第十二章 通信技术基础知识优秀课件.ppt

第十二章第十二章 通信技术基通信技术基础知识础知识第1页，本讲稿共53页目录通信系统的质量评价12-4通信系统的模型及其分类12-1通信介质12-2通信的传输方式12-32第2页，本讲稿共53页12-1通信系统的模型及其分类通信系统的模型及其分类通信系统就是传递或交换信息所需的一切技术设备的总和，用以完通信系统就是传递或交换信息所需的一切技术设备的总和，用以完成信息传输过程的技术系统的总称。成信息传输过程的技术系统的总称。12.1.1通信系统模型通信系统模型通信系统一般由以下几部分组成。通信系统一般由以下几部分组成。3信源信源：是发出信息的源。信源可以是离散的数字信源，也可以是连续的模拟信源。为了使原始信源适合于在信道中传输，由发送设备对原始信号完成某种变换，再送人信道。第3页，本讲稿共53页4信宿信宿:是传输信息的归宿点，是将复原的原始信号转换成相应的消息。信道信道:指信号传输的通道，分有线信道、无线信道。噪声源噪声源:是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示，分加性噪声、乘性噪声。整个通信系统的要求就是希望恢复消息与原始发送消息一致，或控制失真在要求的范围之内，这就是可靠性的要求。此外，还希望作为信道的媒介质的利用率高一些。具体到传输媒介就是提高频带利用率；对存储媒介则希望能提高单位存储容量(信息容量)。这就是有效性的要求。第4页，本讲稿共53页12.1.2通信系统的分类通信系统的分类1、按传输媒质分、按传输媒质分一类称为有线通信，另一类称为无线通信。一类称为有线通信，另一类称为无线通信。有线通信，有线通信，是指传输媒质为架空明线、电缆、光缆、波导等形式的通信，是指传输媒质为架空明线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。其特点是媒质能看得见，摸得着。有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信，无线通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质（如电磁波）的一种通信形是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质（如电磁波）的一种通信形式。式。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信等，其形式较多。散射通信和激光通信等，其形式较多。5第5页，本讲稿共53页当电磁波的波长达到光波范围时，这样的电信系统特称为光通信系统当电磁波的波长达到光波范围时，这样的电信系统特称为光通信系统2.按信道中所传信号的特征分按信道中所传信号的特征分按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分为通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统模拟通信系统与数字通信系统。6模模拟拟通信系通信系统统数字通信系数字通信系统统第6页，本讲稿共53页模拟通信系统模拟通信系统-电话通信系统电话通信系统电话通信的特点是通话双方要求实时对话，因而要在一个相对短暂的时间电话通信的特点是通话双方要求实时对话，因而要在一个相对短暂的时间内在双方之间临时接通一条通路，故电话通信系统应具有传输和交换两种内在双方之间临时接通一条通路，故电话通信系统应具有传输和交换两种功能。这种系统通常由用户线路、交换中心、局间中继线和干线等组成。功能。这种系统通常由用户线路、交换中心、局间中继线和干线等组成。数字通信系统数字通信系统就是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统涉及的技术问题就是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统涉及的技术问题很多，很多，其中有信源编码、保密编码、信道编码、数字调制、信道、数字复其中有信源编码、保密编码、信道编码、数字调制、信道、数字复接及多址、数字信息交换、同步问题等。接及多址、数字信息交换、同步问题等。7第7页，本讲稿共53页3按工作频段分按工作频段分按通信设备的工作频率不同，通信系统可分为长波通信、中波按通信设备的工作频率不同，通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。通信、短波通信、微波通信等。