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1、现代通信系统原理北工大Chapter1绪论 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望引引言言现代通信与信息社会现代通信与信息社会 通信的任务通信的任务:克服距离上的障碍克服距离上的障碍,迅速而准确地传迅速而准确地传输信息。输信息。历历史：史：第一阶段：语言第一阶段：语言第二阶段：文字、邮政第二阶段：文字、邮政第三阶段：印刷术第三阶段：印刷术第四阶段：电气通信（技术发展迅速）第四阶段：电气通信（技术发展迅速）第五阶段：信息时代（信源多样化，传输速率第五阶段：信
2、息时代（信源多样化，传输速率，存储量存储量，信号处理复杂，信号处理复杂）例：例：个人通信个人通信第三代移动通信第三代移动通信实时实时（固定延（固定延迟迟）非非实时实时（可（可变变延延迟迟）应应用用环环境境峰峰值值比特率比特率BER/最大最大传输时传输时延延峰峰值值比特率比特率BER/最大最大传输时传输时延延卫卫星星（终终端相端相对对地面速度地面速度可以达到可以达到1000 km/h）最少最少9.6 kbit/s（最好更高）（最好更高）最大最大传输时传输时延小于延小于400 msBER为为10-310-7最少最少9.6 kbit/s（最好更高）（最好更高）最大最大传输时传输时延延1300msBE
3、R为为10-510-8农农村室外村室外（终终端相端相对对地面速度地面速度可以达到可以达到500 km/h）最少最少144 kbit/s（最好（最好384 kbit/s）最大最大传输时传输时延延20300 msBER为为10-310-7最少最少144 kbit/s（最好（最好384 kbit/s）最大最大传输时传输时延延150 msBER为为10-510-8城市城市/郊区室外郊区室外（终终端相端相对对地面速度地面速度可以达到可以达到130 km/h）最少最少384 kbit/s（最好（最好512 kbit/s）最大最大传输时传输时延延20300 msBER为为10-310-7最少最少384 kb
4、it/s（最好（最好512kbit/s）最大最大传输时传输时延延150 msBER为为10-510-8室内室内/小范小范围围室外室外（终终端相端相对对地面速度地面速度可以达到可以达到10 km/h）最少最少2048 kbit/s最大最大传输时传输时延延20300 msBER为为10-310-7最少最少2048 kbit/s最大最大传输时传输时延延150 msBER为为10-510-8表表1-1IMT2000业务的最低性能要求业务的最低性能要求 1.1通信系统模型通信系统模型 一、一般通信系统模型（模拟）一、一般通信系统模型（模拟）二、数字通信系统模型二、数字通信系统模型 三、通信方式三、通信方
5、式 四、通信网四、通信网 五、扩展频带通信系统五、扩展频带通信系统 1.2信息及其度量信息及其度量 消息消息是以具体信号形式出现；是以具体信号形式出现；信息信息为消息中包含的抽象的、有效的内容。为消息中包含的抽象的、有效的内容。消息消息的出现是随机的无法预知，且消息出的出现是随机的无法预知，且消息出现的可能性现的可能性(概率概率)越小，则此消息携带的越小，则此消息携带的信息量越大。信息量越大。例：例：人所共知，一般为早人所共知，一般为早8:00上班。上班。则，则，“明早明早8:00上班上班”，p(A)1,信息量小信息量小;而而,“明早明早10:00上班上班”，p(b)1,信息量大。信息量大。一
6、、离散信源的信息量一、离散信源的信息量 1.单个消息的信息量单个消息的信息量设设:消息消息x出现的概率为出现的概率为p(x),信息量信息量I(x)为为对数底为对数底为2,信息量信息量I(x)单位为比特单位为比特(bit);对数底为对数底为e,信息量信息量I(x)单位为奈特单位为奈特(nit);对数底为对数底为10,信息量信息量I(x)单位为哈特莱。单位为哈特莱。常用单位为比特常用单位为比特(bit)。例：例：二进制中二进制中“1”，“0”两个消息两个消息独立选独立选一，出现的概率均为一，出现的概率均为1/2。若采用若采用M进制，则收到每一个消息的信息量为：进制，则收到每一个消息的信息量为：当当
7、M为为2的的k次方时次方时 2.n个消息的信息量个消息的信息量设有设有n个消息个消息,且非等概率出现且非等概率出现,其概率其概率分别为分别为:P1(X),P2(X),Pn(X),n个概率之和为个概率之和为1。则每一消息所包含信息量的统计平均值，则每一消息所包含信息量的统计平均值，即平均信息量即平均信息量(信息源的熵信息源的熵)为：为：二、连续消息的信息量二、连续消息的信息量 可用概率密度表示，连续消息的平均信可用概率密度表示，连续消息的平均信息量息量(相对熵相对熵)为：为：1.3信道与信道容量信道与信道容量 一、信道的定义一、信道的定义 二、信道模型二、信道模型 1.调制信道调制信道(图图a)
