现代通信原理及应用课件.ppt

通 信 原 理 天津理工大学 童峥嵘内容提要希望希望 目标目标先修课程先修课程主要内容简介主要内容简介教材及参考书教材及参考书一些建议一些建议考核考核希望目标作为教师作为教师 认真备课、尽职尽责、任劳任怨；认真备课、尽职尽责、任劳任怨；教学相长，真诚交流，教的过程也是教师教学相长，真诚交流，教的过程也是教师学的过程；学的过程；作为同学们作为同学们 快乐学习、自主学习、创新学习；快乐学习、自主学习、创新学习；勤奋、刻苦、合作、探索；勤奋、刻苦、合作、探索；希望目标共同目标共同目标 互相尊重、求同存异；互相尊重、求同存异；互相理解、配合互相理解、配合默契；默契；互相学习、共同提高；互相学习、共同提高；分享人类创造的精神财富；分享人类创造的精神财富；自由地从事创造性的活动；自由地从事创造性的活动；先修课程先修课程高等数学高等数学概率论与随机过程概率论与随机过程信号与系统信号与系统随机信号分析随机信号分析模拟电子线路模拟电子线路数字电子线路数字电子线路高频电子线路高频电子线路考核考核统考笔试：统考笔试：70%70%实验：实验：10%10%出勤及作业出勤及作业:10%:10%期中考试：期中考试：10%10%一些建议一些建议上课时积极思考上课时积极思考理解概念理解概念知道物理含义及其关系知道物理含义及其关系注意假设和条件注意假设和条件阅读参考资料阅读参考资料方法比结果更重要方法比结果更重要多做习题多做习题学会使用仿真工具（学会使用仿真工具（matlab,matlab,systemviewsystemview）上课规则上课规则请关闭手机或其它发声的工具请关闭手机或其它发声的工具请按时出勤请按时出勤请保证课堂纪律请保证课堂纪律请独立完成作业请独立完成作业主要内容主要内容信号分析信道模拟调制系统模拟信号的数字化基带传输系统数字调制系统数字信号的接收信道复用和多址方式同步原理差错控制编码通信网教材及参考书目教材及参考书目教材：教材：苗长云等编著苗长云等编著.现代通信原理及应用现代通信原理及应用.北京：北京：电子工业出版社电子工业出版社参考书：参考书：沈保锁等编著沈保锁等编著.现代通信原理现代通信原理.北京：国防北京：国防工业出版社工业出版社樊昌信等编樊昌信等编.通信原理通信原理.北京：国防工业出北京：国防工业出版社版社 1.1 1.1 通信的概念及系统模型通信的概念及系统模型1.2 1.2 通信的发展过程通信的发展过程1.3 1.3 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 1.5 1.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 第第 1 1 章章 绪论绪论本章重点本章重点 平均信息量的计算平均信息量的计算 传码率、传信率、误码率、误信率的传码率、传信率、误码率、误信率的计算计算一、通信的定义一、通信的定义 1.1.通信通信:1.1.1 1.1.1 通信的概念通信的概念 从一地向另一地传递消息，即从一地向另一地传递消息，即消息的消息的传递过程传递过程。（是一种协议。）（是一种协议。）注：本书所讲的通信为电通信，简称注：本书所讲的通信为电通信，简称“通信通信”2.2.信道信道:由于通信双方之间的距离客观存在由于通信双方之间的距离客观存在,必须必须在两地之间建立信息传递的通道在两地之间建立信息传递的通道.这种有形或这种有形或无形的无形的用于传递信息的通道用于传递信息的通道称为信道称为信道.我们一方面要研究信道我们一方面要研究信道,同时还要寻找能同时还要寻找能适合在信道中传输的信息载体适合在信道中传输的信息载体,也就是信号也就是信号.3.3.信号信号:1.1.1 1.1.1 通信的概念通信的概念1.1.2 1.1.2 通信系统模型通信系统模型通信的目的是传输消息。通信的目的是传输消息。实现消息传递所需的一切设备和传实现消息传递所需的一切设备和传输媒质的总和称为输媒质的总和称为通信系统通信系统。基于点与点之间的通信系统的一般基于点与点之间的通信系统的一般模型可用下图来描述。模型可用下图来描述。信源发送设备信道接收设备信宿干扰源返回通信系统的一般模型通信系统的一般模型定义定义产生消息的来源。产生消息的来源。作用作用把各种消息转换成原始电信号。把各种消息转换成原始电信号。举例举例电话机、摄像机、计算机等。电话机、摄像机、计算机等。分类分类模拟信源、数字信源模拟信源、数字信源返回信源信源信源发送设备信道接收设备信宿干扰源信信源源产产生生的的消消息息信信号号变变换换成成适适合合在在信信道道中中传传输输的的信信号号使使信信源源和和信信道道匹匹配配。