高级通信原理第1章 绪论

1、高级通信原理高级通信原理 课程类型：课程类型： 学位课学位课 学时数：学时数： 4848学时学时 先修课程：先修课程：通信原理、信号与系统、概率论与随机过程通信原理、信号与系统、概率论与随机过程 教参教参： 1 1）周炯磐，）周炯磐，通信原理通信原理（第（第3 3版），北京邮电大学出版），北京邮电大学出 版社，版社，2008 2008 2 2）John G.ProakisJohn G.Proakis，“Digital communicationsDigital communications”，4th 4th EditionEdition，电子工业出版社，电子工业出版社，20012001 3 3

2、）Somon HaykinSomon Haykin，通信系统，第四版，电子工业出版社，通信系统，第四版，电子工业出版社， 2012.52012.5 第第1 1章绪论章绪论 一、什么是通信？一、什么是通信？ 二、数字通信系统的组成部分二、数字通信系统的组成部分 三、通信信道三、通信信道 四、通信系统的性能指标四、通信系统的性能指标 五、课程的主要内容五、课程的主要内容 什么是通信什么是通信? ? n通信的任务是传递消息。通信的任务是传递消息。 n消息的本质和价值取决于它所包含的信息量，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即对接收者的不确定性 2 1 ( )log i i

3、 I x P 定义独立消息xi 的信息量: 2 log i P n信号是消息的承载者。最简单的消息是二择一的消息信号是消息的承载者。最简单的消息是二择一的消息(二二 元消息元消息)，它所对应的信号称为二元数字信号。，它所对应的信号称为二元数字信号。 n广义数字信号：时间离散、状态取有限的离散值的波形。广义数字信号：时间离散、状态取有限的离散值的波形。 n数字通信：利用数字信号数字通信：利用数字信号(包括其变换形式包括其变换形式)传递消息的通传递消息的通 信方式。信方式。 n通信系统的基本矛盾：可靠性与有效性通信系统的基本矛盾：可靠性与有效性 可靠性可靠性发送消息在接收端的准确还原（矛盾的发送消

4、息在接收端的准确还原（矛盾的 主要方面）主要方面） 有效性有效性信道资源的充分利用（时域、频域）信道资源的充分利用（时域、频域） n形成这种矛盾的根本原因：信道不理想形成这种矛盾的根本原因：信道不理想 带宽、时间受限带宽、时间受限 噪声和干扰噪声和干扰 n研究通信系统的基本出发点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数字通信系统的基本模型 信源编码：信源编码：分为无失真编码和限失真编码。分为无失

5、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，的代码组；压缩信源的冗余度，提高通信系统传提高通信系统传 输消息的有效性。输消息的有效性。 信道编码：信道编码：添加监督码元，使之具有检错或纠添加监督码元，使之具有检错或纠 错能力，错能力，提高传输消息的可靠性。提高传输消息的可靠性。 调制：调制： 1)1)基带调制基带调制 2)2)频带调制频带调制 等效低通分析等效低通分析 信号的矢量分析信号的矢量分析 调制调制 调制：调制： 二进制信息序列映射为信道能传输的信号波形。二进制信息序列映射为信道能传输的信号波形

6、。 假定信道编码每输出假定信道编码每输出“N个信息比特个信息比特”，数字调制器将其映，数字调制器将其映 射为波形射为波形 ，其中，其中 注意：每一波形的传输时间是传输注意：每一波形的传输时间是传输N个比特的时间。个比特的时间。 1, 2 , 1 , 0,Mitsi N M2 sb bs NRR NTT 符号速率和信息速率的关系：符号速率和信息速率的关系： 符号同步：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。接收端的传播延迟。 载波同步：载波同步：相干检测器要求本地载波和发送载波同频同相。相干检测器要求本地载波和发送载波

