简明通信原理第1章绪论.ppt

u简明通信原理简明通信原理第第1 1章章 绪论绪论学习目标学习目标 基本概念（定义基本概念（定义/组成组成/分类分类/特点特点/通信方式通信方式)信息度量信息度量（Ii、H、I总总）性能指标（有效性和可靠性）性能指标（有效性和可靠性）学学习习目目标标l1.1.2 消息、信息与信号消息、信息与信号在学习通信的过程中，首先遇到的是“消息、信息和信号”这几个名词或术语。l消息（消息（message）是通信系统传输的对象。它来自于信源且有多种形式。消息可以分为两大类：v连续消息（如连续变化的语音、音乐和活动图片）v离散消息（如状态可数的文字、符号或数据）l信息（信息（information）是消息中有意义的内容。l信号（信号（signal）是消息的电表示形式。在电信系统中，为了将各种消息（如一幅图片）通过线路传输，必须首先将消息转变成电信号（如电压、电流、电磁波等）。相应消息，信号也分为两大类：如表1-1和图1-2所示。l消息与电信号之间的转换，通常由传感器来实现。例如：v话筒（声音传感器）把声音转变成音频信号；v摄像机把图像转变成视频信号；v热敏电阻（温度传感器）把温度转变成电信号。l消息、信息和信号的关系：消息、信息和信号的关系：v消息是信息的外在形式；消息是信息的外在形式；v信息是消息的内涵；信息是消息的内涵；v信号是消息（或信息）的传输载体。信号是消息（或信息）的传输载体。l通信（即电信）就是利用电信号将消息中所包含的信息从通信（即电信）就是利用电信号将消息中所包含的信息从信源传递到目的地（信宿）。信源传递到目的地（信宿）。表1-1信号类型与特征图1-2模拟信号和数字信号示例模拟信号数字信号特征：信号的取值是连续的例如：电话机送出的语音信号，摄像机输出的图像信号等特征：信号的取值是离散的例如：电报机、计算机输出的信号1.3通信系统的分类l通信系统可以从不同角度进行分类，常见分类如下。l此外，还可按信号复用方式分类。在同一条物理信道中同时传输多路信号时要采用复用方式。常用的复用方式有：频分复用、时分复用、码分复用和空分复用等。信道中传输的是模拟信号。信道中传输的是数字信号。用导线（如各种电缆）作为传输媒质。如有线电视系统等。用自由空间作为传输媒质。如广播电视系统等。以基带信号（未经调制的信号）作为传输信号的系统。以已调信号（经过调制的信号）作为传输信号的系统。1.4通信方式通信方式是指通信双方（或多方）之间的工作方式。l1.4.1 单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信 -按消息传输的方向方向与时间时间关系划分v单工通信单工通信：单方向传递消息。例如，广播、遥控。v半双工通信半双工通信：通信双方都具有发信和收信功能，但不能同时收发。v全双工通信全双工通信：通信的双方可同时进行收发信息。例如，电话等。1.5信息的度量l通信的目的在于传输消息中所包含的信息。信息的多少可用“信息量”来度量。l消息中所包含的信息量与消息发生的概率密切相关。l概率越小，信息量就越大。例如，“某国世贸大楼被炸”这条消息比“今天有雨”这条消息包含有更多的信息量。l下面介绍离散消息和数字（离散）信源发出的信息的度量方法。l1.5.1 离散消息的信息量离散消息的信息量单个事件消息的信息量l设离散消息xi 出现的概率为，则它所含的信息量为（1-5-1）l信息量的单位：奈特（nat）；哈特莱（Hartley）；比特（bit）a=ea=10a=2l常用的单位为比特，这时有 （bit）（1-5-2）【例1-1】设离散信源等概率发送每个符号，且每个符号的出现是独立的。（1）若它是二进制信源（0，1），计算每个符号的信息量。（2）若它是四进制信源（0，1，2，3），计算每个符号的信息量。解：（1）已知则每个二进制码的信息量为（2）已知则每个四进制码的信息量为l评注：评注：等概时，每个符号含有相同的信息量；一个二进制码含1bit的信息量；一个四进制码含2bit的信息量。l推广：对于等概且独立发送的M进制离散信源，其每个符号所含的信息量为式中，M为符号的进制数。l1.5.2 离散信源的平均信息量（离散信源的平均信息量（熵熵）-指每个符号所含信息量的统计平均值。设离散信源是一个由M个符号组成的集合，概率场为，且有 则该信源的平均信息量为 比特/符号（bit/symbol）显然，等概时，熵有最大值：即等于每个符号的信息量。