发发送送设设备备的的变变换换方方式式是是多多种种多多样样的的，在在需需要要频频谱谱搬搬移移的的场场合合，调调制制是是最最常常见见的的变变换换方方式式。对对数数字字通通信信系系统统，发发送送设设备备常常常常又又包包括括编编码器与调制器。码器与调制器。返回发送设备发送设备信源发送设备信道接收设备信宿干扰源信道是指传输信号的物理媒质。信道是指传输信号的物理媒质。无线信道中，信道可以是大气（自由空间）。无线信道中，信道可以是大气（自由空间）。有线信道中，信道可以是明线、有线信道中，信道可以是明线、电缆或光电缆或光纤。纤。第第4 4章讨论信道。章讨论信道。返回信道信道信源发送设备信道接收设备信宿干扰源功功能能是是完完成成发发送送设设备备的的反反变变换换，即即进进行行解解调调、译码、解码等。译码、解码等。它它的的任任务务是是从从带带有有干干扰扰的的接接收收信信号号中中正正确确恢恢复复出出相相应应的的原原始始基基带带信信号号来来，对对于于多多路路复复用用信信号号，还还包括解除多路复用，实现正确分路。包括解除多路复用，实现正确分路。返回接收设备接收设备信源发送设备信道接收设备信宿干扰源信信宿宿是是传传输输信信息息的的归归宿宿点点，其其作作用用是是将将复原的原始信号转换成相应的消息复原的原始信号转换成相应的消息。返回信宿信宿信源发送设备信道接收设备信宿干扰源干扰源是通信系统中各种设备以及信道中所固有干扰源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。干扰的来源是多样的，并且是人们所不希望的。干扰的来源是多样的，它可分为内部干扰和外部干扰，而且外部干的，它可分为内部干扰和外部干扰，而且外部干扰往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，扰往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象加入到把干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象加入到信道。信道。返回干扰源干扰源信源发送设备信道接收设备信宿干扰源1.1.3 1.1.3 模拟通信模型和数字通信模模拟通信模型和数字通信模型型信信源分为两大类：源分为两大类：连续信源、离散信源连续信源、离散信源连续信源消息是通过模拟信号来传递的；连续信源消息是通过模拟信号来传递的；离散信源消息是通过数字信号来传递的。离散信源消息是通过数字信号来传递的。传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统；传输数字信号的通信系统称为数字通统；传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。信系统。一、模拟通信系统模型一、模拟通信系统模型信信源源发发出出的的是是基基带带信信号号，具具有有频频率率很很低低的的频频谱谱分分量量，一一般般不不宜宜直直接接传传输输。把把基基带带信信号号变变换换成成其其频频带带适适合合在在信信道道中中传传输输的的信信号号，并并可可在在接接收收端端进进行行反反变变换换，是是用用调调制制器器和和解调器实现的。解调器实现的。模模拟拟通通信信系系统统模模型型中中的的发发送送设设备备和和接接收收设设备主要是调制器和解调器备主要是调制器和解调器。模拟信源调制器信道解调器模拟信宿干扰源一、模拟通信系统模型一、模拟通信系统模型二、数字通信系统模型二、数字通信系统模型 信道中传输数字信号的系统称为数信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统字通信系统.数字通信系统主要的三种通信模式数字通信系统主要的三种通信模式:1.1.数字基带传输通信系统数字基带传输通信系统 2.2.数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统 3.3.模拟信号数字化传输通信系模拟信号数字化传输通信系统统二、数字通信系统模型二、数字通信系统模型数字信源信道发生器基带波形接收滤波器信宿干扰源1.1.数字基带传输通信系统数字基带传输通信系统 取样判决cpcp 数字信源信道干扰源编码器调制器解调器解密器信宿二、数字通信系统模型二、数字通信系统模型2.2.数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统 加密器译码器二、数字通信系统模型二、数字通信系统模型3.3.