通信原理 第一章

1、1.1 1.1 引言引言1.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.3 1.3 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 1.5 1.5 主要性能指标主要性能指标 信道信道 交交 换换 机机电话网结构示意图电话网结构示意图: : 为用户 构成网的基本要素：构成网的基本要素： 终端设备，传输链路，交换设备。（硬件）终端设备，传输链路，交换设备。（硬件） 交交 换换 机机终端终端终端终端噪声噪声局间传输局间传输局内传输局内传输局内传输局内传输1.1 引引 言言2、通信系统：以电信号作为信息转换和传输系统。、通信系统：以电信号作为信息转换和传输系

2、统。 它只能为两个用户之间提供单方向的信息传递。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）（点对点的单向传输） 3、电信网：多用户通信系统互联的通信体系。、电信网：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）（多点中的任意两点间的双向传输）4、通信网：包括电信网，、通信网：包括电信网， CATV网，计算机网，计算机网网，移动通信网，移动通信网，广播电视网广播电视网等等。5、网的结构：环型，星型，总线型，复合型，网型、网的结构：环型，星型，总线型，复合型，网型1.1.1 基本概念基本概念1、通信、通信: 完成信息的转换和传输。完成信息的转换和传输。 6、

3、网的组成、网的组成: 以电话网为例以电话网为例 框图框图问问 题题1 1、什么形式的电信号适合系统传输？、什么形式的电信号适合系统传输？ 2 2、何种性能的系统能完成信号的传输？、何种性能的系统能完成信号的传输？ 通信系统总模型：通信系统总模型：通信系统由四部分组成。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 各处的噪声之和各处的噪声之和 信号源信号源发送设备发送设备信信 道道接收设备接收设备受信者受信者噪声源噪声源 发送端发送端接收端接收端模拟系

4、统框图：模拟系统框图： 信号源调制器解调器受信者噪声源信 道基 带 信 号频 带 信 号频带信号频带信号基带信号基带信号数字系统框图：数字系统框图： 编编 码码 器器 噪噪 声声 源源 加加 密密 器器信信 息息 源源调调 制制 器器信信 道道受受 信信 者者解解 密密 器器译译 码码 器器 解解 调调 器器注：缺省同步系统注：缺省同步系统。1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.2.1 通信系统模型（总模型）通信系统模型（总模型）描述点对点的通信描述点对点的通信 框图框图1.2.2 模拟通信与数字通信系统模型模拟通信与数字通信系统模型1、模拟系统、模拟系统 框图框图2、数字系统、数字系统 框

5、图框图传输的信号是传输的信号是“离散离散”的的 强调已调参量和基带信号之间的一一对应性。强调已调参量和基带信号之间的一一对应性。数字通信的特点数字通信的特点 1）数字信号传输中所受的干扰可通过差错控制编码控制并消除。）数字信号传输中所受的干扰可通过差错控制编码控制并消除。 增加编码器、解码器增加编码器、解码器 2）需要保密时可对基带信号人为）需要保密时可对基带信号人为“扰乱扰乱” 加密、解密加密、解密 3）传输中是按节拍逐个传送脉冲单元信号，称之为码元。）传输中是按节拍逐个传送脉冲单元信号，称之为码元。 收发须同步控制：包括码元同步、帧同步、群同步等。收发须同步控制：包括码元同步、帧同步、群同

6、步等。常用的方式分两大类：数字基带传输系统和数字调制系统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的优点：数字通信的优点： 1)1)数字传输的抗干扰能力强数字传输的抗干扰能力强, ,尤其在中继时尤其在中继时, ,数字信号可以再生而消数字信号可以再生而消除噪声的积累除噪声的积累 2)2)传输差错可以控制传输差错可以控制, ,从而改善了传输质量从而改善了传输质量 3)3)便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理 4)4)数字信息易于作高保密性的加密处理数字信息易于作高保密性的加密处理 5)5)数字信息可以综合传递各种消息数字信息可以综

