1、1 通信原理通信原理 袁偉娜袁偉娜 電子與通信工程系電子與通信工程系 華東理工大學華東理工大學 2 課程簡介課程簡介 性質性質 通信工程通信工程、信息工程信息工程專業的重要專業基礎課。專業的重要專業基礎課。 特點特點 系統性強系統性強 原理性強原理性強 數學分析多數學分析多 預備知識預備知識 付氏變換（信號與系統）付氏變換（信號與系統） 隨機過程（概率論）隨機過程（概率論） 調制與解調（高頻）調制與解調（高頻） 3 主要教學形式主要教學形式 授課（授課（ppt教學和黑板板書）、指導、實驗。教學和黑板板書）、指導、實驗。 學習方法學習方法 掌握基本概念、原理、特點和分析思路掌握基本概念、原理、特

2、點和分析思路 會進行分析會進行分析 記住結論記住結論 課程成績分配課程成績分配 平時成績：平時成績：30%（出勤（出勤5、作業、作業5、期中考試、期中考試10 、實驗、實驗10） 期末考試：期末考試：70% 4 教材教材 通信原理通信原理 樊昌信等編樊昌信等編 國防工業出版社國防工業出版社 參考書參考書 數字通信數字通信 基礎與應用（第二版，英文版）基礎與應用（第二版，英文版） 美美Bernard Sklar 著著 電子工業出版社電子工業出版社 通信原理，續大我等編，北京郵電大學出版社通信原理，續大我等編，北京郵電大學出版社 通信原理教程，樊昌信編通信原理教程，樊昌信編 電子工業出版社電子工業

3、出版社 通信原理學習指導與題解，王福昌，華中科技大學出版通信原理學習指導與題解，王福昌，華中科技大學出版 社。社。 通信原理考研指導，郝建軍等，北京郵電大學出版社通信原理考研指導，郝建軍等，北京郵電大學出版社。 通信原理學習與考研指導，沙濟彰等，科學出版社通信原理學習與考研指導，沙濟彰等，科學出版社 5 第一章第一章 緒論緒論 1.1 1.1 引言引言 1.2 1.2 通信系統組成通信系統組成 1.3 1.3 通信系統分類及通信方式通信系統分類及通信方式 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 1.5 1.5 主要性能指標主要性能指標 6 1.1 引言引言 7 通信的定義通信的定義 通信：通

4、信：信息的傳輸和交換。信息的傳輸和交換。 通信方式：通信方式：運動通信；電通信運動通信；電通信 運動通信：運動通信：利用人力或機械的方式傳遞信息（郵政）利用人力或機械的方式傳遞信息（郵政） 電通信：電通信：利用有線電、無線電、光學或其它電磁系統對符號、利用有線電、無線電、光學或其它電磁系統對符號、 信號、文字、影象、聲音或任何信息的傳輸、發射或接收。信號、文字、影象、聲音或任何信息的傳輸、發射或接收。 通信系統：通信系統：傳遞信息所需的一切技術設備的總和。傳遞信息所需的一切技術設備的總和。 發話人發話人空氣空氣聽話人聽話人 信源信源信道信道信宿信宿 通信系統簡圖 8 通信的隨機性：通信的隨機性

5、：通信的本質是隨機的通信的本質是隨機的 隨機信源隨機信源 被發送的信號，在傳輸或接收端，會受到隨機形式的干被發送的信號，在傳輸或接收端，會受到隨機形式的干 擾（隨機噪聲）擾（隨機噪聲） 9 消息、信號、信息消息、信號、信息 消息（消息（message)message)：通信系統要傳送的內容，例如：語音、文通信系統要傳送的內容，例如：語音、文 字、圖象等字、圖象等 根據消息的狀態可分為：根據消息的狀態可分為： 離散消息：可數的消息狀態離散消息：可數的消息狀態( ( 符號、文字、數據等符號、文字、數據等) ) 連續消息：連續的消息狀態連續消息：連續的消息狀態( ( 語音、圖像等語音、圖像等) )

