2019/7/13,通信原理,1,Chap1 绪论,2019/7/13,通信原理,2,本章纲要,1.1 通信系统的组成 1.2 通信系统分类与通信方式 1.3 信息及其度量 1.4 主要性能指标,本章学习目的,掌握通信系统的组成模型、分类、通信方式、信息量的概念、信息量的定义、信息量计算方法和通信系统两个主要指标。,2019/7/13,通信原理,3,2019/7/13,通信原理,4,通信系统的组成,1.1.1 通信系统的基本概念 通信（communication） 消息（或信息）的传输和交换的全过程。 电通信 举例： 古代通信幽王烽火戏诸侯；马拉松的奇迹； 现代通信之业务内容：电报、电话、传真、广播、电视、因特网。,通信系统的组成,消息（message） 信息的物理表现形式； 离散消息 连续消息 信息（information） 消息的内涵； 主要指消息中所包含的受信者原来不知道而待知的东西 信号（signal） 信息在物理层上的外延； 信息的电的表示形式，或是与信息一一对应的电量或光量。,2019/7/13,通信原理,5,2019/7/13,通信原理,6,通信系统的组成,1.1.2 通信系统的组成 实现消息传递所需的一切技术设备和信道的总和称为通信系统。 （1）通信系统的模型,各处的噪声之和,信号源,信源可分为两大类： 连续消息 指消息的状态连续变化或是不可数的。 如语音、活动图片等 离散消息 消息的状态是可数的或离散的。 如符号、数据等。,2019/7/13,通信原理,7,信号源,按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类： 模拟信号（analog signal） 凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号 数字信号（digital signal） 凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号 注：区分是模拟信号还是数字信号不是以时间是否连续为标准。,2019/7/13,通信原理,8,信号源,2019/7/13,通信原理,9,信号源,2019/7/13,通信原理,10,调制与解调,名词解释 基带信号 信号的频谱从零频附近开始。 如语音信号为3003400 Hz, 图像信号为06 MHz 已调信号 经过调制以后的信号，又称带通信号或频带信号 三个基本特征 一是携带有信息； 二是适合在信道中传输； 三是信号的频谱通常具有带通形式。,2019/7/13,通信原理,11,信道与噪声,信道 信号传输的通道。 可分为有线和无线两大类。 通常，信号在信道中传输会受到衰减和畸变。 噪声源 不是人为地加入设备中，而是通信系统中各处设备以及信道中噪声和干扰的等效集中表示。 在通信系统模型中，信道是噪声（干扰）的集中加入之处。,2019/7/13,通信原理,12,2019/7/13,通信原理,13,通信系统的组成,通信系统由四部分组成，是通信系统的一般表示，反映了通信系统的共性。 通信原理的讨论是围绕通信系统的模型而展开的。 根据具体的通信形式有具体的系统模型与之对应。,2019/7/13,通信原理,14,通信系统的组成,（2）模拟通信系统,信号源,调制器,解调器,受信者,信 道,基 带 信 号,已 调 信 号,2019/7/13,通信原理,15,通信系统的组成,（3）数字通信系统,注：缺省同步系统。,已调信号,基带信号,信道编码,噪声源,加 密 器,信 息 源,数字调制,信 道,受 信 者,解 密 器,信道译码,数字解调,信源编码,信源译码,2019/7/13,通信原理,16,通信系统的组成,（4）数字通信的优点（教材P5） 数字传输的抗干扰能力强,尤其在中继时,数字信号可以再生而消除噪声的积累。 传输差错可以控制,从而改善了传输质量。 便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理。 数字信息易于作高保密性的加密处理。 数字信息可以综合传递各种消息,使通信系统功能增强。,2019/7/13,通信原理,17,通信系统的组成,数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同。 常用的方式分两大类：数字基带传输系统和数字调制系统。 数字通信系统优点的实现是用占据更宽的系统频带而换得的。在系统频带紧张的场合这将成为其缺点。,BACK,2019/7/13,通信原理,18,通信系统的分类与通信方式,1、按消息的物理特征分类（业务） 如电报、电话、数据、图像通信系统,2、按调制方式分类 Base-band vs Frequency-band,1.2.1 通信系统分类,2019/7/13,通信原理,19,通信系统的分类与通信方式,针对频带传输信号而言,数字信号：PCM 、 M 等 脉冲数字调制,AM、DSB、SSB、VSB,FM、PM,模拟信号,模拟信号：PAM、PDM、PPM 脉冲模拟调制,正弦波调制,脉冲调制,频带,数字信号：ASK、FSK、PSK、DPSK 数字调制,2019/7/13,通信原理,20,通信系统的分类与通信方式,3、按信号特征分类 最常用分为模拟与数字通信系统两大类,4、按传输媒介分类 最常用分为有线（包括光纤）与无线,5、按信号复用方式分类,频分复用：使不同的信号占据不同的频率范围,时分复用：不同的信号占据不同的时间区间,码分复用：用一组包含正交码字的码组携带多路信息,2019/7/13,通信原理,21,通信系统的分类与通信方式,1.2.2 通信方式,半双工：通信双方（两点）均能收发消息但不能同时收发。例如无线对讲机,单工：单方向传输（一点发、一点收）。例如遥控,全双工：通信双方（两点）能同时收发信号。例如电话,单工、半双工、全双工,串序传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输, 它占用一条通路。适合远距离。