第一章 绪论_sxq

1、通信原理通信原理 Fundamentals of Information Transmission南京航空航天大学信息科学与技术学院南京航空航天大学信息科学与技术学院 通信原理教研组通信原理教研组copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组2信息学科特点信息学科特点p 信息学科是当代科学的前沿学科p 对几乎所有其他学科都有很强的渗透性，生动体现出整个学科在信息时代科技进步中的先导作用p 从20世纪末到21世纪中叶，人类处在一个科学高度分化又高度综合的时代。信息科学和技术在整个科学之中，依然是发展最迅速的学科copyright 信息科学与技术学院通信原理教

2、研组信息科学与技术学院通信原理教研组3进度安排进度安排学时学时内容内容累积进度累积进度3绪论绪论3/645随机信号复习，信道随机信号复习，信道8/6410模拟调制系统模拟调制系统18/6410数字基带传输系统数字基带传输系统28/648正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统36/648模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输44/644数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收48/646差错控制编码差错控制编码54/646同步同步, ,新技术专题新技术专题60/644信息论知识讲座信息论知识讲座64/64copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4教材与参考

3、书目教材与参考书目教材：教材： 樊昌信等，通信原理樊昌信等，通信原理(第版第版)，国防工业出版社，国防工业出版社参考书参考书: : (1)John G.Proakis，通信系统原理，电子工业出版，通信系统原理，电子工业出版社社 (2) 现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社 (3)John G.Proakis， 数字通信数字通信(第四版第四版)，电子工业出，电子工业出版社版社 (4) 现代通信原理，宋祖顺，宋晓勤等，现代通信原理，宋祖顺，宋晓勤等，电子工业出电子工业出版社版社copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组5

4、成绩分布成绩分布平时成绩30闭卷考试70copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组6先修和后续课程先修和后续课程 概率论与随机过程概率论与随机过程 信号与系统，电子线路信号与系统，电子线路 后续课程 卫星通信卫星通信 移动通信移动通信 光纤通信光纤通信 数字通信数字通信 扩频通信扩频通信 信息论信息论 纠错编码纠错编码 软件无线电软件无线电先修课程copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组7课程任务课程任务通信的过程：通信的过程：1) 信息的采集信息的采集2) 信息的加工信息的加工/处理处理3) 信息的传输信息

5、的传输4) 信息的交换信息的交换5) 信息的利用信息的利用 本课程主要介绍信息端到端的传输系统，重本课程主要介绍信息端到端的传输系统，重点讨论系统的点讨论系统的组成原理、实现方法和性能指标组成原理、实现方法和性能指标！copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组8课程内容课程内容模拟系统模拟系统模拟调制模拟调制 AM，DSB，SSB，VSB，PM，FM复合和多级调制复合和多级调制数字系统数字系统基带系统基带系统频带系统频带系统工具：工具：信号、噪声和信道的分析信号、噪声和信道的分析 信息论知识信息论知识模模/数变换：脉冲调制数变换：脉冲调制 PAM，PC

6、M，DPCM多路传输、同步技术、多路传输、同步技术、最佳接收、纠错编码最佳接收、纠错编码改善性能改善性能ASK，FSK，PSK，DPSK 基本原理、实现基本原理、实现方法、性能分析！方法、性能分析！copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组9学习方法学习方法 在在“信号分析信号分析”和和“随机过程随机过程”的基础上的基础上研究通信系统的一般原理和性能研究通信系统的一般原理和性能。 不从具体电路出发，而从系统的不从具体电路出发，而从系统的物理模型物理模型或数学模型或数学模型着手进行分析，强调基本原理着手进行分析，强调基本原理和概念。和概念。 本课程是一门

7、本课程是一门概念性和理论性概念性和理论性较强的课程，较强的课程，要适当地多做习题，加深对基本概念的理要适当地多做习题，加深对基本概念的理解解。 本课程是一门呈上启下的专业基础课，要求有一定本课程是一门呈上启下的专业基础课，要求有一定的知识面，需要进行一定的实验和实践等，在掌握的知识面，需要进行一定的实验和实践等，在掌握通通信原理信原理的基础上，了解现代通信技术和通信系统。的基础上，了解现代通信技术和通信系统。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组10引言引言1通信系统的组成通信系统的组成2通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式3信息及其度

