现代通信理论第一章.ppt

现代通信理论,孔英会2005-3-1,课程简介,重要的专业基础课，介绍通信的基本理论和基本的分析方法。对理解现代通信技术及从事通信领域的研究、开发工作具有指导作用。学时28教材：李白萍 主编，现代通信理论，西安电子科技大学出版社，2006.10.1 参考书：1.曹志刚，钱亚生，现代通信原理 清华大学出版社2张辉 曹丽娜，现代通信原理与技术，西安电子科技大学出版社3樊平毅 冯重熙.现代通信理论基础-信息与传输理论，清华大学出版社,2006,课程主要内容,在本科通信原理基础上，增加了现代通信最新技术的核心内容-延伸和拓展以通信理论的重要部分编码、调制技术为主线。建立各种通信系统模型，分析系统主要性能指标。关注通信理论与新技术在实际中的应用，强调“现代”。,课程学习要求,掌握基本概念和基本分析方法。将基本理论与实际应用结合，加深理解。密切关注现代通信新技术的发展，不断充实。,章节安排,第一章 绪论（2-4学时）第二章 信源编码理论（4学时）第三章 数字信号的基带传输理论（6 学时）第四章 数字信号的频带传输理论（6 学时）第五章 多路复用与多址技术（4-6学时）复习（2学时）,第一章 绪论通信的基本概念与基本问题,基本内容：通信的概念、通信系统的构成通信系统的分类与通信方式通信系统的主要性能指标信息论初步-信息量、平均信息量、信道容量、香农公式、香农三大定理,1.1 通信的概念、通信系统的构成,一通信的基本概念 通信的实质是实现信息的传输与交换。,从古到今，人类的社会活动总离不开消息的传递和交换，古代的消息树、烽火台和驿马传令，以及现代社会的文字、书信、电报、电话、广播、电视、遥控、遥测等，这些都是消息传递的方式或信息交流的手段。人们可以用语言、文字、数据或图像等不同的形式来表达信息。但是这些语言、文字、数据或图像本身不是信息而是消息，信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息，否则，就失去了通信的意义。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。,实现通信的方式很多，随着社会的需求、生产力的发展和科学技术的进步，目前的通信越来越依赖利用“电”来传递消息的电通信方式。由于电通信迅速、准确、可靠且不受时间、地点、距离的限制，因而近百年来得到了迅速的发展和广泛的应用。当今，在自然科学领域涉及“通信”这一术语时，一般均是指“电通信”。广义来讲，光通信也属于电通信，因为光也是一种电磁波。本课中的通信均指电通信。,重点讨论信息的传输。,一通信的基本概念（续）,进一步理解通信的概念,若只考虑传输，可以将通信表述为：通信的实质是实现信息的传输。包含信息的消息形式多种多样，如声音、图像、数据、多媒体等，这些形成了不同的通信业务。传输一般是远距离的，可以是无线（微波、移动、卫星等）或有线（电力线、电缆、光缆等）传输。对通信的一个形象的比喻：顺风耳、千里眼,区分概念,信息：尚无确切的科学定义。一般地说，它是从不知到确知的过程中的内涵实体。信息是抽象的。信息是资源。消息：消息是具体的，它包含了信息。信号：为消息的表现形式。因此，通信过程中实际传输的是各种电信号。,信号分析方法是本课经常采用的基本分析方法。,二通信系统的构成,通信系统：指传输信息所需的一切技术设备的总合。可 用下面的一般模型加以概括。,通信系统的构成(续）,按信号特征不同可以将通信信号分为模拟信号和数字信号，因此对应两种通信系统，即模拟通信系统与数字通信系统。,（1）传输模拟信号时为模拟通信系统。模拟通信系统的一般模型如下：,通信系统的构成(续）,（2）信道中传输数字信号时为数字通信系统。,数字通信系统的一般模型如下（数字频带传输系统）,通信系统的说明,上述图中只给出了点到点单向通信系统，实际在大多数场通信系统需要进行多路复用、双向进行，信源兼为受信者，通信设备包括发信设备和收信设备。此外，通信系统除了完成信息传输外，还必须进行信息的交换，传输系统和交换系统以及信令、协议、标准、管理共同组成一个完整的通信系统，乃至通信网。传输、复用、交换、网络为现代通信的四大技术，本课程重点介绍传输、复用技术。,三、通信系统的分类,1按消息的物理特征分类：电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统 图象通信系统 多媒体通信系统,通信系统的分类（续）,2按调制方式分类：载波调制（连续波调制）脉冲调制,常用调制方式,多进制数字调制正交振幅调制(QAM)网格编码调制(TCM)最小移频键控(MSK)与高斯最小移频键控(GMSK)、DQPSK调制OFDM扩频调制,现代数字调制技术,通信系统的分类（续）,3.按传输信号的特征分类 模拟通信系统 数字通信系统 其中数字通信成为发展的主流。,数字通信的优点：-无噪声累积，抗干扰能力强，-便于进行数字信号处理，实现集成化，-便于加密及计算机处理，实现综合业务数字网。,通信系统的分类（续）,4.按传送信号的复用方式分类 频分复用（FDM）-模拟通信（广播、模拟载波）时分复用（TDM）-大多数数字通信 码分复用（CDM）-移动 波分复用（WDM）-光纤,通信系统的分类（续）,5按传输媒介分类 有线通信系统 无线通信系统 有线通信系统还包括载波、电缆、光纤通信系统，无线通信系统有调幅、调频广播、电视、移动通信、空间 遥测、雷达导航、微波接力、卫星通信系统等。