通信系统仿真第一章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,通信系统仿真,电话、广播,现代通信与信息社会,语言,文字,图像,人力,马力,信鸽、邮政,电报,Email,烽火台,电视 视频会议,信息社会,信号弹,塞缪尔,莫尔斯,(Samuel Finley Breese Morse,，,1791-1872),，,作为一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留学，在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家。,1826,年至,1842,年任美国画家协会主席。,在,一,次,远洋,旅途中，莫尔斯结识了杰克逊。杰克逊是波士顿城的一位医生，也是一位电学博士。闲聊中，杰克逊把话题转到电磁感应现象上。,从此，莫尔斯走上了科学发明的崎岖道路。为了维持生活，莫尔斯于,1836,年不得不重操旧业，担任纽约大学艺术及设计教授。课余时间，他仍然继续从事电报发明工作。终于在,1837,年,9,月,4,日，莫尔斯制造出了一台电报机。,1844,年,5,月,24,日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人类历史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：“上帝创造了何等的奇迹,!”,1862,年,31,岁，麦克斯韦发表了第二篇论文,论物理力线,，不但进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。,1864,年他的第三篇论文,电磁场的动力学理论,，从几个基本实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论。,1873,年出版的,电学和磁学论,一书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了,19,世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的,自然哲学的数学原理,、达尔文的,物种起源,和赖尔的,地质学原理,相媲美的里程碑式的著作。,麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克（,Max Plank l8581947,）,指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。,赫兹是一个短命的物理学家。他于,1894,年逝世时，年仅,37,岁。,1886,年,29,岁发现电磁波，其后不到,6,年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术：无线电报（,1894,年）、无线电广播（,1906,年）、无线电导航（,1911,年）、无线电话（,1916,年）、短波通讯（,1921,年）、无线电传真（,1923,年）、电视（,1929,年）、微波通讯（,1933,年）、雷达（,1935,年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学,它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。海因里希,赫兹 研究所,Heinrich Hertz Institute,出生于美国爱丁堡，早年研究声学。,21,岁时在伦敦大学攻读生理解剖学。,1871,年迁居加拿大。,24,岁时又移民美国，后加入美国国籍。,1872,年起任波士顿大学语言生理学教授。在此时期，曾以利用电流传送声音的研究。,1876,年,3,月,10,日,，他,发明了有线电话,，贝尔通过送话机与实验室的助手沃森首次通话成功。,1877,年,，建成从波士顿到纽约之间长距离电话线通话。第一份用电话发出的新闻电讯稿被发送到波士顿,世界报,，,标志着电话为公众所采用,。,1878,年，贝尔电话公司正式成立。,贝尔（,1847-1922,），美国电话发明者,1876,年,3,月,10,日，美国发明家贝尔发明,世界上第一部电话,，并获美国专利局批准的电话专利。这是,2005,年,8,月,11,日拍摄的美国新泽西州,默里山贝尔实验室博物馆内,的世界第一部电话。,信息论的创始人香农,Shannon,，,1916,年生于美国，大学时代在美国密执安大学和麻省理工学院学习，修过布尔代数课，并曾在发明微分分析仪的数学家布什的指导下使用微分分析仪，这使他对继电器电路的分析产生兴趣。他认为这些电路的设计可用符号逻辑来实现，并意识到分析继电器的有效数学工具正是布尔代数。,1938,年，香农发表了著名的论文,继电器和开关电路的符号分析,，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论的开端。