1、第第1 1章章 概论概论6目标要求目标要求 基本要求基本要求 了解了解通信的发展；通信的发展；掌握掌握消息、信息、信号的定义；消息、信息、信号的定义；掌握掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点；数字通信的概念，理解数字通信的优点；掌握掌握数字通信系统模型及其主要性能指标；数字通信系统模型及其主要性能指标；熟悉熟悉无线信道、有线信道；无线信道、有线信道；7目标要求目标要求 重点、难点重点、难点 重点是：重点是：信息的度量；信息的度量；数字通信系统模型的理解与掌握。数字通信系统模型的理解与掌握。难点是：难点是：数字通信系统性能指标的理解与计算。数字通信系统性能指标的理解与计算。8主要内容主要内容
2、1.1 通信的发展通信的发展 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 1.3 数字通信数字通信 1.4 信道信道 1.5 信道中的噪声信道中的噪声 1.6 小结小结 思考题、习题思考题、习题91.1 1.1 通信的发展通信的发展一、历史的通信方式一、历史的通信方式1.1.古代：古代：公元前公元前800800年年(周朝周朝)，周幽王烽火戏诸侯。，周幽王烽火戏诸侯。应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。2.2.近代：近代：18201820年：安培发明电报通信，近代数字通信的年：安培发明电报通信，近代数字通信的 开始。开始。18381838年：莫尔斯将电报
3、通信推向实用。年：莫尔斯将电报通信推向实用。18761876年：贝尔发明电话，模拟通信的开始。年：贝尔发明电话，模拟通信的开始。101.1 1.1 通信的发展通信的发展 烽火台烽火台111.1 1.1 通信的发展通信的发展 3.3.现代现代 2020世纪世纪6060年代以后：年代以后：数字通信技术进入高级发展阶段。数字通信技术进入高级发展阶段。近近2020多年：多年：数字通信迅猛发展；数字通信迅猛发展；光纤通信也携手同行。光纤通信也携手同行。两者都成为现代通行网的主要支柱。两者都成为现代通行网的主要支柱。121.1 1.1 通信的发展通信的发展 “上帝创造了上帝创造了何等的奇迹何等的奇迹!”塞
4、缪尔塞缪尔莫尔斯莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872）131.1 1.1 通信的发展通信的发展贝尔贝尔（1847-19221847-1922）美国电话发明者美国电话发明者141.1 1.1 通信的发展通信的发展 18761876年年3 3月月1010日，美国日，美国发明家贝尔发明发明家贝尔发明世界上第世界上第一部电话一部电话，并获美国专利，并获美国专利局批准的电话专利。这是局批准的电话专利。这是20052005年年8 8月月1111日拍摄的美日拍摄的美国新泽西州国新泽西州默里山贝尔实默里山贝尔实验室博物馆内验室博物馆内的世界第一的世界第一部电话。部电
5、话。151.1 1.1 通信的发展通信的发展 麦克斯韦在物理学中的最大麦克斯韦在物理学中的最大贡献是贡献是建立了统一的经典电磁建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论场理论和光的电磁理论，预言预言了电磁波的存在了电磁波的存在。18731873年，麦年，麦克斯韦完成巨著克斯韦完成巨著电磁学通电磁学通论论，这是一部可以同牛顿的，这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理相媲相媲美的书，美的书，具有划时代的意义具有划时代的意义，是牛顿以后科学史上的又一座是牛顿以后科学史上的又一座丰碑丰碑 。麦克斯韦麦克斯韦(James Clerk(James Clerk Maxwel 1831Maxw
6、el 18311879)1879)英国英国物理学家物理学家161.1 1.1 通信的发展通信的发展 赫兹对人类最伟大的贡献是用实赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。验证实了电磁波的存在。赫兹赫兹（1857-18941857-1894）德国物理学家德国物理学家 18881888年，成了近代科学史上的年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。为了纪念他在电磁子技术的新纪元。为了纪念他在电磁波发现中的
7、卓越贡献，后人将频率的波发现中的卓越贡献，后人将频率的单位命名为赫兹。单位命名为赫兹。171.1 1.1 通信的发展通信的发展 在发现电磁波不到在发现电磁波不到6 6年，意大利的马可尼、俄年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（继问世。无线电报（18941894年）、无线电广播（年）、无线电广播（19061906年）、无线电导航（年）、无线电导航（19111911年）、无线电话（年）、无线电话（19161916年）、短波