模拟信号数字化传输通信系统模拟信号数字化传输通信系统 在日常生活中大部分信号为模拟信号在日常生活中大部分信号为模拟信号,实实现模拟信号在数字系统中的传输则必须发端现模拟信号在数字系统中的传输则必须发端进行进行A/DA/D，收端进行，收端进行D/AD/A 1 1）加密与解密加密与解密 在在需需要要实实现现保保密密通通信信的的场场合合，为为了了保保证证所所传传信信息息的的安安全全，人人为为将将被被传传输输的的数数字字序序列列扰扰乱乱，即即加加上上密密码码，这这种种处处理理过过程程叫叫加加密密。在在接接收收端端利利用用与与发发送送端端相相同同的的密密码码复复制制品品对对收收到到的的数数字字序序列列进进行行解解密密，恢恢复复原来信息，叫解密。原来信息，叫解密。返回 2)2)信信源源编编码码与与译译码码 信源编码的作用信源编码的作用：设设法法减减少少码码元元数数目目和和降降低低码码元元速速率率，即即通通常常所所说说的的数数据据压压缩缩。码码元元速速率率将将直直接接影影响响传传输输所所占占的的带带宽宽，而而传传输输带带宽宽又又直直接接反反映映了通信的有效性。了通信的有效性。信信息息源源给给出出的的是是模模拟拟语语音音信信号号时时，信信源源编编码码器器将将其其转转换换成成数数字字信信号号，以以实实现现模模拟拟信信号的数字化传输。号的数字化传输。返回3 3）信道编码与译码信道编码与译码 为为了了减减少少差差错错，信信道道编编码码器器对对传传输输的的信信息息码码元元按按一一定定的的规规则则加加入入保保护护成成分分（监监督督元元），组组成成所所谓谓“抗抗干干扰扰编编码码”。接接收收端端的的信信道道译译码码器器按按一一定定规规则则进进行行解解码码，从从解解码码过过程程中中发发现现错错误误或或纠纠正正错错误误，从从而而提提高高通通信信系系统抗干扰能力，实现可靠通信统抗干扰能力，实现可靠通信。返回4 4）数字调制与解调数字调制与解调数数字字调调制制就就是是把把数数字字基基带带信信号号的的频频谱谱搬搬移移到到载载频频处，形成适合在信道中传输的频带信号。处，形成适合在信道中传输的频带信号。基基本本的的数数字字调调制制方方式式有有振振幅幅键键控控ASKASK、频频移移键键控控FSKFSK、绝绝对对相相移移键键控控PSKPSK、相相对对（差差分分）相相移移键键控控DPSKDPSK。对对这这些些信信号号可可以以采采用用相相干干解解调调或或非非相相干干解解调调还还原原为数字基带信号。为数字基带信号。数字调制是本课程的重点内容之一。数字调制是本课程的重点内容之一。返回5 5）同步与数字复接同步与数字复接同同步步是是使使收收、发发两两端端的的信信号号在在时时间间上上保保持持步步调调一一致。致。按按照照同同步步的的功功用用不不同同，可可分分为为载载波波同同步步、位位同同步步、群同步和网同步。群同步和网同步。数数字字复复接接就就是是依依据据时时分分复复用用基基本本原原理理把把若若干干个个低低速速数数字字信信号号合合并并成成一一个个高高速速的的数数字字信信号号，以以扩扩大大传输容量和提高传输效率。传输容量和提高传输效率。返回说明说明实实际际的的数数字字通通信信系系统统不不一一定定包包括括图图中中的的所所有环节。有环节。数数字字信信号号也也可可以以在在模模拟拟通通信信系系统统中中传传输输，如如通通过过模模拟拟电电话话线线路路传传输输数数据据，但但这这时时要要用用调调制制解解调调器器（ModemModem）将将数数字字基基带带信信号号进进行正弦调制。行正弦调制。三、数字通信的主要特点三、数字通信的主要特点1.1.数字通信的主要优点数字通信的主要优点(1)(1)抗噪声性能好抗噪声性能好:信号的取值只有两个信号的取值只有两个,容易判别和处理容易判别和处理;(2)(2)差错可控差错可控:通信中出现的差错可通过纠错编码技术来通信中出现的差错可通过纠错编码技术来控制控制;(3)(3)保密性好保密性好:与模拟信号相比更容易加密和解密与模拟信号相比更容易加密和解密;(4)(4)易于与现代技术相结合；目前的终端接口均是数字信易于与现代技术相结合；目前的终端接口均是数字信号号;(5)(5)采用数字集成电路，体积小、可靠性高、调试方便采用数字集成电路，体积小、可靠性高、调试方便。2.2.数字通信的主要缺点数字通信的主要缺点占占据据宽宽的的系系统统频频带带，因因此此数数字字通通信信的的频频带带利利用用率率不高。不高。数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。不不过过，随随着着光光纤纤等等的的采采用用、窄窄带带调调制制技技术术和和超超大大规规模模集集成成电电路路的的发发展展，数数字字通通信信的的这这些些缺缺点点已已经弱化。数字通信将占主导地位。经弱化。数字通信将占主导地位。返回1.2 1.2 通信的发展过程通信的发展过程 1 1.2.1.2.1 通信发展简史通信发展简史 1.1.