第1章通信原理绪论

南京工程学院备课稿纸第1章绪论1第1章绪论1.1引言信息科学技术迅猛发展，在社会各个领域得到越来越广泛的应用。这种发展的动因和显著特点之一是计算机技术和数字通信技术的快速发展以及计算机网络与通信网的相互融合，使得因特网迅速发展，并从有线扩展到无线。各种类型的数字通信网是因特网的载体。数据通信是计算机和通信这两种技术的相互渗透和相互结合的产物。有关数字通信的研究主要是从网络的物理层研究数字信号的传输机理及其可靠性和有效性，为建立高可靠的、高效的因特网提供坚实的物理基础。现代通信系统几乎采用的都是数字通信技术，所以，较多地讲授数字通信原理。1.2通信的定义一般的说：通信是指由一地向另一地进行消息的有效传递。应用例子：古代的有烽火台、邮递；近代的有信号灯、电话、网络等。由于电、光传递信息快、准确可靠，这类传递信息方式称为“电信”，电信已习惯指通信。1.3通信系统的组成1.通信系统模型通信例子：电报、电话、可视电话、广播、电视、雷达、遥测遥控系统等。通信系统用图加以抽象概括：信息源：把各种可能消息转换成原始电信号。如麦克风。发送设备：将原始电信号变换成利于在信道传输的信号。广播电台、电视发射塔、计算机COM口。信道：信号传输通道。如自由空间、导线。接收设备：从接收信号恢复相应的原始信号。收音机、电视机。受信者：将原始电信号转换成消息。喇叭、TV显象管、显示器。噪声源：信道中噪声以及分散在通信系统其它各处的噪声集中表示。通信原理的讨论是围绕着通信系统的模型展开的。关于模型：将研究的问题抽象成模型再研究是科学研究的一般方法。在“物理”课程中，研究物体的运动速度是先将物体抽象成一个质点或者刚体，然后再建立数学模型。在“电路”课程中，正弦电压源信号是一种基本的数学模型。模型是多样的，不仅有数学模型，还有关系模型，比如程序设计流程图、通信系统方框图、仿真模型，计算机程序所表示的模型等。南京工程学院备课稿纸第1章绪论2tu01001101ut对于通信信号与系统的研究，采用的是精确严谨的数学模型。2.模拟通信与数字通信系统模型通信传输的消息是多种多样的：符号、文字、语声、图像等等。分两类：离散消息（数字消息），符号、数据、文字模拟消息（连续消息），语音、图像消息与电信号必须建立单一的对应关系，否则在接收端无法复制。如语声音频电信号，幅度和频率要与语声一一对应。数字信号：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离散消息，该参数量取值必是离散取值的，这样的电信号为数字信号。如电传机输出的信号就是数字信号。模拟信号：如果电信号的参量连续取值，则称这样的电信号为模拟信号。如普通模拟电话机的输出。信道中传输的是模拟信号，称为模拟通信系统。信道中传输的是数字信号，称为数字通信系统。也可将模拟信号变成数字信号传输。模拟通信系统模型模拟通信系统的一个例子是中波广播电台，如发射频率为1450KHz。调制器的功能：将原始电信号（频谱分布低）变成高频（发送设备）。数字通信系统模型数字通信系统的例子：1．4通信系统的分类及通信方式1.通信系统的分类(1)按传输媒体分：有线通信：光缆、电缆（电线）。无线通信：微波、短波、移动、卫星、散射等。(2)按信道所传输信号分：数字通信系统、模拟通信系统。(3)按调制方式分：基带（如RS232（COM））、频带传输（调制传输）(4)按信号复用方式分南京工程学院备课稿纸第1章绪论3频分复用：不同信号占据不同的频率范围时分复用：不同信号占据不同的时间区间码分复用：2.通信方式对于点点通信：按消息传输的方向与时间关系分：方式单工半双工全双工通信例子BP、广播、电视对讲机电话、手机在数字通信中，按数字信号码元序列排列，有串行和并行通信：方式串序（串行）并序传输（并行）说明一条通道多条导线传输例子COM、RS232（计算机）打印机口（计算机）1.5信息及其度量通信的目的在于传递信息，消息包含着信息，消息的传递意味着信息的传递。每一消息信号必定包含有接收者需要知道的信息，消息以具体信号形式表现出来。而信息则是更抽象化、更普遍化，是有本质的内容。①信息与消息的形式无关②信息与消息的重要程度无关③信息的多少与消息事件发生的可能性有关如何度量信息？如何计算消息的信息量？概率论知识：事件出现的可能性愈小，概率愈小事件出现的可能性愈大，概率愈大信息量I与消息x出现的概率p有关。为计算信息量与概率的关系，应反映如下规律：(1)消息中的信息量I是消息x出现的概率的xp函数：()IIpx轾=臌(2),=1=0pI时Ip,时0(3)若干独立消息之和的信息量是每个消息所含信息量的线性叠加，即信息具有相加性。()()()()()12312IpxpxpxIpxIpx轾轾轾=++臌臌臌满足以上三点，I与xp的函数关系为：xpxpIaaloglog1信息量I的单位与对数的底数a有关：a=2单位为bit（常使用）a=e单位为奈特（nat）a=10单位为哈特莱，或称十进制单位a=r单位为r进制单位关于等概率出现的离散信息的度量南京工程学院备课稿纸第1章绪论4假设信息源传送的是“晴”“雨”两个气象消息：“晴”：a“雨”：b字母a、b就可看作是一个消息（离散消息）。可用适当的波形来传送每一个消息。假设用二进制脉冲传送这两个消息。