通讯原理幻灯片.ppt

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1、通讯原理第1页，共54页，编辑于2022年，星期三前言前言 确知、随机信号的频谱特性分析确知、随机信号的频谱特性分析 信道与噪声、信道容量信道与噪声、信道容量2 2、模拟通信系统原理（第、模拟通信系统原理（第5 5章）章）3 3、数字通信系统原理（第、数字通信系统原理（第6 6、7 7、1010章）章）4 4、模拟信号的数字传输原理（第、模拟信号的数字传输原理（第9 9章）章）5 5、其他：差错控制编码、同步原理、其他：差错控制编码、同步原理课时分配：课时分配：理论理论7272学时，实验学时，实验2727学时学时 第一章第一章 绪论绪论 (2(2学时）学时）第二章第二章 确知信号确知信号 (2

2、(2学时）学时）第三章第三章 随机过程随机过程 (6(6学时）学时）第2页，共54页，编辑于2022年，星期三前言前言 第四章第四章 信道信道 (4(4学时）学时）第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统(8(8学时）学时）第六章第六章 数字基带传输系统数字基带传输系统(8(8学时）学时）第七章第七章 数字带通传输系统数字带通传输系统(10(10学时）学时）第九章第九章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输(8(8学时）学时）第十章第十章 数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收(8(8学时）学时）第十一章第十一章 差错控制编码差错控制编码(8(8学时）学时）第十三章第十三章 同步原理同步原理(4(

3、4学时）学时）总复习总复习(4(4学时）学时）第3页，共54页，编辑于2022年，星期三前言前言先修课程：先修课程：信号与系统、概率与数理统计、积分变换、模拟、信号与系统、概率与数理统计、积分变换、模拟、数字电路、高频电子电路、信息论基础等数字电路、高频电子电路、信息论基础等 后续课程：后续课程：程控交换、移动通信、扩频通信、光纤通信、卫星通信程控交换、移动通信、扩频通信、光纤通信、卫星通信等等 网络课堂：网络课堂：http:/:7777/moodle/http:/:7777/moodle/密钥：密钥：txyllytxylly几点说明：几点说明：1 1、本课程全面研究通信系统的一般原理和性能，

4、它的、本课程全面研究通信系统的一般原理和性能，它的一切分析、研究都是在一切分析、研究都是在“信号分析信号分析”和和“随即过程随即过程”的基础上的基础上第4页，共54页，编辑于2022年，星期三前言前言2 2、本课程不是从具体电路出发，而是从系统的物理模型、数学、本课程不是从具体电路出发，而是从系统的物理模型、数学模型着手进行分析，要掌握好所要求的基本概念模型着手进行分析，要掌握好所要求的基本概念 3 3、本课程是一门概念性、理论性很强的课程，要适当多做些练、本课程是一门概念性、理论性很强的课程，要适当多做些练习题，以加深对基本概念的理解和掌握一般的分析方法习题，以加深对基本概念的理解和掌握一般

5、的分析方法4 4、本课程是一门承上启下的专业基础课，要求有一定的知识面，、本课程是一门承上启下的专业基础课，要求有一定的知识面，且与计算机紧密联系在一起。通信原理、通信技术和通信系统构且与计算机紧密联系在一起。通信原理、通信技术和通信系统构成了通信全部。所以要进行一定的实验和参观实践，以了解通信成了通信全部。所以要进行一定的实验和参观实践，以了解通信原理、通信技术。原理、通信技术。第5页，共54页，编辑于2022年，星期三第第 1 章章 绪论绪论u 1.1 通信的基本概念通信的基本概念u 1.2 通信系统的组成通信系统的组成u 1.3 通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式u 1.4信息

6、及其度量信息及其度量u 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标u 1.6 小结小结第6页，共54页，编辑于2022年，星期三主要内容主要内容 通信系统的组成、分类通信系统的组成、分类 信息及其度量信息及其度量 评价通信系统性能的指标评价通信系统性能的指标 对本课程所要研究的对象有一个初步了解对本课程所要研究的对象有一个初步了解第7页，共54页，编辑于2022年，星期三1 1、信息（、信息（informationinformation）美国数学家、信息论的创始人香农指出：美国数学家、信息论的创始人香农指出：“信息是用来信息是用来消除随机不定性的东西消除随机不定性的东西”。不确定程度越大