7、同频同相。 均衡：均衡：克服码间干扰。克服码间干扰。 信道信道 n传输的可靠性和有效性都取决于信道，实际信道都是非理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想信道。影响传输的信道缺陷(impairment)主要是：主要是： 传递函数传递函数H( )不理想而带来的传输信号的线性失真，带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由信道引入的噪声是造成接收机判决失误的主要原因 n信道噪声信道噪声 基本特点是存在随机噪声。基

8、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。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。设计来使影响最小。 加性高斯白噪声加性高斯白噪声 nAWGN (Additive White Gaussian Noise) 以相加的形式叠加于传输信号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

9、密度是高斯函数瞬时值分布密度是高斯函数 0 0 2 N R 2 2 1 ()exp 22 x x x p x 信道的数学模型信道的数学模型 n三、数字通信系统的主要性能指标三、数字通信系统的主要性能指标 可靠性：误比特率、误符号率可靠性：误比特率、误符号率 有效性：频带利用率有效性：频带利用率 数字通信系统的基本指标数字通信系统的基本指标 n基本可靠性指标：误信息率基本可靠性指标：误信息率 () lim () e N n bits P N bits 接接收收机机输输出出的的错错误误信信息息总总数数 信信源源发发出出的的信信息息总总数数 lim S N n P N 接接收收机机输输出出的的错错误

10、误符符号号总总数数 信信源源发发出出的的符符号号总总数数 n误符号率误符号率 数字通信系统的基本指标数字通信系统的基本指标 n基本有效性指标：频带利用率基本有效性指标：频带利用率 () () b R b s B Hz 单单位位时时间间系系统统传传输输的的信信息息量量 系系统统的的有有效效传传输输带带宽宽 2 log Sbb RRR BBMNB n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。 2 (B a u d /H z ) n类似地，亦可用符号速率率计算频带利用率类似地，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信号传输的简

11、要介绍 n数字通信是一种通信方式，是一大类通信系统数字通信是一种通信方式，是一大类通信系统 的统称。的统称。 数字信号的传输系统数字信号的传输系统 离散信源离散信源 n模拟信号的数字化模拟信号的数字化(波形编码波形编码) n信源编码信源编码(减小冗余，压缩编码减小冗余，压缩编码) n信息信息(二进制二进制)速率速率(传信率传信率)(bits/s) 波形变换器波形变换器(信道信号映射信道信号映射) ( ) ii xs t 映映射射 0tT n把离散信源发出的消息映射为适于信道传输的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波形，实现离散信息与连续信道的匹配 n因

12、为因为xi 是离散的有限取值是离散的有限取值, 与与si 的对应是固定的的对应是固定的 唯一的，是发、收双方事先约定的。即唯一的，是发、收双方事先约定的。即si(t)是确是确 知的知的(known)(known)(注意，不是确定的注意，不是确定的determinant)determinant)， 接收端只是不知道观察时间接收端只是不知道观察时间 0, T内，发送端发内，发送端发 出的是哪一个波形。出的是哪一个波形。 波形变换器波形变换器 n信道编码：信道编码：二进制序列间的变换，引入一定冗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。余，以提高信息传输的可靠性。 n多状态符号形成

13、：多状态符号形成：二进流的二进流的N比特码组比特码组 M 状态符号状态符号(Symbol) n符号波形产生符号波形产生 波形变换器波形变换器 n多状态符号形成：多状态符号形成：M个确知信号的每一种对应于一个确知信号的每一种对应于一 个固定的二进信息流的个固定的二进信息流的N比特码组。因此，每一个比特码组。因此，每一个M状状 态符号携带的信息量是态符号携带的信息量是N比特比特。M个确知信号中的每一个确知信号中的每一 种称为传输信号的一种状态种称为传输信号的一种状态(state)。 2 , N M 2 log sbb RRMRN (Bd) 波形变换器波形变换器 ( ) ii MM xs t n确知

