数字通信-课件
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Digital Communications
本课程的研究背景
信息技术快速发展的动因和特点
计算机技术、数字通信技术（特别是宽带移动无线通信
技术）的快速发展；
计算机网络、通信网络（包括移动无线网络）相互融合； 各种类型的数字通信网是互联网的载体。
数字通信：
从网络的物理层上研究数字信号的传输机理及其可靠性 和有效性。为建立可靠和高效的互联网提供坚实的物理基 础
s( t )
线性滤波器 c( t )
r(t)=s(t)c(t)+n(t) n(t)
信道
特点：
适用于对传输信号带宽有限制的信道 采用滤波器保证传输信号不超过规定的带宽限制
8
1.3 通信信道的数学模型
线性时变滤波器信道
线性时变 滤波器 c(τ,t )
s(t)
r (t ) s(t ) c( , t ) 换为二进制数字 序列. 输出:二进制数字序列
输出 信号
连接发送机和接收 机的物理媒质
信道
输出 变换器
信源 译码器
指标:失真
信道 译码器
指标:误码率
数字 解调器
将接收波形还原 成数字序列
5
重构原始信号
依据信道编码规则重 构出初始的信息序列
1.2 通信信道及其特征
通信信道
类型：
解决途径之一：通过增加发送信号功率来减小噪声的影响
限制条件： 发送信号功率
信道带宽
限制了在任何通信信道 上能可靠传输的数据量
6
1.3 通信信道的数学模型
通信系统的分析设计中，用数学模型来反映传输媒质最重要的特征。
内部因素 —— 加性噪声（热噪声） 外部因素 —— 其它噪声和干扰源
三种常用的信道模型
k 1
L
9 由L个路径分量组成
1.4 数字通信发展的回顾与展望
电通信 —— 最早起源于电报 S.Morse，1837 现代数字通信：起源于Nyquist的研究，1924
在给定带宽的电报信道上，最大信号传输速率？
s(t ) an g (t nT )
n
发送信号
要解决的问题：
1. 抽样点上无 ISI 的最大比特率？ 2. 最佳脉冲形状？
成果： 最佳线性滤波器 —— 在均方近似意义上的最佳 Shannon 1948
信息论 奠定了信息传输的数学基础，导出了数字通信 系统的基本限制。
信道容量：
（在高斯白噪声下）
P C W log 2 1 WN 0
bit/s
Shannon信道最大传输极限一直作为通信系统设计的基准。
结论：
当带宽限于 w Hz 时，最大脉冲速率是 2w 脉冲/秒 采用脉冲形状 g (t )
sin(2 wt ) ，可以达到此脉冲速率。 2 wt 10
1.4 数字通信发展的回顾与展望
带限信号的抽样定理： 带宽为w的信号可以用以奈奎斯特速率抽样的样值s(nT) 通过下列插值公式重构：
n sin2wt n / 2w s(t ) s 2w 2wt n / 2w n
加性噪声信道
信道
特点： r(t)=as(t)+n(t)
发送信号 s( t ) 被加性
随机噪声过程 n( t ) 恶化
噪声统计地表征为高
s( t ) n(t)
斯噪声过程
简单、适用面广、数
学上易于处理
7 是最常用、最主要的信道模型
1.3 通信信道的数学模型
线性滤波器信道
（带有加性噪声的线性滤波器）
2
本课程研究的主要内容
介绍数字通信系统分析和设计基础的基本原理，介 绍数字通信技术发展的新成果；
研究内容包括：数字形式的信息从信源到一个或多 个目的地的传输问题。
先修课程： 通信原理；概率论和随机过程等 参考教材： Digital communication， Proakis，
电子工业出版社
3
第1章
Viterbi等人，卷积码及译码
Ungerboeck，Fony，Wei，1982～1987，网格编码
调制TCM
Berrou，1993，Turbo码和迭代译码
13
1.4 数字通信发展的回顾与展望
在过去的半个世纪以来：
数字传输需求的增长 大规模集成电路的发展