,后来，香农到,贝尔,实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用。,无失真变长信源编码定理,(,香农第一定理,),有噪信道编码定理,(,香农第二定理,),保真准则下信源编码,定理,(,香农第三定理,),通信,-,将含有信息的消息有效而可靠地由一地传输到另一地（其它地方）的过程。,目的：传输含有信息的消息,信息：人们待知的消息。,消息：用以表达信息的某种物理形式。,信号：寄载消息的某种物理形式。,对通信的要求：,可靠,-,尽可能准确无误,！,有效,-,尽可能多而快！,传输信息,以语言,.,图像,.,数据为媒体,通过电,(,光,),信 号将信息由一方传输到另一方。,定义,1-,实现这一变换过程的所有设备和 机构的总体称通信系统。,定义,2-,完成信息的传输和处理的一些基 本单元的集合称通信系统。,信息源,受信者,发送设备,信道,接收设备,噪声源,按信号特征分,-,模拟、数字通信,按调制与否分,-,基带、频带传输系统,按传输媒质分,-,无线、有线通信,按信号复用方式分,-FDM,、,TDM,、,CDM,按消息物理特征分,-,电报、电话、图象、数据等通信,按通信范围分：点对点、一点对多点、网络通信等。通信方式有：,按消息传递的方向和时间分,-,双工、半双工、单工通信,按数字信号码元排列方法分,-,串行、并行传输,通信方式,通信的分类,（归纳；了解即可）,数字通信,模拟通信,有线通信,无线通信,1,） 按信号分,2,） 按传输媒质分,3),按工作频率分,长波通信,中波通信,短波通信,微波通信,光波通信,已派生出来,电报,电话：可视电话,数传,TV,雷达,专用通信,公用通信,固定通信,移动通信,4),按通信业务分,5),按用途分,6,）按通信者是否运动分,7,）按一些特定 实现技术分,码分多址通信,频分多址通信,时分多址通信,扩频通信,二,.,模拟通信与数字通信,定义,(,模拟通信,?),信道传输模拟信号。,模拟信号？,模型：, 模拟通信含两重要变换：,点对点单路模拟通信系统模型,基本问题,？,模拟通信,数字通信系统,定义,(,数字通信,?),信道传输数字信号,数字信号,模型？,基本问题？,数字频带传输系统框图,信息源,加密器,编码器,调制器,信道,解调器,译码器,解密器,受信者,噪声源,数字基带传输系统框图,信息源,形成器基带信号,信道,滤波器接 收,受信者,噪声源,优点,抗干扰能力强（中继、再生） ？,差错可控制（采用纠错编码,） ？,数字信号易存储及加工处理（用计算机等智能设备进行） ？,易加密（保密通信） ？,可综合传递各种消息（综合业务数字网） ？,缺点和问题,设备复杂（差错控制要编,/,解码器，加密要加,/,解密器）,调制解调与模拟的侧重点不一样,信号带宽不同,(,数字信号频带更宽,),数字通信特点,-,与模拟通信相比，数字通信有何优缺点？,三、,通信的主要性能指标,1.,通信的有效性,信息及其度量,通信的任务,-,传递信息,衡量标准：,有效性：给定信道内传输信息内容的多少,信 息,:,消息中有意义的内容,信息量,:,度量信息内容多少的量纲,信息含义举例：,“今年冬天比去年冷”,“今年冬天和去年夏天一样热”,后句话的信息量前句话的, 可能性越小，信息量越大！, 用概率描述（概率信息量，,P=0,时信息量为 ）,.,模拟通信有效性,以每秒内传送信息量的大小衡量。,以被传信号的有效频带衡量。,以特定信道能容纳的信号路数衡量。,数字通信有效性,码元传输速率,（数码率，传码率）,R,B,：,-,单位时间内传送的码元个数。单位：波特,（,Baut,）,信息传输速率,（传信率）,R,b,：,-,单位时间内传送的信息量。单位：,b/s,（,bps,：,比特,/,秒，二进制）,多进制信号,传输速率,多进制每码元信息量,1bit,设数码率,RB,、,信息速率,Rb,，,码元有,M,种可能的符号,则：,例如：,4,进制，每码元,2bit,信息,1200baud,时， 信息速率,=2400b/s,2.,通信的可靠性,模拟通信可靠性,均方误差：,输出信噪比（接收端解调器输出信噪比）,均方误差值，系统性能越好！,r,0,=,解调器输出有用信号功率,解调器输出噪声平均功率,r,0,，,系统性能越好！,可靠性,：,错误率（需使用统计和概率）,误比特率,（误信率）,误码率,（误符号率）,数字通信可靠性,注：传输、调制、接收方式若不同，则有不同的误码率和误信率！,MATLAB,1 MATLAB,简介,MATLAB,简介,三个代表性的计算机数学语言：,MATLAB,是,MATrix,LABoratory,的缩写，由,MathWorks,公司推出。长于数值计算，编程方便。在各个领域都有领域专家编写的工具箱，能高效、可靠地解决各种问题。,Mathematica,，,Wolfram Research,公司,Maple,，,Waterloo Maple,公司,有强大的解析运算和数学公式推导、定理证明能力，数值计算能力比,Matlab,弱，更适合纯数学求解。