通信原理第1章-绪论课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,1-,*,页,通 信 原 理,第,1,章 绪 论,1.1,通信的基本概念,1,1.2,通信系统的组成模型,2,1.3,通信系统的分类及通信方式,3,1.4,通信的发展概况,4,1.5,信息及其度量,5,1.6,通信系统主要性能指标,6,1.7,小结,7,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。,信号,：,与消息一一对应的电量。它是消息的物质,载体，即消息是载荷在电信号的某一参量上的。,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、电话、广播、电视、遥控、,遥测、因特网和计算机通信等。,1.1,通信的基本概念,通信从本质上讲是信息传递功能的一门科学技术，要将大量有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。,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。,在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。,1.1,通信的基本概念,1.2.1,通信系统的一般模型,通信系统,：传递信息所需的一切技术设备的总和。,通信系统的一般模型如图所示。,1.2,通信系统的组成模型,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。,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,通信系统的组成模型,1.2,通信系统的组成模型,1.2.2,模拟通信系统模型,在电通信系统中，消息的传递是载荷在电信号,的某一参量上的（如连续波的幅度、频率或相位；,脉冲波的幅度、宽度或位置）。,依据电信号参量的取值方式不同，可以把信号,分为两类：,模拟信号和数字信号,。,判断一个信号是模拟信号还是数字信号，关键,在于确定携带消息的信号参量是哪个,物理量,，然后,再根据物理量的取值状态进行判断。,模拟信号和数字信号,模拟信号,：代表消息的信号参量取值,连续无限,，,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,1.2,通信系统的组成模型,数字信号,：代表消息的信号参量取值,离散有限,例如电报信号、计算机输入输出信号：,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。,(a),二进制信号,(b)2PSK,信号,图,1-3,数字信号,1.2,通信系统的组成模型,模拟通信系统模型,模拟通信系统是利用,模拟信号,来传递信息的通信系统。,模拟通信系统需要两种变换：,模拟消息,原始电信号（基带信号）,基带信号,已调信号（带通信号）,图,1-4,模拟通信系统模型,1.2,通信系统的组成模型,1.2,通信系统的组成模型,经过调制以后的信号称为已调信号，它应具有,两个基本特征：,一是携带有信息；,二是适宜在信道中传输。,图,1-5,双边带（,DSB,）系统模型图,以双边带系统为例，简单分析调制与解调的原理。,1.2,通信系统的组成模型,1.2.3,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。,数字通信系统可进一步细分为：,（,1,）数字频带传输通信系统（含有调制器,/,解调器）；,（,2,）数字基带传输通信系统（不含调制器,/,解调器）；,（,3,）模拟信号数字化传输通信系统（模拟信号在,数字通信系统中传输）。,1.2,通信系统的组成模型,1,数字频带传输通信系统,信源编码与译码：,提高信息传输的有效性；完成模数（,A/D,）变换。,加密与解密：保证所传信息的安全。,信道编码与译码：增强抗干扰能力。,调制与解调：形成适合在信道中传输的带通信号。,1.2,通信系统的组成模型,同步：,使收发两端信号在时间上保持步调一致，是保证,数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。,从功能和实现环境的方法不同，同步可分为以下,四种方式：,载波同步,码元同步或位同步,帧同步,网同步,1.2,通信系统的组成模型,2,数字基带传输通信系统,图中基带信号形成器可能包括编码器、加密器,以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、,解密器等。,1.2,通信系统的组成模型,3,模拟信号数字化传输通信系统,要实现模拟信号在数字通信系统中传输，,则必须在发送端将模拟信号数字化，即,A/D,转换；,在接收端需进行相反的转换，即,D/A,转换。,1.2.3,数字通信的特点,优点：,抗干扰能力强，且噪声不积累。,传输差错可控。,便于加密。,易于集成。,易于现代,DSP,技术相结合。,缺点：,占用频带宽。,需要严格的同步系统。,1.2,通信系统的组成模型,1.3.1,通信系统的分类,按,通信业务,分类：电报通信系统、电话通信系统、,数据通信系统、图像通信系统,按,调制方式,分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统,按,信号特征,分类：模拟通信系统和数字通信系统,按,传输媒介,分类：有线通信系统和无线通信系统,按,工作波段,分类：长波通信、中波通信、短波通信,按,信号复用方式,分类：频分复用、时分复用、码分复用,1.3,通信系统的分类及通信方式,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,是用抽样或脉冲调制方法使不同信号占据,不同的时间区间；,码分复用,则是用一组包含互相正交的码字的码组,携带多路信号。,传统的模拟通信中都采用频分复用；,随着数字信的发展，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,1.3.2,通信方式,单工、半双工和全双工通信,对于点与点之间的通信，按,消息传递的方向与时间,关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。,单工通信,：消息只能单方向传输的工作方式。,半双工通信,：通信双方都能收发消息，但不能同时,收发的工作方式。,1.3,通信系统的分类及通信方式,全双工通信,：通信双方可同时进行收发消息,的工作方式。,例如,遥测、遥控，就是单工通信方式。,例如,使用同一载频工作的无线电对讲机，就是按半双工,通信方式工作的。