8、量信息及其度量4主要性能指标主要性能指标5第一章第一章 绪论绪论copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组111.1 引言引言2、消息：、消息：信息的载体。信息的载体。 如包含有信息的语言、文字和图像等。同一信息可以用不同如包含有信息的语言、文字和图像等。同一信息可以用不同的消息来载荷，如某一事件，可以用语言来表达，也可以用的消息来载荷，如某一事件，可以用语言来表达，也可以用文字来描述。文字来描述。1、信息：信息：对接收者来说事先不确定的事件对接收者来说事先不确定的事件。 接收者在收到信息之前，对它的内容是接收者在收到信息之前，对它的内容是不知道不知道

9、的，所以信的，所以信息是新知识、新内容；息是新知识、新内容； 信息的获得能使某一事件的信息的获得能使某一事件的不确定性不确定性减少；减少； 信息是可以量度的。信息是可以量度的。3、信号：、信号：表示消息的物理量。电信号，光信号。表示消息的物理量。电信号，光信号。单从传输的角度，三者是等价的。单从传输的角度，三者是等价的。 copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组124、信息传输（通信）：信息传输（通信）：将信息从一地传输至将信息从一地传输至另一地的过程。另一地的过程。5、信息传输的目的：信息传输的目的：传输含有信息的消息。传输含有信息的消息。 点 点

10、点 多点多点 多点 大多数的消息都是非电量，不宜于在信道中进大多数的消息都是非电量，不宜于在信道中进行远距离传输，为此需要将它们变换成电行远距离传输，为此需要将它们变换成电/光信号光信号（信息信号信息信号）！）！基本概念基本概念copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组131 、频域频域：大多数的信息信号是低通型的带限信号，大多数的信息信号是低通型的带限信号，频谱集中在低频段，称为基带信号或低通型信号。频谱集中在低频段，称为基带信号或低通型信号。 电话3003400Hz 电视 06MHz 调幅广播 300KHz3MHz2、时域、时域：模拟基带信号模拟基

11、带信号 数字基带信号数字基带信号信号的某一个参量可以取信号的某一个参量可以取无限无限多个值，且与消息直接对应。多个值，且与消息直接对应。信号的某一个参量只能取信号的某一个参量只能取有限有限个值，且通常不直接与消息对应。个值，且通常不直接与消息对应。 信息信号的特点copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组14Of (t)t(a)f (nT )tPAM信号(b)O信号举例copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组15100110111001Of (nT )t00111001数字信息PSK波形(a)(b)信号举例c

12、opyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组16引言引言1通信系统的组成通信系统的组成2通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式3信息及其度量信息及其度量4主要性能指标主要性能指标5第一章第一章 绪论绪论copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组171.2 通信系统的组成通信系统的组成 通信系统通信系统：完成信息传输功能的所有：完成信息传输功能的所有技术设备的总和。技术设备的总和。通信系统简化模型通信系统简化模型copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组18信息源信

13、道受信者发送设备接收设备噪声源消息传输的目的地消息传输的目的地产生需传输的消息产生需传输的消息存在于发信机、信道、收信存在于发信机、信道、收信机机, ,通常用等效噪声源来表示通常用等效噪声源来表示发送设备：将消息转换为发送设备：将消息转换为合适在信道传输的信号合适在信道传输的信号接收设备：把信号接收设备：把信号转换为消息。使收转换为消息。使收信者能够接受信者能够接受信道：传输信道：传输媒介媒介( (有线信有线信道道& &无线信道无线信道) )1.2.1 通信系统模型通信系统模型copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组19AMDSBSS

