粟向军通信原理课件——第1章_概论

1、现代通信原理Principles of Modern Communication Systems 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 主要内容 CH1 概论 CH2 信号分析基础 CH3 模拟调制系统 CH4 数字基带传输系统 CH5 数字带通传输系统 CH6 信源编码 CH7 信道编码 CH8 最佳接收技术 CH9 同步原理 CH10 现代通信系统简介 CH11 应用Systemview仿真现代通信系统第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 课程学习特点 公式结论多（要记忆的内容多） 应用基础多（要求一定的工程数学基础、电路基础、信号与系统分析基础） 物理

2、概念多（需要理解记忆）第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版第1章 概论1.1 通信的基本概念1.2 通信系统1.3 通信网1.4 通信信道1.5 通信系统中的噪声1.6 信息论基础第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.1.1 消息、信息、信号与通信.1 通信的基本概念 1.1.2 通信方式、传输方式、同步方式、复用方式1.1.3 通信频段1.1.4 通信发展简史第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.1.1 消息、信息、信号与通信 消息消息：包含具体内容的文字、符号、数据、语音、图片、图象等等，是信息的具体表现形式，也是特定的信息。 信息

3、信息：消息的统称，是消息的概括和抽象，可理解为消息中包含的有意义的内容，用信息量来衡量。 信号信号：搭载或反映信息的载体，通常以某种客观物理量（电压、电流）表现出来。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 消息(Message)、信息(Information)、信号(Signal)是与通信密切相关的三个概念，信息一词在概念上与消息相似，但其含义却更具普遍性、抽象性。消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述，传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。信号是消息的载体和通信的客观对象，而信息是信号的内涵。 通信通信就是把信息从一个地方有效可靠地传送到另一个地方。

4、第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版彩条消息（图像）彩条信号（电压）图1.1 彩条消息与彩条信号第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.1.2 通信方式、传输方式、同步方式、复用方式图1.2 简单点到点通信系统框图 信源信源：把各种消息转换成原始电信号。该信号含有丰富的低频成分甚至直流分量，因此又称基带信号。 信道信道：信号传输的通道。 信宿信宿：将复原的原始电信号转换成相应的消息。 噪声源噪声源：噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版图1.3 通信系

5、统的基本模型 发送设备发送设备(变换器变换器)：基带信号一般不适合直接上信道传输，通过发送设备对原始电信号进行各种变换（如编码、调制、滤波、放大、发射等），使其适合在信道中传输。 接收设备接收设备(反变换器反变换器)：与发送设备的功能相反，从来自信道的各种传输信号和噪声中恢复出相应的原始电信号。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1、通信方式 按消息传递的方向与时间关系分，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。 单工通信单工通信(Simplex Communication) ：是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。如广播、遥测、遥控、无线寻呼等。第第1

6、章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 半双工通信半双工通信(Half-duplex Communication) ：是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。如使用同一载频的对讲机、收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信。发端接端发端接端信道第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 全双工通信全双工通信(Duplex Communication) ：是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式， 计算机之间的高速数据通信也是这种方式。发端接端发端接端信道信道第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版

7、2、传输方式 按照数字信号的各个二进制位(又称比特)是否同时传输，数据的传输方式可分为并行传输和串行传输两种。 发送设备接收设备101(b)发送设备接收设备(a)图1.5 传输方式 （a）并行传输 （b）串行传输第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 并行传输并行传输(Parallel Transmission)是将组成字符的各位数据同时在多条并行信道上进行传输。优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，故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。 串行传输串行传输(Serial Transmission)是将组成字符的各位数据以串行方式一个接一

8、个地在同一条信道上传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。常见的串行接口标准有RS 232C、RS 422/485和20mA电流环等。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版3、同步方式 针对串行传输的字符同步问题，目前有两种解决方法，即异步传输方式和同步传输方式。 异步传输异步传输(Asynchronous Transfer)是一种利用字符的再同步技术，即在字符的首末分别设置1位起始位和1位或1.5位或2位停止位，用它们分别表示字符的开始和结束，用头尾信息来进行同步。 同步传输同步传输(Synchronous Transfer)时的数据帧由同步字符(SYN)、数据