8、通讯（年）、短波通讯（19211921年）、无线电传真（年）、无线电传真（19231923年）、电视（年）、电视（19291929年）、微波通讯（年）、微波通讯（19331933年）、雷年）、雷达（达（19351935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学天文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。181.1 1.1 通信的发展通信的发展 1838莫尔斯莫尔斯 有线电报有线电报1948晶体管晶体管 香农香农IT 通信统计理论建立通信统计理论建立1864麦克斯韦尔麦克斯韦尔 电磁辐射方程电磁辐射方程1950时分多路通信时分
9、多路通信 应用于电话应用于电话1876贝尔贝尔 电话电话1956越洋电话铺设越洋电话铺设1896马克尼马克尼 无线电报无线电报1957第一颗人造卫星发射第一颗人造卫星发射1906真空管真空管1958第一颗通信卫星发射第一颗通信卫星发射1918调幅广播调幅广播 超外差接收机超外差接收机1960发明激光发明激光1925三路明线载波电话三路明线载波电话 多路通信多路通信1961发明集成电路发明集成电路1936调频广播调频广播1962第一颗同步通信卫星第一颗同步通信卫星 PCM进入实用进入实用1937脉冲编码调制脉冲编码调制1960彩电彩电 数字传输理论数字传输理论 高速计算机高速计算机1938电视广
10、播电视广播1970LSI 商用卫星商用卫星 程控交换程控交换 光纤通讯光纤通讯1940二战刺激二战刺激 雷达和微波系统发展雷达和微波系统发展1980SLSI 长波光纤通信长波光纤通信 ISDN 3G返回返回191.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.通信的目的通信的目的 传递消息中包含的信息。传递消息中包含的信息。本课程主要研究传输。本课程主要研究传输。2.2.消息消息 天气预报天气预报“明天是晴天明天是晴天”字幕字幕“明天是晴天明天是晴天”文字文字播音员说播音员说“明天是晴天明天是晴天”语言语言 图形图形、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别201.2
11、1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.通信的目的通信的目的 传递消息中包含的信息。传递消息中包含的信息。本课程主要研究传输。本课程主要研究传输。2.2.消息消息、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别 是指信源所产生的信息的物理表现。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。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），才能消息必须转换成电信号（简称信号），才能在通信系统中传输。在通信系统中传输。211.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号4.4.信息信息 是指消息中所包含的对受信者有意义的内容是指消息中所包含的对
12、受信者有意义的内容 （或有效内容）。（或有效内容）。不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同 一消息，载有相同的信息。一消息，载有相同的信息。3.3.信号信号 是指消息的物理载体，是传输消息的手段。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。可分为模拟信号和数字信号。、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别221.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 如何度量信息？如何度量信息？首先要解决的问题首先要解决的问题。231.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.要求要求 度量信息量的方法，必须满足：度
