通信系统的主要性能指标.ppt

1 4数字通信系统的主要性能指标 一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面 1 有效性 指通信系统传输消息的 速率 问题 即快慢问题 2 可靠性 指通信系统传输消息的 质量 问题 即好坏问题 3 适应性 指通信系统使用时的环境条件 4 经济性 指系统的成本问题 5 保密性 指系统对所传信号的加密措施 这点对军用系统显得更加重要 6 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 7 维修性 指系统是否维修方便 8 工艺性 指通信系统各种工艺要求 模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量 同样的消息用不同的调制方式 则需要不同的频带宽度 可靠性用接收端最终输出信噪比来度量 不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的 如调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 1 4 1信息及其度量 通信系统中传输的具体对象是消息 但通信的最终目的是传递信息 因此有必要明确信息的含义 1信息的含义 消息 有待于传输的文字 符号 数据和语言 活动图片等 信息 可理解为消息中所包含的有意义的内容 不同的消息可以包含相同的信息 有如下特征 1 能被摄取 2 可以传输 信息的本质特征 3 能够转换和再生 信息的处理 变换 4 能共享 通信的必要 信息的定义 信息是事物的运动状态和规律 自然信息不肯定度的描述 它可以被传输 摄取 处理和利用 信息 信号 消息的区别和联系 信号 是信息的物理表达层 是三个层次中最具体的层次 它是一个物理量 是一个载荷信息的实体 可测量 可描述 可显示 消息 或称为符号 是信息的数学表达层 它虽不是一个物理量 但是可以定量地加以描述 它是具体物理信号的进一步数学抽象 可将具体物理信号抽象为两大类型 离散 数字 消息 是一组未知量 可用随机序列来描述 U U1 Ul UL 连续 模拟 消息 也是未知量 它可用随机过程来描述 U t 信息 它是更高层次哲学上的抽象 是信号与消息的更高表达层次 三个层次中 信号最具体 信息最抽象 它们三者之间的关系是哲学上的内涵与外延的关系 理解 信息可以认为是具体的物理信号 数学描述的消息的内涵 即信号具体载荷的内容 消息描述的含义 而信号则是抽象信息在物理层表达的外延 消息则是抽象信息在数学层表达的外延 同一信息 可以采用不同的信号形式 比如文字 语言 图象等 来载荷 同一信息 也可以采用不同的数学表达形式 比如离散或连续 来定量描述 同样 同一信号形式 比如 0 与 1 可以表达不同形式的信息 比如无与有 断与通 低与高 电平 等等 香农的论点 形式化假说通信的任务只是在接收端把发送端发出的消息从形式上复制出来 对消息的语义内容的处理和判断 是接收者自己的事 大胆的去掉了消息的语义 语用因素 保留了能用数学描述的形式因素 非决定论一切有通信意义的消息的发生都是随机的 设计者事先无法预料 消息传递过程中遇到的噪声干扰也是随机的 所以 必须用概率论 随机过程 数理统计等数学工具 从大量不可预料的随机消息 包括噪声 中 寻求其统计规律 用非决定论观点揭示信息的本质 对通信活动的总的认识观 它从原则上解决了用什么样的数学工具解决信息度量问题 不确定性通信前对某事件可能发生的若干结果不能做出明确的判断 存在某种知识上的 不确定性 通信后 通过消息的传递 由原先的 不知道 到 知道 或由 知之不多 到 知之甚多 即 通信后 消除了或部分消除了通信前存在的不确定性 所以通信的作用就是通过消息的传递 使接收者从收到的消息中获取了一定的 信息 消除了原先存在的 不确定性 所以 信息就是用来消除不确定性的东西 通信后接收者获取的信息 在数量上等于通信前后不确定性的消除量 不确定性 与 可能性 的联系 可能性 的大小在数学上可用概率的大小来表示 可能性 大就意味着 不确定性 小 可能性 小就意味着 不确定性 大 不确定性 就与消息发生的概率密切相关 根据香农关于信息的定义 通信中获取的 信息 从数量上等于通信前后 不确定性 的消除 也与消息发生的概率密切相关 这样 就从理论上解决了信息的度量问题 2离散消息的信息量 对接收者来说 只有消息中不确定的内容才构成信息 否则 信源输出已确切知晓 就没有必要再传输它了 因此 信息含量就是对消息中这种不确定性的度量 首先 让我们从常识的角度来感觉三条消息 太阳从东方升起 太阳比往日大两倍 太阳将从西方升起 第一条几乎没有带来任何信息 第二条带来了大量信息 第三条带来的信息多于第二条 1 信息量 究其原因 第一事件是一个必然事件 人们不足为奇 第三事件几乎不可能发生 它使人感到惊奇和意外 也就是说 它带来更多的信息 因此 信息含量是与惊奇这一因素相关联的 这是不确定性或不可预测性的结果 越是不可预测的事件 越会使人感到惊奇 带来的信息越多 