通信原理第1章绪论

1、1 1.11.1通信的基本概念通信的基本概念 1.21.2通信系统的组成通信系统的组成 1.31.3通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式 1.41.4信息及其度量信息及其度量 1.51.5主要性能指标主要性能指标习题习题 本章重点本章重点 本章思考本章思考 作业作业第第1 1章章 绪论绪论2v 常用通信术语常用通信术语v 模拟信号与数字信号的区别模拟信号与数字信号的区别v 通信系统的组成和分类、通信方式通信系统的组成和分类、通信方式v 数字通信系统的主要特点数字通信系统的主要特点v 离散消息的信息量，平均信息量（信源熵）离散消息的信息量，平均信息量（信源熵）v 通信系统的主要性能指标通

2、信系统的主要性能指标学习目标学习目标31.通信通信(Communication) ：是指信息的传输与交是指信息的传输与交换换(即：即：transmitting information) 。利用。利用“电平电平”来传递信息的方式称为来传递信息的方式称为“电通信电通信”，简称通信。，简称通信。1.1通信的基本概念通信的基本概念 当前与通信有关的行业：当前与通信有关的行业： 邮电、气象、广播、电视、航空、航海、计邮电、气象、广播、电视、航空、航海、计算机网络、军事、地质、金融、商业等。算机网络、军事、地质、金融、商业等。任务：任务：克服空间障碍，克服空间障碍，迅速，准确迅速，准确的传递信息。的传递信

3、息。4消息消息（message)：待于传输的语音、图像以及待于传输的语音、图像以及电报、文字、数据等。电报、文字、数据等。2. 几个常用术语几个常用术语离散消息：离散消息： 状态为可数的或离散型的状态为可数的或离散型的连续消息：状态是连续变化的或是不可数的连续消息：状态是连续变化的或是不可数的消息消息信号信号（signal)：消息的物理体现，与消息一一消息的物理体现，与消息一一对应的电量，是消息的物质载体。对应的电量，是消息的物质载体。5 信息信息（information)：信息是认识主体（人、生信息是认识主体（人、生物、机器）可感受到的或所表达的事物的运动状物、机器）可感受到的或所表达的事物

4、的运动状态或运动状态的变化方式。态或运动状态的变化方式。 隐含在消息中抽象的东西，或者对接收者来说隐含在消息中抽象的东西，或者对接收者来说事先不知道的消息。事先不知道的消息。 信息是消息的实质、抽象的信息是消息的实质、抽象的意识或知识；是消息中有意义的内容意识或知识；是消息中有意义的内容。3.实现通信的方式和手段实现通信的方式和手段非电的：如旌旗、消息树、烽火台非电的：如旌旗、消息树、烽火台 电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。因特网和计算机通信等。 61.2通信系统的组成通信系统的组成1.2.1通信系统的一般模型通信系

5、统的一般模型 通信系统通信系统(communication system)：是指实现信：是指实现信息传递所需的一切设备和传输媒质的总和。息传递所需的一切设备和传输媒质的总和。信源信源发送发送设备设备信道信道接收接收设备设备信宿信宿噪声源噪声源7信源信源发送发送设备设备信道信道接收接收设备设备信宿信宿噪声源噪声源信源（信息源）信源（信息源） 信源是发出信息的源。电话机、电视摄像机和信源是发出信息的源。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。 信源的作用是信源的作用是将各种可能的消息转换成原始的将各种可能的消息转换成原始的电信号电信号

6、，称为消息信号或基带信号。，称为消息信号或基带信号。 信源可以是数字信源，输出离散的数字信号；信源可以是数字信源，输出离散的数字信号；也可以是模拟信源，输出模拟信号。也可以是模拟信源，输出模拟信号。8信源信源发送发送设备设备信道信道接收接收设备设备信宿信宿噪声噪声源源发送设备发送设备 发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。传输的信号。 变换方式是多种多样的，调制是最常见的方式。变换方式是多种多样的，调制是最常见的方式。 发送设备包括为达到某些特殊要求

