1、通信原理通信原理第1页，共33页。绪论绪论 了解通信技术的发展；了解通信技术的发展；掌握掌握 消息消息、信息信息、信号信号 的定义；的定义；掌握数字通信的概念，理解掌握数字通信的概念，理解 数字通信的优点数字通信的优点；掌握掌握 通信系统模型通信系统模型 及其及其 主要性能指标；主要性能指标；重点：重点：1.1.信息的度量；信息的度量；2.2.数字通信系统模型的理解与掌握。数字通信系统模型的理解与掌握。难点：数字通信系统性能指标的理解与计算；难点：数字通信系统性能指标的理解与计算；第2页，共33页。设设 离散信息源离散信息源 是是 一个一个 由由 n 个符号个符号 组成的组成的 集合集合 ，按
2、，按 独立出现。记独立出现。记2 2、非等概情况的信息量的计算非等概情况的信息量的计算nxxx,21 ixp 12112,1niniiinxxxxp xp xp xp xp x 且且有有 则则每个符号所含信息量的统计平均值，即每个符号所含信息量的统计平均值，即 平均平均信息量信息量 为：为：112nniiiiiiH xP xP xbI xixtP()()()()log()(/)符符号号第3页，共33页。1 1、传输速率传输速率 码元传输速率码元传输速率 RB 简称简称 传码率，又称传码率，又称 符号速率。符号速率。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特
3、波特（Baud），），记为记为 B。例如，若例如，若 1 秒内传秒内传2400个码元，则传码率为个码元，则传码率为2400B。在在数字通信中，一个码元（符号）在数字通信中，一个码元（符号）在 时间轴上的长度时间轴上的长度 被称为被称为 码元长度码元长度。11()BBBBRBTTR或或 数字信号有多进制和二进制之分，但数字信号有多进制和二进制之分，但 码元速率与码元速率与 进进制数制数 无关，只无关，只 与与 传输的传输的 码元长度码元长度 TB 有关有关第4页，共33页。信息传输速信息传输速率率 Rb 简称简称 传信率，又称传信率，又称 比特率比特率 等。它表等。它表示单位时间内传递的平均信息
4、量或比特数，单位是示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是 比特比特/秒，可记为秒，可记为bit/s，或，或 b/s，或，或 bps。码元码元速率速率 和和 信息速率信息速率 有确定的关系，即有确定的关系，即 bBRR Hbit s.(/)2log M 等等概传输时，熵有最大值概传输时，熵有最大值 ，信息速率，信息速率 也也达到最大，即达到最大，即bBRRMbit s2.log(/)式式中，中，M 为为 符号的进制数。二进制的码元速率符号的进制数。二进制的码元速率和信息速率在数量上相和信息速率在数量上相等。等。第5页，共33页。衡量数衡量数字通信系统字通信系统 可靠性可靠性 的指标是差错率
5、，常的指标是差错率，常用用 误码率误码率 或或 误信率误信率 表示。表示。2 2、差错率差错率eP 错误码元数传输总码元数bP 错 误 比 特 数传 输 总 比 特 数第6页，共33页。信道信道信道信道广义信道广义信道（简称信道简称信道）狭义信道狭义信道有线信道有线信道无线信道无线信道调制信道调制信道 编码信道编码信道从研究信息传输的角度从研究信息传输的角度 出出发，使一些基本问题的研发，使一些基本问题的研究比较方便。究比较方便。通信效果的好坏，很大程通信效果的好坏，很大程度上将依赖于狭义信道的度上将依赖于狭义信道的特性。特性。第7页，共33页。有线信道有线信道，如电缆光纤等如电缆光纤等无线信
6、道无线信道，如中短波、微波信道等如中短波、微波信道等恒参信道恒参信道随参信道随参信道有记忆编码信道有记忆编码信道无记忆编码信道无记忆编码信道广义信道广义信道狭义信道狭义信道调制信道调制信道编码信道编码信道信道信道第8页，共33页。连续信道的连续信道的 信道容量信道容量 (Channel capacity)a)香农公式香农公式 带宽为带宽为 B(Hz)的连续信道，其的连续信道，其 输入信号的功率输入信号的功率 为为 S，信，信道加性高斯白噪声道加性高斯白噪声的功率的功率 为为 N。可以证明，信道的可以证明，信道的 信道容量信道容量 为：为：ssCBBb sNn B220log1log1(/)第9
