01--无线通信系统概述.ppt

1、1,数字通信 (第一讲) 通信系统概述 2011-9,Yuping Zhao (Professor) 赵玉萍 School of Electronics Engineering and Computer Science Peking University Beijing 100871, China ,2,Reference books （主要参考书）: John G. Proakis: “Digital communications”, 3rd ed 数字通信John G. Proakis 著，（影印版,中文版） 电子工业出版社，通信与信息科学教育丛书 Reading Materials: t

2、o be delivered during the course,3,信息系统包括的内容,信息的产生与获取 数据信息 语音信息 图像信息 信息的处理与存储 模拟信息转换为数字信息 信息的压缩 信息的传输与网络 时间传输：信息存储以利于今后使用 空间传输：利用某种传输媒质信息进行传输,信息与信息量,信息的大小用信息量来度量，表征一种不确定性 信息量的大小由发生该事件的概率决定 信息量的最常用单位为比特 这里I为信息量大小（单位为比特），P为发生某事件的概率,4,信息量实例,例：三天后有雨与无雨的概率各为50%，则下雨带来的信息量为 即该事件的信息量为1比特,5,信息量实例,例：明天下雨概率为1/

3、8，不下雨的概率为7/8，则下雨事件带来的信息量为 同理，不下雨事件带来的信息量为,6,通信系统中的信息量,通信系统中一般以“比特”(bit)作为信息量的基本单位 例：某发射机只发送0、1信息，并且0、1的发生概率各为50%； 如果每秒只发送一次，则该系统的传输速率为1比特/秒(记为1bit/s)； 如果每秒独立地发送1000次”0”、”1”信息，则传输速率为1000bits/s(或1kbits/s),7,通信系统中常用表示方法,BYTE： 8 bits(比特) 1 BYTE bps(bits per second) x bits/s x bps x Kbits/s x Kbps x Mbit

4、s/s x Mbps,8,常用的通信系统数据,GSM语音电话9.6 Kbps 无线局域网(WIFI)11 Mbps 高清数字电视：约30Mbps,9,平均信息量,如果信源可以产生N种独立信息，每种信息产生的概率不同，则该信源的信息量为所有信息量的统计平均：,10,平均信息量,例某信源产生0、1、2、3四种可能的数据，其概率分别为1/2、1/4、1/8、1/8。则系统的平均信息量为,11,平均信息量,例：若上例中产生0、1、2、3的概率均为1/4，则系统的平均信息量为 结论：若信源中的各个符号独立且等概率出现，则信源的信息量最大,12,信源的种类,模拟信源：时间、幅度连续的待传信号 例：语音信号

5、时间幅度均为连续信号 例：模拟电视信号时间离散幅度连续 数字信源：时间、幅度均为离散的信源 例：各种数据、文字信息 例：网页、电子邮件,13,14,信息的传输方式,模拟通信系统：将采集的信号直接进行传输 模拟信号直接进行传输，信号为幅度、时间连续 代表性系统：模拟电视，AM广播 数字传输系统：将信号转变为数字信号后再进行传输 传输的信号只包括“0”，“1”数字化信号 典型系统：手机信号，计算机网络,信源与通信系统的关系,15,模拟信源,模拟通信系统,数字通信系统,数字信源,模式转换,信源形式,传输方式,16,3.6V,3.8V,信道： 存在噪声与损伤,接收： 接收到错误电平信号无法判别,模拟通

6、信系统的损伤,发射： 可以是规定范围内的任意值,0.2V,17,模拟语音信号,电压值V,时间t,接收信号,发射信号,模拟信号传输系统：一定范围内的任何值均为有效值,18,3.6V,3.8V,0.2V (噪声),接收,判决,“1”,1.8V,发端：“1” 3.6v；“0” 0v 判决准则：接收信号大于1.8v 1; 小于1.8v 1;,信道,发射,数字通信系统的损伤,19,3.6V,2.6V,1.0V,判决正确,判决,“1”,1.8V,“1” 3.6v；“0” 0v,数字通信系统的损伤,数字通信系统存在一定的错误存在,20,3.6V,1.6V,-2.0V,判决错误,判决,“0”,1.8V,“1”

