高级通信原理第1章绪论(2013年版)

带限信号：以满足低带宽需求为主要特征。随着 消息符号数的增加，带限信号的频带利用率而增加， 而功率效率将减少，比如 ASK、PSK 和 QAM 信号。 随着进制数 M 的增大，可以降低带宽需求，但是需要 以增加 Eb / N 0 为代价， 即带限信号以牺牲功率为代价
Rb 来减小所需带宽，此时 1(bps / Hz ) 。 B
采用信号空间和等效低通分析方法，根据最佳接收准 则，讨论在AWGN信道以及带限AWGN信道下的数字信号
传输的最佳接收问题，进而讨论数字通信系统的设计。
主要内容 信号空间和等效低通分析
AWGN信道中的数字传输
通过带限AWGN信道的数字传输 无线链路预算 数字通信系统的设计
课程章节安排
第 1章
功限信号：以满足低功率需求为主要特征。其 功率效率则随着消息符号数的增加而增加，而频带 利用率将减少，比如正交频移键控(FSK)信号。 对于正交 MFSK，则是以牺牲带宽为代价来节
Rb 省功率，此时 1(bps / Hz ) 。 B
设计步骤：
1）通过链路预算分析，得到接收信号功率与 噪声功率谱密度之比 P r / N0 ； 2）根据要求传输带宽、比特速率和误比特率， 选择符合要求的调制方式。 带限信道 or 功限信道？
1 log P I ( xi ) log 2 2 i Pi

信号是消息的承载者。最简单的消息是二择一的消息 ( 二 元消息)，它所对应的信号称为二元数字信号。 广义数字信号：时间离散、状态数有限的波形。 数字通信：利用数字信号 (包括其变换形式 )传递消息的通 信方式。

二、主要通信wk.baidu.com源
2
C C Eb log 2 (1 ) B B N0
Eb 2C / B 1 即： n0 C/B
当 C / B 0 时，可得到实现可靠通信所要求的 Eb / N0 的最小值
Eb 2C / B 1 lim ln 2 N0 C / B0 C / B
其值是 1.6dB ，这就是香农限。香农限是对任何通信系统而言所要求的
r (t ) si (t ) w(t ) 0 t T
由于si(t)被z(t) 掩盖不能直接作出逆映射
si ( t ) xi

接收机的根本任务：对r(t)进行处理，按一定的标准(判 决准则)，判定[0, T]内发送端发出的是哪一个消息 xi， 这一过程称为判决(decision)。
数字通信系统的基本模型
信源编码：分为无失真编码和限失真编码。
作用：把信源发出的消息变换成二进制码元组成 的代码组；压缩信源的冗余度，提高通信系统传 输消息的有效性。

无失真信源编码：

假设信源输出S1、S2、S3、S4四种符号，出现概率 分别为1/2，1/4，1/8，1/8，如何编码可以使得有效 性得以提高？
信道编码：添加监督码元，使之具有检错或纠
错能力，提高传输消息的可靠性。

信道编码：
例如： 晴：00 雨：01 阴：10 雪：11 问题：如果码元出错无法检测，如何检测一个错码？
调制
调制：
1)基带调制 2)频带调制
① 等效低通分析 ② 信号的矢量分析
符号速率和信息速率的关系：
Ts NTb , Rb NRs
解调器（相关器和匹配滤波器）的结构 MF的性质 MAP准则，ML准则，最小距离准则 误符号率和误比特率的计算
扩频调制 通信系统的链路预