7、，它所含的信息越多；否则，越少不确定程度越大，它所含的信息越多；否则，越少 举例：看电视剧举例：看电视剧 打游戏打游戏2 2、ITIT（信息技术、（信息技术、information technology information technology）信息技术是与信息处理和信息传递有关的技术信息技术是与信息处理和信息传递有关的技术 信息处理信息处理 举例：遥感观测举例：遥感观测 信息传递信息传递 快递公司运送货物是属于快递公司运送货物是属于ITIT吗？吗？我们把以电信号的形式传递的信息才叫信息我们把以电信号的形式传递的信息才叫信息 广泛地，数据与信息的采集、表示、处理、安全、传广泛地，数据与信息

8、的采集、表示、处理、安全、传输、交换、显现、管理、组织、存储、检索等都属于输、交换、显现、管理、组织、存储、检索等都属于ITIT1.1通信的基本概念通信的基本概念第8页，共54页，编辑于2022年，星期三3 3、通信（、通信（communication communication）我们研究的通信是指从一个地方通过电信号或光信号的形我们研究的通信是指从一个地方通过电信号或光信号的形式向另一地方进行消息的有效传递与交换（严格地讲是电信）式向另一地方进行消息的有效传递与交换（严格地讲是电信）通信传递的是电或光信号，信号是我们传递信息的物质通信传递的是电或光信号，信号是我们传递信息的物质载体载体 现代

9、通信的业务主要有：电报、电话、传真、广播、电视、因特现代通信的业务主要有：电报、电话、传真、广播、电视、因特网等网等4 4、通信系统（、通信系统（communication system communication system）通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和。总和。举例：移动电话举例：移动电话第9页，共54页，编辑于2022年，星期三通信的发展简史：通信的发展简史：按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：第一阶段第一阶段 语言语言

10、第二阶段第二阶段 文字、邮政文字、邮政 第三阶段第三阶段 印刷术、出版物印刷术、出版物 第四阶段第四阶段 电报、电话、广播电报、电话、广播 第五阶段第五阶段 通信与计算机的结合、网络通信与计算机的结合、网络第10页，共54页，编辑于2022年，星期三 1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型 基于点与点之间的通信系统的模型可用图基于点与点之间的通信系统的模型可用图 1-1 来描述。来描述。1.2 通信系统的组成通信系统的组成图图 11 11 通信系统的一般模型通信系统的一般模型各部分的功能：各部分的功能：1 1、信信息息源源(简简称称信信源源，也也称称发发终终端端)：把把各各种种可可能

11、能消消息息转转换换成成原原始始电电信信号，将这个原始电信号称为消息信号或基带信号。号，将这个原始电信号称为消息信号或基带信号。信源分为模拟信源和数字信源信源分为模拟信源和数字信源基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为信号为3003400Hz3003400Hz，图像信号为图像信号为06MHz06MHz。第11页，共54页，编辑于2022年，星期三电话机、电视摄像机属于模拟信源，输出的是模拟信号；电话机、电视摄像机属于模拟信源，输出的是模拟信号；电传机、计算机终端属于数字信源，输出离散的数字信号。电传机、计算机终端属于数字信源，输出离散的

12、数字信号。2 2、发送设备：发送设备：对基带信号完成某种变换，以适合在信道中传对基带信号完成某种变换，以适合在信道中传输，即：使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干输，即：使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，具有足够的功率以满足远距离传输的需要。扰的能力，具有足够的功率以满足远距离传输的需要。对于模拟通信系统，调制是最常见的变换方式。对于模拟通信系统，调制是最常见的变换方式。对于数字通信系统，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。对于数字通信系统，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。3 3、信道：信道：传输信号的物理媒质（信号传输的物理通道）。传输信号的物理媒

13、质（信号传输的物理通道）。无线信道：大气、自由空间无线信道：大气、自由空间有线信道：明线、有线信道：明线、电缆、光纤。电缆、光纤。传输过程中存在噪声干扰。传输过程中存在噪声干扰。第12页，共54页，编辑于2022年，星期三媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。不同的传输媒质对信号的影响不同，处理时需建立不同的数学模型，不同的传输媒质对信号的影响不同，处理时需建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。以反映传输媒质对信号的影响。4 4、接收设备：接收设备：完成发送设备的反变换，从带有干扰的接收信号完成发送设备的反变换，从