6、（電）信號（電）信號（signal)signal)：傳輸消息的手段，是消息的載體。傳輸消息的手段，是消息的載體。 在通信系統中是用電信號的某一個或多個參量在通信系統中是用電信號的某一個或多個參量( (頻率、幅值、相位等頻率、幅值、相位等) ) 來承載消息。來承載消息。 按代表消息的參量的取值方式不同，可分為模擬信號和數字信號按代表消息的參量的取值方式不同，可分為模擬信號和數字信號 區分模擬信號和數字信號的準繩是看其取值是連續的還是離散的，而區分模擬信號和數字信號的準繩是看其取值是連續的還是離散的，而 不是看時間。數字信號在時間上可以是連續的，模擬信號在時間上可不是看時間。數字信號在時間上可以是

7、連續的，模擬信號在時間上可 能是離散的。能是離散的。 信息信息(information)(information)：消息中包含的新的，有意義的且可被消息中包含的新的，有意義的且可被 理解的、不可壓縮的東西，消息是信息的載體。理解的、不可壓縮的東西，消息是信息的載體。 10 通信技術發展歷史（通信技術發展歷史（1 1） 19 19世紀發展電通信以來，通信技術的發展很快，其發世紀發展電通信以來，通信技術的發展很快，其發 展簡史如下：展簡史如下： A.D.1844A.D.1844，MorseMorse在華盛頓與巴爾的摩之間發送世界在華盛頓與巴爾的摩之間發送世界 上上第一份電報第一份電報（數字通信）（

8、數字通信） A.D.1864A.D.1864，MaxwellMaxwell提出提出電磁輻射方程電磁輻射方程 A.D.1876A.D.1876，BellBell發明發明電話電話并獲得專利（模擬通信）并獲得專利（模擬通信） A.D.1896A.D.1896，MarconiMarconi發明發明無線電報無線電報 A.D.1918A.D.1918，AMAM廣播，廣播，超外差接收機超外差接收機問世問世 A.D.1936A.D.1936，BBCBBC開始開始電視廣播電視廣播 A.D.1937A.D.1937，Alex ReevesAlex Reeves構想出構想出PCMPCM原理原理 A.D.1948A.

9、D.1948，ShannonShannon提出提出信息論信息論 A.D.1962A.D.1962，發射第一顆同步通信衛星；，發射第一顆同步通信衛星；PCMPCM進入實用進入實用 11 通信技術發展歷史（通信技術發展歷史（2 2） A.D.1963A.D.1963，IEEEIEEE成立成立 A.D.1960-1970 A.D.1960-1970 彩色電視機彩色電視機問世；數字傳輸理論與技問世；數字傳輸理論與技 術迅速發展；出現高速數字電子計算機術迅速發展；出現高速數字電子計算機 A.D.1970-1980A.D.1970-1980，VLSIVLSI、程控數字交換機、光纖通信、程控數字交換機、光纖

10、通信 系統、微處理器迅速發展系統、微處理器迅速發展 A.D.1985A.D.1985，傳真機普遍實用，傳真機普遍實用 A.D.1989A.D.1989，MotoralaMotorala引入便攜式蜂窩移動電話引入便攜式蜂窩移動電話 A.D. 1990A.D. 1990至今：至今：InternetInternet、 GSMGSM與與CDMACDMA、ISDNISDN、 xDSLxDSL、HDTVHDTV、GPSGPS 軟件無線電、軟件無線電、ATMATM與與IPIP、藍牙技術，、藍牙技術，SDH 3G 4GSDH 3G 4G . . 12 1.2 通信系統組成通信系統組成 13 通信系統的一般模型

11、通信系統的一般模型 信息源信息源把消息轉換成原始電信號（基帶信號），把消息轉換成原始電信號（基帶信號），即完成即完成“非電量非電量”到到“電量電量” 的變換。（如：話筒，攝像機等）的變換。（如：話筒，攝像機等） 發送設備發送設備將原始電信號變成適合在信道傳輸的形式將原始電信號變成適合在信道傳輸的形式（如：編碼器、調制器等）（如：編碼器、調制器等） 信道信道信號傳輸的媒質，包括有線信道和無線信道信號傳輸的媒質，包括有線信道和無線信道 接收設備接收設備將信道中送來的將信道中送來的帶有噪聲和干擾的接帶有噪聲和干擾的接收信號正確還原成原始電信號收信號正確還原成原始電信號 受信者受信者將復原的原始電信號

