1通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三通信原理学院：信息科学与技术学院教师:王学伟wangxwmail.buct.edu.cn助教： 王韦炜email: wangww1108sina.com2通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三教材：通信原理（ 第五版或第六版）樊昌信 张甫翊 徐炳祥 吴成柯编著国防工业出版社3通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三参考书周炯槃编著. 信息理论基础. 北京:人民邮电出版社,1983年.周炯槃,续大我等编著. 通信原理. 北京邮电大学出版社,2000年.北京邮电学院数字通信教研室. 数据传输原理. 北京:国防工业出版社,1978年.倪维桢等编著. 数字电话通信原理. 北京:人民邮电出版社,1982年.冯丙昌等编著. 脉码调制通信(修订本). 北京:人民邮电出版社,1982年.陆大新编著. 随机过程及其应用. 北京:清华大学出版社,1986年.周炯槃等编著. 通信网理论基础. 北京:人民邮电出版社,1991年.徐炳祥编著. 数字动态滤波器. 电子科学技术,1981年4月.Peterson WW,Weldon E J. ,Jr. ,Error Correcting Codes. 2nd ed,1972.Gallager R G. Information Theory and Reliable Communication, John Wiley, New York,1968.Davenport W B. ,Jr. ,Root W L. An Introduction to the Theory of Random Signals and Noise,McGraw-Hill, New York,1958.Peebles PZ. Communication System Principles, Addison-Wesley Publishing Company,1976.Buchner J B. Ternary line Codes. PTR. Vol. 34. No. 2. June,1976.Shanmugan K S. Digital and Analog Communication Systems. John Willy & Sons,1979.美贝福德蒂编著. 通信系统理论讲座. 胡征等译. 北京:人民邮电出版社,1964年.日广田宪一朗等编著. 数据传输系统. 数据传输系统翻译组译. 北京:国防工业出版社,1978年.美W. R. 贝尔特，J. R. 戴维编著. 数据传输. 北京:国防工业出版社,1978年.美R. W. 勒基等编著. 数据通信原理. 成都电信工程学院205教研室译. 北京:人民邮电出版社,1975年.4通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三1.2 通信系统的组成1.2.1 通信系统的模型1.2.2 模拟通信与数字通信系统模型1.3 通信系统的分类及通信方式1.3.1 通信系统的分类1.3.2 通信方式1.4 信息及其度量1.5 主要性能指标笫1章笫1章 绪1.1 引言1.1.1 通信的概念论5通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）1.1 引言1.1.1 通信的概念通信按照传统的概念：通信是信息的传输和交换。本教材中“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。信息技术Communication ，Computer ，Control & Measurement .本教材主要内容：信息的传输与交换及通信网的基本原理。6通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三1.2 通信系统的组成通信的目的 传输消息。消息的形式 符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像。通信业务电报、电话、传真、数据传输及可视电话等。通信业务（广义范畴）广播、电视、雷达、导航、遥测、遥控等。第一章 绪论（prolegomenon）7通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三1.2.1 通信系统的模型通信系统的一种简化模型信息源发送设备信道接收设备受信者（发送端）（接收端）噪声源图1-1 通信系统的简化模型第一章 绪论（prolegomenon）8通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型信息源（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：从接收的减损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。9通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型1.2.2 模拟通信与数字通信系统模型通信传输消息的类型一类为离散消息，另一类为连续消息。离散消息通常，消息都被载荷在电信号的某一参量上，代表消息的信号参量取值为有限个(可数的)，称为离散消息，这样信号称为数字信号。例如电报信号、计算机输入输出信号等。连续消息代表消息的信号参量连续取值(不可数的)，称连续消息，即信号参量状态连续变化的消息。这样的信号称为模拟信号。例如麦克风输出电压等。10通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三模拟信息源调制器信道解调器受信者基带信号基带信号噪声源图1-2 模拟通信系统的模型第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的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：11通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三模拟信息源发送端的连续消息要变成原始电信号，基带信号。调制器将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号。已调信号经过调制后的信号，通常为频带信号。