7、页，共33页。模拟调制模拟调制中心频率f0带宽BBPF中心频率f0带宽B带宽BL第10页，共33页。调制调制方式方式信号带宽信号带宽制度增益制度增益设备设备复杂度复杂度主要应用主要应用DSB2中等中等 较少应用较少应用SSB1复杂复杂短波无线电广播短波无线电广播话音频分多路话音频分多路VSB略大于略大于近似近似 SSB 近似近似 SSB复杂复杂 商用电视广播商用电视广播AM2/3简单简单 中短波无线电中短波无线电 广广 播播FM中等中等 超短波小功率电超短波小功率电 台台 NBFM 微波微波 中继中继 调频立体调频立体 声广播声广播 WBFM 2(1)mffm 2 3(1)ffmm mfifm
8、Smn f2032imSn f013imSn f0mfooSNmf2imSn f0mf2各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较第11页，共33页。数字基带数字基带 数字基带传输系统的组成（模型）。数字基带传输系统的组成（模型）。数字基带信号的表达式、常用的数字基带信号数字基带信号的表达式、常用的数字基带信号信号。信号。数字基带信号的功率谱密度分析，功率谱密度数字基带信号的功率谱密度分析，功率谱密度的基本特点及带宽。的基本特点及带宽。线路码型的目的。线路码型的目的。AMIAMI、HDB3HDB3码。码。码间串扰的概念、奈奎斯特准则、奈奎斯特极码间串扰的概念、奈奎斯特准则、奈奎斯特极
9、限、理想低通系统，升余弦滚降系统。基本定限、理想低通系统，升余弦滚降系统。基本定理、判有无理、判有无ISIISI方法。方法。数字基带信号的接收原理、利用低通滤波器接数字基带信号的接收原理、利用低通滤波器接收时的误码率分析、最佳门限问题。基本方法收时的误码率分析、最佳门限问题。基本方法（如何分析数字基带传输系统的误码率？思（如何分析数字基带传输系统的误码率？思路），结论的含义。路），结论的含义。第12页，共33页。数字基带传输系统数字基带传输系统代码：代码：1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1 AMI码：码：-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 H
10、DB3码：码：-1000 -V +1000 +V -1+1 B00 V+l -1 第13页，共33页。差分编码（传号差分）差分编码（传号差分）设设bk为差分码，为差分码，ak为原始数据，编码规则：为原始数据，编码规则：1kkkbabak:1 0 0 1 1 1 1bk:1k0001010k-11 变变0不变不变第14页，共33页。下面，研究下面，研究 如何设计如何设计 基带传输特性基带传输特性 H()，以形成，以形成 在在抽样时刻上抽样时刻上 无码间串扰无码间串扰 的的 冲击响应波形冲击响应波形 h(t)。根据上面的分析，假设根据上面的分析，假设 延迟延迟 t0=0，无码间串扰，无码间串扰 的
11、基带的基带系统冲击响应系统冲击响应 应满足下式应满足下式 无码间干扰的时域条件无码间干扰的时域条件说明：无码间说明：无码间串扰串扰 的的 基带系统基带系统 冲击响应，冲击响应，t=0 时时 取值不取值不为零，其它抽样时刻为零，其它抽样时刻 t=kTs 的的 抽样值抽样值 均为零均为零.100skh kTk,(),为为其其他他整整数数第15页，共33页。无码间干扰的频域条件无码间干扰的频域条件基基带传输特性带传输特性 应满足的应满足的 频域条件频域条件121iSssiHTTT(),或或写成写成2SissiHTTT(),该条件该条件 称为称为 奈奎斯特奈奎斯特 第一准则第一准则 。第16页，共33
