通信原理1-4教學(xué)文稿

通信原理1-4模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)

通信就是傳輸信息。現(xiàn)代通信以語音、圖像及數(shù)據(jù)為媒體，通過電、光或電磁波將信息由一方傳輸?shù)搅硪环?。通信系統(tǒng)一般模型

信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲源發(fā)送端接收端噪聲模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)-續(xù)若信道中傳輸?shù)氖悄M信號，則為模擬通信系統(tǒng)若信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，則為數(shù)字通信系統(tǒng)正弦基帶信號AM信號FM信號PM信號模擬信號波形數(shù)字信號波形模擬通信系統(tǒng)的基本概念

點(diǎn)對點(diǎn)單路通信系統(tǒng)

下圖為點(diǎn)對點(diǎn)單路通信系統(tǒng)原理方框圖

點(diǎn)對點(diǎn)多路通信系統(tǒng)通信網(wǎng)數(shù)字通信系統(tǒng)的基本概念點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)模型

與模擬通信類似，在多路數(shù)字通信系統(tǒng)中除采用上述數(shù)字傳輸技術(shù)外，還需采用復(fù)用技術(shù)。在通信網(wǎng)中還需采用交換技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，在數(shù)字通信系統(tǒng)中常用的復(fù)用技術(shù)是頻分復(fù)用FDM和時分復(fù)用TDM。

數(shù)字通信系統(tǒng)的基本概念點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)模型

1.1模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)1.2通信系統(tǒng)的分類

1.3信息及其度量1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類

按調(diào)制方式分類

按信號特征分類

按傳輸媒質(zhì)分類

按工作波段分類按信號復(fù)用方式和多址方式分類按消息傳輸?shù)姆较蚝蜁r間關(guān)系分類按數(shù)字信號排列順序分類

1.1模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)1.2通信系統(tǒng)的分類1.3信息及其度量

1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

信息及其度量離散消息的信息量某離散消息x發(fā)生的概率為P(x)，則它所攜帶的信息量為

I=-logap(x)

當(dāng)a=e時，信息量的單位為奈特(nit)；當(dāng)a=2時，信息量的單位為比特(bit)。目前廣泛使用的單位為bit。信息及其度量-續(xù)1離散信源的平均信息量(信源熵)

設(shè)信源輸出M個統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的符號，它們出現(xiàn)的概率分別為，則每個符號所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值即離散信源的平均信息量為H(x)=(bit/符號)

信源的平均信息量又被稱為信源熵。信息論已經(jīng)證明，最大信源熵發(fā)生在信源的每個符號等概獨(dú)立出現(xiàn)時，最大信源熵為Hmax(x)=log2M(bit/符號) 信息及其度量-續(xù)2碼速率(RB)、信息速率(Rb)

RB表示每秒鐘傳輸?shù)拇a元數(shù)目，單位為波特(Bd)，又稱RB為符號速率。

Rb表示每秒鐘傳輸?shù)男畔⒘?，單位為每秒比?bit/s或bps)，又稱Rb為傳信率。 碼元寬度(或碼元周期)為T秒時，

RB=1/T（Bd） 信息速率與碼速率之間的關(guān)系為

Rb=RB·H(x)(bit/s)

當(dāng)信源各個符號等概獨(dú)立時，

Rb=RBlog2M(bit/s) 信息度量舉例某信源的符號集由A、B、C、D和E組成，設(shè)每一符號獨(dú)立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4、1/8、1/8、3/16和5/16；信源以1000Bd速率傳送信息。

(1)求傳送1小時的信息量；

(2)求傳送1小時可能達(dá)到的最大信息量。

解(1)信源熵為

H(X)=（log24+log28+log2+log2）bit/符號=2.23bit/符號平均信息速率為Rb=RB·H(X)=(1000×2.23)bit/s=2.23×103bit/s1小時傳輸?shù)男畔⒘繛?/p>

I=(2.23×103×3600)bit=8.028Mbit(2)等概時信源熵為最大值，即

Hmax(x)=(log25)bit/符號=2.322bit/符號

1小時傳輸?shù)淖畲笮畔⒘繛?/p>

Imax=(2.322×1000×3600)bit=8.359Mbit通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信的目的是快速、準(zhǔn)確地傳輸信息?？焖倏梢杂糜行詠砻枋觯瑴?zhǔn)確可以用可靠性來描述。模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

模擬信號占用的信道帶寬必須等于或大于信號帶寬，因此信號帶寬越小，有效性越好；模擬信號的質(zhì)量用信噪比表示，解調(diào)器輸出信號信噪比越大可靠性越好

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)－續(xù)1數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

頻帶利用率（有效性）

(Bd/Hz)(bit/(s·Hz)或bps/Hz)

