现代通信理论第一章课件

数字通信王惠琴教授数字通信王惠琴教授1绪论数字通信：采用针对数字信息的加工、处理和传输技术，把信源产生的信息（消息、信号）有效、可靠地传送到一个或多个接收者（用户、目的地）。优点：资源利用率高；实现容易，成本低；多用户系统中，数字传输支持信息的电子寻址（Addressing）和路由（Routing）；不同形式的信息通过数字传输机制变得统一，即不同形式或种类的信源可以通过复接，合成为一个数字信源，实现多媒体通信；数字信息比模拟波形更容易加密；数字信息可以用电子方法，精确、快速地实现信息的存储和提取；多级接力传输系统中，数字信息在每一级重构、再生，而模拟系统中，噪声和失真为逐级累积等。1绪论数字通信：采用针对数字信息的加工、处理和传输技术，把1.1数字通信系统的组成目的掌握数字通信系统的分析方法，即给定一个数字通信系统，分析其特定传输环境下所能达到的性能指标；数字通信系统的基本设计方法，包括两方面：给定传输条件（信道特性），设计一个数字通信系统，在规定允许失真条件下，提供最大的数字通信能力；在给定要求的失真和业务负载条件下，设计有效的信道完成数据传输任务。数字通信系统的构成1.1数字通信系统的组成目的1.1数字通信系统的组成信道编码:用适合信道传输的码进行传输，或对源码进行重编码使具有检错、纠错能力。信源编码：降低信息冗余度的编码，以较少的码元传输较多的信息，提高传输效率。数字调制/解调：把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。同步：包括载波同步、位同步、帧同步、网同步，是接收端正确恢复数字信息所不可缺少的。1.1数字通信系统的组成信道编码:用适合信道传输的码进行1.2通信信道及数学模型

信道是指以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道：仅是指信号的传输媒质。

广义信道：为了研究的需要，将有关转换设备一并划入狭义信道，称为广义信道。广义信道中除传输媒质外，还包括有关发送设备、接收设备、天线、调制、解调等。广义信道按功能可分为：电缆光缆狭义信道短波广播超短波、微波传输卫星通信移动通信有线信道无线信道调制信道——研究的着眼点只关心调制器输出和解调器的输入编码信道——研究的着眼点只关心编码和译码（数字通信系统）

1.2通信信道及数学模型信道是指以传输媒1.2通信信道及数学模型广义信道调制信道

——指调制器输出到接收端的解调器输入编码信道

——从编码器输出至译码器输入

调制信道数字信源调制器解调器终端媒质编码器译码器发转换器收转换器编码信道1.2通信信道及数学模型广义信道调制信道——指调制器输71.2通信信道及数学模型通信信道及特性

1有线信道★

双绞线、同轴电缆、波导、光纤等。频率范围从kHz-100GHz-★

有线信道属于典型的恒参信道。★信号在信道中传输会造成幅度和相位失真，这种线性畸变可以通过接收机端的均衡技术措施减小或消除。★第9章将研究带限滤波信道的最佳传输信号和信号的最佳接收问题，第10章研究信道均衡器的设计。71.2通信信道及数学模型通信信道及特性1.2通信信道及数学模型通信信道及特性

2光纤信道★光纤信道提供的带宽比同轴电缆信道大几个数量级。★由于低损耗光缆和光子器件技术的不断成熟，光纤通信得到了广泛应用。如:地面市话网数字话音传输、地面数字视频广播、跨洋通信网络等。★调制方式采用幅度调制，频率和相位调制及相干解调仍存在困难。1.2通信信道及数学模型通信信道及特性2光纤信道9频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~30kHz104~108m甚低频VLF有线线对、长波无线电音频、电话、数据终端长距离导航、时标30~300kHz103~104m低频LF有线线对、长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m中频MF同轴电缆、短波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m高频HF同轴电缆、短波无线电移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电30~300MHz1~10m甚高频VHF同轴电缆、米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航3无线电信道通信频段与用途

300MHz~3GHz电电10~100cm特高频UHF波导分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz1~10cm超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mm极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学43T~3000THz0.1~7um紫外可见光红外光纤激光空间传播光通信传播方式：地波传播、天波传播、视线传播9频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~3无线信道无线信道电磁波的频率－受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层：地面上0~10km平流层：约10～60km电离层：约60～400km地面对流层平流层电离层10km60km0km1.2通信信道及数学模型3无线信道地面对流层平流层电离层10km60km0电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减