12、還原成消息。將復原的原始電信號還原成消息。（如：揚聲器、顯象管等）（如：揚聲器、顯象管等） 噪聲源：信道中或通信系統各噪聲和干擾的等效集中表示，為了分析方便，我們把噪噪聲源：信道中或通信系統各噪聲和干擾的等效集中表示，為了分析方便，我們把噪 聲和干擾理想化，并認為是從信道中引入的。聲和干擾理想化，并認為是從信道中引入的。 接收接收 設備設備 信信 源源 發送發送 設備設備 信信 道道 信信 宿宿 噪聲與干擾噪聲與干擾 發送端發送端 接收端接收端 消息消息 原始電原始電 信號信號 變換電變換電 信號信號 接收電接收電 信號信號 原始電原始電 信號信號 消息消息 14 模擬通信系統模型模擬通信系統

13、模型 連續連續 消息消息 頻帶信號頻帶信號 模擬模擬 信信 息息 源源 調調 制制 器器 信信 道道 解解 調調 器器 受受 信信 者者 噪聲源噪聲源發送端發送端 接收端接收端 電信號電信號 已調已調 信號信號 有擾有擾 信號信號 電信號電信號 連續連續 消息消息 噪聲電信號噪聲電信號 基帶信號基帶信號 基帶信號基帶信號 模擬通信中強調已調信號模擬通信中強調已調信號 參量與基帶信號成比例參量與基帶信號成比例 15 信息源信息源模擬通信中的信息源是狀態連續的模擬信號模擬通信中的信息源是狀態連續的模擬信號 調制器調制器進行頻譜搬移，將原始的基帶信號變換成適合進行頻譜搬移，將原始的基帶信號變換成適合

14、 在不同信道內傳輸的已調信號。（線性調制和非線性調制）在不同信道內傳輸的已調信號。（線性調制和非線性調制） 解調器解調器將已調信號還原成基帶信號，解調是調制的反將已調信號還原成基帶信號，解調是調制的反 過程。（相干解調和非相干解調）過程。（相干解調和非相干解調） 基帶：基帶：來自信源（和經過編碼）的信號所占用的頻帶稱為來自信源（和經過編碼）的信號所占用的頻帶稱為 基本頻帶，簡稱基帶。基本頻帶，簡稱基帶。 基帶信號：基帶信號：來自信源（和經過編碼）的信號，通常包含較來自信源（和經過編碼）的信號，通常包含較 低頻率的分量，甚至包含直流分量低頻率的分量，甚至包含直流分量 頻帶信號：頻帶信號：經過載波

15、調制后的信號稱為頻帶信號。經過載波調制后的信號稱為頻帶信號。 16 數字（調制）通信系統模型數字（調制）通信系統模型 信信 源源 信信 宿宿 信信 源源 編編 碼碼 信信 道道 編編 碼碼 調調 制制 器器 信信 道道 干擾與噪聲干擾與噪聲 信信 源源 解解 碼碼 信信 道道 譯譯 碼碼 解解 調調 器器 1 11 1 0 01 10 01 1 1 11 1 0 01 10 01 1 同步系統同步系統 基帶信號基帶信號頻帶信號頻帶信號 基帶信號基帶信號 壓壓 縮縮 編編 碼碼 保保 密密 編編 碼碼 信源編碼信源編碼 數字通信中強調已調頻帶信數字通信中強調已調頻帶信 號參量與基帶信號一一對應號

16、參量與基帶信號一一對應 17 信源編信源編/ /譯碼器譯碼器(Source Encoder/Decoder)(Source Encoder/Decoder)：信源編碼器的作用信源編碼器的作用 包括：提高消息傳輸的安全性、有效性，將模擬信號轉換成為包括：提高消息傳輸的安全性、有效性，將模擬信號轉換成為 數字信號從而實現模擬信號的數字傳輸。信源譯碼器是信源編數字信號從而實現模擬信號的數字傳輸。信源譯碼器是信源編 碼器的逆處理。碼器的逆處理。 信源編信源編/ /譯碼器通過采用加密技術和數字壓縮技術，提高數字信息傳譯碼器通過采用加密技術和數字壓縮技術，提高數字信息傳 輸的安全性，減少數字信息的冗余度，

