1、通信原理通信原理茅正冲茅正冲 135850018112 信息作为一种资源，只有通过广泛地信息作为一种资源，只有通过广泛地传播与交流，才能产生利用价值、促进社传播与交流，才能产生利用价值、促进社会成员之间的合作、推动社会生产力的发会成员之间的合作、推动社会生产力的发展、创造出巨大的经济效益。展、创造出巨大的经济效益。本门课程主要讨论信息的传输和交换本门课程主要讨论信息的传输和交换的基本原理，即通信系统的基本原理，的基本原理，即通信系统的基本原理，基本性质和基本的分析方法。基本性质和基本的分析方法。3绪论绪论确知信号、随机信号、信道确知信号、随机信号、信道模拟调制系统模拟调制系统模拟信号的数字传输
2、模拟信号的数字传输数字基带传输系统数字基带传输系统数字频带传输系统数字频带传输系统新型数字带通传输技术新型数字带通传输技术差错控制编码差错控制编码4第第1章章 绪论绪论通信的基本概念通信的基本概念 通信系统组成通信系统组成 通信系统的分类通信系统的分类 信息及其度量信息及其度量 主要性能指标主要性能指标 51.1 通信的基本概念通信的基本概念 v 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。消息消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。片或活动图像等。信息信息：是消息中包
3、含的有效内容。：是消息中包含的有效内容。信号信号-信号是指随时间变化的物理量。因为消息不适合于在信道中直接信号是指随时间变化的物理量。因为消息不适合于在信道中直接传输，需将其调制成适合在信道中传输的信号。信号可以分为连续时间信传输，需将其调制成适合在信道中传输的信号。信号可以分为连续时间信号和离散时间信号号和离散时间信号 信息是指消息中所包含的有意义的内容，消息信息是指消息中所包含的有意义的内容，消息是信息的载体，消息又是以具体信号形式表现是信息的载体，消息又是以具体信号形式表现出来的。出来的。实现通信的方式和手段：实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台非电的：如旌旗、消息树、烽
4、火台 电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。信等。因此，通信的根本目的在于因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息传输含有信息的消息。“通信通信”也就是也就是“信息传输信息传输”或或“消息传输消息传输”。61.1 通信的基本概念通信的基本概念 v通信发展史通信发展史1837年电报开始的年电报开始的通信初级阶段通信初级阶段1948年香农提出信息论开始的年香农提出信息论开始的近代通信阶段近代通信阶段80年代以后光纤通信应用、综合业务数字网崛起的年代以后光纤通信应用、综合业务数字网崛起的现代通信阶段现代通信阶段
5、71.1 通信的基本概念通信的基本概念 v通信初级阶段通信初级阶段v1837年，摩尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段年，摩尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段v1843年，亚历山大年，亚历山大本取得电传打字电报的专利本取得电传打字电报的专利v1864年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论,并被当时的赫兹证明，促使了后来无线通信的出现并被当时的赫兹证明，促使了后来无线通信的出现v1876年，贝尔利用电磁感应原理发明了电话年，贝尔利用电磁感应原理发明了电话v1879年，第一个专用人工电话交换系统投入运行年，第一个专用人工电话交换系统投入运行v1880年，第一个付费电话系统运营年
6、，第一个付费电话系统运营v1892年，加拿大政府开始规定电话速率年，加拿大政府开始规定电话速率v1896年，马可尼发明无线电报年，马可尼发明无线电报v1907年，电子管问世，通信进入电子信息时代年，电子管问世，通信进入电子信息时代v1915年，横贯大陆电话开通年，横贯大陆电话开通;实现越洋语音连接实现越洋语音连接v1918年，调幅无线电广播、超外差式接收机问世年，调幅无线电广播、超外差式接收机问世v1925年，开通三路明线载波电话，开始多路通信年，开通三路明线载波电话，开始多路通信v1936年，调频无线电广播开播年，调频无线电广播开播v1937年，雷沃斯发明脉冲编码调制，奠定了数字通信基础年，
7、雷沃斯发明脉冲编码调制，奠定了数字通信基础v1938年，电视广播开播年，电视广播开播v20世纪世纪40年代二战期间，雷达与微波通信得到发展年代二战期间，雷达与微波通信得到发展v1946年，第一台数字电子计算机问世年，第一台数字电子计算机问世v1947年，晶体管在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件年，晶体管在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件81.1 通信的基本概念通信的基本概念 v近代通信阶段近代通信阶段v 1948年，香农提出了信息论，建立了通信统计理论年，香农提出了信息论，建立了通信统计理论v 1950年，时分多路通信应用于电话系统年，时分多路通信应用于电话系统v 1951
8、年，直拨长途电话开通年，直拨长途电话开通v 1956年，敷设越洋通信电缆年，敷设越洋通信电缆v 1957年，发射第一颗人造地球卫星年，发射第一颗人造地球卫星v 1958年，发射第一颗通信卫星年，发射第一颗通信卫星v 1962年，发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；脉冲编码调制进年，发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；脉冲编码调制进入实用阶段入实用阶段v 20世纪世纪60年代，彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论与技年代，彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现术得到迅速发展；计算机网络开始出现v 1969年，电视电话业务开通年，