9、字符和校验字符(CRC)组成，即在传送一组字符时需要加入1到2个同步字符和1到2个校验字符。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版4、复用方式 多路复用技术多路复用技术(multiplex)：实现在同一条通信线路上传送多路信号的技术，以提高传输信道的利用率。 （1）频分复用频分复用(Frequency Division Multiplexing) 信号的分割参量是频率，只要使各路信号的频谱在频率轴上互不重合，接收端就可用滤波器将它们分开。传输频带f1f2fN保护频带f第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版波分

10、复用波分复用(Wavelength Division Multiplexing)光纤2的频谱光纤1的频谱共享的光纤频谱第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版（2）时分复用时分复用(Time Division Multiplexing)m1(t)m2(t)m3(t)TS 1TS 2TS 3A点波形点波形三路信号时分复用示意图第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版TDMAfrequencytimeFDMAfrequencytime4 用户：FDM与TDM的比较频道时隙第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版（3）码分复用码分复用(Code Divisi

11、on Multiplexing)基 站CmC2C1移 动 台码 Cm码 C3码 C2fW码 C1TW第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.1.3 通信频段cm64103103频率范围（频段）波长范围（波段）物理信道(传输媒质)应用举例3Hz30KHz(甚低频VLF)108104m(超长波)有线线对，长波无线电音频、电话、数据终端30300KHz(低频LF)104103m(长波)有线线对，长波无线电导航、信标、电力线通信300KHz3MHz(中频MF)103102m(中波)同轴电缆，中波无线电调幅广播、移动陆地通信330MHz(高频HF)10010m(短波)同轴电缆，短波无线

12、电短波通信、业余无线电30300MHz(甚高频VHF)101m(米波)同轴电缆，米波电视、调频广播、空中管制0.33GHz(超高频UHF)101dm(分米波)波导，分米波电视、遥测、通信、导航330GHz(极高频SHF)101cm(厘米波)波导，厘米波微波通信、卫星通信、雷达30300GHz(特高频EHF)101mm(毫米波)波导，毫米波卫星通信、雷达、射电天文105107GHz(光波)光纤，激光，光波导光通信第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.1.4 通信发展简史 通信的历史可大致划分为三个阶段：1838年以电报传输开始的通信初级阶段；1948年以香农提出信息论开始的近

13、代通信阶段；1980年以后光纤通信、移动通信、综合业务数字网、互联网崛起的现代通信阶段。 现代通信技术的发展趋势可概括为“六化”：（1）通信技术数字化。 （2）通信业务综合化。 （3）通信网络融合化。 （4）网络传输宽带化。 （5）网络管理智能化。 （6）通信服务个人化。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.2.1 通信系统的类型.2 通信系统 1.2.2 通信系统的模型1.2.3 通信系统的特点1.2.4 通信系统的主要性能指标第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版根据通信业务的不同或消息的物理特征，可分为电报、电话、传真、数据和图像通信系统等。根据传输

14、媒质的不同，可分为有线和无线两类。有线通信系统的传输媒质包括双绞线、电缆、光纤、波导等；无线通信包括短波通信、微波通信、移动通信、散射通信、激光通信等。根据信道中传输信号的特征可分为模拟系统和数字系统两类。根据系统是否采用了调制可分为频带传输系统和基带传输系统。常用调制方式如下：1.2.1 通信系统的类型第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版调制方式通信系统连续波调制线性调制常规双边带调幅AM广播抑制载波双边带调幅DSB立体声广播单边带调幅SSB电台、载波通信、数传残留边带调幅VSB电视、传真、数传非线性调制调频FM数字微波、卫星、广播调相PM中间调制方式数字调制幅移键控ASK

15、数据传输频移键控FSK数据传输相移键控PSK、DPSK等数据传输、数字微波、卫星其它高效数字调制QAM、MSK数字微波、卫星脉冲调制脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM（PWM）中间调制方式脉位调制PPM光纤通信、遥测脉冲数字调制脉冲编码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制M（DM）军用、民用数字电话差分脉冲编码调制DPCM电视电话、图像编码其它语音编码方式ADPCM、APC、LPC等中、低速数字电话第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.2.2 通信系统的模型1、模拟通信系统模型图1.6 模拟通信系统的模型 调制器调制器的作用是把不适合信道传输的基带