14、BVSBFMPM模拟信源模拟信源信道信道声声噪噪变换器变换器调制器调制器发射机发射机接收机接收机解调器解调器反变换器反变换器受信者受信者解调：从已调信号中还原出被传输的低频信息信号。调制：将基带信号变换成另一信号，以提高系统传输信息的效率和质量。通常做频率上的变换。核心部件为核心部件为调制解调器调制解调器一、模拟通信系统模型1.2.2 模拟与数字通信系统模拟与数字通信系统copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组20模拟通信系统在模拟通信系统在信道信道中传输的是中传输的是模拟信号模拟信号。模拟通信系统各部分功能模拟通信系统各部分功能()v调制器：将频率

15、较低的信息信号调制到频率更高的载波信号上，然后加到发射机。v 信源：产生含有信息的消息，是被传输的对象。发送端发送端v 变换器：大多数的消息都是非电量，不宜于在信道中进行远距离传输，为此需要将它们变换成电信号（信息信号）。这种变换由传感器完成，变换关系为单值函数。v 发射机：主要作用是使已调载波信号的频率和功率达到实际应用所要求的数值。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组21v 信道+噪声：信息传输的媒介；信号在传输过程信息传输的媒介；信号在传输过程中总会收到客观存在的各种干扰和噪声的影响，中总会收到客观存在的各种干扰和噪声的影响，我们把它们折合

16、成一个加到信道上的噪声源。我们把它们折合成一个加到信道上的噪声源。v 接收机：是一个低电平部件，主要包括低噪声是一个低电平部件，主要包括低噪声高频放大器、混频器和中频放大器。它将信道传高频放大器、混频器和中频放大器。它将信道传输来的微弱信号（一般为微伏量级）放大到解调输来的微弱信号（一般为微伏量级）放大到解调器所需强度的信号（一般为伏量级），并最大限器所需强度的信号（一般为伏量级），并最大限度地降低信道噪声的影响。度地降低信道噪声的影响。信道信道接收端接收端模拟通信系统各部分功能模拟通信系统各部分功能(2 2)copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组

17、22v 解调器：从已调的高频载波信号中解调出被传从已调的高频载波信号中解调出被传输的低频信息信号。由于经过了信道，信号发生输的低频信息信号。由于经过了信道，信号发生畸变，因而不是解调的逆过程，而是包含了诸多畸变，因而不是解调的逆过程，而是包含了诸多基带处理技术。基带处理技术。v 反变换器：将电信号还原成消息信号。将电信号还原成消息信号。v 信宿：消息的接收者。消息的接收者。模拟通信系统各部分功能模拟通信系统各部分功能(3 3)copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组23信道信道信源信源基带信号成形基带信号成形信宿信宿噪声噪声同步系统同步系统数字基带传

18、输系统数字基带传输系统接收滤波器接收滤波器二、数字通信系统模型（基带）二、数字通信系统模型（基带）copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组24数字频带传输系统数字频带传输系统二、数字通信系统模型（频带）二、数字通信系统模型（频带）信息源信息源信道信道声声噪噪信源编码信源编码信道编码信道编码调制器调制器解调器解调器信道译码信道译码信源译码信源译码受信者受信者同步系统同步系统加密加密解密解密交织交织解交织解交织ASKFSKPSKDPSKcopyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组251 1、信源编（译）码：、信源编

19、（译）码： a a）变换信源信号的表达方式，将模拟信号转变为数字基带信）变换信源信号的表达方式，将模拟信号转变为数字基带信号，使其便于传输号，使其便于传输 b b）压缩信源信号的冗余成分，提高系统的传输效率。）压缩信源信号的冗余成分，提高系统的传输效率。 A/D转换、波形变换、参数编码等2 2、信道编（译）码：、信道编（译）码： 通过有目的的增加信息的冗余度，使系统具有一定的纠检通过有目的的增加信息的冗余度，使系统具有一定的纠检错能力，提高系统传输信息的质量。错能力，提高系统传输信息的质量。 分组码、卷积码、级联码等 和模拟通信系统相比较,在发送端加了两个编码器，在接收端相应地增加了两个译码器

