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1、1通信原理第第2章章 基本概念基本概念2第第2章章 基本概念l1.1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：通信的目的：传递消息消息中所包含的中所包含的信息信息。n消息消息：是物：是物质或精神状或精神状态的一种反映，例如的一种反映，例如语音、文字、音音、文字、音乐、数据、数据、图片或活片或活动图像像等。等。n信息信息：是消息中包含的有效内容。：是消息中包含的有效内容。n实现通信的方式和手段：通信的方式和手段：u非非电的：如旌旗、消息的：如旌旗、消息树、烽火台、烽火台 u电的：如的：如电报、电话、广播、广播、电视、遥控、遥、遥控、遥测、因特网和因特网和计算机通信等。算机通信等。3第第2章章
2、基本概念n电信信发明史明史u1837年：莫年：莫尔斯斯发明有明有线电报u1864年：麦克斯年：麦克斯韦发明明电磁磁辐射理射理论u1876年：年：贝尔发明有明有线电话 u1896年：年：马可尼可尼发明无明无线电报u1918年：年：调幅无幅无线电广播、超外差接收机广播、超外差接收机问世世u1936年：商年：商业电视广播开播广播开播 n后面后面讲述中，述中，“通信通信”这一一术语是指是指“电通信通信”，包括光通信，因，包括光通信，因为光也是一种光也是一种电磁波。磁波。n在在电通信系通信系统中，消息的中，消息的传递是通是通过电信号来信号来实现的。的。4第第2章章 基本概念l1.2 通信系统的组成n1.
3、2.1 通信系统的一般模型u信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。u发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。u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。u噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。5第第2章章 基本概念u接收接收设备：从受到减：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始的接收信号中正确恢复出原始电信号。信号。u受信者（信宿）：把原始受信者（信宿）：把原始电信号信号还原成相原成相应的消息，如的消息，如扬声器等。声器等。6涉及的相关理论信源发送设备信道接收设备信宿噪声概率论与统计率失真理论信源编码密
4、码理论信号处理调制理论信道编码电磁场与电波传播理论随机过程伪随机序列信号处理解调理论差错控制编码滤波理论密码理论信号与系统、电路分析、电子线路、交换理论、排队论、同步、通信网等7第第2章章 基本概念n1.2.2 模模拟通信系通信系统模型和数字通信系模型和数字通信系统模型模型u模模拟信号和数字信号信号和数字信号p模模拟信号：代表消息的信号参量取信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克，例如麦克风输出出电压：(a)话音信号 (b)抽样信号图1-2 模拟信号8第第2章章 基本概念p数字信号：代表消息的信号参量取数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如有限个，例如电报信号、信号、计算机算机输入
5、入输出信号：出信号：u通常，按照信道中通常，按照信道中传输的是模的是模拟信号信号还是数字信号，是数字信号，相相应地把通信系地把通信系统分分为模模拟通信系通信系统和数字通信系和数字通信系统。(a)二进制信号 (b)2PSK信号图1-3 数字信号9第第2章章 基本概念u模模拟通信系通信系统模型模型p模模拟通信系通信系统是利用模是利用模拟信号来信号来传递信息的通信系信息的通信系统：p两种两种变换：模模拟消息消息 原始原始电信号（基信号（基带信号）信号）基基带信号信号 已已调信号（信号（带通信号）通信号）图1-4 模拟通信系统模型10第第2章章 基本概念u数字通信系数字通信系统模型模型p数字通信系数字
6、通信系统是利用数字信号来是利用数字信号来传递信息的通信系信息的通信系统 p信源信源编码与与译码目的：目的：提高信息提高信息传输的有效性的有效性完成模完成模/数数转换 p信道信道编码与与译码目的：增目的：增强抗干抗干扰能力能力p加密与解密目的：保加密与解密目的：保证所所传信息的安全信息的安全p数字数字调制与解制与解调目的：形成适合在信道中目的：形成适合在信道中传输的的带通信号通信号 p同步目的：使收同步目的：使收发两端的信号在两端的信号在时间上保持步上保持步调一致一致 图1-5 数字通信系统模型11第第2章章 基本概念n1.2.3 数字通信的特点数字通信的特点u优点点p抗干抗干扰能力能力强，且噪