7、而进行的种种发送设备包括为达到某些特殊要求而进行的种种处理处理, ,如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。9信源信源发送发送设备设备信道信道接收接收设备设备信宿信宿噪声噪声源源信道信道 信道：传输信号的物理媒质信道：传输信号的物理媒质, ,或传输的通道。或传输的通道。 信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。线的，甚至还可以包含某些设备。 信道既给信号以通路信道既给信号以通路, ,也对信号产生各种干扰。也对信号产生各种干扰。 传输媒介的固有特性和干扰直接关系到通信的传输媒介的固有特性和干

8、扰直接关系到通信的质量。质量。10信源信源发送发送设备设备信道信道接收接收设备设备信宿信宿噪声源噪声源噪声源噪声源 噪声源：通信系统中各种干扰的集中体现。不噪声源：通信系统中各种干扰的集中体现。不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道所固有的。及信道所固有的。 噪声的来源多样：内部噪声和外部噪声噪声的来源多样：内部噪声和外部噪声 外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。象加入到信道。11信源信源发送发送设备

9、设备信道信道接收接收设备设备信宿信宿噪声源噪声源接收设备接收设备 接收设备：完成发送设备的反变换（解调、译接收设备：完成发送设备的反变换（解调、译码、解码等），即码、解码等），即从带有干扰的信号中正确恢从带有干扰的信号中正确恢复出原始电信号来复出原始电信号来。 对于多路复用信号，还包括解除多路复用，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。实现正确分路。12信源信源发送发送设备设备信道信道接收接收设备设备信宿信宿噪声源噪声源信宿信宿（受信者）（受信者） 信宿是传输信息的归宿点。信宿是传输信息的归宿点。 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息

10、。131.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟通信系统模型和数字通信系统模型1 1、模拟信号和数字信号、模拟信号和数字信号 按按信号参量信号参量的取值方式不同可把信号分为的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号。 模拟信号模拟信号 信号参量取值是连续的或取无穷多个值，且信号参量取值是连续的或取无穷多个值，且直接与消息相对应的信号。如电话机送出的语直接与消息相对应的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。音信号、电视摄像机输出的图像信号等。 连续不一定在时间上也连续，如下图所示的连续不一定在时间上也连续，如下图所示的脉冲振幅调制信号。脉冲振幅调制

11、信号。14数字信号数字信号 信号参量只能取有限个值的信号，信号参量只能取有限个值的信号，并且常常不直接与消息相对应的信号。并且常常不直接与消息相对应的信号。如电报信号、计算机输入如电报信号、计算机输入/ /输出信号等。输出信号等。有时也称离散信号，离散是指信号的某一参量有时也称离散信号，离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。是离散变化的，而不一定在时间上也离散。f (nT )tPAM 信号(b)OOf (t)t(a)00111001数字信数字信息息PSK波形波形(b)10011 0111 001Of (nT )t(a)152.2.模拟通信系统模型模拟通信系统模型 模拟通信

12、系统模拟通信系统：是利用模拟信号来传递信息的：是利用模拟信号来传递信息的通信系统。（信道中传输的是模拟信号）通信系统。（信道中传输的是模拟信号）状态连续的状态连续的模拟信源模拟信源进行频谱搬移，将来自信源进行频谱搬移，将来自信源的基带信号变成适合在信道的基带信号变成适合在信道传输的已调信号的设备传输的已调信号的设备将已调信号还将已调信号还原为基带信号，原为基带信号，与调制相反过与调制相反过程的设备程的设备模拟模拟信信源源调制器调制器信道信道解调器解调器受信者受信者噪声源噪声源16l已调信号有三个基本特征：已调信号有三个基本特征：携带有信息携带有信息适合在信道中传输适合在信道中传输信号的频谱具有

13、带通形式且中心频率远离信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。零频，因而已调信号又称频带信号。l两种变换两种变换连续消息与基带信号的变换连续消息与基带信号的变换 （非电信号与电信号的变换）非电信号与电信号的变换）基带信号与频带信号之间的变换基带信号与频带信号之间的变换17l实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。辐射、控制等过程。 由于调制与解调两种变换对信号的变化起决由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或改

