通信原理 第2章 基本概念 1 第2章 基本概念 ? 1. 1 通信的基本概念 ? ? ? ? 通信的目的：传递消息中所包含的信息。 消息：是物质或精神状态的一种反映，例如 语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像 等。 信息：是消息中包含的有效内容。 实现通信的方式和手段： ? ? 非电的：如旌旗、消息树、烽火台… 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。 2 第2章 基本概念 ? 电信发明史 1837年：莫尔斯发明有线年：麦克斯韦发明电磁辐射理论 ? 1876年：贝尔发明有线年：马可尼发明无线年：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。 3 第2章 基本概念 ? 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）：把各种消息转换成原始电信 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。 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 噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。 ? ? ? 第2章 基本概念 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。 ? 5 涉及的相关理论 电磁场与电 波传播理论 信号与系统、电路 分析、电子线路、 交换理论、排队论、 同步、通信网等 信道 接收 设备 密码 理论 信宿 信 源 发送 设备 噪声 概率论与统计 率失真理论 信号处理 信源编码 调制理论 信道编码 密码理论 随机过程 伪随机序列 信号处理 解调理论 差错控制编码 滤波理论 6 第2章 基本概念 ? 1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型 ? 模拟信号和数字信号 ? 模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克 风输出电压： 0 (a) 话音信号 (b) 抽样信号 图1-2 模拟信号 t 0 t 7 第2章 基本概念 ? 数字信号：代表消息的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： 码元 t (a) 二进制信号 0 t (b) 2PSK信号 图1-3 数字信号 ? 通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号， 相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。 8 第2章 基本概念 ? 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： 图1-4 模拟通信系统模型 ? 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） 9 第2章 基本概念 ? 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 加 密 信 道 编 码 数 字 调 制 信道 噪声源 数 字 解 调 信 道 译 码 解 密 信 源 译 码 受 信 者 信 息 源 图1-5 数字通信系统模型 ? 信源编码与译码目的： ? ? 提高信息传输的有效性 完成模/数转换 ? ? ? ? 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力 加密与解密目的：保证所传信息的安全 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 10 第2章 基本概念 ? 1.2.3 数字通信的特点 ? 优点 ? ? ? ? ? ? ? 抗干扰能力强，且噪声不积累 传输差错可控 便于处理、变换、存储 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输 易于集成，使通信设备微型化，重量轻 易于加密处理，且保密性好 缺点： ? ? 需要较大的传输带宽 对同步要求高 11 第2章 基本概念 ? 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：电报通信系统、电话通信系统、 数据通信系统、图像通信系统 … … ? 按调制方式分类：基带传输系统和带通（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：模拟通信系统和数字通信系统 ? 按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 ? 按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通 信…… ? 按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分 12 复用 ? ? 1.3.2 通信方式 ? 第2章 基本概念 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 13 第2章 基本概念 ? 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 同时发送8比特 0 1 1 0 1 1 0 0 发 送 方 接 收 方 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 条通信线章 基本概念 ? 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 发 送 方 0 1 1 0 0 1 0 0 并行/串行 转换器 8比特依次发送 01100100 0 1 1 0 0 1 0 0 串行/并行 转换器 接 收 方 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 信息及其度量 ? ? 信息：是消息中包含的有效内容 如何度量离散消息中所含的信息量? ? 度量信息量的原则 能度量任何消息，并与消息的种类无关。 ? 度量方法应该与消息的重要程度无关。 ? 消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关 【例】 “某客机坠毁”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。 ? 16 第2章 基本概念 ? 度量信息量的方法 ? ? ? 事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述： 消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越 大。 设：P(x) － 消息x发生的概率， I － 消息中所含的信息量， 则 P(x) 和 I 之间应该有如下关系： ? ? ? ? 满足上述3条件的关系式如下： I ? loga 1 ? ? loga P( x) P ( x) I 是 P(x) 的函数： I ＝I [P(x)] P(x) ?，I ? ； P(x) ? ，I ?； P(x) = 1时，I ＝ 0； P(x) = 0时，I ＝ ?； I [ P( x1 ) P( x2 )?] ? I [ P( x1 )] ? I [ P( x2 )] ? ? －信息量的定义 17 第2章 基本概念 I ? loga ? ? 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) 。 通常广泛使用的单位为比特，这时有 1 (b) I ? log 2 ? ? log 2 P( x) P( x) 1 ? ? loga P( x) P ( x) ? 【例】 设一个二进制离散信源，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 I (0) ? I (1) ? log 2 ? 在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特 18 1 ? log 2 2 ? 