高级通信原理第1章绪论 ppt课件

高级通信原理,课程类型： 学位课 学时数： 48学时 先修课程：通信原理、信号与系统、概率论与随机过程 使用教材： 1）周炯磐，通信原理（第3版），北京邮电大学出版社，2008 2） John G.Proakis，“Digital communications”，4th Edition，电子工业出版社，2001,第1章 绪 论,一、通信发展简史 二、什么是通信？ 三、数字通信系统的组成部分 四、通信信道 五、通信系统的性能指标 六、课程的主要内容,通信发展简史,1837年 莫尔斯(美，Morse)发明有线电报 1864年 麦克斯韦(苏，Maxwell)提出电磁辐射方程 1876年 贝尔(美，Bell)发明电话 1895年 马可尼(意，Marconi)发明无线电报 1906年 费雷斯特(美，Forest)发明真空管 1918年 调幅无线电广播、超外差接收机问世 1925年 开始采用三路明线载波电话、多路通信,通信发展简史,1936年 调频无线电广播开播 1937年 里夫斯(英Reeves)发明脉冲编码调制技术 1938年 电视广播开播 1940-1945年 二次大战刺激了雷达和载波通信的发展 1947年 时分多路技术应用于电话 1948年 发明晶体管；仙农(美，Shannon)提出信 息论；维纳(美，Wiener)发表控制论 通信统计理论开始建立。,通信发展简史,1956年 越洋电缆敷设 1957年 发射了第一颗人造卫星 1958年 发射了第一颗通信卫星 1960年 发明激光 1961年 发明集成电路 1962年 脉冲编码调制进入实用阶段 1963年 发射第一颗同步通信卫星,通信发展简史,1960-1970年 彩色电视问世;阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论和技术得到了飞速发展；出现了高速数字计算机 1970-1980年 大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理器和数字信号处理器等迅速发展 1980年以后 超大规模集成电路、长波长光纤通信系统、SDH传输、ISDN及B-ISDN迅速发展 通信理论部分：调制理论，信息论，信号检测理论。,什么是通信?,通信的任务是传递消息。 消息的本质和价值取决于它所包含的信息量，即对接收者的不确定性,定义独立消息xi 的信息量:,信号是消息的承载者。最简单的消息是二择一的消息(二元消息)，它所对应的信号称为二元数字信号。 广义数字信号：时间离散、状态取有限的离散值的波形。 数字通信：利用数字信号(包括其变换形式)传递消息的通信方式。,通信系统的基本矛盾：可靠性与有效性 可靠性发送消息在接收端的准确还原（矛盾的主要方面） 有效性信道资源的充分利用（时域、频域） 形成这种矛盾的根本原因：信道不理想 带宽、时间受限 噪声和干扰,研究通信系统的基本出发点 在一定可靠性要求下，如何尽可能去提高系统的有效性 在一定的有效性要求下，如何最大限度的提高可靠性,数字通信系统的基本模型,信源编码：分为无失真编码和限失真编码。 作用：把信源发出的消息变换成二进制码元组成的代码组；压缩信源的冗余度，提高通信系统传输消息的有效性。,信道编码：添加监督码元，使之具有检错或纠错能力，提高传输消息的可靠性。,调制： 1)基带调制 2)频带调制,等效低通分析 信号的矢量分析,调制,符号速率和信息速率的关系：,符号同步：为了对解调器的输出同步抽样，需要估计发送端到接收端的传播延迟。 载波同步：相干检测器要求本地载波和发送载波同频同相。,均衡：克服码间干扰。,信道,传输的可靠性和有效性都取决于信道，实际信道都是非理想信道。影响传输的信道缺陷(impairment)主要是： 传递函数H()不理想而带来的传输信号的线性失真，带来相邻符号间的干扰ISI (Inter-symbol-interference) 由信道引入的噪声是造成接收机判决失误的主要原因,信道噪声 基本特点是存在随机噪声。 为分析的方便，认为噪声是从信道集中引入的。 