17、從而提高傳輸效率。輸的安全性，減少數字信息的冗余度，從而提高傳輸效率。 通過采用模數通過采用模數( (A/D A/D ) )變換，可以將模擬信息源輸出的模擬信號轉換為變換，可以將模擬信息源輸出的模擬信號轉換為 數字信號，從而實現模擬信號的數字傳輸。數字信號，從而實現模擬信號的數字傳輸。( (參見第參見第7 7章章) ) 信道編信道編/ /譯器譯器(Channel Encoder/Decoder)(Channel Encoder/Decoder)：信道編碼器的目的信道編碼器的目的 是提高信號傳輸的可靠性是提高信號傳輸的可靠性 按照一定的規則在數字信號中添加一些保護成分按照一定的規則在數字信號中添

18、加一些保護成分( (冗余信息），從而冗余信息），從而 提高數字信息對抗噪聲和干擾的能力。提高數字信息對抗噪聲和干擾的能力。 信道譯碼器按照對應的規則進行解碼，從解碼的過程中發現和糾正錯信道譯碼器按照對應的規則進行解碼，從解碼的過程中發現和糾正錯 誤，從而提高數字信息的傳輸可靠性。誤，從而提高數字信息的傳輸可靠性。 調制調制( (Modulate) )：使經過編碼的信號特性與信道的特性相適使經過編碼的信號特性與信道的特性相適 應，使信號經過調制后能夠順利通過信道傳輸。應，使信號經過調制后能夠順利通過信道傳輸。 18 模擬信號數字化傳輸模擬信號數字化傳輸 模模 擬擬 信信 號號 A / D 數數

19、字字 通通 信信 系系 統統 D / A 受受 信信 者者 1 11 1 0 01 10 01 11 11 1 0 01 10 01 1 19 數字通信與模擬通信比較數字通信與模擬通信比較 數字通信系統的優點數字通信系統的優點 n可再生更好的抗失真和干擾的能力可再生更好的抗失真和干擾的能力 n信道編碼技術信號傳輸質量好，可靠信道編碼技術信號傳輸質量好，可靠 性高性高 n數字加解密技術保密性好數字加解密技術保密性好 n數字信號處理技術的發展容易實現，數字信號處理技術的發展容易實現， 成本低，更具靈活性成本低，更具靈活性 n更適合數字業務，容易實現多網合一更適合數字業務，容易實現多網合一 數字通信

20、系統的缺點數字通信系統的缺點 n同步設備復雜位同步，幀同步設備復雜位同步，幀 同步同步 n占用帶寬較寬例如一路模占用帶寬較寬例如一路模 擬電話所需帶寬為擬電話所需帶寬為4KHz，而，而 一路數字電話的帶寬可以達一路數字電話的帶寬可以達 到幾十千赫到幾十千赫(64KHz)。 發端發端放大放大收端收端 發端發端再生再生收端收端 20 1.3 通信系統分類及傳輸方式通信系統分類及傳輸方式 21 通信系統的分類（通信系統的分類（1） 按消息的物理特征按消息的物理特征 電話通信：傳送消息是語音信號電話通信：傳送消息是語音信號 電報通信：傳送的消息是文字、符號電報通信：傳送的消息是文字、符號 圖象通信：靜

21、止圖象（傳真）和活動圖象（視頻）圖象通信：靜止圖象（傳真）和活動圖象（視頻） 數據通信：一種總稱，傳送數據流（語音、圖象、文字等）數據通信：一種總稱，傳送數據流（語音、圖象、文字等） 按調制方式按調制方式 基帶傳輸：未經調制的信號直接傳送基帶傳輸：未經調制的信號直接傳送 頻帶（調制）傳輸頻帶（調制）傳輸 連續波調制（載波為連續信號）連續波調制（載波為連續信號） 模擬線性調制模擬線性調制(AM(AM、DSBDSB、SSBSSB、VSBVSB）、模擬非線性調制）、模擬非線性調制(FM(FM、 PMPM） 數字調制（數字調制（FSKFSK、PSKPSK、ASKASK） 脈沖調制（載波為矩形脈沖）脈沖

22、調制（載波為矩形脈沖） 脈沖模擬調制（脈沖模擬調制（PAMPAM）、脈沖數字調制（）、脈沖數字調制（PCMPCM、DPCMDPCM） 22 常用調制方式及用途常用調制方式及用途 數字微波、空間通信數字微波、空間通信 其它如其它如QAMQAM，MSKMSK 數據傳輸數據傳輸相位鍵控相位鍵控PSKPSK、DPSKDPSK 數據傳輸數據傳輸頻移鍵控頻移鍵控FSKFSK 數據傳輸數據傳輸振幅鍵控振幅鍵控ASKASK 數字調制數字調制 中間調制方式中間調制方式相位調制相位調制PMPM 微波中繼，衛星通信微波中繼，衛星通信 頻率調制頻率調制FMFM 非線性調制非線性調制 立體聲廣播立體聲廣播雙邊帶雙邊帶D

