1通信原理绪论

绪论•基本概念•通信系统的组成•通信系统的分类及通信方式•信息及其度量•评价通信系统性能的指标通信的发展历史通信起源于19世纪30年代1837年，莫尔斯电磁式电报机出现1866年，利用大西洋海底电缆实现了越洋电报通信1876年，贝尔发明了电话机，开始了有线电报、电话通信19世纪末，出现了无线电报；20世纪，电子管、晶体管、集成电路出现，使通信迅速发展20世纪80年代以来，微波通信、卫星通信、光纤通信、移动通信和计算机通信等各种现代通信系统的竞相发展。通信的展望未来的通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向迅速发展通信的最终目标：即无论何时、何地都能实现与任何人、任何物体进行任何形式的信息交换。基本概念•通信•消息•信息•信号•模拟通信系统•数字通信系统基本概念通信---信息的传输和交换消息---信息的物理表现形式离散消息---消息状态是可数的和有限的如文字、数据等连续消息---消息状态是连续变化的如语音、活动图象等基本概念信息---消息的内涵，即消息中所包含的受信者原来不知而待知的内容。通信的根本目的在于传输含有信息的消息信号---与消息相对应的电量或光量。消息的传递是通过它的物质载体—信号来实现的基本概念数字信号---信号的参量只能取有限的个值，并且常常不直接与离散消息相对应。如电报信号、计算机数据信号、PCM信号等模拟信号---信号的参量连续取值或有无穷多个值，且直接与连续消息相对应。如电话机送出的语音信号、电视摄象机输出的模拟图象信号通信系统的分类分类方法通信网的结构通信方式通信系统模型通信系统的分类按信号特征分类：模拟通信系统；数字通信系统。按调制方式分类：基带传输；调制传输。按工作波段分类：长波、中波、短波、光波等。按信号复用方式：频分复用、时分复用、码分复用、波分复用。按传输媒介分类：有线通信、无线通信。按通信业务分类：固定电话通信、移动通信、数据通信、多媒体通信等。通信方式单工通信：消息只能单方向传输的工作方式。如广播、遥测、遥感、无线寻呼等等半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。全双工通信：通信双方都能同时收发消息的工作方式。通信系统模型信源调制器解调器信宿噪声源信道模拟通信系统定义：利用模拟信号来传递信息的系统信源：其作用是把消息转换为原始电信号—基带信号。调制器：作用是将基带信号变换成适合在信道中传输的信号。信道：信号传输的通道。分为有线和无线两大类。解调器：作用是将调制信号反变换为原始电信号。信宿：信息传输的归宿点。其作用是将原始电信号转换成相应的消息。噪声源：是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表示。模拟通信系统中的两个重要变换：连续消息----基带信号；基带信号----已调信号（频带信号）信源调制器解调器信宿噪声源信道数字通信系统模型信源信源编码器信道编码器数字调制器数字解调器信道译码器信源译码器信宿信道噪声源加密解密加密/解密：实现信息的安全传输。信源编/译码器：数据压缩/解压，提高通信效率。信道编/译码器：提高系统的抗干扰能力。*抗干扰能力强，无噪声积累•数字通信特点发端放大收端模拟噪声发端再生中继收端数字噪声数字通信的特点•抗干扰能力强，可消除噪声积累；•差错可控；•便于与各种数字终端接口连接；•方便对信号进行处理和变换，保密性强；•便于集成化。数字通信的特点缺点：*占用频带宽–模拟：一路模拟电话所占频带仅为４KHz。–数字：一路数字电话频带一般为64KHz。–随着光纤、数字微波等宽带信道的使用以及数字频带压缩技术的发展，该缺点的影响已减小。•需要同步信息及其度量信息---消息的内涵信息量---消息所含信息多少的度量信息量的大小与消息发生的概率密切相关，概率越小，信息量越大。反之，越小。