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1、1,第1章绪论、信息与信道,石高涛天津大学计算机科学与技术学院,2,通信系统,通信是由一地向另一地传递符号、文字、语音、图片等消息，是交流和传递信息的活动。为了完成消息的收发所涉及的功能部件构成了通信系统，包括所有影响消息从消息发送者到消息接收者经过的部件,3,主要内容,通信系统模型通信系统分类通信方式通信系统的主要性能指标信息及其度量信道与信道容量通信介质,4,通信系统的组成,通信就是由一地向另一地传递消息。通信系统是指完成通信过程的全部设备和传输介质。通信系统的一般模型,通信系统结构模型,我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，,5,发送端的功能
2、,基本功能：一方面是把信息转换成原始电信号，该原始电信号称为基带信号；另一方面将原始电信号处理成适合在信道中传输的信号。其它功能：根据系统情形要完成诸如调制、放大、滤波和发射等功能，在数字系统中又包含信源编码和信道编码等。,通信系统模型,6,信道的功能,信道是指信号传输通道，按传输媒介的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。,通信系统模型,7,接收端的功能,基本任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号，并将原始电信号转换成相应的信息，提供给受信者。接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等,通信系统模型,8
3、,主要内容,通信系统模型通信系统分类通信方式通信系统的主要性能指标信息及其度量信道与信道容量通信介质,9,通信系统分类,根据通信系统实现技术的不同，可以将其分为两类通信方式模拟通信方式无线电视、无线广播等系统信号以模拟信号的形式进行传输数字通信方式计算机局域网等现代通信系统信号以数字信号的形式进行传输,10,模拟通信系统模型,11,模拟通信系统通信过程,发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。,12,模拟通信系统通信过程,为了使多路信号同时在信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。在收端，经解调
4、器和逆变换器还原成语音信息。,调制是信号的一种变换，通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后的信号称为已调信号。,13,数字通信系统模型 频带传输,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。变换器的作用是把信息转换成数字基带信号。信源编码的主要任务是提高数字信号传输的有效性。信源编码器的输出就是信息码元，接收端译码则是信源编码的逆过程,数字频带传输通信系统,14,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。信道编码的任务是提高数字信号传输的可靠性。在信息码组中按一定的规则附加一些监督码元，以使接收端根据相应的规则进行检错和纠错。
5、接收端信道译码是其相反的过程。,数字频带传输通信系统,数字通信系统模型 频带传输,15,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。同步系统（图没有画出）可以使通信系统的收、发两端或整个通信系统，以精度很高的时钟提供定时，以使系统的数据流能与发送端同步、有序而准确地接收与恢复原信息。,数字频带传输通信系统,数字通信系统模型 频带传输,16,数字基带传输通信系统,数字基带传输系统模型,与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图 所示。,17,数字通信系统的优点,抗干扰能力强在模拟通信中，电信号在信道上传送的过程中受到的电气干扰很难消除，使得通信