9、电视电话业务开通v 20世纪世纪70年代，商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；年代，商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系结构一些公司制定计算机网络体系结构91.1 通信的基本概念通信的基本概念 现代通信阶段现代通信阶段-通信革命通信革命 v 20世纪世纪80年代，开通数字网络的公用业务；个人计算机和计算机局域网出现；网年代，开通数字网络的公用业务；个人计算机和计算机局域网出现；网络体系结构国际标准陆续制定络体系结构国际标准陆续制定v 20世纪世纪90年代，蜂窝电话系统开通，各种无线通信和数据移动通信技术不断涌现；年代，蜂窝电话系统开通，
10、各种无线通信和数据移动通信技术不断涌现；光纤通信得到迅速普遍的应用；国际互联网和多媒体通信技术得到极大发展，光纤通信得到迅速普遍的应用；国际互联网和多媒体通信技术得到极大发展，v 1997年，年，68个国家签定国际协定，互相开放电信市场个国家签定国际协定，互相开放电信市场数据通信数据通信计算机科学技术与通信技术相结合的产物计算机科学技术与通信技术相结合的产物计算机以及各种数据设备之间经由数据通路（专线或通信网络）所进行的数据交换计算机以及各种数据设备之间经由数据通路（专线或通信网络）所进行的数据交换计算机通信计算机通信指两台或多台指两台或多台“自治自治”的计算机之间的数据交换的计算机之间的数据
11、交换不能不能“自治自治”的各种数据设备之间的数据交换属于数据通信，但不是计算机通信的各种数据设备之间的数据交换属于数据通信，但不是计算机通信数据数据/计算机通信的革命计算机通信的革命始于始于20世纪世纪70/80年代年代90年代年代Internet普及与多媒体通信技术发展加速了变革普及与多媒体通信技术发展加速了变革数据通信与计算机通信逐渐融合数据通信与计算机通信逐渐融合通信产业与计算机产业日趋重合通信产业与计算机产业日趋重合10 1.2 通信系统组成通信系统组成 1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型图 1-1 通信系统的一般模型 11 1.2 通信系统组成通信系统组成 1.2.2
12、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模拟信号：代表消息的信号参量取值连续模拟信号：代表消息的信号参量取值连续 例如麦克风输出电压例如麦克风输出电压图 1-2 模拟信号波形 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号12 1.2 通信系统组成通信系统组成 数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个数字信号：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例如电报信号、计算机输入输出信号(a)二进制信号(b)2PSK信号图 1-3 数字信号波形 通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字通常，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
13、系统和数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。通信系统。13 1.2 通信系统组成通信系统组成 模拟通信系统模型模拟通信系统模型经过调制后的信号成为已调信号经过调制后的信号成为已调信号;发送端调制前和接收端解调后发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。因此，原始电信号又称为的信号称为基带信号。因此，原始电信号又称为基带信号基带信号，而，而已调信号又称为已调信号又称为频带信号频带信号。通常具有很高的中心频率，直接可以在信通常具有很高的中心频率，直接可以在信道中传输。基本特征：道中传输。基本特征：1、携带有信息；、携带有信息；2、适合在信道中传输；、适合在信道中传输；3、信
14、号的频谱具有带通形式，且中心频率、信号的频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。如语音信号远离零频。如语音信号300 3400Hz带通信号带通信号通常具有频率很通常具有频率很低的频谱分量，低的频谱分量，一般不宜直接传一般不宜直接传输。如语音信号输。如语音信号300 3400Hz基带信号基带信号模拟信息源调制器信道解调器受信者图 1-4 模拟通信系统模型 14 1.2 通信系统组成通信系统组成 数字通信系统模型数字通信系统模型图 1-5 数字通信系统模型 在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以不经过在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以不经过调制和解调过程而让数字基带信
