1、,现代通信原理,Principles of Modern Communication Systems,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,主要内容,CH1 概论 CH2 信号分析基础CH3 模拟调制系统 CH4 数字基带传输系统CH5 数字带通传输系统 CH6 信源编码CH7 信道编码 CH8 最佳接收技术CH9 同步原理 CH10 现代通信系统简介CH11 应用Systemview仿真现代通信系统,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,课程学习特点,公式结论多（要记忆的内容多）应用基础多（要求一定的工程数学基础、电路基础、信号与系统分析基础）物理概念多（需要理解记忆）,第1章 概论,清 华
2、 大 学 出 版,第1章 概论,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统 1.3 通信网 1.4 通信信道 1.5 通信系统中的噪声 1.6 信息论基础,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.1.1 消息、信息、信号与通信,.1 通信的基本概念,1.1.2 通信方式、传输方式、同步方式、复用方式,1.1.3 通信频段,1.1.4 通信发展简史,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.1.1 消息、信息、信号与通信,消息：包含具体内容的文字、符号、数据、语音、图片、图象等等，是信息的具体表现形式，也是特定的信息。信息：消息的统称，是消息的概括和抽象，可理解为消息中包含的有意义的内容，用信息
3、量来衡量。信号：搭载或反映信息的载体，通常以某种客观物理量（电压、电流）表现出来。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,消息(Message)、信息(Information)、信号(Signal)是与通信密切相关的三个概念，信息一词在概念上与消息相似，但其含义却更具普遍性、抽象性。消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述，传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。信号是消息的载体和通信的客观对象，而信息是信号的内涵。通信就是把信息从一个地方有效可靠地传送到另一个地方。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,彩条消息（图像）,彩条信号（电压）,图1.1 彩条消息与彩条信号,
4、第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.1.2 通信方式、传输方式、同步方式、复用方式,图1.2 简单点到点通信系统框图,信源：把各种消息转换成原始电信号。该信号含有丰富的低频成分甚至直流分量，因此又称基带信号。信道：信号传输的通道。信宿：将复原的原始电信号转换成相应的消息。噪声源：噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,图1.3 通信系统的基本模型,发送设备(变换器)：基带信号一般不适合直接上信道传输，通过发送设备对原始电信号进行各种变换（如编码、调制、滤波、放大、发射等），使其适合在信道中传输。 接
5、收设备(反变换器)：与发送设备的功能相反，从来自信道的各种传输信号和噪声中恢复出相应的原始电信号。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1、通信方式,按消息传递的方向与时间关系分，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。单工通信(Simplex Communication) ：是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。如广播、遥测、遥控、无线寻呼等。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,半双工通信(Half-duplex Communication) ：是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。如使用同一载频的对讲机、收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通
6、信。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,全双工通信(Duplex Communication) ：是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式， 计算机之间的高速数据通信也是这种方式。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,2、传输方式,按照数字信号的各个二进制位(又称比特)是否同时传输，数据的传输方式可分为并行传输和串行传输两种。,图1.5 传输方式 （a）并行传输 （b）串行传输,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,并行传输(Parallel Transmission)是将组成字符的各位数据同时在多条并行信道上进行传输。优点是节省传输时间，但需要
7、传输信道多，设备复杂，故一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。串行传输(Serial Transmission)是将组成字符的各位数据以串行方式一个接一个地在同一条信道上传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。常见的串行接口标准有RS 232C、RS 422/485和20mA电流环等。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,3、同步方式,针对串行传输的字符同步问题，目前有两种解决方法，即异步传输方式和同步传输方式。异步传输(Asynchronous Transfer)是一种利用字符的再同步技术，即在字符的首末分别设置1位起始位和1位或1.5位或2位停止