6、质量变坏。数字通信在接收端只要干扰信号不是大到使“有电脉冲”和“无电脉冲”都分不出来的程度，就不会影响通信质量。通信距离远，通信质量受距离的影响小模拟信号在传送中能量会逐渐发生衰减，放大器会把有用的信号和无用的杂音一起放大，限制了通信距离。数字通信可把受到干扰的电脉冲再生成原来没有受到干扰的那样，使失真和噪音不易积累。通信距离可以达到很远。,18,数字通信系统的优点,保密性好模拟通信传送的电信号，加密比较困难。而数字通信传送的是离散的电信号，可以方便地进行加密处理。通信设备的制造和维护简便数字通信的电路主要由电子开关组成，很容易采用各种集成电路，体积小、耗电少。能适应各种通信业务的要求各种信息
7、（电话、电报、图像、数据以及其它通信业务）都可变为统一的数字信号进行传输，而且可与数字交换结合，实现统一的综合业务数字网。,19,通信系统的分类,业务类型分语音通信和非语音通信电话 vs 互联网传输方式分基带传输和频带传输市话系统 vs 广播系统信号类型分模拟信号和数字信号无线电广播 vs 计算机网络信道类型分无线通信和有线通信,20,主要内容,通信系统模型通信系统分类通信方式通信系统的主要性能指标信息及其度量信道与信道容量通信介质,21,通信方式,串行传输、并行传输RS232；RS485；IEEE1284 IEEE1284(SPP,EPP,ECP)同步传输、异步传输单工、半双工、全双工传输,
8、22,通信方式,串行传输和并行传输串行传输数据一位接一位地在一条信道上传输。收发双方要保持位同步和字符同步。收发双方只需要一条传输通道。实现容易，是一种常用传输方式。并行传输一个字符的所有比特同时传送，每一位单独使用一条通道。常用于现场通信或计算机与外设之间的数据传输。,23,异步传输,异步传输方式中每一个字符的发送都是独立和随机的，以不均匀的速率传输，如键盘输入为了实现异步传输，需要每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束以便接收方捕捉信息。传输方式简单，但需要额外附加代价。在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位(高电平)。接收方根据“1”至“0”的跳变来判断一个新字符的开始，然后接收字
9、符中的所有位。,24,同步传输,同步传输中，收发双方具有同步的时钟，数据的传输由定时信号控制。通信设备从接收信号中提取出定时信号，接收同步的数据。以数据块(数据帧)为传输单位。传输操作双方动作呼应。为使接收双方能判别数据块的开始和结束，需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧。,25,通信方式,单工、半双工和全双工传输按照信号传输方向和时间的关系分为三类：单工传输、半双工传输和全双工传输。单工传输：信号只能在一个方向传输，半双工传输：信号可以在两个方向上传输，但不能同时传输，必须是交替进行。一个时间只能允许向一个方向传送，全双工传输：信号可以同时在两
10、个方向上传输。这种方案使用的信道也是一种双向信道。,26,主要内容,通信系统模型通信系统分类通信方式通信系统的主要性能指标信息及其度量信道与信道容量通信介质,27,通信系统的主要性能指标,数据元素(Data element)或者信息元素数据元素是数据通信中要发送的信息，它是表示信息的最小单位，即位信号元素(signal element)或者码元信号元素是数字信号的最小单元信号元素承载着数据元素，用来传递数据元素的，它是信息的载体，而数据元素则是被承载。(汽车载人的关系)根据通信设计的需要，一个信号元素或者码元可以承载1个或多个数据元素,1,1,0,11,10,01,28,通信系统的主要性能指标
11、,有效性传输速率码元速率（传码率）RB：单位时间传输的码元数目，单位是“码元/s”或者”波特”。所以码元速率也成为波特率。信息速率（比特率）Rb：单位时间传输的信息数目，单位是bit/s。数据通信的目标是为了降低信号速率而增加数据速率一个二进制码元的信息量为1bit。M进制码元传输中,每个码元包含log2M bit的信息，因此有,bit/s,29,通信系统的主要性能指标,可靠性差错率误码率：错误接收码元数/总码元数误比特率：错误的接收比特数/总的比特数对误比特率的要求与所传输的信号有关，如传输数字电话信号时，要求误比特率在10-310-6之间，而传输计算机数据则要求误比特率小于10-9,30,