信息源模拟调制器信道解调器受信者基带信号基带信号噪声源第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型12通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三已调信号具有两个基本特性：一是携带消息， 二是适应在信道中传输。解调器在接收端将传送的信号进行反变换，恢复原来的基带信号。信息源模拟调制器信道解调器受信者基带信号基带信号噪声源第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型13通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三两种变换：模拟消息基带信号原始电信号（基带信号）已调信号（带通信号）基带信号发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。又称为原始信号。信息源模拟调制器信道解调器受信者基带信号基带信号 已调信号噪声源第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型14通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三发送设备接收设备图1-3 数字通信系统模型第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型数字通信系统的模型2011年2月16日星期三通信原理北化信息学院王学伟15完成模/数转换;提高信息传输的有效性信道编码与译码目的：增强抗干扰能力加密与解密目的：保证所传信息的安全数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型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图1-3 a 数字通信系统模型信源编码与译码目的：16通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三信息源形成器基带信号信道滤波器接收受信者噪声源图1-3 b 数字基带通信系统数字基带通信系统它的模型不包括调制与解调环节。第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型17通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三1.2.3.4.5.数字传输抗干扰能力强，数字信号可以再生而消除噪声的积累。传输差错可以控制，从而改善传输质量。便于使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换和存储。数字信息易于做高保密性的加密处理。数字通信可综合传递各种消息，使通信系统功能增强。缺点：需要较大的传输带宽对同步要求高第一章 绪论（prolegomenon）1.2.1 通信系统的模型数字通信的特点（5条）18通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三1.3 通信系统的分类及通信方式1.3.1 通信系统的分类按消息的物理特征分类 ：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，频带传输。按信号特性分类：模拟通信系统，数字通信系统。按传输媒介分类：有线（含光纤）和无线两类。按信号复用方式分类：频分复用（FDMA），时分复用（TDMA）和码分复用（CDMA）。第一章 绪论（prolegomenon）19通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）1.3.2 通信方式三种通信方式单工通信，半双工通信及全双工通信。单工通信（P6）消息只能单方向传输的工作方式。图1-4（a）半双工通信通信双方都能收发信息，但收、发不能同时进行。图1-4（b）全双工通信通信双方能同时进行收发消息的工作方式。图1-4（c）发端信道收端（a）发端收端信道发端收端（b）发端收端2011年2月16日星期三发端收端信道信道通信原理北化信息学院王学伟（c）20第一章 绪论（prolegomenon）2011年2月16日星期三通信原理北化信息学院王学伟21第一章 绪论（prolegomenon）并行传输和串行传输并行传输：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2011年2月16日星期三通信原理北化信息学院王学伟22第一章 绪论（prolegomenon）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其他分类方式：同步通信和异步通信专线通信和网通信23通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）1.4 信息及其度量信息的概念（什么是信息？）信息是消息中包含的有意义的内容。信息的含义比 消息更普遍化，抽象化。信息量信息量是传输信息的多少。信息量度量的方法应当能够度量任何的消息，并且与消息的种类无关。24通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三（1）设消息所含信息量为I，消息为x，消息x出现的概率为 P(x)；则信息量I是消息概率P(x)的函数，即I = I P( x)1.4-1（2）消息出现的概率越小，它所含的信息量越大，反之信息量 越小。 P(x)=1时，I=0。即：1P( x)= log a P( x)I = log a第一章 绪论（prolegomenon）信息量的描述（表述）：25通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各种独 立事件信息量的和，即IP(x1)P(x2 ) = IP(x1)+ IP(x2 )+1.4-2I与P(x)之间的关系可表示为：1P ( x )= log a P ( x )I = log a1.4-3该式为消息x所含的信息量。第一章 绪论（prolegomenon）26通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三1P ( x )= log a P ( x )I = log a1.4-3第一章 绪论（prolegomenon）信息量的单位：由式1.4-3中对数底a确定对数底a=2，则信息量单位为比特（bit）；对数底为e，则信息量单位为奈特（nit）；对数底为10，则信息量单位为十进制单位，哈特莱。等概率出现的离散消息的度量（M个消息）：传送M个消息之一与传送M个波形之一等价。