14、善了信号特性，化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为是理想的而不予讨论。因而被认为是理想的而不予讨论。18l模拟通信的主要特点模拟通信的主要特点1）抗干扰能力差）抗干扰能力差2）不易于保密通信）不易于保密通信3）设备不易于大规模集成）设备不易于大规模集成4）不适应飞速发展的计算机通信的要求）不适应飞速发展的计算机通信的要求5）简单、易于实现）简单、易于实现19数字通信系统模型方框图数字通信系统模型方框图3.3.数字通信系统模型数字通信系统模型 数字通信数字通信：用数字信号作为载体来传输消息，用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通或用数字信号对载波

15、进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、数字数据等数字信号，信方式。它可传输电报、数字数据等数字信号，也可以传输经过数字化处理的语音和图像等模拟也可以传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。信号。噪声信道调制器信道编码器加密器信源编码器信息源解调器信道译码器解密器信源译码器受信者20噪声信道调制器信道编码器加密器信源编码器信息源解调器信道译码器解密器信源译码器受信者信源编码与译码信源编码与译码作用一作用一:是设法减少码元数目和降低码元速率，是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率影响传输所占即通常所说的数据压缩。码元速率影响传输所占的带宽，而传输带宽又反映了通信

16、的有效性。的带宽，而传输带宽又反映了通信的有效性。作用二作用二: 是当信息源给出的是模拟语音信号时，是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。号的数字化传输。信源译码是信源编码的逆过程。信源译码是信源编码的逆过程。21加密与解密加密与解密在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收在接收端利

17、用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息。到的数字序列进行解密，恢复原来信息。噪声信道调制器信道编码器加密器信源编码器信息源解调器信道译码器解密器信源译码器受信者22信道编码与译码信道编码与译码 数字信号在信道传输时，为了减少差错，信道数字信号在信道传输时，为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信解码过程中发现错误或

18、纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。系统抗干扰能力，实现可靠通信。信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。噪声信道调制器信道编码器加密器信源编码器信息源解调器信道译码器解密器信源译码器受信者23数字调制与解调数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，频处， 形成适合在信道中传输的频带信号。形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控、频移键控、基本的数字调制方式有振幅键控、频移键控、绝对相移键控、相对（差分）相移键控。绝对相移键控、相对（差分）相移键控。对这些信号采

19、用相干解调或非相干解调还原为对这些信号采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。数字基带信号。噪声信道调制器信道编码器加密器信源编码器信息源解调器信道译码器解密器信源译码器受信者24同步同步同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为：按照同步的功用不同，可分为： 载波同步、位同步、群同步和网同步载波同步、位同步、群同步和网同步噪声信道调制器信道编码器加密器信源编码器信息源解调器信道译码器解密

20、器信源译码器受信者25u如在某些有线信道中，若传输距离不太远如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。传输，其模型中就不包括调制与解调环节。u模拟信号经过数字编码后可以在数字通信模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输。系统中传输。 数字电话系统。数字电话系统。26u数字信号也可以在模拟通信系统中传输。数字信号也可以在模拟通信系统中传输。 计算机数据可以通过模拟电话线路计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但

21、这时必须使用调制解调器传输，但这时必须使用调制解调器(Modem)将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。信道的传输特性。u模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。传输的信号种类。27n数字通信的基本特征数字通信的基本特征：它传送的信号是：它传送的信号是“离离散散”的或数字的，的或数字的，强调已调参量和基带信号强调已调参量和基带信号之间的一一对应性之间的一一对应性。n数字通信的主要特点数字通信的主要特点1) 数字信号传输中所受的干扰可通过差错控制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

