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通信原理(樊昌信第六版)第1章



通信原理
第1章 绪论

第1章 绪论
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1. 1 通信的基本概念
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? ?

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。

第1章 绪论
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电信发明史
1837年:莫尔斯发明有线电报 ? 1876年:贝尔发明有线电话 ? 1918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 ……………
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?

?

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。

远古通信手段
? 烽火台 ? 击鼓 ?在我国的古代历史上,流传着“幽王烽火戏 诸侯”、“梁红玉击鼓战金山” 等传说 ? 信鸽 ? 旗语 ? 驿站 ? 航行用的信号灯等工具。

远古通信手段
? ?

图1为摩洛哥于1965年国际电信联盟成立100周年发行的纪念邮票。左 图为古罗马时代传递信息的火炬塔。右图中是由烽火通信发展而来的 支架通信。公元1794年,法国的夏普发明了“托架式信号机” 图2 为伊朗纪念1975年世界电信日发行的纪念邮标。在城堡上构筑高台, 利用烽火向远方传递信息。

图1 摩洛哥电信联盟成立100周年纪念

图2伊朗世界电信日纪念

远古通信手段
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邮票上的烽火通信:
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1979年5月12日希腊发行的欧罗巴邮政专题首 日封,邮票为希腊乡村邮递员。
点燃松脂传递信号 高地筑墙墙背面两边 各有5个火炬插座 所燃火把数量和排列 位置的不同表示 各种军事信息

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远古通信手段
原始的光通信历史故事:
? “千金买笑”---(褒姒) 良夜颐宫奏管簧,无端烽火烛穹苍。 可怜列国奔驰苦,止博褒妃笑一场!
?生动的马拉松故事:
公元前四九零年,希腊人和波斯人在希腊的马拉松进行 了一场激烈的战争,结果希腊人取得了胜利。 菲力比斯 马拉松到雅典 :42公里195米

现代通信手段
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? ? ? ? ? ?

电报 电话 寻呼 移动电话 有线广播、无线广播 有线电视、无线电视 因特网

远古通信与现代通信对比
? 远古通信:
?目视光通信方式:在较远的距离之间较及时 地完成信息的传递。

? 现代通信:
?电信方式、电话和广播的发明开始 ?电信:利用电信号驮载待传信息进行传输 和交换的通信方式。 ?通信(communication)作为电信 (Telecomunication)是从19世纪30年代开 始的。

现代通信发展历史回顾
(1)理论发展 ? 1831年 法拉弟(英)提出“电磁感应现 象”。 预告了发电机的诞生 ? 1873年 麦克斯韦提出电磁波辐射原理,奠 定了用无线电波进行通信的理论基 础 ? 1930年 调制理论,复用理论问世,在理论 上为模拟通信准备了条件

现代通信发展历史回顾
? 1948年 信息论问世(香农提出,香农又 称shannon),在理论上为数字通信准备 了条件
?“通信的基本问题就是在一点重新准确地或 近似地再现另一点所选择的消息”——《通 信的数学理论》 ?用数理统计的方法来研究通信系统,影响深 远的信息论 ? 解决如何精确地传送通信符号的基本技术问 题。

现代通信发展历史回顾
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?

1962年 数字传输理论问世 (在理论上为数字通信准备了条件) 1969年 “分组交换”理论问世 (ARPAnet)Advanced Research Projects Agency(高级研究计划管理局) Network Internet前身

现代通信发展历史回顾
(2)技术发展 ? 1838年 莫尔斯发明有线电报,标志着 人类从此 进入了电通信时代

现代通信发展历史回顾
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1876年
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贝尔发明电话(电磁感应原理制作的送话器)

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贝尔(1847-1922)英国人 出生在苏格兰的爱丁堡 1868年 在伦敦工作 1871年 去波士顿工作 1873年 任波士顿大学
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声音生理学教授

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1875年 1876年

发明多路电报 发明电话

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?

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?

电话的另一位发明者:格雷-电解液送话 器 1876年2月14日,贝尔和格雷都向电话专 利局申请专利,不过,格雷晚到了2个钟 头。 于1876年3月7日,专利局就把这一专利权 授于贝尔了。 在以后的日子里,就贝尔属于独创以及申 请专利权这一事件,在法律上,引起了一 系列的激烈纷争,最后贝尔胜利了。

现代通信发展史的回顾 (贝尔与电话)

现代通信发展历史回顾
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1895年 马克尼(意大利),波波夫 (俄国)发明无线电报
? ? ? ? ? ? ?

?
?

为人类通信技术开辟了一个 崭新的领域 马可尼(1874—1937),意大利人。 1894年 在父亲的庄园试验 1895年 去伦敦 1897年 建立无线电报公司 1899年 首次实现美法无线通信 1939年 建立世界性无线通信网 曾获诺贝尔奖金 曾参加法西斯党

第1章 绪论
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1.2 通信系统的组成
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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信道两大类。 噪声源:集中表示分布于通信系统中各处的噪声。

? ?

?

第1章 绪论

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。
?

第1章 绪论
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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

第1章 绪论
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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。

第1章 绪论
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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)

第1章 绪论
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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

第1章 绪论
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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

第1章 绪论
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1.3 通信系统分类与通信方式
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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 … …详见书中表1-2 ? 按信号复用方式分类:频分复用、时分复用、码分 复用
?

第1章 绪论
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1.3.2 通信方式
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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

第1章 绪论
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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 条通信线路,成本高

第1章 绪论
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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
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其他分类方式:
? ?

同步通信和异步通信 专线通信和网通信

第1章 绪论
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1.4 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。
?

第1章 绪论
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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:
?
?

?

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 )] ? ?
I ? loga 1 ? ? loga P( x) P ( x)

?

满足上述3条件的关系式如下: -信息量的定义

第1章 绪论
I ? loga
?

1 ? ? loga P( x) P ( x)

?

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)

?

【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 1 ? log 2 2 ? 1 (b) 1/ 2

?

在工程应用中,习惯把一个二进制码元称作1比特

第1章 绪论
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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。

第1章 绪论
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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
? ? ? P ? x1 ? , P ? x2 ? , ?, P ? xM ? x1 , x2 , ?, xM ? ? ?

且有

? P( x ) ? 1
i ?1 i

M

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( xM )[? log 2 P( xM )] ? ?? P( xi )lo g 2 P( xi ) (比特 / 符号)
i ?1 M

(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

第1章 绪论
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【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 2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210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 I ? 23log2 8 / 3 ? 14log2 4 ? 13log2 4 ? 7 log2 8 ? 108 (b) 信息量
I 108 I? ? ? 1.89 (比特 / 符号) 符号数 57

每个符号的算术平均信息量为

第1章 绪论
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。

第1章 绪论
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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,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。

第1章 绪论
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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。
?

第1章 绪论
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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

第1章 绪论
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码元速率和信息速率的关系
Rb ? RB log2 M (b/s)
(B)


RB ?

Rb log2 M

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。

第1章 绪论
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频带利用率:定义为单位带宽(1赫兹)内的传输 速率,即
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

在二进制中有

P b ? P e

第1章 绪论
?
? ?

1.6 小结
通信的目的、电信发明史 通信系统的模型 数字信号、模拟信号,基带信号、已调信号(带通信号、 频带信号) 数字通信特点 通信系统分类 单工、半双工、全双工通信,并行传输和串行传输 信息及其度量 通信系统的有效性和可靠性

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?

?
? ?

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