通信原理总复习18169ppt课件

通信原理 2007年,通信原理总复习,通信原理教学组编写,通信原理 2007年,通信原理总复习,第一章 通信原理绪论,通信原理 2007年,通信原理总复习,了解通信技术的发展； 掌握 消息、信息、信号 的定义； 掌握数字通信的概念，理解 数字通信的优点； 掌握 通信系统模型 及其 主要性能指标；,重点：1.信息的度量； 2.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；,通信原理 2007年,通信原理总复习,设 离散信息源 是 一个 由 n 个符号 组成的 集合 ，按 独立出现。记,2、非等概情况的信息量的计算,通信原理 2007年,通信原理总复习,由于 H 同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为 信息源的熵，其单位为bit / 符号。,当信源中每个符号等概独立出现时，式(1.4-9)即成为式(1.4-5)。可以证明，此时 信源的熵有最大值：,通信原理 2007年,通信原理总复习,有效性 用 传输速率 来衡量； 可靠性 用 差错率 来衡量。 ,二、数字通信系统,通信原理 2007年,通信原理总复习,在数字通信中，一个码元（符号）在 时间轴上的长度 被称为 码元长度 。,数字信号有多进制和二进制之分，但 码元速率与 进制数 无关，只 与 传输的 码元长度 TB 有关,信息传输速率 Rb 简称 传信率，又称 比特率 等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是 比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或 bps 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,式中，H 是信源中每个符号所含的平均信息量（熵）,码元速率 和 信息速率 有确定的关系，即,通信原理 2007年,通信原理总复习,保证信息速率不变的情况下，M 进制码元速率RBM 与 二进制码元速率 RB2 之间有以下转换关系：,通信原理 2007年,通信原理总复习,第二章 随机信号分析,通信原理 2007年,通信原理总复习,一、定义,所谓 平稳随机过程 ，是指它的统计特性不随时间的推移而变化。,统计特性与起 始时间无关,则 称是 狭义平稳随机过程 或 严平稳随机过程 。,设有一个随机过程(t) ，它的 均值为常数，自相关函数仅是的函数，则称它为 宽平稳随机过程 或 广义平稳随机过程 。,数字特征与起 始时间无关,通信原理 2007年,通信原理总复习,如果平稳随机过程依概率 1 使下式成立,则称该平稳随机过程具有 各态历经性 。,“各态历经”的含义：随机过程中的任一实现都经历了随机过程的所有可能状态。 因此，只需从任意一个随机过程的样本函数中就可获得它的所有的数字特征，从而使“统计平均”化为“时间平均”，使实际测量和计算的问题大为简化。,左端 统计数字特征 右端 时间数字特征,通信原理 2007年,通信原理总复习,注意：具有各态历经性的随机过程必定是平稳随机过程，但平稳随机过程不一定是各态历经的。 在通信系统中所遇到的随机信号和噪声，一般均能满足各态历经条件。,通信原理 2007年,通信原理总复习, 的 平均功率 的 直流功率 的 偶函数 的 上界 方差， 的交流功率,当均值为 0 时，有,具有下列 主要性质：,设(t) 为实平稳随机过程，则它的自相关函数,代入 性质 1， 2，就得到方差定义式,只与时间间隔有关,通信原理 2007年,通信原理总复习,简记为,关系式（2.2-18）称为 维纳-辛钦关系。,通信原理 2007年,通信原理总复习,由以上输出过程的数学期望和自相关函数证明，若线性系统的输入过程是平稳的，那么输出过程也是平稳的 。 ,三、输出过程 o(t) 的功率谱密度,可见，系统输出功率谱密度 是 输入功率谱密度Pi() 与 系统功率传输函数 |H()|2 的乘积 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,结 论 ：,通信原理 2007年,通信原理总复习,综上所述，我们得到一个重要结论： 一个均值为零的窄带平稳高斯过程(t) ，它的同相分量c(t) 和正交分量s(t) 也是平稳高斯过程， 而且 均值都为零，方差也相同。 此外， 在同一时刻上得到的c 和s 是互不相关的或统计独立的。,综上所述，我们又得到一个重要结论：一个均值为零，方差为 的窄带平稳高斯过程(t) ，其包络 的一维分布是瑞利分布，相位 的一维分布是均匀分布。并且就一维分布而言， 与 是统计独立的 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,第三章 信道与噪声,通信原理 2007年,通信原理总复习,图 3-1 调制信道和编码信道,信道的一般组成如 图3-1 所示：,通信原理 2007年,通信原理总复习,编码信道模型中，由于信道噪声或其它因素影响导致 输出数字序列发生错误是统计独立的，因此这种信道是 无记忆编码信道 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,通信原理 2007年,通信原理总复习,恒参信道的信道特性 不随时间变化 或 变化很缓慢 。 由 架空明线、电缆、中长波地波传播、超短波及微波与光波的视距传播、人造卫星中继、以及光导纤维等 传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道。