通信的萌芽通信的萌芽 古代战场的古代战场的“点烽火为号点烽火为号”可能是最原始的数字通可能是最原始的数字通信，信，此外古代航海中使用的旗语也可以认为是数字通信的萌此外古代航海中使用的旗语也可以认为是数字通信的萌芽。芽。2.通信发展的三个阶段 借助电信号实现从一地向另一地进行消息传递的通借助电信号实现从一地向另一地进行消息传递的通信（电信）的历史可追溯到信（电信）的历史可追溯到1717世纪初期，从世纪初期，从1600160017501750年研年研究电磁现象开始到究电磁现象开始到1919世纪世纪4040年代，为通信理论基础准备阶段。年代，为通信理论基础准备阶段。从从1919世纪世纪4040年代开始通信才进入实用阶段。年代开始通信才进入实用阶段。实用阶段大致可实用阶段大致可划分为三个阶段。划分为三个阶段。（1 1）通信的初级阶段。通信的初级阶段。从从18381838年摩尔斯发明有线电报年摩尔斯发明有线电报到到19481948年香农提出信息论共年香农提出信息论共110110年，主要是有线通信、无线通年，主要是有线通信、无线通信、广播电视、雷达和微波通信等方面的发展，此阶段以模信、广播电视、雷达和微波通信等方面的发展，此阶段以模拟通信为主。拟通信为主。THANK YOUSUCCESS2023/2/139可编辑可编辑1.2.1 1.2.1 通信发展简通信发展简史史 （2 2）近近代代通通信信阶阶段段。从从19481948年年到到2020世世纪纪8080年年代代光光纤纤通通信信系系统统等等投投入入使使用用共共3030多多年年，主主要要是是通通信信统统计计理理论论、数数字字传传输输理理论论及及技技术术、彩彩色色电电视视、卫卫星星通通信信等等方方面面的的发发展展,此此阶阶段段模模拟拟通通信信用用于于普普通通产产品品，数数字字通通信信用用于于高高端端产产品品。（3 3）现现代代通通信信阶阶段段。2020世世纪纪8080年年代代商商用用通通信信卫卫星星、程程控控数数字字交交换换机机、光光纤纤通通信信系系统统等等陆陆续续投投入入使使用用至至今今共共2020多多年年,主主要要是是卫卫星星通通信信、光光纤纤通通信信、移移动动通通信信、多多媒媒体体通信等方面的发展，数字通信进入寻常百姓家庭。通信等方面的发展，数字通信进入寻常百姓家庭。3.3.通信技术发展史上的重大事件通信技术发展史上的重大事件 从从18381838年年到到2020世世纪纪8080年年代代通通信信发发展展上上的的重重大大事事件件参参考考P4.P4.1.2.2 1.2.2 通信技术的现状和发展趋势通信技术的现状和发展趋势 1.1.光纤通信光纤通信 光光纤纤通通信信具具有有容容量量大大、成成本本低低、保保密密性性好好等等优优点点，且且不不怕怕电电磁磁干干扰扰，与与同同轴轴电电缆缆相相比比可可以以大大量量节节约约有有色色金金属属和和能能源源。因因此此，自自19771977年年世世界界上上第第一一个个光光纤纤通通信信系系统统在在芝芝加加哥哥投投入入运运行行以以来来，光光纤纤通通信信发发展展极极为为迅迅速速，新新器器件件、新新工工艺艺、新新技技术术不不断断涌涌现现，性性能能日日臻臻完完善善。由由于于长长波波长长激激光光器器和和单单模模光光纤纤的的出出现现 ，使使每每芯芯光光纤纤通通话话路路数数可可高高达达百百万万路路，中中继继距距离离将将达达到到100 100 kmkm，市市话话中中继继光光纤成本也连续大幅度下降。纤成本也连续大幅度下降。我我国国近近几几年年来来光光纤纤通通信信已已得得到到了了快快速速发发展展，目目前前光光缆缆长长度度累累计计近近几几十十万万kmkm。我我国国已已不不再再敷敷设设同同轴轴电电缆缆，新新的的工工程程将将全全部部采采用用光纤通信新技术。光纤通信新技术。1.2.2 1.2.2 通信技术的现状和发展趋势通信技术的现状和发展趋势2.2.卫星通信卫星通信 卫卫星星通通信信的的特特点点是是通通信信距距离离远远，覆覆盖盖面面积积广广，不不受受地地理理条条件件限限制制，可可以以大大容容量量传传输输，建建设设周周期期短短，可可靠靠性性高高等等。自自19601960年年第第一一颗颗卫卫星星发发射射成成功功以以来来，卫卫星星通通信信发发展展特特别别迅迅猛猛。目目前前，卫卫星星通通信信的的使使用用范范围围已已遍遍及及全全球球，仅仅国国际际卫卫星星通通信信组组织织就就拥拥有有数数十十万万条条话话路路。卫卫星星通通信信的的广广泛泛应应用用，使使国国际际间间重重大大活活动动能能及及时时得得以实况转播，以实况转播，它使全世界人与人之间的它使全世界人与人之间的“距离距离”缩短。缩短。1.2.2 1.2.2 通信技术的现状和发展趋通信技术的现状和发展趋势势3.3.