16、信号通过频谱搬移变换成适合信道传输的频带信号，再送上信道；接收端解调器解调器则完成相反的变换，即从频带信号中解调出基带信号。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版模拟信号波形举例 (a) 连续信号 (b) 已抽样信号PAM：脉冲幅度调制 T：抽样间隔Of (t)t(a )f (n T )tPAM信号(b )OT第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版数字信号波形举例 (a) 二进制波形 (b) 2PSK波形2PSK：二进制相移键控100110111001Of (nT )t00111001数字信息PSK 波形(a)(b)(nTfq第第1章章 概论概论清清 华华 大

17、大 学学 出出 版版2、数字通信系统模型图1.7 数字通信系统的模型发送端接收端信 源信道编码调 制信 道压缩编码解 调信 宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪 声同 步信源编码信源解码 信源编码信源编码有三个作用，其一是当信源给出的是模拟语音信号时，通过PCM、ADPAM或M等方法将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输；其二是设法减少码元数目和降低码元速率，即数据压缩；其三是当需要保密通信时进行保密编码。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版图1.7 数字通信系统的模型发送端接收端信 源信道编码调 制信 道压缩编码解 调信 宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪 声同

18、 步信源编码信源解码 信道编码信道编码是一种可靠性编码，又叫纠错编码、差错控制编码，其目的是提高通信系统的抗干扰能力，尽量控制差错，保证通信质量。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.2.3 数字通信系统的特点（1）抗干扰能力强，无噪声累计无噪声累计。（2）可采用差错控制技术，提高信号传输可靠性。（3）便于进行各种数字信号处理，也可通过计算机存储和处理，使数字通信和计算机技术相结合，组成综合化、智能化的数字通信网。（4）数字通信系统使传输与交换相结合，电话、数据与图像传输相结合，有利于实现综合业务数字网。（5）器件和设备易于实现集成化、微型化。第第1章章 概论概论清清 华华

19、 大大 学学 出出 版版 两类通信方式抗干扰性能比较 (a)模拟信号；(b)数字信号 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.2.4 通信系统的主要性能指标有效性和可靠性。 有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题； 可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。 这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版模拟通信系统主要性能指标有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度（传输带宽）。 可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制方式在

20、同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。 如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版数字通信系统主要性能指标1、有效性可用传输速率来衡量。 （1）码元传输速率: 码元速率是指每秒钟内传输码元的数目，通常又可称为码元速率码元速率、传码率传码率、码率码率、符号率符号率或波特率波特率等，用符号RB来表示。单位为波特（Bd），常用符号“B”表示（注意，不能用小写） 数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率RB与信号的进制数N无关，只与码元宽度T有关,即 )(1BdTRB(1-2)第第1章章 概论概论清清 华华

21、大大 学学 出出 版版 （2）信息传输速率 : 是指每秒钟内传送的信息量。信息传输速率简称信信息速率息速率，又可称为传信率传信率、比特率比特率等。信息传输速率用符号Rb表示。单位为比特/秒（bit/s），简记为b/s或bps。 因为信息量与信号进制数N 有关，因此，信息传输速率与N 有关。信源共发出N个符号，就是N进制。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 （3）RB与Rb之间的互换 在二进制中，码元速率RB同信息速率Rb在数值上相等，但单位不同。 在多（N）进制中，RB与Rb之间数值、单位均不同。它们之间在数值上有如下关系式 : NRRBb2log.()bBRR H b s

22、N2log(1-5)式中H为信源中每个符号所含的平均信息量（信源的平均信息量（信源的熵）熵）。 等概传输时，熵有最大值 ，信息速率也达到最大，即(1-3)第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 【例】已知二进制数字信号在2min内共传送了72000个码元，(1) 问其码元速率和信息速率各为多少? (2) 如果码元宽度不变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号， 则其码元速率为多少? 信息速率又为多少? 解 (1) 在260s内传送了72000个码元RB2=72000/(260)=600 (B)Rb2=RB2=600 (b/s)(2) 若改为8进制则 RB8=72 000/(2

23、60)=600 (B) Rb8=RB8log28=1 800 (b/s) 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 （4）频带利用率 在比较不同通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还应看在这样传输速率下所占的信道的频带宽度。因为传输速率越高，所占用的信道频带越宽，因此，能够真正体现出信息的传输效率的指标应该是频带利用率频带利用率，即单位频带内的传输速率。 (1-7)(1-8)/(HzBaudBRBB)/(HzsbitBRbb第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版误信率（信息差错率、误比特率）误信率（信息差错率、误比特率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比