,Matlab,简介,在欧美各高等院校，,Matlab,已经成为线性代数、数值分析、数理统计、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等课程的基本教学工具，已成为大学生必须掌握的基本技能之一。,Matlab,功能强大,、,简单易学,、,编程效率高,，深受广大科技工作者的欢迎。,Matlab,是一种广泛应用于,工程计算,及,数值分析,领域的新型高级语言，自 1984 年推向市场以来，历经二十多年的发展与竞争，现已成为国际公认的最优秀的工程应用开发环境。,Matlab,简介,Matlab,:,Mat,rix,Lab,oratory,矩阵实验室,Matlab,的发展,1980,年，,Moler,教授用,Fortran,语言编写了集,命令翻译,、,科学计算,于一身的一套交互式软件系统。,1984,年，,Moler,等成立了,The,MathWorks,的公司，用,C,语言,完全改写,Matlab,，,并推出第一个商业版。,增添图形图像处理、符号运算、以及与其他流行软件 的接口功能，使得,Matlab,的功能越来越强大。,到九十年代，在国际上 30 几个数学类科技应用软件中，,Matlab,在数值计算方面独占鳌头。,目前，,Matlab,已成为世界顶尖的数学应用软件，以其强大的工程计算、算法研究、工程绘图、应用程序开发、数据分析和动态仿真等功能，在航空航天、机械制造和工程建筑等领域发挥着越来越重要的作用。就影响而言，至今仍然没有一个别的计算软件可与,Matlab,匹敌。,Matlab,的发行,1984年，,Matlab,1.0 （,DOS,版，182,K,，,20,多个函数）,1992年，,Matlab,4.0,（93年推出,Windows,版，加入,simulink,）1994年，,Matlab,4.2,（得到广泛重视和应用）,199,9,年，,Matlab,5.3,（真正实现,32,位运算）2002年，,Matlab,6.5,（采用,JIT,加速器）,2004年，,Matlab,7.0,自2006年起，,Matlab,每年更新两次,Matlab,简介,MATLAB,语言特点,编程效率高，允许用数学的语言来编写程序,用户使用方便，把程序的编辑、编译、连接和执行融为一体,高效方便的矩阵和数组运算,语句简单，内涵丰富,扩充能力强，交互性，开放性,方便的绘图功能,该软件由,c,语言编写，移植性好,语言简洁,MATLAB,的功能,MATLAB,产品组是从支持概念设计、算法开发、建模仿真，,到实时实现的集成环境，可用来进行：,数据分析,数值与符号计算,工程与科学绘图,控制系统设计,数字图像信号处理,建模、仿真、原型开发,财务工程、应用开发、图形用户界面设计,功能强大,1.,矩阵运算功能,MATLAB,提供了丰富的矩阵运算处理功能，是,基于矩阵运算的处理工具,。,变量,矩阵，运算,矩阵的运算,例如,C = A + B,，,A,B,C,都是矩阵,是矩阵的加运算,即使一个常数，,Y=5,，,MATLAB,也看做是一个,1,1,的矩阵,2.,符号运算功能,符号运算即用字符串进行数学分析,允许变量不赋值而参与运算,用于解代数方程、微积分、复合导数、积分、二重积分、有理函数、微分方程、泰乐级数展开、寻优等等，可求得解析符号解,3.,丰富的绘图功能与计算结果的可视化,具有高层绘图功能,两维、三维绘图,具有底层绘图功能,句柄绘图,使用,plot,函数可随时将计算结果可视化,4.,图形化程序编制功能,动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,用结构图编程，而不用程序编程,只需拖几个方块、连几条线，即可实现编程功能,5,.,丰富的,MATLAB,工具箱,MATLAB,主工具箱,符号数学工具箱,SIMULINK,仿真工具箱,控制系统工具箱,信号处理工具箱,图象处理工具箱,通讯工具箱,系统辨识工具箱,神经元网络工具箱,金融工具箱,6.MATLAB,的兼容功能,可与,C,语言、,FORTURE,语言跨平台兼容,用函数,CMEX,、,FMEX,实现,此功能不推荐使用,7.MATLAB,的容错功能,非法操作时，给出提示，并不影响其操作,1/0,Warning: Divide by zero,ans =,Inf,8.MATLAB,的开放式可扩充结构,matlab,所有函数都是开放的,用户可按自己意愿随意更改,正因为此功能，使得,matlab,的应用越来越广泛,9.,强大的联机检索帮助系统,可随时检索,matlab,函数,可随时查询,matlab,函数的使用方法,MATLAB,的简单应用,例,1,：矩阵生成与运算,金庸作品中的一个“数学问题”,该问题用半数学语言描述就是：如何生成一个,3x3,矩阵,并将自然数,1, 2, ., 9,分别置成这,9,个矩阵元素，才能使得每一行、每一列、且主、反对角线上元素相加都等于一个相同的数。