移动通信移动通信 移移动动通通信信是是现现代代通通信信中中发发展展最最为为迅迅速速的的一一种种通通信信手手段段，它它是是随随着着汽汽车车、飞飞机机、轮轮船船、火火车车等等交交通通工工具具的的发发展展而而同同步步发发展展起起来来的的。近近1010年年来来，在在微微电电子子技技术术和和计计算算机机技技术术的的推推动动下下，移移动动通通信信从从过过去去简简单单的的无无线线对对讲讲或或广广播播方方式式发发展展成成为为一一个个把把有有线线、无无线线融融为为一一体体，固固定定、移移动动相相互互连连通通的的全全国国规规模模，甚甚至至全全球球范范围围的的通信系统。通信系统。移动通信经历了移动通信经历了1G1G和和2G2G，完成了从模拟技术向数字技术的过，完成了从模拟技术向数字技术的过渡，现正在向渡，现正在向3G3G过渡和走向更远的过渡和走向更远的4G4G，把移动通信从窄带推向宽，把移动通信从窄带推向宽带。带。1.2.2 1.2.2 通信技术的现状和发展趋通信技术的现状和发展趋势势4.4.微波中继通信微波中继通信 微微波波中中继继通通信信始始于于2020世世纪纪6060年年代代，它它较较一一般般电电缆缆通通信信具具有有易易架架设设，建建设设周周期期短短等等优优点点。它它是是目目前前通通信信的的主主要要手手段段之之一一，主主要要用用来来传传输输长长途途电电话话和和电电视视节节目目，其其调调制制主主要要采采用用SSB/FM/FDMSSB/FM/FDM等方式。等方式。微微波波中中继继通通信信的的主主要要发发展展方方向向是是数数字字微微波波，同同时时要要不不断断增增加加系系统统容容量量，增增加加容容量量的的途途径径是是向向多多电电平平调调制制技技术术发发展展。目目前前采采用用的的调调制制方方式式有有16QAM16QAM和和64QAM64QAM，并并已已出出现现256QAM256QAM、1024QAM1024QAM等等超超多多电电平平调调制制的的方方式式。采采用用多多电电平平调调制制，在在40 40 MHzMHz的的标标准准频频道道间间隔隔内，可传送内，可传送19201920至至76807680路路PCMPCM数字电话。数字电话。1.3 1.3 通信系统的分类及主要通信方通信系统的分类及主要通信方式式1.3.1 1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类1.1.按传输媒质分按传输媒质分 有线通信有线通信 :传输媒质为导线、电缆、光缆传输媒质为导线、电缆、光缆 无线通信无线通信:电磁波电磁波 2.2.按信道中所传信号的不同分按信道中所传信号的不同分 数字通信数字通信:信道中传送的信号为数字信号信道中传送的信号为数字信号 模拟通信模拟通信:信道中传送的信号为模拟信号信道中传送的信号为模拟信号1.3.1 1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类3 3.按工作频段分按工作频段分 长波通信长波通信:如如 用于导航的用于导航的 VLFVLF通信通信 中波通信中波通信:如如 民用调频广播民用调频广播;业余无线电业余无线电 短波通信短波通信:如如 短波广播通信短波广播通信 军用通信军用通信 微波通信微波通信:如如 移动通信移动通信 雷达雷达 空间通信空间通信1.3.1 1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类4.4.按调制方式分按调制方式分基带传输基带传输:基带传输是指信号没有经过调制而基带传输是指信号没有经过调制而 直接送到信道中去传输的一种方式直接送到信道中去传输的一种方式频带传输频带传输:频带传输是指信号经过调制后再送频带传输是指信号经过调制后再送 到信道中传输，收端有相应解调措到信道中传输，收端有相应解调措 施的通信系统施的通信系统。1.3.2 1.3.2 通信方通信方式式 1 1.按消息传送的方按消息传送的方向和时间划分的通向和时间划分的通信方式信方式 (a)(a)单工方式单工方式 (b b)半双工方式半双工方式 (c c)全双工方式全双工方式 1.3.2 1.3.2 通信方式通信方式2.2.按数字信号排序分按数字信号排序分a)a)串行传输方式串行传输方式;(b);(b)并行传输方式并行传输方式 1.3.2 1.3.2 通信方通信方式式3.3.按通信网络形式分按通信网络形式分 (a)(a)两点间直通方式两点间直通方式 (b b)分支方式分支方式 (c c)交换方式交换方式1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量消息中包含的有意义的内容。消息中包含的有意义的内容。注：不同形式的消息可以包含相同的内容注：不同形式的消息可以包含相同的内容度量信息多少的量。度量信息多少的量。