Review-of-the-principle-of-Communication资料PPT课件

09.05.2020,-,1,数字通信系统模型,技术问题主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。,09.05.2020,-,2,数字通信的主要特点,抗干扰能力强。差错可控。易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。易于加密处理，且保密强度高。,数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。,09.05.2020,-,3,离散信源的平均信息量(信息熵),离散信源的平均信息量熵,信源的最大熵出现在等概并统计独立时,09.05.2020,-,4,例已知二元离散信源0、1两种符号，出现概率分别为1/3、2/3，求出现0、1的信息量及该信源每个符号的平均信息量。解：I(0)=-log(1/3)=log3=1.584(bit)I(1)=-log(2/3)=log(3/2)=0.585(bit),09.05.2020,-,5,数字通信系统主要性能指标,有效性可用一定带宽下信号的传输速率或频带利用率来衡量。可靠性可用差错率来衡量。,频带利用率:,误码率：,有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。,模拟通信系统主要性能指标,09.05.2020,-,6,连续信道的信道容量,在连续信道中，假设输入信道的噪声是加性高斯白噪声功率为N(W)，信道带宽为B(Hz)，信号功率为S(W)，可以证明该信道的信道容量为上式就是著名的香农（shannon）信道容量公式，简称香农公式。,离散信道的信道容量为信道传输信息的速率R的最大值，记作C,09.05.2020,-,7,例已知黑白电视图像大约由10个像素组成，设每个像素有10个亮度等级，他们出现的概率是相等的。要求每秒传送30帧图像，为了满意地再现图像，需要信噪比为1000倍（30db），试求传输此电视信号所需的带宽。,解：由于每个像素有10个亮度等级，且等概率，则每个像素包含的信息量为log210=3.32bit。,每帧有10个像素,每帧的信息量为3.32(310)=9.9610bit,每秒传送30帧，故信息速率为R=9.961030=2.99107bit/s,09.05.2020,-,8,由香农公式可知，信道信道容量必须大于或等于R，则所需信道最小的信道容量为,由题可知，S/N30db=103，可求出最小带宽为,这样，传送黑白电视图像信号所需最小带宽为3MHz,09.05.2020,-,9,调制定义：载波的某个或某些参数随调制信号变化而变化。调制的作用：在通信系统构成中具有重要的作用。通过频谱搬移，将调制信号的频谱搬移到希望的位置，将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号；影响系统传输的有效性和传输的可靠性；通信系统的性能往往由调制方式所决定。调制系统分类：按调制信号分：模拟调制和数字调制模拟调制：载波信号参数随模拟调制信号作用而变化。按调制信号与已调信号频谱间关系，分为线性调制和非线性调制。,09.05.2020,-,10,调幅(AM),调制信号m(t)叠加直流A0后与载波相乘,09.05.2020,-,11,09.05.2020,-,12,抑制载波双边带调制（DSB-SC）,在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载波抑制，即可得到抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。,09.05.2020,-,13,09.05.2020,-,14,单边带信号,09.05.2020,-,15,09.05.2020,-,16,信噪比小到一定程度，不存在单独的m(t)项，即信号与噪声无法分开。这时无法通过包络检波恢复出信号（信号被噪声淹没）。这种现象称“门限效应”。这种作用是包络检波的非线性解调引起的。大信噪比时，随输入信噪比下降，输出信噪比线性下降；当输入信噪比下降到一定值时，输入信噪比再下降，输出信噪比急剧下降“门限效应”。,09.05.2020,-,17,5.5各种模拟调制系统的比较,09.05.2020,-,18,抗噪声性能WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。右图画出了各种模拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf=6）的信噪比比AM高22dB。当输入信噪比较高时，FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好。,09.05.2020,-,19,频带利用率SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。可以说，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此，mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用WBFM，mf值选大些。