8表 1-1 通信频段、常用传输媒质及主要用途频率范围波 长频段名称 常用传输媒介用 途 3Hz 30kHz 10 8 10 4 m 甚低频VLF 有线线对超长波无线电 音频、电话、数据终端、长距离导航、时标 30 300kHz 10 4 10 3 m 低频LF 有线线对长波无线电 导航、信标、电力线通信 300k 3MHz 10 3 10 2 m 中频MF 同轴电缆中波无线电 调幅广播、移动陆地通信、业余无线电 3 30MHz 10 2 10m 高频HF 同轴电缆短波无线电 移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电 30 300MHz 10 lm 甚高频VHF 同轴电缆超短波/米波无线电 电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航、集群通信、无线寻呼 第8页，本讲稿共53页频率范围波 长频段名称 常用传输媒介用 途 300MHz 3GHz 100 10cm 特高频UHF 波导微波/分米波无线电 电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信 3 30GHz l0 lcm 超高频SHF 波导微波/厘米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 30 300GHz 10 lmm 极高频EHF 波导微波/毫米波无线电 雷达、微波接力、射电天文学 10 5 l0 7 GHz 310-4 3l0-6 cm 红外、可见光、紫外 光纤激光空间传播 光通信 9第9页，本讲稿共53页4.按调制方式分按调制方式分根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。制）传输。基带传输是将没有经过调制的信号直接传送，如音频市内电话；基带传输是将没有经过调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对各种信号调制后再送到信道中传输的总称。接收端有相应解频带传输是对各种信号调制后再送到信道中传输的总称。接收端有相应解调措施的通信方式调措施的通信方式10第10页，本讲稿共53页5、按业务的不同分、按业务的不同分按通信业务分，通信系统可分为话务通信和非话务通信。按通信业务分，通信系统可分为话务通信和非话务通信。电话业务在电信领域中一直占主导地位，它属于人与人之间的通信。电话业务在电信领域中一直占主导地位，它属于人与人之间的通信。近年来，非话务通信发展迅速，它主要包括数据传输、计算机通信、电子信箱、近年来，非话务通信发展迅速，它主要包括数据传输、计算机通信、电子信箱、电报、传真、可视图文及会议电视、图像通信等另外从广义的角度来看，广播、电报、传真、可视图文及会议电视、图像通信等另外从广义的角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴，因为它们都满足通信电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴，因为它们都满足通信的定义。的定义。11第11页，本讲稿共53页6.按通信者是否运动分按通信者是否运动分移动通信系统和固定通信系统移动通信系统和固定通信系统另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可分为另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等；按用户类频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信以及按通信对象的位置分为地型可分为公用通信和专用通信以及按通信对象的位置分为地面通信、对空通信、深空通信、水下通信等面通信、对空通信、深空通信、水下通信等12第12页，本讲稿共53页12.2通信介质通信介质传输介质是连接通信设备，为通信设备之间提供信息传输的传输介质是连接通信设备，为通信设备之间提供信息传输的物理通道。物理通道。是信息传输的实际载体。是信息传输的实际载体。很多介质都可以作为通信中使用的传输介质，但这些介质本身有着很多介质都可以作为通信中使用的传输介质，但这些介质本身有着不同的属性，适用于不同的环境条件，同时通信业务本身也会对传输不同的属性，适用于不同的环境条件，同时通信业务本身也会对传输介质的使用提出不同的要求。因此，在实际应用中存在着多种多样的介质的使用提出不同的要求。因此，在实际应用中存在着多种多样的传输介质。以下是两种常见的传输介质：传输介质。以下是两种常见的传输介质：（1）有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号）有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方。