24、特数中所占的比例：ep =错误码元数传输总码元数 2、衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。(1-10)(1-9) 误码率（码元差错率）误码率（码元差错率）Pe是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，即码元在传输系统中被传错的概率：传输总比特数错误比特数bP第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版【例】已知某八进制数字通信系统的信息速率为12000 b/s，在收端半小时内共测得出现了216个错误码元，试求系统的误码率。 528881036030400021640008log/12000ebBbPBRRsbR解：解： 第第1章章 概论概论清清 华华

25、大大 学学 出出 版版有效性可靠性模拟系统传输带宽Bc (Hz)输出信噪比S/N数字系统码元传输速率RB(B)信息传输速率Rb(bps) 频带利用率误码率Pe误比特率PbbB或通信系统的主要性能指标第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.3.1 通信网的定义、组成及类型.3 通信网 1.3.2 通信网的拓扑结构1.3.3 现代通信网的分层结构第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.3.1 通信网的定义、组成及类型 定义1：通信网通信网是由一定数量的节点(node，包括终端节点、交换节点，如计算机、路由器等)和连接这些节点的传输链路(link)有机地组织在一起

26、的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。 定义2：通信网通信网就是以用户终端设备和交换设备为点(node)，以传输设备为线(link)，按照一定顺序点线相连而形成的有机组合系统，以实现多个用户对多个用户的通信。 1、定义第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版2、通信网构成（1）终端设备：电话机、电传机、计算机、监视器（摄像头）等（2）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等（3）交换设备：程控交换、ATM交换、光交换等（4）协议和准则 终端设备终端设备即用户设备，通信网中的源点和终点，即通信系统中的信源和信宿。 传输设备传输设备又称传输链路(连接节点的线路)，是网络中

27、各节点之间的连接媒介和信号传输通道。 交换设备交换设备是通信网的核心，在网中起着节点的作用。它将送到交换节点的各种信号汇集，同时完成信号的转接与分配。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 电话机、传真机、计算机、视频终端、PBX等； 产生信息，接收信息； 主要功能： (1) 用户信息处理：发送转换接收 (2) 信令信息处理：产生和识别连接建立、业务管理等所需控制信息。终端设备第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版通信网核心设备：电话交换机、分组交换机、路由器、转发器等，负责终端节点所产生用户信息的集中和转发；主要功能： (1) 用户业务集中和接入功能； (2

28、) 交换功能； (3) 信令功能； (4) 其他控制功能：路由信息的更新和维护、计费、话务统计、维护管理等。交换设备第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版作用：提供信息传输信道，实现网络节点的互连。 主要设计目标：提高物理线路的使用效率。 采用多路复用技术：频分复用、时分复用、波分复用等。 必须与交换节点协调一致，以确保交换节点能正确接收和识别传输系统的数据流。保持帧同步和位同步。遵守相同的传输体制(如PDH、SDH等)。传输设备第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版移动通信网结构举例示意图第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版2、通信网类型按照

29、传输业务的类型，可分为电话通信网(如PSTN、PLMN等)、数据通信网(如X.25、Internet、帧中继网等) 、广播电视网(CATV)等；根据网络覆盖的空间距离，可分为广域网(WAN) 、城域网(MAN) 、局域网(LAN)；根据传输信号的特征，可分为模拟通信网(如电话交换网、有线电视网)和数字通信网(如计算机网络)；按照网络运营的方式，可将其分为公用通信网和专用通信网；依据网络的物理位置分布，分为用户驻地网(CPN)、接入网和核心网三部分。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.3.2 通信网的拓扑结构（a）（b）（c）（d）（e）（f）图1.8 通信网的拓扑结构 (

30、a)网状形 (b)星形 (c)树形 (d) 复合形 (e) 总线形 (f) 环形第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.3.3 现代通信网的分层结构 从网络纵向分层的观点看，一个完整的现代通信网在结构组成上可分为相互依存的三部分：业务网业务网、传传送网送网和支撑网支撑网。 业务网业务网传送网传送网支支撑撑网网信息应用信息应用业务网:电话、数据、图像、视频 和多媒体等业务网传送网:业务承载网，主要由各种 传输线路和传输设备构成支撑网:同步、信令、网络管理和 网络安全等第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版按水平方向的结构分解：第第1章章 概论概论清清 华华 大大