15、号直接进行传输，我们称之为数字调制和解调过程而让数字基带信号直接进行传输，我们称之为数字信号的信号的基带传输基带传输。与此相应，另外一些信道，比如在无线信道和光。与此相应，另外一些信道，比如在无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字信号的才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字信号的频带传输频带传输。15 1.2 通信系统组成通信系统组成 抗干扰能力强，抗干扰能力强，且可消除噪声积累且可消除噪声积累 差错可控差错可控 易于与各种数字终端接口，易于与各种数字终端接口，用
16、现代计算技术对信号进行处理用现代计算技术对信号进行处理 易于集成化易于集成化 数字通信的许数字通信的许多优点都是用多优点都是用比模拟通信占比模拟通信占据更宽的系统据更宽的系统频带为代价而频带为代价而换取的。换取的。易于加密处理易于加密处理 1.2.3数字通信的特点数字通信的特点16 1.3 通信系统的分类与通信方式通信系统的分类与通信方式 分类分类按信号特征分类按信号特征分类 按信号复用方式分类按信号复用方式分类 1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类按调制方式分类按调制方式分类 按通信业务分类按通信业务分类 按工作波段分类按工作波段分类 按传输媒介分类按传输媒介分类 17 1.3 通信系统
17、的分类与通信方式通信系统的分类与通信方式 1.3.2 通信方式通信方式 按消息传递的方向与时间关系分按消息传递的方向与时间关系分 单工通信单工通信半双工通信半双工通信 全双工通信全双工通信 18 1.3 通信系统的分类与通信方式通信系统的分类与通信方式 按码元排列顺序分按码元排列顺序分 并行传输并行传输 串行传输串行传输 将代表信息将代表信息的数字信号码元的数字信号码元序列以成组的方序列以成组的方式在两条或两条式在两条或两条以上的并行信道以上的并行信道上同时传输。上同时传输。将数字信号将数字信号码元序列以串行码元序列以串行方式一个码元接方式一个码元接一个码元地在一一个码元地在一条信道上传输。条
18、信道上传输。1.3.2 通信方式通信方式19 1.4 信息及其度量信息及其度量 一、离散消息的信息量一、离散消息的信息量信息信息 是消息中包含的有效内容是消息中包含的有效内容如何度量呢？如何度量呢？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。度量信息量的原则度量信息量的原则 能度量任何消息，并与消息的种类无关。能度量任何消息，并与消息的种类无关。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。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。举例：两则消息举例：两则消息 大陆和台湾统一；大陆和台湾
19、统一；今天下雨。今天下雨。其中，其中，比比 包含有更多的信息。包含有更多的信息。20 1.4 信息及其度量信息及其度量 度量信息量的方法：度量信息量的方法：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就越大。概率越小，则消息中包含的信息量就越大。设：设：P(x)消息发生的概率，消息发生的概率，I 消息中所含的信息量。消息中所含的信息量。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；
20、P(x)0，I IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)满足上述满足上述4条件的关系式如下：条件的关系式如下：)(log)(1logxPxPIaa信息量的定义信息量的定义21 1.4 信息及其度量信息及其度量)(log)(1logxPxPIaa式中：式中：P(x)为该消息发生的概率。为该消息发生的概率。当对数底当对数底 a=2 时，信息量的单位为比特（时，信息量的单位为比特（bit）a=e 时，信息量的单位为奈特（时，信息量的单位为奈特（nit）a=10时，信息量的单位为哈特莱时，信息量的单位为哈特莱 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221loglog
21、()()IP xP x(bit)22 1.4 信息及其度量信息及其度量 例例 1.4-1 已知二进制离散信源（已知二进制离散信源（0，1），若），若“0”出现的概率为出现的概率为1/3，求出现，求出现“1”的信息量。的信息量。解：解：由于全概率为由于全概率为1，即，即 P(0)+P(1)=1 则出现则出现“1”的概率的概率P(1)=2/3 故出现故出现“1”的信息量为的信息量为 2213loglog0.585(1)2IP bit 例例 1.4-2 已知二进制离散信息源（已知二进制离散信息源（0，1），每一符号波形等概率），每一符号波形等概率独立发送，求传送二进制波形之一的信息量。独立发送，求传
22、送二进制波形之一的信息量。解：解：由于每一波形出现的概率为由于每一波形出现的概率为 P(x)=1/2，故其信息量为故其信息量为221loglog 21()IP xbit23 1.4 信息及其度量信息及其度量 2log 2(b)kIk例例 1.4-3 已知四进制离散信源（已知四进制离散信源（0，1，2，3），独立等概率发），独立等概率发送，求传送每一波形的信息量。送，求传送每一波形的信息量。解：解：由于每一波形出现的概率为由于每一波形出现的概率为 P(x)=1/4，故其信息量为故其信息量为221loglog 42()IP xbit结论：结论：若有若有M个等概率波形（个等概率波形（P=1/M），且
23、每一个波形的出），且每一个波形的出现是独立的，则传送现是独立的，则传送 M 进制波形之一的信息量为进制波形之一的信息量为 若若M是是2的整幂次，即的整幂次，即 M=2k，则有，则有)b(log/11log1log222MMPI24 1.4 信息及其度量信息及其度量 非等概率情况非等概率情况 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 1212,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x且有且有则整个消息的信息量则整个消息的信息量 式中：式中：n
