01--无线通信系统概述.ppt

1 数字通信 第一讲 通信系统概述2011 9 YupingZhao Professor 赵玉萍SchoolofElectronicsEngineeringandComputerSciencePekingUniversityBeijing100871 Chinayuping zhao 2 Referencebooks 主要参考书 JohnG Proakis Digitalcommunications 3rded 数字通信 JohnG 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 ReadingMaterials tobedeliveredduringthecourse 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 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 8bits 比特 1BYTEbps bitspersecond xbits s xbpsxKbits s xKbpsxMbits s xMbps 8 常用的通信系统数据 GSM语音电话9 6Kbps无线局域网 WIFI 11Mbps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 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 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800X600 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800X600X8X3 11Mbits 1 44Mbyte 动态图像 实例 假设每秒传输25帧 传输的速率为11MbitsX25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 信道编码 51 正确信息 我们明天14 00 16 00开会接收到的错误信息 我们明天10 00 16 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 00 16 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 00 16 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 00 16 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 00 18 00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 1001011经过信道 接收信号为 1001001 查表可知 落在第12行第7列 判决为该行的第1列数据1001011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 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 83 标签电子编号 Header TagversionnumberEPCManager ManufacturerIDObjectclass Manufacturer sproductIDSerialNumber UnitIDWith96bitcode 268millioncompaniescaneachcategorize16milliondifferentproductswhereeachproductcategorycontainsupto687billionindividualunits Note