从一方传输到另一方。（2）无线传输介质指我们周围得空气、电磁波等。根据电磁波的频谱）无线传输介质指我们周围得空气、电磁波等。根据电磁波的频谱可将其分为无线电波、可将其分为无线电波、微波微波、红外线红外线、激光激光等。等。13第13页，本讲稿共53页1有线传输介质：有线传输介质：有线传输介质主要有有线传输介质主要有双绞线双绞线、同轴电缆同轴电缆和和光纤光纤。双绞线和同轴电缆传输电。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。信号，光纤传输光信号。有线电缆的特点是成本低，安装简单；缺点是频谱有限，而且安装有线电缆的特点是成本低，安装简单；缺点是频谱有限，而且安装后不便移动。电缆时有线通信中，特别是接入网络中最常见的传输后不便移动。电缆时有线通信中，特别是接入网络中最常见的传输介质。介质。14第14页，本讲稿共53页双绞线双绞线把两根把两根绝缘绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中一根导线在传输中辐射辐射的电波会被另一根线上发出的的电波会被另一根线上发出的电波电波抵消。抵消。“双绞线双绞线”的的名字也是由此而来。名字也是由此而来。双绞线分为屏蔽双绞线双绞线分为屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair，STP)与非屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair，UTP)。优点：低成本，易于安装，应用广泛。优点：低成本，易于安装，应用广泛。缺点：带宽有限：信息传输距离短：双绞线的传输距离只能达到缺点：带宽有限：信息传输距离短：双绞线的传输距离只能达到100m左右。左右。抗干扰能力不强：抗干扰能力不强：应用场合：应用场合：窄带窄带ISDN中的基本速率接口中的基本速率接口BRI和基群速率接口和基群速率接口PRI常使用双绞线作为传输常使用双绞线作为传输介质。介质。目前十兆目前十兆/百兆百兆/千兆以太网的主要传输介质都是双绞线，千兆以太网的主要传输介质都是双绞线，15第15页，本讲稿共53页同轴电缆同轴电缆可用频带宽可用频带宽同轴电缆可供传输的频谱宽度最高可达同轴电缆可供传输的频谱宽度最高可达G赫兹，比双绞线更适合于提供视赫兹，比双绞线更适合于提供视频或者宽带接入业务，也可以采用调制和复用技术来支持多信道传输。频或者宽带接入业务，也可以采用调制和复用技术来支持多信道传输。抗干扰能力强：误码率低，但这会受到屏蔽层接地质量的影响。抗干扰能力强：误码率低，但这会受到屏蔽层接地质量的影响。性价比高：虽然同轴电缆的成本要高于双绞线，但是它也有着明显优性价比高：虽然同轴电缆的成本要高于双绞线，但是它也有着明显优于双绞线的传输性能，而且绝对成本并不很高，因此其性能价格比还于双绞线的传输性能，而且绝对成本并不很高，因此其性能价格比还是比较合适的。是比较合适的。16第16页，本讲稿共53页安装比较复杂安装比较复杂双绞线和同轴电缆一样，线缆都是制作好的，我们使用时需要的是截取相双绞线和同轴电缆一样，线缆都是制作好的，我们使用时需要的是截取相应的长度并与相应的连接件相连。在这一环节中，由于同轴电缆的铜导体应的长度并与相应的连接件相连。在这一环节中，由于同轴电缆的铜导体较粗，因此一般需要通过焊接与连接件相连。其安装闭双绞线更为复杂。较粗，因此一般需要通过焊接与连接件相连。其安装闭双绞线更为复杂。同轴电缆的应用同轴电缆的应用同轴电缆以其良好的性能在很多方面得到了应用，有线电视，闭路监控系统、同轴电缆以其良好的性能在很多方面得到了应用，有线电视，闭路监控系统、电信企业的传输部门。电信企业的传输部门。如局域网；电话通信网中局端设备之间的连接；有线电视如局域网；电话通信网中局端设备之间的连接；有线电视CATV系统的信号线（直系统的信号线（直接与用户电视机相连的电视电缆多是采用同轴电缆）；射频信号线（同轴接与用户电视机相连的电视电缆多是采用同轴电缆）；射频信号线（同轴电缆业经常在通信设备中用作射频信号线，例如基站设备中功率放大器与电缆业经常在通信设备中用作射频信号线，例如基站设备中功率放大器与天线之间的连接器。）天线之间的连接器。）17第17页，本讲稿共53页光纤光纤是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。具。在多模光纤中，芯的直径是在多模光纤中，芯的直径是15m50m，大致与人的头发的粗细相当。而单模光大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为纤芯的直径为8m10m。