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用mf较小的调频方式。,09.05.2020,-,20,特点与应用AM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。DSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。SSB调制：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。VSB调制：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。FM：FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。,09.05.2020,-,21,例对DSB和SSB分别进行相干解调，接收信号功率为2mW，噪声双边功率谱密度为210-9W/Hz，调制信号最高频率为4kHz。1比较解调器输入信噪比；2比较解调器输出信噪比。,09.05.2020,-,22,解SSB信号输入信噪比和输出信噪比分别为DSB信号输入信噪比和输出信噪比分别为,09.05.2020,-,23,09.05.2020,-,24,数字基带信号传输,1基带传输系统模型,09.05.2020,-,25,讨论:第一项akgR(t0)是第k个基本波形在上述抽样时刻值。第二项是接收信号中除第k个以外的信号，在k个抽样时刻的代数总和，称码间干扰（或符号间干扰）。第三项为随机干扰。判决规则若为：r(kTS+t0)V0，ak判为“1”，反之ak判为“0”。,09.05.2020,-,26,码间串扰,09.05.2020,-,27,无码间干扰条件,奈奎斯特第一准则:基带传输总特性H()满足上式,可消除码间干扰.,时域条件:,频域条件:,09.05.2020,-,28,是H()移位2i/TS(i=0,1,2,)再相加而成。实际只要检查(-/TS，/TS)区间内能否叠加出一根水平线(为常数)(是否TS并不必须).,奈奎斯特第一准则的物理意义为：,当H()是理想低通型时,有,其冲击响应h(t)为sinx/x形式。,09.05.2020,-,29,用sinx/x波形作接收波形时,不存在码间干扰。系统带宽为1/2TS(角频率/TS)，称奈奎斯特带宽；速率为1/TS，称奈奎斯特速率；其频带利用率为2b/s/Hz。这是无码间干扰条件下，所能达到的最高频带利用率。,09.05.2020,-,30,曲线如图。这时,若令判决门限为Vd,则将“1”错判为“0”的概率为pe1；将“0”错判为“1”的概率为pe0。,09.05.2020,-,31,若发“1”概率为p(1)，发“0”概率为p(0),则二元码基带传输总误码率为：pe=p(1)pe1+p(0)pe0,09.05.2020,-,32,2判决门限。由上分析可见，pe与Vd有关，若在最小误码率时的判决门限称最佳门限电平。若令，则最佳门限电平为当p(0)=p(1)=1/2时，最佳门限电平为0这时则二元码基带传输总误码率为,09.05.2020,-,33,二进制振幅键控信号时间波型,09.05.2020,-,34,例设某2ASK信号，码元速率RB=4.8106波特,采用包络检波或同步检波法解调。已知接收端输入信号幅度a=1mV，信道中加性白高斯噪声的单边功率谱密度nO=210-15W/Hz，试求(1)包络检波法解调时系统误码率；(2)同步检波法解调时系统误码率。,09.05.2020,-,35,解:(1)因2ASK信号，码元速率RB=4.8106波特,所以接收滤波器带宽近似为：B2RB=9.6106Hz接收滤波器输出噪声平均功率为：解调器输入信噪比为：求得包络检波法解调时系统误码率为：,09.05.2020,-,36,(2)同理，根据求得同步检波法解调时系统误码率为讨论：在大信噪比下,2ASK信号相干解调的误码率总是低于包络检波的误码率，但两者性能差别不大。,09.05.2020,-,37,“倒”现象:当恢复的相干载波产生180倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。为了解决2PSK信号解调过程的“倒”现象问题，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。,09.05.2020,-,38,相对相移2DPSK。用前后相邻码元载波相对相位来表示数字信息。如=数字信息“1”，或反之；=0数字信息“0”，或反之。,例如：数字信息：00111001012PSK(“0”为0相):000002DPSK(“0”为=0)000000,09.05.2020,-,39,例假设采用2DPSK信号在微波线路上传送二进制数字信息，已知码元速率RB=106波特，接收机输入端的高斯白噪声的单边功率谱密度nO=210-10W/Hz。今要求系统的误码率不大于10-4。试求(1)采用差分相干解调时，接收机输入端所需的信号功率；,09.05.2020,-,40,解：(1)接收带通滤波器输出噪声功率为（假定B2RB）=nOB=2nORB=2210-10106=410-4W对于差分相干解调2DPSK系统，可得Pe与r间关系Pe=(1/2)e-r10-4则解出r得故接收机输入端所需的信号功率为：PS=a2/28.25=8.25410-4=3.410-3W=5.32dbm,09.05.2020,-,41,例用2FSK方式，在有效带宽2400Hz的信道上传送二进制数字信息。