31、 学学 出出 版版 总体特征：技术IP化 业务融合化和开放化 网络承载宽带化、差异化 网络架构水平化、扁平化 网络管理的智能化和集中化 三网融合的大趋势 下一代网络NGN通信网络技术发展趋势第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.4.1 信道的类型.4 通信信道 1.4.2 信道的模型1.4.3 信道特性及对传输信号的影响1.4.4 常见信道举例第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.4.1 信道的类型 以传输媒质为基础的信号通路，即信号的传输通道，有狭义和广义之分。狭义的信道就是指信号的传输媒质；广义的信道还包括相关的变换装置，如发送设备、接收设备、天馈设

32、备、调制解调器等。 地波信道散射信道，流星余迹短波信道、微波接力等）微波信道（卫星、移动无线信道波导电缆光纤有线信道狭义信道第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版有记忆信道无记忆信道编码（离散）信道随参信道恒参信道调制（连续）信道广义信道图1.10 调制信道与编码信道第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 调制信道对信号的影响表现为：)()()()()()(tntetktntefteiio加性干扰乘性干扰 恒参信道中k(t)不随t变化或基本不变化；随参信道中k(t) 随t变化。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.4.2 信道的模型 调制信道

33、的范围是从调制器输出端到解调器输入端。通常它具有如下性质：（1）有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端； （2）绝大部分信道都是线性的，即满足叠加原理。（3）信号通过信道会出现迟延时间；（4）信道对信号有损耗它包括固定损耗或时变损耗； （5）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。1.调制信道模型第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版时 变 线性 网 络时 变线 性网 络ei( t ) e0( t )ei 1( t ) e0 1( t )ei 2( t ) e0 2( t )ei m( t ) e0 m( t ). . .( a ) ( b )图

34、2 - 2 调 制 信 道 模 型图1.11 调制信道模型 对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间的关系式可表示成：将上式进一步简化可以写成：)()()(0tnteftei)()()()(0tntetktei（1-12） 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 这样，调制信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰n(t)。 不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：恒参信道和随参信道。)()(Ctk记 基本不随时间变化，即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的，称为恒参信道恒参信道； 随时

35、间随机快速变化，称为随参信道随参信道。)(C)(C第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。因此，可以等效为一个非时变的线性网络。(1)理想恒参信道特性 设输入信号为si(t)，则无失真传输时，要求信道的输出信号为)()(00dittsKts 式中：K0为传输系数，它可以表示放大或衰减一个固定值；td为时间延迟，表示输出信号滞后输入信号一个固定的时间。频域表达式为)()(00itjSeKSd第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版信道的传输函数为信道的幅频特性相频特性理想恒参信道的群迟延频率特性 0dj tHK

36、e 0HK dt ddtd 理想恒参信道特性第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 典型音频电话信道的幅频特性、相频特性和群迟延频率特性理想恒参信道特性(a)幅频特性(b)相频特性(c)群迟延特性(2)实际恒参信道特性000)(H0K)()(dtdt(a)(b)(c)第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版（3）具有加性（高斯）噪声的恒参信道数学模型 加性高斯噪声恒参信道X+信道( )s t( )n t( )( )( )r ts tn t 是信道衰减因子， 通常可取 ； n(t)是加性噪声。通常是一种高斯噪声。 该信道模型通常称为加性高斯噪声信道加性高斯噪声信道(

37、AWGN)。1第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 具有加性噪声的线性滤波恒参信道+信道( )s t( )n t( )( )( )( )r ts th tn t( )h t线性滤波器信道特性C()在信号频带范围之内不是常数，且随时间变化。这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性时变滤波器。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版（4）随参信道的时变线性滤波模型+信道( )s t( )n t( )( )( ; )( )r ts thtn t( ; )ht线性时变滤波器多径传播的路径有两条的信道模型第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版2. 编码信

38、道模型P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01 从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。 编码信道的模型可用数字信号的转移概率转移概率来描述。二进制编码信道模型)0/0(P)0/1 (P) 10( /P) 11 ( /P转移概率转移概率发0收0发0收1发1收0发1收1错误概率第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版输出的总错误概率为 由于信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无记忆编码信道。 1)01 ()00( PP) 10() 1 ()01