信息及其度量)(log)(1logxPxPIaa信息量的数学表示：信息量的单位a=2时，单位为比特bita=e时，单位为奈特nita=10时，单位为哈特莱Hartly信息及其度量离散消息的信息量如M个离散消息的每个消息是等概率出现的，则一个消息的信息量为：)(log11log22bitMMI例：四进制离散信源（0，1，2，3），独立等概率发送，传送每一波形的信息量为:(M=2k进制的每一波形包含的信息量是二进制每一波形包含信息量的k倍))(22log411log222bitI信息及其度量平均信息量（信源熵）非等概率情况下的离散信源的概率分布为：)(,),(),(,,,2121nnxpxxpxpxx且有：niixp11)(则每个X所含信息量的统计平均值---信源熵为：niiibitxpxpxH12)/)((log)()(符号信息及其度量nibitnnnH122max)/(log1log1符号当信源中每个符号等概率独立出现时，信源的熵有最大值：若干个事件组合构成的消息，所含信息量可表示为：niiibitxpmxpxpI1221)/()(1log))()((消息mi为同一个事件在消息中出现的次数举例（1）已知英文字母e和v出现的概率分别为0.105和0.008，e和v的信息量各为多少。Ie=-log2P（e）=-log20.105=3.25（bit）Iv=-log2P（v）=-log20.008=6.96（bit）（2）信源符号集由A、B、C、D、E、F组成，设每个符号独立出现，其概率分别为1/4、1/4、1/16、1/8、1/16、1/4，求该信源输出符号的平均信息量（信源的熵）。H（x）=-P（xi）log2P（xi）=-3×（1/4）×log2¼-（1/8）×log21/8-2×（1/16）×log21/16=2.375（bit/符号）通信系统的性能指标如何评价通信系统的优劣有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性等等对于传输系统来说，主要的性能指标是：有效性---信号传输的速率可靠性---信号传输的正确性通信系统的性能指标模拟通信系统的评价有效性---有效传输频带可靠性---均方误差或信噪比数字通信系统的评价有效性---传输速率和频带利用率可靠性---误码率、误信率通信系统的性能指标传输速率码元传输速率（传码率）RB---单位时间内传输码元的数目，单位为波特（B）。码元速率(没有规定采用的进制)与进制数无关，仅与传输的码元长度TS有关：RB=1/TS（B）信息速率不变条件下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间的关系：MRRBMB22log通信系统的性能指标传输速率比特率Rb（亦称信息传输速率）---单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒（bit/s、bps）。比特率与码元速率的关系为Rb=RBH（b/s）等概率条件下，熵取最大值，比特率有最大值（式中M为进制数）：)/(log2sbMRRBb通信系统的性能指标频带利用率单位频带内的码元传输速率或单位频带内的比特率。式中B为传输带宽：)/(HzBBRB))/((HzsbBRbb通信系统的性能指标误码率---码元在传输系统中被传错的概率。Pe=错误接收的码元数/传输的总码元数误信率---接收到的发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例。Pb=错误比特数/传输总比特数二进制表示时有：Pe=Pb举例（1）由字母A、B、C、D组成的消息，对于传输的每一个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，每个脉冲宽度为5ms。（a）不同的字母是等可能出现时，计算传输的平均信息速率；（b）若ABCD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。（a）一个字母对应两个二进制脉冲，属于四进制符号，故一个字母的持续时间为2×5ms。传送字母的符号速率为：RB=1/TS=1/（2×5×10-3）=100（B）等概率时的平均信息速率为：)/(2004loglog22sbRMRRBBb（b）平均信息量为：H（x）=-P（xi）log2P（xi）=-（1/5）×log21/5-2×（1/4）×log21/4-（3/10）×log23/10=1.958（bit/符号）则平均信息速率为：Rb=RBH=100×1.985=198.5（b/s）可见，等概率时才能获得最大信息速率举例（2）设一数字传输系统传送二进制码元的速率为2400B，求该系统的信息速率；若该系统改为传送十六进制信号码元，码元速率不变，则这时的系统信息速率为多少，设各码元独立等概率出现。（a）Rb=RB=2400（b/s）（b）Rb=RBlog216=9600（b/s）码元速率不变时，通过增加进制数，可增加信息速率