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1、,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, 助教: 王韦炜 email: ,2,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.
2、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, Joh
3、n 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. Shanmuga
4、n 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
5、,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 ,Com
6、puter ,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
7、 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、: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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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:,1 P( 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
18、等,于各种独 立事件信息量的和,即,IP(x1)P(x2 ), = IP(x1)+ IP(x2 )+,1.4-2,I与P(x)之间的关系可表示为:,1 P ( x ),= log a P ( x ),I = log a,1.4-3,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日星期三,1 P ( x ),= log a P ( x ),I = log a,1.4-3,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
19、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日星期三,1 1 2,2,= log,2 = 1 bit,I = log 2,1.4-4,对M2,传送每一个波形的信息量为:,M bit,2,2,1 1 M,= log,I = log,1.4-5,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 bit,I = lo g 2 2 M,= lo g,28
20、,k,1.4-6,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:,bit,1 P,2,I = log,1.4-7 2011年2月16日星期三,bit,I = log 2 M,1.4-8,或,(P=1/M) 通信原理北化信息学院王学伟,b it,1 1 M,1.4-5,第一章 绪论(prolegomenon) K 1.4-5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 , x i =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:
21、,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,n i =1,1.4-9,H(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 ) + +
22、 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20102013021300120321010032 1010023102002010312032100120210 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
23、:,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,(bit,I = 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日星期三,1 8,1 8,1 4,1 4,1 4,log 2,log 2,3 3 1 log 2 log 2 8 8 4 =
24、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 ) dx,e, ,f (x )log,f (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:
25、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
26、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
27、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,(bit,s ),2,R b = R BN log,1.5-1,(B ),N,R,R,BN,b 2,log,=,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,
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