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。以使光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。优点：优点：频带宽：频带宽：采用先进的相干光通信可以在采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排范围内安排2000个光载波，进行波分复用，个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。可以容纳上百万个频道。损耗低损耗低比同轴电缆的功率损耗要小一倍，使其能传输的距离要远得多。比同轴电缆的功率损耗要小一倍，使其能传输的距离要远得多。18第18页，本讲稿共53页重量轻重量轻光纤非常细。用光纤非常细。用448根光纤组成的光缆直径还不到根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆，比标准同轴电缆的直径的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。特点，安装十分方便。抗干扰能力强抗干扰能力强光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响输的光信号不受电磁场的影响保真度高保真度高光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引人新的非线性失真。光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引人新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。工作性能可靠工作性能可靠光纤系统包含的设备数量少光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，也就高，加上光纤设备的寿命都很长，成本不断下降成本不断下降19第19页，本讲稿共53页12.3通信的传输方式通信的传输方式按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。及全双工通信三种。单工通信单工通信是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。这里，信号（消息）只从单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。这里，信号（消息）只从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和BP机上。机上。20发端信道收端单工方式传输是只能单方向传输的通信方式第20页，本讲稿共53页半双工通信方式，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收半双工通信方式，是指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。和发的工作方式。21半双工方式是通信双方可以收发消息，但不能同时收和发的工作方式终端A终端B信道发收发收终端A终端B信道发收发收第21页，本讲稿共53页所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。式。在这种方式下，双方都可同时进行收发消息。很明显，全双工通信的在这种方式下，双方都可同时进行收发消息。很明显，全双工通信的信道必须是双向信道。信道必须是双向信道。生活中全双工通信的例子非常多，如普通电话、手机等生活中全双工通信的例子非常多，如普通电话、手机等22终端A终端B发收发收信道1信道2全双工是通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式第22页，本讲稿共53页串行传输串行传输将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行，在一条传输线路上一位将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行，在一条传输线路上一位一位地传输的方式称为串行传输方式。在信道中一个码元一个码元地依次一位地传输的方式称为串行传输方式。在信道中一个码元一个码元地依次传递时速度慢、成本低，通信距离长时用此方式，传递时速度慢、成本低，通信距离长时用此方式，23第23页，本讲稿共53页并行传输并行传输构成一个编码的所有码元都同时传输为并行传输。