通信原理

通信原理 第1章 绪论

1. 1 通信的基本概念 1. 1 通信的基本概念 通信：信息的传递和交换。 信息：事物状态和变化的反映。是用以消除不确定性的东西(Shannon)。 消息：信息的载体。消息中包含信息。例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。 信号 ：人为产生的电波或光波，用来携带信息。

1. 1 通信的基本概念 实现通信的方式和手段： 电信发明史 广义通信（Communication）：(包括非电的)如旌旗、消息树、烽火台… 狭义通信（Telecommunication） ：(电的)如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。 电信发明史 1837年：莫尔斯发明有线电报 1876年：贝尔发明有线电话 1896年：马可尼发明无线电报 1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世 1936年：商业电视广播开播 … … … … … 后面讲述中，“通信”这一术语是指“电通信”，包括光通信，因为光也是一种电磁波。 在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。

1.2 通信系统的组成 1.2 通信系统的组成 1.2.1 通信系统的一般模型 信息源（简称信源）：各种消息及将其转换成的原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。 发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。

1.2 通信系统的组成 信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。 噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。 接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。 受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。

1.2 通信系统的组成 1.2.2 模拟通信和数字通信 模拟信号和数字信号 模拟信号：用电压模拟实际消息的物理变化。信号参量取值连续，例如(麦克)风(phone)输出电压： (a) 话音信号 (b) 抽样信号 图1-2 模拟信号

1.2 通信系统的组成 通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信分为模拟通信和数字通信。 数字信号：用电脉冲序列表示数字序列。信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号： 通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信分为模拟通信和数字通信。 (a) 二进制信号 (b) 2PSK信号 图1-3 数字信号

1.2 通信系统的组成 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： 两种变换： 模拟消息原始电信号（基带信号） 基带信号已调信号（带通信号），即调制 调制：将信号的频谱适当搬移，以适合于信道传输或进行多路复用。 解调：调制的反变换。 图1-4 模拟通信系统模型

1.2 通信系统的组成 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 信源编码：模/数转换，加密，有效性编码 信道编码：纠错编码，线路编码 信道译码和信源解码：分别是信道编码和信源编码的反变换 此外，同步：使收发两端的信号在时间上保持步调一致

1.2 通信系统的组成 1.2.3 数字通信的特点 优点： 缺点： 抗干扰能力强，无噪声积累 便于信号的存储、处理与交换 便于加密和纠错 1.2.3 数字通信的特点 优点： 抗干扰能力强，无噪声积累 便于信号的存储、处理与交换 便于加密和纠错 便于各种业务信号的综合传输。ISDN 缺点： 占用信道频带宽

1.3 通信系统分类 1.3 通信系统分类与通信方式 1.3.1 通信系统的分类 1.3 通信系统分类 1.3 通信系统分类与通信方式 1.3.1 通信系统的分类 按通信业务分类：电话通信、数据通信、图像通信 、多媒体通信… … 按调制方式分类：基带传输系统、频带（调制）传输系统 调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。 按信号特征分类：模拟通信、数字通信 按传输媒介分类：有线通信、无线通信 按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用、空分复用 按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信 … …（属无线通信）

1.3 通信系统分类 1.3.2 通信方式 单工、半双工和全双工通信 单工通信：消息只能单方向传输的工作方式 1.3 通信系统分类 1.3.2 通信方式 单工、半双工和全双工通信 单工通信：消息只能单方向传输的工作方式 半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收 发的工作方式 全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式

1.3 通信系统分类 并行传输和串行传输 并行传输：将代表信息的数字信号码元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 1.3 通信系统分类 并行传输和串行传输 并行传输：将代表信息的数字信号码元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 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施 缺点：需要 n 条通信线路，成本高

1.3 通信系统分类 其他分类方式： 串行传输 ：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输 1.3 通信系统分类 串行传输 ：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输 优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用 缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施 其他分类方式： 同步通信和异步通信 专线通信和网通信

1.4 信息及其度量 1.4 信息及其度量 信源 信息是消息的抽象 信息量：信息的多少。是信息的抽象。 不同的内容可以有相同的信息量 天气 概率 4进码 2进码 晴 1/4 00 云 1 01 阴 2 10 雨 3 11 地报 概率 2进码 正常 地震 1

1.4 信息及其度量 信源描述：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi (i = 1, 2, 3, …, M)按一定的概率P(xi)独立出现，即 （概率场） 且有 信息度量 如何度量离散消息中所含的信息量? 【例】 “某天地震”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。

1.4 信息及其度量 度量信息的原则 依概率单调减。消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。 用公式描述为 设P(x) － 事件x发生的概率，即 x–P(x)； Ix － 消息中所含的信息量 Ix是 P(x) 的函数： Ix ＝I [P(x)]，设 ，同理 可加性。收到多个消息所获信息量等于分别收到每个消息所获信息量之和。 若x–P(x)，y–P(y)，且设x，y相互独立，则 若按前述假设 不满足要求 满足上述条件的关系式如下： －信息量的定义