信道
n(t)
c( , t ) s(t )d n(t )
特点： 考虑到了发送信号的时变多径效应
例：移动通信中的多径传播
时变冲激响应 接收信号：
c( , t ) ak (t ) (t k )
k 1 L
（如：水声信道， 电离层无线信道等）
L条传播路径
r (t ) ak (t )s(t k ) n(t )
数字通信系统的组成
绪论
通信信道的特征及数学模型
数字通信发展的回顾与展望
1.1 数字通信系统的组成
模拟信源(音频,视频), 数字信源(计算机,电传机)
输入 信号
以受控方式引入冗余, 克服信道噪声和干扰
将二进制信息序列 映射为信号波形
信源和 输入变换器
信源 编码器
不产生冗余
信道 编码器
码率: k/n
电线、电缆 （以电信号形式传输）
光纤
自由空间 其它媒质
（以光信号形式传输）
（以电磁波形式传输） （磁带、磁盘、光盘）
水下海洋信道 （以声波形式传输）
特征： 无论用什么媒质来传输信息，发送信号都要随机地
受到各种可能机理的恶化。 共性问题 —— 加性噪声 其它噪声和干扰源 信道损伤（如信号衰减, 失真, 多径效应等）
Hartley
1928
多进制数据通信（用多幅度电平在带限信道上传输数据）
结论：
当最大的信号幅度限于Amax（固定功率限制），且幅度分辨 率为Aδ时，存在一个能在带限信道上可靠通信的最大数据速率。
11
1.4 数字通信发展的回顾与展望
Kolmogorov & Winer 1939～1942
解决了在加性噪声n( t ) 存在的情况下，从接收信号 r( t )=s( t ) + n( t ) 中估计信号波形s( t ) 的问题
12
1.4 数字通信发展的回顾与展望
随后的几十年中，尤其是在编码领域，人们开始向 逼近Shannon极限进行了不懈的努力：
Hamming，1950，纠错和纠错编码的经典研究 Muller，Reed，Solomen，1960，新的分组码 Fony，1966，级连码 Bose-Chaudhuri-Hocquenghem，BCH码
本课程的研究背景
信息技术快速发展的动因和特点
计算机技术、数字通信技术（特别是宽带移动无线通信
技术）的快速发展；
计算机网络、通信网络（包括移动无线网络）相互融合； 各种类型的数字通信网是互联网的载体。
数字通信：
从网络的物理层上研究数字信号的传输机理及其可靠性 和有效性。为建立可靠和高效的互联网提供坚实的物理基 础
s( t )
线性滤波器 c( t )
r(t)=s(t)c(t)+n(t) n(t)
信道
特点：
适用于对传输信号带宽有限制的信道 采用滤波器保证传输信号不超过规定的带宽限制
8
1.3 通信信道的数学模型
线性时变滤波器信道
线性时变 滤波器 c(τ,t )
s(t)
r (t ) s(t ) c( , t ) 换为二进制数字 序列. 输出:二进制数字序列
输出 信号
连接发送机和接收 机的物理媒质
信道
输出 变换器
信源 译码器
指标:失真
信道 译码器
指标:误码率
数字 解调器
将接收波形还原 成数字序列
5
重构原始信号
依据信道编码规则重 构出初始的信息序列
1.2 通信信道及其特征
通信信道
类型：
解决途径之一：通过增加发送信号功率来减小噪声的影响
限制条件： 发送信号功率
信道带宽
限制了在任何通信信道 上能可靠传输的数据量
6
1.3 通信信道的数学模型
通信系统的分析设计中，用数学模型来反映传输媒质最重要的特征。
内部因素 —— 加性噪声（热噪声） 外部因素 —— 其它噪声和干扰源
三种常用的信道模型
k 1
L
9 由L个路径分量组成
1.4 数字通信发展的回顾与展望
电通信 —— 最早起源于电报 S.Morse，1837 现代数字通信：起源于Nyquist的研究，1924
在给定带宽的电报信道上，最大信号传输速率？
s(t ) an g (t nT )
n
发送信号
要解决的问题：