23、SBDSB 載波通信，短波無線電載波通信，短波無線電單邊帶單邊帶SSBSSB線性調制線性調制 廣播廣播常規雙邊帶常規雙邊帶AMAM 用途用途調制方式調制方式 載 波 調 制 23 市話中繼線、衛星、空市話中繼線、衛星、空 間通信間通信 脈碼調制脈碼調制PCMPCM 脈沖數脈沖數 字調制字調制 遙測、光纖傳輸遙測、光纖傳輸脈位調制脈位調制PPMPPM 中間調制方式中間調制方式脈寬調制脈寬調制PDMPDM 脈沖脈沖 模擬模擬 調制調制 中間調制方式，遙測中間調制方式，遙測脈幅調制脈幅調制PAMPAM 用途用途調制方式調制方式 脈 沖 調 制 電視電話、圖象編碼電視電話、圖象編碼差分脈碼調制差分脈碼

24、調制DPCMDPCM 軍用、民用數字電話軍用、民用數字電話 增量調制增量調制DMDM 中速數字電話中速數字電話 其它編碼方式其它編碼方式ADPCMADPCM 24 通信系統的分類（通信系統的分類（2） 按傳輸信號特征按傳輸信號特征 模擬通信系統：傳輸模擬信號模擬通信系統：傳輸模擬信號 數字通信系統：傳輸數字信號數字通信系統：傳輸數字信號 按信號復用方式按信號復用方式 頻分復用（頻分復用（FDM） 時分復用（時分復用（TDM） 碼分復用（碼分復用（CDM） 波分復用（波分復用（WDM） 按傳輸媒介按傳輸媒介 有線（電纜通信、光纖通信）有線（電纜通信、光纖通信） 無線（微波中繼，衛星和移動通信）無

25、線（微波中繼，衛星和移動通信） f t1 t t2 t3 TDMA t f c1 c2 c3 CDMA f2 f3 t f f1 FDMAFDMA 25 通信系統的分類（通信系統的分類（3） 頻率范圍頻率范圍波長波長符號符號傳輸媒介傳輸媒介用途用途 108104 m 甚低頻甚低頻 VLF 有線線對有線線對 長波長波無線電無線電 音頻、電話、音頻、電話、 數據終端等數據終端等 30kHz- 300kHz 104103 m低頻低頻 LF 有線線對有線線對 長波長波無線電無線電 導航、電力線導航、電力線 通信等通信等 300kHz- 3MHz 103102 m中頻中頻 MF 同軸電纜同軸電纜 中波中

26、波無線電無線電 調幅廣播、業調幅廣播、業 余無線電等余無線電等 3MHz- 30MHz 10210 m高頻高頻 HF 同軸電纜同軸電纜 短波短波無線電無線電 短波廣播等短波廣播等 30MHz- 300MHz 101 m甚高頻甚高頻 VHF 同軸電纜同軸電纜 米波無線電米波無線電 電視、調頻廣電視、調頻廣 播等播等 3Hz-30kHz 常用傳輸媒介及用途常用傳輸媒介及用途 26 通信系統的分類（通信系統的分類（4） 頻率范圍頻率范圍波長波長符號符號傳輸媒介傳輸媒介用途用途 10010cm 特高頻特高頻 ULF 波導波導 分米波無線分米波無線 電電 電視、雷達電視、雷達 導航、移動導航、移動 通信

27、等通信等 3GHz- 30GHz 101cm超高頻超高頻 SHF 波導波導 厘米波厘米波無線無線 電電 微波中繼、微波中繼、 衛星通信等衛星通信等 30GHz- 300GHz 101mm極高頻極高頻 EHF 波導波導 毫米波毫米波無線無線 電電 雷達、微波雷達、微波 中繼等中繼等 105-107GHz 3 10-4 3 10-6 cm 紫外、可見紫外、可見 光、紅外光、紅外 光纖光纖 激光空間傳激光空間傳 播播 光通信、遙光通信、遙 控等控等 300MHz- 3GHz 27 通信傳輸方式（通信傳輸方式（1） 發端發端信道信道收端收端單單 工工 半雙工半雙工 發端發端 信道信道 收端收端 收端收