7、 3.6v；“0” 0v,数字通信系统的损伤,数字通信系统也可能发生错误判决,简单的模拟通信系统模拟对讲机,21,语音信号,射频单元,天线,连续信号,连续信号,信号转换 （模拟）,连续信号,简单的模拟通信系统模拟对讲机,22,语音信号,射频单元,天线,连续信号,连续信号,信号转换 （模拟）,连续信号,简单的数字通信系统数字对讲机,23,语音信号,模拟/数字 转换,编码调制 射频单元,天线,连续信号,0/1信号,连续信号,简单的数字通信系统数字对讲机,24,语音信号,数字/模拟 转换,射频单元 解码解调,天线,连续信号,0/1信号,连续信号,25,模拟语音信号,电压值V,时间t,26,语音信号分

8、解,语音信号的频率：300Hz-3400Hz（一般语音信号最高频率是4KHz）,27,语音信号的时间离散化,采样：需满足定理,电压值V,时间t,发射信号经采样后，得到时间上离散的时间序列,T,2T,nT,28,语音信号的幅度量化,3.5v,01100011,10010011,4.7v,时间t,T,2T,nT,电压值V,量化：将任意数值用0、1表示,发射信号经量化后，得到幅度值为0/1的时间序列,29,语音信号速率,采样与量化 采样速率：8000样点/秒(采样定理) 量化：8比特/样点(8比特表示每个样点) 速率：8000*8=64000比特/秒(64Kbits/s) 语音信号压缩： 利用信号的

9、相关性可进行压缩 压缩过程考虑信号恢复时容忍的失真度 GSM系统中语音信号压缩为9Kbits/s 语音信号可以压缩到1Kbits/s,30,图像信号的构成,黑白图像信号是由一个个的像素组成(例800X600) 每个像素的幅度表示灰度（例如0-255），,31,图像信号的构成,彩色图像有三种不同的基色，每种基色有不同的灰度，构成一个色彩,32,图像信号传输速率,静态图像（实例） 显示器点数为800 X 600；每点有3种颜色；用8比特显示其灰度 由此得到一张静态图像的信息比特数为 800 X 600 X 8 X 3 = 11Mbits (= 1.44Mbyte) 动态图像（实例） 假设每秒传输2

10、5帧，传输的速率为 11Mbits X 25帧/s = 288Mbits/s (= 36Mbyte) 更高精度的显示所需的信息比特更多,信号的压缩,信号压缩的目的：将信号中的冗余信息去除 画面（或声音）的复杂度不同，压缩效率不同 简单信号压缩效果好，反之压缩效果差 几个压缩实例 压缩后的语音信号的可以为2.4Kbits/s，9Kbits/s 压缩后的标清数字电视信号一般为4Mbits/s 压缩后的高清数字电视信号一般为30Mbits/s,33,34,37Kbyte,同样清晰度的两张照片比较,35,115Kbyte,同样清晰度的两张照片比较,通信信号的传输媒介,电信号传输系统 无线通信系统 电缆

11、通信系统 光信号传输系统 光纤通信系统 大气光通信系统 信息存储系统 光盘、硬盘、磁带,36,发射的电信号形式（实例）,37,信息,载波,无线电波的传输-全向天线,38,无线电波的传播-方向性天线,39,基站天线实例,40,终端天线实例,41,同轴电缆,42,同轴电缆,43,44,完整的通信系统,信源与信源处理单元 信号发射机与信号接收机 传输网络,通信系统与通信网络,45,收发信机与通信网络共同构成通信系统,46,通信协议,47,通信系统的构成（点到点）,信源 编码,信道 编码,调 制,低通 滤波,载波 调制,通道,载波 解调,低通 滤波,解 调,信道 解码,同步,均衡,信 宿,发射天线,接

12、收天线,48,数字通信系统的构成（点到点）,信源 编码,信道 编码,调 制,低通 滤波,载波 调制,通道,载波 解调,低通 滤波,解 调,信道 解码,同步,均衡,信 宿,发射天线,接收天线,49,通信系统的构成（点到点）,信源 编码,信道 编码,调 制,低通 滤波,载波 调制,通道,载波 解调,低通 滤波,解 调,信道 解码,同步,均衡,信 宿,发射天线,接收天线,50,用于保证接收到的“0”， “1 ”序列是正确的 错误检测 可检查接收信息是否正确 需要加入一些冗余信息 错误纠正 可以检测并可以纠正错误 需要更多的冗余信息 重传机制 在系统能够监测到错误但不能纠正错误时 需要更多冗余产生时延