27通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三11 22= log2 = 1 bitI = log 21.4-4对M2，传送每一个波形的信息量为：M bit2211 M= logI = log1.4-5第一章 绪论（prolegomenon）M=2，即二进制，等概率出现时，传送每一波形的信息量为：I = log 2 2 = K bitI = lo g 2 2 M= lo g28k1.4-6结论：只要在接收者看来每一传送波形是独立等概率出现的，则一个波形所能传递的信息量为：bit1P2I = log1.4-72011年2月16日星期三bitI = log 2 M1.4-8或（P=1/M）通信原理北化信息学院王学伟b it11 M1.4-5第一章 绪论（prolegomenon）K1.4-5为：P (x n )29通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三x n ,x 2 ,P (x 2 ),x1 ,P (x1 ),n, xi =1号所含信息量的求统计平均值，得到每个符号平均信息量为：第一章 绪论（prolegomenon）非等概率情况：设：信息源是n个符号的集合，称为符号集。每个符号 x i 在消息中按一定概率P(xi ) 独立出现，符号集中各符号及其出现的概率P(x)为：= P(xi ) log2 P( xi ) (bit 符号)30通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三ni =11.4-9H(x)称为信息熵。注意： 信息熵H(x)与采用算数平均计算的一个符号的信息量有区别。第一章 绪论（prolegomenon）H ( x) = P( x1 ) log2 P( x1 )+ P( x2 ) log2 P( x2 )+ + P( xn ) log2 P( xn )31通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三例1.4.1 一信息源由4个符号0,1,2,3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.试求某个消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量.解：统计消息共有57个符号；第一章 绪论（prolegomenon）32通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三在此消息中,0出现23次,1出现14次,2出现13次,3出现7次,消息的信息量为:3出现1的信息量为14 log 2 4 = 28 bit ,出现2的信息量为13 log 2 4 = 26 bit ,出现3的信息量为 7 log 2 8 = 21 bit ,故该(bitI = I 符号数 = 108 57 = 1.89符号)I = 33 + 28 + 26 + 21 = 108 (bit )采用算数平均 计算一个符号的信息量为:第一章 绪论（prolegomenon）H = 33通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三1818141414log 2log 23 3 1log 2 log 28 8 4= 1 .906 (bit 符号 )I = 57 1 . 906 108 . 64 (bit则该消息所含信息量为:以上两个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。这种误差将随消息中符号数的增加而减少。第一章 绪论（prolegomenon）若用信息熵的概念计算平均信息量,根据式(1.4-9)有:H 1 (x ) = 34通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三f (x ) dxe f (x )logf (x ) 为连续消息出现的概率密度函数。第一章 绪论（prolegomenon）连续消息的信息量：用概率密度 f (x )来描述连续消息的平均信息量(相对熵)为:35通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三1.5 通信系统主要性能指标性能指标也称质量指标。通信系统的性能指标有效性,可靠性,适应性,标准性,经济性,维护使用等.就消息传输来说,二者是主要矛盾。模拟通信系统重要性能指标: 均方误差。均方误差衡量发送的模拟信号与接收端复制的模拟信号之间误差程度的质量指标。第一章 绪论（prolegomenon）36通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）均方误差产生的原因信号传输时叠加上噪声,称为加性干扰产生的误差，用信噪比来衡量。信道传输特性不理想产生的误差, 称为乘性干扰产生的误差。数字通信系统主要性能指标有两个:传输速率,差错率。码元长度:数字通信中常常用时间间隔相同的符号表示一位二进制数字,这个间隔被称为码元长度。二进制码元:上述时间间隔内的信号称为二进制码元。37通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）传输速率通常以码元传输速率来衡量,又称码元速率或传码率。定义为每秒钟传送码元的数目，单位是“波特”，用B表示.传码率用R B 表示.传输速率还可用信息传输速率来表征.信息传输速率又称信息速率或传信率. 定义为每秒钟传递的信息量.单位比特/秒(bit/s).38通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三N(bits )2R b = R BN log1.5-1(B )NRRBNb2log=1.5-2第一章 绪论（prolegomenon）码元速率与信息速率在数值上存在一定关系:(1)在二进制条件下,码元速率(传码率)与信息速率在数值上相等,但单位不同.(2)在N进制下,设信息速率(传信率)为 Rb (bit s ),码元速率为RBN ( B ) ,则有:39通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）数字通信的另一性能指标:差错率差错率它是衡量系统正常工作时，传输消息可靠程度的重要指标。差错率有两种表述方法：误码率和误信率。误码率码元在传输系统中被传错的概率。误信率码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。40通信原理北化信息学院王学伟2011年2月16日星期三第一章 绪论（prolegomenon）1.6 小结作业1思考题12；14；18；19；习题12；13；15；16；19