20、。 信源、信道编译码信源、信道编译码copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组26 抗干扰能力强抗干扰能力强，特别是在中继传输时更为明，特别是在中继传输时更为明显。显。 可以进行可以进行差错控制，差错控制，因而提高了信息传输的因而提高了信息传输的可靠性。可靠性。 便于使用现代计算机技术便于使用现代计算机技术，对信号进行处理，对信号进行处理，存储和变换从而提高信息传输的灵活性。存储和变换从而提高信息传输的灵活性。 便于加密便于加密，实现保密信息传输。，实现保密信息传输。 易于和其他系统配合使用易于和其他系统配合使用，构成一个灵活，通，构成一个灵活，通用，

21、多功能的综合业务信息传输网。用，多功能的综合业务信息传输网。数字通信系统的优点数字通信系统的优点copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组27v 占用频带较宽占用频带较宽v 系统复杂。系统复杂。 如：模拟电话如：模拟电话 4KHz 传输质量相同的数字电话传输质量相同的数字电话 2060KHz数字通信系统的缺点数字通信系统的缺点copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组28三、调制与解调三、调制与解调 1、为了有效地辐射电磁波，为了有效地辐射电磁波，增加传输距离增加传输距离。 话音话音300Hz3400Hz，波长

22、，波长1069*104m 2、调制把基带信号、调制把基带信号频谱搬移频谱搬移到一定的频带范围以适应信道到一定的频带范围以适应信道的要求。的要求。 3、调制可将多个信息信号（它们的频谱分量处于同一频带、调制可将多个信息信号（它们的频谱分量处于同一频带范围内）搬到不同频率或不同时间的各个载波信号上，范围内）搬到不同频率或不同时间的各个载波信号上，从而能够实现从而能够实现多路和多址信息传输多路和多址信息传输，提高频谱效率。，提高频谱效率。 4、提高信息传输系统的、提高信息传输系统的抗干扰能力和保密能力。抗干扰能力和保密能力。 特别是用于现代通信的扩频调制、空时编码、特别是用于现代通信的扩频调制、空时

23、编码、OFDM等等广义调制技术。广义调制技术。 调制的作用copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组29调制的分类调制的分类 调调 制制 方方 式式 用途用途 连连续续波波调调制制 线性调制线性调制（模拟）（模拟）标准调幅标准调幅AMAM广播广播 抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅DSB DSB 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB SSB 载波通信、无线电台、数传载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅残留边带调幅VSB VSB 电视广播、电视广播、 数传、数传、 传真传真 非线性非线性 调制调制 （模拟）（模拟）频率调制频率调制FM F

24、M 微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播 相位调制相位调制PM PM 中间调制方式中间调制方式 数字调制数字调制ASKASK、FSKFSK、PSKPSK（DPSKDPSK）数据传输数据传输 其他高效数字调制其他高效数字调制QAMQAM等等 数字微波数字微波, ,空间通信空间通信 copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组30脉脉冲冲数数字字调调制制 调调 制制 方方 式式 用途用途脉冲脉冲模拟模拟调制调制脉幅调制脉幅调制PAM PAM 中间调制方式中间调制方式, ,遥测遥测 脉宽调制脉宽调制PDM(PWM) PDM(PWM) 中间调制方式中

25、间调制方式 脉位调制脉位调制PPM PPM 遥测遥测, ,光纤传输光纤传输 脉冲脉冲数字数字调制调制脉码调制脉码调制PCM PCM 市话市话, ,卫星卫星, ,空间通信空间通信 增量调制增量调制DM DM 军用军用, ,民用电话民用电话 差分脉码调制差分脉码调制DPCM DPCM 电视电话电视电话, ,图像编码图像编码 其他方式其他方式ADPCM ADPCM 中低速数字电话中低速数字电话 调制的分类调制的分类copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组31 与调制相反的变换过程称为解调，不同的调制方法通常需要不同的解调方法。 正是由于存在多样的调制和解调

