高級通信原理第1章 緒論

1、高級通信原理高級通信原理 課程類型：課程類型： 學(xué)位課學(xué)位課 學(xué)時數(shù)：學(xué)時數(shù)： 4848學(xué)時學(xué)時 先修課程：先修課程：通信原理、信號與系統(tǒng)、概率論與隨機(jī)過程通信原理、信號與系統(tǒng)、概率論與隨機(jī)過程 教參教參： 1 1）周炯磐，）周炯磐，通信原理通信原理（第（第3 3版），北京郵電大學(xué)出版），北京郵電大學(xué)出 版社，版社，2008 2008 2 2）John G.ProakisJohn G.Proakis，“Digital communicationsDigital communications”，4th 4th EditionEdition，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，20012001 3 3

2、）Somon HaykinSomon Haykin，通信系統(tǒng)，第四版，電子工業(yè)出版社，通信系統(tǒng)，第四版，電子工業(yè)出版社， 2012.52012.5 第第1 1章緒論章緒論 一、什么是通信？一、什么是通信？ 二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成部分二、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成部分 三、通信信道三、通信信道 四、通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)四、通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 五、課程的主要內(nèi)容五、課程的主要內(nèi)容 什么是通信什么是通信? ? n通信的任務(wù)是傳遞消息。通信的任務(wù)是傳遞消息。 n消息的本質(zhì)和價值取決于它所包含的信息量，消息的本質(zhì)和價值取決于它所包含的信息量， 即對接收者的不確定性即對接收者的不確定性 2 1 ( )log i i

3、 I x P 定義獨(dú)立消息xi 的信息量: 2 log i P n信號是消息的承載者。最簡單的消息是二擇一的消息信號是消息的承載者。最簡單的消息是二擇一的消息(二二 元消息元消息)，它所對應(yīng)的信號稱為二元數(shù)字信號。，它所對應(yīng)的信號稱為二元數(shù)字信號。 n廣義數(shù)字信號：時間離散、狀態(tài)取有限的離散值的波形。廣義數(shù)字信號：時間離散、狀態(tài)取有限的離散值的波形。 n數(shù)字通信：利用數(shù)字信號數(shù)字通信：利用數(shù)字信號(包括其變換形式包括其變換形式)傳遞消息的通傳遞消息的通 信方式。信方式。 n通信系統(tǒng)的基本矛盾：可靠性與有效性通信系統(tǒng)的基本矛盾：可靠性與有效性 可靠性可靠性發(fā)送消息在接收端的準(zhǔn)確還原（矛盾的發(fā)送消

4、息在接收端的準(zhǔn)確還原（矛盾的 主要方面）主要方面） 有效性有效性信道資源的充分利用（時域、頻域）信道資源的充分利用（時域、頻域） n形成這種矛盾的根本原因：信道不理想形成這種矛盾的根本原因：信道不理想 帶寬、時間受限帶寬、時間受限 噪聲和干擾噪聲和干擾 n研究通信系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)研究通信系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn) 在一定可靠性要求下，如何盡可能去提高系統(tǒng)的有效性在一定可靠性要求下，如何盡可能去提高系統(tǒng)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 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本模型數(shù)字通信系統(tǒng)的基本模型 信源編碼：信源編碼：分為無失真編碼和限失真編碼。分為無失

5、真編碼和限失真編碼。 作用：把信源發(fā)出的消息變換成二進(jìn)制碼元組成作用：把信源發(fā)出的消息變換成二進(jìn)制碼元組成 的代碼組；壓縮信源的冗余度，的代碼組；壓縮信源的冗余度，提高通信系統(tǒng)傳提高通信系統(tǒng)傳 輸消息的有效性。輸消息的有效性。 信道編碼：信道編碼：添加監(jiān)督碼元，使之具有檢錯或糾添加監(jiān)督碼元，使之具有檢錯或糾 錯能力，錯能力，提高傳輸消息的可靠性。提高傳輸消息的可靠性。 調(diào)制：調(diào)制： 1)1)基帶調(diào)制基帶調(diào)制 2)2)頻帶調(diào)制頻帶調(diào)制 等效低通分析等效低通分析 信號的矢量分析信號的矢量分析 調(diào)制調(diào)制 調(diào)制：調(diào)制： 二進(jìn)制信息序列映射為信道能傳輸?shù)男盘柌ㄐ?。二進(jìn)制信息序列映射為信道能傳輸?shù)男盘柌ㄐ?/p>