7、声不，且噪声不积累累p传输差差错可控可控p便于便于处理、理、变换、存、存储p便于将来自不同信源的信号便于将来自不同信源的信号综合到一起合到一起传输p易于集成，使通信易于集成，使通信设备微型化，重量微型化，重量轻p易于加密易于加密处理，且保密性好理，且保密性好u缺点：缺点：p需要需要较大的大的传输带宽p对同步要求高同步要求高12第第2章章 基本概念l1.3 通信系通信系统分分类与通信方式与通信方式n1.3.1 通信系通信系统的分的分类u按通信按通信业务分分类：电报通信系通信系统、电话通信系通信系统、数据通信系数据通信系统、图像通信系像通信系统 u按按调制方式分制方式分类：基：基带传输系系统和和带
8、通（通（调制）制）传输系系统 调制制传输系系统又分又分为多种多种调制，制，详见书中表中表1-1。u按信号特征分按信号特征分类：模：模拟通信系通信系统和数字通信系和数字通信系统u按按传输媒介分媒介分类：有：有线通信系通信系统和无和无线通信系通信系统 u按工作波段分按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通波通信、中波通信、短波通信信 u按信号复用方式分按信号复用方式分类：频分复用、分复用、时分复用、分复用、码分复用分复用 13第第2章章 基本概念n1.3.2 通信方式通信方式u单工、半双工和全双工通信工、半双工和全双工通信p单工工通信：消息只能通信：消息只能单方向方向传输的工作方式的工作方式p半
9、双工半双工通信：通信双方都能收通信：通信双方都能收发消息，但不能同消息，但不能同时收收发的工作方式的工作方式p全双工全双工通信：通信双方可同通信：通信双方可同时进行收行收发消息的工作方式消息的工作方式 14第第2章章 基本概念u并行并行传输和串行和串行传输p并行并行传输：将代表信息的数字信号：将代表信息的数字信号码元序列以成元序列以成组的方的方式在两条或两条以上的并行信道上同式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 优点：点：节省省传输时间，速度快：不需要字符同步措施，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要缺点：需要 n 条通信条通信线路，成本高路，成本高 15第第2章章 基本概念p串行串行传输：
10、将数字信号：将数字信号码元序列以串行方式一个元序列以串行方式一个码元接元接一个一个码元地在一条信道上元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，点：只需一条通信信道，节省省线路路铺设费用用缺点：速度慢，需要外加缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施或字符同步措施u其他分其他分类方式：方式：p同步通信和异步通信同步通信和异步通信p专线通信和网通信通信和网通信16第第2章章 基本概念l1.4 信息及其度量信息及其度量n信息信息：是消息中包含的有效内容：是消息中包含的有效内容n如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?u度量信息量的原度量信息量的原则p能度量任何消息，并与消息的
11、种能度量任何消息，并与消息的种类无关。无关。p度量方法度量方法应该与消息的重要程度无关。与消息的重要程度无关。p消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例例】“某客机某客机坠毁”这条消息比条消息比“今天下雨今天下雨”这条消息包含有更多的信息。条消息包含有更多的信息。上例表明：上例表明：消息所表达的事件越不可能消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。生，信息量就越大。17第第2章章 基本概念u度量信息量的方法度量信息量的方法p事件的不确定程度可以用其出事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：的概率来描述：消息出消息出现的概率越小，的概率越小，则消息
12、中包含的信息量就越消息中包含的信息量就越大。大。p设：P(x)消息消息x发生的概率，生的概率，I 消息中所含的信息量，消息中所含的信息量，p则 P(x)和和 I 之之间应该有如下关系：有如下关系：I 是是 P(x)的函数：的函数：I I P(x)P(x)，I ；P(x)，I ；P(x)=1时，I 0；P(x)=0时，I ；p 满足上述足上述3条件的关系式如下：条件的关系式如下：信息量的定信息量的定义18第第2章章 基本概念p上式中上式中对数的底：数的底：若若a=2，信息量的，信息量的单位称位称为比特比特(bit)，可，可简记为b 若若a=e，信息量的，信息量的单位称位称为奈特奈特(nat)，若
13、若 a=10，信息量的，信息量的单位称位称为哈特莱哈特莱(Hartley)。p通常广泛使用的通常广泛使用的单位位为比特，比特，这时有有(b)p【例例】设一个二一个二进制离散信源，以相等的概率制离散信源，以相等的概率发送数字送数字“0”或或“1”，则信源每个信源每个输出的信息含量出的信息含量为 p在工程在工程应用中，用中，习惯把一个二把一个二进制制码元称作元称作1比特比特 19第第2章章 基本概念p若有若有M个等概率波形（个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出），且每一个波形的出现是独立的，是独立的，则传送送M进制波形之一的信息量制波形之一的信息量为p若若M是是2的整的整幂次，即次，即 M