12、页。同时同时还可看出，如果该系统用还可看出，如果该系统用 高于高于 甚至是甚至是 低于低于 1/Ts 波特波特 的的 码元速率码元速率 传送时，将存在传送时，将存在 码间干扰码间干扰。考虑到考虑到系统的系统的 频率宽度频率宽度 为为 1/2Ts，而，而 最高码元速率最高码元速率 为为 1/Ts，故这时的系统，故这时的系统 最高频带利用率最高频带利用率 为为 2B/Hz。通常把通常把 1/2Ts 称为称为 奈奎斯特带宽，即奈奎斯特带宽，即 系统的系统的 最小传输最小传输带宽，记为带宽，记为 W1 ；则则该系统该系统 无码间干扰时无码间干扰时 最高的传输速率最高的传输速率 为为 2W1 波特，波特
13、，这个这个 传输速率传输速率 通常被称为通常被称为 奈奎斯特速率奈奎斯特速率。第17页，共33页。信号失真信号失真斜边斜边 过零点过零点失失 真真噪声容限噪声容限最佳判决最佳判决门限电平门限电平 最佳判决时刻最佳判决时刻 第18页，共33页。部部分响应系统分响应系统 1.问题提出问题提出：理想低通系统和升余弦滚降系统的优缺点理想低通系统和升余弦滚降系统的优缺点 部分响应系统的基本思想部分响应系统的基本思想：通过合理地设计时域波形，人为的、有规律的在抽样时刻引入码通过合理地设计时域波形，人为的、有规律的在抽样时刻引入码间干扰，可以达到压缩频带，改善陡截止传输特性，使频带利用间干扰，可以达到压缩频
14、带，改善陡截止传输特性，使频带利用率达到率达到2B/Hz，并加速时域波形的衰减速度。，并加速时域波形的衰减速度。2.如何实现如何实现 3.系统组系统组成成 预编码、相关编码的原理、作用及编译码预编码、相关编码的原理、作用及编译码 4部分相应系统的优缺点部分相应系统的优缺点 易实现，波形衰减快，频带利用率达到易实现，波形衰减快，频带利用率达到2B/Hz，误码率增加（可靠性降低）误码率增加（可靠性降低）第19页，共33页。第第I类部分响应系统类部分响应系统 第一类部分响应系统是在相邻的两个码元第一类部分响应系统是在相邻的两个码元间引入码间干扰。间引入码间干扰。已已知理想低通知理想低通|()0ssT
15、THelsesin()sstTh ttT第20页，共33页。第第I类部分响应系统类部分响应系统若采用若采用h(t)+h(t-Ts)作为整个基带系统的冲激响应，则基带信号的作为整个基带系统的冲激响应，则基带信号的带宽为带宽为0.5fs，此时频带利用率为，此时频带利用率为2 Baud/Hz.合成后的基带系统冲激响应为合成后的基带系统冲激响应为()sinsin()()()()sssssssttTTTg th th tTttTTTsin11/ssstTtt TT第21页，共33页。第第I类部分响应系统类部分响应系统 合成后的系统响应函数比理想低通衰减快，合成后的系统响应函数比理想低通衰减快，因此对定时
16、的要求相应降低。因此对定时的要求相应降低。此此时相邻码元之间具有码间干时相邻码元之间具有码间干扰。扰。具有差错传播特性。具有差错传播特性。即若接收一个误码即若接收一个误码an，该误码对随后的判决产生影响。，该误码对随后的判决产生影响。预编码预编码第22页，共33页。第第I I类部分响应系统组成类部分响应系统组成(a)(b)TT相加模2判决抽样脉冲信息判决相关编码预编码收ak发ak发ak相加发送滤波信道接收滤波模2判决收akT抽样脉冲第23页，共33页。部分响应系统部分响应系统 预编码：预编码：bk=ak bk-1 ak=bk bk-1 相关编码：相关编码：Ck=bk+bk-1 相关编码相关编码
17、 模模2判决：判决：Ckmod2=bk+bk-1mod2 =bk bk-1=ak ak=Ckmod2 第24页，共33页。数字频带数字频带 二进制数字调制的原理二进制数字调制的原理 基本概念基本概念 时域表示（表达式及波形）时域表示（表达式及波形）PSD及带宽及带宽 调制与解调（原理框图及波形）调制与解调（原理框图及波形）误码率（抗误码率（抗AWGN噪声性能）噪声性能）分析模型、噪声模型及表示分析模型、噪声模型及表示 分析方法、步骤分析方法、步骤 P(1/0),P(0/1);f0(x),f1(x);利用第三章结论及概率论知识利用第三章结论及概率论知识 分析结果：误码率公式分析结果：误码率公式