各种传输媒质有其特定的工作频率（频率是资源），,常用传输媒介的频率范围及用途,进一步理解通信系统的构成,具体的通信系统都遵从一般模型,只是不同的系统,各个框的具体形式不同.,电力线载波通信系统,电力线载波机,微波中继通信,微波设备,光纤通信,光纤通信系统,光纤通信网,卫星通信,广州气象卫星地面站,移动通信,移动通信包括公用移动、寻呼、无绳电话、集群、无线本地环（小灵通）,通信网实例,通信网实例,1 按消息传递的方向与时间关系分 对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。,四、通信方式-双向通信过程中涉及的信道共享问题,单工、半双工和全双工通信方式示意图,-并行传输是将数字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，如图（a）所示。优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。,2 按数字信号排列顺序分-并行传输和串行传输,-串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输，如图(b)所示。一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。,五、通信系统的主要性能指标,在设计或评价通信系统时，往往涉及通信系统的性能 指标，以衡量其性能的优劣，性能指标也称质量指标。通信系统的性能指标涉及有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、维护使用等。但从研究信息的传输来说，主要有两个，即：有效性-消息传输的速度问题 可靠性-消息传输的质量问题 二者是一对矛盾,通信系统的主要性能指标（续）,1模拟通信 有效性-信号传输带宽B。可靠性-信噪比(So/No)，通信系统接收端的输出信号噪声功率比(SNR,Signal Noise Ratio)。信号B越小，占用信道带宽越少，有效性越好；So/No越大，信号质量高，可靠性越好。,理解带宽,信号带宽越小越好，如SSB方式比FM方式有效性好信道带宽越大越好，如全光网络的普及,理解信噪比,输出信噪比So/No越大越好，如语音通信质量30分贝（dB）良好，40分贝以上优质。输入信噪比（也称信道信噪比）越小越好，能降低设备设计难度。,通信系统的主要性能指标（续）,2数字通信 有效性-传输速率，又分成:（1）码元传输速率(或传码率RB)：单位时间能够传送的码元数(波特,Baud)。每个码元传输所占用的时间TB（秒，S）为码长,则RB=1/TB(波特,Baud)。若码元为二进制 RB 对应RB2,若为M 进制 RB 对应RBM，RB2=RBMlog2 M,通信系统的主要性能指标（续）,（2）信息传输速率(也称传信率Rb):单位时间能够传送的信息量(bit/s)。,二者关系：Rb=RBlog2M 比特/秒 RB=Rb/log2M 波特,RB Rb，因为多进制码元要用多位二进制表示，所需传输时间长，传输速率降低。,说明：在许多资料上也借用带宽来描述数字通信系统的有效性即传输速率，例 如说某信道的带宽为56kb/s,也就意味着该信道的数据传输速率为56kb/s。,对传输速率的理解,对于信源，速率越低越有效，例各种压缩，使利用网络即时收听音乐、收看影片成为可能。,对于信道，速率越高越好，例主干网络的光纤化使线路传输速率提高,用户得到更好的服务。,通信系统的主要性能指标（续）,有时也用频带利用率表示数字通信系统有效性,越大，有效性越好,通信系统的主要性能指标（续）,数字通信系统可靠性指标-错误概率，又分为：,Pe 可靠性好 Pb Pe,误码率Pe=接收的错误码元数/发出的总码元数；误比特率Pb=接收的错误比特数/发出的总比特数；,有时也用功率利用率描述数字通信系统的可靠性。,理解误码率,误码率越小越好，一般数字通信达到10-6或更小。控制误码率有各种措施，如提高发信功率、合理选择调制、解调方式、最佳接收机设计、纠错编码（信道编码）,练习,1.给定八进制速率RB=1600B，其信息速率为（A）4800b/s（B）2400b/s（C）14400b/s（D）9600b/s 2.对MQAM，M越大，则（A）频带利用率越高（B）频带利用率越低（C）抗干扰能力低（D）A和C,1.2 信息论初步,一、信息的度量 通信的目的在于传输信息，为了衡量通信系统传输信息的能力，需要对被传输的信息进行定量的描述，要涉及信息量的定义。这里分成两种情况讨论，即 离散信源产生离散消息的信源；连续信源产生连续消息的信源；,1.离散信源信息量,而可能性可以由消息的统计特性概率描述。,一个消息携带的信息量大小与消息出现的可能性有关，,例1：比较以下两条消息包含的信息量I（1）去年冬天下雪了，（2）今年夏天下雪了，,信息论初步,信息量的单位与对数底数a有关。a=2时，信息量的单位为比特(bit)；a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；a=10时，信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。目前广泛使用的单位为比特。,信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为：,例 2.