通信原理1-4教学文稿

通信原理1-4模拟通信系统与数字通信系统

通信就是传输信息。现代通信以语音、图像及数据为媒体，通过电、光或电磁波将信息由一方传输到另一方。通信系统一般模型

信源发送设备信道接收设备受信者噪声源发送端接收端噪声模拟通信系统与数字通信系统-续若信道中传输的是模拟信号，则为模拟通信系统若信道中传输的是数字信号，则为数字通信系统正弦基带信号AM信号FM信号PM信号模拟信号波形数字信号波形模拟通信系统的基本概念

点对点单路通信系统

下图为点对点单路通信系统原理方框图

点对点多路通信系统通信网数字通信系统的基本概念点对点数字通信系统模型

与模拟通信类似，在多路数字通信系统中除采用上述数字传输技术外，还需采用复用技术。在通信网中还需采用交换技术及网络技术。目前，在数字通信系统中常用的复用技术是频分复用FDM和时分复用TDM。

数字通信系统的基本概念点对点数字通信系统模型

1.1模拟通信系统与数字通信系统1.2通信系统的分类

1.3信息及其度量1.4通信系统的主要性能指标

通信系统的分类按通信业务分类

按调制方式分类

按信号特征分类

按传输媒质分类

按工作波段分类按信号复用方式和多址方式分类按消息传输的方向和时间关系分类按数字信号排列顺序分类

1.1模拟通信系统与数字通信系统1.2通信系统的分类1.3信息及其度量

1.4通信系统的主要性能指标

信息及其度量离散消息的信息量某离散消息x发生的概率为P(x)，则它所携带的信息量为

I=-logap(x)

当a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；当a=2时，信息量的单位为比特(bit)。目前广泛使用的单位为bit。信息及其度量-续1离散信源的平均信息量(信源熵)

设信源输出M个统计独立的符号，它们出现的概率分别为，则每个符号所含信息量的统计平均值即离散信源的平均信息量为H(x)=(bit/符号)

信源的平均信息量又被称为信源熵。信息论已经证明，最大信源熵发生在信源的每个符号等概独立出现时，最大信源熵为Hmax(x)=log2M(bit/符号) 信息及其度量-续2码速率(RB)、信息速率(Rb)

RB表示每秒钟传输的码元数目，单位为波特(Bd)，又称RB为符号速率。

Rb表示每秒钟传输的信息量，单位为每秒比特(bit/s或bps)，又称Rb为传信率。 码元宽度(或码元周期)为T秒时，

RB=1/T（Bd） 信息速率与码速率之间的关系为

Rb=RB·H(x)(bit/s)

当信源各个符号等概独立时，

Rb=RBlog2M(bit/s) 信息度量举例某信源的符号集由A、B、C、D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4、1/8、1/8、3/16和5/16；信源以1000Bd速率传送信息。

(1)求传送1小时的信息量；

(2)求传送1小时可能达到的最大信息量。

解(1)信源熵为

H(X)=（log24+log28+log2+log2）bit/符号=2.23bit/符号平均信息速率为Rb=RB·H(X)=(1000×2.23)bit/s=2.23×103bit/s1小时传输的信息量为

I=(2.23×103×3600)bit=8.028Mbit(2)等概时信源熵为最大值，即

Hmax(x)=(log25)bit/符号=2.322bit/符号

1小时传输的最大信息量为

Imax=(2.322×1000×3600)bit=8.359Mbit通信系统的主要性能指标通信的目的是快速、准确地传输信息。快速可以用有效性来描述，准确可以用可靠性来描述。模拟通信系统的性能指标

模拟信号占用的信道带宽必须等于或大于信号带宽，因此信号带宽越小，有效性越好；模拟信号的质量用信噪比表示，解调器输出信号信噪比越大可靠性越好

通信系统的主要性能指标－续1数字通信系统的性能指标

频带利用率（有效性）

(Bd/Hz)(bit/(s·Hz)或bps/Hz)

