第2章通信原理的基本概念

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1、通信原理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：传递通信的目的：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：是物质或精神状态的一种反映，例如：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。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：实现通信的方式和手段：u非电的：如旌旗、消息树、烽火台非电的：如旌旗、消息树、烽火台 u电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测

2、、因特网和计算机通信等。因特网和计算机通信等。3第第2章章 基本概念n电信发明史电信发明史u1837年：莫尔斯发明有线电报年：莫尔斯发明有线电报u1864年：麦克斯韦发明电磁辐射理论年：麦克斯韦发明电磁辐射理论u1876年：贝尔发明有线电话年：贝尔发明有线电话 u1896年：马可尼发明无线电报年：马可尼发明无线电报u1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世年：调幅无线电广播、超外差接收机问世u1936年：商业电视广播开播年：商业电视广播开播 n后面讲述中，后面讲述中，“通信通信”这一术语是指这一术语是指“电通信电通信”，包括光通信，因为光也是一种电磁波。，包括光通信，因为光也是一种电磁波。

3、n在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。现的。4第第2章章 基本概念l1.2 通信系统的组成n1.2.1 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接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。信号。u受信者（信宿）：把原始电信号还

4、原成相应的消息，如受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。扬声器等。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 模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟通信系统模型和数字通信系统模型u模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号p模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：风输出电压

5、：(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值为有限个，例如电数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：报信号、计算机输入输出信号：u通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，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。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9第第2章章 基本概念u模拟通信系统模型模拟通信系统模型p模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：模拟通信系统是利用模拟信

6、号来传递信息的通信系统：p两种变换：两种变换：模拟消息模拟消息 原始原始电电信号（基信号（基带带信号）信号）基基带带信号信号 已已调调信号（信号（带带通信号）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数字通信系统模型数字通信系统模型p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是利用数字信号来传递信息的通信系统 p信源编码与译码目的：信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性提高信息传输的有效性完成模完成模/数转换数转换 p信道编码与译码目的：增强抗干扰能力信道编码与译码目的：增强抗干扰能力p加密与解密目的：保证所传信息的安全加密与解密目的：保证所传信息的安全p数

7、字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 p同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 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优点优点p抗干扰能力强，且噪声不积累抗干扰能力强，且噪声不积累p传输差错可控传输差错可控p便于处理、变换、存储便于处理、变换、存储p便于将来自不同信源的信号综合到一起传输便于将来自不同信源的信号综合到一起传输p易于集成，使通信设备微型化，重量轻易于集成，使通信设备微型化，重量轻p易于加密处理，且保密性好易于加

8、密处理，且保密性好u缺点：缺点：p需要较大的传输带宽需要较大的传输带宽p对同步要求高对同步要求高12第第2章章 基本概念l1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式n1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类u按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、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、图像通信系统数据通信系统、图像通信系统 u按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统传输系统 调制传输系统又分为多种调制，详见书中表调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。u按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统按信号特

9、征分类：模拟通信系统和数字通信系统u按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 u按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信信 u按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、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单工、半双工和全双工通信p单工单工通信：消息只能单方向传输的工作方式通信：消息只能单方向传输的工作方式p半双工半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方

10、式发的工作方式p全双工全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式 14第第2章章 基本概念u并行传输和串行传输并行传输和串行传输p并行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方：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优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要缺点：需要 n 条通信线路，成本高条通信线路，成本高 15第第2章章 基本概念p串行传输串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接：将数字信

11、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缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施u其他分类方式：其他分类方式：p同步通信和异步通信同步通信和异步通信p专线通信和网通信专线通信和网通信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度量信息量的原则度量信息量的原则p能度量任何消息，并与消息的种类无关。能度

12、量任何消息，并与消息的种类无关。p度量方法应该与消息的重要程度无关。度量方法应该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】“某客机坠毁某客机坠毁”这条消息比这条消息比“今天下雨今天下雨”这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发生，信息量就越大。消息所表达的事件越不可能发生，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现的概率来描述：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

13、就越消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。大。p设：设：P(x)消息消息x发生的概率，发生的概率，I 消息中所含的信息量，消息中所含的信息量，p则则 P(x)和和 I 之间应该有如下关系：之间应该有如下关系：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，时，I 0；P(x)=0时，时，I ；p 满足上述满足上述3条件的关系式如下：条件的关系式如下：信息量的定义信息量的定义18第第2章章 基本概念p上式中对数的底：上式中对数的底：若若a=2，信息量的单位称为信息量的单位称为比特比特(bit)，可简记为可简记为b 若若a=e，信息量的单