12、主要内容,通信系统模型通信方式通信系统的主要性能指标信息及其度量信道与信道容量通信介质,31,单个消息的信息及其度量,信源输出的消息是随机的。即在未收到消息之前，是不能肯定信源到底发送什么样的消息。通信的目的也就是要使接收者在接收到消息后，尽可能多的消除接收者对信源所存在的不定度因此这个被消除的不定度实际上就是在通信中所要传送的信息量。,32,单个消息的信息及其度量,根据前面分析，可知，事件发生的不确定性是与事件发生的概率有关。事件发生的概率越小，猜测它的难度就越大，不确定度也越大。事件发生的概率越大，猜测它的难度就越小，不确定性就越小。因此，事件的信息量应该是该事件发生的先验概率的函数。称
13、表示事件ai发生所含有的自信息量。,33,单个消息的信息及其度量,函数 应当满足如下条件：1.是先验概率的单调递减函数。2.P=1时，I=0;P=0时，I=无穷3.两个独立事件的联合信息应当是他们分别的信息量之和。满足上述条件的函数形式如下：因此，信源的每个输出ai所传递的信息定义为该输出的自信息量I(ai)，它应当是该信息出现概率的函数。可由 log(pi)给出。,当对数以2为底时，则信息量的单位为比特(bit);对数以e为底时，信息量单位为奈特(nit);,当信源输出n个独立输出时，该如何计算这n个输出组成的信息量？,34,信源的信息及其度量多个消息,假设某信息源输出的信息其取值范围（a1
14、,a2,ai）是有限的或可数的，信源的信息量可以定义为所有输出的自信息量的数学期望值：信源的信息量称为信源的熵H(X)通常对数的底数取2，则熵的单位为 比特/符号0log0 0,35,二进制熵函数P为0或1时，二进制无记忆源的熵为零，此时的信息是确定的、完全可预测的.当概率为0.5时，熵最大，为1。此时，信息的不确定性最大。熵是信息的不确定性度量,信息及其度量的举例,36,例1一个离散无记忆的信号源，字符集大小为N，信源的输出是等概率的，求此信源的熵例2一个带宽为4000Hz的信源以奈奎斯特速率采样，采样序列可以建模为一个字符集-2,-1,0,1,2的离散无记忆信源，相应的概率为1/2,1/8
15、,1/16,1/16,求信源的速率（bps）,信息及其度量的举例,37,例1,38,例2,39,作业某离散信源由“0”“1”“2”和“3”四个符号组成，其发生的概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8，求消息的信息量。,信息及其度量的举例,40,思考题,设有12个形状完全相同的球，其中一个球的重量与其他球不同(不知是轻还是重)，其它球均等重。为了用天平(无砝码)称出这个不同重量的球，问至少必须多少次？提示：所需次数=（总的不确定信息量）/(天平测一次消除的不确定性信息量),41,答案,42,主要内容,通信系统模型通信方式通信系统的主要性能指标信息及其度量信道与信道容量通信介质,43,信道与信道
16、容量,信道（channel）狭义信道发信机和收信机间传输信息的媒介或通道广义信道编码信道：所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。调制信道：所谓调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的部分,44,信道与信道容量,信道（channel）狭义信道发信机和收信机间传输信息的媒介或通道广义信道编码信道：所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。调制信道：所谓调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的部分信道传输损耗：信号能量在信道中传输过程会受到消减，不同的信道对信号损耗的影响也不相同。,信道可以提供的最大传输能力如何？,45,香农(Shannon),1938年香农在MIT获得电气
17、工程硕士学位，硕士论文奠定了数字电路的理论基础。被誉为“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”1940年香农在MIT获得数学博士学位，而他的博士论文是关于人类遗传学的，题目是理论遗传学的代数学1948年香农在Bell System Technical Journal上发表了A Mathematical Theory of Communication 奠定了通信领域的数学理论基础,46,A Mathematical Theory of Communication,关于信息论的著名论文，1948年发表在贝尔实验室技术杂志第27卷上。全文共5章。这篇经典论文中指出，通信的基本问题是通信双方中