8、位，用它们分别表示字符的开始和结束，用头尾信息来进行同步。同步传输(Synchronous Transfer)时的数据帧由同步字符(SYN)、数据字符和校验字符(CRC)组成，即在传送一组字符时需要加入1到2个同步字符和1到2个校验字符。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,异步方式,同步方式,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,4、复用方式,多路复用技术(multiplex)：实现在同一条通信线路上传送多路信号的技术，以提高传输信道的利用率。,（1）频分复用(Frequency Division Multiplexing),信号的分割参量是频率，只要使各路信号的频谱在频率轴上互不重合，接
9、收端就可用滤波器将它们分开。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,波分复用(Wavelength Division Multiplexing),在同一光纤上同时传输不同波长的相隔很近的多路光载波，使总的传输数据率增为每一路数据率的多倍。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（2）时分复用(Time Division Multiplexing),多个用户按时间次序占用频道进行的通信。,三路信号时分复用示意图,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,FDM与TDM的比较,频道,时隙,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（3）码分复用(Code Division Multiplexing),第1
10、章 概论,清 华 大 学 出 版,1.1.3 通信频段,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.1.4 通信发展简史,通信的历史可大致划分为三个阶段：1838年以电报传输开始的通信初级阶段；1948年以香农提出信息论开始的近代通信阶段；1980年以后光纤通信、移动通信、综合业务数字网、互联网崛起的现代通信阶段。现代通信技术的发展趋势可概括为“六化”： （1）通信技术数字化。 （2）通信业务综合化。 （3）通信网络融合化。 （4）网络传输宽带化。 （5）网络管理智能化。 （6）通信服务个人化。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.2.1 通信系统的类型,.2 通信系统,1.2.2 通信系
11、统的模型,1.2.3 通信系统的特点,1.2.4 通信系统的主要性能指标,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,根据通信业务的不同或消息的物理特征，可分为电报、电话、传真、数据和图像通信系统等。 根据传输媒质的不同，可分为有线和无线两类。有线通信系统的传输媒质包括双绞线、电缆、光纤、波导等；无线通信包括短波通信、微波通信、移动通信、散射通信、激光通信等。 根据信道中传输信号的特征可分为模拟系统和数字系统两类。 根据系统是否采用了调制可分为频带传输系统和基带传输系统。常用调制方式如下：,1.2.1 通信系统的类型,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.2
12、.2 通信系统的模型,1、模拟通信系统模型,图1.6 模拟通信系统的模型,调制器的作用是把不适合信道传输的基带信号通过频谱搬移变换成适合信道传输的频带信号，再送上信道；接收端解调器则完成相反的变换，即从频带信号中解调出基带信号。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,模拟信号波形举例 (a) 连续信号 (b) 已抽样信号,PAM：脉冲幅度调制 T：抽样间隔,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,数字信号波形举例 (a) 二进制波形 (b) 2PSK波形,2PSK：二进制相移键控,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,2、数字通信系统模型,图1.7 数字通信系统的模型,信源编码有三个作用，其一是
13、当信源给出的是模拟语音信号时，通过PCM、ADPAM或M等方法将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输；其二是设法减少码元数目和降低码元速率，即数据压缩；其三是当需要保密通信时进行保密编码。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,图1.7 数字通信系统的模型,信道编码是一种可靠性编码，又叫纠错编码、差错控制编码，其目的是提高通信系统的抗干扰能力，尽量控制差错，保证通信质量。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.2.3 数字通信系统的特点,（1）抗干扰能力强，无噪声累计。 （2）可采用差错控制技术，提高信号传输可靠性。 （3）便于进行各种数字信号处理，也可通过计算机存储和处理，使数字
14、通信和计算机技术相结合，组成综合化、智能化的数字通信网。 （4）数字通信系统使传输与交换相结合，电话、数据与图像传输相结合，有利于实现综合业务数字网。 （5）器件和设备易于实现集成化、微型化。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,两类通信方式抗干扰性能比较(a)模拟信号；(b)数字信号,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.2.4 通信系统的主要性能指标,有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版