14、位称为奈信息量的单位称为奈特特(nat)，若若 a=10，信息量的单位称为哈特莱信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。p通常广泛使用的单位为比特，这时有通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)p【例例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或或“1”，则信源每个输出的信息含量为，则信源每个输出的信息含量为 p在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作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），），且每一个波形的出现且每一个波形的出现是独立的，则传送是独立的，则传

15、送M进制波形之一的信息量为进制波形之一的信息量为p若若M是是2的整幂次，即的整幂次，即 M=2k，则有则有当当M=4时，即时，即4进制波形，进制波形，I=2比特，比特，当当M=8时，即时，即8进制波形，进制波形，I=3比特。比特。20第第2章章 基本概念p对于非等概率情况对于非等概率情况设：一个离散信源是由设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符个符号组成的集合，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)独立出现，即独立出现，即 且有且有则则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为于是，每个符号所含

16、平均信息量为由于由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵熵 21第第2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”四个符号组成，它们出现的概率分别为四个符号组成，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，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的的信息量。信息量。【解解】此消息中，此消息中，“0”出现出现23次，次，“1”出现出现14次，次，“

17、2”出现出现13次，次，“3”出现出现7次，共有次，共有57个符号，故该个符号，故该消息的信息量消息的信息量 每个符号的算术平均信息量为每个符号的算术平均信息量为 22第第2章章 基本概念若用熵的概念来计算：若用熵的概念来计算：则该消息的信息量则该消息的信息量 以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处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在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。当消息序列较长时

18、，用熵的概念计算更为方便。23第第2章章 基本概念n连续消息的信息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。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可以证明，连续消息的平均信息量为式中，式中，f(x)连续消息出现的概率密度。连续消息出现的概率密度。24第第2章章 基本概念l1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标n通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性u有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的（频带宽度和时间

19、间隔），或者说是传输的“速度速度”问题。问题。u可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”问题。问题。n模拟通信系统：模拟通信系统：u有效性：可用有效传输频带来度量。有效性：可用有效传输频带来度量。u可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。25第第2章章 基本概念n数字通信系统数字通信系统u有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。p码元传输速率码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（元的数目，单位为波特（Bau

20、d），），简记为简记为B。式中式中T 码元的持续时间（秒）码元的持续时间（秒）p信息传输速率信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特息量或比特数，单位为比特/秒，简记为秒，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码元速率和信息速率的关系或或 对于二进制数字信号：对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率码元速率和信息速率在数量上相等。在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速中，若码元速率为率为1200 B，则信息速率为则信息速率为3600 b/s。

21、27第第2章章 基本概念p频带利用率：定义为单位带宽（频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输赫兹）内的传输速率，即速率，即或或u可靠性：常用误码率和误信率表示。可靠性：常用误码率和误信率表示。p误码率误码率p误信率，又称误比特率误信率，又称误比特率在二进制中有在二进制中有28第第2章章 基本概念l1.6 小结小结: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.理解通信系统的主要质量指标29码元码元l数字信号的收发数字信号的收发 都按照一定的节拍，对消息内都按照一定的节拍，对消息内容进行编组，数字信号单元（码元）就像我们写容进行编组，数字信号

22、单元（码元）就像我们写作文时候要打标点符号一样作文时候要打标点符号一样。l这里所说的码元不同于这里所说的码元不同于bit.码元实际上代表调制码元实际上代表调制信号某一个确定的状态信号某一个确定的状态,该状态可以代表该状态可以代表1个个bit(如高低电平如高低电平,DPSK等等),也可以代表数个也可以代表数个bit(如如QPSK,QAM等等).星座图上的某个星星实际上就星座图上的某个星星实际上就代表某个码元代表某个码元(单位时段内单位时段内).l“码元码元”就是一种状态，传输带宽就是码元变化就是一种状态，传输带宽就是码元变化的频率，在带宽一定的情况下（码元变化的频率）的频率，在带宽一定的情况下（