(dB/km)水蒸气氧气降雨率图大气衰减1.2通信信道及数学模型电离层对于传播的影响频率(GHz)频率(GHz)衰减(dB/传播路径地面地波传播地面信号传播路径天波传播电磁波的分类：地波频率<2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米天波频率：2~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：<4000km寂静区：1.2通信信道及数学模型传播路径地面地波传播地面信号传播路径天波传播电磁波的分

对流层散射通信地球有效散射区域散射传播电离层散射 机理－由电离层不均匀性引起 频率－30~60MHz

距离－1000km以上对流层散射 机理－由对流层不均匀性（湍流）引起 频率－100~4000MHz

最大距离<600km1.2通信信道及数学模型对流层散射通信地球有效散射区域散射传播1.2通信信道及数学流星流星余迹散射

流星余迹特点－高度80~120km，长度15~40km

存留时间：小于1秒至几分钟 频率－30~100MHz

距离－1000km以上 特点－低速存储、高速突发、断续传输流星余迹散射通信流星余迹1.2通信信道及数学模型流星流星余迹散射流星余迹散射通信流星余迹1.2通信信道及数学151.2通信信道及数学模型通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它具有如下共性：（1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；（2）绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；

（3）信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；（4）信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；（5）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。可以用一个二对端(或多对端)的时变线性网络表示调制信道。时变线性网络时变线性网络二端对网络多端对网络151.2通信信道及数学模型通过对调制信道进行大量的分析研究161.2通信信道及数学模型信道的数学模型（理想信道、线性滤波信道、线性时变滤波信道）加性噪声信道（理想信道）加性高斯白噪声信道，简称AWGN信道；线性滤波信道理想信道为线性滤波信道的特例，即信道冲击响应为161.2通信信道及数学模型信道的数学模型（理想信道、线性滤171.2通信信道及数学模型线性时变滤波信道对离散多径信道，信道的时变冲激响应为信道的输出信号为171.2通信信道及数学模型线性时变滤波信道1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量例如：网络中的传输速率8Mb/s?信息：是消息中包含的有效内容如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关 1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量信息及其度量如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则

【例】“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。度量信息量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述： 消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的方法设：P(x)－消息发生的概率，

I

－消息中所含的信息量，则P(x)和I之间应该有如下关系：I是P(x)的函数：I＝I[P(x)]P(x)

，I

；P(x)

，I

；

P(x)=1时，I

＝0；P(x)=0时，I

＝

；

1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的方法满足上述3条件的关系式如下： －信息量的定义上式中对数的底： 若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，简记为b

若a=e，信息量的单位称为奈特(nat)， 若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的方法通常广泛使用的单位为比特，这时有

(b)【例】一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的方法等概率情况每一个波形的信息量为若M是2的整幂次，即M=2k，则有 当M=4时，即4进制波形，I=2比特， 当M=8时，即8进制波形，I=3比特。1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量度量信息量的方法对于非等概率情况 设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)独立出现，即 且有 则x1,x2,

x3,…,

xM所包含的信息量分别为1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的方法对于非等概率情况 则每个符号所含平均信息量为 由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为式中，f(x)－连续消息出现的概率密度。1.3数字通信系统的主要性能指标信息及其度量1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标

有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护性等通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标数字通信系统有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。码元传输速率RB：单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。 式中T－码元的持续时间（秒）信息传输速率Rb：单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为b/s

，或bps1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标数字通信系统码元速率和信息速率的关系 或 对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。 对于多进制，如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200B，则信息速率为3600b/s。1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标数字通信系统频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即 或功率利用率：1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标数字通信系统可靠性：常用误码率和误信率表示。误码率误信率，又称误比特率在二进制中有误帧率1.3数字通信系统的主要性能指标通信系统主要性能指标1.3数字通信系统的主要性能指标321.4数字通信的发展1837年，莫尔斯电报通信系统是最早的数字通信系统；1924年，奈奎斯特研究了带限信道无码间干扰传输的最大速率------现代数字通信系统的起源；对于带宽为W（Hz）的基带传输系统，发送信号无码间传输的最大速率为2W波特，基带波形为1948年，香农导出了数字通信系统的基本限制，信道容量公式