通信原理与技术 通信原理第1章

通信原理
Βιβλιοθήκη Baidu
第一章 绪论
1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统概述 1.3 通信信道 1.4 通信网概述 1.5 通信发展概况 1.6 香农信道容量定理的仿真设计
1.1 通信的基本概念
1.1 通信的基本概念
通信
思考
电 信？
一、几个基本概念 1. 通信：信息的传递和交换。
通信的目的：获取信息 电信：利用电信号来传递消息的同 学方式。
在上述通用模型中，发送设备对来自信源的 信号的处理可能有2种情况：
▪ 一、直接对模拟信号进行放大和传输（例如无 线广播电台、第一代移动通信系统“大哥大”）
1）求发每一个符号的信息量
2）该信源发一序列ABCDDDDAACC，求该 序列消息提供的信息量
3)平均每个符号提供的信息量
4)11个符号一个序列，平均每个序列提 供的信息量（序列熵）
1.2 通信系统概述
1.2.1 通信系统的组成 1.通信系统的一般模型
如下图所示：
如双绞线、光纤、 同轴电缆等。
注意：自由空间也 是一种信道
13
总能量E总 ∞
有限值
∞
平均功率P 有限值 0 ∞
下午12时27分29秒
4 模拟信号与数字信号
模拟信号：消息的信号参数（幅度、频率 或相位）随信息连续变化。
数字信号：时间、幅度取值均离散。
信号的基本特性
▪ 时域特性
信号可以表示为时间t的函数，用函数f(t) 、y(t) 来表示。
信号也可以描绘成随时间变化的波形图。信号在某一 时刻的大小、信号持续时间的长短以及信号变化的快 慢等等都可以从波形图上反映出来，信号的这一特性 叫做信号的时间特性。
解：该信息源符号的平均信息量为
n
H (x) p(xi ) log2 p(xi ) i 1


1 4
log2
1 4

2
1 8
log2
1 8

3 16
log2
3 16

5 16
log2
5 16

2.23bit
/
符号
练习：
有一信源X发A、B、C、D四种符号，A、 B、C的概率分别为1/2， 1/4， 1/8，求：
2. 消息：信息的表现形式，如语言、 文字、音乐、数据、图片或活动图像等。
3. 信息：消息的内涵，指人们原来不知 道的，或者说消息中有意义的抽象内容。
必然发生的事件P=1，信息量为0 越不可能的，信息量越大。
4. 信号：描述消息的适合信道传输的物 理量，用函数表示。
5. 通信原理与技术：用数字理论来 描述通信系统传输过程的技术。
发送设备：其功能是将信源和信道匹配起来，其目的 是把信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信 号。
信道：传输信息的通道。
噪声源：是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处 的噪声的集中表示。
接收设备：其功能是放大和反变换，其目的是从受到 干扰和减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。
信宿：传送信息的目的地，其功能与信源相反，是将 恢复的原始电信号还原成相应的消息。
▪ 频域特性
信号可分解为不同频率的正弦分量之和，信号与频率 之间的关系叫做信号的频率特性。用函数F(jf) 、 F(jω)、H (jω)等表示。
15
下午12时27分29秒
信息的度量(重点内容)
铁路系统运送货物量多少采用“货运量” （不管运送什么货物）来度量;
通信系统中传输信息的多少采用“信息量” 来度量。
信号分类
1.确定信号与随机信号
➢ 确定信号:是指能够以确定的时间函数表示的信号，它 在定义域内任意时刻都有确定的函数值。 ➢ 随机信号:在事件发生之前无法预知信号的取值，即写 不出明确的数学表达式，通常只知道它取某一数值的概率， 这种具有随机性的信号称为随机信号。
2 周期信号与非周期信号
周期信号
1 p(xi )
loga
p(xi )
信息量的单位由对数底的取值决定。
若对数以2为底时单位是“比特” （bit — binary unit的缩写）； 同学们要掌握的
若以e为底时单位是“奈特” （nat—nature unit的缩写）；
若以10为底时单位是“哈特” （Hart — Hartley的缩写）。
衡量信息多少的物理量叫信息量。
注意：信息量的大小实际上与内容无关
▪ 一个消息对于接收者很有价值（即信息量大）在于 这个消息是他不知道的事情或觉得不可能发生的事 情（即小概率事件）。
信息量与概率有关！
概率：可以简单理解为可能性。
在信息论中，消息所含的信息量I与 消息x出现的概率P(x)的关系式为
I (xi ) loga
通常采用“比特”作为信息量的实用单位。
I代表两种含义：当事件x发生以前，表 示事件x发生的不确定性；当事件x发生以后， 表示事件x所含有（或所提供）的信息量。
例：26个字母，某书出现A为3万次，一 共10万个字母，则P(A)=3万/10万。
例：假定英文字母信源发W符号概率为 0.125，发Z符号的概率为0.001，问发W和Z 提供的信息量各为多少？
信源
发送设备
信道
接收设备
信宿
如调制器、功率 放大器、天线等
噪声源
在本书中，特指 将原始信息转换 成电信号的设备，
如麦克风等
是一种随机信号， 对通信有害， 但不可避免。
与是发送设备处 理的“逆过程”
在本书中，特指 将电信号还原成 原始信息的设备，
如扬声器等
信源：消息的发源地，其作用是通过传感 器把消息转换成原始电信号，即完成非电量 到电量的转换。
▪ 按一定的时间间隔重复变化并且无始无终的 信号
fT (t) f (t kT )
k 0, 1, 2,...
式中, T 为信号的周期。
非周期信号是不具有重复性的信号。
12
下午12时27分29秒
3 功率信号与能量信号 信号 f（t）的总能量和平均功率
信号类别 功率信号 能量信号 非功非能
信源发I (单xi一) 离lo散ga消p息(1xi所) 携带lo的ga自p(信xi 息) 量:
离散信源（或消息源）发多个消息（或符 号），每个符号所含信息量的统计平均值， 即平均自信息量（熵）为：
n
H (x) P(xi ) log2 P(xi ) (bit / 符号） i 1
[例1-1-4] 某信息源的符号集由A，B，C， D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概 率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。试 求该信息源符号的平均信息量。