注注：它它和和信信息息的的种种类类和和重重要要程程度度无无关关，只和信息出现的概率有关。只和信息出现的概率有关。信息量：信息量：信息信息:消消息息中中包包含含的的信信息息量量与与消消息息发发生生的的概概率率密密切切相相关关。消消息息出出现现的的概概率率越越小小，消消息息中中包包含含的的信信息息量量就就越越大大。假假设设P(x)P(x)是是一一个个消消息息发发生生的的概概率率，I I是是从从该该消消息息获获悉悉的的信信息息，I I与与P(x)P(x)之间的关系反映为如下规律：之间的关系反映为如下规律：1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量（1 1）信息量是概率的函数，信息量是概率的函数，即即 I=fI=fP(x)P(x)（2 2）P(x)P(x)越越小小，I I越越大大；反反之之，I I越越小小，且且 P(x)1P(x)1时，时，I0I0 P(x)0P(x)0时时，II1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 （3 3）若若干干个个互互相相独独立立事事件件构构成成的的消消息息，所所含含信信息息量量等等于于各各独独立立事事件件信信息息量量之和，也就是说，信息具有相加性，之和，也就是说，信息具有相加性，即即 I IP(xP(x1 1)P(x)P(x2 2)=I=IP(xP(x1 1)+I+IP(xP(x2 2)+1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 综综上上所所述述，信信息息量量I I与与消消息息出出现现的的概概率率P(x)P(x)之间的关系应为之间的关系应为 信息量的单位与对数底数信息量的单位与对数底数a a有关有关:a=2 a=2时，时，信息量的单位为比特信息量的单位为比特(bit)(bit)；a=ea=e时，信息量的单位为奈特时，信息量的单位为奈特(nit)(nit)；a=10a=10时时，信信息息量量的的单单位位为为十十进进制制单单位位，叫哈特莱叫哈特莱。I=log I=log a a 1/P(x)=-log 1/P(x)=-log a a P(x)P(x)1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量例例 1 1 1 1 设设二二进进制制离离散散信信源源，以以相相等等的的概概率率发发送送数数字字0 0或或1 1，则则信信源源每每个个输输出出的的信信息息含含量量为为 I(0)=I(1)=I(0)=I(1)=-loglog2 2 (1/2)(1/2)=log=log2 22=1(bit)2=1(bit)可可见见，传传送送等等概概率率的的二二进进制制波波形形之之一一（P=1/2P=1/2）的的信信息息量量为为1 1比比特特。由由此此，通通常常把把一一个个二二进进制制脉脉冲冲波波形形称称为为一一个个比比特特。由由此此可可见见，比特的定义的含义。比特的定义的含义。1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 综综上上所所述述，对对于于离离散散信信源源，M M个个波波形形等等概概率率（P=1/MP=1/M）发发送送，且且每每一一个个波波形形的的出出现现是是独独立立的的，即即信信源源是是无无记记忆忆的的，则则传传送送M M进进制制波形之一的信息量为波形之一的信息量为 I=-logI=-log2 2(1/M )=log(1/M )=log2 2 M (bit)M (bit)1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 如如果果是是非非等等概概情情况况，设设离离散散信信源源是是一一个个由由n n个个符符号号组组成成的的符符号号集集，每每个个符符号号x xi i(i=1,(i=1,2,2,3,3,n)n)出出现现的的概概率率为为P(xP(xi i)，且且有有 ,则则x1,x1,x2,x2,xn xn 所所包包含含的的信信息息量量分分别别为为-loglog2 2 P(xP(x1 1),),-log-log2 2 P(xP(x2 2)，-loglog2 2 P(xP(xn n)。于于是是，每每个个符符号号所所含含信信息息量量的的统统计计平平均均值值，即即平平均均信息量为信息量为1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 显然，当信源中每个符号等概独立显然，当信源中每个符号等概独立出现时，此时信源的熵有最大值。出现时，此时信源的熵有最大值。