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1、现代现代(xindi)通信系统原理北工大通信系统原理北工大Chapter绪论绪论第一页，共35页。引引言言现代现代(xindi)通信与信息社会通信与信息社会通信的任务通信的任务(rnwu):克服距离上的障碍克服距离上的障碍,迅速迅速而准确地传输信息。而准确地传输信息。第1页/共35页第二页，共35页。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（技术发第四阶段：电气通信（技术发展迅速）展迅速）第五阶段：信息时代（信源多第五阶段：信息时代（信源多样化，传输速率样化，传输速率，存储量，存储量，信，信号处理号处理(
2、xnhochl)复杂复杂）例：例：个人通信个人通信第三代移动通信第三代移动通信第2页/共35页第三页，共35页。实时（固定延迟）实时（固定延迟）非实时（可变延迟）非实时（可变延迟）应用环境应用环境峰值比特率峰值比特率BER/最大传输时延最大传输时延峰值比特率峰值比特率BER/最大传输时最大传输时延延卫星卫星（终端相对地面速度（终端相对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）最大传输时延小于最大传输时延小于400 msBER为为10-310-7最少最少9.6 kbit/s（最好更高）（最好更高）最大传输时延最大传输时延1300msBER为为
3、10-510-8农村室外农村室外（终端相对地面速度（终端相对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）最大传输时延最大传输时延20300 msBER为为10-310-7最少最少144 kbit/s（最好（最好384 kbit/s）最大传输时延最大传输时延150 msBER为为10-510-8城市城市/郊区室外郊区室外（终端相对地面速度（终端相对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）最大传输时延最大传输时延20300 msBER为为10-310-7最少最少384 kbi
4、t/s（最好（最好512kbit/s）最大传输时延最大传输时延150 msBER为为10-510-8室内室内/小范围室外小范围室外（终端相对地面速度（终端相对地面速度可以达到可以达到10 km/h）最少最少2048 kbit/s最大传输时延最大传输时延20300 msBER为为10-310-7最少最少2048 kbit/s最大传输时延最大传输时延150 msBER为为10-510-8表表1-1IMT2000业务业务(yw)的最低性能要求的最低性能要求第3页/共35页第四页，共35页。1.1通信系统通信系统(xtng)模型模型一、一般通信一、一般通信一、一般通信一、一般通信(tngxn)(tng
5、xn)系统模型（模拟）系统模型（模拟）系统模型（模拟）系统模型（模拟）第4页/共35页第五页，共35页。二、数字通信系统二、数字通信系统二、数字通信系统二、数字通信系统(xtng)(xtng)模型模型模型模型 第5页/共35页第六页，共35页。三、通信三、通信(tngxn)方式方式第6页/共35页第七页，共35页。四、通信网四、通信网 第7页/共35页第八页，共35页。第8页/共35页第九页，共35页。五、扩展频带通信五、扩展频带通信五、扩展频带通信五、扩展频带通信(tngxn)(tngxn)系统系统系统系统 第9页/共35页第十页，共35页。第10页/共35页第十一页，共35页。1.2信息信
6、息(xnx)及其度及其度量量消息是以具体信号形式出现；消息是以具体信号形式出现；信息为消息中包含信息为消息中包含(bohn)的抽象的、有效的内容。的抽象的、有效的内容。消息的出现是随机的无法预知，消息的出现是随机的无法预知，且消息出现的可能性且消息出现的可能性(概率概率)越小，越小，则此消息携带的信息量越大。则此消息携带的信息量越大。第11页/共35页第十二页，共35页。例：人所共知，一般为早例：人所共知，一般为早8:00上上班班(shngbn)。则，则，“明早明早8:00上班上班(shngbn)”，p(A)1,信息量小信息量小;而而,“明早明早10:00上班上班(shngbn)”，p(b)1
7、,信息量大。信息量大。第12页/共35页第十三页，共35页。一、离散信源的信息量一、离散信源的信息量一、离散信源的信息量一、离散信源的信息量1.1.单个消息单个消息单个消息单个消息(xioxi)(xioxi)的信息量的信息量的信息量的信息量设设设设:消息消息消息消息(xioxi)x(xioxi)x出现的概率为出现的概率为出现的概率为出现的概率为p(x),p(x),信信信信息量息量息量息量I(x)I(x)为为为为对数底为对数底为对数底为对数底为2,2,信息量信息量信息量信息量I(x)I(x)单位为比特单位为比特单位为比特单位为比特(bit);(bit);对数底为对数底为对数底为对数底为e,e,信
8、息量信息量信息量信息量I(x)I(x)单位为奈特单位为奈特单位为奈特单位为奈特(nit);(nit);对数底为对数底为对数底为对数底为10,10,信息量信息量信息量信息量I(x)I(x)单位为哈特莱。单位为哈特莱。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常用单位为比特常用单位为比特(bit)(bit)。第13页/共35页第十四页，共35页。例：二进制中例：二进制中“1”，“0”两个消两个消息息(xioxi)独立选一，出现的独立选一，出现的概率均为概率均为1/2。若采用若采用M进制，则收到每一个消息进制，则收到每一个消息(xioxi)的信息量为：的信息量为：当当M为为2的的k次方
9、时次方时第14页/共35页第十五页，共35页。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,且非等概率出且非等概率出现现,其概率分别为其概率分别为:P1(X),P2(X),Pn(X),n个概个概率之和为率之和为1。则每一消息所包含则每一消息所包含(bohn)信息量的统计平均值，即平均信息量的统计平均值，即平均信息量信息量(信息源的熵信息源的熵)为：为：第15页/共35页第十六页，共35页。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可用概率密度表示(biosh)，连续消息的平均信，连续消息的平均信息量息量(相对熵相对熵)为：为：第16页/共35页第十七页，共35页。1.
