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1、2023/11/17,1,通信原理,Communication System Principles,2023/11/17,2,1.1 通信的基本概念1.2 通信系统的组成1.3 通信系统分类1.4 信息及其度量1.5 主要性能指标本课程的学习要领,第 1 章 绪 论,2023/11/17,3,1.1 通信的基本概念,2023/11/17,4,通信的目的：,传递消息中包含的信息。本课程主要研究传输。,消息(Message)：,是指信源所产生的信息的物理表现。例如：语音、文字、图形、图像等。消息必须转换成电信号（简称信号），才能 在通信系统中传输。,消息、信息和信号,2023/11/17,5,消息
2、、信息和信号,信息(Information)：,是指消息中所包含的对受信者有意义的内容（或有效内容）。不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同 一消息，载有相同的信息。,信号(Signal)：,是指消息的物理载体，是传输消息的手段。可分为模拟信号和数字信号。,2023/11/17,6,1.2 通信系统的组成模型,2023/11/17,7,通信系统的一般模型,通信的目的是传输消息。实现消息传递所需的一切设备和传输媒质的总和称为通信系统(包括传输、交换、终端)。基于点与点之间的通信系统的一般模型可用图 1-1 来描述。,2023/11/17,8,信源,发送设备,信道,接收设备,信宿,干扰源,前进,通
3、信系统的一般模型,2023/11/17,9,定义 产生消息的来源。作用 把各种消息转换成原始电信号。实例 电话机、摄像机、电传机、计算 机等。分类模拟信源、数字信源,返回,信源,2023/11/17,10,照相机（图形数据）,摄象机（图像、语音）,电话（语音、数据）,传真（图形数据）,计算机机（数据）,信源,返回,2023/11/17,11,变换成适合在信道中传输的信号，使信源和信 道 匹配。变换方式是多样的：调制是最常见的频谱搬移变换方式。数字通信系统，发送设备包括编码器与调制器。,返回,发送设备,2023/11/17,12,标准调幅信号频谱示意图,返回,2023/11/17,13,信道是指
4、传输信号的物理媒质。无线信道中，信道可以是大气（自由空间）有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。第3章讨论信道,信道,返回,2023/11/17,14,无线信道,蜂窝网,2023/11/17,15,无线信道,通信系统多层次覆盖,返回,2023/11/17,16,有线信道,明线,2023/11/17,17,有线信道,对称电缆：双绞线,2023/11/17,18,有线信道,同轴电缆,基站用射频同轴电缆(50同轴电缆),射频同轴电缆,2023/11/17,19,有线信道,光纤,返回,2023/11/17,20,功能 是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。任务 是从带有干扰的接收信号中正
5、确恢复出相应的原始基带信号；对于多路复用信号，还包括解多路复用，实现正确分路。,返回,接收设备,2023/11/17,21,信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,返回,信宿,2023/11/17,22,干扰源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。可分为内部干扰和外部干扰，而且外部干扰往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象加入到信道。,返回,干扰源,2023/11/17,23,模拟通信模型和数字通信模型,信源分为两大类：连续信源；离散信源。连续信源消息是通过模拟信号来传递的。离散信源消息是通过数字信号来传
6、递的。传输模拟信号的通信系统称模拟通信系统；传输数字信号的通信系统称数字通信系统。,2023/11/17,24,连续信号及其抽样,2023/11/17,25,离散信号及其连续载波调制,2023/11/17,26,模拟通信系统模型,信源发出的是基带信号，具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换，是用调制器和解调器实现的。模拟通信系统模型中的发送设备和接收设备主要是调制器和解调器。,2023/11/17,27,图 1-4 模拟通信系统模型,模拟信源,调制器,信道,解调器,模拟信宿,干扰源,模拟通信系统模型,2023/11/17,
7、28,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，如图 1-5 所示。数字通信涉及的技术问题很多，主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。,2023/11/17,29,数字信源,信道,噪声源,数字通信系统模型,数字信源,信道,发生器基带波形,译码器,信宿,干扰源,信源编码,加密,数字调制,信道编码,数字解调,信道解码,解密,受信者,信源解码,特点,2023/11/17,30,1)信源编码与译码,信源编码的作用：减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。,返
8、回,2023/11/17,31,2）信道编码与译码,减少差错 发送端对信息码元加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”；接收端按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。,目的：,方法：,返回,2023/11/17,32,3）加密与解密,目的：保证所传信息的安全。方法：人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密；在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。,返回,2023/11/17,33,4）数字调制与解调,数字调制 就是数字基带信号的频谱搬移，形成适合在信道中传输的频带信号。基本
9、的数字调制方式有振幅键控 ASK、频移键控 FSK、绝对相移键控 PSK、相对（差分）相移键控 DPSK。采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。数字调制是本课程的重点内容之一。,返回,2023/11/17,34,5）同步与数字复接,同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按功用可分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。数字复接 是依据时分复用把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。,返回,2023/11/17,35,说明,实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，例如数字电话系统。数字信号也可以在
10、模拟通信系统中传输，如通过模拟电话线路传输数据，但这时要用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制。,返回,2023/11/17,36,数字电话系统,调制解调器,返回,2023/11/17,37,数字通信的主要特点,抗干扰能力强。远距离传输可消除噪声积累。采用信道编码技术可控制差错。降低误码率，提高传输的可靠性。易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。易于集成化，从而使通信设备微型化。易于加密处理，且保密强度高。,2023/11/17,38,数字通信的缺点,占据系统频带较宽，频带利用率不高。对同步要求高，系统设备比较复杂。随着光纤等的采