,并序传输：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，适合近距离,数字通信,BACK,2019/7/13,通信原理,22,图 1 - 6单工、 半双工和全双工通信方式示意图 (a) 单工； (b) 半双工； (c) 全双工,2019/7/13,通信原理,23,图 1 7 并行和串行通信方式示意图 (a) 并行传输； (b) 串行传输,2019/7/13,通信原理,24,信息及其度量,1.3.1 信息的描述 信息：消息中有意义的内容，消息理解为信源。 信息是消息（信号）的不确定性的度量。确定事物不含信息。 传输信息的多少用信息量衡量。 不确定性来自客观事物本身的随机性，可以用概率统计来定量描述。,2019/7/13,通信原理,25,信息及其度量,1.3.2 信息量 I 原则 信息量是消息出现概率的函数。I=fP(x) 消息出现的概率越小，所包含的信息量越大。 P(x)1时， I0；P(x)0时， I 若某消息由若干个独立消息组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和（可加性）。,2019/7/13,通信原理,26,信息及其度量,结论,定义：某离散消息x的信息量为 I、消息出现的概率为 P(x ),则 I = P (x ) I 是P (x )函数,对由若干个相互独立事件构成消息，有： I P(x1 ) P(x2 ) = I P(x1 ) + I P(x2 ) + , I 与 P(x ) 间的关系必满足原则（1）、（2）,取 a = 2 I：bit 比特 取 a = e I：nit 奈特 取 a = 10 I：哈特莱,2019/7/13,通信原理,27,信息及其度量,1.3.3 离散独立等概消息的信息量 离散：消息集由M个可能的消息（事件）所组成，每次只取其中之一。 独立：各消息间相互统计独立。 等概：各消息的出现概率相等（ ）。,2019/7/13,通信原理,28,信息及其度量,二进制 M=2,设有二进制，等概率出现的离散消息 0、 1 消息 P (x1 )=P (x2 )= 1/2,定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为 1 bit,2019/7/13,通信原理,29,信息及其度量,M进制 M=2K,对M进制，等概率出现的离散消息 0，1，2 , , M-1 消息 p( x1 )=p (x2 )= =1/M=2-K,从波形上看，M进制有M种波性，每一种波形等概率出现 所以M 是波形数，P (xi ) =P 是每一波形出现的概率,结论：对等概的M进制的每个符号（码元）所包含的信息量为K bit，是二进制的K倍。,2019/7/13,通信原理,30,信息及其度量,1.3.4 离散独立非等概消息的信息量 平均信息量熵H(x),设消息由 n 个相互独立的符号组成，称为符号集,且每个符号包含的信息量均不相等 所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量,2019/7/13,通信原理,31,信息及其度量,定义信息源的熵 H(X ),重要结论：最大熵出现在等概之时。 等概时：P(xi)=1/M，Hmax=log2M bit/符号,2019/7/13,通信原理,32,信息及其度量,总信息量 I,若某符号集的熵为H(x)，则该符号集发送m个符号（从而组成一个消息）时，所发送的信息量为,BACK,例子,2019/7/13,通信原理,33,解：方法一,因消息共57个符号，一个符号含有算术平均信息量为,方法二,总,总,2019/7/13,通信原理,34,习题1,国际莫尔斯电码用点和划的序列发送英文字母，划持续了3单位的电流脉冲表示，点用持续1单位的电流脉冲表示，且划出现的概率是点出现概率的1/3。 （1）计算点和划的信息量； （2）计算点和划的平均信息量。,2019/7/13,通信原理,35,主要性能指标,接续质量：迅速性 传输质量：清晰度 稳定质量：可靠性 涉及系统的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用。 通信的性能好坏主要应从有效性和可靠性两方面衡量。 有效性：速度 可靠性：质量,2019/7/13,通信原理,36,主要性能指标,1.4.1 模拟系统性能指标 模拟系统的有效性可用有效传输频带宽度来度量。 模拟系统的可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。,信噪比S/N，化为分贝时,2019/7/13,通信原理,37,主要性能指标,1.4.2 数字系统性能指标 传输速率(有效性)和差错率(可靠性) 有效性传输速率 码元传输速率RBd 定义：每秒传送的码元个数； 单位：波特（Baud，缩写为Bd）； 若码元宽度为T，则RBd=1/T。,2019/7/13,通信原理,38,主要性能指标,信息传输速率Rb 定义：每秒钟传送的信息量； 单位：比特/秒（bit/s） RBd与Rb之间的关系 一般情况下：Rb=RBdH，等概时，H=log2M 二进制：Rb2=RBd2，但单位不同 M进制：RbM=RBdMlog2M,例子,2019/7/13,通信原理,39,例题,设一数字传输系统传送二进制码元的速率为9600 Baud，那么该系统的信息速率为 ；若该系统改为十六进制信号码元，码元的速率为1200Baud，则这时系统的信息速率为 。,2019/7/13,通信原理,40,习题2,某系统采用脉冲组方式传送信息。每个脉冲组包含4个信息脉冲和1个休止脉冲。每个信息脉冲和休止脉冲的宽度均为1ms，且4个信息脉冲等概出现，试求： （1）码元速率； （2）平均信息速率。,2019/7/13,通信原理,41,习题3,我国黑白电视机系统的帧频为25Hz，每帧图像在屏幕上显示的有效行数为437行，屏幕宽高比为4:3。假设图像的相邻像素间相互独立，每一级像素的亮度可划分为10级，各级亮度出现概率相等，试求该电视图像的平均信息速率。,2019/7/13,通信原理,42,主要性能指标,频带利用率（带宽效率）b 定义：单位频带提供的码元传输速率，或信息传输速率，即 意义：把带宽与传输速率相联系，以便更好地考虑有效性。 结论：当等概且码元速率相同时,2019/7/13,通信原理,43,主要性能指标,可靠性差错率 误码率 误