現(xiàn)代通信理論第一章課件

數(shù)字通信王惠琴教授數(shù)字通信王惠琴教授1緒論數(shù)字通信：采用針對數(shù)字信息的加工、處理和傳輸技術，把信源產生的信息（消息、信號）有效、可靠地傳送到一個或多個接收者（用戶、目的地）。優(yōu)點：資源利用率高；實現(xiàn)容易，成本低；多用戶系統(tǒng)中，數(shù)字傳輸支持信息的電子尋址（Addressing）和路由（Routing）；不同形式的信息通過數(shù)字傳輸機制變得統(tǒng)一，即不同形式或種類的信源可以通過復接，合成為一個數(shù)字信源，實現(xiàn)多媒體通信；數(shù)字信息比模擬波形更容易加密；數(shù)字信息可以用電子方法，精確、快速地實現(xiàn)信息的存儲和提?。欢嗉壗恿鬏斚到y(tǒng)中，數(shù)字信息在每一級重構、再生，而模擬系統(tǒng)中，噪聲和失真為逐級累積等。1緒論數(shù)字通信：采用針對數(shù)字信息的加工、處理和傳輸技術，把1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成目的掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的分析方法，即給定一個數(shù)字通信系統(tǒng)，分析其特定傳輸環(huán)境下所能達到的性能指標；數(shù)字通信系統(tǒng)的基本設計方法，包括兩方面：給定傳輸條件（信道特性），設計一個數(shù)字通信系統(tǒng)，在規(guī)定允許失真條件下，提供最大的數(shù)字通信能力；在給定要求的失真和業(yè)務負載條件下，設計有效的信道完成數(shù)據(jù)傳輸任務。數(shù)字通信系統(tǒng)的構成1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成目的1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成信道編碼:用適合信道傳輸?shù)拇a進行傳輸，或對源碼進行重編碼使具有檢錯、糾錯能力。信源編碼：降低信息冗余度的編碼，以較少的碼元傳輸較多的信息，提高傳輸效率。數(shù)字調制/解調：把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號。同步：包括載波同步、位同步、幀同步、網(wǎng)同步，是接收端正確恢復數(shù)字信息所不可缺少的。1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成信道編碼:用適合信道傳輸?shù)拇a進行1.2通信信道及數(shù)學模型

信道是指以傳輸媒質為基礎的信號通道。狹義信道：僅是指信號的傳輸媒質。

廣義信道：為了研究的需要，將有關轉換設備一并劃入狹義信道，稱為廣義信道。廣義信道中除傳輸媒質外，還包括有關發(fā)送設備、接收設備、天線、調制、解調等。廣義信道按功能可分為：電纜光纜狹義信道短波廣播超短波、微波傳輸衛(wèi)星通信移動通信有線信道無線信道調制信道——研究的著眼點只關心調制器輸出和解調器的輸入編碼信道——研究的著眼點只關心編碼和譯碼（數(shù)字通信系統(tǒng)）

1.2通信信道及數(shù)學模型信道是指以傳輸媒1.2通信信道及數(shù)學模型廣義信道調制信道

——指調制器輸出到接收端的解調器輸入編碼信道

——從編碼器輸出至譯碼器輸入

調制信道數(shù)字信源調制器解調器終端媒質編碼器譯碼器發(fā)轉換器收轉換器編碼信道1.2通信信道及數(shù)學模型廣義信道調制信道——指調制器輸71.2通信信道及數(shù)學模型通信信道及特性

1有線信道★

雙絞線、同軸電纜、波導、光纖等。頻率范圍從kHz-100GHz-★

有線信道屬于典型的恒參信道?！镄盘栐谛诺乐袀鬏敃斐煞群拖辔皇д?，這種線性畸變可以通過接收機端的均衡技術措施減小或消除?！锏?章將研究帶限濾波信道的最佳傳輸信號和信號的最佳接收問題，第10章研究信道均衡器的設計。71.2通信信道及數(shù)學模型通信信道及特性1.2通信信道及數(shù)學模型通信信道及特性

2光纖信道★光纖信道提供的帶寬比同軸電纜信道大幾個數(shù)量級?！镉捎诘蛽p耗光纜和光子器件技術的不斷成熟，光纖通信得到了廣泛應用。如:地面市話網(wǎng)數(shù)字話音傳輸、地面數(shù)字視頻廣播、跨洋通信網(wǎng)絡等?！镎{制方式采用幅度調制，頻率和相位調制及相干解調仍存在困難。1.2通信信道及數(shù)學模型通信信道及特性2光纖信道9頻率范圍波長符號傳輸媒質用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對、長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距離導航、時標30~300kHz103~104m低頻LF有線線對、長波無線電導航、信標、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜、短波無線電調幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜、短波無線電移動無線電話、短波廣播定點軍用通信、業(yè)余無線電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜、米波無線電電視、調頻廣播、空中管制、車輛、通信、導航3無線電信道通信頻段與用途

300MHz~3GHz電電10~100cm特高頻UHF波導分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達30~300GHz1~10mm極高頻EHF波導毫米波無線電雷達、微波接力、射電天文學43T~3000THz0.1~7um紫外可見光紅外光纖激光空間傳播光通信傳播方式：地波傳播、天波傳播、視線傳播9頻率范圍波長符號傳輸媒質用途3Hz~3無線信道無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制地球大氣層的結構對流層：地面上0~10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km地面對流層平流層電離層10km60km0km1.2通信信道及數(shù)學模型3無線信道地面對流層平流層電離層10km60km0電離層對于傳播的影響反射散射大氣層對于傳播的影響散射吸收頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5g/m3）的衰減頻率(GHz)(b)降雨的衰減衰減(dB/km)衰減

