通信原理_第一章 通信绪论.ppt

1、2020/10/12,通信原理,内容简介,2020/10/12,内容简介,2020/10/12,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统的分类与通信方式 1.4 信息及其量度 1.5 通信系统的性能,第一章 绪论,本章内容简介,2020/10/12,1.1 通信的基本概念,第一章 绪论,通信：克服距离、时间和干扰等障碍，迅速、准确地传递和交换信息。,通信的目的：传递消息中所包含的信息。 消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。 信息：是消息中包含的有效内容。 实现通信的方式和手段： 非电的：如旌旗、消息树、烽火台 电的：如电报、电

2、话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。,2020/10/12,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、超外差接收机问世 1936年：商业电视广播开播 后面讲述中，“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。 电通信系统中，消息传递是通过电信号来实现的。,第一章 绪论,1.1 通信的基本概念,2020/10/12,1.2 通信系统的组成,通信系统 传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和。,第一章 绪论,2020/10/12,第一章 绪论,信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风

3、。信源可分为模拟信源和数字信源。 发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。 信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。 噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。 接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。 受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。,1.2.1 通信系统的一般模型,1.2 通信系统的组成,2020/10/12,第一章 绪论,1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型 模拟信号和数字信号 模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风 输出电压：,(a) 话音信号 (b) 抽样信号 图1-2 模拟信号,1

4、.2 通信系统的组成,2020/10/12,数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：,第一章 绪论,(a) 二进制信号 (b) 2PSK信号 图1-3 数字信号,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。,1.2 通信系统的组成,2020/10/12,1.2 通信系统的组成,发送、接收设备中可以无调制、解调，称作基带传输；发送、接收设备中还常包括：放大、滤波、频域均衡等功能电路。,第一章 绪论,2020/10/12,1.2 通信系统的组成,数字基带传输发送方无调制，而是有基带信号形成器。,发送设备中还常包

5、括：加密、同步插入、复用等功能电路。,接收设备中还常包括：解密、同步提取、分用等功能电路。,数字基带传输接收方无解调，而是有接收滤波器。,第一章 绪论,2020/10/12,第一章 绪论,1.2 通信系统的组成,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 信源编码与译码目的： 提高信息传输的有效性 完成模/数转换 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力 加密与解密目的：保证所传信息的安全 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致,图1-6 数字通信系统模型,2020/10/12,数字通信的特点,抗干扰能力强，信号容易再

6、生；,便于对信号进行处理（如差错控制编码、加密等），从而提高传输的可靠性、有效性和保密性；,器件易于集成化；,有利于实现各种业务的综合传输。（数字信号的处理、传输、存储）,以牺牲系统频带为代价！,第一章 绪论,2020/10/12,1.3 通信系统的分类及通信方式,通信系统的分类： 按通信的业务和用途分类 按调制方式分类 按传输信号的特征分类 按传输信号的复用方式分类 按传输媒介分类 按工作波段分类,第一章 绪论,2020/10/12,l 按通信的用途和业务（消息类型）分类 根据通信的业务和用途可将通信系统分为常规通信和控制通信等。其中，常规通信又分为话务通信和非话务通信，话务通信业务主要是电

7、话信息服务业务、语音信箱业务和电话智能网业务非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。由于电话通信最为发达，因而其它通信常常借助于公共的电话通信系统进行未来的综合业务数字通信网中各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输、交换和处理控制通信则包括遥测、遥控、遥信和遥调通信等，如雷达数据通信和遥测、遥控指令通信等。,1.3 通信系统的分类及通信方式,第一章 绪论,2020/10/12,2按调制方式分类 根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和带通传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送。带通传输是对各种信号变换

8、方式后传输的总称调制的目的有如下几个方面： 便于信息的传输； 实现信道复用； 改变信号占据的带宽； 改善系统性能。 各种调制方式正是为了达到这些目的而发展起来的。 常用调制方式及用途（表1-1） 正弦载波调制（模拟、数字） 脉冲调制,1.3 通信系统的分类及通信方式,第一章 绪论,2020/10/12,3按传输信号的特征分类 按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，可以把通信系统分成两类，即模拟通信系统和数字通信系统。 4按传输信号的复用方式分类 传输多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用、码分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不

9、同信号占据不同的时间区间；码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。传统的模拟通信中都采用频分复用；随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用愈来愈广泛；码分复用主要用于空间通信的扩频通信中。,1.3 通信系统的分类及通信方式,第一章 绪论,2020/10/12,5按传输媒介分类 按传输媒介可将通信系统分为有线(包括光纤)和无线通信两大类有线信道如明线、电缆、光纤信道，无线信道如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继信道。 6按工作波段分类 按通信设备的工作频率或波长不同，分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外通信。表1-2列出了通信使用的频段、常用的传输媒质及主要用途。,1.3 通信系统

10、的分类及通信方式,第一章 绪论,2020/10/12,1.3 通信系统的分类及通信方式,通信方式的划分： 单工通信 半双工通信 全双工通信 同步通信 异步通信 串行通信 并行通信,第一章 绪论,2020/10/12,通信方式（单工、双工和半双工通信）,第一章 绪论,2020/10/12,通信方式（同步传输与异步传输）,第一章 绪论,2020/10/12,通信方式（串行/并行(8比特)数据传输）,图1-9 并行(8比特)数据传输方式,第一章 绪论,2020/10/12,1.4 信息及其量度,通信的目的在于传递信息，每一消息信号必定包含有接收者所需要知道的信息，消息以具体信号形式表现出来，而信息则