6、。 假定信道編碼每輸出假定信道編碼每輸出“N個信息比特個信息比特”，數(shù)字調(diào)制器將其映，數(shù)字調(diào)制器將其映 射為波形射為波形 ，其中，其中 注意：每一波形的傳輸時間是傳輸注意：每一波形的傳輸時間是傳輸N個比特的時間。個比特的時間。 1, 2 , 1 , 0,Mitsi N M2 sb bs NRR NTT 符號速率和信息速率的關(guān)系：符號速率和信息速率的關(guān)系： 符號同步：符號同步：為了對解調(diào)器的輸出同步抽樣，需要估計發(fā)送端到為了對解調(diào)器的輸出同步抽樣，需要估計發(fā)送端到 接收端的傳播延遲。接收端的傳播延遲。 載波同步：載波同步：相干檢測器要求本地載波和發(fā)送載波同頻同相。相干檢測器要求本地載波和發(fā)送載波

7、同頻同相。 均衡：均衡：克服碼間干擾?？朔a間干擾。 信道信道 n傳輸?shù)目煽啃院陀行远既Q于信道，實際信道都是非理傳輸?shù)目煽啃院陀行远既Q于信道，實際信道都是非理 想信道。影響傳輸?shù)男诺廊毕菹胄诺馈Ｓ绊憘鬏數(shù)男诺廊毕?impairment)主要是：主要是： 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)H( )不理想而帶來的傳輸信號的線性失真，帶不理想而帶來的傳輸信號的線性失真，帶 來相鄰符號間的干擾來相鄰符號間的干擾ISI (Inter-symbol-interference) 由信道引入的噪聲是造成接收機(jī)判決失誤的主要原因由信道引入的噪聲是造成接收機(jī)判決失誤的主要原因 n信道噪聲信道噪聲 基本特點(diǎn)是存在隨機(jī)噪聲?；?/p>

8、本特點(diǎn)是存在隨機(jī)噪聲。 為分析的方便，認(rèn)為噪聲是從信道集中引入的。為分析的方便，認(rèn)為噪聲是從信道集中引入的。 當(dāng)信道的噪聲和其他用戶的干擾與期望信號占有相同當(dāng)信道的噪聲和其他用戶的干擾與期望信號占有相同 的頻帶時，可以通過發(fā)送信號和接收機(jī)解調(diào)器的適當(dāng)?shù)念l帶時，可以通過發(fā)送信號和接收機(jī)解調(diào)器的適當(dāng) 設(shè)計來使影響最小。設(shè)計來使影響最小。 加性高斯白噪聲加性高斯白噪聲 nAWGN (Additive White Gaussian Noise) 以相加的形式疊加于傳輸信號以相加的形式疊加于傳輸信號 占據(jù)無窮帶寬，且雙邊功率譜處處為常量占據(jù)無窮帶寬，且雙邊功率譜處處為常量N0/2(W/Hz) 瞬時值分布

9、密度是高斯函數(shù)瞬時值分布密度是高斯函數(shù) 0 0 2 N R 2 2 1 ()exp 22 x x x p x 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型 n三、數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)三、數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 可靠性：誤比特率、誤符號率可靠性：誤比特率、誤符號率 有效性：頻帶利用率有效性：頻帶利用率 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的基本指標(biāo) n基本可靠性指標(biāo)：誤信息率基本可靠性指標(biāo)：誤信息率 () lim () e N n bits P N bits 接接收收機(jī)機(jī)輸輸出出的的錯錯誤誤信信息息總總數(shù)數(shù) 信信源源發(fā)發(fā)出出的的信信息息總總數(shù)數(shù) lim S N n P N 接接收收機(jī)機(jī)輸輸出出的的錯錯誤

10、誤符符號號總總數(shù)數(shù) 信信源源發(fā)發(fā)出出的的符符號號總總數(shù)數(shù) n誤符號率誤符號率 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的基本指標(biāo) n基本有效性指標(biāo)：頻帶利用率基本有效性指標(biāo)：頻帶利用率 () () b R b s B Hz 單單位位時時間間系系統(tǒng)統(tǒng)傳傳輸輸?shù)牡男判畔⑾⒘苛?系系統(tǒng)統(tǒng)的的有有效效傳傳輸輸帶帶寬寬 2 log Sbb RRR BBMNB n表征系統(tǒng)每赫茲帶寬在單位時間內(nèi)平均能傳輸?shù)男?息量(b/s/Hz)，代表系統(tǒng)信道資源的利用程度。 2 (B a u d /H z ) n類似地，亦可用符號速率率計算頻帶利用率類似地，亦可用符號速率率計算頻帶利用率 數(shù)字信號傳輸?shù)暮喴榻B數(shù)字信號傳輸?shù)暮?/p>