15、,模拟通信系统主要性能指标,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（传输带宽）。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。 如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,数字通信系统主要性能指标,1、有效性可用传输速率来衡量。,（1）码元传输速率: 码元速率是指每秒钟内传输码元的数目，通常又可称为码元速率、传码率、码率、符号率或波特率等，用符号RB来表示。单位为波特（Bd），常用符号“B”表示（注意，不能用小写）数字信号一般有二进制与多进
16、制之分，但码元速率RB与信号的进制数N无关，只与码元宽度T有关,即,(1-2),第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（2）信息传输速率 : 是指每秒钟内传送的信息量。信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。信息传输速率用符号Rb表示。单位为比特/秒（bit/s），简记为b/s或bps。因为信息量与信号进制数N 有关，因此，信息传输速率与N 有关。信源共发出N个符号，就是N进制。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（3）RB与Rb之间的互换在二进制中，码元速率RB同信息速率Rb在数值上相等，但单位不同。在多（N）进制中，RB与Rb之间数值、单位均不同。它们之间在数值上有如下关系
17、式 :,(1-5),式中H为信源中每个符号所含的平均信息量（信源的熵）。 等概传输时，熵有最大值 ，信息速率也达到最大，即,(1-3),第1章 概论,清 华 大 学 出 版,【例】已知二进制数字信号在2min内共传送了72000个码元，(1) 问其码元速率和信息速率各为多少? (2) 如果码元宽度不变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号， 则其码元速率为多少? 信息速率又为多少? 解 (1) 在260s内传送了72000个码元 RB2=72000/(260)=600 (B) Rb2=RB2=600 (b/s) (2) 若改为8进制 则 RB8=72 000/(260)=600 (B)Rb8
18、=RB8log28=1 800 (b/s) ,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（4）频带利用率 在比较不同通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还应看在这样传输速率下所占的信道的频带宽度。因为传输速率越高，所占用的信道频带越宽，因此，能够真正体现出信息的传输效率的指标应该是频带利用率，即单位频带内的传输速率。,(1-7),(1-8),第1章 概论,清 华 大 学 出 版,误信率（信息差错率、误比特率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例：,2、衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。,(1-10),(1-9),误码率（码元差错率）Pe是指发生差
19、错的码元数在传输总码元数中所占的比例，即码元在传输系统中被传错的概率：,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,【例】已知某八进制数字通信系统的信息速率为12000 b/s，在收端半小时内共测得出现了216个错误码元，试求系统的误码率。,解：,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,通信系统的主要性能指标,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.3.1 通信网的定义、组成及类型,.3 通信网,1.3.2 通信网的拓扑结构,1.3.3 现代通信网的分层结构,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.3.1 通信网的定义、组成及类型,定义1：通信网是由一定数量的节点(node，包括终端节点、交换节点
20、，如计算机、路由器等)和连接这些节点的传输链路(link)有机地组织在一起的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。定义2：通信网就是以用户终端设备和交换设备为点(node)，以传输设备为线(link)，按照一定顺序点线相连而形成的有机组合系统，以实现多个用户对多个用户的通信。,1、定义,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,2、通信网构成,（1）终端设备：电话机、电传机、计算机、监视器（摄像头）等 （2）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等 （3）交换设备：程控交换、ATM交换、光交换等 （4）协议和准则,终端设备即用户设备，通信网中的源点和终点，即通信系统中的信源和信宿。传输设
21、备又称传输链路(连接节点的线路)，是网络中各节点之间的连接媒介和信号传输通道。交换设备是通信网的核心，在网中起着节点的作用。它将送到交换节点的各种信号汇集，同时完成信号的转接与分配。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,电话机、传真机、计算机、视频终端、PBX等；产生信息，接收信息；主要功能：(1) 用户信息处理：发送转换接收(2) 信令信息处理：产生和识别连接建立、业务管理等所需控制信息。,终端设备,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,通信网核心设备：电话交换机、分组交换机、路由器、转发器等，负责终端节点所产生用户信息的集中和转发； 主要功能：(1) 用户业务集中和接入功能；(2) 交换