11、用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。数字通信将占主导地位。,2023/11/17,39,1.3通信系统分类与通信方式,2023/11/17,40,按消息的物理特征：话音、数据、可视图文、图像通信等。按调制方式分类：详见表 1 1按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统。按传输媒质分类：有线通信系统和无线通信系统。有线通信-导线、架空明线、同轴电缆、光纤、波导无线通信-短波电离层、微波视距传播、卫星中继按信号复用方式分类：频分复用、时分复用和码分复用。,通信系统的分类,2023/11/17,41,通信方式,对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信
12、方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。按数字信号排列顺序，可分为并行传输和串行传输。按通信的网络形式划分。由于通信网的基础是点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点与点之间的通信上。,2023/11/17,42,返回,2023/11/17,43,1.4 信息及其度量,信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。信息量就是对消息中不确定性的度量。,2023/11/17,44,事件的不确定性可用事件出现概率描述。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。假设P(x)是一个消
13、息发生的概率，I是从该消息获悉的信息，I与P(x)之间的关系反映为如下规律：,2023/11/17,45,（1）信息量是概率的函数，即 I=fP(x)（2）P(x)越小，I 越大；反之，I 越小，且 P(x)1时，I0 P(x)0时，I,2023/11/17,46,（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,2023/11/17,47,综上所述，信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为 I=loga 1/P(x)=-loga P(x)信息量的单位与对数底数 a 有关。a=2时，
14、信息量的单位为比特(bit)广泛使用；a=e时，信息量的单位为奈特(nat)；a=10时，信息量单位为十进制，叫哈特莱。,2023/11/17,48,例 11 设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为 I(0)=I(1)=-log2(1/2)=log22=1(bit)传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。由此，通常把一个二进制脉冲波形称为一个比特。由此可见，比特的定义的含义。,2023/11/17,49,对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送 M进制波形之一的信息量为 I=-log
15、2(1/M)=log2 M(bit),2023/11/17,50,如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集每个符号 xi(i=1,2,3,n)出现的概率为P(xi)，且有,则x1,x2,xn 所包含的信息量分别为-log2P(x1),-log2P(x2)，-log2P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为,2023/11/17,51,H(x)=P(x1)log2 P(x1)+P(x2)log2 P(x2)+P(xn)log2 P(xn)=,显然，当信源中每个符号等概独立出现时，此时信源的熵有最大值。,2023/11/17,52,例 1-2 一离散信源由0
16、，1，2，3四个符号组成，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2010201302130012032101003210100 23102002010312032100120210 的信息量。,2023/11/17,53,解 此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为,每个符号的算术平均信息量为,2023/11/17,54,若用熵的概念来计算，由式（1.4-6）得,2023/11/17,55,1.5主要性能指标,通信系统的主要性能指标是有效性和可靠性。有效性:指在给定信道内所传输的信息内
17、容的多少，或者说是传输的“速度”。可靠性:指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”。,2023/11/17,56,模拟通信系统的有效性和可靠性,有效性可用有效传输频带来度量。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。,2023/11/17,57,数字通信系统的有效性和可靠性,有效性可用传输速率来衡量。码元传输速率信息码元传输速率可靠性可用差错率来衡量。误码率（码元差错率）误信率（信息差错率）,2023/11/17,58,码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示
18、单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为 B。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度 T 有关:,2023/11/17,59,通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制的一个码元可以用 log2 M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M 进制的码元速率 RBM 与二进制的码元速率 RB2 之间有以下转换关系：RB2=RBMlog2 M(B),2023/11/17,60,信息传输速率Rb 简称传信率，又称比特率。表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位比特/秒，可
19、记为bit/s 或 b/s 或 bps。码元速率和信息速率关系为 Rb=RBH(b/s)H为信源中每符号含平均信息量(熵),等概传输时，最大熵为 log2 M，则 Rb=RB log2 M(b/s),2023/11/17,61,频带利用率,比较不同通信系统的有效性，只看传输速率是不够的，还应看在同传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，单位频带内的码元传输速率，即 或,2023/11/17,62,2.差错率,衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。误码率（码元差错率）Pe是指码元在传输系统中被传错的概率，即 误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即,2023/11/17,63,学习建议,认真听课作好复习和预习独立完成作业讨论相关课程：概率论、信号与系统,返回,2023/11/17,64,答疑安排,时间：周一，9、10节地点：信息馆204,