22、除。编码控制并消除。 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” 加加密、解密。密、解密。 3) 传输中是按节拍逐个传送脉冲单元信号，称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。之为码元。收发须同步控制。28n 数字通信的优点：数字通信的优点： 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,数数字信号可以再生而消除噪声的积累。字信号可以再生而消除噪声的积累。 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) 便于使用数字信号处理技术来对数字信息进便于使用数字信号处理技术来对数

23、字信息进行处理。行处理。 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。29n相对于模拟通信系统来说，主要有以下两个相对于模拟通信系统来说，主要有以下两个缺点缺点： 数字信号占用的频带宽。模拟电话数字信号占用的频带宽。模拟电话4KHz,数字电话数字电话20-64KHz. 对同步要求高，系统设备比较复杂。对同步要求高，系统设备比较复杂。 301.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式1.3.11.3.1通信系统的分类通信系统的分类说明：根据不同的目的，通信系统有不同的分说明：根据不同的目的，通信系统有不同的分类方法。类方法。1.1.按消息的物理特征分类：按消

24、息的物理特征分类： 电报通信系统、电话通信系统、数据通信系电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统。统和图像通信系统。312.2.按调制方式分类按调制方式分类：根据是否采用调制，可将：根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带通信系统分为基带传输和频带( (调制调制) )传输。传输。基带传输基带传输 是将未经调制的信号直接传送，是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。如音频市内电话。频带传输频带传输 是对各种信号调制后传输的总称。是对各种信号调制后传输的总称。32 调调 制制 方方 式式 用途用途 连连续续波波调调制制模模拟拟调调制制线性线性调制调制常规双边带调制常规双

25、边带调制AM广播广播 抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB 载波通信、无线电台等载波通信、无线电台等残留边带调幅残留边带调幅VSB 电视广播电视广播 数传数传 传真传真 非线非线性调性调制制频率调制频率调制FM 微波中继、卫星通信等微波中继、卫星通信等 相位调制相位调制PM 中间调制方式中间调制方式 数字数字调制调制幅度键控幅度键控ASK 数据传输数据传输 移频键控移频键控FSK数据传输数据传输 相位键控相位键控PSK DPSK 数据传输、数据传输、其他高效数字调制其他高效数字调制QAM、 MSK等等 数字微波、数字微波、 空间通信空间通信 3

26、3 调调 制制 方方 式式 用用 途途 脉脉 冲冲 调调 制制 脉冲脉冲 模拟模拟 调制调制脉幅调制脉幅调制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 中间调制方式中间调制方式 脉位调制脉位调制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 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 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 电视电话、电视电话、 图像编码图像编码 其他语言编码方式其他语言编码方式ADPCM、 APC 中低速数字电话中低速数字电话 343.3.按信号特征分类按信号特征

27、分类：按照信道中所传输的：按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成统分成模拟通信系统模拟通信系统和和数字通信系统数字通信系统。4.4.按传输媒质分类按传输媒质分类：按传输媒质分，通信：按传输媒质分，通信系统可分为系统可分为有线通信系统有线通信系统和和无线通信系统无线通信系统两两大类。大类。35按传输媒质分类按传输媒质分类 有线通信有线通信是用是用导线导线（如架空明线、同轴电（如架空明线、同轴电缆、缆、 光导纤维、波导等）作为传输媒质完成光导纤维、波导等）作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通通信的，如市内电话、有线电

28、视、海底电缆通信等。信等。 无线通信无线通信是依靠是依靠电磁波电磁波在空间传播达到传在空间传播达到传递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。距传播、卫星中继等。366.6.按信号复用方式分类按信号复用方式分类： 频分复用频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。据不同的频率范围。 时分复用时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间。据不同的时间区间。 码分复用码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同是用正交的脉冲序列分别携带不同信号，信号，主要用于空间

29、通信的扩频通信中主要用于空间通信的扩频通信中。5.5.按工作波段分类：按工作波段分类：按通信设备的工作频率不按通信设备的工作频率不同分为长波通信、中波通信、短波通信、微波同分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红外线通信等。通信、远红外线通信等。37按消息传递的方向与时间关系分：按消息传递的方向与时间关系分： 通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。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，：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。因此只占用一个信道。 发端接端信道1.3.21.3.2通信方式通信方式38半双工通信