ηb=ηBlog2M

通信系统的主要性能指标－续2在数字通信系统中，误码率和误比特率越小，可靠性越高。误码率()与误比特率()的定义如下：Pe= Pb= 本章作业1-31-4第二章确知信号（自学）功率信号能量功率信号能量信号信号周期功率信号频谱能量信号频谱密度傅里叶级数傅里叶变换功率=功率谱密度能量=能量谱密度自相关函数自相关函数傅里叶变换傅里叶变换第三章随机信号（自学）方差均值相关函数随机过程平稳过程分布与时间无关各态历经一次样本就够了通信系统中通常都是平稳的、各态历经的，所以“随机过程可看做是带时间参数的随机变量，即随机信号”线性系统平稳随机过程均值功率谱密度平稳随机过程均值功率谱密度高斯过程第三章随机信号（自学）均值为0、且窄带的高斯过程（随机信号），包络为瑞利分布，相位为均匀分布。正弦波（模拟调制或数字调制信号）+均值为0、且窄带的高斯过程（噪声），包络为：i）莱斯分布；ii）瑞利分布——若信噪比小；iii）高斯分布——若信噪比大。信道噪声在时域取值上常具有高斯特性，频域上具有白噪声特性，即功率谱密度为常数（自相关函数为冲击函数，即不相关）。第4章信道

本章讨论信道的传输特性及其对信号传输的影响，并简单介绍信道容量的基本概念4.1无线信道4.2有线信道4.3信道数学模型4.4信道特性对信号的影响4.5信道加性噪声与干扰4.6信道容量无线信道无线信道举例无线信道中由短波电离层反射，超短波流星余迹散射，超短波及微波对流层散射，超短波电离层散射、超短波视距绕射以及陆地移动通信信道等均属于无线信道

微波对流层散射信道移动通信的多径传输4.1无线信道4.2有线信道4.3信道数学模型4.4信道特性对信号的影响4.5信道加性噪声与干扰4.6信道容量有线信道有线信道实例

有线信道中的双绞线、同轴电缆、光纤及电力线。4.1无线信道4.2有线信道4.3信道数学模型

4.4信道特性对信号的影响4.5信道加性噪声与干扰4.6信道容量信道数学模型

信道分类

从信道的物理形态来分，可将信道分为有线信道和无线信道；从信道的特征来分，可将信道分为恒参信道和随参信道；在信道中传输的信号特点，将信道划分为调制信道和编码信道。

常称调制信道为连续信道，编码信道为离散信道

信道数学模型编码信道模型

二进制编码信道模型为

T=

误码率为Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)调制信道模型

eo(t)=f［ei(t)］+n(t)eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)4.1无线信道4.2有线信道4.3信道数学模型4.4信道特性对信号的影响4.5信道加性噪声与干扰4.6信道容量恒参信道

恒参信道传输特性及其对信号传输的影响时域关系式：y(t)=x(t)*h(t)频域关系式：Y(ω)＝X(ω)H(ω)频率特性：幅频特性，相频特性群迟延频率特性：理想信道：H(ω=ke-jωtd

，τ(ω)=-td

非理想信道:∣H(ω)∣≠k，τ(ω)≠-ωtd恒参信道举例设某恒参信道的幅频特性为H(ω)=［1+cosωT0］其中，td为常数。试确定信号s(t)通过该信道后的输出信号表示式，并讨论之。解: H(ω)=［1+cosωT0］

=+(+)=++h(t)=δ(t-td)+δ(t-td+T0)+δ(t-td-T0)输出信号

so(t)=s(t)*h(t)=s(t-td)+s(t-td+T0)+s(t-td-T0)