7、合传递各种消息, ,使通信系统功能增强使通信系统功能增强其优点的实现是用占据更宽的系统频带而换得的。其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。在系统频带紧张的场合这将成为其缺点。数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同1.3 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式 1、按消息的物理特征分类（业务）按消息的物理特征分类（业务） 如电报、电话、数据、图像通信系统如电报、电话、数据、图像通信系统2、按调制方式分类按调制方式分类 针对频带传输信号而言针对频带传输信号而言信号数字：信号数字：PCM 、 M

8、 等等 脉冲数字调制脉冲数字调制AM、DSB、SSB、VSBFM、PM模拟调制模拟调制信号数字：信号数字：ASK、FSK、PSK、DPSK 数字调制数字调制信号模拟信号模拟信号模拟：信号模拟：PAM、PDM、PPM 脉冲模拟调制脉冲模拟调制正弦波调制正弦波调制脉冲调制脉冲调制两类两类1.3.1 通信系统分类通信系统分类3、按信号特征分类、按信号特征分类 最常用分为模拟与数字通信系统两大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、按传输媒介分类 最常用分为有线（包括光纤）与无线最常用分为有线（包括光纤）与无线5、按信号复用方式分类、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

9、率范围频分复用：使不同的信号占据不同的频率范围时分复用时分复用：不同的信号占据不同的时间区间：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码分复用：用一组包含正交码字的码组携带多路信息1.3.2 通信方式通信方式半双工：通信双方（两点）均能收发消息但半双工：通信双方（两点）均能收发消息但不能同时不能同时收发。收发。例如无线对讲机例如无线对讲机单工：单方向传输（一点发、一点收）。例如遥控单工：单方向传输（一点发、一点收）。例如遥控全双工：通信双方（两点）全双工：通信双方（两点）能同时能同时收发信号。例如电话收发信号。例如电话单工、半双工、全双工单工、半双工、全双工串

10、序传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输串序传输：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。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，并序传输：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，适合近距离适合近距离 数字通信数字通信1.4 信息及其度量信息及其度量 1.4.1 信息的描述信息的描述传输信息的多少用信息量衡量传输信息的多少用信息量衡量信息：消息中有意义的内容，消息理解为信源信息：消息中有意义的内容，消息理解为信源对由若干个相互独立事件构成消息，有：对由若干个相互独立事件构成消息，有： I p(x1 ) p(x2 ) = I p

11、(x1 ) + I p(x2 ) + （2）取取 a = 2 I：bit 比特比特取取 a = e I：net 奈特奈特取取 a = 10 I：哈特莱哈特莱由信息论知：消息出现的概率愈小，所包含的信息量愈大由信息论知：消息出现的概率愈小，所包含的信息量愈大 （1 1）定义：定义：信息量为信息量为 I、消息出现的概率为、消息出现的概率为 p(x ) 则则 I = = p(x ) ) I 是是p (x )函数函数)(log)(logxpxp1 1Iaa- -=I 与与 P(x ) 间的关系必满足（间的关系必满足（1）、（）、（2）1.4.2 信息的度量信息的度量 bitxpI1211log)(1l

12、og212 1、等概率、等概率1）设有二进制，等概率出现的离散消息）设有二进制，等概率出现的离散消息 0、 1 消息消息 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定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为 1 bitMMI22log11log 2） 对对M进制，等概率出现的离散消息进制，等概率出现的离散消息 0，1，2 , , M-1 消息消息 p( x1 )=p (x2 )= =1/M从波形上看，从波形上看，M进制有进制有M种波性，每一种波形等概率出现种波性，每一种波形等概率出现 所以所以M 是波形数，是波形数，p (xi ) =P 是每一波形