18、之一方能够精确地或近似地再生另一方发出的消息，并针对这一基本问题作出信息的定量描述。论文还对信源、信道、编码、译码和信宿的概念作了精确的描述，进而建立了有关通信系统的完整的数学模型。这篇论文导致了一门崭新学科信息论的建立。给出了信道容量的估算方法。,47,分贝和信号强度,在任何传输系统中都有一个重要的参数即：信号强度。同时，当信号沿着传输媒体传播时信号强度会有损耗和“衰减”。为了表示信号的增益、损耗等类似的值，习惯上使用分贝来描述。分贝是两个信号功率的比值的度量：,:增益,以分贝为单位,:输出功率值,:输入功率值,:衰减,48,分贝和信号强度,49,分贝和信号强度,根据公式可以看出，可以使用分
19、贝来表示信号强度的绝对量,50,信道容量:香农定理,C：信道容量，信道可能传输的最大信息速率，即信道所能达到的最大传输能力B：信道带宽S：信号平均功率N：噪声平均功率(注意单位),S/N:信噪比,51,香农公式表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。同时，该式还是频谱扩展技术的理论基础。,重要意义：,白噪声功率谱密度为n0,52,信道容量及“三要素”之间的关系,提高信噪比S/N可以增加信道容量。当n0=0或S=，即S/N趋于无穷时，信道容量C趋于无穷。这意味着增大信号平均功率S和减小噪声功率N是提高信道容量
20、的有效手段。,增加信道带宽B可以增加信道容量C，但不能无限制地使其增大,通常，把实现了上述极限信息速率的通信系统称之为理想通信系统。,53,信噪比再小，即使S/N1，信道容量也不会为0。也就是说，在弱信号强噪声情况下，信道也存在通信能力，只不过允许传输的信息率小而已。,在信道容量C一定时，信噪比S/N与信道带宽(B)对信道传输能力的影响效果可以互换；增加信号带宽可以降低对信噪比的要求。当信噪比太小、不能保证通信质量时，常采用宽带系统，从而使系统具有较好的抗干扰性。,54,香农公式的结论,结论1任何信道，都有信息容量C。如果信息速率R小于C，则理论上存在一种方法，能以最小的差错概率通过信道传输；
21、如果R大于C，则理论上无差错传输是不可能的结论2给定C，若减小带宽，则必须增加发送功率宽带系统有较好的抗干扰性,55,习题,1模拟信道，信道带宽B3000Hz，信号功率S0.0001W,信道噪声功率N0.0000004W,求该信道的信息传输速率C2某信道的频率范围为3MHz到4MHz,信噪比为24dB，求该信道的信息传输速率。,56,主要内容,通信系统模型通信方式通信系统的主要性能指标信息及其度量信道与信道容量通信介质,57,传输介质,传输介质是指数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通道。有线传输介质（硬传输介质，导向介质）双绞线、同轴电缆、光纤无线传输介质（软传输介质，非导向介质）无线电波
22、、地面微波、卫星链路激光、红外线数据通信的特点及其通信质量取决于传输介质及其传输信号的特点。,58,传输介质,在通常设计数据传输系统时，主要考虑的是数据速率及其传输距离：数据速率越大，传输距离越远越好。决定数据速率和传输距离的因素：带宽(Bandwidth):香农定理传输损耗：如能量衰减限制传输的距离干扰：频率重叠的区域内，相互竞争的信号之间会相互干扰，导致信号的失真或丢失。(非导向传输介质尤其严重),59,电信用电磁波频谱,各种导向媒体和非导向传输媒体的工作频率范围,60,双绞线：由两根彼此绝缘的铜线组成，这两跟线按照规则的螺线状胶合在一起。通常将很多这类先捆扎在一起，并用坚硬、起保护作用的
23、保护皮包裹在一起成一个电缆。电话网中的常用传输介质。工作频率范围在01MHz。可用于传输数字和模拟信息，模拟信号的最大传输距离大约每5千米到6千米；对数字信号的最大传输距离约为2千米到3千米。,导向传输介质,61,双绞线：无屏蔽双绞线：普通电话线。易受干扰，包括相邻双绞线的干扰和周围环境产生的噪声。屏蔽双绞线：在无屏蔽双绞线外加上金属网罩将双绞线包括起来，可减少干扰。,导向传输介质,无屏蔽双绞线,62,同轴电缆：同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。同轴电缆可以用于更长的距离传输，比如有线电视.可以传输频率更高、数据率更快的数据。受