14、带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。括解除多路复用，实现正确分路。对于模拟通信系统，解调对于模拟通信系统，解调对于数字通信系统，译码、解码对于数字通信系统，译码、解码 5 5、信信息息宿宿（简简称称信信宿宿，也也称称受受信信者者、收收终终端端）：将将复复原原的的原原始信号转换成相应的消息。始信号转换成相应的消息。第13页，共54页，编辑于2022年，星期三 1.2.2 模拟通信模型和数字通信模型模拟通信模型和数字通信模型模拟信号：模拟信号：信号参量的信号参量的取值是连续的

15、取值是连续的或或取无穷多个值取无穷多个值的，且的，且直接直接与消息相对应与消息相对应的信号。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。模拟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。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连不一定在时间上也连续续，如图，如图1-2(b)1-2(b)所示的抽样信号所示的抽样信号 图图 1 2 模拟信号波形模拟信号波形 (a)连续信号；连续信号；(b)抽

16、样信号抽样信号第14页，共54页，编辑于2022年，星期三 图图 1-3数字信号波形数字信号波形 (a)二进制波形；二进制波形；(b)2PSK波形波形 数数字字信信号号：信信号号参参量量只只能能取取有有限限个个值值，并并且且常常常常不不直直接接与与消消息息相相对对应应的信号。的信号。如如电电报报信信号号、计计算算机机输输入入/输输出出信信号号、PCMPCM信信号号等等。数数字字信信号号有有时时也也称称离离散散信信号号，这这个个离离散散是是指指信信号号的的某某一一参参量量是是离离散散变变化化的的，而而不不一定在时间上也离散一定在时间上也离散，如图，如图1-3(b)1-3(b)所示的所示的2PSK

17、2PSK信号信号二进制移相键控二进制移相键控第15页，共54页，编辑于2022年，星期三 按按照照信信道道中中传传输输的的是是模模拟拟信信号号还还是是数数字字信信号号，把把通通信信系系统统分分为为模模拟通信系统和数字通信系统。拟通信系统和数字通信系统。1.模拟通信系统模型模拟通信系统模型信道中传输的是模拟信号的通信系统信道中传输的是模拟信号的通信系统图图 1-4 模拟通信系统模型模拟通信系统模型第16页，共54页，编辑于2022年，星期三 基基带带信信号号具具有有频频率率很很低低的的频频谱谱分分量量，一一般般不不宜宜直直接接传传输输，这这就就需需要要把把基基带带信信号号变变换换成成其其频频带带

18、适适合合在在信信道道中中传传输输的的信信号号，并并可可在在接接收收端端进进行行反反变变换换。完完成成这这种种变变换换和和反反变变换换作作用用的的通通常常是是调调制制器器和和解解调调器器。经经过过调调制制以以后后的的信信号号称称为为已已调调信信号号。已已调调信号有三个基本特征：信号有三个基本特征：(1)(1)携携带带有有信信息息;(2)(2)适适合合在在信信道道中中传传输输;(3)(3)信信号号的的频频谱谱具具有有带带通通形形式式且且中中心心频频率率远远离离零零频频，因因而而已已调调信信号号又又称称频频带带信信号号。第17页，共54页，编辑于2022年，星期三 2 2 数字通信系统模型数字通信系

19、统模型信道中传输的是数字信号的通信系统信道中传输的是数字信号的通信系统图图 1 5 1 5 数字通信系统模型数字通信系统模型第18页，共54页，编辑于2022年，星期三 1)1)信源编码与译码信源编码与译码 信信源源编编码码的的作作用用：(1)(1)是是设设法法减减少少码码元元数数目目和和降降低低码码元元速速率率，即即通通常常所所说说的的数数据据压压缩缩。码码元元速速率率将将直直接接影影响响传传输输所所占占的的带带宽宽，而而传传输输带带宽宽又又直直接接反反映映了了通通信信的的有有效效性性；(2)(2)当当信信息息源源给给出出的的是是模模拟拟语语音音信信号号时时，信信源源编编码码器器将将其其转转

20、换换成成数数字字信信号号，以以实实现现模模拟拟信信号号的的数数字字化化传传输输。第第6 6章章中中将将讨讨论论模模拟拟信信号号数数字字化化传传输输的的两两种种方方式式：脉脉冲冲编编码码调制调制(PCM)(PCM)和增量调制和增量调制(M)(M)。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。2)2)信道编码与译码信道编码与译码 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。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起差错。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成分（监督元）