39、 ()0(PPPPPe1) 10() 11 ( PP依概率加权依概率加权（平均）（平均）第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版多进制无记忆编码信道模型x0 x1xM1y0y1yN1 X Y)/(ijxyP1, 1 , 0Nj转移概率：1, 1 , 0Mi第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版典型音频电话信道的相对衰耗 (1) 幅度幅度频率畸变频率畸变 0 300 1100 (Hz)损耗(dB)f 若传输数字信号，会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，即码间串扰。1.4.3 信道特性及对传输信号的影响1、恒参信道对信号传输的影响 第第1章章 概论概论清清

40、华华 大大 学学 出出 版版（2）相位）相位频率畸变频率畸变(群迟延畸变群迟延畸变) 所谓相位相位频率畸变频率畸变，是指信道的相位频率特性偏离线性关系所引起的畸变。电话信道的相位频率畸变主要来源于信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈，尤其在信道频带的边缘，相频畸变就更严重。 相频畸变对模拟话音通道影响并不显著，这是因为人耳对相频畸变不太灵敏；但对数字信号传输却不然，尤其当传输速率比较高时，相频畸变将会引起严重的码间串扰，给通信带来很大损害。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 信道的相位频率特性还经常采用群迟延频率特性来衡量。所谓群迟延频率特性，它被定义为相位频率特性的导数

41、，即若相位频率特性用()表示，则群迟延频率特性(通常称为群迟延群迟延畸变畸变或群迟延群迟延)()为 dd)()(第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版典型电话信道的群迟延特性 理想的相频特性和群迟延特性 00)()(dtdt(b)(c)第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版相移失真前后的波形比较 相频畸变对信号的影响第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版（3） 减小畸变的措施减小畸变的措施 减小幅度-频率畸变的措施：改善电话信道中的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为“均衡均衡”。 减小相位-频率畸变

42、的措施：采取相位均衡相位均衡技术补偿群迟延畸变。 除此之外，还存在其它类型影响信号传输的因素。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版随参信道传输媒质通常具有以下特点： 对信号的衰耗随时间的变化而变化；传输时延随时间也发生变化；具有多径传播(多径效应多径效应)。 （1 1）随参信道传输媒质的特点）随参信道传输媒质的特点 典型的传输媒质：电离层反射、对流层散射等。2、随参信道对信号传输的影响 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版（2 2）多径效应分析）多径效应分析 多径传播示意图 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版)(cos)()(cos)()

43、(11tttttttRicniiinici i(t)总共n条多径信号中第i条路径到达接收端的随机幅度； i(t)第i条路径的延迟时间； 相应的随机相位，即 (1-14)()(ttici)(ti第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 由于 和 随时间的变化要比信号载频的周期变化慢得多，因此式子又可写成 tttttttRcniiicniiisin)(sin)(cos)(cos)()(11)(cos)(sincos)(ttttttccQcIniiiIttt1)(cos)()(niiiQttt1)(sin)()(其中)(ti)(ti多径信号合成包络合成包络：多径信号合成相位合成相位：)

44、()()(22tttQI)()(arctan)(tttIQ同相分量同相分量正交分量正交分量第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版衰落信号的波形与频谱示意图 通常将由于电离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为慢衰落慢衰落；而把由于多径效应引起的信号衰落称为快衰落快衰落。 包络 和相位 都是缓慢变化的随机过程。于是， 可视为一个窄带随机过程.)(t)(t)(tR)(t第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 (1) 从波形上看，多径传播的结果使单一载频信号Acos0t变成了包络和相位都变化(实际上受到调制)的窄带信号；(多径衰落多径衰落) (2) 从频谱上看，多径传播

45、引起了频率弥散(色散)，即由单个频率变成了一个窄带频谱； (频率弥散频率弥散) (3) 多径传播会引起频率选择性衰落频率选择性衰落。 （3 3）多径传播对信号传输的影响）多径传播对信号传输的影响第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 为分析简单，假定只有两条传输路径，且认为接收端的幅度与发端一样，只是在到达时间上差一个时延。 若发送信号为f(t)，它的频谱为F()。设经信道传输后第一条路径的时延为t0，在假定信道衰减为V0的情况下，到达接收端的信号为V0f(t-t0)，相应于它的傅氏变换为 0)()(000tjeFVttfV（4 4）频率选择性衰落现象分析）频率选择性衰落现象分