30、半双工通信： 是指通信双方都能收发消息，但不能同时进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。行收和发的工作方式。发端接端发端接端信道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。是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。发端接端发端接端信道信道40在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。可分为并行传输和串行传输。并行传输并行传输：是将代表信息的数字序列以成组的：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。方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。发发送送设设备备接接

31、收收设设备备(a)优点优点：节省传输时间，速度：节省传输时间，速度快；不需要字符同步措施。快；不需要字符同步措施。缺点缺点：需要：需要 n 条通信线路，条通信线路，成本高。成本高。41串行传输串行传输：是数字序列以串行方式一个接是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。一个地在一条信道上传输。发发送送设设备备接接收收设设备备1 10 01 1( (b b) )优点优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点缺点：速度慢：速度慢,需要外加码组或字符同步措施，需要外加码组或字符同步措施，通通常常, ,一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。一般的远距离数

32、字通信都采用这种传输方式。42信号是消息的载体，而信息是其内涵。信号是消息的载体，而信息是其内涵。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。的度量。根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。的概率来描述。消息出现的概率越小，包含的信息量就越大。消息出现的概率越小，包含的信息量就越大。信息量：信息量：衡量信息多少的物理量衡量信息多少的物理量，是对，是对消息中不消息中不确定性的度量，是用统计方法来定性的。确

33、定性的度量，是用统计方法来定性的。1.4 信息及其度量信息及其度量 一一 信息的描述信息的描述43消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系反映如下规律：系反映如下规律：（1）消息中所含信息量）消息中所含信息量 I 是消息出现的概率是消息出现的概率P(x)的函数，即的函数，即 （2）消息出现的概率愈小，它所包含信息量愈）消息出现的概率愈小，它所包含信息量愈大；反之信息量愈小。且大；反之信息量愈小。且 （3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和息量等于各独立事件信息量的和,也就是说，信也就是

34、说，信息具有相加性：息具有相加性： )(xPII IPIP，时时时时0; 01)()()()(2121xPIxPIxPxPI44可以看出与间应满足以上三点，则它们有如下可以看出与间应满足以上三点，则它们有如下关系式：关系式： ( 1.4-1) )(log)(1logxpxpIaa信息量信息量 I 的单位与对数的底数的单位与对数的底数a有关：有关： a=2时，时， 信息量的单位为比特信息量的单位为比特(bit)；a=e时，时， 信息量的单位为奈特信息量的单位为奈特(nit)； a=10时，信息量的单位为哈特莱时，信息量的单位为哈特莱(hart)。目前广泛使用的单位为比特。目前广泛使用的单位为比特

35、。45二二 信息的度量信息的度量 bitxpI1211log)(1log212 1、独立等概率出现的离散消息、独立等概率出现的离散消息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 结论：传送两个等概的二进制波形之一的结论：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为信息量为1 bit。462）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/MMMI22log11log 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

36、种波性，每一种波形等概率出现，所以形等概率出现，所以M 是波形数，是波形数，p (xi ) = 1/M 是每一波形出现的概率。是每一波形出现的概率。( 1.4-4)47综上所述，只要每一传送波形是独立等概出综上所述，只要每一传送波形是独立等概出现的，则一个波形所能传送的信息量为：现的，则一个波形所能传送的信息量为： (bit) 或或 (bit)MIPI22log1log（1.4-4）48 设离散信息源有设离散信息源有n个符号组成，各符号出现的概个符号组成，各符号出现的概率为率为 且且 则每个符号所含则每个符号所含平均信息量平均信息量为：为： ( 1.4-6 )由于由于 同热力学中的同热力学中的