26、方法，才构成了各种不同的信息传输系统。 调制和解调是信息传输技术所包含的最基本的内容！解调解调copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组32引言引言1通信系统的组成通信系统的组成2通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式3信息及其度量信息及其度量4主要性能指标主要性能指标5第一章第一章 绪论绪论copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组331 1）按传输信号的特征分）按传输信号的特征分模拟信息传输系统模拟信息传输系统 数字信息传输系统数字信息传输系统 3) 3) 按工作频率分按工作频率分长波通信长波通信

27、中波通信中波通信短波通信短波通信微波通信微波通信光波通信光波通信2 2）按传输媒质分）按传输媒质分有线通信有线通信无线通信无线通信1.3.1 通信系统分类通信系统分类4) 4) 按用途分按用途分专用通信专用通信公用通信公用通信copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组345)按消息的物理特征分按消息的物理特征分 ( (通信业务种类）通信业务种类）电报电话、可视电话数传TV雷达6)按是否调制分按是否调制分基带传输频带传输7）按通信者是否运动分按通信者是否运动分固定通信移动通信8）按信号复用方式分按信号复用方式分码分复用频分复用时分复用空分复用通信系统分类

28、通信系统分类copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组35通信波段与常用通信媒质通信波段与常用通信媒质频率范围频率范围 波长波长 符号符号 传输媒质传输媒质 用途用途3Hz-30kHz 3Hz-30kHz 10104 4-10-108 8m m 甚低频甚低频VLF VLF 有线线对长波无线有线线对长波无线电电 音频、电话、数据终音频、电话、数据终端长距离导航、时标端长距离导航、时标 30-300kHz 30-300kHz 10103 3-10-104 4m m 低频低频LF LF 有线线对长波无线有线线对长波无线电电 导航、导航、 信标、信标、 电力电

29、力线通信线通信 300kHz-3MHz 300kHz-3MHz 10102 2-10-103 3m m 中频中频MF MF 同轴电缆中波无线同轴电缆中波无线电电 调幅广播、移动陆地调幅广播、移动陆地通信、业余无线电通信、业余无线电 3-30MHz 3-30MHz 10-1010-102 2m m 高频高频HF HF 同轴电缆短波无线同轴电缆短波无线电电 移动无线电话、移动无线电话、 短短波广播定点军用通信、波广播定点军用通信、 业余无线电业余无线电 30-300MHz 30-300MHz 1-10m 1-10m 甚高频甚高频VHF VHF 同轴电缆米波无线同轴电缆米波无线电电 电视、电视、 调

30、频广播、调频广播、 空中管制、空中管制、 车辆、车辆、 通信、通信、 导航导航 copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组36频率范围频率范围 波长波长 符号符号 传输媒质传输媒质 用途用途300MHz-3GHz 300MHz-3GHz 10-100cm 10-100cm 特高频特高频UHF UHF 波导波导分米波无分米波无线电线电 微波接力、卫星和微波接力、卫星和空间通信、雷达空间通信、雷达 3-30GHz 3-30GHz 1-10cm 1-10cm 超高频超高频SHF SHF 波导波导厘米波无厘米波无线电线电 微波接力、卫星和微波接力、卫星和空间通

31、信、雷达空间通信、雷达 30-300GHz 30-300GHz 1-10mm 1-10mm 极高频极高频EHF EHF 波导波导毫米波无毫米波无线电线电 雷达、微波接力、雷达、微波接力、 射电天文学射电天文学 10107 7-10-108 8GHz GHz 3 3* *1010-5-5- -3 3* *1010-4-4cm cm 紫外可见紫外可见光红外光红外 光纤光纤激光空间激光空间传播传播 光通信光通信 通信波段与常用通信媒质通信波段与常用通信媒质copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组371.3.2 通信方式通信方式1. 按消息传递的方向与时间分

32、按消息传递的方向与时间分对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全单工通信、半双工通信及全双工通信双工通信三种。三种。 单工通信单工通信， 是指消息只能单方向传输的工作方式， 因此只占用一个信道。广播、遥测、遥控、无线寻呼等就是单工通信方式的例子。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组38 半双工通信半双工通信，是指通信双方都能收发消息， 但不能同时进行收和发的工作方式。例如，使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信