46、析第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版图1.18 二径传输模型另一条路径的时延为 ，假定信道衰减也是V0，故它到达接收端的信号为 。相应于它的傅氏变换为)(0000)()(tjeFVttfV)(0t)(00ttfV0)()(000tjeFVttfV)(0000)()(tjeFVttfV)(tR)(tf第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版)()()(0000ttfVttfVtRjtjeeFVtR1)()(00jtjeeVFRH1)()()(002cos2)(0VH两条传输路径的信号经合成后得它的傅氏变换对为 因此，信道的传递函数为其幅频特性为（1-19）（1-

47、20）（1-21）（1-22）第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版图1.19 两条路径传播时选择性衰落特性 当一个传输信号的频谱宽于 时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率选择性衰落频率选择性衰落，简称选择性衰落选择性衰落。/1第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版 上述概念可推广到一般的多径传播中去。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差最大多径时延差 来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。 设信道的最大时延差为 ，则相邻两个零点之间的频率间隔为： 这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关带相关带宽宽。mmmcB1（1-23） 第第1章章

48、 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版)(500/1HzBmc)(7 .166100)(50051315131HzHzBBc2【例1-4】设某随参信道的最大多径时延差为2ms，为避免发生频率选择性衰落，确定在此信道上传输的码元速率。解：信道相关带宽为根据工程经验，信号带宽取为设频带利用率 （理想通信系统）由式（1-7）得数字信号的最大码元速率为 2B=200333.4（Bd）。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1、双绞线（TP：Twisted Pair）1.4.4 常见信道举例第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版第第1章章 概论概论清清 华华 大大

49、学学 出出 版版第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版2、对称电缆塑料外皮双绞线(5对)第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版3、同轴电缆第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版4、光纤图1.20 光纤信道组成光纤示意图光纤中光的传输示意图第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版5、微波中继信道图1.21 数字微波中继信道组成示意图第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版6、数字卫星信道图1.22 数字卫星信道组成第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.5.1 加性噪声的类型.5 通信系统中的噪声 1.

50、5.2 白噪声1.5.3 高斯噪声1.5.4 高斯白噪声和窄带高斯噪声第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.5.1 加性噪声的类型l 无线电噪声；l 工业噪声；l 天电噪声；l 内部噪声。根据噪声的来源分：l 单频噪声；l 脉冲噪声；l 起伏噪声起伏噪声。根据噪声的性质分：第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版起伏噪声 从示波器上观察，它是连续的、杂乱无章的、随机起伏的； 从频谱仪上看，它在相当宽的频带范围内具有平坦的功率谱密度； 在系统模型中把它集中在一起从信道引入，但它实际上概括了信道内所有的热噪声、器件散弹噪声和宇宙噪声等； 采用随机过程的方法分析其统

51、计特性。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.5.2 白噪声1、含义2、功率谱密度 所谓白噪声白噪声，是指它的功率谱密度在整个频域内是常数，即服从均匀分布。 之所以称它为“白”噪声，是因为它类似于光学中包括全部可见光频率在内的白光。 02/)(00nnPn（1-24） 双边谱单边谱第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版3、相关函数图1.23 白噪声的功率谱密度与自相关函数)(2221)(00ndenRjn（1-26） 白噪声只有在 时才相关，而在任意两个不同时刻上的随机取值都是不相关的。因此，若对白噪声取样，只要时间不同，样值都是独立的。 0第第1章章 概

52、论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.5.3 高斯噪声1、定义 所谓高斯噪声高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。其一维概率密度函数可用数学表达式表示为222exp21)(axxp（1-27） 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版2、性质 （1）如果高斯噪声在两个不同时刻取值是不相关的，那么它们也是统计独立的。 （2）若高斯噪声的均值为0，则其平均功率等于噪声的方差，即)0(2RS（1-28） （3）如果一个线性系统的输入是高斯噪声，则其输出也一定还是高斯噪声，只是数字特征不同。 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版3、高斯

53、噪声的一维概率分布函数F(x)（1-29） xxxdzazdzazdzzpxF22222exp212exp21)()( 这个积分不易计算，工程上常引入以下两类函数来表述，然后通过查表的方式来计算。 误差函数和互补误差函数； 概率积分函数和Q函数。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版（1）误差函数）误差函数erf(x)和互补误差函数和互补误差函数ercf(x)xtdtexerf022)( 它是自变量的递增函数，具有如下性质： erf(0)=0， erf()=1， erf(-x)=-erf(x)。误差函数误差函数的定义式为（1-30)第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出