13、量信息量的方法，必须满足：能度量任何消息；能度量任何消息；与消息的类型无关；与消息的类型无关；消息的重要程度无关。消息的重要程度无关。二、消息中信息量的度量二、消息中信息量的度量24香香 农农(Shannon)25 克劳德克劳德香农香农(Claude Elwood Shannon，1916-2001)1916年年4月月30日诞生于美国密西根州的日诞生于美国密西根州的Petoskey。1936年香农在密西根大学获得数学与电气工程学士学年香农在密西根大学获得数学与电气工程学士学位，然后进入位，然后进入MIT念研究生。念研究生。1938年香农在年香农在MIT获得电气工程硕士学位，硕士论文获得电气工程
14、硕士学位，硕士论文题目是题目是A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits(继电器与开关电路的符号分析继电器与开关电路的符号分析)。当时他已经注。当时他已经注意到电话交换电路与意到电话交换电路与布尔代数布尔代数之间的类似性，即把布尔代之间的类似性，即把布尔代数的数的“真真”与与“假假”和电路系统的和电路系统的“开开”与与“关关”对应起对应起来，并用来，并用1和和0表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电路，这就奠定了数字电路的理论基础。路，这就奠定了数字电路的理论基础。哈佛大学哈佛大学的的Howard
15、 Gardner教授说，教授说，“这可能是本世纪最重要、最这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。著名的一篇硕士论文。”26 1940年香农在年香农在MIT获得数学博士学位，而他的博士论获得数学博士学位，而他的博士论文却是关于人类文却是关于人类遗传学遗传学的，题目是的，题目是An Algebra for Theoretical Genetics(理论遗传学的代数学理论遗传学的代数学)。1941年香农发表了年香农发表了Mathematical theory of the differential analyzer(微分分析器的数学理论微分分析器的数学理论)，他写道，他写道：“大多数结果通过证
16、明的定理形式给出。最重要的是大多数结果通过证明的定理形式给出。最重要的是处理了一些条件，有些条件可以生成一个或多个变量的处理了一些条件，有些条件可以生成一个或多个变量的函数，有些条件可使常微分方程得到解。还给出了一些函数，有些条件可使常微分方程得到解。还给出了一些注意事项，给出求函数的近似值注意事项，给出求函数的近似值(不能产生精确值不能产生精确值)、求、求调整率的近似值以及自动控制速率的方法。调整率的近似值以及自动控制速率的方法。”1941年香农以数学研究员的身份进入年香农以数学研究员的身份进入新泽西州新泽西州的的AT&T贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作到贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作到1
17、972年，年，从从24岁到岁到55岁，整整岁，整整31年。年。1956年他当了年他当了MIT的访问教的访问教授，授，1958年成为正式教授，年成为正式教授，1978年退休。年退休。27 香农与香农与John Riordan一起工作，一起工作，1942年发表了一篇关年发表了一篇关于串并联网络的双终端数的论文。这篇论文扩展了麦克马于串并联网络的双终端数的论文。这篇论文扩展了麦克马洪洪(Percy A.MacMahon，1854-1929)1892年在年在Electrician上上发表的论文理论。发表的论文理论。1948年则创立了信息论年则创立了信息论(information theory)。194
18、8年香农在年香农在Bell System Technical Journal（贝尔系（贝尔系统技术杂志）上发表了统技术杂志）上发表了A Mathematical Theory of Communication。论文由香农和威沃共同署名。前辈威。论文由香农和威沃共同署名。前辈威沃沃(Warren Weaver，1894-1978)当时是当时是洛克菲勒基金会洛克菲勒基金会自然自然科学部的主任，他为文章写了序言。后来，香农仍然从事科学部的主任，他为文章写了序言。后来，香农仍然从事技术工作，而威沃则研究信息论的哲学问题。顺便提一句技术工作，而威沃则研究信息论的哲学问题。顺便提一句，该论文刚发表时，使用
19、的是不定冠词，该论文刚发表时，使用的是不定冠词A，收入论文集时改，收入论文集时改为定冠词为定冠词The。香农在进行信息的定量计算的时候，明确地把信息量香农在进行信息的定量计算的时候，明确地把信息量定义为随机不定性程度的减少。这就表明了他对信息的理定义为随机不定性程度的减少。这就表明了他对信息的理解：信息是用来减少随机不定性的东西。或香农逆定义：解：信息是用来减少随机不定性的东西。或香农逆定义：信息是确定性的增加信息是确定性的增加。281.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号2.2.信息量的定义信息量的定义 信息量是消息出现概率的函数；信息量是消息出现概率的函数；消息出现的概率越小，所包