并行传输速度快、构成一个编码的所有码元都同时传输为并行传输。并行传输速度快、成本高，适用短距离通信，如计算机与外设成本高，适用短距离通信，如计算机与外设(打印机等打印机等)通信，通信，24第24页，本讲稿共53页异步传输异步传输异步传输利用起止法来达到收发同步的目的。每次只能传送一个字异步传输利用起止法来达到收发同步的目的。每次只能传送一个字符，用起始位和停止位来指示传输字符的开始和结束。符，用起始位和停止位来指示传输字符的开始和结束。同步传输同步传输同步传输不是以一个字符而是以一个数据块进行信息传输的。在数据块前同步传输不是以一个字符而是以一个数据块进行信息传输的。在数据块前后各加一个前文和后文表示开始和结束。后各加一个前文和后文表示开始和结束。25第25页，本讲稿共53页12-4通信系统的质量评价通信系统的质量评价12.4.1码元码元在数字通信中数据是以某种编码的形式存在的。在数字通信中数据是以某种编码的形式存在的。表示一个数据单元的编码被称为表示一个数据单元的编码被称为码字码字(也称为字符也称为字符)；码字由码元；码字由码元(也称为符号也称为符号)构成；构成；码元码元是指任何进制数据中每一位数据的长度。由是指任何进制数据中每一位数据的长度。由二进制代码二进制代码(0或或1)组组成成(也可以是多进制代码也可以是多进制代码)。二进制代码也称为二进制码元。二进制代码也称为二进制码元。三者的关系如图所示。三者的关系如图所示。26第26页，本讲稿共53页12.4.2数字信号波形与码元、电平之间的关系数字信号波形与码元、电平之间的关系数据信息常常用数字序列来表示，尤其是用二进制数字序数据信息常常用数字序列来表示，尤其是用二进制数字序列来表示。这些二进制数字序列，当然还有多进制数字序列，列来表示。这些二进制数字序列，当然还有多进制数字序列，映射到传输线路中就是一个个信号波形。映射到传输线路中就是一个个信号波形。码字对应着数字序列，码元是构成码字的单位，而二进制代码就是码字对应着数字序列，码元是构成码字的单位，而二进制代码就是这些这些“码字码字”与计算机或其他智能通信设备进行交流的语言。与计算机或其他智能通信设备进行交流的语言。27第27页，本讲稿共53页数字信号可以用不同的脉冲波形表示。图给出了几种脉冲波形。数字信号可以用不同的脉冲波形表示。图给出了几种脉冲波形。28（a）在一个码元持续时间T内电平维持不变，用高电平代表二进制代码“1”，低电平代表二进制代码“0”。（b）用正电位代表二进制代码“1，负电位表示二进制代码“0，正幅度和负幅度相等，所以称为双极性码。（c）当发送1码时，送出正电流，但是时间短于一个码元的时间，即发个窄脉冲；发0码时，不发脉冲。这样发1码时有一部分的时间没有脉冲，幅度是零。所以这种码称为单极性归零码。（d）其由1码发一个正的窄脉冲，0码发一个负的窄脉冲，两个码元的间隔时间可以大于一个码的窄脉冲宽度。第28页，本讲稿共53页（a）和（）和（b）是在另一码元全部时间内发出或不发出电流，或）是在另一码元全部时间内发出或不发出电流，或者全部码元时间内发出正电流或负电流。这两种显然属于全者全部码元时间内发出正电流或负电流。这两种显然属于全宽码，即每一码元占用全部码元宽度，重复发送宽码，即每一码元占用全部码元宽度，重复发送1码，势必连码，势必连续发送正电流续发送正电流;重复发送重复发送0码，势必连续没有发送电流或连续发送负码，势必连续没有发送电流或连续发送负电流，这一位码和下一位码之间没有间隔，不易互相识别。电流，这一位码和下一位码之间没有间隔，不易互相识别。29第29页，本讲稿共53页多电平信号多电平信号二进制的数据信号中，每个码元二进制的数据信号中，每个码元(或符号或符号)只有二种状态。只有二种状态。如果采用多进制传输，如四进制如果采用多进制传输，如四进制(电平电平)，那么每个码元有，那么每个码元有4种状态，每种状态，每码元信息量为二进制的一倍，所以采用多电平传输，可以在相同码元速率码元信息量为二进制的一倍，所以采用多电平传输，可以在相同码元速率(码元周期相同码元周期相同)下提高比特率。下提高比特率。例如，四进制码由例如，四进制码由4个不同电平值表示。这个不同电平值表示。这4个不同电平值可以是个不同电平值可以是0、1，2，3或或-3、-1、1、3等等。等等。图图(a)、(b)分别画出了两种四进制码的波形。分别画出了两种四进制码的波形。30(a)正电平;(b)正、负电平第30页，本讲稿共53页二进制码与多进制码之间可以相互转换，例如，四进制码与二进制码与多进制码之间可以相互转换，例如，四进制码与二进制码的转换。表二进制码的转换。表2.2示出了四进制和二进制码元的对应关系。示出了四进制和二进制码元的对应关系。