21、，组成所谓入保护成分（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。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，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。第19页，共54页，编辑于2022年，星期三 3 3）加密与解密加密与解密 为为了了保保证证所所传传信信息息的的安安全全，人人为为将将被被传传输输的的数数字字序序列列扰扰乱乱，即即加加上上密密码码，这这种种处处理理过过程程叫叫加加密密。在在接接收收端端利利用用与与发发送送端端相相同同的的密密码码复复制制品品

22、对对收收到到的的数数字字序序列列进进行行解解密密，恢恢复复原原来来信信息息，叫解密。叫解密。4 4）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频处，形成适合在数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，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信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ASKASK、频移、频移键控键控FSKFSK、绝对相移键控、绝对相移键控PSKPSK、相对（差分）相移键控、相对（差分）相移键控DPSKDPSK。对这。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带

23、信号。5 5）同步与数字复接同步与数字复接 同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少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、发两端的信号在时间上保持步调一的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。致。第20页，共54页，编辑于2022年，星期三 模模拟拟信信号号经经过过数数字字编编码码后后可可以以在在数数字字通通信信系系统统中中传传输输，数数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子 数数字字信信号号也也可可以以在在模模拟拟通通信信系系统统中中传传输输，如如计计算算机机数数据据可可

24、以以通通过过模模拟拟电电话话线线路路传传输输，但但这这时时必必须须使使用用调调制制解解调调器器（ModemModem）将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。数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，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。可见，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。第21页，共54页，编辑于2022年，星期三 1.1.抗干扰能力强，噪声不累加（通过中继）。抗干扰能力强，噪声不累加（通过中继）。2.2.差错可控。差错可控。可以采用信道编码技术使误码率降低，可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的提高传输的可靠性。可靠

25、性。3.3.易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。理、加工、变换、存储，从而形成智能网。4.4.易于集成化，易于集成化，从而使通信设备微型化。从而使通信设备微型化。5.5.易于加密处理，易于加密处理，且保密强度高。且保密强度高。缺点：占据的系统频带宽；同步要求高缺点：占据的系统频带宽；同步要求高以电话为例，一路模拟电话通常只占据以电话为例，一路模拟电话通常只占据4kHz4kHz带宽，但一路接近同样话带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据音质量的数字电话可能要占据 202060kHz60

26、kHz的带宽，因此数字通信的的带宽，因此数字通信的频带利用率不高。频带利用率不高。1.2.3 数字通信的主要特点数字通信的主要特点第22页，共54页，编辑于2022年，星期三 1 按通信业务分类按通信业务分类话务通信话务通信：电话业务：电话业务非非话话务务通通信信：分分组组数数据据业业务务、计计算算机机通通信信、数数据据库库检检索索、电电子子信信箱箱、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2 按调制方式分类按调制方式分类基带传输：将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话基带传输：将未经调制的信号直接传送，如音频市内电

27、话频带（调制）传输：对各种信号调制后传输的总称频带（调制）传输：对各种信号调制后传输的总称1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统的分类通信系统的分类第23页，共54页，编辑于2022年，星期三表表 1-1常见的调制方式常见的调制方式调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调制AM广播双边带调幅DSB 立体声广播单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传残留边带调幅VSB 电视广播、数传、传真非线性调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播相位调制PM 中间调制方式数字调制振幅键控ASK 数据传输频移键控FSK数据传输相位键控PSK、DPSK、QPSK数据传输、数

28、字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK数字微波、空间通信第24页，共54页，编辑于2022年，星期三调制方式用途脉冲数字调制脉冲模拟调制脉幅调制PAM 中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM 遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM 市话、卫星、空间通信增量调制DM(M)军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC 中低速数字电话续表（续表（2）第25页，共54页，编辑于2022年，星期三 3 按信号特征分类按信号特征分类模拟信号：模拟通信系统模拟信号：模拟通信系统数字信号：数字通信系统数字信号：数字通信系

