Digital Communications Li Xingming 李兴明 e-mail:xingmingl@uestc.edu.cn
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第1章 绪论 数字通信系统的组成 通信信道的特征及数学模型 数字通信发展的回顾与展望
第1章 绪论 数字通信系统的组成 通信信道的特征及数学模型 数字通信发展的回顾与展望
1.1数字通信系统的组成 (功能性框图) 模拟信源(音频,视频) 以受控方式引入冗余, 将二进制信息序列 数字信源(计算机,电传机) 克服信道噪声和干扰 映射为信号波形 输入 信号 信源和 信源 信道 数字 输入变换器 编码器 编码器 调制器 不产生冗余 码率:k/n 将信源输出变换为二进制数字 连接发送机和接收 序列.输出:二进制数字序列 信道 机的物理媒质 信道的特征对 输出 信号 输出 信源 信道 数字 通信系统的设 变换器 译码器 译码器 解调器 计和影响很大 指标失真飞 指标:误码率 重构原始信号 依据信道编码规则重 将接收波形还原 构出初始的信息序列 成数字序列 3
3 1.1 数字通信系统的组成 (功能性框图) 信源和 输入变换器 信源 编码器 信道 信源 译码器 数字 调制器 信道 编码器 数字 解调器 信道 译码器 输出 变换器 输出 信号 模拟信源(音频,视频), 数字信源(计算机,电传机) 将信源输出变换为二进制数字 序列. 输出:二进制数字序列 以受控方式引入冗余, 克服信道噪声和干扰 将二进制信息序列 映射为信号波形 连接发送机和接收 机的物理媒质 将接收波形还原 成数字序列 依据信道编码规则重 构出初始的信息序列 重构原始信号 指标:失真 指标:误码率 不产生冗余 码率: k/n 输入 信号 信道的特征对 通信系统的设 计和影响很大
1.1数字通信系统的组成 问题 为什么说,信道的特征对通信系统的组成 和设计影响很大? 通信的目的:可靠且有效地传输信息 理想信道一抵抗加性噪声(滤波,平滑技术) 失真信道—一对付S(补偿,均衡技术) 衰落信道—消除多径的影响
1.1 数字通信系统的组成 为什么说,信道的特征对通信系统的组成 和设计影响很大? 问题 通信的目的:可靠且有效地传输信息 理想信道——抵抗加性噪声(滤波,平滑技术) 失真信道——对付ISI(补偿,均衡技术) 衰落信道——消除多径的影响 ……
1.2 通信信道及其特征 通信信道 ·电线、电缆 (以电信号形式传输) ●光纤 (以光信号形式传输) 类型: ●自由空间 (以电磁波形式传输) ·水下海洋信道 (以声波形式传输) ·其它媒质 (磁带、磁盘、光盘) 特征: 无论用什么媒质来传输信息,发送信号都要随机地 受到各种可能机理的恶化。 ●共性问题一加性噪声 ●其它噪声和干扰源(人为噪声、大气噪声、闪电等) ●信道损伤(如信号衰减,失真,多径效应等) 解决途径之一:通过增加发送信号功率来减小噪声的影响 限制条件: ◆发送信号功率 限制了在任何通信信道 (设备和其它因素) ◆信道带宽 上能可靠传输的数据量
5 1.2 通信信道及其特征 通信信道 类型: ⚫电线、电缆 (以电信号形式传输) ⚫光纤 (以光信号形式传输) ⚫自由空间 (以电磁波形式传输) ⚫水下海洋信道 (以声波形式传输) ⚫其它媒质 (磁带、磁盘、光盘) 特征: ⚫共性问题 —— 加性噪声 ⚫其它噪声和干扰源(人为噪声、大气噪声、闪电等) ⚫信道损伤(如信号衰减, 失真, 多径效应等) ◆发送信号功率 ◆信道带宽 限制了在任何通信信道 上能可靠传输的数据量 无论用什么媒质来传输信息,发送信号都要随机地 受到各种可能机理的恶化。 限制条件: 解决途径之一:通过增加发送信号功率来减小噪声的影响 (设备和其它因素)
1.3 通信信道的数学模型 通信系统的分析设计中,用数学模型来反映传输媒质最重要的特征。 ◆内部因素 一加性噪声(热噪声) ◆外部因素一 其它噪声和干扰源 三种常用的信道模型 ●加性噪声信道 特点: ·发送信号s(t)被加性 信道 随机噪声过程(t)恶化 s() r(t)=as(t)+n(t) ●噪声统计地表征为高 斯噪声过程 ·简单、适用面广、数 n() 学上易于处理 是最常用、最主要的信道模型 6