37、熵熵形式一样，故通常称之为形式一样，故通常称之为信息源的信息源的熵熵，单位为，单位为bit/符号。符号。),(),(),(,2121nnxPxPxPxxxniixP11)()(log)()(log)()(log)(2222121nnxPxPxPxPxPxPHniiixPxP12)(log)(H2 2、非等概情况、非等概情况49 可以证明，信息源的最大熵发生在信息源中可以证明，信息源的最大熵发生在信息源中每个符号等概独立出现时，此时最大熵为每个符号等概独立出现时，此时最大熵为 ( bit/符号符号 ) 出现概率为出现概率为1/NNH2log 总信息量：总信息量： 若符号集的平均信息量为若符号集的

38、平均信息量为H(x)，则，则当该符号集发送当该符号集发送m个符号（从而组成一则消息）个符号（从而组成一则消息）所发送的信息量为：所发送的信息量为： )(xmHI 50例例1-2 一离散信源由一离散信源由0、1、2、3四个符号组成，它们出四个符号组成，它们出现的概率分别为现的概率分别为3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每个符号的出现都，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。的信息量。解解: 此消息中，此消息中，0出现出现23次，次，1出现出现14次

39、，次，2出现出现13次，次，3出现出现7次，共有次，共有57个符号，故该消息的信息个符号，故该消息的信息量为量为)(1088log74log134log1438log232222bitI 每个符号的算术平均信息量为每个符号的算术平均信息量为）符号位符号位符号位符号位/(89. 157108bitII5181log8141log4141log4183log832222 412)(log)()(iiixpxpxH统统计计平平均均符符号号bit906. 1 )(64.10857906. 157)(bitxHI总总若用熵的概念来计算，若用熵的概念来计算， 由式（由式（1.4 - 6）得）得 可见，两种

40、算法的结果有一定误差，但当消息很可见，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。息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。52dxxfxfXHe)(log)()(平平均均信信息息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)531.51.5主要性能指标主要性能指标 通信的任务是快速、准确地传递信息；通信的任务是快速、准确地传递信息；评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。统的有效性和可靠性

41、。 有效性有效性 是指传输一定信息量时所占用的信是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），是传输的道资源（频带宽度和时间间隔），是传输的“速度速度”问题。问题。 可靠性可靠性 是指接收信息的准确程度，也就是是指接收信息的准确程度，也就是传输的传输的“质量质量”问题。问题。 这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。还可以进行互换。 541、有效传输带宽有效传输带宽（有效性）（有效性） 同样的消息采用的调制方式不同，则所需同样的消息采用的调制方式不同，则所需带宽不同。频带宽度越窄，有效性越好。带宽不同。频带宽度越窄，有效性越好。一、

42、模拟通信系统的性能指标一、模拟通信系统的性能指标2、接收端输出信噪比接收端输出信噪比（可靠性）（可靠性） 用接收端最终的输出信噪比用接收端最终的输出信噪比(S/N)来度量可靠来度量可靠性，信噪比越大，通信质量越高。信噪比是由性，信噪比越大，通信质量越高。信噪比是由信号功率和传输中引入的噪声功率所决定的。信号功率和传输中引入的噪声功率所决定的。55二、数字通信系统的性能指标二、数字通信系统的性能指标数字信号的描述：数字信号的描述： 二进制：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

43、表示4进制的每个状态可用进制的每个状态可用2位二进制状态描位二进制状态描述；若为小数述；若为小数,则取大于此值的第一个整数。则取大于此值的第一个整数。2log2 N56 码元的概念：码元的概念： 在二进制中，用相同的时间间隔表示一位二进在二进制中，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。在码元长制数字，这个时间间隔称为码元长度。在码元长度内的信号称为二进制码元。所以二进制的每个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。同理码元时间上等长。同理 N 进制的每个码元时间上进制的每个码元时间上也等长。也等长。 数字通信系统的有效性可用数字通信系统的有效性可用传输

44、速率传输速率来衡量。来衡量。 可靠性可用可靠性可用差错率差错率来衡量。来衡量。 571. 传输速率传输速率码元传输速率码元传输速率RB:简称传码率，又称符号速简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（单位是波特（Baud）,记为记为B。 例如，若例如，若1秒秒内传内传2400个码元，则传码率为个码元，则传码率为2400B。 数字信号有多进制和二进制之分，但码数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关有关:)(1BTRB58 通常在给出码元速率时，有必要说