22、功能；(3) 信令功能；(4) 其他控制功能：路由信息的更新和维护、计费、话务统计、维护管理等。,交换设备,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,作用：提供信息传输信道，实现网络节点的互连。主要设计目标：提高物理线路的使用效率。采用多路复用技术：频分复用、时分复用、波分复用等。必须与交换节点协调一致，以确保交换节点能正确接收和识别传输系统的数据流。 保持帧同步和位同步。 遵守相同的传输体制(如PDH、SDH等)。,传输设备,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,移动通信网结构举例示意图,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,2、通信网类型,按照传输业务的类型，可分为电话通信网(如PSTN、PL
23、MN等)、数据通信网(如X.25、Internet、帧中继网等) 、广播电视网(CATV)等； 根据网络覆盖的空间距离，可分为广域网(WAN) 、城域网(MAN) 、局域网(LAN)； 根据传输信号的特征，可分为模拟通信网(如电话交换网、有线电视网)和数字通信网(如计算机网络)； 按照网络运营的方式，可将其分为公用通信网和专用通信网； 依据网络的物理位置分布，分为用户驻地网(CPN)、接入网和核心网三部分。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.3.2 通信网的拓扑结构,图1.8 通信网的拓扑结构 (a)网状形 (b)星形 (c)树形 (d) 复合形 (e) 总线形 (f) 环形,第1章
24、概论,清 华 大 学 出 版,1.3.3 现代通信网的分层结构,从网络纵向分层的观点看，一个完整的现代通信网在结构组成上可分为相互依存的三部分：业务网、传送网和支撑网。,业务网:电话、数据、图像、视频和多媒体等业务网 传送网:业务承载网，主要由各种传输线路和传输设备构成 支撑网:同步、信令、网络管理和网络安全等,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,按水平方向的结构分解：,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,总体特征：技术IP化业务融合化和开放化网络承载宽带化、差异化网络架构水平化、扁平化网络管理的智能化和集中化三网融合的大趋势下一代网络NGN,通信网络技术发展趋势,第1章 概论,清 华 大
25、 学 出 版,1.4.1 信道的类型,.4 通信信道,1.4.2 信道的模型,1.4.3 信道特性及对传输信号的影响,1.4.4 常见信道举例,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.4.1 信道的类型,以传输媒质为基础的信号通路，即信号的传输通道，有狭义和广义之分。狭义的信道就是指信号的传输媒质；广义的信道还包括相关的变换装置，如发送设备、接收设备、天馈设备、调制解调器等。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,图1.10 调制信道与编码信道,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,调制信道对信号的影响表现为：,加性干扰,乘性干扰,恒参信道中k(t)不随t变化或基本不变化；随参信道中k(t)
26、 随t变化。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.4.2 信道的模型,调制信道的范围是从调制器输出端到解调器输入端。通常它具有如下性质： （1）有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端； （2）绝大部分信道都是线性的，即满足叠加原理。 （3）信号通过信道会出现迟延时间； （4）信道对信号有损耗它包括固定损耗或时变损耗； （5）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。,1.调制信道模型,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,图1.11 调制信道模型,对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间的关系式可表示成：,将上式进一步简化可以写成：,（1-12）,第1章 概
27、论,清 华 大 学 出 版,这样，调制信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰n(t)。不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：恒参信道和随参信道。,记,基本不随时间变化，即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的，称为恒参信道；随时间随机快速变化，称为随参信道。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,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，可以等效为一个非时变的线性网络。,(1)理想恒参信道特性,设输入信号为si(t)，则无失真传输时，要求信道的输出信号为,式中：K0为传输系数，它可以
28、表示放大或衰减一个固定值；td为时间延迟，表示输出信号滞后输入信号一个固定的时间。频域表达式为,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,信道的传输函数为信道的幅频特性相频特性理想恒参信道的群迟延频率特性,理想恒参信道特性,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,典型音频电话信道的幅频特性、相频特性和群迟延频率特性,理想恒参信道特性(a)幅频特性(b)相频特性(c)群迟延特性,(2)实际恒参信道特性,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（3）具有加性（高斯）噪声的恒参信道数学模型 加性高斯噪声恒参信道,是信道衰减因子， 通常可取 ；n(t)是加性噪声。通常是一种高斯噪声。 该信道模型通常称为加性高