14、=2k，则有有当当M=4时，即，即4进制波形，制波形，I=2比特，比特，当当M=8时，即，即8进制波形，制波形，I=3比特。比特。20第第2章章 基本概念p对于非等概率情况于非等概率情况设：一个离散信源是由：一个离散信源是由M个符号个符号组成的集合，其中每个符成的集合，其中每个符号号xi(i=1,2,3,M)按一定的概率按一定的概率P(xi)独立出独立出现，即，即 且有且有则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量于是，每个符号所含平均信息量为由于由于H(x)同同热力学中的力学中的熵形式相似，故称它形式相似，故称它为信息源的信息源的熵 21第第2
15、章章 基本概念u【例例1】一离散信源由一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四四个符号个符号组成，它成，它们出出现的概率分的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出，且每个符号的出现都是独立的。都是独立的。试求某消息求某消息2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的的信息量。信息量。【解解】此消息中，此消息中，“0”出出现23次，次，“1”出出现14次，次，“2”出出现13次，次，“3”出出现7次，共有次，共有57个符号，故个符号，故该消息的信息量消息的信息量 每个符号的算每个符号的算术平均信息量平
16、均信息量为 22第第2章章 基本概念若用若用熵的概念来的概念来计算：算：则该消息的信息量消息的信息量 以上两种以上两种结果略有差果略有差别的原因在于，它的原因在于，它们平均平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存果可能存在在误差。差。这种种误差将随着消息序列中符号数的增加而差将随着消息序列中符号数的增加而减小。减小。当消息序列当消息序列较长时，用，用熵的概念的概念计算更算更为方便。方便。23第第2章章 基本概念n连续消息的信息量消息的信息量关于关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以可以证明，明，连
17、续消息的平均信息量消息的平均信息量为式中，式中，f(x)连续消息出消息出现的概率密度。的概率密度。24第第2章章 基本概念l1.5 通信系通信系统主要性能指主要性能指标n通信系通信系统的主要性能指的主要性能指标：有效性和可靠性：有效性和可靠性u有效性：指有效性：指传输一定信息量一定信息量时所占用的信道所占用的信道资源源（频带宽度和度和时间间隔），或者隔），或者说是是传输的的“速度速度”问题。u可靠性：指接收信息的准确程度，也就是可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的的“质量量”问题。n模模拟通信系通信系统：u有效性：可用有效有效性：可用有效传输频带来度量。来度量。u可靠性：可用接收端最可靠
18、性：可用接收端最终输出信噪比来度量。出信噪比来度量。25第第2章章 基本概念n数字通信系数字通信系统u有效性：用有效性：用传输速率和速率和频带利用率来衡量。利用率来衡量。p码元元传输速率速率RB：定：定义为单位位时间（每秒）（每秒）传送送码元的数目，元的数目，单位位为波特（波特（Baud），），简记为B。式中式中T 码元的持元的持续时间（秒）（秒）p信息信息传输速率速率Rb：定：定义为单位位时间内内传递的平均信的平均信息量或比特数，息量或比特数，单位位为比特比特/秒，秒，简记为 b/s，或，或bps 26第第2章章 基本概念p码元速率和信息速率的关系元速率和信息速率的关系或或 对于二于二进制数
19、字信号：制数字信号：M=2，码元速率和信息速率元速率和信息速率在数量上相等。在数量上相等。对于多于多进制，例如在八制，例如在八进制（制（M=8）中，若）中，若码元速元速率率为1200 B，则信息速率信息速率为3600 b/s。27第第2章章 基本概念p频带利用率：定利用率：定义为单位位带宽（1赫赫兹）内的）内的传输速率，即速率，即或或u可靠性：常用可靠性：常用误码率和率和误信率表示。信率表示。p误码率率p误信率，又称信率，又称误比特率比特率在二在二进制中有制中有28第第2章章 基本概念l1.6 小小结:本章重点本章重点1.掌握通信系统模型、分类2.理解数字通信的主要优缺点3.掌握信息量的度量4
20、.理解通信系统的主要质量指标29码元码元l数字信号的收数字信号的收发 都按照一定的都按照一定的节拍，拍，对消息内消息内容容进行行编组，数字信号，数字信号单元（元（码元）就像我元）就像我们写写作文作文时候要打候要打标点符号一点符号一样。l这里所里所说的的码元不同于元不同于bit.码元元实际上代表上代表调制制信号某一个确定的状信号某一个确定的状态,该状状态可以代表可以代表1个个bit(如高低如高低电平平,DPSK等等),也可以代表数个也可以代表数个bit(如如QPSK,QAM等等).星座星座图上的某个星星上的某个星星实际上就上就代表某个代表某个码元元(单位位时段内段内).l“码元元”就是一种状就是