24、到干扰的可能性更低。,导向传输介质,63,导向传输介质,光纤：香港中文大学高锟教授首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。柔软的、能传导光波的介质，由玻璃和塑料构成。在折射率较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包层包住，就可以构成一条光通道。外面再加一保护套，即构成一单芯光导纤维电缆单芯光缆。,64,导向传输介质,光纤：通常光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。光纤的特点容量更大：Gbps的传输速率体积更小、重量更轻：比双绞线和同
25、轴电缆轻两个数量级。衰减更小：衰减大大降低。隔绝电磁场：不受外部电磁场的影响，不怕诸如冲击噪声和串扰之类的干扰。也不会辐射能量，因此对其他设别几乎没有干扰；信息很难泄漏。传输距离更远：10几千米。,65,导向传输介质,光纤：分类:多模与单模。多模光纤：允许一束光沿纤芯反射传播.单模光纤：仅允许单一波长的光沿纤芯直线传播，在其中不产生反射。直径：单模小，多模大。光纤通过完全内部反射来传输信号的编码的光束。,66,非导向传输介质,无线传输：无线通信的传输媒质是自由空间。电磁波从发射天线辐射出去之后，经过自由空间到达接收天线。天线：用来发射电磁能量或者收集电磁能量的电导体系统。在发射信号时，发射器将
26、电能量通过天线转化成电磁能量，并由天线发射到周围环境中。在接收信号时，碰撞天线的电磁能量被转化成电能量，并输送到接收器。抛物面天线：将信号从抛物面的交点 上发射，通过抛物面表面反射出去。,67,非导向传输介质,天线及其增益：在双向通信中，同一个天线一般用来收和发。天线会向所有方向发射能量，但通常，天线在各个方向上分布并不均匀。各向同性天线(isotropic)是空间一个点，向所有方向均等地发射能量。天线增益：在输入功率相等的条件下，实际天线在特定方向上的输出功率与由完美的全向天线（各向同性天线）在各方向上产生的功率之比。,天线的造价和频率有密切关系。,68,无线传播方式,三种：地波传播、天波传
27、播和视距传播。地波传播：在2MHz以下的频率能够沿着地球表面轮廓或多或少地传播相当远的地方。天波传播：发出的信号被高层大气电离层反射(折射)回地球。可多次反弹传输。视距：高于30MHz的无线信号只有视距才可以传输，并且不会被电离层反射。,69,光学视距和无线电视距,在没有中间障碍物的情况下，光学视距可以表示为：h是天线高度(m)，d是天线和地平线之间的距离(km)。到地平线的有效视距为：k是折射引起的调整系数，其经验值为4/3 因此，视距传播的两个天线之间最大距离为,天线,无线电地平面,视觉地平面,h是天线高度,70,例题,如果一个天线的高度为100米，另一个天线的高度为地面高度，那么这两个天
28、线的视距传播距离为？现假设接收天线的高度为10m，为了达到相同的距离，发送天线必须达到的高度是？,71,非导向传输介质,地面微波：微波天线常常被安放在高出地面很多的位置上，是为了延长天线与天线之间的距离，并且越过位于天线之间的障碍。为实现长距离传输，常常增加微波中继站。主要应用于长途电信服务，可替代同轴电缆或光纤。要求视距传输。微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其信道容量很大。工业无线通信对其没有影响，传输质量高。,72,非导向传输介质,卫星微波：一个通信卫星实际上是一个微波接力站，将多个地基微波传送器/接收器连接起来。扩大了地面微波的传输距离。卫星从一个频段(上行)接收传输信号，放大或者再生信号，并将其从另外一个频段(下行)发送出去。轨道卫星可以在多个频段上工作，简称转发器信道。,73,非导向传输介质,红外线：无法穿透墙体 广播无线电20MHz到1GHz是广播通信的有效频段。无线电波的传输范围局限于视距范围。与微波不同，下雨天对无线电波的衰减影响不大，但同样会因距离而衰减。无线电波会受到多径传输的干扰。,