28、端 發端發端 雙雙 工工 發端發端 信道信道 收端收端 收端收端發端發端 信道信道 消息只能單方向傳輸的工作方式。消息只能單方向傳輸的工作方式。 通信雙方都能收發消息，但不能同時進行接收和發送消息的工作方式。通信雙方都能收發消息，但不能同時進行接收和發送消息的工作方式。 通信雙方可以同時進行接收和發送消息的工作方式。通信雙方可以同時進行接收和發送消息的工作方式。 28 串行傳輸與并行傳輸串行傳輸與并行傳輸 串行：碼組的各位被依次串行送出串行：碼組的各位被依次串行送出 并行：碼組的所有碼元被并列同步傳送，堪稱并行：碼組的所有碼元被并列同步傳送，堪稱“齊步走齊步走” b7b6b5b4b3b2b0b

29、1b7b6b5b4b3b2b0b1 信道 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b0 b1 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b0 b1 . . . . . 按照數字信號排列順序分類按照數字信號排列順序分類 29 通信傳輸方式（通信傳輸方式（2） 同步傳輸與異步傳輸同步傳輸與異步傳輸 并行傳輸中的各位必須同步并行傳輸中的各位必須同步 串行傳輸則有同步與異步之分串行傳輸則有同步與異步之分 b7b6b5b4b3b2b0b1b7b6b5b4b3b2b0b1 碼組碼組傳 送 方 向 串行 數據 流 位同 步脈 沖 幀同 步脈 沖 串行數據流的同步傳輸 30 串行傳輸的異步傳輸串行傳輸的異步傳輸 在異步

30、方式下，一般在傳送的同一個數據幀內各個碼在異步方式下，一般在傳送的同一個數據幀內各個碼 元是緊密排列，一位接一位，而各幀之間則可能有間元是緊密排列，一位接一位，而各幀之間則可能有間 隔，間隔大小不定。隔，間隔大小不定。 通信傳輸方式（通信傳輸方式（3） 碼組1碼組2 傳 送 方 向 串行 數據 流 起元 b7 b0 止元起元 b7 b0 止元起元 b7 b0 止元 間隔間隔 碼組3 串行數據流的異步傳輸 31 1.4 信息及其度量信息及其度量 32 離散信源的度量離散信源的度量 直觀經驗直觀經驗 消息出現的可能性越小，攜帶的信息量就越大；消息出現的可能性越小，攜帶的信息量就越大； 消息持續時間

31、越長，攜帶的信息量越大；消息持續時間越長，攜帶的信息量越大； 信息量的定義信息量的定義 1）單個離散消息單個離散消息x所攜帶的信息量所攜帶的信息量 其中其中P(x)為消息為消息x發生的概率，以發生的概率，以2為底時，單位為底時，單位bit ,a=10, 哈特萊哈特萊,a=e, 奈特奈特 信息及其度量（信息及其度量（1） )( 1 log xP I a 33 信息及其度量（信息及其度量（2） 例例1已知二元離散信源只有已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號，若兩種符號，若“0”出出 現的概率為現的概率為1/3，則出現，則出現“1”的信息量為的信息量為 例例2若用若用M進制波形之一來傳送進制波

32、形之一來傳送M個消息之一，且這個消息之一，且這M個消息個消息 出現的概率是相等的，則發送每一波形的信息量為出現的概率是相等的，則發送每一波形的信息量為 若若M=2，有，有 )(585.0) 2 3 (log)1( 2 bitI )(log) /1 1 (log 22 bitM M I )(1 bitI 34 信息及其度量（信息及其度量（3） 注意注意：用二進制信號傳送二進制消息時，當消息出現：用二進制信號傳送二進制消息時，當消息出現 的概率相等時，的概率相等時， 每一信號攜帶的信息量為每一信號攜帶的信息量為1bit。 +1 -1 t +1 t +1/2 t -1/2 t -1 t （二進制信號