21、一种状态，传输带宽就是就是码元元变化化的的频率，在率，在带宽一定的情况下（一定的情况下（码元元变化的化的频率）率），一个，一个码元元变化化对应的的bit数越多，数越多，传输效率越效率越高。高。l在通信信道中持在通信信道中持续固定固定时间，具有一定相位和幅，具有一定相位和幅值的一段余弦的一段余弦载波波-码元。元。30码元码元l数字信号的收数字信号的收发都按照一定的都按照一定的节拍，拍，对消息内容消息内容进行行编组，数字信号，数字信号单元（元（码元）就像我元）就像我们写作写作文文时候要打候要打标点符号一点符号一样。l这里所里所说的的码元不同于元不同于bit.码元元实际上代表上代表调制制信号某一个确
22、定的状信号某一个确定的状态,该状状态可以代表可以代表1个个bit(如高低如高低电平平,DPSK等等),也可以代表数个也可以代表数个bit(如如QPSK,QAM等等).星座星座图上的某个星星上的某个星星实际上就上就代表某个代表某个码元元(单位位时段内段内).l“码元元”就是一种状就是一种状态，传输带宽就是就是码元元变化化的的频率，在率，在带宽一定的情况下（一定的情况下（码元元变化的化的频率）率），一个，一个码元元变化化对应的的bit数越多，数越多，传输效率越效率越高。高。l在通信信道中持在通信信道中持续固定固定时间，具有一定相位和幅，具有一定相位和幅值的一段余弦的一段余弦载波波-码元。元。31码
23、元码元l比如比如8PSK，一个一个码元元对应三个三个bit。64QAM一个一个码元元对应6个个ibit.这样64QAM是是8PSK传输效率的效率的2倍。倍。32基带信号基带信号l是指来自信源的消息信号（原始是指来自信源的消息信号（原始电信号，信号，也称也称调制信号）。可以是模制信号）。可以是模拟，也可以是，也可以是数字。数字。l基基带-信号的信号的频谱从零从零频附近开始。如附近开始。如语音信号的音信号的频率范率范围为300-3400HZ，图像信像信号的号的频谱为06MHZ。33载波信号载波信号l未受未受调制的高制的高频振振荡信号。可以是正弦波，信号。可以是正弦波，方波，三角波等。方波，三角波等
24、。34已调信号已调信号l是指受到是指受到调制后的已制后的已调载波信号。由于已波信号。由于已调信号信号的的频谱通常具有通常具有带通形式，所以已通形式，所以已调信号也称信号也称带通信号。通信号。l把基把基带信号信号经过载波波调制后，把信号的制后，把信号的频率范率范围搬移到搬移到较高的高的频段以便在信道中段以便在信道中传输（即（即仅在一在一段段频率范率范围内能内能够通通过信道）。信道）。l由于每一路基由于每一路基带信号的信号的频谱被搬移到不同的被搬移到不同的频段段上，因此合在一起后并不会互相干上，因此合在一起后并不会互相干扰。这样做可做可以在一条以在一条线路中同路中同时传送送许多路的数字信号，因多路
25、的数字信号，因而提高了而提高了线路的利用率。路的利用率。35带宽带宽l带宽(BW)表示一个表示一个电路能路能够处理的理的频率或率或信号所包含信号所包含/占有的占有的频率范率范围。l例如：美国的例如：美国的AM无无线电广播信道的广播信道的带宽是是10kHz，也就是，也就是说它所占用的它所占用的频带是是10kHz，例如：从，例如：从760kHz到到770kHz。l比比喻：在高速路上，它所能承受的最大交：在高速路上，它所能承受的最大交通流量就相当于网通流量就相当于网络的数据运的数据运输能力，而能力，而这条高速路允条高速路允许形成的形成的宽度就相当于网度就相当于网络的的带宽。显然，然，带宽越高、数据越
26、高、数据传输可利可利用的用的资源就越多，因而能达到越高的速度。源就越多，因而能达到越高的速度。36lRB Rb，二，二进制（制（M=2）时，RB=Rb（数（数值相等，相等，单位不同）位不同）。lRb一定一定时：增加增加进制数，可以降低制数，可以降低R RB B，从而可以减小信号，从而可以减小信号带宽，节约频带资源，源，提高系提高系统的的频带利用率。利用率。lRB一定一定时（带宽一定）：一定）：增加增加进制数，可以增大制数，可以增大R Rb b，从而在相同的，从而在相同的带宽下，可以下，可以传输更多的更多的信息量。信息量。物理意义物理意义371、设有一个由字母A、B、C、D组成的字，传输每一个字
27、母用二进制码元编码，“00”代替A，“01”代替B，“10”代替C，“11”代替D，每个码元的宽度为5ms。（1）不同字母是等概率出现时，试计算传输的平均信息速率；（2）若每个字母出现的可能性分别为PA=1/5,PB=1/4,PC=1/4,PD=3/10,试计算传输的平均信息量。2、设某数字传输系统传送二进制码元的速率为2400 Baud，试求该系统的信息速率；若该系统改为传送16进制信号码元，码元速率不变，则这时的系统信息速率为多少？（设各码元独立等概率出现）3、已知某四进制数字传输系统的信息速率为2400b/s，接收端在0.5h内共收到216个错误码元，试计算该系统的误码率Pe。作业：作业：