45、明码通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于元的进制。由于N进制的一个码元可以用进制的一个码元可以用 log2N个二进制码元去表示，因而在保证信个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，息速率不变的情况下，N进制的码元速率进制的码元速率RBN与二进制的码元速率与二进制的码元速率RB2之间有以下转换之间有以下转换关系：关系： RB2=RBNlog2N (B) 59信息传输速率信息传输速率Rb: 简称传信率，又称比特率简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特特数，单位是比特/秒，可记为秒，可记为bit/

46、s 或或 b/s 或或bps。 Rb=RBH (b/s) H为信源中每个符号所含的平均信息量。为信源中每个符号所含的平均信息量。 每个码元或符号通常都含有一定每个码元或符号通常都含有一定bit 数数的信的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即关系，即: :60等概传输时，熵有最大值等概传输时，熵有最大值log2N，信息速，信息速率也达到最大，即率也达到最大，即 Rb=RBN log2 N (b/s) (1.5 - 1)或或)(log2BNRRbb N为符号的进制数。例如码元速率为为符号的进制数。例如码元速率为1200B,采采用八进制用八进制(N=8)

47、时时, 信息速率为信息速率为3600b/s；采用二；采用二进制进制(N=2)时时, 信息速率为信息速率为1200b/s，可见，可见，二进二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。简称它们为数码率。 61 频带利用率频带利用率BR(Band/ Hz)B:B 信信道道带带宽宽 数字信号的传输带宽数字信号的传输带宽B取决于码元速率取决于码元速率RB，而，而码元速率和信息速率码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，较不同系统的传输效率， 又可定义频带利用率为：又可定义频带利用率为： bRbit

48、/(s Hz)B （单位频带内的码元传输速率。即：单位频带内的码元传输速率。即：62 2. 差错率差错率 衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率， 常用误码率和误信率表示。常用误码率和误信率表示。 传输总码元数传输总码元数错误码元数错误码元数ep 误码率（码元差错率）误码率（码元差错率）Pe 是指发生差错的是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即率，即 63误信率误信率(信息差错率信息差错率)Pb是指发生差错的比特是指发

49、生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，数在传输总比特数中所占的比例，(码元的信码元的信息量在传输系统中被丢失的概率息量在传输系统中被丢失的概率) ，即，即传输总比特数传输总比特数错误比特数数错误比特数数ep64 带宽通常指带宽通常指信号所占据的频带宽度信号所占据的频带宽度；在被；在被用来描述用来描述信道信道时，带宽是指能够有效通过该信时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。道的信号的最大频带宽度。 对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹赫兹（Hz）为单位。例如模拟语音电话的信号）为单位。例如模拟语音电话的信号带宽为带宽为3400Hz，一个，

50、一个Pal-D电视频道的带宽为电视频道的带宽为8MHz（含保护带宽）。（含保护带宽）。 补充知识：补充知识： 带宽的概念带宽的概念65 对于对于数字信号数字信号而言，而言，带宽是指单位时间内带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量链路能够通过的数据量。例如。例如ISDN的的B信道带信道带宽为宽为64Kbps。 由于数字信号的传输是通过模拟信号的调制由于数字信号的传输是通过模拟信号的调制完成的，为了与模拟带宽进行区分，数字信道完成的，为了与模拟带宽进行区分，数字信道的带宽一般直接用的带宽一般直接用波特率波特率或或符号率符号率来描述。来描述。661-4、 一个由字母一个由字母A、B、C、D组成的字，对于传输组成的字，对于传输的每一个字母用二进制编码，的每一个字母用二进制编码，00代替代替A， 01代替代替B， 10代替代替C，11代替代替D，每个脉冲宽度为，每个脉冲宽度为5ms.(1)不同字母等概率出现时的平均信息速率。不同字母等概率出现时的平均信息速率。(2)若每个字母出现概率分别为若每个字母