,例如,普通电话就是一种最常见的全双工通信方式。,1.3,通信系统的分类及通信方式,并行传输和串行传输,在数字通信中，按照数字信号码元排列方法不同，,有串行传输与并行传输之分。,并行传输,：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方,式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。,优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施。,缺点：需要,n,条通信线路，成本高。,1.3,通信系统的分类及通信方式,串行传输,：将数字信号码元序列以串行方式一个码元,接一个码元地在一条信道上传输。,优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用。,缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施。,1.3,通信系统的分类及通信方式,1.3,通信系统的分类及通信方式,两点间直通方式、分支方式和交换方式,按照通信的,网络形式,通常可分为以上三类。,本书的重点放在,点与点之间的通信,上。,信息,：是消息中包含的有效内容。,如何度量离散消息中所含的,信息量,?,度量信息量的原则：,能度量任何消息，并与消息的种类无关。,度量方法应该与消息的重要程度无关。,消息中所含信息量和消息内容的不确定,【,例,】“,某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条,消息包含有更多的信息。,上例表明：,消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。,1.5,信息及其度量,度量信息量的方法,1,）事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：,消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。,2,）设：,P,(,x,),消息发生的概率，,I,消息中所含的信息量，,则,P,(,x,),和,I,之间应该有如下关系：,I,是,P,(,x,),的函数：,I,I,P,(,x,),P,(,x,),，,I,；,P,(,x,),，,I,；,P,(,x,)=1,时，,I,0,；,P,(,x,)=0,时，,I,；,1.5,信息及其度量,3,）满足上述条件的关系式如下：,信息量的定义,上式中对数的底：,若,a,=2,，信息量的单位称为,比特,(bit),，可简记为,b,若,a,=,e,，信息量的单位称为奈特,(,nat,),，,若,a,=10,，信息量的单位称为哈特莱,(Hartley),。,通常广泛使用的单位为,比特,，这时有,1.5,信息及其度量,【,例,1.1】,设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“,0”,或“,1”,，则信源每个输出的信息含量为：,在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作,1,比特,。,若有,M,个等概率波形（,P,=1/,M,），且每一个波形的出现是独立的，则传送,M,进制波形之一的信息量为,:,若,M,是,2,的整幂次，即,M,=2,k,，则有,:,当,M,=4,时，即,4,进制波形，,I,=2,比特，,当,M,=8,时，即,8,进制波形，,I,=3,比特。,1.5,信息及其度量,对于,非等概率,情况,设：一个离散信源是由,M,个符号组成的集合，其中每个符号,x,i,(,i,=1,2,3,M,),按一定的概率,P(,x,i,),独立出现，即,且有,则,x,1,x,2,x,3,x,M,所包含的信息量分别为,:,1.5,信息及其度量,于是，每个符号所含平均信息量为,:,由于,H,(,x,),同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的,熵,。,1.5,信息及其度量,当离散信源中各符号等概率独立出现,平均信息量,达到最大值，为,1.5,信息及其度量,【,例,1.2】,设由,5,个符号组成的离散信息源，各符号出现的概率为,试求该信源的平均信息量。,【,解,】,该信源的平均信息量,为：,【,例,1.3】,一离散信源由“,0”,，“,1”,，“,2”,，“,3”,四个符号组成，它们出现的概率分别为,3/8,，,1/4,，,1/4,，,1/8,，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息,2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210,的信息量。,【,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，故该消息的信息量,:,每个符号的,算术平均信息量,为,:,1.5,信息及其度量,若用,熵,的概念来计算：,则该消息的信息量为：,以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。,当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。,1.5,信息及其度量,连续消息的信息量,:,关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。,可以证明，连续消息的平均信息量为：,1.5,信息及其度量,式中：,为连续消息出现的概率密度函数。,【,例,】,四进制离散信源输出四个独立符号,A,、,B,、,C,、,D,。,1,）,A,、,B,、,C,、,D,出现的概率分别为,1/4,、,1/8,、,1/8,、,1/2,，,求,A,、,B,、,C,、,D,每个符号所携带的信息量和信源熵。,2,）,A,、,B,、,C,、,D,等概时，求信源熵（平均信息量）。,1.5,信息及其度量,1.6,通信系统主要性能指标,通信系统的性能指标主要有以下几个方面：,有效性：指通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题。,可靠性：指通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题。,适应性：指通信系统使用时的环境条件。,标准性：指系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、,国际标准。,经济性：指系统的经济成本问题。,保密