通信原理(陈启兴版)第1章课后习题答案

第1章引言1.1学习指导1.1.1要点本章的要点有通信系统的数学模型，通信系统的分类及通信方式，信息及其度量，通信系统的主要性能指标。1.通信系统的数学模型通信系统是指传递消息所需的一切技术设备（含信道）的总和。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。（1）一般模型以图1-1所示的功能框图来表示。信源输入变换器发送设备信道接收设备信宿输出变换器噪声源图1-1通信系统的一般模型信息源。信源所产生的信息可以是声音、图像或文本。信息源一般包含变换器，将信源的输出变换成电信号。例如，用作变换器的话筒，可以将语音信号变换成电信号，而摄像机则将图像信号变换成电信号。这些设备输出的信号一般称为基带信号。在接收端，使用类似的变换器就可以将接收到的电信号变换成适合用户的形式，如声音信号、图像等。发送设备。发送设备将原始基带电信号变换成适合物理信道或其他传输介质传输的形式。例如在无线电和电视广播中，通信部门规定了各发射台的频率范围，因此，发射机必须将待发送的信息信号转换到适合的频率范围来发送，以便与分配给此发射机的频率相匹配。这样，由多个无线电台发送的信号就不会彼此干扰。又如果信道是光纤组成的，那么发送设备就要将处理好的基带信号转换光波信号再发送。因此发送设备涵盖的内容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码调制等过程。对于多路传输系统，发送设备中还包括多路复用器。信道。信道用于将来自发送设备的信号发送到接收端的物理介质。信道可以分为两大类：无线信道和有线信道。在无线信道中，信道可以是大气、自由空间和海水。有线信道有双绞电话线、同轴电缆及光纤等。信道对不同种类的信号有不同的传输特性，但都会对在信道中传输的信号产生衰减，信道中的噪声和由不理想接收机引入的噪声会引起接收信号的失真接收设备。接收设备的功能是恢复接收信号中所包含的消息信号。使用和发送端相似的变换器将接收到电信号变换成适合用户的形式，如声音信号、图像等。接收到的信号由于噪声的影响，出现某种程度的恶化，除了完成信号解调这一功能外，接收机还有完成包括信号滤波和噪声抑制等在内的其他一系列外围功能。在后面章节的分析中我们将会看到，接收消息信号的保真度与调制类型和加性噪声强度密切相关。（2）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，其模型如图1-2所示。1）消息基带信号，完成这种变换和反变换的是信源和信宿。2）基带信号已调信号，完成这种变换和反变换的通常是调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号，它应有两个基本特征：一是携带有信息，二是适合在信道中传输。由于已调信号的频谱通常具有带通形式，因而已调信号又称为带通信号（也称为频带信号）。（3）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1-3所示。信源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器收信者噪声图1-3数字通信系统模型信源编码译码器将模拟或数字信源的输出高效地变换成二进制序列的过程称为信源编码(sourceencoding)或数据压缩(datacompression)。信源译码是信源编码的逆过程。信道编码译码器信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。数字信号在信道中传输时受到噪声等影响后将会引起差错。为了减小差错，信道编码器以受控的方式引入一定的冗余码元（监督元），组成所谓的“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。数字调制解调器在实际应用中，不同的通信信道能够传送不同的电信号（波形），因此数字调制器的目的是将二进制信息序列映射成适合特定信道传输的信号波形。数字解调器(digitaldemodulator)对信道损伤的发射波形进行处理，并将每个波形还原成图1-2模拟通信系统模型表示所发送数据码元（二进制或M进制）的估计数字。例如，采用二进制调制时，解调器对所接收波形进行处理，以判定发送的比特是1还是0，这种情况称之为二元判决或硬判决(harddecision)。当需要保密时，可以有效地对基带信号进行人为扰乱，即加密，在接收端就需要进行解密。评价解调器与译码器性能好坏的测度，是译码序列中出现错误的概率。更准确的说，在译码器输出端出现比特错误的平均概率是评价解调器-译码器组合性能的依据。一般情况下，错误概率与码特性、信道中进行信息发送的波形类型、发射机功率、信道特性及解调和译码方法等有关。2.通信系统的分类通信系统的类别可从不同的角度来划分，一个通信系统可以分属不同的种类。（1）模拟通信系统：指的是利用模拟信号来传递信息的通信系统。（2）数字通信系统：指的是利用数字信号来传递信息的通信系统。（3）有线通信系统：用导线（如同轴电缆、双绞线和光纤光缆）作为传输媒质的通信系统。例如，市内电话、有线电视、海底电缆通信。（4）无线通信系统：利用无线电波进行通信的系统。例如，短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。（5）基带传输系统：以基带信号（未经调制的信号）作为传输信号的通信系统。根据信号是模拟的，还是数字的，基带传输又可分为模拟基带传输和数字基带传输。（6）带通传输系统：以已调信号作为传输信号的通信系统。3.通信方式通信方式是指通信双方之间的工作方式或信号传输方式。（1）单工通信，是指信息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。广播、遥测、遥控、无线电寻呼等就是单工通信方式的例子。（2）半双工通信，是指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式。例如，使用同一载频的普通对讲机，问询及检索等都是半双工通信方式。（3）全双工通信，是指通信双方可同时进行收发信息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向的信道。电话是全双工通信一个常见的例子，通话的双方可同时进行说和听。计算机之间的高速数据通信也是这种方式。（4）并行传输是将代表信息的数字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。