通信原理-绪论

加性噪声信道模型
加性信道一般模型
r(t ) s(t ) n(t )
加性高斯白噪声信道(AWGN)
通常n(t)为热噪声，具有高斯白噪声特性， 功率谱密度值N0 / 2 ，反映每Hz频带内噪声 的平均功率。
考虑衰减时
r(t) As(t)n(t)
第1章 绪论：信道
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常用信道
双绞线
同轴电缆
信道 编码
调制 器
信道
解调 器
信道 解码
信源 解码
信宿
噪声
信源编码：减少信息中的冗余度，提高通信 的有效性。
信道编码：增加信息中的冗余度，提高通信 的可靠性。
同步：包括载波同步、位同步、字同步等。
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
42
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
43
数字通信系统的主要特点
第1章 绪论：信道
28
信道的影响
信号衰减。 加性噪声：以相加的形式混入的噪声。
噪声是随机的，典型的为热噪声。
其他干扰：自然界的干扰，如雷电等；人 为干扰。
信道的传输特性可能引起信号的畸变，使 信号发生某种形式的失真。
变参信道：参数特性是时变的，甚至是随 机变化的。
第1章 绪论：信道
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第1章 绪论：消息与信源
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例：一信源由4个符号0、1、2、3组成，它们出现的 概率分布为3/8、1/4、1/4、1/8，求信息序列 2010201302 13001203210100321010023102002010 312032100120210总的信息量，设序列中各符号的 出现是独立的。
解：4个符号的信息量分别为 I0=log28/3=1.415 bit I1=I2=log24=2 bit I3=log28=3 bit 序列中“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次， “3”出现7次。
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无线电波的传播
天线的物理尺寸
与信号波长成正比，须大于波长的1/10。
地波模式
电波沿地表面弯曲传播的方式，较低频率 电波的主要传播方式 。中波广播、导航等。
第1章 绪论：频带与电波传播
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天波模式
经天空中的电离层反射而折回地面的传播 方式，HF(3~30MHz)电波主要以天波模式 传播。短波广播。
抗噪声性能好，可避免噪声积累。 可通过信道编码进一步改善传输质量。 易加密。 数字信号便于进行信号处理。 不同种类的信源信息便于统一传输，共用数
字通信系统。 便于计算机通信。 通常需要更多的带宽。 复杂的同步系统。
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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s(t) 1 0011 1
a. 信号波形 s(t)
第1章 绪论：信道
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常用信道
光纤
无线电视距中继信道
第1章 绪论：信道
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卫星中继信道
无线电广播与移动通信信道
第1章 绪论：信道
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1.5 频带与电波传播
频带的名称
根据频率命名：
音频、低频、中频、高频、甚高频……
根据波长命名：
长波、短波、中波、短波、微波……
第1章 绪论：频带与电波传播
R H(X) T
第1章 绪论：消息与信源
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例：求上例中信源的平均信息量和同样长度的序列 传送的平均信息量。
解：
n
H (x) P(xi )log2 P(xi )
i1
3 8
log2
3 8
1 4
log2
1 4
1 4
log2
1 4
1 8
log2
1 8
1.9055 (bit/symbol)
I 571.9055 108.62 (bit)
收信者—信宿：消息传输的目标对象。
第1章 绪论：通信的基本概念
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通信方式
广播和点—点方式
广播方式：信息同时送到多个收信者 点-点方式：一个信源对一个收信者
单工、半双工、全双工通信
第1章 绪论：通信的基本概念
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通信是信息时间/空间上的转移
存储系统也是一个通信系统
第1章 绪论：通信的基本概念
传输一个图像所需要的最短时间。
解：
信息/像素=log212=3.58 (bit) 信息/每幅图=3.58×2.25×106 =8.06×106 (bit)
若码元为N进制，则 Rb=RBlog2N
频带利用率
单位频带内允许传输的最高信息速率，单位
为bit/s/Hz，或bit/(s·Hz)。
b
Rb B