8、(1)若信道参量随时间变化若信道参量随时间变化,网络传递函数为网络传递函数为H(,t),即网络参数的幅频特性和相频特性即网络参数的幅频特性和相频特性均随时间变化均随时间变化,称为称为变参信道变参信道。u0(t)=k(t)ui(t)+n(t)k(t)为乘性干扰：由各种线性和非线性为乘性干扰：由各种线性和非线性失真，以及传输媒质的影响。失真，以及传输媒质的影响。n(t)为加性干扰源：信道各处噪声之和，为加性干扰源：信道各处噪声之和，一般为一般为加性高斯白噪声加性高斯白噪声。(2)若信道参量不随时间变化若信道参量不随时间变化,网络传递函数网络传递函数为为H(),称为称为恒参信道恒参信道。|H()|为
9、传递函数的幅频特性，与为传递函数的幅频特性，与有有关，可通过关，可通过幅度均衡器幅度均衡器进行非线性补偿。进行非线性补偿。为传递函数的相频特性，与为传递函数的相频特性，与有有关，可通过关，可通过相位均衡器相位均衡器进行非线性补偿。进行非线性补偿。实际信道常用时延实际信道常用时延()=d/d表示表示 2.无记忆编码信道无记忆编码信道(图图b)无记忆编码信道无记忆编码信道：指错码与前后码元：指错码与前后码元是否有错无关。即错码概率相互独立。是否有错无关。即错码概率相互独立。有记忆编码信道有记忆编码信道：有关。不独立。：有关。不独立。二、信道容量二、信道容量 根据信息论，对于连续信道，若信道带宽为根
10、据信息论，对于连续信道，若信道带宽为B，且受到加性高斯白噪声的干扰，则信道容量，且受到加性高斯白噪声的干扰，则信道容量C的理论公式的理论公式(香农公式香农公式)为：为：结论：结论：1.提高信噪比提高信噪比S/N。极端情况下，。极端情况下，N0，S/N，信道容量信道容量C。2.给定信道容量给定信道容量C，可用不同的，可用不同的B和和S/N的组合来传的组合来传输信号。输信号。3.改变信号带宽改变信号带宽B，信道容量，信道容量C与与B并非正比关系。并非正比关系。可见可见B时，时，C不会无限增大，不会无限增大，而趋于常数而趋于常数1.44S/N。4.信道容量信道容量C是信道能传输的最高信息传输是信道能
11、传输的最高信息传输速率。常把能以等于速率。常把能以等于C的速率传输信息，的速率传输信息，并能达到任意小错误概率的通信系统称为并能达到任意小错误概率的通信系统称为理想通信系统理想通信系统。1.4通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标有效性有效性：系统高效率地传输消息。：系统高效率地传输消息。可靠性可靠性:系统不失真地传输消息。系统不失真地传输消息。有效性有效性和和可靠性是可靠性是相互制约相互制约的。的。一、模拟通信系统一、模拟通信系统 1.系统的信息传输速率用给定信号的有效传系统的信息传输速率用给定信号的有效传输带宽来衡量。信号的有效传输带宽与调输带宽来衡量。信号的有效传输带宽与调制方式有
12、关。制方式有关。2.失真失真(1)加性干扰加性干扰所产生的失真，用信噪比所产生的失真，用信噪比S/N来衡量。来衡量。即在相同情况下，信噪比越高，说明该系统的通即在相同情况下，信噪比越高，说明该系统的通信越好，或该系统的抗干扰能力越强。信越好，或该系统的抗干扰能力越强。而不同用途的通信系统，信噪比的指标要求也不而不同用途的通信系统，信噪比的指标要求也不同：同：电视系统，电视系统，S/N约为约为60dB;商用电话，商用电话，S/N约为约为30dB;一些雷达系统，一些雷达系统，S/N约为约为3dB即可工作。即可工作。(2)乘性干扰乘性干扰所产生的失真，不同系统具体的性能指所产生的失真，不同系统具体的
13、性能指标不同：标不同：话路通信系统，用可懂度和清晰度来衡量；话路通信系统，用可懂度和清晰度来衡量；广播通信系统，要求保真度等。广播通信系统，要求保真度等。二、数字通信系统二、数字通信系统 1.传输有效性用传输速率来衡量传输有效性用传输速率来衡量信号信号(码元码元)传输速率传输速率(传码率传码率)RBN每秒传送码元的数目，单位为每秒传送码元的数目，单位为“波特波特”,用用“B”表示。对于表示。对于N进制的一个符号可用进制的一个符号可用多进制符号来表示，或采用多进制符号来表示，或采用log2N个二进制个二进制符号表示符号表示(例：例：N=16时，十六进制的每个符时，十六进制的每个符号可用四位二进制符号表示号可用四位二进制符号表示)。信息传输速率信息传输速率(传信率传信率)Rb：每秒传送二进制码元的数目，单位为每秒传送二进制码元的数目，单位为“比特比特”,用用“b/s”表示。表示。Rb=RBNlog2N 例：例：四进制的码元速率为四进制的码元速率为600波特，波特，传信率传信率Rb=600log24=1200b/s2.差错率差错率误码误码(码元码元)率率误比特率误比特率(误信率误信率)