（1）以集中一定百分比的能量（功率）来定义对能量信号，可由求出B。同样，对于功率信号，可由求出B。的百分比取值为90%、95%或99%等。（2）以能量谱（功率谱）密度下降3dB时的频率间隔作为带宽对于频率轴上有明显的单峰形状（或者一个明显的主峰）且峰值位于f=0处的能量谱（功率谱）密度的信号，信号带宽为正频率轴上G()（或P()）下降到3dB（半功率点）处对应频率与f=0的间隔，如图1-9所示。G()f曲线中，由或得,第1章通信基础,（3）等效矩形带宽用一个矩形的频谱代替信号的频谱，矩形频谱具有的能量与信号的能量相等，矩形频谱的幅度为信号频谱f=0时的幅度，如图1-10所示。图1-93dB带宽图1-10等效矩形带宽由或得或,第1章通信基础,2信道容量的计算信道容量是指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。这里仅给出连续信道的信道容量。在实际的有扰连续信道中，当信道受到加性高斯噪声的干扰，且信道传输信号的功率和信道的带宽受限时，可依据高斯噪声下关于信道容量的香农（Shannon）公式计算信道容量。这个结论不仅在理论上有特殊的贡献，而且在实践意义上也有一定的指导价值。设连续信道（或调制信道）的输入端加入单边功率谱密度为n0（W/Hz）的加性高斯白噪声，信道的带宽为B（Hz），信号功率为S（W），则通过这种信道无差错传输的最大信息速率C