(dB/km)水蒸氣氧氣降雨率圖大氣衰減1.2通信信道及數(shù)學模型電離層對于傳播的影響頻率(GHz)頻率(GHz)衰減(dB/傳播路徑地面地波傳播地面信號傳播路徑天波傳播電磁波的分類：地波頻率<2MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千千米天波頻率：2~30MHz特點：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區(qū)：1.2通信信道及數(shù)學模型傳播路徑地面地波傳播地面信號傳播路徑天波傳播電磁波的分

對流層散射通信地球有效散射區(qū)域散射傳播電離層散射 機理－由電離層不均勻性引起 頻率－30~60MHz

距離－1000km以上對流層散射 機理－由對流層不均勻性（湍流）引起 頻率－100~4000MHz

最大距離<600km1.2通信信道及數(shù)學模型對流層散射通信地球有效散射區(qū)域散射傳播1.2通信信道及數(shù)學流星流星余跡散射

流星余跡特點－高度80~120km，長度15~40km

存留時間：小于1秒至幾分鐘 頻率－30~100MHz

距離－1000km以上 特點－低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸流星余跡散射通信流星余跡1.2通信信道及數(shù)學模型流星流星余跡散射流星余跡散射通信流星余跡1.2通信信道及數(shù)學151.2通信信道及數(shù)學模型通過對調制信道進行大量的分析研究，發(fā)現(xiàn)它具有如下共性：（1）有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端；（2）絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足線性疊加原理；

（3）信號通過信道具有固定的或時變的延遲時間；（4）信號通過信道會受到固定的或時變的損耗；（5）即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。可以用一個二對端(或多對端)的時變線性網(wǎng)絡表示調制信道。時變線性網(wǎng)絡時變線性網(wǎng)絡二端對網(wǎng)絡多端對網(wǎng)絡151.2通信信道及數(shù)學模型通過對調制信道進行大量的分析研究161.2通信信道及數(shù)學模型信道的數(shù)學模型（理想信道、線性濾波信道、線性時變?yōu)V波信道）加性噪聲信道（理想信道）加性高斯白噪聲信道，簡稱AWGN信道；線性濾波信道理想信道為線性濾波信道的特例，即信道沖擊響應為161.2通信信道及數(shù)學模型信道的數(shù)學模型（理想信道、線性濾171.2通信信道及數(shù)學模型線性時變?yōu)V波信道對離散多徑信道，信道的時變沖激響應為信道的輸出信號為171.2通信信道及數(shù)學模型線性時變?yōu)V波信道1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量例如：網(wǎng)絡中的傳輸速率8Mb/s?信息：是消息中包含的有效內容如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無關。度量方法應該與消息的重要程度無關。消息中所含信息量和消息內容的不確定性有關 1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量信息及其度量如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則

【例】“某客機墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。度量信息量的方法事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述： 消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的方法設：P(x)－消息發(fā)生的概率，

I

－消息中所含的信息量，則P(x)和I之間應該有如下關系：I是P(x)的函數(shù)：I＝I[P(x)]P(x)

，I

；P(x)

，I

；

P(x)=1時，I

＝0；P(x)=0時，I

＝

；

1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的方法滿足上述3條件的關系式如下： －信息量的定義上式中對數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)，簡記為b

若a=e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley)。1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的方法通常廣泛使用的單位為比特，這時有

(b)【例】一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的方法等概率情況每一個波形的信息量為若M是2的整冪次，即M=2k，則有 當M=4時，即4進制波形，I=2比特， 當M=8時，即8進制波形，I=3比特。1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量度量信息量的方法對于非等概率情況 設：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即 且有 則x1,x2,

x3,…,

xM所包含的信息量分別為1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的方法對于非等概率情況 則每個符號所含平均信息量為 由于H(x)同熱力學中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量連續(xù)消息的信息量關于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量為式中，f(x)－連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標信息及其度量1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標

有效性、可靠性、適應性、標準性、經濟性及維護性等通信系統(tǒng)的主要性能指標：有效性和可靠性有效性：指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。可靠性：指接收信息的準確程度，也就是傳輸?shù)摹百|量”問題。1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。碼元傳輸速率RB：單位時間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為B。 式中T－碼元的持續(xù)時間（秒）信息傳輸速率Rb：單位時間內傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位為比特/秒，簡記為b/s

，或bps1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)碼元速率和信息速率的關系 或 對于二進制數(shù)字信號：M=2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對于多進制，如在八進制（M=8）中，若碼元速率為1200B，則信息速率為3600b/s。1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內的傳輸速率，即 或功率利用率：1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率誤信率，又稱誤比特率在二進制中有誤幀率1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標1.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標321.4數(shù)字通信的發(fā)展1837年，莫爾斯電報通信系統(tǒng)是最早的數(shù)字通信系統(tǒng)；1924年，奈奎斯特研究了帶限信道無碼間干擾傳輸?shù)淖畲笏俾?-----現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)的起源；對于帶寬為W（Hz）的基帶傳輸系統(tǒng)，發(fā)送信號無碼間傳輸?shù)淖畲笏俾蕿?W波特，基帶波形為1948年，香農導出了數(shù)字通信系統(tǒng)的基本限制，信道容量公式