AWGN信道中的最佳接收机

算分析


QAM信号星座的优化 各种调制方式的性能比较
本科《通信原理》的知识点


高斯白噪声信道
数字信号的基带传输
最佳接收机的常见结构
信号的矢量空间分析
判决准则

六、数字通信系统的主要性能指标
可靠性：误比特率、误符号率
有效性：频带利用率


通信系统的基本矛盾：可靠性与有效性 可靠性——发送消息在接收端的准确还原。 有效性——信道资源的充分利用（时域、频域）。 形成这种矛盾的根本原因：信道不理想 带宽、时间受限 噪声和干扰 研究通信系统的基本出发点 在一定可靠性要求下，如何尽可能去提高系统的有效性 在一定的有效性要求下，如何最大限度的提高可靠性
Eb / N0 最小值，没有一个系统可以低于这个限实现无差错传输。而为了取
得这个理论极限，要求 C / B 0 ，或者等效于 B 。
带限信号：
要求信息频带利用率较高； MASK、MPSK、MQAM； 例如电话信道。
功限信号：
同样的误码率，要求比特 信噪比低； 正交MFSK、双正交信号； 例如卫星通信。
Edition，电子工业出版社，2001。
4） Bernard Sklar，“Digital communicationsFundamentals and Applications”，2th Edition， 电子工业出版社，2001
《高级通信原理》
主讲人：于秀兰
第 1章
绪论
第1章 主要内容
一、什么是通信？
R C 时，只要码长 n 足够大，总可以找到一种编码和相应的译码规
则，使平均错误概率 PE 任意小。 它说明信道容量 C 是保证无差错传输时信息传输率 R 的理论极 限值。对于一个固定的信道，信道容量 C 是一定的，它是衡量信道质 量的一个重要物理量。
S 因为噪声功率 N0 B ，所以 C B log 1 ，因此 N0 B
无码间干扰传输、频带利用率 匹配滤波器 误码率分析

数字信号的频带传输
si (t ) i 1,2, M, 0 t T
M 状态符号(Symbol)采用的波形：

波形设计的原则 有利于提高接收的可靠性 有利于充分利用信道资源
基带or频带？
四、通信信道

传输的可靠性和有效性都取决于信道，实际信道都是非理 想信道。影响传输的信道缺陷(impairment)主要是： 传递函数H()不理想而带来的传输信号的线性失真，带 来相邻符号间的干扰ISI (Inter-symbol-interference) 由信道引入的噪声是造成接收机判决失误的主要原因。
好的系统(给定的误码率)
给定的比特信噪比，更高 的频带利用率； 给定的频带利用率，更低 的比特信噪比；
八、数字通信系统的设计
一般来说，数字通信系统的设计目标通常为： Rb （1）从系统有效性来看，频带利用率 尽量最大化； B （2） 从系统可靠性来看， 在相同的比特信噪比 Eb / N 0 条 件下，比特错误概率 PB 尽量最小化。 系统有效性和可靠性指标通常是相互矛盾的，也可以互 相转换。数字通信系统设计就是在各种限制和相互矛盾的目 标中寻找适当的折衷，选择合适的调制和编码方案以便最大 限度地利用信道带宽和传输功率。
第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章
绪论
随机信号分析 数字信号的基带传输 信号的分析 数字信号的频带传输 无线信道
主要知识点

信号功率谱的计算


基带 频带
理想带限信道下最

等效低通分析 用N维信号空间表示M个信号波形

佳传输系统的设计


无ISI 部分响应系统
信号的能量、信号点间的欧氏距离 常用调制信号的矢量表示方法

RS Rb R b 2 (Baud/Hz) B B log 2 M NB
七、香农信息容量
限频、限功率的加性高斯白噪声信道的信道容量(单位时间的最大信息 传输速率)为
C max R B log 1 SNR bps
有噪信道编码定理 若一个信道的信道容量为 C，当信息传输率

在数字通信中，接收机的主要功能不是单纯的解调， 而在于作出“判决”，这是与模拟通信最大的不同。 判决方法不是唯一的。
解调 判决

研究数字通信系统理论的目的：在信道给定的条件下，设 计传输信号的形式 ( 确知波形 ) ，并选择最好的判决方法， 使传输的信息有最大的可靠性和尽可能高的有效性。

由于传输信道不理想，接收信号r(t)不可能是发送波形si(t) 的精确再现。设计接收机应当使这种错误极小化，这称为 接收机的优化。
占据无穷带宽，且双边功率谱处处为常量N0/2(W/Hz) 瞬时值分布密度是高斯函数
Pn
N0 2
R
N0 2
0