24、i 为第为第 i 个符号出现的次数个符号出现的次数 P(xi)为第个符号出现的概率为第个符号出现的概率 n 为离散消息源的符号数目为离散消息源的符号数目 n=n1+n2+nm25 1.4 信息及其度量信息及其度量 例例 1.4-4 一离散信源由一离散信源由 0，1，2，3 四个符号组成，它们出现的概四个符号组成，它们出现的概率分别为率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。的信息量。解：解：在此消
25、息中，在此消息中，0出现出现23次，次，1出现出现14 次，次，2出现出现13次，次，3出现出现7次，共有次，共有57个符号，故该消息的信息量个符号，故该消息的信息量 4212222log()311123log14log13log7log844833 28+26+21=108bitiiiInP x26 1.4 信息及其度量信息及其度量 二、离散信源的平均信息量二、离散信源的平均信息量 H 所谓平均信息量是指信源中每个符号所含信息量的统计平所谓平均信息量是指信源中每个符号所含信息量的统计平均值。统计独立的个符号的离散信息源的平均信息量为均值。统计独立的个符号的离散信息源的平均信息量为 21log
26、niiiH xP xP x（bit/符号）符号）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。信源中每个符号等概率独立出现信源中每个符号等概率独立出现，则得最大信息熵，则得最大信息熵22111loglogniHnnn（bit/符号）符号）27 1.4 信息及其度量信息及其度量 例例 1.4-5 利用统计平均值的方法（熵的概念），重现计算利用统计平均值的方法（熵的概念），重现计算 例例 1.4-4。解：信息熵为解：信息熵为 222233111111Hloglogloglog884444881.906(bit/符号符号)则该消息所含信息量为则
27、该消息所含信息量为 I=57 1.906=108.64 (bit)28 1.4 信息及其度量信息及其度量 三、连续信源的信息量三、连续信源的信息量 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 ()logaH xf xf x dx 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。29有效性有效性给定信道内所给定信道内所传输的信息内传输的信息内容的多少，即容的多少，即传输的传输的“速度速度”问题。问题。可靠性可靠性接收信息的准接收信息的准确程度，即传确程度，即传输的
28、输的“质量质量”问题。问题。主要性能指标主要性能指标 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 30 有效性有效性可靠性可靠性 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 一、模拟通信系统的性能指标一、模拟通信系统的性能指标信噪比信噪比=信号平均功率信号平均功率/噪声平均功率噪声平均功率=S/N 31 有效性有效性可靠性可靠性 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 二、数字通信系统的性能指标二、数字通信系统的性能指标32 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 1、传输速率、传输速率 码元传输速率，又称码元速率或传码率。码元传输速率，又称码元速率或传码率。单
29、位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），），简记为简记为B。1BRT(B)T 码元的持续时间（秒）码元的持续时间（秒）信息传输速率，又称比特率或传信率。信息传输速率，又称比特率或传信率。单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记秒，简记为为 b/s，或，或 bps。33 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 码元速率和信息速率的关系码元速率和信息速率的关系2logbBRRN(bit/s)2logbBRRN(Baud)或或例例 1.5-1 某系统每秒钟传输的码元数目为
30、某系统每秒钟传输的码元数目为2400个，求：二进制、个，求：二进制、四进制下四进制下 RB 和和 Rb。解：解：二进制：二进制：RB=2400(Baud)；Rb=2400(bit/s)四进制：四进制：RB=2400(Baud)；Rb=4800(bit/s)若信源的传码率为若信源的传码率为 RB，熵为，熵为 H，则该信源的传信率为，则该信源的传信率为 Rb=RBH34 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 2、频带利用率、频带利用率单位带宽（单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即赫兹）内的传输速率，即BBRB(B/Hz )bbRB(bit/sHz)35 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 3、差错率、差错率误码率和误信率误码率和误信率 误码率误码率 Pe=错误码元数错误码元数/传输总码元数传输总码元数 误信率误信率 Pb=错误比特数错误比特数/传输总比特数传输总比特数 在二进制中有在二进制中有 Pe=Pb