29、统 4 按传输媒质分类按传输媒质分类有有线线通通信信系系统统：用用导导线线（如如架架空空明明线线、同同轴轴电电缆缆、光光导导纤纤维维、波波导导等等）作为传输媒质，如市内电话、作为传输媒质，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。有线电视、海底电缆通信等。无无线线通通信信系系统统：依依靠靠电电磁磁波波在在空空间间传传播播传传递递，如如短短波波电电离离层层传传播播、微微波波视距传播、卫星中继等。视距传播、卫星中继等。5 按工作波段分类按工作波段分类长波通信、长波通信、中波通信、中波通信、短波通信、短波通信、远红外线通信等。远红外线通信等。第26页，共54页，编辑于2022年，星期三频率范围/Hz名称

30、典型应用3 30极低频ELF远程导航、水下通信30300超低频SLF水下通信3003K特低频ULF远程通信3K30K甚低频VLF远程导航、水下通信、声呐30K300K低频LF导航、水下通信、无线电信标300K3M中频MF广播、海事通信、测向、遇险求救、海岸警卫3M30M高频HF远程广播、电报、电话、传真、搜寻救生、飞机与船只间通信、船-岸通信、业余无线电30M300M甚高频VHF电视、调频广播、陆地交通、空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信300M3G特高频UHF 电视、蜂窝网、微波链路、无线电测控仪、导航、卫星通信、GPS、监视雷达、无线电高度计1 2 通信波段与常用传输媒质通信波段

31、与常用传输媒质第27页，共54页，编辑于2022年，星期三续表（续表（2）频率范围/Hz名称典型应用3G30G 超高频SHF卫星通信、无线电高度计、微波链路、机载雷达、气象雷达、公用陆地移动通信30G300G 极高频EHF雷达着陆系统、卫星通信、移动通信、铁路业务300G3T 亚毫米波0.1mm1mm未划分，实验用43T430T红外7um0.7um光通信系统430T750T 可见光0.7um0.4um光通信系统750T3000T紫外线0.4um0.1um光通信系统注：1kHz=103Hz,1MHz=106Hz,1GHz=109Hz,1THz=1012Hz,1mm=10-3m,1um=10-6m

32、第28页，共54页，编辑于2022年，星期三工作波长和频率的换算公式为工作波长和频率的换算公式为 =式中，式中，为工作波长，为工作波长，f为工作频率，为工作频率，c为光速。为光速。6 按信号复用方式分类按信号复用方式分类频频分分复复用用(FDM)：用用频频谱谱搬搬移移的的方方法法使使不不同同信信号号占占据据不不同同的的频频率范围，模拟通信中常用率范围，模拟通信中常用时时分分复复用用(TDM)：用用脉脉冲冲调调制制的的方方法法使使不不同同信信号号占占据据不不同同的的时时间间区间，数字通信中常用区间，数字通信中常用码码分分复复用用(CDM)：用用正正交交的的脉脉冲冲序序列列分分别别携携带带不不同同

33、信信号号，主主要要用用于于空间通信的扩频通信中。空间通信的扩频通信中。第29页，共54页，编辑于2022年，星期三 1 1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 对对于于点点与与点点之之间间的的通通信信，按按消消息息传传递递的的方方向向与与时时间间关关系系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。单单工工通通信信：指指消消息息只只能能单单方方向向传传输输的的工工作作方方式式，只只占占用用一一个个信信道道。广广播播、遥测、遥控、无线寻呼等就是单工通信方式的例子。遥测、遥控、无线寻呼等就是单工通信方式的例子。半半双双工工通通信信：通

34、通信信双双方方都都能能收收发发消消息息，但但不不能能同同时时进进行行收收和和发发的的工工作方式。例如，使用同一载频的对讲机，收发报机等作方式。例如，使用同一载频的对讲机，收发报机等全全双双工工通通信信：通通信信双双方方可可同同时时进进行行收收发发消消息息的的工工作作方方式式。一一般般情情况况全全双双工工通通信信的的信信道道必必须须是是双双向向信信道道。普普通通电电话话、手手机机都都是是最最常常见见的的全全双双工工通通信信方方式式，计计算算机机之之间间的的高高速速数数据据通通信信也也是是这这种种方方式式。1.3.2 通信方式通信方式第30页，共54页，编辑于2022年，星期三图1-6单工、半双工

