通信原理教程1-绪论信息论

通信系统原理第1章绪论主讲：杨春萍先修课程概率论、随机过程信号与系统高等数学、线性代数模拟电子电路高频电子线路数字逻辑电路本课程的学习要求主要任务：本课程主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论通信系统的组成和性能指标。授课内容：1-10、13章(第6版)学习要求：要求掌握基本的通信原理，以及原理的基本应用考核方式：平时成绩20%＋考试成绩80%参考书徐家恺，《通信原理教程》第2版，科学出版社；曹志刚，《现代通信原理》，清华大学出版社；周炯槃，《通信原理》，北京邮电大学出版社。第1章绪论通信的基本概念通信系统的组成通信系统分类与通信方式信息及其度量通信系统主要性能指标通信的基本概念通信概念为达到联系的目的，采用电的或非电的任何方法，通过任何媒质，将信息从一地传到另一地的过程称为通信（“电通信”）。实质：完成信息的转换和传输。通信的重要性当今信息社会，通信与传感、计算机技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”。通信系统以电信号作为信息转换和传输系统。它只能为两个用户之间提供单方向的信息传递。（点对点的单向传输）通信网多用户通信系统互联的通信体系。（多点中的任意两点间的双向传输）以电话网为例框图通信的基本概念消息、信息与信号信号（signal）：传输消息的手段（媒介），是消息的载体（或媒介），通信系统中传输的是信号。消息（message）：通信的目的是传递消息，如语音、文字、图形、图像等；信息（information）：消息的有效（或有意义）内容，不同消息可有相同内容；信息一词在概念上与消息的意义相似，但是它的含义更普遍化、抽象化。信息可被理解为消息中包含的有意义的内容。信息的多少可以用信息量来衡量。通信系统的组成通信系统模型发送端接收端噪声发送设备信道接收设备信宿信源通信系统由四部分组成。通信原理的讨论是围绕通信系统的模型而展开的根据具体的通信形式有具体的系统模型与之对应各处的噪声之和信源发送设备信道接收设备信宿语音电话机电路链接信道或者无线信道电话机语音有线或者无线（电话）语音通信系统图象及声音广播电视发送设备有线或者无线信道电视（接收）机图象及声音有线（或）无线广播系统数据计算机计算机网络计算机数据数据通信系统通信原理研究内容通信原理的讨论就是围绕通信系统的模型展开的。上述模型概括地反映了通信系统的共性。根据我们研究对象及所关心的问题不同，将会使用不同形式的较具体的通信系统模型。模拟通信系统和数字通信系统模型一、消息分类离散消息（数字消息）：指消息的状态是可数的或离散型的，例如：符号、文字或数据。连续消息（模拟消息）：指消息的状态是连续变化的。例如：连续变化的语声、图象等。二、信号分类各种消息需要转换成电信号。消息与电信号之间必须是一一对应关系，否则在接收端就无法复制出原来的消息。通常消息被载荷在电信号的某一参量上，如果电信号的该参量携带着离散消息，则该参量就是离散取值的。这样的信号称为数字信号。如计算机输入/输出信号。如果电信号的该参量连续取值，则称这样的信号为模拟信号。如电话机输出的信号。模拟信号基带信号(一般指未调制过的信号)瞬时值状态无限，如正弦信号.语音信号.图像信号等。已调信号(载波一般为正弦信号)的参数状态数无限数字信号码元：一个接一个按节拍传送的数字信号单元，为代表数字信号一个取值的波形。基带信号的瞬时值状态数有限。已调信号(载波一般为正弦信号)的参数状态数有限。三、模拟通信系统与数字通信系统若信道中传输的是模拟信号，则称该通信系统为模拟通信系统。若信道中传输的是数字信号，则称该通信系统为数字通信系统。注：可以把模拟信号变换成数字信号（A/D变换），经数字通信方式传输后，在接收端进行相反的变换（D/A变换），以还原出模拟信号。四、模拟通信与数字通信的发展1844年5月24日莫尔斯（Morse）在华盛顿和巴尔的摩之间发送世界上第一份电报。1876年贝尔（Behr）发明电话，模拟通信的开始1960年以后数字通信才日益兴旺起来发展趋势数字化、智能化、综合化、个人化，最终实现全球ISDN个人通信。五、数字通信的优缺点数字通信更能适应对通信技术越来越高的要求。数字通信的抗干扰能力强，尤其在中继时，数字信号可以再生而消除噪声的积累。传输差错可以控制，从而改变了传输质量便于使用现代数字信号处理技术来对数字信息进行处理数字信息易于作高保密性的加密处理数字通信可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强。缺点：需要更大的带宽。需要同步信号。六、模拟通信系统模型图1-4模拟通信系统模型注：系统里可能还有滤波、放大、变频、发射等过程。其过程被认为是足够理想的。发送端接收端噪声调制信道解调信宿信源原始电信号特点通常具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。调制解调的作用将原始电信号变换成频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。这种变换和反变换称为调制和解调。经过调制的信号称为已调信号，它具有两个基本特性：一是携带有信息，二是适应在信道中传输。基带信号我们将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基带信号，而已调信号称为频带信号。七、数字通信系统模型图1-5数字通信系统模型发送端接收端信源信道编码调制信道压缩编码解调信宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪声同步信源编码信源解码注：a实际的通信系统并非一定要如图1-3所示的那样包含所有的环节。本书中将要讨论的数字基带传输系统，它的模型就不包括调制与解调环节。数字基带传输系统模型发送端接收端噪声基带信号形成器信道接收滤波器信宿信源b数字通信系统传送的消息一般都是离散型的，但也可以是连续型的。受信者发送端接收端信源信道编码调制信道压缩编码解调信宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪声同步信源编码信源解码信源编码：压缩编码、加密、A/D转换。压缩编码：用于减少数字信号的冗余度。保密编码（加密器）：对基带信号进行人为“扰乱”，即加上密码，这叫加密。信道编码：差错控制编码、扩频编码。同步问题：由于数字通信是一个接一个按节拍传送的数字信号单元，即码元，因而接收端必须与发送端相同的节拍接收。