1 (b) 1/ 2 第2章 基本概念 ? 若有M个等概率波形（P = 1/M），且每一个波形的出现 是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为 I ? log 2 1 1 ? log 2 ? log 2 M P 1/ M ( b) ? 若M是2的整幂次，即 M = 2k，则有 I ? log2 2k ? k (b) 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。 19 第2章 基本概念 ? 对于非等概率情况 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 ? ? ? x1 , x2 , P ? x1 ? , P ? x2 ? , M i ?1 i , xM , P ? xM ? ? ? ? 且有 ? P( x ) ? 1 则x1 , x2, x3,…, xM 所包含的信息量分别为 ? log2 P( x1 ) ， ? log2 P( x2 ) ， ， ? log2 P( xM ) 于是，每个符号所含平均信息量为 H ( x) ? P( x1 )[? log 2 P( x1 )] ? P( x2 )[? log 2 P( x2 )] ? ? ?? P( xi )lo g 2 P( xi ) (比特 / 符号） i ?1 M ? P( xM )[? log 2 P( xM )] (1.4 ? 6) 由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵 20 第2章 基本概念 ? 【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 30 210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 I ? 23log2 8 / 3 ? 14log2 4 ? 13log2 4 ? 7 log2 8 ? 108 (b) 每个符号的算术平均信息量为 I 108 I? 符号数 ? 57 ? 1.89 (比特 / 符号） 21 第2章 基本概念 若用熵的概念来计算： 3 3 1 1 1 1 1 1 H ? ? log2 ? log2 ? log2 ? log2 8 8 4 4 4 4 8 8 ? 1.906 （比特 / 符号） 则该消息的信息量 I ? 57?1.906? 108.64 (b) 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。前一种按算数平均的方法，结果可能存 在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而 减小。 当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。 22 第2章 基本概念 ? 连续消息的信息量 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，信息通信连续消息的平均信息量为 H ( x) ? ? ? ? ?? f ? x ? log a f ? x ?dx 式中，f (x) － 连续消息出现的概率密度。 23 第2章 基本概念 ? 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：可用有效传输频带来度量。 ? 可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。 ? 24 第2章 基本概念 ? 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。 RB ? 1 T (B) 式中T － 码元的持续时间（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 25 第2章 基本概念 ? 码元速率和信息速率的关系 或 Rb ? RB log2 M RB ? Rb log2 M (b/s) (B) 对于二进制数字信号：M = 2，码元速率和信息速率 在数量上相等。 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。 26 第2章 基本概念 ? 频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输 速率，即 或 RB ?? B (B/Hz) ?b ? ? Rb B b/(s ? Hz) 可靠性：常用误码率和误信率表示。 ? 误码率 Pe ? 错误码元数 传输总码元数 ? 误信率，又称误比特率 Pb ? 错误比特数 传输总比特数 27 在二进制中有 Pb ? Pe 第2章 基本概念 1.6 小结:本章重点 1.掌握通信系统模型、分类 2.理解数字通信的主要优缺点 3.掌握信息量的度量 4.理解通信系统的主要质量指标 ? 28 码元 ? ? ? ? 数字信号的收发都按照一定的节拍，对消息内容 进行编组，数字信号单元（码元）就像我们写作 文时候要打标点符号一样 。 这里所说的码元不同于bit. 码元实际上代表调制 信号某一个确定的状态,该状态可以代表1个 bit(如高低电平,DPSK等), 也可以代表数个bit(如 QPSK,QAM等). 星座图上的某个星星实际上就 代表某个码元(单位时段内). “码元”就是一种状态，传输带宽就是码元变化 的频率，在带宽一定的情况下（码元变化的频 率），一个码元变化对应的bit数越多，传输效 率越高。 在通信信道中持续固定时间，具有一定相位和幅 值的一段余弦载波 --- 码元。 29 码元 ? 比如8PSK， 一个码元对应三个bit。 64QAM一个码元对应6个ibit. 这样64QAM 是8PSK传输效率的2倍。 30 基带信号 ? ? 是指来自信源的消息信号（原始电信号， 也称调制信号）。可以是模拟，也可以是 数字。 基带 --- 信号的频谱从零频附近开始。如 语音信号的频率范围为300-3400HZ，图像 信号的频谱为0~6MHZ。 31 载波信号 ? 未受调制的高频振荡信号。可以是正弦波， 方波，三角波等。 32 已调信号 ? ? ? 是指受到调制后的已调载波信号。由于已调信号 的频谱通常具有带通形式，所以已调信号也称带 通信号。 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围 搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一 段频率范围内能够通过信道）。 由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段 上，因此合在一起后并不会互相干扰。这样做可 以在一条线路中同时传送许多路的数字信号，因 而提高了线 带宽 ? ? ? 带宽(BW)表示一个电路能够处理的频率或 信号所包含/占有的频率范围。 例如：美国的AM无线kHz，也就是说它所占用的频带是 10kHz，例如：从760kHz到770kHz。 比喻：在高速路上，它所能承受的最大交 通流量就相当于网络的数据运输能力，而 这条高速路允许形成的宽度就相当于网络 的带宽。显然，带宽越高、数据传输可利 用的资源就越多，因而能达到越高的速度。 34 Rb ? RB log2 M ? (b/s) 物理意义 RB≤ Rb，二进制（M=2）时， RB=Rb（数值相等，单位不同）。 Rb一定时： ? 增加进制数，可以降低RB，从而可以减小信号带宽，节约频带资源， 提高系统的频带利用率。 ? 增加进制数，可以增大Rb，从而在相同的带宽下，可以传输更多的 信息量。 RB一定时（带宽一定）： 35 作业： 1、设有一个由字母A、B、C、D组成的字，传输每一 个字母用二进制码元编码，“00”代替A，“01”代替 B，“10”代替C，“11”代替D，每个码元的宽度为 5ms。（1）不同字母是等概率出现时，试计算传输 的平均信息速率； （2）若每个字母出现的可能性分别为PA=1/5, PB=1/4, PC=1/4, PD=3/10, 试计算传输的平均信息 量。 2、设某数字传输系统传送二进制码元的速率为2400 Baud，试求该系统的信息速率；若该系统改为传送 16进制信号码元，码元速率不变，则这时的系统信 息速率为多少？（设各码元独立等概率出现） 3、已知某四进制数字传输系统的信息速率为2400b/s， 接收端在0.5h内共收到216个错误码元，试计算该系 统的误码率Pe。 36