《通信原理第一章课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理第一章课件.pptx（53页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、通信原理,主 讲： 朱 杰,联系方式：Email: Tel: 84078869,成都理工大学信息工程学院,什么是通信？,通信(Communication)是指由一地向另一地进行消息的有效传递。,进入19世纪后,人们开始试图用电信号进行通信。,电缆通信,微波中继通信,SSBFDM,SSB、FM、FDMBPSK、QPSKMQAM,光纤通信,WDM,卫星通信,FDM、FDMATDM、TDMA,通信是指利用电子技术等手段，借助光电信号实现从一地向另一地进行消息的有效传递。,移动通信,第二代：窄带时分多址（TDMA）、窄带码分多址(CDMA) 标准欧洲GSM、美国IS-95、日本PDC第三代（3G）：W
2、CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA,三网合一,电信网、计算机网、有线电视网,个人通信,“5W”通信模式：任何人（Whoever）能在任何时间（Whenever）、任何地点（Wherever）以任何方式（Whatever）与任何他人（Whomever）进行通信。,学好通信的基础条件,选修和复习几门基础课程概率论信号与系统随机过程自学,如何学习,主动听课，认真作好笔记及时消化当天的内容，知识需要日积月累，但问题不需要认真做好每次布置的作业认真做好实验，每次实验完按时提交实验报告坚持按时到课,关于成绩,成绩由以下部分组成：期末考试成绩 80%实验成绩 10%平时成绩 10%到课情况作业情况
3、,教材与参考书,教材 通信原理 樊昌信 等著 国防工业出版社,同步原理,绪论（信息论基础知识）,通信原理课程主体内容,随机信号分析基础,模拟调制系统,模拟信号的数字传输,数字频带传输系统,差错控制编码,信道,数字基带传输系统,数字信号的最佳接收,正交编码与伪随机序列,第一章 绪论第一部分 通信及通信系统简介,通信的几个基本概念,通信发展史介绍,通信系统的构成,通信系统的分类,通信系统的主要性能指标,1.2.3.4.5.,1.1 通信的基本概念,信息、消息和信号信息：从工程上来讲信息是客观事物可能存在的状态及其随时间而发生变化的反映消息：携带信息的载体（e.g. 文字、语音、图象）信号：指消息在
4、通信系统中物理参数的函数表示形式 通信模式单工：单方向（遥控器）半双工：不能同时收发（无线电对讲机）全双工：双方同时收发（电话）数据传输方式串行传输：将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个在信道中传输并行传输：将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输,1.1 通信的基本概念,通信的定义 通信：是指信息的传输与交换 通信的目的：传输信息 例如： 电通信：利用“电”来传递信息的方式 光通信：利用“光”来传递信息的方式,1.2 通信系统的构成,通信系统的一般模型,Point to Point Communications,发送端：信息源：信源，将消息变成原始的电信号发
5、送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的信号变换为便于信道传输的信号形式信道：信号传输的媒介（有无线和有线之分）接收端：接收设备：将信道中送来的已调信号还原成原始信号收信者：信宿，将原始电信号还原成信息噪声源：信道中的噪声与分散在通信系统中的其它各处的噪声的集中表示（加性噪声、乘性噪声）,模拟通信系统模型,模拟信源：模拟通信中的信息源是状态连续的模拟信源（电话）调制器：将来自信源的基带信号变换成适合在信道上传输的已调信号的设备解调器：将已调信号还原成基带信号，与调制相反过程处理的设备,数字通信系统模型,信源编码：A D信道编码：使数字信号与传输媒介匹配,1.3 通信系统分类,根据消息的物理
