高级通信原理第1章绪论(2015版)

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 参考教材参考教材： 1 1）通信原理通信原理（第（第3 3版），周炯槃，北京邮电大学出版版），周炯槃，北京邮电大学出版 社，社，20082008。 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

2、。 3 3） Bernard Bernard SklarSklar，“Digital communications-Digital communications- FundamentalsFundamentals andand ApplicationsApplications”，2th Edition2th Edition， 电子工业出版社，电子工业出版社，20012001 主讲人：于秀兰主讲人：于秀兰高级通信原理高级通信原理 第第1 1章章 绪论绪论 第第1 1章章 主要内容主要内容 一、什么是通信？一、什么是通信？ 二、主要通信资源二、主要通信资源 三、数字通信系统的组成部分三、数字通信系

3、统的组成部分 四、通信信道四、通信信道 五、数字信号传输的最佳接收五、数字信号传输的最佳接收 六、通信系统的性能指标六、通信系统的性能指标 七、香农信道容量七、香农信道容量 八、数字通信系统的设计八、数字通信系统的设计 九、课程的主要内容九、课程的主要内容 一、什么是通信一、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 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

4、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、状态数有限的波形。广义数字信号：时间离散、状态数有限的波形。 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。 二、主要通信资源二、主要通信资源 n发送功率：发送信号的平均功率。发送功率：发送信号的平均功率。 n信道带宽：为传输信号分配的频带。信道带宽：为传输信号分配的频带。 n在大部分通信信道中，一个资源可能比另一个更重要，在大部分通信信道中，一个资源

5、可能比另一个更重要， 因此可以将信道分为因此可以将信道分为 带宽受限信道。带宽受限信道。 功率受限信道。功率受限信道。 电话线路是一个典型的带宽受限信道；电话线路是一个典型的带宽受限信道； 空间通信链路和卫星通信信道则是功率受限信道。空间通信链路和卫星通信信道则是功率受限信道。 三、通信系统的组成模型三、通信系统的组成模型 n 信源：信源：产生消息信号。比如语音、音乐、图像、计算机产生消息信号。比如语音、音乐、图像、计算机 数据数据 。 n发送机：发送机：将信源产生的消息符号转变为适合信道传送的将信源产生的消息符号转变为适合信道传送的 形式。形式。 n接收机：接收机：对接收信号进行处理，将其再

6、现为可被用户识对接收信号进行处理，将其再现为可被用户识 别的原始消息信号的形式。别的原始消息信号的形式。 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。 无失真信源编码：无失真信源编码： n假设信源输出假设信源输出S1、S2、S3、S4四种符号，出现概率分四种符号，出现概率分 别为别为1/2，1/4，1/8，1/8，

7、如何编码可以使得有效性，如何编码可以使得有效性 得以提高？得以提高？ 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。 信道编码：信道编码： 例如：例如： 晴：晴：00 雨：雨：01 阴：阴：10 雪：雪：11 问题：如果码元出错无法检测，如何检测一个错码？问题：如果码元出错无法检测，如何检测一个错码？ 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 , sbbs TNTRNR 符号速率和信息速率的关系：符号速率和信息

8、速率的关系： n波形设计的原则波形设计的原则 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？ ( )1,2,0 i s tiMtT M 状态符号状态符号(Symbol)采用的波形：采用的波形： 四、通信信道四、通信信道 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

9、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 n

10、AWGN (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 信道需要考虑的因素信道需要考虑的因素 n衰减衰减 n时延时延 n多径传播多径传播 n带宽受限带宽受限 n功率受限功率受限 常见信道的数学模型常见信道的数学模型 n因为因为xi 是离散的有限取值是离散的有限取值, 与与si 的对应是固定的唯一的，的对应是固定的

11、唯一的， 是 发 、 收 双 方 事 先 约 定 的 ， 因 此是 发 、 收 双 方 事 先 约 定 的 ， 因 此 s i ( t ) 是 知 道 的是 知 道 的 (known)(known)(注意，不是确定的注意，不是确定的determinant)determinant)。接收端只是接收端只是 不知道观察时间不知道观察时间 0, T内，发送端发出的是哪一个波形。内，发送端发出的是哪一个波形。 五、数字信号传输的最佳接收五、数字信号传输的最佳接收 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 ( )

12、( )( ) i r ts tw t 0tT 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：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

13、。 ( ) ii stx 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。设计接收机应当使这种错误极小化，这称为的精确再现。设计接收机应当使这种错误极小化，这称为 接收机的优化。接收机的优化。 信号的矢量空间分析信号的矢量空间分

14、析 判决准则判决准则 最佳接收机的常见结构最佳接收机的常见结构 n六、数字通信系统的主要性能指标六、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 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。发送消息在接收端的准确还原。 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

15、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 n基本可靠性指标：误信息率基本可靠性指标：误信息率 () lim () b 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 性能曲线性能曲线 012345678 10 -6 1

16、0 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 （ 7， 4)汉 明 码 的 性 能 曲 线 软 判 决 译 码 硬 判 决 译 码 未 编 码 和 译 码 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 Hz 单位时间系统传输的信息量单位时间系统传输的信息量 系统的有效传输带宽B系统的有效传输带宽B 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

17、计算频带利用率 七、香农信息容量七、香农信息容量 带限信号：带限信号： 要求信息频带利用率较高；要求信息频带利用率较高； MASK、MPSK、MQAM； 例如电话信道。例如电话信道。 功限信号：功限信号： 同样的误码率，要求比特同样的误码率，要求比特 信噪比低；信噪比低； 正交正交MFSK、双正交信号；、双正交信号； 例如卫星通信。例如卫星通信。 好的系统好的系统(给定的误码率给定的误码率) 给定的比特信噪比，更高给定的比特信噪比，更高 的频带利用率；的频带利用率； 给定的频带利用率，更低给定的频带利用率，更低 的比特信噪比；的比特信噪比； 八、数字通信系统的设计八、数字通信系统的设计 数字通

18、信系统的设计步骤：数字通信系统的设计步骤： 假定信道是带宽为假定信道是带宽为 4000赫兹的带限加性高斯白噪声信道，赫兹的带限加性高斯白噪声信道， 要求的比特速率为要求的比特速率为9600b/s，误比特率要求不超过，误比特率要求不超过10-5 。选。选 择符合性能要求的调制方式择符合性能要求的调制方式 。 如果没有调制方式满足要求，则需要加入纠错编码。如果没有调制方式满足要求，则需要加入纠错编码。 归一化信噪比和误比特率的关系；归一化信噪比和误比特率的关系； 带限信号和功限信号；带限信号和功限信号； 考虑数字调制考虑数字调制 考虑信道编码考虑信道编码 数据比特速率、信道比特速率和符号速率的关系

19、；数据比特速率、信道比特速率和符号速率的关系； 调制和编码的均衡调制和编码的均衡 九、本课程的主要内容九、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，讨论在则，讨论在AWGN信道以及带限信道以及带限AWGN信道下的数字信号信道下的数字信号 传输的最佳接收问题，进而讨论数字通信系统的设计。传输的最佳接收问题，进而讨论数字通信系统的设计。 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 无线链路预算无线链路预算 数字通信系统的设计数字通信系统的设计 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章信号的分析章信号的分析 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章章 无线链路的预