1. 抽样点上无 ISI 的最大比特率？ 2. 最佳脉冲形状？
成果： 最佳线性滤波器 —— 在均方近似意义上的最佳 Shannon 1948
信息论 奠定了信息传输的数学基础，导出了数字通信 系统的基本限制。
信道容量：
（在高斯白噪声下）
P C W log 2 1 WN 0
bit/s
Shannon信道最大传输极限一直作为通信系统设计的基准。
结论：
当带宽限于 w Hz 时，最大脉冲速率是 2w 脉冲/秒 采用脉冲形状 g (t )
sin(2 wt ) ，可以达到此脉冲速率。 2 wt 10
1.4 数字通信发展的回顾与展望
带限信号的抽样定理： 带宽为w的信号可以用以奈奎斯特速率抽样的样值s(nT) 通过下列插值公式重构：
n sin2wt n / 2w s(t ) s 2w 2wt n / 2w n
加性噪声信道
信道
特点： r(t)=as(t)+n(t)
发送信号 s( t ) 被加性
随机噪声过程 n( t ) 恶化
噪声统计地表征为高
s( t ) n(t)
斯噪声过程
简单、适用面广、数
学上易于处理
7 是最常用、最主要的信道模型
1.3 通信信道的数学模型
线性滤波器信道
（带有加性噪声的线性滤波器）
2
本课程研究的主要内容
介绍数字通信系统分析和设计基础的基本原理，介 绍数字通信技术发展的新成果；
研究内容包括：数字形式的信息从信源到一个或多 个目的地的传输问题。
先修课程： 通信原理；概率论和随机过程等 参考教材： Digital communication， Proakis，
电子工业出版社
3
第1章
Viterbi等人，卷积码及译码
Ungerboeck，Fony，Wei，1982～1987，网格编码
调制TCM
Berrou，1993，Turbo码和迭代译码
13
1.4 数字通信发展的回顾与展望
在过去的半个世纪以来：
数字传输需求的增长 大规模集成电路的发展
信道
n(t)
c( , t ) s(t )d n(t )
特点： 考虑到了发送信号的时变多径效应
例：移动通信中的多径传播
时变冲激响应 接收信号：
c( , t ) ak (t ) (t k )
k 1 L
（如：水声信道， 电离层无线信道等）
L条传播路径
r (t ) ak (t )s(t k ) n(t )
数字通信系统的组成
绪论
通信信道的特征及数学模型
数字通信发展的回顾与展望
1.1 数字通信系统的组成
模拟信源(音频,视频), 数字信源(计算机,电传机)
输入 信号
以受控方式引入冗余, 克服信道噪声和干扰
将二进制信息序列 映射为信号波形
信源和 输入变换器
信源 编码器
不产生冗余
信道 编码器
码率: k/n
电线、电缆 （以电信号形式传输）
光纤
自由空间 其它媒质
（以光信号形式传输）
（以电磁波形式传输） （磁带、磁盘、光盘）
水下海洋信道 （以声波形式传输）
特征： 无论用什么媒质来传输信息，发送信号都要随机地
受到各种可能机理的恶化。 共性问题 —— 加性噪声 其它噪声和干扰源 信道损伤（如信号衰减, 失真, 多径效应等）
Hartley
1928
多进制数据通信（用多幅度电平在带限信道上传输数据）
结论：
当最大的信号幅度限于Amax（固定功率限制），且幅度分辨 率为Aδ时，存在一个能在带限信道上可靠通信的最大数据速率。
11
1.4 数字通信发展的回顾与展望
Kolmogorov & Winer 1939～1942
解决了在加性噪声n( t ) 存在的情况下，从接收信号 r( t )=s( t ) + n( t ) 中估计信号波形s( t ) 的问题
12
1.4 数字通信发展的回顾与展望
随后的几十年中，尤其是在编码领域，人们开始向 逼近Shannon极限进行了不懈的努力：
Hamming，1950，纠错和纠错编码的经典研究 Muller，Reed，Solomen，1960，新的分组码 Fony，1966，级连码 Bose-Chaudhuri-Hocquenghem，BCH码