ηb=ηBlog2M

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)－續(xù)2在數(shù)字通信系統(tǒng)中，誤碼率和誤比特率越小，可靠性越高。誤碼率()與誤比特率()的定義如下：Pe= Pb= 本章作業(yè)1-31-4第二章確知信號（自學(xué)）功率信號能量功率信號能量信號信號周期功率信號頻譜能量信號頻譜密度傅里葉級數(shù)傅里葉變換功率=功率譜密度能量=能量譜密度自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)傅里葉變換傅里葉變換第三章隨機(jī)信號（自學(xué)）方差均值相關(guān)函數(shù)隨機(jī)過程平穩(wěn)過程分布與時間無關(guān)各態(tài)歷經(jīng)一次樣本就夠了通信系統(tǒng)中通常都是平穩(wěn)的、各態(tài)歷經(jīng)的，所以“隨機(jī)過程可看做是帶時間參數(shù)的隨機(jī)變量，即隨機(jī)信號”線性系統(tǒng)平穩(wěn)隨機(jī)過程均值功率譜密度平穩(wěn)隨機(jī)過程均值功率譜密度高斯過程第三章隨機(jī)信號（自學(xué)）均值為0、且窄帶的高斯過程（隨機(jī)信號），包絡(luò)為瑞利分布，相位為均勻分布。正弦波（模擬調(diào)制或數(shù)字調(diào)制信號）+均值為0、且窄帶的高斯過程（噪聲），包絡(luò)為：i）萊斯分布；ii）瑞利分布——若信噪比?。籭ii）高斯分布——若信噪比大。信道噪聲在時域取值上常具有高斯特性，頻域上具有白噪聲特性，即功率譜密度為常數(shù)（自相關(guān)函數(shù)為沖擊函數(shù)，即不相關(guān)）。第4章信道

本章討論信道的傳輸特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?，并簡單介紹信道容量的基本概念4.1無線信道4.2有線信道4.3信道數(shù)學(xué)模型4.4信道特性對信號的影響4.5信道加性噪聲與干擾4.6信道容量無線信道無線信道舉例無線信道中由短波電離層反射，超短波流星余跡散射，超短波及微波對流層散射，超短波電離層散射、超短波視距繞射以及陸地移動通信信道等均屬于無線信道

微波對流層散射信道移動通信的多徑傳輸4.1無線信道4.2有線信道4.3信道數(shù)學(xué)模型4.4信道特性對信號的影響4.5信道加性噪聲與干擾4.6信道容量有線信道有線信道實(shí)例

有線信道中的雙絞線、同軸電纜、光纖及電力線。4.1無線信道4.2有線信道4.3信道數(shù)學(xué)模型

4.4信道特性對信號的影響4.5信道加性噪聲與干擾4.6信道容量信道數(shù)學(xué)模型

信道分類

從信道的物理形態(tài)來分，可將信道分為有線信道和無線信道；從信道的特征來分，可將信道分為恒參信道和隨參信道；在信道中傳輸?shù)男盘柼攸c(diǎn)，將信道劃分為調(diào)制信道和編碼信道。

常稱調(diào)制信道為連續(xù)信道，編碼信道為離散信道

信道數(shù)學(xué)模型編碼信道模型

二進(jìn)制編碼信道模型為

T=

誤碼率為Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)調(diào)制信道模型

eo(t)=f［ei(t)］+n(t)eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)4.1無線信道4.2有線信道4.3信道數(shù)學(xué)模型4.4信道特性對信號的影響4.5信道加性噪聲與干擾4.6信道容量恒參信道

恒參信道傳輸特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憰r域關(guān)系式：y(t)=x(t)*h(t)頻域關(guān)系式：Y(ω)＝X(ω)H(ω)頻率特性：幅頻特性，相頻特性群遲延頻率特性：理想信道：H(ω=ke-jωtd

，τ(ω)=-td

非理想信道:∣H(ω)∣≠k，τ(ω)≠-ωtd恒參信道舉例設(shè)某恒參信道的幅頻特性為H(ω)=［1+cosωT0］其中，td為常數(shù)。試確定信號s(t)通過該信道后的輸出信號表示式，并討論之。解: H(ω)=［1+cosωT0］

=+(+)=++h(t)=δ(t-td)+δ(t-td+T0)+δ(t-td-T0)輸出信號

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

隨參信道陸地移動通信信道

陸地移動通信工作在450MHz～2GHz頻段，地面條件復(fù)雜，電波的傳播路徑十分復(fù)雜。多徑傳輸：一個通過無線信道傳播的信號往往會沿一些不同的路徑到達(dá)接收端。