13、,信道编码,51,正确信息： 我们明天14:0016:00开会 接收到的错误信息： 我们明天10:0016：00开会 ：接收信息有错误，但接收端无法知道,纠错编码的意义,52,正确信息： 我们明天14:0016:00开会 利用编码的方法可使错误被检测到： 我们明天下午10:0016：00开会 ：错误可被检测到，但不能被纠正 ：这里加入了一定的冗余信息,纠错编码的意义,53,利用编码的方法可使错误被检测到并被纠正 我们明天下午10:0016:00开会两个小时 ：错误可被检测，并可被纠正 ：加入了更多的冗余信息,纠错编码的意义,54,有些错误是无法检测到并被纠正的 我们明天下午16:0018:00

14、开会两个小时 ：加入了足够的冗余信息 ：错误无法被检测并被纠正,纠错编码的意义,55,信道编码：举例 （7,4）汉明码,56,信道编码：举例 （7,4）汉明码,如果发射信号为：x3x4x5x6=1011 经过编码以后为：x0 x1x2x3x4x5x6=100 1011 经过信道，接收信号为：100 1001，查表可知，落在第12行第7列，判决为该行的第1列数据100 1011 达到了纠错的目的,57,通信系统的构成（点到点）,信源 编码,信道 编码,调 制,低通 滤波,载波 调制,通道,载波 解调,低通 滤波,解 调,信道 解码,同步,均衡,信 宿,发射天线,接收天线,调制,58,将0/1信号

15、变换成红色的信号波形,59,通信系统的构成（点到点）,信源 编码,信道 编码,调 制,低通 滤波,载波 调制,通道,载波 解调,低通 滤波,解 调,信道 解码,同步,均衡,信 宿,发射天线,接收天线,60,带宽限制导致低通滤波的需要,频率轴,用户1,用户6,61,利用不同的通信频带传输信号,62,带宽(Bandwidth),系统所分配的用来传输信息的频带资源（Hz） 一般来讲，带宽/载频小于15%（超宽带系统除外） 频带是一种资源 系统应尽可能充分利用频带内资源，降低对其他频带的干扰,63,通信系统设计基本要求,利用分配的频带进行通信 尽可能传输更多信息 对临带干扰尽可能小 低通滤波器的设计问

16、题,64,几种通信系统带宽,GSM：若干270KHz频带构成 CDMA：若干1.25MHz频带构成 广播数字电视（DVB-T）：若干6/7/8MHz频带带宽构成,65,无线资源利用问题,66,无线通信系统的研究内容,信道编码/解码的研究（纠错编码） BCH码，卷积码，turbo码，LDPC码 调制/解调技术的研究 BPSK，QAM，OFDM 天线与传输技术的研究 天线发射/接收，方向性天线，智能天线，多天线技术 无线通信系统的硬件实现 给出解决方案，进行硬件实现,67,通信系统的研究,理论研究 信号时间频率特性分析 各种接收准则 通信系统的计算机仿真 仿真系统的建立 仿真参数的调整 新的算法的

17、给出 通信系统的硬件实现 样机的研制 芯片的研制,68,噪声经过相关器，接收信号可表示为,其中,n(t) 与判决无关, 因此判决完全根据相关器的输出信号的噪声分量nk进行判决。 噪声项,例： 理论研究,69,例：通信系统仿真,70,例：通信模块电路板,71,芯片,72,本课程的特点,以往学习的基础知识的实际应用 概率论与随机过程 信号与系统-频域与时域关系 运用数学工具进行理论推导 微积分基本概念 优化理论 通信系统仿真 理解通信系统基本概念 运用计算机工具进行仿真 对仿真结果进行分析,73,现有无线通信系统,移动蜂窝网系统 第二代（GSM, IS-95) 第三代（CDMA2000,WCDMA

18、,TD-SCDMA） 局域网系统 无线局域网（WLAN） 无线广域网（WMAX） 广播电视系统 卫星通信系统 近距无线通信网络 无线个域网（WPAN） 无线传感器网络（WSN） 无线射频识别（RFID）,74,几种无线通信网络介绍（1）- GSM,75,频率规划问题,76,提高空间利用率的策略 减小无线电波覆盖面积 提高信号接收效率 主要技术方案 减小蜂窝尺寸 扇区分割技术 智能天线技术 多天线技术（MIMO）,77,几种无线通信网络介绍（2）- 卫星通信,78,几种无线通信网络介绍（3）- 无线传感器网络,79,例：WSN的应用,80,小区 1,节点,小区,小区2,小区 3,无线传感器可以自动组网,81,被动式RFID 标签从读写器的信号 中获取能量进行传输 主动式RFID 自带,几种无线通信网络介绍（4）- RFID,82,近距离RFID,远距离RFID,8