1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 例例 1 1-2 2一一离离散散信信源源由由0 0，1 1，2 2，3 3四四个个符符号号组组成成，它它们们出出现现的的概概率率分分别别为为3/8,3/8,1/4,1/4,1/4,1/4,1/81/8，且且每每个个符符号号的的出出现现都都是是独独立立的。试求某消息的。试求某消息2010201302130012032101003210100 2010201302130012032101003210100 2310200201031203210012021023102002010312032100120210的信息量。的信息量。1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量解: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，故该消息的信息量为 每个符号的算术平均信息量为1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量若用熵的概念来计算，由式（1.3-5）得 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量上述介绍的离散消息的分析方法也可用于对连续上述介绍的离散消息的分析方法也可用于对连续消息的分析。因为抽样定理告诉我们对于一个频消息的分析。因为抽样定理告诉我们对于一个频带有限的连续信号，可用每秒一定数目的离散抽带有限的连续信号，可用每秒一定数目的离散抽样值代替。这就是说一个连续消息经抽样后成为样值代替。这就是说一个连续消息经抽样后成为离散消息。这样我们就可以利用分析离散消息的离散消息。这样我们就可以利用分析离散消息的方法来处理连续消息。方法来处理连续消息。另外，连续消息的信息量还可以用概率密度另外，连续消息的信息量还可以用概率密度来描述。经证明，连续消息的平均信息量为来描述。经证明，连续消息的平均信息量为：1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量上式中上式中f f（x x）为连续消息出现的概率密度。）为连续消息出现的概率密度。为了积分方便，对数的底取为了积分方便，对数的底取e e，平均信息量，平均信息量H H1 1(x x)的单位为奈特。的单位为奈特。（奈特）（奈特）1.5 1.5 通信系统的主要性能指通信系统的主要性能指标标通通信信系系统统的的主主要要性性能能指指标标是是有有效效性性和和可可靠靠性。性。有有效效性性是是指指在在给给定定信信道道内内所所传传输输的的信信息息内内容的多少，或者说是传输的容的多少，或者说是传输的“速度速度”。可可靠靠性性是是指指接接收收信信息息的的准准确确程程度度，也也就就是是传输的传输的“质量质量”。模拟通信系统的有效性和可靠性模拟通信系统的有效性和可靠性有效传输频带宽有效传输频带宽不不同同调调制制方方式式在在同同样样信信道道信信噪噪比比下下所所得得到到的的最最终终解解调调后后的的信信噪噪比比是是不不同同的的。如如调调频频信信号号抗抗干干扰扰能能力力比比调调幅幅好好，但但调调频频信信号号所所需需传传输频带却宽于调幅输频带却宽于调幅。可靠性用可靠性用来度量；来度量；接收端最终输出信噪比接收端最终输出信噪比来度量来度量；有效性用有效性用数字通信系统的有效性和可靠性数字通信系统的有效性和可靠性有效性可用传输速率来衡量。有效性可用传输速率来衡量。l码元速率码元速率l信息速率信息速率l系统频率利用率系统频率利用率可靠性可用差错率来衡量。可靠性可用差错率来衡量。l误码率（码元差错率）误码率（码元差错率）l误信率（信息差错率）误信率（信息差错率）码元传输速率码元传输速率R RB B简称传码率，又称符号速率简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（单位是波特（BaudBaud），记为），记为B B。例如，若例如，若1 1秒内传秒内传24002400个码元，则传码率为个码元，则传码率为2400B2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度速率与进制数无关，只与传输的码元长度T T有关有关:1.1.码码元元速速率率通常在给出码元速率时，有必要说明码通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于元的进制。