,二、恒参信道特性 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。因此，其 传输特性 可以 等效为 一个 线性时不变网络 。 线性网络的传输特性可以用 幅度频率特性 和 相位频率特性 来表征。,通信原理 2007年,通信原理总复习,理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延特性曲线如 图3-13 所示：,图 3-13 理想信道的 幅频特性 、相频特性 和群迟延-频率特性,通信原理 2007年,通信原理总复习,由理想的 恒参信道特性 可知： 在整个频率范围其 幅频特性 为 常数 (或在信号频带范围之内为常数)； 其 相频特性 为的 线性函数 (或在信号频带范围之内为的线性函数)。 如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生 幅度-频率失真 ； 如果信道的 相位-频率特性 在信号频带范围之内不是 的 线性函数 ，则会使信号产生 相位-频率失真 。 ,通信原理 2007年,通信原理总复习,恒参信道特性对信号传输的其它影响,非线性畸变：由信道中元器件振幅特性的非线性引起，造成 谐波失真 及若干 寄生频率 等； 频率偏移：由信道中接收端解调载频与发送端调制载频之间偏差造成的； 相位抖动：由 调制 和 解调 载频 的不稳定 所造成，相位抖动相当在发送信号上附加一个小指数的调频。,以上的非线性畸变，一旦产生，均难以消除。,通信原理 2007年,通信原理总复习,二、随参信道特性 (1) 对信号的 衰耗 随时间随机变化； (2) 信号 传输的时延 随时间随机变化； (3) 多径传播 。,由此我们可以得到以下两个 结论 : (1) 多径传播 使 单一频率的正弦信号 变成了 包络 和 相位 受调制的 窄带信号，这种信号称为 衰落信号，即 多径传播 使信号产生 瑞利型衰落 ； (2) 从频谱上看，多径传播 使 单一谱线 变成了 窄带频谱，即 多径传播 引起了 频率弥散 。 ,通信原理 2007年,通信原理总复习,b) 频率选择性衰落与相关带宽 Frequency-selective fading and coherence bandwidth 当发送信号是 具有一定频带宽度 的信号 时，多径传播 除了会使信号产生 瑞利型衰落 之外，还会产生 频率选择性衰落 。 我们假设 多径传播 的 路径只有两条，信道模型如图3-22 所示：,通信原理 2007年,通信原理总复习,对于固定的 ，信道幅频特性如 图3-23(a) 所示 :,通信原理 2007年,通信原理总复习,多径传播时的相对时延差通常用 最大多径时延差来表征。 设信道 最大多径时延差 为 ，则定义 多径传播信道的 相关带宽 为：,(3.3-30),它表示 信道传输特性 相邻两个零点之间 的 频率间隔 。 如果信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。,通信原理 2007年,通信原理总复习,为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。 在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择 信号带宽 为 相关带宽 的 1/51/3 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,通信原理 2007年,通信原理总复习,信道容量 是指 信道中信息无差错传输的最大速率 。,连续信道的 信道容量 (Channel capacity) a) 香农公式 带宽为 B (Hz) 的连续信道，其 输入信号的功率 为 S，信道加性高斯白噪声的功率 为 N 。 可以证明，信道的 信道容量 为：,(3.6-19),通信原理 2007年,通信原理总复习,第五章 数字基带传输系统,通信原理 2007年,通信原理总复习,1.单极性不归零波形 这是最简单、最常用的基带信号形式。这种信号脉冲的 零电平 和 正电平 分别对应 二进制代码 0 和 1 特点 是：极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔。另外，位同步信息包含在电平的转换之中，当出现连 0 序列时，没有 位同步信息。,通信原理 2007年,通信原理总复习,2双极性不归零波形 脉冲的 正负电平 分别对应于 二进制代码 1 、0 ；由于它是 幅度相等、极性相反 的 双极性波形 ，故当 0 、1 符号 等概出现 时，无直流分量 。 恢复信号的 判决电平 为 零值，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。故 双极性波形有利于在信道中传输 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,3单极性归零波形 与 单极性不归零波形 的区别是：有电脉冲宽度小于 码元宽度，每个 有电脉冲 在小于 码元长度内，总要回到零电平，所以称为 归零波形 。 单极性归零波形 可以直接提取定时信息，是其它波形提取 位定时信号 时 需采用的一种 过渡波形,通信原理 2007年,通信原理总复习,4双极性归零波形 它是 双极性波形 的 归零形式 。每个码元内，脉冲 都回到 零电平 ，即 相邻脉冲之间 必定留有 零电位的间隔 。 