33、都是半双工通信方式。 copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组39 全双工通信全双工通信， 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式，计算机之间的高速数据通信也是这种方式。 copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组40.按数字信号排序分按数字信号排序分 在数字通信中，按数字信号代码排列的可分为并并行传输和串行传输行传输和串行传输。串行传输串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。通常，一般的远距离数字通信都采用

34、这种传输方式。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组41并行传输并行传输是将代表信息的数字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。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多， 设备复杂， 成本高， 故较少采用， 一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。 copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组423. 按通信网络形式分按通信网络形式分 通信的网络形式可分为三种：两点间直通方通信的网络形式可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式。式、分支方式和交换方式。

35、（a）两点间直通方式）两点间直通方式 （b）分支方式）分支方式 （c）交换方式）交换方式copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组43引言引言1通信系统的组成通信系统的组成2通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式3信息及其度量信息及其度量4主要性能指标主要性能指标5第一章第一章 绪论绪论copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组44一、信息量一、信息量 一个符号它所携带的信息量是和该符号出现的概率概率有关，即概率可以表征消息所含的信息量信息量的大小。 ( ) ( )iiI xf P x当( )1iP

36、x时，( )0iI x(4)互相独立事件的联合信息量应等于它们各自信息量之和。(2)自信息量应是关于概率的单调递减函数，即当 时，12( )()P xP x12( )()I xI x 信息量只与符号 的概率有关，和它的取值无关。ix(3)自信息量是关于概率的连续函数。当( )0iP x时，( )iI x 1212 ( ) () ( ) ()I P x P xI P xI P xcopyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组45 根据上述条件可以从数学上证明根据上述条件可以从数学上证明信息量信息量是对数函是对数函数，即：数，即： 1( )loglog( )(

37、 )iaaiiI xP xP x ( )iI x有有两个含义两个含义： 1）当事件发生前，表示该事件发生的当事件发生前，表示该事件发生的不确定性不确定性；2）当事件发生后，表示该事件所提供的）当事件发生后，表示该事件所提供的信息量信息量。 自信息量的单位取决于对数所取的底，若以自信息量的单位取决于对数所取的底，若以2为底，为底，单位为单位为比特比特，以，以e为底，单位为为底，单位为奈特奈特，以，以10为底，单位为底，单位为为哈特莱哈特莱，通常取，通常取比特比特为单位。为单位。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组46设二进制离散信源，设二进制离散信

38、源， 以相等的概率发送数字以相等的概率发送数字0或或1，则信源每个输出的信息量。，则信源每个输出的信息量。1(0)(1)loglog21()221/ 2IIbit解：可见，传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。同理，传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特。 综上所述，对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为1(0)(1)loglog22IIMP例copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通

39、信原理教研组47设天气预报有两种消息，晴天和雨天，出现的概设天气预报有两种消息，晴天和雨天，出现的概率分别为率分别为1/4和和3/4，我们分别用，我们分别用 来表示晴天，以来表示晴天，以 来来表示雨天，求信息量。表示雨天，求信息量。 1x2x1,2( )1/ 4,3/ 4xxXp x12( )log 42I xbit224()log0.4153I xbit解：信源的统计模型为自信息量例copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组48我们定义信息量的加权平均值为信源的平均信息量平均信息量，即信源的熵信源的熵：1()( )log ( )NiiiH XP xP

40、 x 信源的熵具有以下两种物理含义：1）表示信源输出前，信源的平均不确定性。2）表示信源输出后，每个符号所携带的平均信息量。二、信源的熵copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组49对概率分别为对概率分别为p和和(1-p) 的二进制无记忆信源，求信的二进制无记忆信源，求信源的熵。源的熵。解：信源的熵为()log(1)log(1)H Xpppp二进制熵函数如图所示：例copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组50一离散信源由一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的四个符号组成，它们出现的概率分别为概率分

41、别为3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每个符号的出现都是，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。的信息量。 )(1088log74log134log1438log232222bitI例解 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，故该消息的总信息量为copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组51 每个符号的算术平均信息量为符号位）符号位/(89. 157108bitII