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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数字通信系统的可靠性
差错率来衡量 误码率
Pe = 错误接收码元数/传输码元总数 误比特率(BER)
Pb = 错误接收比特数/传输总比特数
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通信的基本问题
信息是接收方所未知的，消息越感出乎意料，信 息量就越大。
噪声也是无法预知的，噪声限制了通信的能力。
通信原理扣除课程中考虑的主要问题
能够高效地携带信息的信号形式。 适合特定信道传输的信号波形。 有效抑制噪声与其他干扰以保障传输质量的方案。 简单、可行的方法。 系统的成本。
信道容量
指信道可能传输的最大信息速率，即信道能 达到的最大传输能力。单位为bit/s。
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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对香农公式的说明：
任何一个信道，都有信道容量C。如果信源的
信息速率R不大于C，则在理论上存在一种方 法，可以使信息以任意小的差错率通过信道 传输；如果R大于C，则传输中必然会出现差 错。
第1章 绪论：消息与信源
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常见的消息类型
文字消息 语音 音乐 图像 计算机的数据
第1章 绪论：消息与信源
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1.4 信道
信道
介于发信者与收信者之间，供消息信号经过 的通道，是传输电、电磁波或光信号的物理 媒质。
有线信道：普通导线、电话线、电缆、波导 与光纤。
无线信道：大气、真空、海水等。
C
B
log2
1
S N 0B
带宽无限增大时
lim C
B
lim
B
B
log2
1
S N 0B
1.44
S N0
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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例1：已知彩色电视图像由5×105个像素组成。设每 个像素有64种彩色度，每种彩色度有16个亮度等级。
如果所有彩色度和亮度等级的组合机会均等，并统 计独立，(1)试计算每秒传送100个画面所需的信道 容量；(2)如果接收机信噪比为30dB，为了传送彩
数字信源
消息只有有限种取值。 衡量指标：符号种类数，符号速率。 数字信号。
模拟信源
消息有无限多种取值的连续量。 衡量指标：频带宽度。 模拟信号。
第1章 绪论：消息与信源
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模拟信号与数字信号
模拟信号：信号参量是连续变化的信号。 在时间上可以是连续的，也可以是离散的。
第1章 绪论：消息与信源
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数字信号：不仅在时间上是离散的，在幅 度上也是离散的。
时间连续信号与时间离散信号
第1章 绪论：消息与信源
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随机信号与确定信号
随机信号
全部或一个主要参量具有随机性的时间信 号是随机信号。接收者事先无法预知。
确知信号
参量取值确定，取值可事先确定。
第1章 绪论：消息与信源
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信息的度量
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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调制与解调单元：模拟通信系统的核心
调制的目的
将信息变换成适于传输的形式。 提高性能。 有效地利用频带。
如果没有调制器和解调器，则称为基带模 拟通信系统。
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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数字通信系统
利用数字信号来传递消息的通信系统。
信源
信源 编码
国际机构为国际电信联盟(ITU)负责，其前 身是国际电话与电报咨询委员会(CCITT)和 国际无线电咨询委员会(CCIR)。
第1章 绪论：频带与电波传播
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频分复用
多个信号错开频率位置共用频带的方法
第1章 绪论：频带与电波传播
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1.6 数字与模拟通信系统
模拟通信系统
利用模拟信号来传递消息的通信系统。
总的信息量为 Iall=23×I0+14×I1+13×I2+7×I3=107.5 bit
第1章 绪论：消息与信源
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信源的熵
若信源所发的n个消息对应的概率分别为P1(x), P2(x), …, Pn(x)，则消息的平均信息量为
n
H (X ) Pi(x)log2Pi(x) i1
称为信源的熵。 信源的各个消息等概分布时，信源的熵最大。 若信源每T秒产生一个符号，则信源的熵率为
信息量是对消息不确定性的定量描述。事件x 出现的可能性越小，则描述x的消息所携带信 息量也就越大。