实际中许多数字通信系统常常采用多进制数字调制，这是因为实际中许多数字通信系统常常采用多进制数字调制，这是因为多进制数字调制增大了码元宽度，增加了码元的能量，减小了多进制数字调制增大了码元宽度，增加了码元的能量，减小了信道特性引起的码间干扰的影响。信道特性引起的码间干扰的影响。31四进制二进制000101210311第31页，本讲稿共53页2)波形中的电平、码元中的状态及进制波形中的电平、码元中的状态及进制波形由不同的电平表示，波形由不同的电平表示，电平是对波形电平是对波形“等级等级”的描述，同属一种波形，有的描述，同属一种波形，有+3V,+1V,-1V,-3V的的“等级等级”区别。区别。码元由不同的状态表示。码元由不同的状态表示。状态是对码元数量的描述，一种码元有状态是对码元数量的描述，一种码元有状态。状态。进制是用进制形式对波形电平或码元状态的表述。进制是用进制形式对波形电平或码元状态的表述。在数字通信领域，常用的进制或者是二进制本身，或者是以二进制为基础实现在数字通信领域，常用的进制或者是二进制本身，或者是以二进制为基础实现的。的。例如例如:四进制四进制(4=22)，八进制，八进制(8=23),64进制进制(64=26)。其他数字进制。其他数字进制(如如3进制，进制，5进制进制)用的较少。用的较少。32第32页，本讲稿共53页12.4.3信息的度量信息的度量(1)消息消息是一组有序符号序列（包括状态、字母、数字等）消息消息是一组有序符号序列（包括状态、字母、数字等）或连续时间函数，如语音、图像等。前者称为离散消息，后者或连续时间函数，如语音、图像等。前者称为离散消息，后者称为连续消息。称为连续消息。(2)信息信息是抽象的消息，一般用数据来表示。信息信息是抽象的消息，一般用数据来表示。“信息信息”一词在概念上与一词在概念上与“消息消息”的意义相近，但它的含义却更普的意义相近，但它的含义却更普遍化、抽象化。信息可被理解为消息中包含的有意义的内容。每一遍化、抽象化。信息可被理解为消息中包含的有意义的内容。每一个消息都传递了一些信息，但某些消息比另外一些消息传递了更多个消息都传递了一些信息，但某些消息比另外一些消息传递了更多的信息。于是就有如何度量消息中包含多少信息的问题，也即信息的信息。于是就有如何度量消息中包含多少信息的问题，也即信息的度量问题。的度量问题。33第33页，本讲稿共53页举例说明：举例说明：如果甲告诉乙消息如果甲告诉乙消息A:明天可能比今天热明天可能比今天热。乙会不以为然，因为消息。乙会不以为然，因为消息A很可能发生。如果甲告诉乙消息很可能发生。如果甲告诉乙消息B：“明天气温接近明天气温接近65。C”。乙会大为吃惊，。乙会大为吃惊，因为消息因为消息B几乎不可能发生。使乙几乎不可能发生。使乙“不以为然不以为然”和和“大吃一惊大吃一惊”的原因是前者属的原因是前者属于老生常谈，没什么新的信息；而后者是违背常规的，在乙以往储备的信息中于老生常谈，没什么新的信息；而后者是违背常规的，在乙以往储备的信息中完全没有这种认识，是全新的信息。从此事例可以看出，事件越不可能，越使完全没有这种认识，是全新的信息。从此事例可以看出，事件越不可能，越使人感到意外和惊奇，信息量就越大。人感到意外和惊奇，信息量就越大。概率论告诉我们，事件的不确定程度，可以用其出现的概率来描述。概率论告诉我们，事件的不确定程度，可以用其出现的概率来描述。亦即事件出现的可能性越小，则概率就越小，概率性小即不确定性大；亦即事件出现的可能性越小，则概率就越小，概率性小即不确定性大；反之，则概率就越大。反之，则概率就越大。由若干个独立事件构成的消息，那么这时得到的总的信息量就是若干个独由若干个独立事件构成的消息，那么这时得到的总的信息量就是若干个独立事件的信息量的总和立事件的信息量的总和。34第34页，本讲稿共53页为了计算信息量，消息中所含的信息量为了计算信息量，消息中所含的信息量I 与消息与消息x 出现的概率出现的概率间间的关系式应能反映如下规律。的关系式应能反映如下规律。(1)消息中所含的信息量消息中所含的信息量I是出现该消息的概率是出现该消息的概率的函数，即的函数，即(2)消息的出现概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，消息的出现概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当且当时，时，(3)若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即和，即35第35页，本讲稿共53页不难看出，若不难看出，若I与与之间遵从如下关系：之间遵从如下关系：如果取对数的底如果取对数的底，则信息量的单位为比特，则信息量的单位为比特(bit)。