Digital Communications
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绪论第1章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）以受控方式引入余将二进制信息序列数字信源（计算机电传机）映射为信号波形克服信道噪声和干扰输入信号信道信源数字信源和输入变换器编码器编码器调制器不产生穴余码率：k/n将信源输出变换为二进制数字连接发送机和接收信道序列.输出：二进制数字序列机的物理媒质信道的特征对输出通信系统的设输出信源信道数字信号计和影响很大变换器译码器解调器译码器、指标：误码率指标：失真将接收波形还原依据信道编码规则重重构原始信号成数字序列构出初始的信息序列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ISI（补偿，均衡技术）衰落信道一消除多径的影响
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：限制了在任何通信信道发送信号功率（设备和其它因素）上能可靠传输的数据量信道带宽
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）
通信信道的数学模型1.35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）一1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n（t）恶化·噪声统计地表征为高s(t)r(t)=as(t)+n(t)斯噪声过程1简单、适用面广、数学上易于处理n(t)是最常用、最主要的信道模型
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
通信信道的数学模型1.3线性滤波器信道（带有加性噪声的线性滤波器）线性滤波器s(t)--r(t)=s(t)*c(t)+n(t)c(t)Tn(t)信道特点：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 ⚫ 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）
通信信道的数学模型1.3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(t)r(t)= s(t)*c(t,t)+n(t)滤波器c(t,t)Jc(t,t)s(t-t)dt+n(t)n(t)信道特点：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c(t,t)=a,(t)(t-tk)时变冲激响应L条传播路径k=l接收信号：r(t)=Za,(0)s(t-t,)+n(t)由L个路径分量组成
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—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？s(t)=Za,g(t-nT)发送信号要解决的问题：1.抽样点上无ISI的最大比特率？2.最佳脉冲形状？武结论：当带宽限于wHz时，最大脉冲速率是2w脉冲/秒Nyquist速率·采用脉冲形状 g(1)= sin(2元wl)可以达到此脉冲速率。2元Wt
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：sin[2mv(t-n/2w)]()=Z2mv(t-n/2w)1928Hartley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