29、斯噪声信道(AWGN)。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版, 具有加性噪声的线性滤波恒参信道,信道特性C()在信号频带范围之内不是常数，且随时间变化。 这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性时变滤波器。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（4）随参信道的时变线性滤波模型,多径传播的路径有两条的信道模型,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,2. 编码信道模型,从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。,二进制编码信道模型,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,输出的总错误
30、概率为 由于信道噪声或其他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。,依概率加权（平均）,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,多进制无记忆编码信道模型,转移概率：,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,典型音频电话信道的相对衰耗,(1) 幅度频率畸变,若传输数字信号，会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，即码间串扰。,1.4.3 信道特性及对传输信号的影响,1、恒参信道对信号传输的影响,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（2）相位频率畸变(群迟延畸变),所谓相位频率畸变，是指信道的相位频率特性偏离线性关系所引起的畸变。电话信道的相位频率畸变主要来
31、源于信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈，尤其在信道频带的边缘，相频畸变就更严重。 相频畸变对模拟话音通道影响并不显著，这是因为人耳对相频畸变不太灵敏；但对数字信号传输却不然，尤其当传输速率比较高时，相频畸变将会引起严重的码间串扰，给通信带来很大损害。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,信道的相位频率特性还经常采用群迟延频率特性来衡量。所谓群迟延频率特性，它被定义为相位频率特性的导数，即若相位频率特性用()表示，则群迟延频率特性(通常称为群迟延畸变或群迟延)()为,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,典型电话信道的群迟延特性,理想的相频特性和群迟延特性,第1章 概论,清 华 大 学 出
32、版,相移失真前后的波形比较,相频畸变对信号的影响,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（3） 减小畸变的措施,减小幅度-频率畸变的措施：改善电话信道中的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为“均衡”。 减小相位-频率畸变的措施：采取相位均衡技术补偿群迟延畸变。 除此之外，还存在其它类型影响信号传输的因素。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,随参信道传输媒质通常具有以下特点： 对信号的衰耗随时间的变化而变化； 传输时延随时间也发生变化； 具有多径传播(多径效应)。,（1）随参信道传输媒质的特点,典型的传输媒质：电离层反射、对流层散射等。,2、随参
33、信道对信号传输的影响,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（2）多径效应分析,多径传播示意图,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,i(t)总共n条多径信号中第i条路径到达接收端的随机幅度；i(t)第i条路径的延迟时间；相应的随机相位，即 ,(1-14),第1章 概论,清 华 大 学 出 版,由于 和 随时间的变化要比信号载频的周期变化慢得多，因此式子又可写成,其中,多径信号合成包络：,多径信号合成相位：,同相分量,正交分量,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,衰落信号的波形与频谱示意图,通常将由于电离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为慢衰落；而把由于多径效应引起的信号衰落称为快衰落。,
34、包络 和相位 都是缓慢变化的随机过程。于是， 可视为一个窄带随机过程.,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,(1) 从波形上看，多径传播的结果使单一载频信号Acos0t变成了包络和相位都变化(实际上受到调制)的窄带信号；(多径衰落) (2) 从频谱上看，多径传播引起了频率弥散(色散)，即由单个频率变成了一个窄带频谱； (频率弥散) (3) 多径传播会引起频率选择性衰落。,（3）多径传播对信号传输的影响,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,为分析简单，假定只有两条传输路径，且认为接收端的幅度与发端一样，只是在到达时间上差一个时延。若发送信号为f(t)，它的频谱为F()。设经信道传输后第一条路
35、径的时延为t0，在假定信道衰减为V0的情况下，到达接收端的信号为V0f(t-t0)，相应于它的傅氏变换为,（4）频率选择性衰落现象分析,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,图1.18 二径传输模型,另一条路径的时延为 ，假定信道衰减也是V0，故它到达接收端的信号为 。相应于它的傅氏变换为,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,两条传输路径的信号经合成后得,它的傅氏变换对为,因此，信道的传递函数为,其幅频特性为,（1-19）,（1-20）,（1-21）,（1-22）,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,图1.19 两条路径传播时选择性衰落特性,当一个传输信号的频谱宽于 时，将致使某些频率分量