二进制数字信号中，每个码元所含信息量为二进制数字信号中，每个码元所含信息量为36用二进制代码，即一个“0”或“1，(用电路实现就是有波形或无波形)传送两个等概率消息中的任何一个，最少需要1个二进制代码，每一个二进制代码所包含的信息量定义为1比特。第36页，本讲稿共53页四进制数字信号中，每个码元所含信息量为四进制数字信号中，每个码元所含信息量为八进制信号中，每个码元所含信息量为八进制信号中，每个码元所含信息量为37传送4个消息之一。如果这些消息由二进制代码(波形)来传送，则每个消息需要由2个二进制代码组成的二进制码组来表示。每个二进制代码能取两种状态(0或1)，因此，2个代码的码组能构成4个不同的波形图样分别表示4个消息。第37页，本讲稿共53页12.4.4通信系统有效指标的计算及概念通信系统有效指标的计算及概念1码元传输速率码元传输速率码元传输速率指数字通信系统单位时间码元传输速率指数字通信系统单位时间(每秒每秒)内传输的码元内传输的码元(符号符号)个个数。数。其单位为波特其单位为波特(Baud)，常用符号，常用符号“B”表示。表示。码元传输速率仅仅表征单位时间内传输的码元数目，而没有限定码元码元传输速率仅仅表征单位时间内传输的码元数目，而没有限定码元是何种进制的，即码元可以是多进制的，也可以是二进制的。是何种进制的，即码元可以是多进制的，也可以是二进制的。码元传输速率为码元传输速率为是码元宽度，是码元宽度，单位为波特，单位为波特，。也称数码脉冲也称数码脉冲38第38页，本讲稿共53页【例【例12-1】系统】系统2s内共传送内共传送4800个码元，则系统码元传输速率为个码元，则系统码元传输速率为多少多少?码元传输速率码元传输速率是二进制传码率，是二进制传码率，是是N进制传码率。进制传码率。当当与与在各自的码元宽度在各自的码元宽度不一样的前提下，它们之间不一样的前提下，它们之间有如下转换关系：有如下转换关系：当当与与在各自的码元宽度在各自的码元宽度一样的前提下，它们之间有一样的前提下，它们之间有如下转换关系：如下转换关系：39第39页，本讲稿共53页2信息传输速率信息传输速率信息传输速率简称传信率，又称信息速率或信息传输速率简称传信率，又称信息速率或比特率比特率，。它表示单位时间。它表示单位时间(每每秒秒)内传送数据信息的数量，单位为内传送数据信息的数量，单位为bit/s，可记为，可记为“b/s”或或“bps。其中，其中，N为符号的进制数。为符号的进制数。，传输二进制信息时，传输速率和码元传输速率是一致的，记为传输二进制信息时，传输速率和码元传输速率是一致的，记为40【12-2】某信源1s内传递1200个符号，且每个符号的信息量为1 bit，则该信源的传信率 第40页，本讲稿共53页【例【例12-3】已知二进制系统在】已知二进制系统在2min内共传递了内共传递了7200个码元，求：个码元，求：码元速率码元速率和信息速率和信息速率各为多少？各为多少？如果码元宽度不变如果码元宽度不变(即码元速率不变即码元速率不变)，但改为八进制数字信，但改为八进制数字信号，则码元速率号，则码元速率为多少？信息速率为多少？信息速率为多少？为多少？解：解：41第41页，本讲稿共53页若改为八进制系统，则若改为八进制系统，则此例说明系统此例说明系统不变，对不同进制信号传输的信息量不一样。不变，对不同进制信号传输的信息量不一样。42第42页，本讲稿共53页3（平均）误码率（平均）误码率数据传输系统的基本可靠性指标是平均误码率，它是衡量数字通信系数据传输系统的基本可靠性指标是平均误码率，它是衡量数字通信系统在正常工作情况下可靠性的主要指标。误码率通常以二进制码元统在正常工作情况下可靠性的主要指标。误码率通常以二进制码元(二二进制代码进制代码)作为计算的基准。作为计算的基准。误码率定义误码率定义为：接收端收到的二进制码元中发生错误的码元个数为：接收端收到的二进制码元中发生错误的码元个数(ne)与发送端已发送的总码元个数与发送端已发送的总码元个数(n)之比。之比。如果实际系统传输的不是二进制码元，须折合成二进制码元来计算。如果实际系统传输的不是二进制码元，须折合成二进制码元来计算。误码率一般记为误码率一般记为Pe，即，即43这个指标应当是较长时间、多次统计结果的平均值，因而是平均误码率。误码率只代表传输错误的概率，并不是实践中任何时候都可能出现的错误码元比率。第43页，本讲稿共53页【例【例12-4】已知八进制数字通信系统的信息速率】已知八进制数字通信系统的信息速率为为12kbit/s，在接收端在接收端30min内共测得出现内共测得出现216个错误码元，试求系统的误码个错误码元，试求系统的误码率率.解：解：44根据公式根据公式第44页，本讲稿共53页4、误比特率、误比特率误比特率用误比特率用表示表示Pb，即，即5.