6 1.3 通信信道的数学模型 通信系统的分析设计中,用数学模型来反映传输媒质最重要的特征。 ◆内部因素 —— 加性噪声(热噪声) ◆外部因素 —— 其它噪声和干扰源 三种常用的信道模型 ⚫ 加性噪声信道 n(t) s(t) r(t)=as(t)+n(t) 信道 特点: ⚫发送信号 s( t ) 被加性 随机噪声过程 n( t ) 恶化 ⚫噪声统计地表征为高 斯噪声过程 ⚫简单、适用面广、数 学上易于处理 是最常用、最主要的信道模型
1.3通信信道的数学模型 ●线性滤波器信道 (带有加性噪声的线性滤波器) s() 线性滤波器 r(t)=s(t)*c(t)+n(t) c(t) 信道 n() 特点: ●适用于对传输信号带宽有限制的信道 ●采用滤波器保证传输信号不超过规定的带宽限制 7
7 ⚫ 线性滤波器信道 n(t) s(t) 线性滤波器 r(t)=s(t)c(t)+n(t) c( t ) 信道 1.3 通信信道的数学模型 特点: ⚫适用于对传输信号带宽有限制的信道 ⚫采用滤波器保证传输信号不超过规定的带宽限制 (带有加性噪声的线性滤波器)
1.3 通信信道的数学模型 线性时变滤波器信道 (应用背景:水声信道和电离层无线电 信道,会导致发送信号的时变多径传播) 线性时变 s() 滤波器 r(t)=s(t)*c(,1)+n(t) c(,t) =c(r,t)s(t-r)dr+n(t) 信道 n() 特点: ●考虑到了发送信号的时变多径效应 例:移动通信中的多径传播 时变冲激响应 a0-2a,0d-) L条传播路径 接收信号: r0)=2a,0)st-t)+n0 由L个路径分量组成 8 k=
8 ⚫ 线性时变滤波器信道 n(t) s(t) 线性时变 滤波器 c(τ,t ) 信道 − = − + = + ( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( , ) ( ) c t s t d n t r t s t c t n t 1.3 通信信道的数学模型 特点: ⚫考虑到了发送信号的时变多径效应 例:移动通信中的多径传播 接收信号: 时变冲激响应 1 ( , ) ( ) ( ) L k k k c t a t t = = − ( ) ( ) ( ) ( ) 1 r t a t s t n t k L k = k − + = L条传播路径 由L个路径分量组成 (应用背景:水声信道和电离层无线电 信道,会导致发送信号的时变多径传播)
1.4数字通信发展的回顾与展望 电通信—一最早起源于电报 S.Morse,1837 现代数字通信:起源于Nyquist的研究,1924 在给定带宽的电报信道上,最大信号传输速率? 发送信号s()=∑angt-nT) 要解决的问题: 1.抽样点上无ISI的最大比特率? 2.最佳脉冲形状? 结论: ●当带宽限于wHz时,最大脉冲速率是2w脉冲/秒 Nyquisti速率 sin(2πwt ●采用脉冲形状8()= 可以达到此脉冲速率。 2wt
9 1.4 数字通信发展的回顾与展望 电通信 —— 最早起源于电报 S.Morse,1837 现代数字通信:起源于Nyquist的研究,1924 在给定带宽的电报信道上,最大信号传输速率? 要解决的问题: 1. 抽样点上无 ISI 的最大比特率? 2. 最佳脉冲形状? s(t) a g(t nT) n = n − wt wt g t 2 sin(2 ) ( ) = 发送信号 ⚫当带宽限于 w Hz 时,最大脉冲速率是 2w 脉冲/秒 ⚫采用脉冲形状 ,可以达到此脉冲速率。 结论: ———Nyquist速率
1.4数字通信发展的回顾与展望 带限信号的抽样定理的等价形式: 带宽为w的信号可以用以奈奎斯特速率抽样的样值s(nT) 通过下列插值公式重构: s(0=Σ sin 2w(t-n/2w) 2nw(t-n/2w) Hartley 1928 多进制数据通信(用多幅度电平在带限信道上传输数据) 结论: 当最大的信号幅度限于Amx(固定功率限制),且幅度分辨 率为A时,存在一个能在带限信道上可靠通信的最大数据速率。 10
10 带限信号的抽样定理的等价形式: 带宽为w的信号可以用以奈奎斯特速率抽样的样值s(nT) 通过下列插值公式重构: ( ) w(t n w) w t n w w n s t s n 2 / 2 sin 2 / 2 2 ( ) − − = Hartley 1928 多进制数据通信(用多幅度电平在带限信道上传输数据) 结论: 当最大的信号幅度限于Amax(固定功率限制),且幅度分辨 率为Aδ时,存在一个能在带限信道上可靠通信的最大数据速率。 1.4 数字通信发展的回顾与展望