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 可能性越小 概率越小 反之 概率越大 因此 消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关 消息出现的概率越小 消息中包含的信息量就越大 假设P xi 是一个消息发生的概率 I xi 是从该消息获悉的信息 根据上面的认知 显然I xi 与P xi 之间的关系反映为如下规律 1 信息量是概率的函数 即 I xi f P xi 2 P xi 越小 I xi 越大 反之 I越小 且 P xi 1时 I xi 0 P xi 0时 I xi 3 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之和 也就是说 信息具有相加性 即 I P x1 P x2 I P x1 I P x2 综上所述 信息量I与消息出现的概率P x 之间的关系应为 信息量的单位与对数底数a有关 a 2时 信息量的单位为比特 bit a e时 信息量的单位为奈特 nit a 10时 信息量的单位为十进制单位 叫哈特莱 目前广泛使用的单位为比特 例二 二进制离散信源 0 1 p 0 1 3 求出现 1 的信息量 解 由于全概率为1 故p 1 2 3信息量I log2 2 3 0 585bit 例一 已知二进制离散源 0 1 每个符号等概率独立发送 求二进制波形之一的信息量 解 由于每一波形出现的概率为p x 1 2故信息量I log2 1 p x 1bit 设离散信源是一个由n个符号组成的符号集 其中每个符号xi i 1 2 3 n 出现的概率为P xi 且有 P xi 1 则x1 x2 xn所包含的信息量分别为 log2P x1 log2P x2 log2P xn 于是 每个符号所含信息量的统计平均值 即平均信息量为 H x P x1 log2P x1 P x2 log2P x2 P xn log2P xn 由于H同热力学中的熵形式一样 故通常又称它为信息源的熵 其单位为bit 符号 2 离散信源的平均信息量 例三 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201020130213001203210100321010023102002010312032100120210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 故该消息的信息量为 每个符号的算术平均信息量为 若用熵的概念来计算 由式 1 3 5 得 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 而且随着消息序列长度的增加 两种计算误差将趋于零 例四设一信息源的输出由128个不同符号组成 其中16个出现的概率为1 32 其余112个出现概率为1 224 信息源每秒发出1000个符号 且每个符号彼此独立 试计算该信息源的平均信息速率 解 每个符号的平均信息量为 已知码元速率RB 1000B 故该信息源的平均信息速率为 最大熵定理 二元信源信息熵与p的关系 1 某信源的符号集由A B C D和E组成 设每一个符号独立出现 其出现概率分别为1 4 1 8 1 8 3 16和5 13 信源以1000B速率传送信息 1 求传送1小时的信息量 2 求传送1小时可能达到的最大信息量 数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量 可靠性可用差错率来衡量 1 传输速率码元传输速率RB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 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 通信系统的有效性 可靠性 通常在给出码元速率时 有必要说明码元的进制 由于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 信息传输速率Rb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特数 单位是比特 秒 可记为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 频带利用率 比较不同通信系统的有效性时 单看它们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 2 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 更确切地说 误码率是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 在二进制中有Pb Pe 例 已知某八进制数字通信系统的信息速率为3000bit s 在收端10分钟内共测得出现18个错误码元 试求该系统的误码率 解 依题意 则 系统的误码率