11、要介紹 n數(shù)字通信是一種通信方式，是一大類通信系統(tǒng)數(shù)字通信是一種通信方式，是一大類通信系統(tǒng) 的統(tǒng)稱。的統(tǒng)稱。 數(shù)字信號的傳輸系統(tǒng)數(shù)字信號的傳輸系統(tǒng) 離散信源離散信源 n模擬信號的數(shù)字化模擬信號的數(shù)字化(波形編碼波形編碼) n信源編碼信源編碼(減小冗余，壓縮編碼減小冗余，壓縮編碼) n信息信息(二進(jìn)制二進(jìn)制)速率速率(傳信率傳信率)(bits/s) 波形變換器波形變換器(信道信號映射信道信號映射) ( ) ii xs t 映映射射 0tT n把離散信源發(fā)出的消息映射為適于信道傳輸?shù)陌央x散信源發(fā)出的消息映射為適于信道傳輸?shù)?波形，實現(xiàn)離散信息與連續(xù)信道的匹配波形，實現(xiàn)離散信息與連續(xù)信道的匹配 n因

12、為因為xi 是離散的有限取值是離散的有限取值, 與與si 的對應(yīng)是固定的的對應(yīng)是固定的 唯一的，是發(fā)、收雙方事先約定的。即唯一的，是發(fā)、收雙方事先約定的。即si(t)是確是確 知的知的(known)(known)(注意，不是確定的注意，不是確定的determinant)determinant)， 接收端只是不知道觀察時間接收端只是不知道觀察時間 0, T內(nèi)，發(fā)送端發(fā)內(nèi)，發(fā)送端發(fā) 出的是哪一個波形。出的是哪一個波形。 波形變換器波形變換器 n信道編碼：信道編碼：二進(jìn)制序列間的變換，引入一定冗二進(jìn)制序列間的變換，引入一定冗 余，以提高信息傳輸?shù)目煽啃?。余，以提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?n多狀態(tài)符號形成

13、：多狀態(tài)符號形成：二進(jìn)流的二進(jìn)流的N比特碼組比特碼組 M 狀態(tài)符號狀態(tài)符號(Symbol) n符號波形產(chǎn)生符號波形產(chǎn)生 波形變換器波形變換器 n多狀態(tài)符號形成：多狀態(tài)符號形成：M個確知信號的每一種對應(yīng)于一個確知信號的每一種對應(yīng)于一 個固定的二進(jìn)信息流的個固定的二進(jìn)信息流的N比特碼組。因此，每一個比特碼組。因此，每一個M狀狀 態(tài)符號攜帶的信息量是態(tài)符號攜帶的信息量是N比特比特。M個確知信號中的每一個確知信號中的每一 種稱為傳輸信號的一種狀態(tài)種稱為傳輸信號的一種狀態(tài)(state)。 2 , N M 2 log sbb RRMRN (Bd) 波形變換器波形變換器 ( ) ii MM xs t n確知

14、波形確知波形(模擬信號波形模擬信號波形)的選取稱為波形設(shè)計的選取稱為波形設(shè)計 ( Waveform Design) n選取原則選取原則 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資源有利于充分利用信道資源 基帶基帶or頻帶？頻帶？ 接收機(jī)接收機(jī) n在在0, T內(nèi)并不知道發(fā)送端發(fā)出的是哪一個消息內(nèi)并不知道發(fā)送端發(fā)出的是哪一個消息xi ，唯，唯 一得到的是一段波形一得到的是一段波形 ( )( )( ) i r ts tz t 0tT ( ) ii stx 由于由于si(t)被被z(t) 掩蓋不能直接作出逆映射掩蓋不能直接作出逆映射 n接收機(jī)的根本任務(wù)：對接收機(jī)的根本任務(wù)：

15、對r(t)進(jìn)行處理，按一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，按一定的標(biāo)準(zhǔn)(判判 決準(zhǔn)則決準(zhǔn)則)，判定，判定0, T內(nèi)發(fā)送端發(fā)出的是哪一個消息內(nèi)發(fā)送端發(fā)出的是哪一個消息xi， 這一過程稱為判決這一過程稱為判決(decision)。 n在數(shù)字通信中，接收機(jī)的主要功能不是單純的解調(diào)，在數(shù)字通信中，接收機(jī)的主要功能不是單純的解調(diào)， 而在于作出而在于作出“判決判決”，這是與模擬通信最大的不同。，這是與模擬通信最大的不同。 判決方法不是唯一的。判決方法不是唯一的。 接收機(jī)接收機(jī) n研究數(shù)字通信系統(tǒng)理論的目的：在信道給定的條件下，設(shè)研究數(shù)字通信系統(tǒng)理論的目的：在信道給定的條件下，設(shè) 計傳輸信號的形式計傳輸信號的形式(確知波形