信息量的定义
I
loga
1 P(x )
loga
P(x )
对数底a=2，则信息量单位为比特(bit) 对数底a=e，则信息量单位为奈特(nat) 对数底a=10，则信息量单位为哈特莱(Hartley)
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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(2) 由信噪比为30dB，得
S
30
1010
1000
N
代入香农公式得
Bmin
log2
C 1
S N
3.32
C lg1
S N
50(MHz)
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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例2：设有图像要在电话线路中传输，一个图像有2.25 ×106个像素，每个像素有12个亮度等级。假设所有 的亮度等级等概，电路带宽3kHz，信噪比30dB。求
第1章 绪论：频带与电波传播
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视线传播模式
电波像光波作直线传播的方式，是VHF及 更高的频率(30MHz以上)电波的主要工作 模式。用于卫星通信、外太空通信、微波 中继通信、调频广播等。
第1章 绪论：频带与电波传播
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无线频谱及其管理
为了维护秩序，协调通信应用，减少干扰， 各个国家都建立了有关政府部门进行管理。
色图像所需信道带宽为多少？ 解：(1) 信息/像素 = log2(64×16) = 10 (bit)
信息/每幅图 = 10×5×105 = 5×106 (bit) 信息速率R = 100×5×106 = 5×108 (bit/s) 因为R必须小于或等于C，所以信道容量为：
C≥R = 5×108(bit/s)
通信是指把消息(或信息)从一个地方和/或时 间传输到另一个地方和/或时间，即“消息传 输”或“信息传输”。
第1章 绪论：通信的基本概念
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通信系统的一般模型
发信者—信源：产生消息。
发送器：将消息转换为适合于在信道中传输 的信号，包括变换、编码、调制等。
信道：信号传输媒介。
接收器：将信号转换为消息，包括解调、解 码等。
s(t) 1
b. 叠加噪声后的波形 00 11 1
c. 再生后的波形
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
t
t
t
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通信系统的基本性能指标
有效性：要求系统高效率地传输消息，怎样 以最合理、最经济的方法来传输最大数量的 消息。
可靠性：要求系统可靠地传输消息，决定于 系统抗干扰的性能，即通信系统的抗干扰性。
第1章 绪论：通信的基本概念
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1.3 消息与信源
数字信源与模拟信源
消息、信号与信息
消息：信源产生、通信系统要传送的具体 内容。包含信息，具体的。
信号：消息的载体，即消息的具体表现形 式。
信息：消息中新的、有意义的且可被理解 的东西。抽象的。
第1章 绪论：消息与信源
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数字信源与模拟信源
模拟通信系统的有效性
用有效传输带宽来衡量。
模拟通信系统的可靠性
用输出信噪比来衡量。
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
信道容量
香农公式
对于连续信道，如果信道带宽为B，并且受到
加性高斯白噪声的干扰，则其信道容量的理 论公式为：
C
B
log2
1
S N
式中：N为白噪声的平均功率，S是信号的平 均功率，S/N为信噪比。
有效性和可靠性的要求是互相矛盾的，提高 有效性会降低可靠性，反之亦然，实际中需 要折衷解决办法。
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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数字通信系统的有效性
传输速率
码元传输速率RB：系统每秒钟传送的码元 (脉冲)数目，单位为波特(Baud)。
信息传输速率Rb：系统每秒钟传送的信息 量，单位为比特/秒(bit/s)。
给定的信道容量C可以用不同的带宽和信噪比 的组合来获得。带宽和信噪比可以互换。
无限增大信道带宽是否可以无限增大信道容 量？
第1章 绪论：数字与模拟通信系统
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当信道噪声为高斯白噪声时，香农信道容
量公式中的噪声功率不是常数而与带宽B有
关。
设单位频带内的噪声功率为n0(单边功率谱密 度)，则噪声功率N=N0B，信道容量为
通信原理
第1章 绪 论
第1章 绪 论
1.1 通信的基本概念 1.2 历史回顾# 1.3 消息与信源 1.4 信道 1.5 频带与电波传播 1.6 数字与模拟通信系统 1.7 通信网络#
注：#标注章节不讲解，自学
第1章 绪论
12
1.1 通信的基本概念
通信的基本含义
人类在生产生活和社会活动中总是伴随着消 息(或信息)的传递，这种传递消息(或信息) 的过程叫做通信。