由于M M进制的一个码元可以用进制的一个码元可以用 loglog2 2 M M个二进制码元去表示，因而在保证个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，信息速率不变的情况下，M M进制的码元速进制的码元速率率R RBMBM与二进制的码元速率与二进制的码元速率R RB2B2之间有以下之间有以下转换关系：转换关系：R RB2B2=R=RBMBMloglog2 2 M M1.1.码元速率码元速率信息传输速率信息传输速率R Rb b简称传信率。它表示单位时间内简称传信率。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可秒，可记为记为bit/s bit/s，或，或 b/s b/s，或，或bpsbps。每个码元或符号。每个码元或符号通常都含有一定通常都含有一定bitbit数的信息量，因此码元速率和数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即信息速率有确定的关系，即 R Rb b=R=RB BH(b/s)H(b/s)等概传输时，有最大熵等概传输时，有最大熵loglog2 2M M，于是，于是 R Rb b=R=RB B log log2 2 M M(b/s)(b/s)2.2.信息速率信息速率3.3.频频带带利利用用率率比比较较不不同同通通信信系系统统的的有有效效性性时时，单单看看它它们们的的传传输输速速率率是是不不够够的的，还还应应看看在在这这样样的的传传输输速速率率下下所所占占的的信信道道的的频频带带宽宽度度。所所以以，真真正正衡衡量量数数字字通通信信系系统统传传输输效效率率的的应应当当是是单单位位频频带带内的码元传输速率，即内的码元传输速率，即 或或4.4.差错率差错率衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常常用误码率和误信率表示。用误码率和误信率表示。误码率（码元差错率）误码率（码元差错率）PePe是指码元在传输系统是指码元在传输系统中被传错的概率，即中被传错的概率，即 误信率（信息差错率）误信率（信息差错率）P Pb b是指发生差错的比特是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，数在传输总比特数中所占的比例，即即例题例题1.1.某系统传输某系统传输4 4进制码元，进制码元，4 4秒传输秒传输48004800个码个码元，另一个系统传输元，另一个系统传输8 8进制码元，进制码元，6 6秒传输秒传输60006000个码元，问那个系统有效性好？个码元，问那个系统有效性好？2.2.如果一个二进制独立等概信号，其码元宽如果一个二进制独立等概信号，其码元宽度为度为0.5ms0.5ms，求，求R RB B和和R Rb b。有另一四进制信号，。有另一四进制信号，码元宽度为码元宽度为0.5ms0.5ms，求，求R RB4B4和和R Rb b。例题例题3.3.一个由字母一个由字母A A，B B，C C，D D组成的字，对于传组成的字，对于传输的每一个字母都用二进制脉冲编码来表输的每一个字母都用二进制脉冲编码来表示：示：0000表示表示A A，0101表示表示B B，1010表示表示C C，1111表示表示D D，每个脉冲的宽度为，每个脉冲的宽度为5ms5ms。(1)(1)不同字母等概出现时，求平均信息速率；不同字母等概出现时，求平均信息速率；(2)(2)若若PA=1/5PA=1/5，PB=1/4PB=1/4，PC=1/4PC=1/4，PD=3/10PD=3/10时，求平均信息速率。时，求平均信息速率。例题例题4.4.设英文字母设英文字母C C出现的概率为出现的概率为0.0230.023，E E出现的出现的概率为概率为0.1050.105，求，求C C与与E E的信息量。的信息量。5.5.已知某四进制数字信号传输系统的信息速已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为率为2400bit/s2400bit/s，接收端在半小时内共接收，接收端在半小时内共接收到到216216个错误码元，求该系统的误码率。个错误码元，求该系统的误码率。例题例题6.6.设一信息源的输出由设一信息源的输出由128128个不同符号组成，个不同符号组成，其中其中1616个出现的概率为个出现的概率为1/321/32，其余，其余112112个出个出现的概率为现的概率为1/2241/224。消息源每秒发出。消息源每秒发出10001000个个符号，且每个符号彼此独立。试计算该信符号，且每个符号彼此独立。试计算该信息源的平均信息速率。息源的平均信息速率。7.7.见书见书1.51.5，1.71.7，1.81.8，1.111.11。THANK YOUSUCCESS2023/2/177可编辑可编辑