6、特征分为：语音通信系统数据通信系统图象通信系统 根据调制方式（是否采用调制）可分：基带传输：将未经调制的信号直接传输频带传输：调制传输，将各种信号调制后传输的总称（利于传输、提高性能-抗干扰能力、有效利用频带）根据传输的媒介分为：无线通信（微波、卫星、移动）有线通信（CATV、光缆）,根据信道上传输信号的波形特征分为：模拟通信系统：幅度连续数字通信系统：幅度被限制在有限个数值之内，它不是连续的，而是离散的（抗干扰能力强、便于各种处理、易于集成、性价比好、便于多路复用） 根据信号的复用方式可分：频分复用FDM：用频谱搬移的方法使不同信号占用不同的频谱范围时分复用TDM：用脉冲调制的方法使不同信号
7、占据不同时间区间（时隙）码分复用CDM：用一组正交的脉冲序列分别携带不同信息波分复用WDM：通过不同颜色（频率/波长）的光传输不同的信号。,1.4 通信系统的主要性能指标,在研究设计或评价一个通信系统的好坏时，必然涉及系统的质量指标问题。通信系统的质量指标很多，归纳起来主要有以下几个方面：有效性：是指消息传输的“速度”问题可靠性：是指消息传输的“质量”问题适应性：指环境使用条件标准性：指元件的标准性互换性经济性：指成本是否低保密性：是否便于加密使用、维修：是否方便,有效性：用有效传输频带来度量取决于消息所包含的信息量和对信息源的处理；处理的目的是使单位时间内传输更多的消息或者一定的频带内传输更
8、多的消息可靠性：用信宿输出的信噪比来度量(S/N)信噪功率比S/N越大，通信质量越好；S/N是由信号功率和信号传输过程中引起的失真和各种干扰、噪声决定的,有效性：用信息传输速率来度量码元速率RB：每秒传输码元的数目，单位：波特（B）信息传输速率Rb：每秒钟传输的信息量，单位：比特/秒（bit/s）可靠性：用差错率来度量误码率Pe：是指错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比例误信率Pb：误比特率，是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例。,信息量：衡量各种不同消息中包含信息多少的标准。 单位：比特（bit），符号用I表示设信息传输速率为Rb(bit/s)，码元速率为RBN(B)，则,其中
9、，RBN=RB2/log2N ，N为进制数,注：因为信息量与进制有关，因此信息速率也和进制有关，N进制数字信号每秒钟的信息量为RBN log2N，所以 RbN =RBN log2N且在二进制中， Rb2 =RB2，在数值上信息速率=码元速率,例：一个二进制数字信号每分钟传输18kbit的信息量，求其码元速率？如果改用八进制数字信号完成每分钟传输18kbit的信息量，其码元速率又为多少？,习题1-7,解：由题目可知传输二电平数字信每秒传输300个码元，则知 传码率：RB=300B 当0、1等概出现时，传信率：Rb=RB2log22 =300bit/s,第二部分 信息论初步信息的度量,1.5 信息
10、的度量,“信息量”概念的引入消息是携带信息的载体，它以具体的信号形式表现出来；信息是抽象、本质的内容，可以理解为消息中包含的有意义的内容。不同的消息形式可以包含相同的信息。例如：文字语音可以表示相同的信息。那么，具体针对一个通信系统，该如何衡量其传输能力，即传递信息多少？引出了“信息量”的概念。,Hartley和香农(C.E.Shannon)从消息的统计特性出发，从信息的不确定性和概率测度的角度定义了通信中信息量的概念，并给出了信息度量的方法。,1.5.1 消息的统计特性,1.5.2 离散信源的信息量,线性叠加性：若干独立消息之和的信息量是每个消息所含信息量的线性叠加。指数增加特性：由有限个符
11、号组成的离散信源来说，随着消息的长度增加，其可能出现消息的数目是按指数增加的。,设u1,u2,u3 uN ，ujxi ，i=1, ,k，概率为p(xi)Hartley公式：,单位：对数以2为底，单位为比特（bit）对数以e为底，单位为奈特（nit）对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）,注：三种单位的使用应根据计算及使用的方便来决定。,例题： 已知汉字电报中数字2出现的概率为0.08，求2的信息量？,习题1-1,解：E的信息量 x的信息量,设u1,u2,u3 uN ，uixj ，j=1, ,k，概率为p(xj)，xj出现的次数为nj根据相加性的特点，总的信息量为：,2. 随机序列的信息