23、码元变化的频率），一个码元变化对应的，一个码元变化对应的bit数越多，传输效率越数越多，传输效率越高。高。l在通信信道中持续固定时间，具有一定相位和幅在通信信道中持续固定时间，具有一定相位和幅值的一段余弦载波值的一段余弦载波-码元。码元。30码元码元l数字信号的收发数字信号的收发 都按照一定的节拍，对消息内都按照一定的节拍，对消息内容进行编组，数字信号单元（码元）就像我们写容进行编组，数字信号单元（码元）就像我们写作文时候要打标点符号一样作文时候要打标点符号一样。l这里所说的码元不同于这里所说的码元不同于bit.码元实际上代表调制码元实际上代表调制信号某一个确定的状态信号某一个确定的状态,该状

24、态可以代表该状态可以代表1个个bit(如高低电平如高低电平,DPSK等等),也可以代表数个也可以代表数个bit(如如QPSK,QAM等等).星座图上的某个星星实际上就星座图上的某个星星实际上就代表某个码元代表某个码元(单位时段内单位时段内).l“码元码元”就是一种状态，传输带宽就是码元变化就是一种状态，传输带宽就是码元变化的频率，在带宽一定的情况下（码元变化的频率）的频率，在带宽一定的情况下（码元变化的频率），一个码元变化对应的，一个码元变化对应的bit数越多，传输效率越数越多，传输效率越高。高。l在通信信道中持续固定时间，具有一定相位和幅在通信信道中持续固定时间，具有一定相位和幅值的一段余弦

25、载波值的一段余弦载波-码元。码元。31码元码元l比如比如8PSK，一个码元对应三个一个码元对应三个bit。64QAM一个码元对应一个码元对应6个个ibit.这样这样64QAM是是8PSK传输效率的传输效率的2倍。倍。32基带信号基带信号l是指来自信源的消息信号（原始电信号，是指来自信源的消息信号（原始电信号，也称调制信号）。可以是模拟，也可以是也称调制信号）。可以是模拟，也可以是数字。数字。l基带基带-信号的频谱从零频附近开始。如信号的频谱从零频附近开始。如语音信号的频率范围为语音信号的频率范围为300-3400HZ，图像，图像信号的频谱为信号的频谱为06MHZ。33载波信号载波信号l未受调制

26、的高频振荡信号。可以是正弦波，未受调制的高频振荡信号。可以是正弦波，方波，三角波等。方波，三角波等。34已调信号已调信号l是指受到调制后的已调载波信号。由于已调信号是指受到调制后的已调载波信号。由于已调信号的频谱通常具有带通形式，所以已调信号也称带的频谱通常具有带通形式，所以已调信号也称带通信号。通信号。l把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。段频率范围内能够通过信道）。l由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段由于每一路基带信号的频谱

27、被搬移到不同的频段上，因此合在一起后并不会互相干扰。这样做可上，因此合在一起后并不会互相干扰。这样做可以在一条线路中同时传送许多路的数字信号，因以在一条线路中同时传送许多路的数字信号，因而提高了线路的利用率。而提高了线路的利用率。35带宽带宽l带宽带宽(BW)表示一个电路能够处理的频率或信号范表示一个电路能够处理的频率或信号范围，或信号所包含围，或信号所包含/占有的频率范围。占有的频率范围。l例如：美国的例如：美国的AM无线电广播信道的带宽是无线电广播信道的带宽是10kHz，也就是说它所占用的频带是，也就是说它所占用的频带是10kHz，例，例如：从如：从760kHz到到770kHz。l比喻：在

28、高速路上，它所能承受的最大交通流量比喻：在高速路上，它所能承受的最大交通流量就相当于网络的数据运输能力，而这条高速路允就相当于网络的数据运输能力，而这条高速路允许形成的宽度就相当于网络的带宽。显然，带宽许形成的宽度就相当于网络的带宽。显然，带宽越高、数据传输可利用的资源就越多，因而能达越高、数据传输可利用的资源就越多，因而能达到越高的速度。到越高的速度。36lRB Rb，二进制（，二进制（M=2）时，）时，RB=Rb（数值相等，单位不同）（数值相等，单位不同）。lRb一定时：一定时：增加进制数，可以降低增加进制数，可以降低R RB B，从而可以减小信号带宽，节约频带资源，从而可以减小信号带宽，

29、节约频带资源，提高系统的频带利用率。提高系统的频带利用率。lRB一定时（带宽一定）：一定时（带宽一定）：增加进制数，可以增大增加进制数，可以增大R Rb b，从而在相同的带宽下，可以传输更多的，从而在相同的带宽下，可以传输更多的信息量。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：38