36、被衰落，这种现象称为频率选择性衰落，简称选择性衰落。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,【例1-4】设某随参信道的最大多径时延差为2ms，为避免发生频率选择性衰落，确定在此信道上传输的码元速率。 解：信道相关带宽为,根据工程经验，信号带宽取为,设频带利用率 （理想通信系统）,由式（1-7）得数字信号的最大码元速率为 2B=200333.4（Bd）。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1、双绞线（TP：Twisted Pair）,1.4.4 常见信道举例,屏蔽双绞线,非屏蔽双绞线,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,使用最广泛、价格最低廉的一种有线
37、传输介质。由若干对两两绞在一起的相互绝缘的导线组成，导线真径在0.41.4mm。采用绞线技术可以抵消邻线对之间的电磁干扰和减小近端串扰。既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据传输速率与电缆的长度有关。距离短时，数据传输速率可以高一些。典型的数据传输速率为10Mbps、100Mbps，也可高达1000Mbps。到目前为止，EIA/TLA已颁布了6类（Category，简写为Cat）线缆的标准：,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,Cat1：适用于电话和低速率数据通信。 Cat2：适合于ISDN及T1/E1，支持16MHz数据通信。 Cat3：适用于10Base-T
38、或100Mbps的100Base-T4，支持20 MHz的数据通信。 Cat5：适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持100 MHz的数据通信。 Cat5e：既适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持100 MHz的数据通信；又适用于1000Mbps的1000Base-TX，支持1000 MHz数据通信。 Cat6：适用于1000Mbps的1000Base-TX支持1000 MHz的数据通信。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,2、对称电缆,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,3、同轴电缆,第1章 概论,清 华 大 学 出 版
39、,4、光纤,图1.20 光纤信道组成,光纤示意图,光纤中光的传输示意图,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,5、微波中继信道,图1.21 数字微波中继信道组成示意图,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,6、数字卫星信道,图1.22 数字卫星信道组成,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.5.1 加性噪声的类型,.5 通信系统中的噪声,1.5.2 白噪声,1.5.3 高斯噪声,1.5.4 高斯白噪声和窄带高斯噪声,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.5.1 加性噪声的类型,无线电噪声；工业噪声；天电噪声；内部噪声。,根据噪声的来源分：,单频噪声；脉冲噪声；起伏噪声。,根据噪声的性质
40、分：,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,起伏噪声,从示波器上观察，它是连续的、杂乱无章的、随机起伏的；从频谱仪上看，它在相当宽的频带范围内具有平坦的功率谱密度；在系统模型中把它集中在一起从信道引入，但它实际上概括了信道内所有的热噪声、器件散弹噪声和宇宙噪声等；采用随机过程的方法分析其统计特性。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.5.2 白噪声,1、含义,2、功率谱密度,所谓白噪声，是指它的功率谱密度在整个频域内是常数，即服从均匀分布。之所以称它为“白”噪声，是因为它类似于光学中包括全部可见光频率在内的白光。,（1-24）,双边谱,单边谱,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,3、相
41、关函数,图1.23 白噪声的功率谱密度与自相关函数,（1-26）,白噪声只有在 时才相关，而在任意两个不同时刻上的随机取值都是不相关的。因此，若对白噪声取样，只要时间不同，样值都是独立的。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.5.3 高斯噪声,1、定义,所谓高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。其一维概率密度函数可用数学表达式表示为,（1-27）,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,2、性质,（1）如果高斯噪声在两个不同时刻取值是不相关的，那么它们也是统计独立的。（2）若高斯噪声的均值为0，则其平均功率等于噪声的方差，即,（1-28）,（3）如果一个线性系统
42、的输入是高斯噪声，则其输出也一定还是高斯噪声，只是数字特征不同。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,3、高斯噪声的一维概率分布函数F(x),（1-29）,这个积分不易计算，工程上常引入以下两类函数来表述，然后通过查表的方式来计算。,误差函数和互补误差函数；概率积分函数和Q函数。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（1）误差函数erf(x)和互补误差函数ercf(x),它是自变量的递增函数，具有如下性质：erf(0)=0，erf()=1，erf(-x)=-erf(x)。,误差函数的定义式为,（1-30),第1章 概论,清 华 大 学 出 版,它是自变量的递减函数，具有如下性质：erfc(