42、若用熵的概念来计算：222233111111loglogloglog88444488H 符号位）/(906. 1bit可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时， 用熵的概念来计算比较方便。 而且随着消息序列长度的增加， 两种计算误差将趋于零。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组52三、连续消息的熵函数三、连续消息的熵函数输入连续消息X的平均信息量（相对熵）平均信息量（相对熵）定义为：()( )log( )H Xf xf x dx 连续消息的熵函数连续消息的熵函数不具有离散熵的直观意义。( )f x为连续消息出现的概率密度。copyright

43、 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组53引言引言1通信系统的组成通信系统的组成2通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式3信息及其度量信息及其度量4主要性能指标主要性能指标5第一章第一章 绪论绪论copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组541. 主要性能指标通信系统的主要指标： 和 其次 适应性 环境 标准性 通用可维修性 替换经济性 成本 有效性有效性可靠性可靠性copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组55有效性有效性 通过有效传输带宽通过有效传输带宽来衡量来衡量可靠

44、性可靠性 通过接收端通过接收端输出信噪比输出信噪比来衡量来衡量 有效性：有效性：用被传输的信息信号所占用的用被传输的信息信号所占用的信道有效信道有效传输带宽传输带宽来衡量。来衡量。同一信息信号，采用的调制方式不同，其占用的同一信息信号，采用的调制方式不同，其占用的有效传输带宽有效传输带宽也不同。也不同。调幅方式比调频方式所需的有调幅方式比调频方式所需的有效传输带宽窄效传输带宽窄，因此调幅系统的有效性比调频系统高。，因此调幅系统的有效性比调频系统高。一、模拟通信系统性能指标一、模拟通信系统性能指标copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组56 可靠性：信

45、息传输的可靠性，而不是指设备和元器件的可靠性。系统对抗噪声的能力越强，其传输信息的可靠程度就越高。 抗噪声性能抗噪声性能用接收机输出的信号与噪声的平均功用接收机输出的信号与噪声的平均功率之比率之比S0/N0来度量的。来度量的。SNR越高，系统的抗噪声性能越高，系统的抗噪声性能就越强，信息传输的可靠性就越高。就越强，信息传输的可靠性就越高。 普通电话的传输要求SNR为2040dB 一般电视要求传输大于40dB；copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组571 、 用数字信号的传输速率来衡量 码元速率码元速率：每秒钟传送的码元数目。RB 波特（B） RB=

46、1/Tb ，与采用的进制数无关； Tb ：码元间隔有效性有效性二、数字通信系统性能指标二、数字通信系统性能指标由于N进制的一个码元可以用 log2 N个二进制码元表示，因而在保证信息速率不变的情况下，N进制的码元速率RBN与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系： RB2=RBNlog2 N (B)copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组58 Rb=RBH(b/s)，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。 等概传输时，熵有最大值log2N，信息速率也达到最大，即 Rb=RB log2 N (b/s) 或RB= 2( )logbRBN式中，N为符

47、号的进制数。例如码元速率为1200B，采用八进制（N=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（N=2）时， 信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数值上相等。 信息速率信息速率：每秒钟传送的信息量。Rb 比特/秒( bit/s) 与码元采用的进制数N有关。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组592、 用差错率来衡量用差错率来衡量二进制时，二进制时，Pb=Pe BeBnennimPB bebnbnnimPb 误码率误码率： 码元在传输中被错误接收的概率；码元在传输中被错误接收的概率；误信率（误比特率）误信率（误比特率）：

48、 传输每比特信息被错误接收的概率；传输每比特信息被错误接收的概率；可靠性可靠性copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组60本章小结本章小结信息、消息、信号、信息传输信息、消息、信号、信息传输通信系统的组成通信系统的组成( (模拟、数字模拟、数字) )分类、方式分类、方式信息及度量信息及度量性能指标性能指标模拟模拟/ /数字的有效数字的有效性性/ /可靠性的参数可靠性的参数信息量、熵信息量、熵不同角度的分类不同角度的分类单工单工/ /半双工半双工/ /双工双工copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组61A1