陸地移動通信信道

無線電信號通過移動信道時會受到各個方面的衰減損失，接收信號功率可表示為：（1）

自由空間的路徑損失：|d|-n；（2）

陰影衰落S(d)：由傳輸環(huán)境中的地形起伏、建筑物和其他障礙物對電波的阻塞和遮蔽而引起的衰落；（3）多徑衰落R(d)：由移動傳播環(huán)境中的多徑傳輸而引起的衰落。

陸地移動通信信道陸地移動通信信道自由空間損耗接收天線功率自由空間傳播損耗多徑衰落：多徑傳輸且每條路徑的衰減及時延都是隨時間變化的

設(shè)發(fā)射單頻信號Acosωt，接收信號為

陸地移動通信信道陸地移動通信信道瑞利分布兩個結(jié)論:(1)從波形上看：多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號，即多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落。(2)從頻譜上看：多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜，即多徑傳播引起了頻率彌散。陸地移動通信信道頻率選擇性衰落陸地移動通信信道頻率選擇性衰落-續(xù)

相關(guān)帶寬Δf=1/τm發(fā)送信號帶寬陸地移動通信信道隨參信道特性的改善含交織編碼的差錯控制技術(shù)抗衰落性能好的調(diào)制解調(diào)技術(shù)功率控制技術(shù)分集接收技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)均衡技術(shù)分集接收技術(shù)分集接收：分別接收若干個獨(dú)立的攜帶同一信息的信號，并將它們合并在一起。如果多個信號衰落特性相互獨(dú)立，那么就可以減小各種衰落對接收信號的影響。分集接收包含有兩重含義：一是分散接收，使接收端能得到多個攜帶同一信息的、統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號；二是集中處理，即接收端把收到的多個統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜ⅲ瑥亩档退ヂ涞挠绊?，改善系統(tǒng)性能。分集接收技術(shù)分集方式1.空間分集要求：分集接收技術(shù)2.頻率分集3.時間分集用同一頻率在不同時刻傳輸同一信息，在不同時刻不可能同時衰落掉同一載頻信號。4.1無線信道4.2有線信道4.3信道數(shù)學(xué)模型4.4信道特性對信號的影響4.5信道加性噪聲與干擾

4.6信道容量信道加性噪聲加性噪聲與信號相互獨(dú)立，并且始終存在，實(shí)際中只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。信道加性噪聲-續(xù)噪聲來源及分類噪聲來源于人類活動、自然界和設(shè)備內(nèi)部，分別稱為人為噪聲、自然噪聲及內(nèi)部噪聲；根據(jù)噪聲的波形特點(diǎn)或頻譜的特點(diǎn)，可將噪聲分為單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲。以后的分析僅考慮起伏噪聲。信道加性噪聲-續(xù)起伏噪聲的統(tǒng)計(jì)特性（1）瞬時幅度服從高斯分部且均值為0

（2）功率譜密度在很寬的頻率范圍內(nèi)是平坦的

Pn(f)=(W/Hz)起伏噪聲的統(tǒng)計(jì)特性起伏噪聲通常被認(rèn)為是近似高斯白噪聲。白噪聲：在整個頻率范圍內(nèi)具有平坦的功率譜密度的噪聲。

雙邊功率譜密度信道加性噪聲-續(xù)等效噪聲帶寬信道加性噪聲-續(xù)等效噪聲帶寬帶通性噪聲的等效帶寬信道加性噪聲-續(xù)

在分析系統(tǒng)抗噪性能的時候，認(rèn)為接收濾波器為帶寬Bi＝Bn的理想帶通濾波器，一般Bi《fc，因此ni(t)滿足“窄帶”的定義，為窄帶高斯噪聲。信道加性噪聲-續(xù)窄帶白噪聲ni(t)=nc(t)cosct-

ns(t)sinct,ni(t)、nc(t)、ns(t)的一維概率密度為正態(tài)分布函數(shù)，其功率譜密度Pni(t)、Pnc(t)、Pns(t)如圖所示4.1無線信道4.2有線信道4.3信道數(shù)學(xué)模型4.4信道特性對信號的影響4.5信道加性噪聲與干擾

4.6信道容量信道容量信道容量的定義為：信道無差錯傳輸信息的最大信息速率，記為C；離散信道的信道容量：

（bit/符號）

x為輸入符號，y為輸出符號，P(x)為輸入符號的概率分布，R為符號速率。（bit/s）信道容量例：設(shè)信源由符號0和1組成，概率相等，符號速率為1000符號/s。信道為對稱信道，錯誤概率為1/128。求信道容量。解：由條件：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由貝葉斯公式：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，信道容量為：信道容量連續(xù)信道的信道容量由香農(nóng)公式?jīng)Q定

（bit/s