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息内容进行编组的（相当于写文章要有标点符号一样）。因此编组的规律在收发之间也必须一致。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”、“帧同步”、“句同步”或“码组同步”。问题：举出熟悉的通信系统的种类？通信系统的分类与通信方式通信系统的分类这里从通信系统模型的角度讨论其分类按通信业务分类电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图象通信系统按调制方式分类根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输（如音频市内电话）和频带（调制）传输。按信号特征分类按信道传输的是模拟信号还是数字信号，可以分成模拟通信系统与数字通信系统两类。按传输媒介分类分为有线和无线两类。按工作波段分类分为长波、中波、短波和远红外线通信。按信号复用方式分类传送多路信号有三种方式，即频分复用、时分复用和码分复用。频分复用：用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。用于传统的模拟通信中。时分复用：用抽样或脉冲调制方法使不同信号占据不同的时间区间。用于数字通信系统中。码分复用：用一组互相正交的码字的码组携带多路信号。多用于空间扩频通信中，用于扩频通信和移动通信系统中。通信方式对于点与点之间的通信，按消息传送的方向与时间的关系，通信方式可分为：单工通信、半双工通信及全双工通信三种。单工通信：是指消息只能单方向传输的工作方式。例如：遥测、遥控、广播、无线寻呼。发端收端信道半双工通信：是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式。如无线对讲机、检索。全双工通信：指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。如普通电话、手机。发端收端信道收端发端信道收端收端信道发端发端在数字通信中，按照数字信号码元排列方法不同，有串序与并序传输之分。串序传输：是将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输.应用于远距离传输。因为这种方式只需占用一条通路。发送设备接收设备101并序传输：将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输，则称为并序传输.适用于近距离传输。值得注意的是：串行和并行的概念是指组成一个字符的各码元是依顺序逐位传输还是并行地传输。至于数据字符还是逐个依次发送。发送设备接收设备在串序传输中，按数据传输的同步方式分为同步传输和异步传输。在串行传输中,如何解决码组(字符)的同步问题:同步传输和异步传输同步传输:以固定时钟节拍来发送数据信号的.在串行数据流中,各信号码元之间的相对位置都是固定的,接收端要从收到的数据码流中正确区分发送的字符,必须建立同步的时钟.同步传输是以帧为单位发送数据,并有帧的起始和终止标志.与异步传输相比,同步传输在技术实现上复杂,但不需要对每一个字符单独加起、止码元作为识别字符的标志，只是在一串字符的前后加上标志序列.因此,传输效率高,适合较高速率的数据通信系统(2.4kb/s以上).异步传输:每次传输一个字符代码(5-8bits),传输时在一个字符的前后均加上一个特殊的标志(称为起始位和终止位).通常,起始位为一个码元,极性为0,终止位为1-2个码元,极性为1每一个字符的起始时刻是随机的、任意的（这就是异步的含义）,但在同一字符内码元的长度是相等的。接收端从根据“终止位”到“起始位”的跳变(“1”“0”)识别一个新的字符，从而区分一个个字符异步传输的优点是：字符同步实现简单，收发双方的时钟信号不需要精确的同步。缺点是：每个字符增加了2-3bit，降低了传输效率，适合1.2kb/s以下的数据传输。起起起起起起起起起起起(a)起起起起SYN起起SYN起起SOH起起起起起起EOT起起起起起起(b)起起起起实际的通信系统分为专线和通信网两类。点与点之间的通信是专线通信，多点间的通信属网通信。网通信的基础仍是点与点的通信。因此，本书重点讨论点与点通信的原理。通信网：为了完成多用户中任意两个用户之间的通信，一般需要建立一个网络，这个多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。信息及其度量消息与信息消息：消息各种各样，没有大小信息：与消息的意义相似，但其含义更普遍化、抽象化。信息可被理解为消息中包含的有意义的内容。不同的消息可以包含相同的信息。（例如，分别用语音和文字发送的天气预报，所含信息内容相同。）如同搬运货物多少采用“货运量”来衡量一样，传输信息的多少使用“信息量”去衡量。信号是消息的载体信息是消息的内涵信息的度量（信息量公式）度量消息中所包含的信息量的方法，与消息种类无关，另外和消息重要程度无关。“地球围绕太阳转”“海洋已经被核爆炸污染”事件愈不可能，愈是使人感到意外和惊奇，信息量就愈大。即与事件发生概率有关。消息中所包含的信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系a=2时，信息量的单位为比特（bit）；a=e时，信息量的单位为奈特（nat）；a=10时，信息量的单位为哈莱特。)(log)(1logxpxpIaa哪条消息包含的信息量大？等概出现的离散消息的度量假设需要传输的离散消息是在M个消息中独立地选择其一，且认为每一消息的出现概率是相同的。显然为了传递一个消息，只需采用一个M进制的波形来传送。传送M个消息之一这样一件事与传送M进制波形之一是完全等价的。传送M进制波形之一的信息量为：)(log/11log22bitMMI2,()2,1()kMIkbitMIbit如果则；如果则非等概出现的离散消息的度量设离散消息源是一个由n个符号组成的集合，称符号集。符号集中的每一个符号在消息中是按一定概率独立出现的，即：则各个符号所包含的信息量分别为：于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量（信息源的熵）为：21222log(),log(),...,log()npxpxpx)/()(log)()](log)[(...