14、波形确知波形(模拟信号波形模拟信号波形)的选取称为波形设计的选取称为波形设计 ( Waveform Design) n选取原则选取原则 n有利于提高接收的可靠性有利于提高接收的可靠性 n有利于充分利用信道资源有利于充分利用信道资源 基带基带or频带？频带？ 接收机接收机 n在在0, T内并不知道发送端发出的是哪一个消息内并不知道发送端发出的是哪一个消息xi ，唯，唯 一得到的是一段波形一得到的是一段波形 ( )( )( ) i r ts tz t 0tT ( ) ii stx 由于由于si(t)被被z(t) 掩盖不能直接作出逆映射掩盖不能直接作出逆映射 n接收机的根本任务：对接收机的根本任务：

15、对r(t)进行处理，按一定的标准进行处理，按一定的标准(判判 决准则决准则)，判定，判定0, T内发送端发出的是哪一个消息内发送端发出的是哪一个消息xi， 这一过程称为判决这一过程称为判决(decision)。 n在数字通信中，接收机的主要功能不是单纯的解调，在数字通信中，接收机的主要功能不是单纯的解调， 而在于作出而在于作出“判决判决”，这是与模拟通信最大的不同。，这是与模拟通信最大的不同。 判决方法不是唯一的。判决方法不是唯一的。 接收机接收机 n研究数字通信系统理论的目的：在信道给定的条件下，设研究数字通信系统理论的目的：在信道给定的条件下，设 计传输信号的形式计传输信号的形式(确知波形

16、确知波形)，并选择最好的判决方法，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。使传输的信息有最大的可靠性和尽可能高的有效性。 n由于传输信道不理想，接收信号由于传输信道不理想，接收信号r(t)不可能是发送波形不可能是发送波形si(t) 的精确再现，的精确再现，(r(t)是一个随机过程是一个随机过程)。设计接收机应当使这。设计接收机应当使这 种错误极小化，这称为接收机的优化。种错误极小化，这称为接收机的优化。 本课程的主要内容本课程的主要内容 采用信号空间和等效低通分析方法，根据最佳接收准则，采用信号空间和等效低通分析方法，根据最佳接收准则， 讨论在讨论在AWGN信道、

17、带限线性滤波器（有码间干扰和加性噪信道、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种基本信道条件下的数字信 号传输的最佳接收问题。号传输的最佳接收问题。 p主要内容主要内容 信号空间和等效低通分析信号空间和等效低通分析 AWGN信道中的数字传输信道中的数字传输 通过带限通过带限AWGN信道的数字传输信道的数字传输 主要知识点主要知识点 n信号功率谱的计算信号功率谱的计算 基带基带 频带频带 n用用N维信号空间表示维信号空间表示M个信号波形个信号波形 Gram-Schmidt正交化过程正交化过程 信号的能量、信号点间的欧氏距

18、离信号的能量、信号点间的欧氏距离 常用调制信号的矢量表示方法常用调制信号的矢量表示方法 nAWGN信道中的最佳接收机信道中的最佳接收机 解调器（相关器和匹配滤波器）的结构解调器（相关器和匹配滤波器）的结构 MF的性质的性质 MAP准则，准则，ML准则，最小距离准则准则，最小距离准则 误符号率和误比特率的计算误符号率和误比特率的计算 QAM信号星座的优化信号星座的优化 各种调制方式的性能比较各种调制方式的性能比较 无线通信系统的链无线通信系统的链 路预算分析路预算分析 理想带限信道下最理想带限信道下最 佳传输系统的设计佳传输系统的设计 无无ISI 部分响应系统部分响应系统 调制与编码的权衡调制与编码的权衡 课程章节安排课程章节安排 第第1章绪论章绪论 第第2章随机信号分析章随机信号分析 第第3章数字信号的基带传输章数字信号的基带传输 第第4章信号空间和等效低通分析章信号空间和等效低通分析 第第5章数字信号的频带传输章数字信号的频带传输 第第6章通信系统的链路预算分析章通信系统的链路预算分析 第第7章调制与编码的权衡章调制与编码的权衡 第第8章衰落信道的通信章衰落信道的通信 第第9章现代数字调制技术章现代数字调制技术 与与“信息论信息论”的衔接的衔接 1、香