20、含的信息量就越大；消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。二、消息中信息量的度量二、消息中信息量的度量291.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1loglog()()aaIP xp x 因此，若消息因此，若消息 出现的概率为出现的概率为 ，则所含则所含信息量信息量 I I 可定义可定义为：为：x信息量的单位信息量的单位：，则为则为比特比特（bit），简记为），简记为b，最常用最常用;2a，则为奈特（则为奈特（nat）
21、;，则为哈特莱（，则为哈特莱（hartley）。）。ae10a()P x30221loglog1/IMM 当当M M=2=2时，则时，则I I=1b=1b。工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于总认为一个二进制波形（或码元）等于1b 1b。即通。即通常把一个二进制码元称做常把一个二进制码元称做1b1b。易与信息量的单位。易与信息量的单位混淆，应注意。混淆，应注意。若采用一个若采用一个M M 进制的波形，来传送进制的波形，来传送M M 个独立的个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：等概离散消息之一，则每一码元的信息
22、量为：(b)1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号返回返回311.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号返回返回通信的目的在于传输含有信息的消息。通信的目的在于传输含有信息的消息。解：信源在每个时刻发生的消息非解：信源在每个时刻发生的消息非0即即1，则，则P(x)=1/2。)(12log)2/1/(1log222bitI例例1：设二进制离散信源，：设二进制离散信源，以相等的概率发送数字以相等的概率发送数字0或或1，求信，求信源每个输出的信息含量。源每个输出的信息含量。)(log)/1/(1log)/1(log222bitMMPIM同理：如果消息是同理：如果消息是M进制，且等概率
23、发生，则信源每个输出进制，且等概率发生，则信源每个输出的信息量为：的信息量为：321.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号返回返回信息熵信息熵 若信源所发生的消息是概率不等的，则各消息所含的信息若信源所发生的消息是概率不等的，则各消息所含的信息量不等。量不等。总体平均信息量用信息熵来反映总体平均信息量用信息熵来反映 设信源的各个符号为设信源的各个符号为Xi(i=1,2,N),其概率分别为其概率分别为P(Xi),则则定义信息熵定义信息熵H(X)为为 )(log)()(211iiNiiiNixPxPxIxPxH33返回返回 例例2：消息由符号：消息由符号A、B、C、D组成，各个符号的出现是
24、独组成，各个符号的出现是独立的，概率分别为立的，概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8。（1）求该信源的熵；）求该信源的熵；（2）如果消息由）如果消息由1000个符号组成，求此消息的信息量；个符号组成，求此消息的信息量；（3）如果收到的消息为）如果收到的消息为ABADCABC，求它包含的信息量。，求它包含的信息量。符号bit/1.9068log814log414log4138log83)P(x1logxPH(x)(1)2222i2i41ibitNHI19061000906.1)2(bit 15.258log42log42log383log (3)2222I34返回返回 例例2：消息由符号：消
25、息由符号A、B、C、D组成，各个符号的出现是独组成，各个符号的出现是独立的，概率分别为立的，概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8。（1）求该信源的熵；）求该信源的熵；（2）如果消息由）如果消息由1000个符号组成，求此消息的信息量；个符号组成，求此消息的信息量；（3）如果收到的消息为）如果收到的消息为ABADCABC，求它包含的信息量。，求它包含的信息量。bit 15.258log42log42log383log (3)2222I351.3 1.3 数字通信数字通信1.1.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的 语
