通信原理第一章-概述-课件.ppt
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1、第2版电子工业出版社第一章概述1.1 通信的基本概念 1.2 通信发展简史 1.3 通信系统的基本组成 1.4 信源 1.5 通信信道 1.6 模拟通信与数字通信 1.7 信息的传输方式 1.8 数字通信系统的主要性能指标 Chapter 1Overview1.1 通信的基本概念 通信的目的是将“信息”正确、无误地传送到目的地。通信的内容多种多样,通信的方式越来越多。简介人类 最初利用声音和肢体语言进行交流。远距离信息交流:驿马 烽火 电通信1837年,最早的电通信 莫尔斯电报系统 莫尔斯给人类进步带来巨大的影响 语言 数据 图像 文本 NetworkPoint to Point通信的定义通信
2、的定义通信是传输消息的过程,其根本目的是把含有通信是传输消息的过程,其根本目的是把含有信息的消息传到指定的目的地。信息的消息传到指定的目的地。通信的实现方法通信的实现方法把消息变成对应的信号来传递。信号实际上就把消息变成对应的信号来传递。信号实际上就是消息的传载者。是消息的传载者。通信原理6电子工业出版社 信息、信号的含义信息、信号的含义语言、文字、图像等信息是不能直接在通信系统中语言、文字、图像等信息是不能直接在通信系统中传递,为此需在发送端将它们转换成电(光)信号传递,为此需在发送端将它们转换成电(光)信号(即信源)来载荷语言、文字、图像等信息,电信(即信源)来载荷语言、文字、图像等信息,
3、电信号经通信系统传送至接收端,收端将电信号还原成号经通信系统传送至接收端,收端将电信号还原成语言、文字、图像等信息。语言、文字、图像等信息。1.2 通信发展简史 自1837年有线电报系统出现至今,通信技术的发展已经经历了三个重要的历史时期。如今,通信系统已经全面进入数字化时代,信道拥挤与人类需求的矛盾催生了大批新技术。简介第1阶段:初级通信阶段 1837年 莫尔斯发明有线电报,开始电通信阶段 1864年 麦克斯韦创立电磁辐射理论,并被赫兹证明,促使无线通信的出现 1876年 贝尔利用电磁感应原理发明了电话 1879年 第一个专用人工电话交换系统投入运行 1896年 马可尼发明无线电报 1924
4、年 奈奎斯特提出无码间干扰数字传输技术 1942年 维纳提出最佳线性滤波器理论 第2阶段:近代通信阶段 1948年 香农提出了信息论,建立了通信统计理论 1950年 时分多路通信应用于电话系统 1951年 直拨长途电话开通 1962年 第一颗同步通信卫星,开通国际卫星电话;脉冲编码调制进入实用阶段 70年代 商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用;一些公司制定计算机网络体系结构 1978年 贝尔实验室建立首个蜂窝移动通信网 第3阶段:现代通信阶段 80年代 数字网络的公用业务;个人计算机和计算机局域网出现;网络体系结构国际标准陆续制定 1991年 GSM移动通信系统投入商用 199
5、5年 互联网开始普及 1997年 68个国家签定国际协定,互相开放电信市场 1998年 数字电视业务在美国开通 1999年 ITU决定发展第三代移动通信系统 1.3 通信系统的基本组成 通信系统一般包括信息源、发送设备、信道、接收设备、受信者和噪声源。按消息传送的方向与时间关系,信息的传输方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。简介本教材所讲的通信就是电通信,简称为电信。u 信息源:把消息转换成原始电信号u 发送设备:对原始信号完成某种变换,以适应信道传输u 信道:信号传输的通道u 接收设备:完成发送设备的反变换,恢复为原始电信号u 受信者:也称信宿或收终端,将复原的原始电信号转换成消
6、息u 噪声源:信道的噪声,及通信系统其他各处的噪声的集中表示 单向方式 双向方式 单工通信 半双工通信 全双工通信 1.4 信源 信源是信息的来源。基于概率模型的度量方法,香农把信息定义为“不确定性的多少”。简介 通信系统的任务是传递信息,每一消息信号中必定包含有接受者所需要知道的信息。对接收者来说,某些消息比另外一些消息含有更多的信息。信息量的定义一个消息信号中包含信息的多少,用信息量来进行定量的测度。【例1】消息1:地球绕着太阳转;消息2:明天气温10度;消息1众所周知,必然发生,不足为奇;消息2极难发生,使人惊奇。可见,对接收者来说,事件越不可能,越使人感到意外和惊奇。结论:消息中包含信
7、息量的多少,与事件发生的概率有关。【例2】消息1:一副打乱的扑克牌,第一张是2;消息2:一副打乱的扑克牌,第一张是红桃2;消息1出现的概率为4/54,消息2出现的概率为1/54;消息2包含的信息量比消息1包含的信息量大;结论:概率越小,信息量也就越大。【例3】消息1:我们现在正在上数字通信原理课程;对于在座的绝大多数同学来说,消息1不包含任何信息量,因为这是已知的显而易见的事实;消息1出现的概率为1;结论:消息的概率为1时,信息量等于0。【例4】消息1:明天下午会下雨,下个月共有15个晴天;消息1中两个事件是不相关的独立事件,消息1中包含的信息量是两个事件信息量之和;结论:由多个独立事件构成的