消息信号：电压0伏脉冲代表消息a（晴）电压1伏脉冲代表消息b（雨）如果每一消息信号是等概率出现，则bpap，即()()1012pp==每一消息信号传输（传送）载荷的信息量：()()loglog2211011122IIbit===-=下表中，考虑4条消息的情况，（4个等概率出现的消息情况），用4进制脉冲传送a、b、c、d4条消息。4进制脉冲波形消息消息信号的脉冲波形消息出现的概率每一消息信号携带的信息量a(晴)b(雨)c(多云)d(大风)因此单个4进制脉冲传送2bit信息。一个二进制脉冲能传送1bit信息，可表示2个消息。12二个二进制脉冲能传送2bit信息，可表示4个消息。22三个二进制脉冲能传送3bit信息，可表示8个消息。32…K个二进制脉冲能传送kbit信息，可表示K2个消息。K2个消息等概率出现，且独立，则信息量：()loglog122212KKIKbit===考虑非等概率情况：设离散信息源是一个由n个符号组成的集合nxxx,,21，按ixp独立出现。记niininixpxpxpxpxpxxxx121211且有,则nxxx,,21各符号的信息量分别为：01111000V0V1V2V34111,PdP4101,PcPbitbI2bitcI2bitdI24100,PaP4110,PbP24112logaI南京工程学院备课稿纸第1章绪论5nxpxpxp22212log,log,log式中的每个符号的信息量不同。引入平均信息量()Hx：()Hx等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率再相加()()()()()()()logloglog121221bit(*)nnniiiHxpxpxpxpxpxpx=轾轾=-++-臌臌轾=-臌å符号H(x)称为信息源的熵。当P(xi)=1/M时，熵有最大值，为每个符号等概率独立出现的平均信息量。例：设由5个符号组成的信息源，相应概率为111112481616ABCDE轾犏犏犏犏犏犏犏犏臌（每条消息用字母A/B/C/D/E表示），求信源5条消息的平均信息量()Hx：()logloglogloglog.2222211111248161624816161875Hxbit=++++=符号例(P11)：0231145721337üïïïïïïýïïïïïïþ出现出现共个符号出现出现这57个符号代表的消息中：出现0的信息量为bit3338log232，出现1的信息量为bit284log142，出现2的信息量为bit264log132，出现3的信息量为bit218log72该消息的信息量：bitI10821262833平均信息量（算术平均）.10818957IIbit===符号符号总数若用(*)式计算平均信息量，有：()loglogloglog.222233111111884444881906Hxbit=----=符号两种计算结果有差异，第一种方法采用是算术平均方法，存在误差。如果消息中符号数目，则以上两种计算结果一样。1.6通信系统的主要指标I南京工程学院备课稿纸第1章绪论6衡量比较评价一个系统的好坏，必然要涉及通信系统的主要指标问题，否则无法衡量。指标有：有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护性等。有效性和可靠性是消息传输的主要矛盾。从消息的传输来说，通信系统两个重要指标：,有效性：速度问题传输速率可靠性：质量问题，差错率1.有效性指标的具体表达在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字，这个时间间隔bT被称为码元长度(码元宽度)，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。N进制信号也是等长的，被称为N进制码元。比如4进制码元，它需要用两个二进制脉冲来表示一个状态，即这个状态包含了两个符号。因此4进制的码元长度是二进制码元长度的两倍。数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，系统有效性越好。从以下二个不同角度定义传输速率。(1)码元传输速率BR码元/秒，单位：波特（B）。（注意：非B/s！）如2秒内共传送4800个码元，则传码率为2400B。(2)信息传输速率bRbit/秒如1秒内传1200符号，且每一符号的平均信息量为1bit，则该信源的bpssbitRb1200对于二进制码元，码速率与信息速率在数值上相等，但单位不同。22BbRR数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率BR与信号的进制无关，只与码元宽度bT有关。1BbRT=如果还用一个二进制码元表示1bit信息量的话，则一个四进制信号的码元就包含2bit的信息量，一个八进制信号的码元就包含3bit的信息量。可见传输多进制信号可以在波特率不变的情况下提高比特率。波特率、比特率与数制三者之间的关系式中,Rb为信息传输速率(b/s)；RB为码元传输速率(Baud)；M为采用信号的进制数。2.可靠性指标的具体表达beePP)()(误信率信息差错率误码率码元差错率差错率)(错误码元正确码元总码之数单位时间内系统传输的码元数单位时间内接收的错误eP)()()(总信息量总比特数单位时间内系统传输的信息量的比特数丢失出错单位时间内系统传输中ebP例：超短波水情遥测系统的误码率约561010~数量级。即发送了651010~个码元中有1个错码。例题：1-2；1-4；1-62log(/)bBRRMbs