11、是抽象的、本质的内容。只有消息中不确定的内容才构成信息，所以信息就是对消息的不确定性的定量描述。 消息所含有的信息量I与消息x出现的概率P(x)关系应反映下列规律： 消息所含信息量I是消息x出现概率P(x)的函数,即 I= IP(x) (1.4-1) 消息出现的可能性(概率)越小，消息包含信息量就越大；当消息出现概率为l时，则它传递的信息量为0； 若干(M)独立消息所含信息量是各消息所含信息量的和。 IP(x1) P(x2) P(xM)= IP(x1)+ IP(x2)+ + IP(xM) (1.4-2),第一章 绪论,2020/10/12,1.4 信息及其量度,第一章 绪论,2020/10/1

12、2,1.4 信息及其量度,离散信源的信息量,二进制信源,发送符号“0”和“1”是彼此独立的，概率分别是P(x0)=0.25, P(x1)=0.75 ,则 一个符号“0”所含信息量为 I0=log2 P(x0)= log2 0.25=2(bits) 一个符号“1”所含信息量为 I1=log2 P(x1)= log2 0.75=0.415(bits) 该二进制信源每个符号的平均信息量I为 I= P(x0) I0 + P(x1) I1 = P(x0) log2 P(x0) + P(x1) log2 P(x1) = 0.252 + 0.75 0.415 0.81 (bits),第一章 绪论,2020/

13、10/12,1.4 信息及其量度,离散信源的信息量,四进制信源,发送符号“0”、 “1” 、 “2” 和“3”是彼此独立的，概率分别是P(x0)= P(x1)=0.125, P(x2) =0.25, P(x3) =0.5 ,则 一个符号“0”或“1”所含信息量为 I0= I1= log2 0.125=3(bits) 一个符号“2”所含信息量为 I2=log2 0.25=2(bits) 一个符号“3”所含信息量为 I3=log2 0.5=1(bits) 该四进制信源每个符号的平均信息量I为 I= P(x0) I0 + P(x1) I1 + P(x2) I2 + P(x3) I3 = P(xi)

14、log2 P(xi) , i=03 = 0.1253 + 0.1253 + 0.25 2 + 0.5 1 = 1.75 (bits),第一章 绪论,2020/10/12,1.4 信息及其量度,离散信源的信息量,M进制信源,发送符号“0”、 “1” 、 、和“M-1”是彼此独立的，概率分别是P(x0)、 P(x1)、 、和P(xM-1) ,则 一个符号“i” 所含信息量为 Ii= log2 P(xi) , i=0 M-1 该M进制信源每个符号的平均信息量I为,第一章 绪论,2020/10/12,1.4 信息及其量度,离散等概信源的信息量,二进制信源,发送符号“0”、 “1” 是彼此独立的，且概率

15、P(x0) = P(x1) = 1/2, 则符号“0”、 “1” 所含信息量相同,即有 I0= I1= log2 = log2 2 = 1(bits) 该等概二进制信源每个符号的平均信息量I为 I= P(x0) I0 + P(x1) I1 = log2 + log2 = log2 2 = 1(bits),四进制信源,发送符号“0”、 “1” 、“2”、 “3”是彼此独立的，且概率P(x0) = P(x1) = P(x2) = P(x3) =1/4, 则符号“0”、 “1” 、“2”、 “3”所含信息量相同,即有 I0= I1= I2= I3 =log2 = log2 4 = 2(bits) 该

16、等概四进制信源每个符号的平均信息量I为 I= P(x0) I0 + P(x1) I1 + P(x2) I2 + P(x3) I3 =4 log2 4 = log2 4 = 2(bits),每个四进制符号可以用两个二进制符号来表示： 四进制 0 1 2 3 二进制 00 01 10 11,八进制信源,发送符号“0”、 “1” 、“2”、 “3” 、“4”、 “5” 、“6”、 “7”是彼此独立的，且概率P(x0) = P(x1) = P(x2) = P(x3) = P(x4) = P(x5) = P(x6) = P(x7) =1/8, 则符号“0”、 “1” 、“2”、 “3” 、“4”、 “5

17、” 、“6”、 “7”所含信息量相同,即有 I0= I1= I2= I3 = I4= I5= I6= I7 =log2 1/8 = log2 8 = 3(bits) 该等概八进制信源每个符号的平均信息量I为 I= P(x0) I0 + P(x1) I1 + P(x2) I2 + P(x3) I3 =8 1/8 log2 8 = log2 8 = 3(bits),每个八进制符号可以用三个二进制符号来表示： 八进制 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制 000 001 010 011 100 101 110 111,结论： 等概M进制信源每个符号的平均信息量I为 I= log2 M (bits)

18、 M进制信源输出符号等概时，每个符号的平均信息量I（熵）取得最大值，即,第一章 绪论,2020/10/12,1.4 信息及其量度,离散等概信源的信息量,例1.4.1说明： 无须根据给出一段特定消息符号，根据已知统计特性,即P(0)=3/8, P(1)= P(2)= , P(3)= 1/8便可求出该信源的熵为： H= -3/8log23/8+ 1/4log21/4+ 1/4log21/4+ 1/8log21/8 1.906 (bits） 对于任意的57个符号，所含信息量应该为： I = 57 1.906 108.64 (bits） 对于一段特定的57个符号,各符号实际出现概率和信源统计特性不一定相符，按照实际出现数目得到57个符号所含信息量为： I = -23log23/8+ 14log21/4+ 13log21/4+ 7log21/8 108 (bits） 实际每符号约含信息量108/57 1.89 (bits）,第一章 绪论,2020/10/12,1.5 通信系统主要性能指