33、） （4進制信號） 1)1( I 2)1( I 35 信息及其度量（信息及其度量（4） 2）一串符號構成消息的信息量 離散信源離散信源X產生的由一串符號構成的消息中攜帶的產生的由一串符號構成的消息中攜帶的 信息量為信息量為: 其中，其中，ni、P(xi)分別為第分別為第i個符號出現的次數和概率，個符號出現的次數和概率， N為離散信源中符號的個數。為離散信源中符號的個數。 )(log2 1 i N i i xPnI 36 信息及其度量（信息及其度量（5） 例例3一信源由一信源由4個符號個符號0,1,2,3組成組成,它們出現的概率分它們出現的概率分 別為別為3/8,1/4,1/4和和1/8,且每個

34、符號的出現都是獨立且每個符號的出現都是獨立 的的.試求消息試求消息 2010201302130012032101003210100231020020103120 32100120210 的信息量的信息量. 0 23次次,114次次,213次次,37次次 每符號每符號“0”攜帶的信息量為攜帶的信息量為: log2(8/3)=1.415 每符號每符號“1”攜帶的信息量為攜帶的信息量為: log2(4)=2 每符號每符號“2”攜帶的信息量為攜帶的信息量為: log2(4)=2 每符號每符號“3”攜帶的信息量為攜帶的信息量為: log2(8)=3 37 信息及其度量（信息及其度量（6） 消息的信息量為

35、消息的信息量為 每符號的算術平均信息量為每符號的算術平均信息量為 ) 8 (log7) 4(log13) 4(log14) 3 8 (log23 2222 I )(108 bit 符號）/(89. 1 57 108 bitI 38 信息及其度量（信息及其度量（7） 3）離散信源平均信息量(熵) 離散信源離散信源X每個符號每個符號xi所含信息量的統計平均值所含信息量的統計平均值 其中其中P(xi)為第為第i個符號出現概率，個符號出現概率，N為離散信源中符為離散信源中符 號的個數。號的個數。 在在例例3中中,離散信源的平均信息量為離散信源的平均信息量為 )(log)()( 2 1 i N i i

36、xPxPxH ) 8 (log 8 1 ) 4(log 4 1 ) 4(log 4 1 ) 3 8 (log 8 3 2222 H )(906. 1bit 39 信息及其度量（信息及其度量（8） 4）離散信源最大熵 當離散信源中每個符號等概出現且各符號出現為當離散信源中每個符號等概出現且各符號出現為 統計獨立時統計獨立時,該信源有最大平均信息量該信源有最大平均信息量: N NN H N i 22 1 max log 1 log 1 40 信息及其度量（信息及其度量（9） 連續信源的信息度量連續信源的信息度量 連續信息的平均信息量（相對）為連續信息的平均信息量（相對）為 dxxfxfxH)(lo

37、g)()( 2 41 1.5 主要性能指標主要性能指標 42 q有效性指標有效性指標: :有效性是指傳輸一定信息量時所占用的信道資源數有效性是指傳輸一定信息量時所占用的信道資源數 ( (頻率范圍或時間間隔頻率范圍或時間間隔) )( (模擬通信系統和數字通信系統有不同的有效模擬通信系統和數字通信系統有不同的有效 性評估指標性評估指標!)!) v 模擬通信系統的有效性指標：模擬通信系統的有效性指標：有效傳輸頻帶寬度有效傳輸頻帶寬度( (帶寬帶寬) ) v 在傳輸的信息量不變的條件下，模擬通信系統所占用地有效帶寬在傳輸的信息量不變的條件下，模擬通信系統所占用地有效帶寬 越小，系統的有效性越好。越小，

38、系統的有效性越好。 v 數字通信系統的有效性指標：數字通信系統的有效性指標：傳輸速率和頻帶利用率傳輸速率和頻帶利用率 v 傳輸速率和頻帶利用率分別反映了傳輸一定信息量時數字通信系傳輸速率和頻帶利用率分別反映了傳輸一定信息量時數字通信系 統所占用的信道時間間隔和頻帶寬度。統所占用的信道時間間隔和頻帶寬度。 傳輸速率：碼元傳輸速率：碼元( (消息符號消息符號) )傳輸速率和信息傳輸速率。傳輸速率和信息傳輸速率。 碼元傳輸速率：每秒鐘傳送的碼元個數碼元傳輸速率：每秒鐘傳送的碼元個數( (又稱碼元速率、傳碼又稱碼元速率、傳碼 率、波特率率、波特率) )，常用符號，常用符號RB表示，單位為波特表示，單位