设二进制离散信源 以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出符号的信息含量为,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。同理，传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。,*进一步，对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，每一个波形的出现独立，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为：,信息论初步,式中，P为每一个波形出现的概率，M为传送的波形数。若M是2的整幂次，比如M=2k（k=1，2，3，），则上式可改写为：,1.2 信息论初步,式中,k是二进制脉冲数目，也就是说，传送每一个M（M=2k）进制波形的信息量就等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目k。,I=log2 2k=k(bit),非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为P(xi)，且有 P(xi)=1,则x1,x2,xn 所包含的信息量分别为-log2 P(x1),-log2 P(x2)，-log2 P(xn)。每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为：,又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。,1.2 信息论初步,当信源中每个符号等概独立出现时，信源的熵有最大值,2.平均信息量,H max=log2 M(bit/符号)=log2 2k=k(bit/符号),1.2 信息论初步,例3:某离散信源由A，B,C,D四种符号构成，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，1/2，各消息符号的出现相对独立,该信源的平均信息量为，要获得最大平均信息量，条件为,此时的平均信息量为。,1.2 信息论初步,(二）连续信源信源熵,1.2 信息论初步,信道容量：对一切可能的信源概率分布，信道传输信息的最高速率。,二、信道容量和香农公式,对于连续信道,式中S为信号的功率，B为信道带宽，S/N为信道信噪比。,这是著名的香农公式，,1.2 信息论初步,理解香农公式,香农公式是现代通信的基础，实际通信系统在保持一定信道容量时，根据具体情况解决信号带宽B（有效性）与信噪比S/N（可靠性）的矛盾与统一。,1.2 信息论初步,例4.已知电视图像由3105 个像素组成，设每个像素有64 种色彩，每种色彩有16个亮度等级。试计算：（1）每秒传送30个画面所需的信道容量；（2）如果接收机信噪声比为30dB，那么传送彩色图像所 需的信道带宽为多少？解：每像素信息量=2（6416）=10 bit 每幅图信息量=10 3 105bit=3 106bit 信源信息速率R=30 3 106=9107bit/s 由C的定义可知，应有CR=9107bit 又S/N=1000 B=C/2（1+S/N）9MHz,1.2 信息论初步,例5.电话信道带宽为3.4kHz,接收端信噪比为30dB，求该信道的最高信息传输速率。解：信道带宽B=3.4kHz，信噪比S/N=1000 C=Blog2(1+S/N)33.6 kHz=Rmax 此例可以解释话带MODEM的传输速率受限问题，如V.90话带MODEM不对称速率。,通信发展趋势,数字化、宽带综合化、个人化，、智能化、最终实现全球个人通信。光纤通信、移动通信、卫星通信三种通信是目前发展的主流。,香农三大定理,信源编码的理论基础是香农三大定理。在信息论课程中会有详细介绍。,信源编码定理,香农第一定理(可变长无失真信源编码定理)设R为每个符号能唯一编码所需要的二进制位数，H(x)为信源熵，则R H(x)（R的下界），H(x)/R为编码效率。信源熵H(x)取最大值的条件是统计独立、符号等概，不满足独立条件（即符号间不等概、具有相关性）时，H(x)会变小，R才有可能小。利用符号间的相关性，可以实现压缩，提高信源编码效率。,统计相关与统计独立,如果一个随机变量值增加（或减少），另一个也统计地增加（或减少），则称这两个随机变量统计相关；否则，称统计独立。统计相关概念的应用：信源编码、信号检测、CDMA、PCA、数据挖掘（聚类）等。,香农第二定理（有噪信道编码定理）在有噪声的信道上传输信息的时候，可以对所传输的信息进行适当的编码，只要所传输的信息速率不超过信道的容量，只要编码足够复杂，那么，就总可以找到一种编码方法，使传输的差错率无限地逼近于零。但是，如果信息的传输速度超过了信道的容量，上述的结论就不再成立。,信源编码定理（续）,香农第三定理（保失真度准则下的有失真信源编码定理）设R(D)为一离散无记忆信源的信息率失真函数（每符号需要的最低比特率）,编码后每个符号的信息传输速率为R，则R R(D)，香农三大定理是存在性定理，虽然并没有提供具体的编码实现方法，但为通信信息的研究指明了方向。,本章小结,通信系统的构成通信系统的主要性能指标（相关的计算，如速率，误码率）信息量、平均信息量的计算信道容量、香农公式含义及计算,