随参信道陆地移动通信信道

陆地移动通信工作在450MHz～2GHz频段，地面条件复杂，电波的传播路径十分复杂。多径传输：一个通过无线信道传播的信号往往会沿一些不同的路径到达接收端。

陆地移动通信信道

无线电信号通过移动信道时会受到各个方面的衰减损失，接收信号功率可表示为：（1）

自由空间的路径损失：|d|-n；（2）

阴影衰落S(d)：由传输环境中的地形起伏、建筑物和其他障碍物对电波的阻塞和遮蔽而引起的衰落；（3）多径衰落R(d)：由移动传播环境中的多径传输而引起的衰落。

陆地移动通信信道陆地移动通信信道自由空间损耗接收天线功率自由空间传播损耗多径衰落：多径传输且每条路径的衰减及时延都是随时间变化的

设发射单频信号Acosωt，接收信号为

陆地移动通信信道陆地移动通信信道瑞利分布两个结论:(1)从波形上看：多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落。(2)从频谱上看：多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。陆地移动通信信道频率选择性衰落陆地移动通信信道频率选择性衰落-续

相关带宽Δf=1/τm发送信号带宽陆地移动通信信道随参信道特性的改善含交织编码的差错控制技术抗衰落性能好的调制解调技术功率控制技术分集接收技术扩频技术均衡技术分集接收技术分集接收：分别接收若干个独立的携带同一信息的信号，并将它们合并在一起。如果多个信号衰落特性相互独立，那么就可以减小各种衰落对接收信号的影响。分集接收包含有两重含义：一是分散接收，使接收端能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；二是集中处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。分集接收技术分集方式1.空间分集要求：分集接收技术2.频率分集3.时间分集用同一频率在不同时刻传输同一信息，在不同时刻不可能同时衰落掉同一载频信号。4.1无线信道4.2有线信道4.3信道数学模型4.4信道特性对信号的影响4.5信道加性噪声与干扰

4.6信道容量信道加性噪声加性噪声与信号相互独立，并且始终存在，实际中只能采取措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消除加性噪声。信道加性噪声-续噪声来源及分类噪声来源于人类活动、自然界和设备内部，分别称为人为噪声、自然噪声及内部噪声；根据噪声的波形特点或频谱的特点，可将噪声分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。以后的分析仅考虑起伏噪声。信道加性噪声-续起伏噪声的统计特性（1）瞬时幅度服从高斯分部且均值为0

（2）功率谱密度在很宽的频率范围内是平坦的

Pn(f)=(W/Hz)起伏噪声的统计特性起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声。白噪声：在整个频率范围内具有平坦的功率谱密度的噪声。

双边功率谱密度信道加性噪声-续等效噪声带宽信道加性噪声-续等效噪声带宽带通性噪声的等效带宽信道加性噪声-续

在分析系统抗噪性能的时候，认为接收滤波器为带宽Bi＝Bn的理想带通滤波器，一般Bi《fc，因此ni(t)满足“窄带”的定义，为窄带高斯噪声。信道加性噪声-续窄带白噪声ni(t)=nc(t)cosct-

ns(t)sinct,ni(t)、nc(t)、ns(t)的一维概率密度为正态分布函数，其功率谱密度Pni(t)、Pnc(t)、Pns(t)如图所示4.1无线信道4.2有线信道4.3信道数学模型4.4信道特性对信号的影响4.5信道加性噪声与干扰

4.6信道容量信道容量信道容量的定义为：信道无差错传输信息的最大信息速率，记为C；离散信道的信道容量：

（bit/符号）

x为输入符号，y为输出符号，P(x)为输入符号的概率分布，R为符号速率。（bit/s）信道容量例：设信源由符号0和1组成，概率相等，符号速率为1000符号/s。信道为对称信道，错误概率为1/128。求信道容量。解：由条件：P(y0/x0)=P(0/0)=127/128，P(y1/x0)=P(1/0)=1/128，P(y0/x1)=P(0/1)=1/128，P(y1/x1)=P(1/1)=127/128。信源熵H(x)=-[0.5log0.5+0.5log0.5]=1由贝叶斯公式：可得：P(y0/x0)=P(0/0)=127/128，P(y1/x0)=P(1/0)=1/128，P(y0/x1)=P(0/1)=1/128，P(y1/x1)=P(1/1)=127/128。因此：所以，信道容量为：信道容量连续信道的信道容量由香农公式决定

（bit/s