高级通信原理第1章绪论(于秀兰)课件

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）通信系统）通信系统 （第（第4 4版）版）Simon Haykin,Simon Haykin,电子工业出版社。电子工业出版社。2 2）周炯磐，）周炯磐，通信原理通信原理（第（第3 3版），北京邮电大学出版版），北京邮电大学出版社，社，20082008。3 3）John G.ProakisJohn G.Proakis，“Digital communicationsDigital communications”，4th Edition4th Edition，电子工业出版社，电子工业出版社，20012001。4 4）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消消息息的的本本质质和和价价值值取取决决于于它它所所包包含含的的信信息息量量，即对接收者的不确定性即对接收者的不确定性定义独立消息xi 的信息量:n信信号号是是消消息息的的承承载载者者。最最简简单单的的消消息息是是二二择择一一的的消消息息(二二元元消息消息)，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数数字字通通信信：利利用用数数字字信信号号(包包括括其其变变换换形形式式)传传递递消消息息的的通通信方式。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，出现概率四种符号，出现概率分别为分别为1/2，1/4，1/8，1/8，如何编码可以使得有效，如何编码可以使得有效性得以提高？性得以提高？信道编码：信道编码：添加监督码元，使之具有检错或纠错添加监督码元，使之具有检错或纠错能力，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符号速率和信息速率的关系：符号速率和信息速率的关系：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？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传传输输的的可可靠靠性性和和有有效效性性都都取取决决于于信信道道，实实际际信信道道都都是是非非理理想信道。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：传传递递函函数数H()不不理理想想而而带带来来的的传传输输信信号号的的线线性性失失真真，带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)瞬时值分布密度是高斯函数瞬时值分布密度是高斯函数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因因为为xi 是是离离散散的的有有限限取取值值,与与si 的的对对应应是是固固定定的的唯唯一一的的，是是发发、收收双双方方事事先先约约定定的的。即即si(t)是是确确知知的的(known)(known)(注注意意，不不是是确确定定的的determinant)determinant)，接接收收端端只只是是不不知知道道观观察察时时间间 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接接收收机机的的根根本本任任务务：对对r(t)进进行行处处理理，按按一一定定的的标标准准(判判决决准准则则)，判判定定0,T内内发发送送端端发发出出的的是是哪哪一一个个消消息息xi，这一过程称为判决这一过程称为判决(decision)。n在在数数字字通通信信中中，接接收收机机的的主主要要功功能能不不是是单单纯纯的的解解调调，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。n研研究究数数字字通通信信系系统统理理论论的的目目的的：在在信信道道给给定定的的条条件件下下，设设计计传传输输信信号号的的形形式式(确确知知波波形形)，并并选选择择最最好好的的判判决决方方法法，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由由于于传传输输信信道道不不理理想想，接接收收信信号号r(t)不不可可能能是是发发送送波波形形si(t)的的精精确确再再现现。设设计计接接收收机机应应当当使使这这种种错错误误极极小小化化，这这称称为为接收机的优化。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n误符号率误符号率性能曲线性能曲线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。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设计步骤：设计步骤：1)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；2)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1)数据比特速率、信道比特速率和符号速率的关系；数据比特速率、信道比特速率和符号速率的关系；2)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 无线链路的预算分析无线链路的预算分析第第7章章 调制和编码的权衡调制和编码的权衡第第8章章 扩频通信扩频通信第第9章章 无线信道无线信道主要知识点主要知识点n信号功率谱的计算（频带利用率）信号功率谱的计算（频带利用率）基带基带频带频带n等效低通分析等效低通分析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信号的能量、信号点间的欧氏距离信号的能量、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扩频调制扩频调制通信系统的链路预通信系统的链路预算分析算分析本科本科通信原理通信原理的知识点的知识点n高斯白噪声信道高斯白噪声信道n数字信号的基带传输数字信号的基带传输无码间干扰传输、频带利用率无码间干扰传输、频带利用率匹配滤波器匹配滤波器误码率分析误码率分析n数字信号的频带传输数字信号的频带传输ASK、PSK、FSK的调制和解调原理的调制和解调原理星座图星座图n香农公式香农公式