26、音信号。语音信号。数字信号，也称离散信号。如：代表文字的数字信号，也称离散信号。如：代表文字的 编码和计算机数据信号。编码和计算机数据信号。注意：区分准绳为：考查取值是否连续，注意：区分准绳为：考查取值是否连续，而不是看时间。而不是看时间。一、一、基本概念基本概念361.3 数字通信码元码元371.3 1.3 数字通信数字通信2.2.模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 （1 1）共性问题：总存在噪声和其他干扰，引起传输信号）共性问题：总存在噪声和其他干扰，引起传输信号的失真，影响传输质量。解决噪声和干扰的影响，就是的失真，影响传输质量。解决噪声和干扰的影响，就是通信系统设计的基本问题之一。通
27、信系统设计的基本问题之一。3.3.模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系统381.3 1.3 数字通信数字通信 模拟通信系统：模拟通信系统：要求：高保真度复原。要求：高保真度复原。度量准则：输出信噪比。度量准则：输出信噪比。基本问题：连续波形的参量估值问题。基本问题：连续波形的参量估值问题。（2 2）个性问题个性问题 数字通信系统：数字通信系统：要求：正确判决（或检测）。要求：正确判决（或检测）。度量准则：产生错判的概率。度量准则：产生错判的概率。理论基础：统计判决理论。理论基础：统计判决理论。注意：都是针对接收端的。注意：都是针对接收端的。391.3 1.3 数字通信数字通信二、
28、二、数字通信的特点数字通信的特点 1.1.优点优点 取值有限，能正确接收。取值有限，能正确接收。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用数字加密技术，提高保密度。可采用数字加密技术，提高保密度。可综合传输各种模拟和数字输入消息。可综合传输各种模拟和数字输入消息。便于存储和处理。便于存储和处理。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。信噪比随带宽按指数规律增长。信噪比随带宽按指数规律增长。401.3 1.3 数字通信数字通信 占用带宽大压缩、光
29、纤占用带宽大压缩、光纤。同步要求高同步要求高。3.3.应用实例应用实例 数字传输技术：数字传输技术：电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。模拟传输技术：模拟传输技术：有线电话环路、无线电广播、电视广播等有线电话环路、无线电广播、电视广播等。二、二、数字通信的特点数字通信的特点 2.2.缺点缺点411.3 1.3 数字通信数字通信三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型信信 源源发送端发送端接收端接收端信道编码信道编码调调 制制信信 道道压缩编码压缩编码解解 调调信信 宿宿保密解码保密解码信道解码信道解码压缩解码压缩解码保密编码保密编码噪声噪声同步同
30、步信信 源源编编 码码信信 源源解解 码码421.3 1.3 数字通信数字通信信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型431.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型1.1.信源：信源：将消息转换为电信号的设备。将消息转换为电信号的设备。信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型441.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信
31、源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型2.2.信源编码信源编码：降低降低数字信号的冗余，数字信号的冗余，提高提高数字信号的有效性。数字信号的有效性。451.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型信信道道压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型3.3.信道编码信道编码：增加增加冗余字符，纠错编码，冗余字符，纠错编码，提高提高传输的可靠性。传输的可靠性。461.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型信信源源压压缩缩编编码码保保密