,A=magic(3),如果想求出矩阵的行列式和特征值，可以用,det(A,),eig(A,),MATLAB,的简单应用,A=magic(3),A =,8 1 6,3 5 7,4 9 2,MATLAB,的简单应用,det(A),eig(A),ans =,-360,ans =,15.0000,4.8990,-4.8990,MATLAB,的简单应用,x,y, = meshgrid(-3:1/8:3);z =3*(1-x).2.*exp(-(x.2) - (y+1).2)- 10*(x/5 - x.3 - y.5).*exp(-x.2-y.2)- 1/3*exp(-(x+1).2 - y.2);,surf(x,y,z,), shading,interp,;,colorbar,例,2,考虑一个二元函数，如何用三维图形的方式表现出这个曲面？,MATLAB,的简单应用,MATLAB,的简单应用,例,3,、用一个简单命令求解线性系统,3x,1,+ x,2,- x,3,= 3.6,x,1,+2x,2,+4x,3,= 2.1,-x,1,+4x,2,+5x,3,= -1.4,A=3 1 -1;1 2 4;-1 4 5;b=3.6;2.1;-1.4;,x=Ab,x =,1.4818,-0.4606,0.3848,MATLAB,的简单应用,例,4,、用简短命令计算并绘制在,0,x6,范围内的,sin(2x),、,sinx,2,、,sin2x,。,x=linspace(0,6),y1=sin(2*x),y2=sin(x.2),y3=(sin(x).2;,plot(x,y1,x, y2,x, y3),MATLAB,的简单应用,用四种方法描述,cos(x,)*,sin(y,),图形,MATLAB,的简单应用,例,5,微分方程的数值解法。著名的,Lorenz,模型（蝴蝶效应,),MATLAB,的简单应用,描述微分方程：,function,xdot,=,lorenzeq(t,x,),xdot,=-8/3*x(1)+x(2)*x(3); -10*x(2)+10*x(3); -x(1)*x(2)+28*x(2)-x(3);,MATLAB,的简单应用,求解该微分方程，绘制出时间曲线与相空间曲线，如下所示。,t_final,=100; x0=0;0;1e-10; ,t,x,=ode45(lorenzeq,0,t_final,x0);,plot(t,x,), figure; plot3(x(:,1),x(:,2),x(:,3);,axis(10 40 -20 20 -20 20);,MATLAB,的简单应用,MATLAB,的简单应用,购买（下载）,Matlab,软件,Matlab,的安装,插入光盘，自动运行； 或点击安装程序,setup.exe,必须安装的部件,Matlab,Symbolic Math Toolbox,Extended Symbolic Math,这里以,Matlab,7.0.4,为例,自,R2008a,开始增加了激活要求,Matlab,的特点与功能,Matlab,具有很强的数值计算功能,Matlab,以,矩阵,作为数据操作的基本单位， 但无需预先指定矩阵维数（,动态定维,）,按照,IEEE,的数值计算标准进行计算,提供十分丰富的数值计算函数，方便计算，提高效率,Matlab,命令与数学中的符号、公式非常接近， 可读性强，容易掌握,Matlab,是一个交互式软件系统,输入一条命令，立即就可以得出该命令的结果,Matlab,的特点与功能,Matlab,符号计算功能,Matlab,和著名的符号计算语言,Maple,相结合,Matlab,的编程功能,Matlab,具有,程序结构控制,、,函数调用,、,数据结构,、,输入输出,、,面向对象,等程序语言特征，而且,简单易学,、,编程效率高,。通过,Matlab,进行编程完成特定的任务,Matlab,的绘图功能,Matlab,提供丰富的绘图命令，很方便实现数据的可视化,Matlab,丰富的工具箱（,toolbox,）,Matlab,的特点与功能,根据专门领域中的特殊需要而设计的各种可选工具箱,Matlab,的,Simulink,动态仿真集成环境,提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能,Symbolic Math,PDE,Optimization,Signal process,Image Process,Statistics,Control System,System Identification, ,Matlab,的基本用法,Matlab,系统的启动,使用,Windows “,开始” 菜单,运行,Matlab,系统启动程序,matlab,双击,Matlab,快捷图标,Matlab,系统的退出,在,Matlab,主窗口,File,菜单中选择,Exit,Matlab,在,Matlab,命令窗口输入,exit,或,quit,单击,Matlab,主窗口的“关闭”按钮,Matlab,的工作界面,命令窗口,当前工作目录,当前工作空间,输入命令的历史记录,命令,提示符,