54、出 版版dtexerfxerfcxt22)(1)( 它是自变量的递减函数，具有如下性质： erfc(0)=1； erfc()=0； erfc(-x)=2-erfc(x)； 当x1时（实际应用中只要x2)即可近似有（1-31)21)(xexxerfc互补误差函数互补误差函数记为erfc(x), 定义为第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版概率积分函数概率积分函数定义为0,21)(02/2xdtexxt 这是另一个在数学手册上有数值和曲线的特殊函数，有()=1。 Q函数函数是一种经常用于表示高斯尾部曲线下的面积的函数，其定义为0,21)(1)(2/2xdtexxQxt（2 2）概率

55、积分函数）概率积分函数 和和Q函数函数)(x第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版)2(21)(xerfcxQ)2(1 2)2(2)(xxQxerfc 现在让我们用以上特殊函数来表示高斯分布的正态分布函数F(x)。通过变量代换，不难得到 ： axQaxxF1)(),2(211),2(2121)(axercfaxerfxF通过比较可得 （1-32） 第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版【例】一高斯信号，概率密度函数如下：4)10(221)(xexf（1）求此信号小于5V的概率。102155)()5(dxxfxP21051211251211erfaerf5 . 2

56、12115 . 21211erferf000205. 099959. 01211（2）求此信号大于15V的概率。x第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版（2）求此信号大于15V的概率。10211515)()15(dxxfxP15)(1dxxf22121221211axerfaxerf)5 . 2(2121210152121erferf000205. 0 x第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.5.4 高斯白噪声和窄带高斯噪声 高斯白噪声高斯白噪声也称高斯型白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。 高斯白噪声

57、同时涉及到噪声的两个不同方面，即概率密度函数的正态分布性和功率谱密度函数的均匀性，二者缺一不可。 分析表明，起伏噪声就是一种高斯噪声，且在很宽的频率范围内具有平坦的功率谱密度，故常称这种噪声为加性高斯白噪声加性高斯白噪声（AWGN，Additive White Gaussion Noise）。第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版设系统的带宽为B，中心频率为fc，当 时称该系统为窄带系统窄带系统。当高斯白噪声通过窄带系统时，其输出噪声只能集中在中心频率附近的带宽之内，称这种噪声为窄带高斯噪声窄带高斯噪声，简称，简称窄带噪声窄带噪声。窄带高斯噪声的概念CfB 第第1章章 概论概论

58、清清 华华 大大 学学 出出 版版图1.6 （a）窄带噪声的功率谱 （b）窄带噪声的波形 包络和相位都在缓慢变化、频率近似为 的正弦波。cf 输出噪声功率集中在 附近很窄的频率范围内。cf第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版窄带高斯噪声的数学描述ttnttnttttttttttncscccccisin)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos)()(cos)()(niiiIttt1)(cos)()(niiiQttt1)(sin)()(其中多径信号合成包络合成包络：多径信号合成相位合成相位：)()()(22tttQI)()(arctan)(tttIQ同相分量同相分量正交

59、分量正交分量第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.6.1 信息量与平均信息量.6 信息论基础 1.6.2 信道容量1. 离散信道的信道容量2. 连续信道的信道容量(香农公式)第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.6.1 信息量与平均信息量1、信息量 单个消息（或符号）x中所含信息量I与消息x出现的概率P(x)之间满足关系：)(log)(1logxPxPIaa（1-34） 信息量的单位取决于对数底数a的取值： a = 2时，单位为比特（bit，简写为b）； a = e时，单位为奈特（nat）； a = 10时，单位为哈特莱。第第1章章 概论概论清清 华华

60、大大 学学 出出 版版【例】设二进制离散信源，数字0或1以相等的概率出现，试计算每个符号的信息量。 解:二进制等概率时 有 即二进制等概时，每个符号（码元）的信息量相等，都为1bit。5021)0() 1 (. PPbitII150)0() 1 (2.log第第1章章 概论概论清清 华华 大大 学学 出出 版版1.6.1 信息量与平均信息量2、平均信息量 当信源中各个符号出现的概率不相等时，计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。 平均信息量平均信息量定义：平均每个符号所含的信息量，或者说每个符号所含的信息量平均值。用符号 表示。 多进制时，设各符号出现的概率为： )(,),(),(,21,