32、密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端4.4.调制：调制：三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型471.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型4.4.调制调制 （1 1）目的）目的 使编码信号特性与信道特性相适应，使编码信号特性与信道特性相适应，以通过信道传输。以通过信道传输。（2 2）几个）几个基本概念基本概念 基带、基带信号、带通信号；基带、基带信号、带通信号；基带调制、带通调制。基带调制、带通调制。（3 3）多路复用）多路复用 使多路信号合并，经过同一信道传输。使多路信号合并，经过同一信道传输。481.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系
33、统模型数字通信系统模型5.5.信道信道 基带信道可传输很低的频率分量。基带信道可传输很低的频率分量。如双绞线。如双绞线。频带信道不能传输很低的频率分量。频带信道不能传输很低的频率分量。如无线电波。如无线电波。491.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型5.5.信道信道 信道的影响：信道的影响：信道传输特性对数字信号的影响。信道传输特性对数字信号的影响。包括幅频特性、相频特性、频率偏包括幅频特性、相频特性、频率偏 移、频率扩展和多径时延。移、频率扩展和多径时延。进入信道的外部加性噪声的影响。进入信道的外部加性噪声的影响。包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干包括起伏噪声、脉冲干扰
34、、人为干 扰。扰。501.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型6.6.同步同步 数字通信系统中不可缺少的组成部分。数字通信系统中不可缺少的组成部分。发端、收端间需共同的时间标准发端、收端间需共同的时间标准使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接收。同步接收。位同步（或码元同步）、字同步位同步（或码元同步）、字同步511.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型信信 道道发送端发送端接收端接收端信信 源源调调 制制解解 调调信信 宿宿噪声噪声模拟通信系统模型模拟通信系统模型521.3 1.3 数字通信数字通信1
35、.1.衡量系统性能优劣的基本因素：衡量系统性能优劣的基本因素：有效性有效性 可靠性可靠性四、性能指标四、性能指标531.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标 有效性有效性 可靠性可靠性 注意：两者是互相矛盾的，也是可互换的。注意：两者是互相矛盾的，也是可互换的。提高有效性提高有效性提高传输速率提高传输速率可靠性降低；可靠性降低；提高可靠性提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元增加冗余的抗干扰编码码元 有效性降低。有效性降低。降低有效性，以提高可靠性；降低有效性，以提高可靠性；降低可靠性，以提高有效性。降低可靠性，以提高有效性。541.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标2.
36、2.性能指标：性能指标：（1 1）传输速率：）传输速率：三种定义。三种定义。码元速率（码元速率（RB）：）：单位时间内传输码元数。单位时间内传输码元数。“波特（波特（BaudBaud）”信息速率（信息速率（Rb）：）：单位时间内传输的信息量。单位时间内传输的信息量。“比特比特/秒秒(b/s)(b/s)”消息速率（消息速率（RW）：）：单位时间内传输的消息数。单位时间内传输的消息数。“字字/秒秒”551.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标（1 1）传输速率：传输速率：信息量信息量I I：对于二进制系统而言，如果对于二进制系统而言，如果“0 0”和和“1 1”等概率等概率出现的话，每
37、个码元所含的信息量出现的话，每个码元所含的信息量 I=1=1，此时，码，此时，码元速率和信息速率在数值上相等。元速率和信息速率在数值上相等。对于多（对于多（M M）进制系统而言，每个码元所含的信）进制系统而言，每个码元所含的信息量是息量是I=log2 M，此时，二者的关系为，此时，二者的关系为Rb=RBlog2 M。221loglog1/IMM2.2.性能指标：性能指标：561.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标（2）错误率：错误率：三种定义。三种定义。误码率（误码率（P Pe e）：）：误比特率（误比特率（P Pb b）：）：误字率（误字率（P PW W）：）：eP错误接收码元