0

p( x )
x2 exp 2 2 2 x x 1
信道需要考虑的因素

衰减 时延


多径传播
带宽受限 功率受限
二、主要通信资源
三、数字通信系统的组成部分
四、通信信道
五、数字信号传输的最佳接收
六、通信系统的性能指标
七、香农信道容量 八、数字通信系统的设计 九、课程的主要内容
一、什么是通信?

通信的任务是传递消息。 消息的本质和价值取决于它所包含的信息量， 即对接收者的不确定性 定义独立消息xi 的信息量:

发送功率：发送信号的平均功率。 信道带宽：为传输信号分配的频带。 在大部分通信信道中，一个资源可能比另一个更重要， 因此可以将信道分为 带宽受限信道。 功率受限信道。
电话线路是一个典型的带宽受限信道； 空间通信链路和卫星通信信道则是功率受限信道。

三、通信系统的组成模型
信源：产生消息信号。比如语音、音乐、图像、计算机 数据 。 发送机：将信源产生的消息符号转变为适合信道传送的 形式。 接收机：对接收信号进行处理，将其再现为可被用户识 别的原始消息信号的形式。
10
-1
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10
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10
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0
1
2
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5
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7
8

基本有效性指标：频带利用率
单位时间系统传输的信息量Rb (b s ) 系统的有效传输带宽B( Hz )

表征系统每赫兹带宽在单位时间内平均能传输的信 息量(b/s/Hz)，代表系统信道资源的利用程度。

类似地，亦可用符号速率率计算频带利用率

因为xi 是离散的有限取值, 与si 的对应是固定的唯一的， 是发、收双方事先约定的。即si(t)是确知的(known)(注意， 不是确定的 determinant) ，接收端只是不知道观察时间 [0, T]内，发送端发出的是哪一个波形。

在[0, T]内并不知道发送端发出的是哪一个消息xi ，唯 一得到的是一段波形
常见信道的数学模型
2、线性滤波器信道 在某些物理信道中， 采用滤波器来保证传输信号不超过规定的 带宽限制，从而不会引起相互干扰。其数学模型如下：
r t ct st nt c st d nt

五、数字信号传输的最佳接收


基本可靠性指标：误信息率
接收机输出的错误信息总数n(bits) Pb lim N 信源发出的信息总数N (bits)

误符号率
PS lim 接收机输出的错误符号总数n N 信源发出的符号总数N
性能曲线
10
0
（ 7， 4)汉 明 码 的 性 能 曲 线 软判决译码 硬判决译码 未编码和译码
信道噪声 基本特点是存在随机噪声。 为分析的方便，认为噪声是从信道集中引入的。 当信道的噪声和其他用户的干扰与期望信号占有相同 的频带时，可以通过发送信号和接收机解调器的适当 设计来使影响最小。

加性高斯白噪声

AWGN (Additive White Gaussian Noise)
以相加的形式叠加于传输信号
如果信道既是带宽受限信道又是功率受限信道， 而在香农限之下没有调制方式符合要求， 那么就需要 加入编码技术来提高系统性能。
考虑数字调制 1) 归一化信噪比和误比特率的关系； 2) 带限信号和功限信号； 考虑信道编码 1) 数据比特速率、信道比特速率和符号速率的关系； 2) 调制和编码的均衡
九、本课程的主要内容
高级通信原理
课程类型： 学位课 学时数： 48学时 先修课程：通信原理、信号与系统、概率论与随机过程 参考教材： 1）通信系统 （第4版）Simon Haykin,电子工业出版社。
2）周炯磐，《通信原理》（第3版），北京邮电大学出版 社，2008。
3） John G.Proakis，“Digital communications”，4th