（5）串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。4.信息及其度量如果信源中某一消息发生的不确定性越大，一旦它发生，并为收信者收到，获得的信息量也就越大。根据概率论知识，事件的不确定性可以用事件出现的概率来描述，可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，消息中包含的信息量与事件发生的概率密切相关。例如，“海洋受到了核爆炸的破坏”这条消息比“今天下雨”这条消息包含更多的信息量。即事件出现的概率越小，事件中包含的信息量越大。基于以上的认识，对信息量作如下定义：若一个消息xi出现的概率为P(xi)，则这一消息所含的信息量为iaaii1loglog(1-1)IxPxPxM个离散消息需要用M个符号表示，也就是说，传送M个消息之一和传送M个符号之一是等价的，所以消息所含的信息量就是符号所含的信息量。式(1-1)是单一符号出现时的信息量。对于由一串符号构成的消息，假设各符号的出现是相互独立的，根据信息量相加的概念，整个消息的信息量为iNiixpnIlog1(1-2)式中，in第i种符号出现的次数；ixp第i种符号出现的概率；N信息源的符号种类。当消息很长时，用符号出现概率和次数来计算消息的信息量是比较麻烦的，此时可用平均信息量的概念来计算。平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值，N种符号的平均信息量为iNiixpxpxH21log（比特/符号）(1-3)由于平均信息量H同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为信息源的熵，其单位为比特/符号，或者写为bit/符号。有了平均信息量H(x)和符号的总个数n，可求出总信息量为nxHI)((1-4)可以证明，当信源中每种符号出现的概率相等，而且各符号的出现为统计独立时，该信源的平均信息量最大，有NNNHNiMAX212log1log1bit/符号(1-5)5.主要性能指标通信的任务是快速、准确地传递信息，因此传输信息的有效性和可靠性是通信系统的主要性能指标。有效性指的是传输一定的信息量所占用的信道资源（带宽或时间），而可靠性指的是接收信息的准确程度。这两项指标体现了对通信系统最基本的要求，这两者是相互矛盾而又相互联系的，通常是可以互换的。(1)模拟通信系统有效性指标：传输带宽。同样的消息采用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。频带宽度越窄，则有效性越好。可靠性指标：输出信噪比。信噪比越大，通信质量越高。(2)数字通信系统有效性指标：传输速率。码元传输速率RB定义为：每秒钟传送码元的数目，单位为波特(Baud)，简记B。信息传输速率Rb定义为：每秒种传送的平均信息量，单位是比特/秒，简记为b/s或bps。信息传输速率又称为信息速率或传信率。每个码元或符号通常都含有一定比特数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即bBRRH(1-6)式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。可靠性指标：差错率。误码率（码元差错率）Pe是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即传输总码元数错误码元数eP误信率（信息差错率）Pb又称误比特率，是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例，即传输总比特数错误比特数bP显然，在二进制中有Pb=Pe1.1.2难点本章的难点主要有模拟信号和数字信号的区别，基带信号和已调信号，误信率和误码率。1.模拟信号和数字信号的区别按信号参量的取值方式不同，可把信号分为两类：模拟信号和数字信号。若信号的参量取值连续（不可数、无穷多），则称为模拟信号；若信号的参量取值离散（可数的、有限个），则称为数字信号；区别模拟信号和数字信号的关键，是看携带消息的信号参量（如幅值、频率、相位）的取值是连续的还是离散的，而不是看时间。例如：图1-4(a)所示的话音信号，按抽样定理对其进行抽样，抽样后的信号图1-4(b)尽管在时间上是离散的，但它仍属于模拟信号。实际上，这是一个PAM（脉冲调幅）信号。图1-5所示的是2PSK信号，尽管该信号波形在时间上和幅度上都是连续变化的，但它携带消息的参量是相位，而相位只有两种变化状态（离散取值），因此，它是一个数字信号。2.基带信号和已调信号基带信号是指来自信源的消息信号，即原始电信号（也称调制信号），可以是模拟的，也可以是数字的。基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如图像信号的频率0t0t0t(a)话音信号(b)抽样信号图1-4模拟信号图1-5数字信号范围为0~6MHz。已调信号是指经过调制后的信号，是参量受到调制后的已调载波信号。由于已调信号的频谱具有带通形式，所以已调信号又称为带通信号或频带信号。载波信号是指未受调制的高频振荡信号。它可以正弦波，也可以是非正弦波（如方波、三角形的脉冲串）。3.误信率Pb和误码率Pe二进制时，Pb=Pe；M进制时，PbPe。可以证明：当考虑一个特定的错码码元可以有(M-1)种不同的错误样式，且这些错误样式以等概出现时，误信率Pb和误码率Pe存在如下关系：2(1)beMPPM1.2习题详解1-1某信源符号集由A，B，C，D，E和F组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。试求该信源符号的平均信息量。解平均信息量（熵）iNiixpxpxH21log222221111113355logloglogloglog2.2344888816161616(bit/符号)1-2一个由字母A、B、C、D组成的字，对于传输的每一字母用二进制脉冲编码，00代替A，01代替B，10代替C，11代替D，每个脉冲宽度5ms。（1）不同字母是等概率出现时，试计算传输的平均信息速率。（2）若每个字母出现的概率分别为103,41,41,51DCBAPPPP试计算传输的平均信息速率。解(1)一个字母对应两个二进制码元，故一个字母的持续时间（码元宽度）为2×5ms，传送字母的符号速率为311002510BRB等概时的平均信息速率为22loglog42