13、出现的概率是每一波形出现的概率2、非等概率、非等概率设消息由设消息由 n 个相互独立的符号组成，称为符号集个相互独立的符号组成，称为符号集)(iixpx 对对应应 )()()(2121nnxpxpxpxxx且每个符号包含的信息量均不相等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所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量例子例子)(log)()(log)()(log)()(2_22_212_1nnxpxpxpxpxpxpXH niiixpxp12_)(log)( 定义信息源的熵定义信息源的熵 H(X )dxxfxfXHe)(log)()(_ 平平均均信信息

14、息1.4.3 连续消息的信息量连续消息的信息量 用概率密度来描述用概率密度来描述 f (x)，为为，它它们们出出现现的的概概率率分分别别、组组成成：例例：信信息息源源有有四四个个符符号号814141833210321100210203001213130020201，求求某某个个信信息息且且每每个个信信息息量量相相互互独独立立的的信信息息量量210120100032312010002102023010解：解：方法一方法一bitI33831log2323020 次次：出出现现bitI28411log1414121 次次：出出现现bitI21811log77323 次次：出出现现bitI26411l

15、og1313222 次次：出出现现因消息共因消息共57个符号，一个符号含有算术平均信息量为个符号，一个符号含有算术平均信息量为方法二方法二81log8141log4141log4183log832222 41_)(log)()( iiixpxpxH统统计计平平均均符符号号bit906. 1 bitIIIII1083210 总总)(64.10857906. 157)(bitxHI 总总符符号号bitII89. 15710857 1.5 1.5 主要性能指标主要性能指标 接续质量接续质量：迅速性：迅速性 传输质量传输质量：清晰度：清晰度 稳定质量稳定质量：可靠性：可靠性涉及系统的有效性、可靠性、适

16、应性、标准性、经济性及维护使用涉及系统的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用有效性、可靠性的具体体现是消息传输的速度和质量问题有效性、可靠性的具体体现是消息传输的速度和质量问题误差形式：误差形式：1）加性干扰产生的误差通常由噪声引起）加性干扰产生的误差通常由噪声引起 2）乘性干扰产生的误差通常由信道传输特性不理想引起。）乘性干扰产生的误差通常由信道传输特性不理想引起。目前，我们目前，我们仅研究仅研究加性干扰产生的误差，均方误差指加性干扰产生的误差，均方误差指标将转化为信噪比。标将转化为信噪比。信息量：衡量单位时间内传送消息中有效内容的能力。信息量：衡量单位时间内传送消息中有效内容的

17、能力。1.5.11.5.1 模拟系统性能指标：模拟系统性能指标：信息量信息量和和均方误差均方误差均方误差：衡量发送和接收信号之间的误差程度均方误差：衡量发送和接收信号之间的误差程度1.5.21.5.2 数字通信系统性能指标：数字通信系统性能指标：传输速率传输速率和和差错率差错率数字信号的描述：二进制：数字信号的描述：二进制：0、1 两个状态两个状态 N 进制：进制：0、1、2 N-1 N个状态个状态 码元的概念：在二进制中，用相同的时间间隔表示一位二进制数字，码元的概念：在二进制中，用相同的时间间隔表示一位二进制数字，这个时间间隔称为码元长度。这个时间间隔称为码元长度。 在码元长度内的信号称为

18、二进制码元。所以二进制的每在码元长度内的信号称为二进制码元。所以二进制的每个码元时间上等长。个码元时间上等长。 同理同理 N 进制的每个码元时间上也等长。进制的每个码元时间上也等长。 进制之间的相互转换关系：进制之间的相互转换关系： 例：例：N = 4 表示表示4 进制的每个状态可用进制的每个状态可用2 位二进制状态描述；位二进制状态描述； 若为小数，则取大于此值的第一个整数。若为小数，则取大于此值的第一个整数。2log2 N推广推广1、传输速率传输速率 ：码元传输速率。又称码元速率或传码率：码元传输速率。又称码元速率或传码率 定义：每秒钟传送码元的数目。定义：每秒钟传送码元的数目。 BR不同进制的码元速率转换关系不同进制的码元速率转换关系