10、3信道信道(xndo)与信与信道道(xndo)容量容量一、信道一、信道(xndo)的定义的定义第17页/共35页第十八页，共35页。二、信道二、信道二、信道二、信道(xndo)(xndo)模型模型模型模型 第18页/共35页第十九页，共35页。第19页/共35页第二十页，共35页。1.1.调制信道调制信道调制信道调制信道(图图图图a)a)若信道参量随时间变化若信道参量随时间变化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网络传递函数为网络传递函数为H(,t),H(,t),即网络参数的幅频特性和相频即网络参数的幅频特性和相频即网络参数的幅频特性和相频即网络参数的幅频特性
11、和相频特性均随时间变化特性均随时间变化特性均随时间变化特性均随时间变化,称为变参信道。称为变参信道。称为变参信道。称为变参信道。u0(t)=k(t)ui(t)+n(t)u0(t)=k(t)ui(t)+n(t)k(t)k(t)为乘性干扰：由各种线性和非线为乘性干扰：由各种线性和非线为乘性干扰：由各种线性和非线为乘性干扰：由各种线性和非线性失真，以及传输媒质的影响。性失真，以及传输媒质的影响。性失真，以及传输媒质的影响。性失真，以及传输媒质的影响。n(t)n(t)为加性干扰源：信道各处噪声为加性干扰源：信道各处噪声为加性干扰源：信道各处噪声为加性干扰源：信道各处噪声(zoshng)(zoshng)
12、之和，一般为加性高斯白之和，一般为加性高斯白之和，一般为加性高斯白之和，一般为加性高斯白噪声噪声噪声噪声(zoshng)(zoshng)。第20页/共35页第二十一页，共35页。(2)若信道若信道(xndo)参量不随时间参量不随时间变化变化,网络传递函数为网络传递函数为H(),称为称为恒参信道恒参信道(xndo)。|H()|为传递函数的幅频特为传递函数的幅频特性，与性，与有关，可通过幅度均衡有关，可通过幅度均衡器进行非线性补偿。器进行非线性补偿。为传递函数的相频为传递函数的相频特性，与特性，与有关，可通过相位均有关，可通过相位均衡器进行非线性补偿。衡器进行非线性补偿。第21页/共35页第二十二
13、页，共35页。实际信道实际信道(xndo)常用时延常用时延()=d/d表示表示第22页/共35页第二十三页，共35页。第23页/共35页第二十四页，共35页。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：指错码与前后码无记忆编码信道：指错码与前后码元是否有错无关。即错码概率相互元是否有错无关。即错码概率相互(xingh)独立。独立。有记忆编码信道：有关。不独立。有记忆编码信道：有关。不独立。第24页/共35页第二十五页，共35页。第25页/共35页第二十六页，共35页。二、信道容量二、信道容量根据信息论，对于连续信道，根据信息论，对于连续信道，若信道带宽为若信道带宽为B，且受到加性
14、高，且受到加性高斯白噪声的干扰，则信道容量斯白噪声的干扰，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的组合来传输信号。的组合来传输信号。3.改变改变(gibin)信号带宽信号带宽B，信，信道容量道容量C与与B并非正比关系。并非正比关系。第26页/共35页第二十七页，共35页。可见可见B时，时，C不不会无限会无限(wxin)增增大，而趋于常数大，而趋于常数1.44S/N。第27页/共35页第二十八页，共35页
15、。4.信道容量信道容量C是信道能传输的最是信道能传输的最高信息高信息(xnx)传输速率。常把传输速率。常把能以等于能以等于C的速率传输信息的速率传输信息(xnx)，并能达到任意小错误，并能达到任意小错误概率的通信系统称为理想通信概率的通信系统称为理想通信系统。系统。第28页/共35页第二十九页，共35页。1.4通信通信(tngxn)系统的主要系统的主要性能指标性能指标有效性：系统高效率地传输消息有效性：系统高效率地传输消息(xioxi)。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(xioxi)。有效性和可靠性是相互制约的。有效性和可靠性是相互制约的。第29页/共35页第三十页，共3