它除了具有 双极性不归零波形 的 特点 外，还有利于 同步脉冲的提取 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,5.2.2 基带信号的频谱特性,通过谱分析，可了解信号需占据的 频带宽度，所包含的频谱分量，有无直流分量，有无定时分量 等。 这样，才能针对信号谱的特点来选择 相匹配的信道 ，以及确定是否可从信号中 提取定时信号 。,交变波 的 功率谱 是 连续谱 ，它与 g1(t) 和 g2(t) 的 频谱 以及 出现概率 P 有关 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,二进制基带信号的功率谱密度,单极性半占空归零信号 的 带宽 为：,单极性 不归零 信号 在离散谱线中 只有 直流分量 单极性 归零 信号 有直流分量，也有定时分量，且带宽 大于 不归零码,通信原理 2007年,通信原理总复习,从以上两例可以看出:,(1) 随机序列 的 带宽 取 G1( f ) 和 G2( f ) 之中 较大带宽 的一个作为 序列带宽 。 时间波形的 占空比 越小 ，频带 越宽 。 矩形脉冲 脉宽 为，则 。,(2) 单极性 基带信号 是否存在 离散线谱 取决于 矩形脉冲 的 占空比； 单极性 归零 信号 中 有定时分量； 单极性 不归零 信号 中 无定时分量； 0 、1 等概 的 双极性 信号 没有离散谱。,通信原理 2007年,通信原理总复习,5.3 基带传输的常用码型,图5-6 AMI码 和 HDB3码 的 功率谱,通信原理 2007年,通信原理总复习,二、 HDB3 码,HDB3 码 的 全称 是 3 阶 高密度 双极性码 ，它是AMI 码 的 一种 改进型 。 其 编码规则 如下： (1) 当信码的 连“0” 个数 不超过 3 时，仍按 AMI码的规则编 ，即 传号 极性 交替；,( 2) 当 连“0” 个数 超过 3 时，则将 第 4 个 “0” 改为非 “0” 脉冲，记为 +V 或 V ，称之为 破坏脉冲 。 为了便于识别，V 码 的 极性 应与 其前一个 非“0” 脉冲 的 极性 相同。,破坏了 AMI 码 的 极性 交替 规则，所以 称为 破坏码,通信原理 2007年,通信原理总复习,(3) 相邻 V 码 的 极性 必须交替 出现，以 确保 编好 的 码中 无直流； 否则，将 四连“0” 的 第一个“0” 更改为 与 该破坏脉冲 相同极性 的 脉冲，并记为 +B 或 B； (4) 破坏脉冲 之后的 传号码 极性 也要 交替。 例如：,相邻 V 码 之间，有 奇数个 非 0 码 时，就能保证 它们 极性 交替,与 前一个 非 0码 极性相反,通信原理 2007年,通信原理总复习,下面，研究 如何设计 基带传输特性 H() ，以形成 在抽样时刻上 无码间串扰 的 冲击响应波形 h(t) 。 根据上面的分析，假设 延迟 t0 = 0，无码间串扰 的基带系统冲击响应 应满足下式,无码间干扰的时域条件,说明：无码间串扰 的 基带系统 冲击响应， t = 0 时 取值不为零，其它抽样时刻 t = kTs 的 抽样值 均为零 .,通信原理 2007年,通信原理总复习,无码间干扰的频域条件,将 无码间串扰 时域条件 (5.5-1) 带入 上式，便可得 无码间串扰 时，基带传输特性 应满足的 频域条件,或写成,该条件 称为 奈奎斯特 第一准则 。,它为我们提供了 检验 一个 给定系统 特性 H () 是否产生 码间串扰 的 方法 。,通信原理 2007年,通信原理总复习,同时还可看出，如果该系统用 高于 甚至是 低于 1/Ts 波特 的 码元速率 传送时，将存在 码间干扰 。 考虑到系统的 频率宽度 为 1/2Ts ，而 最高码元速率 为 1/Ts ，故这时的系统 最高频带利用率 为 2B/Hz 。,通常把 1/2Ts 称为 奈奎斯特带宽，即 系统的 最小传输带宽，记为 W1 ； 则该系统 无码间干扰时 最高的传输速率 为 2W1 波特，这个 传输速率 通常被称为 奈奎斯特速率 。,理想低通传输特性 的 基带系统 有 最大的 频带利用率。但是，理想低通系统 在实际应用中 存在 两个问题：,通信原理 2007年,通信原理总复习,对于 单极性信号，电平取值 为 + A ( 对应 “1” 码 )或 0（对应 “0” 码），因此，在发 “0” 码 时， 只需将图 5-16 中 f 0 (x) 曲线 的分布中心 由 A 移到 0 即可 。 则 最佳门限电平 为：,通信原理 2007年,通信原理总复习,若 二进制 基带信号 为 双极性，设它 在抽样时刻的 电平取值 为 + A 或 A ( 分别对应于 信码的 “1” 或“0” ) ， 则 x(t) 在抽样时刻 的 取值 为：,则 可求得 最佳门限电平：,当 P(1) = P(0) =1/2 时,通信原理 2007年,通信原理总复习,图 5-18 眼图的模型, 信号失真,斜边,过零点失 真,通信原理 2007年,通信原理总复习,第七章,数字频带传输系统,通信原理 2007年,通信原理总复习,一、 二进制振幅键控（2ASK）,二、 二进制移频键控（2FSK）,三、 二进制移相键控 （2PSK）,通信原理 2007年,通信原理总复习,图 7-18 2DPSK 信号 差分相干解调器 原理图,差分相干解调方式 = 相位比较法,通信原理 2007年,通信原理总复习,相干解调方式 极性比较法,2DPSK信号 相干解调方式 解调过程 各点时间波形 如图 :,通信原