频带利用率频带利用率在比较不同通信系统的效率时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样在比较不同通信系统的效率时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的频带宽度。的传输速率下所占的频带宽度。通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力越大。所以，真正用来衡量数字通通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力越大。所以，真正用来衡量数字通信系统传输效率信系统传输效率(有效性有效性)的指标应当是单位频带内的传输速率，即的指标应当是单位频带内的传输速率，即45第45页，本讲稿共53页或或其中，其中，是系统码元速率，是系统码元速率，是系统信息速率。是系统信息速率。46第46页，本讲稿共53页6信噪比信噪比（1）噪声噪声信道上是有噪声的。信道里的高斯白噪声、突发噪声、衰减失真等都会造成信道上是有噪声的。信道里的高斯白噪声、突发噪声、衰减失真等都会造成对信道上传输的信号产生影响，使信号丢失或者误码。对信道上传输的信号产生影响，使信号丢失或者误码。一般将噪声大致分为自然噪声、人为噪声和电路噪声。一般将噪声大致分为自然噪声、人为噪声和电路噪声。人为噪声指电气设备、内燃机引擎等产生的噪声。人为噪声指电气设备、内燃机引擎等产生的噪声。自然噪声是指宇宙噪声和大气噪声，宇宙噪声和大气噪声通常是经过接收天线自然噪声是指宇宙噪声和大气噪声，宇宙噪声和大气噪声通常是经过接收天线进入系统的。进入系统的。电路噪声，即通常所说的热噪声和散粒噪声。热噪声是由导体中的自由电子随机运动电路噪声，即通常所说的热噪声和散粒噪声。热噪声是由导体中的自由电子随机运动产生的，散粒噪声是由电子器件中电子的随机扩散和发射产生的。电路噪声是不能消产生的，散粒噪声是由电子器件中电子的随机扩散和发射产生的。电路噪声是不能消除的。除的。47第47页，本讲稿共53页以上各种噪声源产生的随机噪声在直到以上各种噪声源产生的随机噪声在直到Hz的很宽频率范围内都有均匀功率分的很宽频率范围内都有均匀功率分布布(超过此频率则按量子理论的规律衰减超过此频率则按量子理论的规律衰减)。这样的噪声一般被称为。这样的噪声一般被称为白噪声白噪声(之所以称其为白噪声，是因为它类似于光学中包含了全部可见之所以称其为白噪声，是因为它类似于光学中包含了全部可见光光谱的白色光光光谱的白色光)。白噪声白噪声n(t)的功率谱密度的功率谱密度在在(-，)的整个频率范围内都是均匀的整个频率范围内都是均匀分布的。分布的。48 为单边功率谱密度，单位为瓦/赫（W/Hz）由于通信电路一般是限带的，所以更实际的应用时白噪声通过限定带宽的滤波器由于通信电路一般是限带的，所以更实际的应用时白噪声通过限定带宽的滤波器后的噪声。限带滤波器输出噪声被称为限带白噪声或有色噪声。后的噪声。限带滤波器输出噪声被称为限带白噪声或有色噪声。第48页，本讲稿共53页当噪声的任意当噪声的任意n维概率分布服从高斯分布时，这类噪声被称为维概率分布服从高斯分布时，这类噪声被称为高斯噪声高斯噪声。热噪声和散粒噪声的任意热噪声和散粒噪声的任意n维概率分布都服从高斯分布，因此，都属于高斯噪声。维概率分布都服从高斯分布，因此，都属于高斯噪声。（2）信噪比）信噪比在有噪声的情况下，带宽增加就不一定相应的增加传输速率，因为带在有噪声的情况下，带宽增加就不一定相应的增加传输速率，因为带宽越高，由于频带的展宽，相应的高斯白噪声也会增多，对数据的影宽越高，由于频带的展宽，相应的高斯白噪声也会增多，对数据的影响也会相应增加。用信噪比响也会相应增加。用信噪比SNR(sinal-to-NoiseRatio)来衡量信号功率相对来衡量信号功率相对噪声功率的强度。噪声功率的强度。定义定义：SNR为信道输出的信号功率为信道输出的信号功率S与输出高斯白噪声功率与输出高斯白噪声功率N的比值的比值49第49页，本讲稿共53页7、信道及其信道容量、信道及其信道容量信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信道容量的单位信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信道容量的单位是比特是比特/秒秒(b/s)，即信道的最大比特率。，即信道的最大比特率。模拟信道的信道容量可以根据香农公式计算。香农模拟信道的信道容量可以根据香农公式计算。香农(Shannon)公式指出：在信公式指出：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率号平均功率受限的