12、量：,例题： 一个离散信源每毫秒发出a，b，c，d 中符号中的一个，各相互独立符号出现的概率分别为试求：,1秒内离散信源发送消息 acab cbaa badd abbb daaa ccaa adcc cdaa daaa ddad acda dcda bccd aacc d 的信息量？（lg2=0.301 lg3=0.477 lg5=0.7）,解：此消息的长度57个字符，其中a出现23次，b出现7次，c出现13次，d出现14次，则此消息的信息量为：,1.5.3多个信源与互信息,设两个信源X和Y，出现的符号对应为xi和yj ，则联合信息量 I(xi yj ) = -logP(xi yj)条件信息量
13、 I(xi | yj ) = -logP(xi | yj),互信息量,先验概率： P(xi)后验概率： P(xi/yj)转移概率： P(yj/xi),互信息表示X和Y统计关联程度,什么叫“熵”物理学上为了衡量热力体系中不能利用的热能，用温度除热能所得的熵。在通信系统中，把信源输出消息的平均信息量称为信源的熵。采用“熵”来衡量通信系统传输能力的原因：当消息很长时，用符号出现的概率来计算消息的信息量麻烦。“平均信息量”的定义：每个符号所含信息量的平均值。,1.5.4离散信源的熵,计算公式:,香农熵：表示N个符号的离散消息源的平均信息量单位： 比特/符号,平均信息量是非负的，即H(X) 0平均信息量
14、具有上凸性，即H(X)是P(x)的上凸函数,例题： 计算上例中信源的平均信息量？,【解】, 消息的信息量I与平均信息量H的关系：I=MHM为消息的总符号数,【上例的信息量】,小结讨论：上题中，利用平均信息量算得的消息总信息量与利用哈莱特公式计算的结果存在一定的差异，原因在于：统计的消息不够长，各符号出现的几率与概率场给出的概率不一定相等，但随着序列长度的增长，其误差将趋向于零。,习题1-4,（1）解：由题目可知不同字母等概率出现时，其出现概率为1/4，则 每个字母的平均信息量为： 每个脉冲宽度为5ms时，每个字母占用的时间为： 则每秒传送的符号数为：1/10-2=100（符号/秒） 则平均信息
15、速率为： （2）平均信息量为： 平均信息速率为：,习题1-5,（1）解：由题目可知划出现的概率是点出现概率的1/3，则点出现的概率为P1=3/4，划出现的概率为1/4 点的信息量为： 划的信息量为： （2）平均信息量为：,习题1-8,由题1-2已求得信息源的熵为 ，则（1）传送1小时的信息量为：（2）在符号传输等概率出现时有最大信源熵，基于此即可求取传送1小时可能达到的最大信息量。,习题1-2,由题意可知求取信源符号的平均信息量，即信源的熵,习题1-6,由题意求取信源的平均信息量，即信源的熵,已知信源每秒发送1000个符号，则平均信息速率为：,平均信息量表示：联合熵（共熵）定义：对于X，Y两个
16、离散信源，X中xi与Y中yj同时出现的平均信息量成为表达式：,1.5.5多个信源的熵与平均互信息量,条件熵(H(Y/X)意义：已知X中出现xi的条件下Y中出现yj的条件平均信息量,同理可知H(X/Y),平均互信息量：互信息量的统计平均值,I(X,Y) 0 I(X,Y) = I(Y,X) I(X,Y) H(X) , I(X,Y) H(Y) I(X,Y)是概率P(x)的上凸函数，是转移概率Q(y/x)的下凸函数,图形表示法,H(XY)=H(X)+H(Y/X)=H(Y)+H(X/Y)I(X,Y)=H(X)-H(X/Y)=H(Y)-H(Y/X)统计独立：H(X/Y)=H(X)，H(Y/X)=H(Y),香农熵：信息不确定性的量度互信息：两个信源之间的相互关联性的量度,1.5.6连续信源的熵,方法：离散区间上取极限微分熵,1.5.7连续信源的最大熵,峰值受限：（幅度受限）均方受限：（功率受限）,1.5.8多个连续信源的熵,联合熵条件熵互信息,