35、和全双工通信方式示意图(a)单工；(b)半双工；(c)全双工第31页，共54页，编辑于2022年，星期三2 按数字信号排列顺序分按数字信号排列顺序分 在在数数字字通通信信中中，按按数数字字信信号号代代码码排排列列的的顺顺序序可可分分为为并并行行传传输输和串行传输。和串行传输。并并行行传传输输：将将代代表表信信息息的的数数字字序序列列以以成成组组的的方方式式在在两两条条或或两两条条以以上上的的并并行信道上同时传输。行信道上同时传输。优点：优点：节省传输时间节省传输时间 缺缺点点：需需要要传传输输信信道道多多，设设备备复复杂杂，成成本本高高，故故较较少少采采用用，一一般般适适用用于计算机和其他高速

36、数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。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。串串行行传传输输：数数字字序序列列以以串串行行方方式式一一个个接接一一个个地地在在一一条条信信道道上上传传输输。一一般般的的远距离数字通信都采用这种传输方式。远距离数字通信都采用这种传输方式。第32页，共54页，编辑于2022年，星期三 图图 1-7并行和串行通信方式示意图并行和串行通信方式示意图 (a)并行传输；并行传输；(b)串行传输串行传输3 按同步方式不同：同步通信、异步通信按同步方式不同：同步通信、异步通信4 按按通通信信设设备备与与传传输输线线路路之之间间的的连连接接类类型型：点点

37、对对点点通通信信（专专线线通通信）、点到多点通信、多点间通信（网通信）信）、点到多点通信、多点间通信（网通信）本课程的重点放在点与点之间的通信上。本课程的重点放在点与点之间的通信上。第33页，共54页，编辑于2022年，星期三 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。越是不可预测的事件，越是不可预测的事件，越会使人感到惊奇，带来的信息越多。越会使人感到惊奇，带来的信息越多。根根据据概概率率论论知知识识，事事件件的的不不确确定定性性可可用用事事件件出出现现的的概概率率来来描描述述。可可能能性性越越小小，概概率率越越小小；反反之之，概概率率越越大大。因因此此，消消息息中

38、中包包含含的的信信息息量量与与消消息息发发生生的的概概率率密密切切相相关关。消消息息出出现现的的概概率率越越小小，消消息息中中包包含含的的信信息息量量就就越越大。大。假假设设P(x)是是一一个个消消息息发发生生的的概概率率，I是是从从该该消消息息获获悉悉的的信信息息，根根据据上上面的认知，面的认知，显然显然I与与P(x)之间的关系反映为如下规律：之间的关系反映为如下规律：1.4 信息及其度量信息及其度量第34页，共54页，编辑于2022年，星期三 （1）信息量是概率的函数，信息量是概率的函数，即即 I=fP(x)（2）P(x)越小，越小，I越大；越大；反之，反之，I越小，越小，且且 P(x)1

39、时，时，I0 P(x)0时，时，I（3）若若干干个个互互相相独独立立事事件件构构成成的的消消息息，所所含含信信息息量量等等于于各各独独立立事事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，即即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+第35页，共54页，编辑于2022年，星期三 综上所述，信息量综上所述，信息量I与消息出现的概率与消息出现的概率P(x)之间的关系应为之间的关系应为 I=loga =-loga P(x)(1.4-1)信信息息量量的的单单位位与与对对数数底底数数a有有关关。a=2时时，信信息息量量的的单单位位为为比比特特(bit)；a=

40、e时时，信信息息量量的的单单位位为为奈奈特特(nit)；a=10时时，信信息息量量的的单单位位为为十十进进制制单单位位，叫叫哈哈特特莱莱。目目前前广广泛泛使使用用的的单单位位为为比比特特，这这时时有有 (1.4-2)例例 11 设设二二进进制制离离散散信信源源，以以相相等等的的概概率率发发送送数数字字0或或1，则则信信源每个输出的信息含量为源每个输出的信息含量为I(0)=I(1)=log2 =log22=1(bit)(1.4-3)第36页，共54页，编辑于2022年，星期三 可可见见，传传送送等等概概率率的的二二进进制制波波形形之之一一（P=1/2）的的信信息息量量为为1比比特特。同同理理，传

41、传送送等等概概率率的的四四进进制制波波形形之之一一（P=1/4）的的信信息息量量为为2比比特特，这这时时每每一一个个四四进进制制波波形形需需要要用用2个个二二进进制制脉脉冲冲表表示示；传传送送等等概概率率的的八八进进制制波波形形之之一一（P=1/8）的的信信息息量量为为3比比特特，这这时时至至少少需需要要3个个二二进进制制脉脉冲。冲。综综上上所所述述，对对于于离离散散信信源源，M个个波波形形等等概概率率（P=1/M）发发送送，且且每每一一个个波波形形的的出出现现是是独独立立的的，即即信信源源是是无无记记忆忆的的，则则传传送送M进进制制波形之一的信息量为波形之一的信息量为I=log2 =log2