18、多进制调制的原理及特点多进制调制的原理及特点第25页，共33页。二进制数字调制系统的误码率公式一览表二进制数字调制系统的误码率公式一览表调制方调制方式式解调方式解调方式误码率误码率大信噪比时大信噪比时近似式近似式判决判决门限门限带带宽宽2ASK相干解调相干解调A/22fs非相干解调非相干解调2FSK相干解调相干解调无无|f2-f1|+2fs非相干解调非相干解调221erfcPe41reeP421reeP4/21241reeerfcp221reeP221erfcPe221reeP第26页，共33页。调制方调制方式式解调方式解调方式误码率误码率大信噪比时大信噪比时近似式近似式判决判决门限门限带带宽
19、宽2PSK相干解调相干解调02fs2DPSK绝对相干绝对相干解调（极解调（极性比较法）性比较法）02fs相对相干相对相干解调（相解调（相位比较法）位比较法）reeP21)(21erfcPeePe212)(121rerfcpe第27页，共33页。二进制差分相移键控（二进制差分相移键控（2DPSK）2DPSK原理原理 2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。息，所以又称相对相移键控。假设假设为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与息与 之间的关系为之间的关系为
20、于是可以将一组二进制数字信息与其对应的于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载信号的载波相位关系示例如下：波相位关系示例如下：”表示数字信息“，”表示数字信息“10,0 0 0 0 00 0 0 0 0 02DPSK01 1 0 0 1 0 1 1或信号相位：二进制数字信息：第28页，共33页。2DPSK的相干解调器原理图和各点波形 带 通滤 波 器相 乘 器低 通滤 波 器抽 样判 决 器定 时脉 冲输 出)(D PSK2tetccos码 反变 换 器abcdef第29页，共33页。2DPSK信号的解调方法之二：差分相干解调(相位比较）法 带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器
21、定时脉冲输出)(DPSK2te延迟Tsabcde第30页，共33页。现代调制技术现代调制技术 了解了解QAM的基本原理的基本原理 了解了解MSK的优点，基本原理的优点，基本原理第31页，共33页。模模拟信号的数字传输拟信号的数字传输 抽样定理的内容及证明、模拟脉冲调制抽样定理的内容及证明、模拟脉冲调制 理想抽样理想抽样 实际抽样：自然抽样和平顶抽样实际抽样：自然抽样和平顶抽样 PAM、PPM、PWM/PDM 量化：量化：均匀量化和非均匀量化的原理及实现、量化噪声均匀量化和非均匀量化的原理及实现、量化噪声A律律13折线和折线和mu律律15折线逼近对数特性的法折线逼近对数特性的法 PCM 系统组成
22、系统组成 码型选择、位数选择、码位安排码型选择、位数选择、码位安排 编码、译码编码、译码 抗噪声性能抗噪声性能 增量调制原理及改进增量调制原理及改进 时分复用时分复用TDM：原理及应用：原理及应用第32页，共33页。数字调制信号最佳接收数字调制信号最佳接收 最佳接收的意义最佳接收的意义 误比特最小误比特最小 信噪比最大信噪比最大 最佳接收机的形式最佳接收机的形式 匹配滤波器匹配滤波器 匹配滤波器的特性匹配滤波器的特性 相关接收机相关接收机 最佳接收机的抗噪声性能最佳接收机的抗噪声性能误码率相同时：信道要求误码率相同时：信道要求(信噪比）信噪比）2PSK2FSK=2ASK信道条件相同：误比特律信道条件相同：误比特律 2PSK2FSK=2ASK第33页，共33页。