当信道的噪声和其他用户的干扰与期望信号占有相同的频带时，可以通过发送信号和接收机解调器的适当设计来使影响最小。,加性高斯白噪声,AWGN (Additive White Gaussian Noise) 以相加的形式叠加于传输信号 占据无穷带宽，且双边功率谱处处为常量N0/2(W/Hz) 瞬时值分布密度是高斯函数,信道的数学模型,三、数字通信系统的主要性能指标 可靠性：误比特率、误符号率 有效性：频带利用率,数字通信系统的基本指标,基本可靠性指标：误信息率,误符号率,数字通信系统的基本指标,基本有效性指标：频带利用率,表征系统每赫兹带宽在单位时间内平均能传输的信息量(b/s/Hz)，代表系统信道资源的利用程度。,类似地，亦可用符号速率率计算频带利用率,数字信号传输的简要介绍,数字通信是一种通信方式，是一大类通信系统的统称。,数字信号的传输系统,离散信源,模拟信号的数字化(波形编码) 信源编码(减小冗余，压缩编码) 信息(二进制)速率(传信率)(bits/s),波形变换器(信道信号映射),把离散信源发出的消息映射为适于信道传输的波形，实现离散信息与连续信道的匹配,因为xi 是离散的有限取值, 与si 的对应是固定的唯一的，是发、收双方事先约定的。即si(t)是确知的(known)(注意，不是确定的determinant)，接收端只是不知道观察时间 0, T内，发送端发出的是哪一个波形。,波形变换器,信道编码：二进制序列间的变换，引入一定冗余，以提高信息传输的可靠性。 多状态符号形成：二进流的N比特码组 M 状态符号(Symbol) 符号波形产生,波形变换器,多状态符号形成：M个确知信号的每一种对应于一个固定的二进信息流的N比特码组。因此，每一个M状态符号携带的信息量是N比特。M个确知信号中的每一种称为传输信号的一种状态(state)。,(Bd),波形变换器,确知波形(模拟信号波形)的选取称为波形设计 ( Waveform Design),选取原则 有利于提高接收的可靠性 有利于充分利用信道资源,基带or频带？,接收机,在0, T内并不知道发送端发出的是哪一个消息xi ，唯一得到的是一段波形,由于si(t)被z(t) 掩盖不能直接作出逆映射,接收机的根本任务：对r(t)进行处理，按一定的标准(判决准则)，判定0, T内发送端发出的是哪一个消息xi，这一过程称为判决(decision)。,在数字通信中，接收机的主要功能不是单纯的解调，而在于作出“判决”，这是与模拟通信最大的不同。,判决方法不是唯一的。,接收机,研究数字通信系统理论的目的：在信道给定的条件下，设计传输信号的形式(确知波形)，并选择最好的判决方法，使传输的信息有最大的可靠性和尽可能高的有效性。 由于传输信道不理想，接收信号r(t)不可能是发送波形si(t)的精确再现，(r(t)是一个随机过程)。设计接收机应当使这种错误极小化，这称为接收机的优化。,本课程的主要内容,采用信号空间和等效低通分析方法，根据最佳接收准则，讨论在AWGN信道、带限线性滤波器（有码间干扰和加性噪声）信道以及多径衰落信道等3种基本信道条件下的数字信号传输的最佳接收问题。,主要内容 信号空间和等效低通分析 AWGN信道中的数字传输 通过带限AWGN信道的数字传输,主要知识点,信号功率谱的计算 基带 频带 用N维信号空间表示M个信号波形 Gram-Schmidt正交化过程 信号的能量、信号点间的欧氏距离 常用调制信号的矢量表示方法 AWGN信道中的最佳接收机 解调器（相关器和匹配滤波器）的结构 MF的性质 MAP准则，ML准则，最小距离准则 误符号率和误比特率的计算 QAM信号星座的优化 各种调制方式的性能比较,无线通信系统的链路预算分析 理想带限信道下最佳传输系统的设计 无ISI 部分响应系统 衰落信道的通信,课程章节安排,第1章 绪论 第2章 随机信号分析 第3章 数字信号的基带传输 第4章 信号空间和等效低通分析 第5章 数字信号的频带传输 第6章 通信系统的链路预算分析 第7章 调制和编码的权衡 第8章 同步；第9章 衰落信道,与