43、0)=1；erfc()=0；erfc(-x)=2-erfc(x)；当x1时（实际应用中只要x2)即可近似有,（1-31),互补误差函数记为erfc(x), 定义为,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,概率积分函数定义为,这是另一个在数学手册上有数值和曲线的特殊函数，有()=1。 Q函数是一种经常用于表示高斯尾部曲线下的面积的函数，其定义为,（2）概率积分函数 和Q函数,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,现在让我们用以上特殊函数来表示高斯分布的正态分布函数F(x)。通过变量代换，不难得到 ：,通过比较可得,（1-32）,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,【例】一高斯信号，概率密度函数如
44、下：,（1）求此信号小于5V的概率。,（2）求此信号大于15V的概率。,x,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,（2）求此信号大于15V的概率。,x,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.5.4 高斯白噪声和窄带高斯噪声,高斯白噪声也称高斯型白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。高斯白噪声同时涉及到噪声的两个不同方面，即概率密度函数的正态分布性和功率谱密度函数的均匀性，二者缺一不可。分析表明，起伏噪声就是一种高斯噪声，且在很宽的频率范围内具有平坦的功率谱密度，故常称这种噪声为加性高斯白噪声（AWGN，Additive White Ga
45、ussion Noise）。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,设系统的带宽为B，中心频率为fc，当 时称该系统为窄带系统。当高斯白噪声通过窄带系统时，其输出噪声只能集中在中心频率附近的带宽之内，称这种噪声为窄带高斯噪声，简称窄带噪声。,窄带高斯噪声的概念,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,图1.6 （a）窄带噪声的功率谱 （b）窄带噪声的波形,包络和相位都在缓慢变化、频率近似为 的正弦波。,输出噪声功率集中在 附近很窄的频率范围内。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,窄带高斯噪声的数学描述,其中,多径信号合成包络：,多径信号合成相位：,同相分量,正交分量,第1章 概论,清 华 大
46、 学 出 版,1.6.1 信息量与平均信息量,.6 信息论基础,1.6.2 信道容量,1. 离散信道的信道容量,2. 连续信道的信道容量(香农公式),第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.6.1 信息量与平均信息量,1、信息量,单个消息（或符号）x中所含信息量I与消息x出现的概率P(x)之间满足关系：,（1-34）,信息量的单位取决于对数底数a的取值：a = 2时，单位为比特（bit，简写为b）；a = e时，单位为奈特（nat）；a = 10时，单位为哈特莱。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,【例】设二进制离散信源，数字0或1以相等的概率出现，试计算每个符号的信息量。 解:二进制等
47、概率时 有即二进制等概时，每个符号（码元）的信息量相等，都为1bit。,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.6.1 信息量与平均信息量,2、平均信息量,当信源中各个符号出现的概率不相等时，计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。 平均信息量定义：平均每个符号所含的信息量，或者说每个符号所含的信息量平均值。用符号 表示。 多进制时，设各符号出现的概率为：,且,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,则平均信息量（信息源的熵）为：,可以证明，信源的最大熵发生在信息源中每个符号等概独立出现时，此时最大熵为( bit/符号 ),（1-36）,（1-35）,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,【
48、例】气象员用明码报告气象信息，有七种可能的消息：晴、阴、云、雨、雾、雪、雹。问发送每个消息最少所需的二进制脉冲数是多少个？若该七个消息出现的概率不等，且分别为3/14、3/14、2/14、2/14、1/14、2/14、1/14，试计算每种消息的平均信息量。 解：（1）2位二进制数字有4种组合（00、01、10、11），3位二进制数字有8种组合（000、001、010、011、100、101、110、111），故要表示七种消息，至少需要3位二进制数字，即最少所需的二进制脉冲数是3个。 （2）每个消息的平均信息量是,比特/消息,（比特/消息）,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1.6.2 信道容量（Channel Capacity）,信道无差错传输信息的最大信息速率，称为信道容量，记为C。即信道中信息无差错传输的最大速率。或者说，信道的极限传输速率。说明：本节主要介绍调制信道（或称波形信道，它是指从发射机调制器输出端到接收机解调器输入端，这两点之间的信道）的信道容量。,信道容量定义：,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,1、离散信道的信道容量,发 ，收 信息量：,平均信息量：,信道容量：,（1-40）,收到一个符号时获得的平均信息量：,（r为单位时间传送的符号数）,第1章 概论,清 华 大 学 出 版,