16、5页。一、模拟通信一、模拟通信一、模拟通信一、模拟通信(tngxn)(tngxn)系统系统系统系统 1.1.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关。制方式有关。制方式有关。制方式有关。第30页/共35页第三十一页，共35页。2.2.失真失真失真失真(1)(1)加性干扰所产生的失真，用信噪比加性干扰所产生的失真，用信噪比加性干扰所产生的失真
17、，用信噪比加性干扰所产生的失真，用信噪比S/NS/N来来来来衡量。即在相同情况下，信噪比越高，衡量。即在相同情况下，信噪比越高，衡量。即在相同情况下，信噪比越高，衡量。即在相同情况下，信噪比越高，说明该系统的通信越好，或该系统的抗说明该系统的通信越好，或该系统的抗说明该系统的通信越好，或该系统的抗说明该系统的通信越好，或该系统的抗干扰能力越强。干扰能力越强。干扰能力越强。干扰能力越强。而不同而不同而不同而不同(btn)(btn)用途的通信系统，信噪用途的通信系统，信噪用途的通信系统，信噪用途的通信系统，信噪比的指标要求也不同比的指标要求也不同比的指标要求也不同比的指标要求也不同(btn)(bt
18、n)：电视系统，电视系统，电视系统，电视系统，S/NS/N约为约为约为约为60dB;60dB;商用电话，商用电话，商用电话，商用电话，S/NS/N约为约为约为约为30dB;30dB;一些雷达系统，一些雷达系统，一些雷达系统，一些雷达系统，S/NS/N约为约为约为约为3dB3dB即可工作。即可工作。即可工作。即可工作。(2)(2)乘性干扰所产生的失真，不同乘性干扰所产生的失真，不同乘性干扰所产生的失真，不同乘性干扰所产生的失真，不同(btn)(btn)系统具体的性能指标不同系统具体的性能指标不同系统具体的性能指标不同系统具体的性能指标不同(btn)(btn)：话路通信系统，用可懂度和清晰度来衡话
19、路通信系统，用可懂度和清晰度来衡话路通信系统，用可懂度和清晰度来衡话路通信系统，用可懂度和清晰度来衡量；量；量；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。广播通信系统，要求保真度等。广播通信系统，要求保真度等。第31页/共35页第三十二页，共35页。二、数字通信系统二、数字通信系统二、数字通信系统二、数字通信系统 1.1.传输传输传输传输(chunsh)(chunsh)有效性用传输有效性用传输有效性用传输有效性用传输(chun(chunsh)sh)速率来衡量速率来衡量速率来衡量速率来衡量信号信号信号信号(码元码元码元码元)传输传输传输传输(chunsh)(chunsh)速率速
20、率速率速率(传码率传码率传码率传码率)RBN)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“波特波特波特波特”,”,用用用用“B”“B”表示。对于表示。对于表示。对于表示。对于N N进制的一个符进制的一个符进制的一个符进制的一个符号可用多进制符号来表示，或采用号可用多进制符号来表示，或采用号可用多进制符号来表示，或采用号可用多进制符号来表示，或采用log2Nlog2N个二进制符号表示个二进制符号表示个二进制符号表示个二进制符号表示(例：例：例：例：N=16N=16时，时，时，时，十六进制的每个符号可用四位二进制符十六进制的每个符
21、号可用四位二进制符十六进制的每个符号可用四位二进制符十六进制的每个符号可用四位二进制符号表示号表示号表示号表示)。第32页/共35页第三十三页，共35页。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，每秒传送二进制码元的数目，单位为单位为“比特比特”,用用“b/s”表示表示(biosh)。Rb=RBNlog2N例：四进制的码元速率为例：四进制的码元速率为600波波特，特，传信率传信率Rb=600log24=1200b/s第33页/共35页第三十四页，共35页。2.差错率差错率误码误码(码元码元)率率误比特率误比特率(误信误信(wxn)率率)第34页/共35页第三十五页，共35页。