38、数 传输码元总数=eP错误接收比特数 传输总比特数=eP错误接收字数 传输总字数=571.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标（3 3）频带利用率：）频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率。单位频带内所能达到的信息速率。通常与采用的调制及编码方式有关。通常与采用的调制及编码方式有关。（4 4）能量利用率：）能量利用率：传输每一比特所需的信号能量。传输每一比特所需的信号能量。该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量与占用频带间可交换。该能量与占用频带间可交换。返回返回581.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标（3 3）频带利用率：）频带利
39、用率：单位频带内所能达到的信息速率。单位频带内所能达到的信息速率。通常与采用的调制及编码方式有关。通常与采用的调制及编码方式有关。（4 4）能量利用率：）能量利用率：传输每一比特所需的信号能量。传输每一比特所需的信号能量。该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量与占用频带间可交换。该能量与占用频带间可交换。返回返回59通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标(小结小结)有效性：指在给定信道内单位时间内传输的信息量有效性：指在给定信道内单位时间内传输的信息量 的多少；的多少；可靠性：指接收信息的准确程度。可靠性：指接收信息的准确程度。这两者是相互有联系又有矛盾的
40、。这两者是相互有联系又有矛盾的。通信系统最主要的性能指标是有效性和可靠性。通信系统最主要的性能指标是有效性和可靠性。60 有效性：用有效传输带宽来度量。频带宽度越窄，则有效性：用有效传输带宽来度量。频带宽度越窄，则 有效性越好。有效性越好。可靠性：用接收端的输出信噪比来度量。可靠性：用接收端的输出信噪比来度量。有效性的主要性能指标是传输速率、频带利用率。有效性的主要性能指标是传输速率、频带利用率。可靠性主要是差错率。可靠性主要是差错率。一、模拟通信系统一、模拟通信系统二、数字通信系统二、数字通信系统611、码元传输速率（、码元传输速率（RB）（1）单位时间内传输码元的数目，单位为波特，）单位时
41、间内传输码元的数目，单位为波特，记为记为B。（2）码元可以是多进制的也可以是二进制的。）码元可以是多进制的也可以是二进制的。（3）M进制的码元速率与二进制的码元速率之间进制的码元速率与二进制的码元速率之间的关系：的关系：MRRBMBlog2传输速率传输速率622、信息传输速率（信息传输速率（Rb）单位时间内传递的信息量（单位时间内传递的信息量（bit数），单位是数），单位是b/s 它由码元速率和每个码元的平均信息量它由码元速率和每个码元的平均信息量H决定决定:HRRBb(3)码元速率不变时，通过增加进制数码元速率不变时，通过增加进制数M，可以增加，可以增加信息速率；信息速率；(4)信息速率不变
42、时，通过增加进制数信息速率不变时，通过增加进制数M，可以降低，可以降低码元速率；码元速率；(1)M进制各个符号等概率出现时：进制各个符号等概率出现时：RbM=RBM log2M(2)对于二进制来说：对于二进制来说：Rb2=RB2 log22 RB2 63一种是单位带宽中的传码率，即一种是单位带宽中的传码率，即:一种是单位带宽内的传信率，即：一种是单位带宽内的传信率，即：其中，其中，f为系统带宽。为系统带宽。)/(ZbHsbitfR )/(HZBfRB频带利用率频带利用率64 数字通信系统的可靠性指标是差错率，常用误码率和数字通信系统的可靠性指标是差错率，常用误码率和误信率表示。误信率表示。(1
43、)误码率误码率:接收码元错误的概率，可表示为：接收码元错误的概率，可表示为：(2)误信率误信率:接收信息比特错误的概率，可表示为：接收信息比特错误的概率，可表示为：显然，对于二进制有：显然，对于二进制有：Pb=Pe传输总码元数错误码元数eP传输总比特数错误比特数bP差错率差错率65 例例1：国际摩尔斯电码由点和划组成，点出现的概：国际摩尔斯电码由点和划组成，点出现的概率是划的率是划的3倍，设点的长度为倍，设点的长度为5ms，划的长度为，划的长度为15ms，问：平均信息速率是多少？问：平均信息速率是多少？符号bit/0.81134log434log4122HsbitHRRRbB/108811.0