l1.5.3 总信息量总信息量l借助于熵H(x)，可以容易地求出信源发送的一条消息（n个符号）的总信息量，即【例1-3】四进制离散信源（0，1，2，3）中各符号出现的概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的，试求：（1）该信源的平均信息量（熵）；（2）该信源发送的某条消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的总信息量。解：（1）由式（1-5-4）可得该信源的熵：（2）借助熵的概念来计算，这条由57个符号组成的消息的总信息量为(bit)此外，还可以利用信息相加性概念来计算。这条消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，故该条消息的总信息量为l评注：评注：以上两种结果略有差别，原因在于它们平均处理方法不同。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。而且，当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。1.6通信系统的性能指标l通信的任务是快速、准确地传递信息，因此评价通信系统性能的主要指标是有效性有效性和可靠性可靠性。l有效性有效性指的是传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度或时间）；l可靠性可靠性指的是接收信息的准确程度。l这两者既相互矛盾又相互联系，并可互换。l1.6.1 模拟通信系统的性能指标模拟通信系统的性能指标 l1有效性有效性-可用传输带宽传输带宽来度量。信号占用的传输带宽越小，通信系统的有效性就越好。例如，若单边带信号占用的带宽为4kHz，双边带信号则需要8kHz，说明单边带方式的有效性好。l2可靠性可靠性-常用接收端输出信噪比输出信噪比（SNR）来度量。SNR指的是信号与噪声的功率之比，它反映了消息经传输后的“保真”程度和抗噪能力。例如，调频系统的可靠性通常比调幅系统的好，但调频信号占用的带宽比调幅信号的宽。所以说可靠性与有效性总是一对矛盾。l1.6.2 数字通信系统的性能指标数字通信系统的性能指标l1有效性有效性v（1）码元速率，是指单位时间（每秒）内传送的码元(或符号)数目。单位为波特（Baud），所以也称为波特率。设码元宽度为Ts，则码元速率为（1-6-1）v（2）信息速率，又称比特率，是指单位时间内传送的信息量。单位为比特/秒（bit/s），简记为b/s，或bps（bitpersecond）。与存在如下关系：（等概时）（1-6-2）例如，每秒传送2400个码元，即=2400Baud；若采用二进制，信息速率为2400bit/s；若采用八进制（M=8），信息速率为7200bit/s。v（3）频带利用率是指单位频带（每赫兹）内所实现的传输速率，可表示为（1-6-4）或（1-6-5）【例1-4】对于同样以2400bit/s比特率发送的消息信号，若A系统以2PSK调制方式进行传输时所需带宽为2400Hz，而B系统以4PSK调制方式传输时的带宽为1200Hz。试问：哪个系统更有效？解：A系统B系统所以，B系统的有效性更好。l评注：评注：两个传输速率相同的系统，若占用的带宽不同，则两者的传输效率不同，所以频带利用率更好地反映了数字通信系统的有效性。l2可靠性可靠性数字通信系统的可靠性常用误码率（）和误比特率（）来衡量。v（1）误码率（误符号率）定义为（1-6-6）表示码元在传输过程中被传错的概率。越小，说明传输的可靠性越高。数字微波通信要求，数据通信要求，数字光纤通信要求。v（2）误比特率（误信率）定义为（1-6-7）表示错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例。v对于二进制系统，有对于M（2）进制系统，有？（思考）【例1-5】某八进制数字传输系统的信息速率为7200bit/s，连续工作1小时后，接收端测得26个错码，且每个错码中仅错1bit信息，试求该系统的误码率和误比特率。解：（1）码元速率（Baud）1小时（即3600秒）传输的总码元数（个）误码率（2）已知信息速率为7200bit/s，则1小时（即3600秒）传输的总比特数（总信息量）为（bit）误比特率l评注：多进制（M2）时，。