8、消息,其信息量等于各独立事件所含信息量之和。我们可以定义信息量 经验证,该函数能够满足上述结论。log对数函数是递增函数,随着p(x)增大,减小,I减小。p(x)=1时,I=0。n个事件同时发生的概率为 则信息量 香农提出了基于概率模型的度量方法,即把信息定义为“不确定性多少”。(随机变量X,概率分布P)n种取值:x1,x2,xn 对应概率:第i个可能值xi蕴含的信息量:a=2,单位为比特(Bit)a=e,单位为奈特(Nat)a=10,单位为哈特莱(Haitely)已知已知二元离散信源二元离散信源只有只有“0 0”、“1 1”两种符号,若两种符号,若“0 0”出现概率为出现概率为1 13 3,
9、求出现,求出现“1 1”的的信息量信息量。例例5 5“0 0”出现概率为出现概率为1 13 3“1 1”出现概率为出现概率为2 23 3“1 1”的信息量为的信息量为:【例6】设英文字母E出现的概率为0.105,x出现的概率为0.002,试求E和x的信息量。解:离散信息源的熵 若:1)n个符号组成的符号集,每符号的出现概率为 2)符号数为N的消息中,每符号的出现次数为Xi 求:每个符号所含信息量的统计平均值(平均信息量)?例例7 离散信息源由0,1,2,3四个符号组成,出现概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8,每个符号出现都是独立的。求消息232120120210的信息量。解:解:分析消息
10、该消息的信息量:每个符号的算术平均信息量为:无记忆信源:各消息的出现相互独立 平均自信息量:信源X的熵 信源的熵率:(信源每隔时间T产生一个熵为H(X)的符号)离散信息源的熵 独立等概:独立等概:M进制波形,每种波形出现的概率为进制波形,每种波形出现的概率为1/M则则如:如:M=2,即即0、1每符号包含信息每符号包含信息量为量为1 bit如如M=2k,每符号(波形)包含的每符号(波形)包含的信息量为信息量为k bit通信原理32电子工业出版社【例8】设二进制离散信源,以相等的概率发送数字0或1,则信源每个输出的信息含量为 可见传送等概率的二进制波形之一(P=1/2)的信息量为1比特传送等概率的
11、四进制波形之一(P=1/4)的信息量为2比特。信息论基础信息论基础离散信息源的熵 独立非等概:独立非等概:设离散信息源是一个由几个符号组成的集合,每个符设离散信息源是一个由几个符号组成的集合,每个符号号xi按一定概率按一定概率p(xi)独立出现。独立出现。每个符号信息量为每个符号信息量为通信原理34电子工业出版社离散信息源的熵 独立非等概:独立非等概:该离散信息源的平均信息量为各符号信息量的概率加该离散信息源的平均信息量为各符号信息量的概率加权平均值权平均值(统计平均值统计平均值)称为信息源的称为信息源的熵熵,单位,单位bit/符号符号最大熵发生在每一符号等概出现时。最大熵发生在每一符号等概出
12、现时。通信原理35电子工业出版社例7中,该消息的信息量也可以用熵的概念来计算,则有:信息量:例例9 9通信原理37电子工业出版社例例1 10 0通信原理38电子工业出版社通信原理39电子工业出版社L1 复习通信的定义通信的定义通信发展简史通信发展简史通信系统的基本组成通信系统的基本组成信源信源信息量信息量离散信息源的熵离散信息源的熵通信原理40电子工业出版社1.5 通信信道 通信信道连接发送设备和接收设备,它可以是有线的,也可以是无线的。信号信道中会遭受诸多不良的影响。简介1.5.1 常用通信信道 1)1)有线有线信道信道:同轴电缆、双绞线、架空明线等等。导向电磁信道的频率范围,含光纤和波导
13、明线明线导线通常采用铜线、铝线或钢线(铁线),线径为3mm左右。对铜、铝线来说,长距传输的最高允许频率为150kHz左右,可复用16个话路;短距传输时,有时传输频率可达300kHz左右,可再增开12个话路。明线信道易受天气变化和外界电磁干扰,通信质量不够稳定,信道容量较小,不能传输视频信号和高速数字信号。通信原理电子工业出版社双绞线古老但又是常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线,其通信距离一般为几到十几公里。双绞线的价格便宜,性能良好,使用广泛。双绞线采用的导线越粗,通信距离就越远,但导线的价格也越高。为
14、了提高双绞线的抗电磁干扰的能力,可在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层,这种加屏蔽层的双绞线称为屏蔽双绞线,相对于无屏蔽双绞线来说,价格要贵一些。通信原理电子工业出版社非屏蔽双绞线通信原理电子工业出版社屏蔽双绞线通信原理电子工业出版社同轴电缆同轴电缆由内导体铜制芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成 50同轴电缆,用于传送基带数字信号75同轴电缆,用于模拟传输系统 通信原理电子工业出版社同轴电缆一条普通(RG-59)的同轴电缆A:电线外皮B:网状导电层C:塑胶绝缘体D:中心的铜线通信原理电子工业出版社1.5.1 常用通信信道 2)2)光纤光
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