39、為波特( (Baud= Symbol/s) )。 43 傳輸速率傳輸速率( (續續) )：碼元：碼元( (消息符號消息符號) )傳輸速率和信息傳輸速率。傳輸速率和信息傳輸速率。 若信道上傳輸一個碼元符號所需的時間間隔為若信道上傳輸一個碼元符號所需的時間間隔為Ts秒，則秒，則 注：碼元速率與進制數無關，僅與傳輸一個碼元符號所需的時間間隔注：碼元速率與進制數無關，僅與傳輸一個碼元符號所需的時間間隔 Ts有關有關! 規定：每個二進制碼元含有規定：每個二進制碼元含有1bit1bit信息量。信息量。 信息傳輸速率：每秒鐘傳送的信息量信息傳輸速率：每秒鐘傳送的信息量( (又稱傳信率、比特率又稱傳信率、比特

40、率) )，常用符，常用符 號號Rb表示，單位為比特表示，單位為比特/ /秒秒( (bit/s) )。信息傳輸速率。信息傳輸速率Rb和碼元傳輸速率和碼元傳輸速率RB 的關系的關系 H為數字信息源的平均信息量為數字信息源的平均信息量( (單位：比特單位：比特/ /符號符號) )。 二進制和二進制和M進制數字信號的比較：若二進制和進制數字信號的比較：若二進制和M進制數字信號均滿足進制數字信號均滿足 等概率取值的假設條件，則兩者的平均信息量等概率取值的假設條件，則兩者的平均信息量H2和和HM滿足滿足 若碼元傳輸速率若碼元傳輸速率RB保持不變的前提下，多進制數字信號的信息傳輸速保持不變的前提下，多進制數

41、字信號的信息傳輸速 率比二進制數字信號高。率比二進制數字信號高。 Baud T R s B 1 sbitHRR Bb / symbolbitMHsymbolbitH M /log,/12log 222 44 頻帶利用率：單位頻帶內的碼元傳輸速率或信息傳輸速率頻帶利用率：單位頻帶內的碼元傳輸速率或信息傳輸速率( (又稱為帶寬又稱為帶寬 效率效率) )。 若數字通信系統在給定的碼元傳輸速率若數字通信系統在給定的碼元傳輸速率RB或信息傳輸速率或信息傳輸速率Rb下所占下所占 用的信道頻率帶寬為用的信道頻率帶寬為B(Hz)，則數字通信系統的頻帶利用率為，則數字通信系統的頻帶利用率為 在在數字通信系統的碼

42、元傳輸速率數字通信系統的碼元傳輸速率RB一定時，在一定時，在等概取值條件等概取值條件下，多下，多 進制數字信號具有更高的頻帶利用率，因而多進制數字信號具有更進制數字信號具有更高的頻帶利用率，因而多進制數字信號具有更 好的傳輸有效性。好的傳輸有效性。 其中，其中， 為為M進制數字信號的頻帶利用率，進制數字信號的頻帶利用率， 為二進制數字信為二進制數字信 號的頻帶利用率。號的頻帶利用率。 注：比較不同的數字通信系統的有效性時，不能單看它們的傳輸速率，注：比較不同的數字通信系統的有效性時，不能單看它們的傳輸速率， 還應比較它們的頻帶利用率還應比較它們的頻帶利用率! Hzsbit B R HzBaud

43、 B R b b B B /;/ HzsbitM bMb /log2 2, Mb, 2,b 45 q可靠性指標可靠性指標: :可靠性是指接收消息的準確程度可靠性是指接收消息的準確程度( (模擬通信系統和數字模擬通信系統和數字 通信系統有不同的可靠性評估指標通信系統有不同的可靠性評估指標!)!) v 模擬通信系統的可靠性指標包括：模擬通信系統的可靠性指標包括： 信噪比信噪比(signal-to-noise ratio) 百分比失真度百分比失真度(percent distortion) 發送端波形和接收波形的期望均方誤差等發送端波形和接收波形的期望均方誤差等。 v 數字通信系統的可靠性指標為差錯率包括：數字通信系統的可靠性指標為差錯率包括： 誤碼率誤碼率Pe：碼元：碼元( (消息符號消息符號) )在傳輸過程中被傳錯在傳輸過程中被傳錯( (碼元丟失碼元丟失) )的概率。的概率。 誤碼率誤碼率Pb：碼元：碼元( (消息符號消息符號) )在傳輸過程中，其信息量被傳錯在傳輸過程中，其信息量被傳錯