16、確知波形)，并選擇最好的判決方法，并選擇最好的判決方法， 使傳輸?shù)男畔⒂凶畲蟮目煽啃院捅M可能高的有效性。使傳輸?shù)男畔⒂凶畲蟮目煽啃院捅M可能高的有效性。 n由于傳輸信道不理想，接收信號由于傳輸信道不理想，接收信號r(t)不可能是發(fā)送波形不可能是發(fā)送波形si(t) 的精確再現(xiàn)，的精確再現(xiàn)，(r(t)是一個隨機(jī)過程是一個隨機(jī)過程)。設(shè)計接收機(jī)應(yīng)當(dāng)使這。設(shè)計接收機(jī)應(yīng)當(dāng)使這 種錯誤極小化，這稱為接收機(jī)的優(yōu)化。種錯誤極小化，這稱為接收機(jī)的優(yōu)化。 本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容 采用信號空間和等效低通分析方法，根據(jù)最佳接收準(zhǔn)則，采用信號空間和等效低通分析方法，根據(jù)最佳接收準(zhǔn)則， 討論在討論在AWGN信道、

17、帶限線性濾波器（有碼間干擾和加性噪信道、帶限線性濾波器（有碼間干擾和加性噪 聲）信道以及多徑衰落信道等聲）信道以及多徑衰落信道等3種基本信道條件下的數(shù)字信種基本信道條件下的數(shù)字信 號傳輸?shù)淖罴呀邮諉栴}。號傳輸?shù)淖罴呀邮諉栴}。 p主要內(nèi)容主要內(nèi)容 信號空間和等效低通分析信號空間和等效低通分析 AWGN信道中的數(shù)字傳輸信道中的數(shù)字傳輸 通過帶限通過帶限AWGN信道的數(shù)字傳輸信道的數(shù)字傳輸 主要知識點(diǎn)主要知識點(diǎn) n信號功率譜的計算信號功率譜的計算 基帶基帶 頻帶頻帶 n用用N維信號空間表示維信號空間表示M個信號波形個信號波形 Gram-Schmidt正交化過程正交化過程 信號的能量、信號點(diǎn)間的歐氏距

18、離信號的能量、信號點(diǎn)間的歐氏距離 常用調(diào)制信號的矢量表示方法常用調(diào)制信號的矢量表示方法 nAWGN信道中的最佳接收機(jī)信道中的最佳接收機(jī) 解調(diào)器（相關(guān)器和匹配濾波器）的結(jié)構(gòu)解調(diào)器（相關(guān)器和匹配濾波器）的結(jié)構(gòu) MF的性質(zhì)的性質(zhì) MAP準(zhǔn)則，準(zhǔn)則，ML準(zhǔn)則，最小距離準(zhǔn)則準(zhǔn)則，最小距離準(zhǔn)則 誤符號率和誤比特率的計算誤符號率和誤比特率的計算 QAM信號星座的優(yōu)化信號星座的優(yōu)化 各種調(diào)制方式的性能比較各種調(diào)制方式的性能比較 無線通信系統(tǒng)的鏈無線通信系統(tǒng)的鏈 路預(yù)算分析路預(yù)算分析 理想帶限信道下最理想帶限信道下最 佳傳輸系統(tǒng)的設(shè)計佳傳輸系統(tǒng)的設(shè)計 無無ISI 部分響應(yīng)系統(tǒng)部分響應(yīng)系統(tǒng) 調(diào)制與編碼的權(quán)衡調(diào)制與編碼的權(quán)衡 課程章節(jié)安排課程章節(jié)安排 第第1章緒論章緒論 第第2章隨機(jī)信號分析章隨機(jī)信號分析 第第3章數(shù)字信號的基帶傳輸章數(shù)字信號的基帶傳輸 第第4章信號空間和等效低通分析章信號空間和等效低通分析 第第5章數(shù)字信號的頻帶傳輸章數(shù)字信號的頻帶傳輸 第第6章通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算分析章通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算分析 第第7章調(diào)制與編碼的權(quán)衡章調(diào)制與編碼的權(quán)衡 第第8章衰落信道的通信章衰落信道的通信 第第9章現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)章現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù) 與與“信息論信息論”的銜接的銜接 1、香