1.4 信息及其度量 满足上述条件的关系式如下： －信息量的定义 有 上式中对数的底： 若a = 2，信息量的单位称为比特(bit) ，可简记为b 若a = e，信息量的单位称为奈特(nat)，若 a = 10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley) 。 由定义容易看出： P(x) = 1时，I ＝ 0； P(x) → 0时，I → ； 等概率情况 【例】 设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，即P(0)=P(1)=1/2；则信源每个输出符号的信息含量为 在工程应用中，习惯把一位二进制码元称作1比特 对于四进制，若等概，P(0)=P(1)=P(2)=P(3)=1/4，则每个符号含 信息。这与前面例子(p.16)相吻合

1.4 信息及其度量 若有M个等概率符号（P = 1/M），且每一个符号的出现是独立的，则传送M进制符号之一的信息量为 若M是2的整幂次，即 M = 2k，则有 当M = 4时，即4进制波形，I = 2比特， 当M = 8时，即8进制波形，I = 3比特。 非等概率情况 收到不同符号，获得不等的信息量。 例如，二进制P(0)=3/4， P(1)=1/4，则

1.4 信息及其度量 设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi (i = 1, 2, 3, …, M)按一定的概率P(xi)独立出现，即 （概率场） 且有 则x1 , x2, x3,…, xM 所包含的信息量分别为 于是，每个符号所含平均信息量为 H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵， 简称信息熵 若M个符号等概， 则

1.4 信息及其度量 此外还有条件熵 若事件X出现xi(i=1,2, …, N)的概率为P(xi)，事件Y出现yj(j=1,2, …, M)的概率为P(yj)，在出现yj的前提下出现xi的条件概率是P(xi| yj)，它表明知道Y或许有助于知道X，在已知Y条件下X仍存在的不确定性—条件自信息量 其平均值称为条件熵 联合熵 X，Y联合出现的平均不确定度称为联合熵 或写作H(X,Y) 上述介绍的是几种熵的定义，不同的熵之间有下列关系

1.4 信息及其度量 二进制信源的熵(在教材中第4章p.80) 设发送“1”的概率P(1) = ， 则发送“0”的概率P(0) ＝ 1－ 当 从0变到1时，信源的熵H()可以写成： 按照上式画出的曲线： 由此图可见，当 ＝ 1/2时， 此信源的熵达到最大值。 这时两个符号的出现概率相等， 其不确定性最大。 图4-21 二进制信源的熵 H()

1.4 信息及其度量 当P(0)=3/4，P(1)=1/4时， 非等概率消息的熵<等概率消息的熵，或 等概率消息有最大熵 例如，对于二进码，当P(0)=P(1)=1/2时，H=1 bit(等概信源的熵)； 当P(0)=3/4，P(1)=1/4时， 非等概率消息的熵<等概率消息的熵，或 等概率消息有最大熵 【例1】 一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息2010201302130012032101000321010023102002010312032100120 210的信息量。 【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量 每个符号的算术平均信息量为

1.4 信息及其度量 若用熵的概念来计算： 则该消息的信息量 以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。 前一种方法按算术平均计算。消息序列中符号出现的频率不等于概率。随着符号数的增加，频率将趋于概率。当符号数很大时，这种方法将无法计算。 后一种方法用熵的概念计算消息的信息量。当符号数很大时，两种方法计算结果趋于一致。用熵的概念计算更加方便可行。

1.4 信息及其度量 连续消息的信息熵 关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为 式中，p(x) － 连续消息出现的概率密度。

1.5 通信系统主要性能指标 1.5 通信系统主要性能指标 通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性 有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。 可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。 模拟通信系统： 有效性：可用信道传输路数或每路信号占用带宽来度量。 可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。

1.5 通信系统主要性能指标 数字通信系统 有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。 码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。 式中T － 码元间隔（或周期，单位：秒） 信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为 b/s ，或bps

1.5 通信系统主要性能指标 码元速率和信息速率的关系 对于M进制符号等概率情形 对于多进制，例如在八进制（M = 8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为3600 b/s。

1.5 通信系统主要性能指标 可靠性：常用误码率和误信率表示。 频带利用率η：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即 或 误码率Pe 误信率Pb，又称误比特率 在二进制中有

1.5 通信系统主要性能指标 【例】某数字传输系统传输4进制数字信号，码元速率是1600Baud，问码元间隔是多少？信息速率是多少？若传输该信号占用1600Hz频带，频带利用率是多少？若传输该信号时，平均在5秒内有1个码元发生误码，误码率是多少？

第1章 绪论 1.6 小结