2FSK信号的两个频率为：f1=2025Hz，f2=2225Hz，码速率RB=300波特，信道输出端的信噪比为6db。试求：(1)2FSK信号的带宽；(2)采用包络检波法解调时的系统误码率；(3)采用同步检波法解调时的系统误码率。,09.05.2020,-,42,2FSK信号解调,09.05.2020,-,43,解2FSK信号的带宽ff2-f1+2fS=f2-f1+2RB=800Hz由于码速率为300波特,包络接收系统上、下支路带通滤波器1和2的带宽近似为B2/TS=2RB=600Hz又因信道有效带宽2400Hz，为上、下支路带通滤波器带宽的4倍，所以带通滤波器输出信噪比r比输入信噪比提高了4倍。又由于输入信噪比为6db（4倍），故滤波器输出信噪比r为r=44=16包络检波法解调时的系统误码率同步检波法解调时的系统误码率,09.05.2020,-,44,7.3二进制数字调制系统的性能比较误码率,09.05.2020,-,45,误码率曲线,09.05.2020,-,46,频带宽度2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度2FSK系统的频带宽度,09.05.2020,-,47,对信道特性变化的敏感性在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限与接收机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性能最差。,09.05.2020,-,48,两类通信系统：模拟、数字。本章是分界线：讨论如何用数字信道传输模拟信号。即脉冲编码调制（PCM）。下图是PCM信号传输原理。m(t)模拟信号；接收的模拟信号。ms(t)，离散信号S(k)，随机数字序列,09.05.2020,-,49,模拟信号的抽样、量化与编码,09.05.2020,-,50,抽样定理,低通抽样定理定理一个频带限制在(0,fH)的连续信号m(t)，如果抽样频率fS大于或等于2fH，则从所得抽样值mS(kT)，可不失真地重建恢复原始信号m(t)。,09.05.2020,-,51,量化后的信号mq(t)与原信号m(t)的差m(t)-mq(t)称为量化误差。这种近似程度常用信号与量化噪声功率比来衡量，即,09.05.2020,-,52,均匀量化,量化间隔v=(b-a)/M，b、a为输入信号的最大、最小值,信噪比值Sq/Nq用于衡量量化器性能，知道随机变量m的概率密度f(x)，则可求出此值。,有一M电平的量化器，输入信号区间-a,a，均匀概率密度。求Sq/Nq(m0=-a,mM=a),09.05.2020,-,53,非均匀量化,非均匀量化要求：在已知输入信号概率分布及M条件下，不同输入信号，量化间隔vi为一变量。即使量化噪声对大小信号的影响大致相同。非均匀量化的实现：信号抽样后经过非线性压缩后再进行均匀量化。,09.05.2020,-,54,A律13折线设法用13段折线逼近A=87.6的A律压缩特性。,09.05.2020,-,55,均匀量化级2048个，非均匀量化级128个，即7位非线性码与11位线性码等效。,09.05.2020,-,56,例输入信号抽样值x=1270，按A律13折线编码，求码组C，解码输出和量化误差q。解：(1)求码组C:样值为正C7=1，样值落入第8段C6C5C4=111，将样值减去第8段起始电平1270-1024=246，由上表246128C1=1，246128+64C0=1故C7C6C5C4C3C2C1C0=11110011(2)解码输出对应1216+64/2=1248量化值。(3)量化误差q等于22个量化单位。顺便指出，对应11位线性码为：10011100000,09.05.2020,-,57,增量调制原理:一位二进制码不能表示抽样值的大小，但可表示相邻抽样值的相对大小。,把横轴分成许多相等的时间段t，纵轴分成许多相等的，可用阶梯波逼近模拟信号。当t、足够小时，m(t)与m(t)误差很小。,09.05.2020,-,58,最大似然准则,则判为“0”；,则判为“1”。,先验概率相等时,09.05.2020,-,59,若此二进制信号的先验概率相等，则上式简化为最佳接收机的原理方框图也可以简化成,09.05.2020,-,60,给出最大信噪比r0，它与信号频谱共轭匹配（除了常数因子外），故称之为匹配滤波器。匹配滤波器的特性还可以用其冲激响应函数h(t)来描述：由上式可见，匹配滤波器的冲激响应h(t)就是信号s(t)的镜像s(-t)，但在时间轴上（向右）平移了t0。,09.05.2020,-,61,匹配滤波器应该是物理可实现的，即其h(t)应该满足条件：即要求满足条件或满足条件上式说明：滤波器输入信号码元s(t)在抽样时刻t0之后必须为零。一般不希望在码元结束之后很久才抽样，故通常选择在码元末尾抽样，即选t0=T。故匹配滤波器的冲激响应为这时，匹配滤波器输出信号码元的波形，可以写为上式表明，匹配滤波器输波形是输入码元波形的自相关函数的k倍。,09.05.2020,-,62,差错控制方式差错控制方式可分为自动检错反馈重发（ARQ）、前向纠错（FEC）和混合纠错（HEC）,如下图所示。,09.05.2020,-,63,码组最小码距与纠、检错能力的关系信道编码理