42、 =log2 M(bit)(1.4-4)式中，式中，P为每一个波形出现的概率，为每一个波形出现的概率，M为传送的波形数。为传送的波形数。若若M是是2的的整幂次，比如整幂次，比如M=2k（k=1，2，3，），则式），则式(1.4-4)可改写为可改写为 I=log2 2k=k(bit)(1.4-5)第37页，共54页，编辑于2022年，星期三也也就就是是说说，传传送送每每一一个个M（M=2k）进进制制波波形形的的信信息息量量就就等等于于用用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目k。H(x)=P(x1)log2 P(x1)+P(x2)log2 P(x2)+P(xn)lo

43、g2 P(xn)=(1.4-6)由由于于H H同同热热力力学学中中的的熵熵形形式式一一样样，故故通通常常又又称称它它为为信信息息源源的的熵熵，其单位为其单位为bit/bit/符号。符号。非等概情况：非等概情况：设离散信源是一个由设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，个符号组成的符号集，其中每个符号其中每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为出现的概率为P(xi)，且有且有 ,则则x1,x2,xn 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为-log2P(x1),-log2P(x2)，-log2 P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平

44、均信息量为平均信息量为第38页，共54页，编辑于2022年，星期三 显显然然，当当信信源源中中每每个个符符号号等等概概独独立立出出现现时时，式式(1.4-6)即即成成为为式式(1.4-4)，此时信源的熵有最大值。此时信源的熵有最大值。例例1-2 一一离离散散信信源源由由0，1，2，3四四个个符符号号组组成成，它它们们出出现现的的概概率率分分别别为为3/8,1/4,1/4,1/8，且且每每个个符符号号的的出出现现都都是是独独立立的的。求求某某消消息息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。的信息量。解解：此此消消

45、息息中中，0出出现现23次次，1出出现现14次次，2出出现现13次次，3出出现现7次次，共有共有57个符号，故该消息的信息量为个符号，故该消息的信息量为 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第39页，共54页，编辑于2022年，星期三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，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的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。算误差将趋于零。第40页，共54页，编辑于20

46、22年，星期三评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性有效性和和可靠性可靠性。有有效效性性：在在给给定定信信道道内内所所传传输输的的信信息息内内容容的的多多少少，或或者者说说是是传传输输的的“速速度度”问题；问题；可靠性：可靠性：接收信息的准确程度，也就是传输的接收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”问题。问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。模拟通信系统：模拟通信系统：有有效效性性可可用用有有效效传传输输频频带带（传传输输带带宽宽B）来来度度量量，同同样样的的消消息息

47、用用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度；不同的调制方式，则需要不同的频带宽度；可可靠靠性性用用接接收收端端最最终终输输出出信信噪噪比比（S0/N0）来来度度量量。不不同同调调制制方方式式在在同同样样信信道道信信噪噪比比下下所所得得到到的的最最终终解解调调后后的的信信噪噪比比是是不不同同的的。如如调调频频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标第41页，共54页，编辑于2022年，星期三1.传输速率 1）码码元元传传输输速速率率RB（简称传码率，又称符号速率）：单位时间内

48、传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:M进制的一个码元可以用log2M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：RB2=RBMlog2M(B)(1.5-1)数字通信系统：有效性有效性可用传输速率来衡量；可靠性可靠性可用差错率来衡量。第42页，共54页，编辑于2022年，星期三2）信息传输速率Rb（简称传信率，又称比特率）：单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记

49、为bit/s，或b/s，或bps。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即Rb=RBH(b/s)式中，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log2M，信息速率也达到最大，即Rb=RBlog2M(b/s)(1.5-2)或RB=例如：码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=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量上相等，有时简称它们为数码率。(1.5-3)第43页，共54页，编辑于2022年，星期三3）频带利用率比较不同通信系统的有效性时，单看它们

50、的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即数字信号的传输带宽B取决于码元速率RB，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为(1.5-4)(1.5-5)第44页，共54页，编辑于2022年，星期三2.差错率差错率衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。误码率（码元差错率）Pe：发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，即码元在传输系统中被传错的概率，即误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即显然，在