44、3.1333.1335.71000ms5.72515755B：每秒平均发送的符号数一个符号的平均长度：HRRBb解：解：66 例例2：消息由符号：消息由符号A、B、C、D组成，传输每一个组成，传输每一个字母用两位二进制脉冲编码，字母用两位二进制脉冲编码，00代替代替A，01代替代替B，10代替代替C，11代替代替D，每个脉冲的宽度为，每个脉冲的宽度为5ms。（1）字母等概率出现，计算传输的平均信息速率？）字母等概率出现，计算传输的平均信息速率？（2）若字母出现的概率分别为：）若字母出现的概率分别为：1/5、1/4、1/4、3/10，计算传输的平均信息速率？，计算传输的平均信息速率？解：解：HR
45、RBb100521000BR一个字母对应两个二进制脉冲，属于四进制符号，一个字母对应两个二进制脉冲，属于四进制符号，一个字母的持续时间是一个字母的持续时间是2*5ms，故，故 67符号bit/24logMlog)1(22HsbitHRRb/2002100B310log1034log414log415log51)2(2222HsbitHRRb/5.198985.1100B符号/985.1bit68 例例3：已知某八进制数字传输系统的码元速率为：已知某八进制数字传输系统的码元速率为1200B，接收端在半个小时内共收到，接收端在半个小时内共收到324bit的错误信息，的错误信息，试求系统的误信率试求
46、系统的误信率解：解：传输总比特数错误比特数bP310560308log12003242THRPBb错误比特数691.4 1.4 信道信道一、信道分类（依传输媒体分）一、信道分类（依传输媒体分）1.1.无线信道：无线信道：利用电磁波来传播信号。利用电磁波来传播信号。如广播电台、移动电话。如广播电台、移动电话。2.2.有线信道：有线信道：利用人造传输媒体来传输信号。利用人造传输媒体来传输信号。如传统的固定电话。如传统的固定电话。注意：信道中的噪声有源干扰；注意：信道中的噪声有源干扰；信道传输特性不良无源干扰。信道传输特性不良无源干扰。701.4 1.4 信道信道频率范围频率范围名称名称波长波长典型
47、应用典型应用330Hz极低频极低频ELF103102km远程导航、水下通信远程导航、水下通信30300Hz超低频超低频SLF104103km海底通信、电报海底通信、电报0.33kHz特低频特低频ULF103102km数据终端、有线通信数据终端、有线通信330kHz甚低频甚低频VLF10210km导航、电话、电报、水下通信导航、电话、电报、水下通信30300kHz低频低频LF101km导航、水下通信、无线电信标导航、水下通信、无线电信标033MHz中频中频MF103102m广播、业余无线电、海事通信广播、业余无线电、海事通信330MHz高频高频HF10210m国际定点通信、军用通信、广播、业余无
48、线电、电报、国际定点通信、军用通信、广播、业余无线电、电报、传真传真30300MHz甚高频甚高频VHF101m电视、调频广播、移动通信、导航、空中管制电视、调频广播、移动通信、导航、空中管制0.33 GHz特高频特高频UHF10210cm电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、移动通信、导电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、移动通信、导航、航、GPS330GHz超高频超高频SHF101cm卫星和空间通信、微波接力、雷达、移动通信卫星和空间通信、微波接力、雷达、移动通信30300GHz极高频极高频EHF101mm射电天文、雷达、微波接力、移动通信、铁路业务射电天文、雷达、微波接力、移动通信、铁路业务30
49、0G3THz亚毫米波亚毫米波10.1mm未划分，实验用未划分，实验用43430 THz红外红外70.7m光通信系统光通信系统430750 THz可见光可见光0.70.4m光通信系统光通信系统7503000THz紫外紫外0.40.1m光通信系统光通信系统711.4 1.4 信道信道二、无线信道二、无线信道 1.1.电磁波的发射和接收电磁波的发射和接收 均要用天线均要用天线 因天线尺寸的要求，通信频率都较高。因天线尺寸的要求，通信频率都较高。频率使用规划和管理频率使用规划和管理 国际电信联盟（国际电信联盟（ITU）定期召开世界无线电）定期召开世界无线电通信大会通信大会WRC（The World R
50、adio communication Conference），制定频率使用国际协议。），制定频率使用国际协议。我国：信息产业部无线电管理局。我国：信息产业部无线电管理局。721.4 1.4 信道信道根据通信距离、频率和位置的不同：根据通信距离、频率和位置的不同：地波传播地波传播 天波传播天波传播 视线传播视线传播二、无线信道二、无线信道 2.2.电磁波的传播电磁波的传播731.4 1.4 信道信道（1 1）地波传播地波传播 频率：频率：2MHz2MHz 以下，有一定的绕射能力以下，有一定的绕射能力 绕射绕射：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具 有的能力有的能力 通信