49、通信发展简史通信发展简史电通信起源于18世纪末，开始用于军事目的是19世纪初。1876年贝尔发明了电话1895年马可尼和波波夫同时分别实现了无线电通信。1929年贝尔实验室第一次进行了电视试验。1946年美国造了第一台电子计算机，到了20世纪50年代末开始了计算机通信。1956年美国摩托罗拉公司生产出第一个无线电寻呼机。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组621957年苏联发射第一颗人造地球卫星，人类开始了空间通信。1962年美国发射第一颗通信卫星，卫星通信步入实用阶段。1966年美籍华人高锟提出光纤通信设想，十多年后实现了光纤通信。1970年第

50、一部商用数字时分程控电话交换机在法国投入使用。1978年美国贝尔实验室研制成功模拟蜂房移动电话系统。1985年英国电信公司开设了综合业务数字网。1986年欧洲推出泛欧数字移动通信网(GSM)并于1991年在欧洲开始商用。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组631989年美国科克姆公司开始码分多址数字蜂房通信试验，93年生产出第一批双模式移动台，此后CDMA席卷世界。1991年美国国防部“易通话”计划提出软件无线电概念，94年10月完成第一阶段计划并进行演示。1991年美国副总统戈尔提出“信息高速公路法案”很快得到世界各国响应，全球掀起信息高速公路

51、热潮。1994年国际最大的计算机互联网络(英特网)商业化，实现了世界范围的网络资源共享。2000年国际电信联盟(ITU)确定W-CDMA，CDMA-2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准写入第三代移动通信系统(3G)技术指导性文件。copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组64随着世界通信技术的发展，我国通信事业得到蓬勃发展。通信网平台加专门应用信息系统构成的中国高速信息网正在建设之中。以光纤为骨干辅以微波、卫星信道 的“八纵八横”高速传输系统覆盖全国。金桥、金关、金卡、金税、金企、金农、金智、金策的“八金工程”的八大信息工程已经建成。十一五期

52、间又将农信工程、共信工程、安信工程、家信工程、城信工程、RFID工程列为信息技术应用的六大专项工程。截至2008年6月，我国固定电话用户达到3.56亿，手机用户达6.01亿。随着通信事业的发展和市场的需求，信息产业和信息服务已成为国民经济的重要部门，光纤、微波、卫星、移动、交换和终端等设备的生产业与研制已成为信息产业的支柱。与此同时，以电信部门为主的各种信息服务也在不断完善和发展。 copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组65移动通信卫星通信光纤通信A2 现代通信的三大领域现代通信的三大领域copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学

53、与技术学院通信原理教研组66 现代移动通信技术的六大最新发展趋势1) 网络业务的数据化、分组化；2) 网络技术的宽带化；3) 网络技术的智能化；4) 更高的频段；5) 更有效利用频率；6) 网络趋于融合、走向统一。移动通信移动通信copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组67卫星通信卫星通信 卫星通信是利用卫星中的转发器作为中继站，转发无线电波，实现两个或多个地球站之间的通信。卫星通信是现代通信技术与航天技术结合，并用计算机实现其控制的先进通信方式。 copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组68 中国光通信的

54、发展非常迅速，20世纪80年代上海首先铺设了一条1.8公里的数字光通信线路。20世纪80年代国家投资武汉邮电研究院，研制光纤器件。1995年到1998年，上海交大完成了九五项目，四个节点的全光城域网、实验网。20世纪90年代起，全国各地都普遍铺设和使用单路的光纤通信线路，现在是一直到农村，我们都可以看到光纤线路。光纤通信光纤通信copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组69 1、 纳米技术 纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的加工来人工形成纳米大小的结构的技术。 2、 MPLS（Multi-protocol Label Switching 多协议标签交换技术） MPLS是继IP技术之后的下一代广域网传输技术。是一种充分利用数据标签引导数据包在开放的通信网络上高速、高效传输的新技术。 A3 未来十年最有前景的通信技术未来十年最有前景的通信技术copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组703、 软交