无线通信系统
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• • • • 信息系统概述 信息的处理 无线通信系统概述 无线通信系统实例
2
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
• GSM：若干200KHz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
37
38
经过低通滤波器后的载波调制信号:
实部 1 0.5 0 -0.5 -1
0
5
10
15
20 虚部
25
30
35
40
1 0.5 0 -0.5 -1
0
5
10
54
芯片
55
通信网分类
• 电信网
– 例：固定电话，移动电话
• 广播网
– 例：声音广播，电视广播
• 计算机网
– 例：Internet
56
一体化通信网络的构想
• • • • • ①核心：高速光纤传输网络 ②地面：接入、蜂窝、局域、城域 ③上层：天基网络 ④垂直：卫星网络 ⑤下层：自组织、传感器网络
• 模拟通信系统正在逐步被数字通信系统取代
6
模拟通信系统
3.6V
＋
3.8V 接收到错误电平信号
0.2V（噪声）
7
数字通信系统
>1.8V 3.6V ＋ 3.8V 判决 ―1‖ 判决正确
―1‖ →3.6v；“0‖ →0v 0.2V（噪声）
8
数字通信系统
>1.8V 3.6V ―1‖ ―1‖ →3.6v；“0‖ →0v 1.0V － 2.6V 判决 ―1‖ 判决正确
19
③信源编码：无损编码 ·举例
Huffman
20
③信源编码：有损编码
• 语音编码：64kbps32/16/8/4.8/2.4/0.8kbps
– 预测编码PCM~DPCM`ADPCM – 参数编码
• 高清晰度电视：1Gbps20Mbps
– 分块/DCT/变换系数量化/Huffman编码 – 帧间前向预测编码、P帧 – 帧间前向后向预测编码、B帧
•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）
62
几种无线通信网络介绍（2）- 卫星通信
63
几种无线通信网络介绍（3）- 无线传感器网络
64
例：WSN的应用
65
无线传感器可以自动组网
小区 1
小区 3
节点 小区2 小区
标签与读写器
标签
标签背散射它的 信号到读写器
读写器
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
51
例： 理论研究
噪声经过相关器，接收信号可表示为
r t smk f k t nk f k t nt
t
T：一个波形占有的时间
30
载波调制后的信号:
31
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
32
带宽限制导致低通滤波的需要
频率轴
用户1
用户6
33
利用不同的通信频带传输信号
34
通信系统的基本定义
17
0110101001000101…
信源编码的工作一般由“信号与信息处理”专业的研究人员完成
18
③信源编码：无损编码 ·举例
Huffman
• Huffman编码：设信源有8种字母，对应概率为
X A B P(X) 0.20 0.19
C
D E
0.18
0.17 0.15
F
G H
0.10
0.05 0.05
42
高斯噪声
43
无线电波的传输
44
• 时延特性
45
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
46
接收机的主要工作
• • • • 天线接收无线电波并转化为电信号 对电信号进行滤波及解调 对接收信号进行纠错解码 对信源信号进行解压缩得到原始信号
47
接收机
• 数字通信的接收机复杂度大于发射机
– 一般来讲接收机需要对付信道对发射信号的畸 变
• 发射信号的设计要以接收机能否正常接收 到发射信号为原则
48
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
信源编码/信源解码
•信源编码是将信息转换成二进制数据，而后进行适当 的压缩。例如：语音编码。 •信源解码过程是这个过程的逆过程。
模拟信号
采样
模拟/数字
信 源 编 码
数字信号
数字信号
12
例：语音信号编码
• 语音信号的频 率：300Hz3400Hz（一般 为语音信号最 高频率是4KHz）
13
语音信号的采样
4
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
5
通信系统分类
• 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 – 代表性系统：模拟电视，AM广播
• 数字传输系统：传输的信号只包括“0‖，“1‖数 字 化信号
– 将信号转变为数字信号后再进行传输 – 典型系统：手机信号，计算机网络
66
几种无线通信网络介绍（4）- RFID
– 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
67
N
Reader
Reader
TAG
TAG
S
近距离RFID
远距离RFID
68
标签电子编号
Note: 64 bit versions also defined, 256 bit version under definition Header - Tag version number EPC Manager - Manufacturer ID Object class - Manufacturer’s product ID Serial Number - Unit ID With 96 bit code, 268 million companies can each categorize 16 million different products where each product category contains up to 687 billion individual units 69
采样定理。。。
14
语音信号的量化
4.7v
3.5v 10010011 01100011
15
语音信号的压缩
• • • • 原始信号：2 X 4k X 8 =64kbits/s 语音信号压缩技术： GSM系统中语音信号为9kbits/s 语音信号可以压缩到1kbits/s以下
16
图像信号的压缩
• 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 • 彩色图像有三种不同的基色 • 图像信号具有更多的信息量需要传输（例: 800 X 600 X 25帧/秒 X 3) • 高清电视图像信号的传输需要几十兆比特/ 秒
27
信道编码：举例 （7,4）汉明码
• 设信源码元为x3,x4,x5,x6，三位附加码元为 x0,x1,x2，满足以下条件：
x0 x3 x5 x6 (mod 2) x1 x3 x4 x5 (mod 2) x2 x4 x5 x6 (mod 2)
传输序列： x0,x1,x2, x3,x4,x5,x6 上述编码/解码可以纠正接收序列中一定数量的错误
28
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
29
调制: 将若干个二进制数字组成的序列映射成 一组相应时间波形
数字 信号值
例：待传序列为：0010111001
00
01 10
1
-1 3 -3
3
11
1 T 2T 3T
15
20
25
30
35
40
39
无线发射信号
Signal attenuation from transmitter to receiver – a function of the distance
40
方向性天线
41
信道的问题
• • • • • 噪声的影响 时变幅度衰减 时变相位变化 传输时延 临近频道干扰
9
通信系统的构成ຫໍສະໝຸດ Baidu点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
10
数字通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
11
• • • • 比特：“0‖ ，“1‖ 带宽：Hz, KHz, MHz 传输速率：比特/秒(b/s, bps)，kb/s, Mb/s 信噪比：信号功率/噪声功率（dB）
35
传输比特率
若每个符号可以携带k个比特，（如 8PSK时k=3）,则系统传输的符号率 R与比特率Rb的关系有：
k=Rb/R
36
几种通信系统带宽
23
纠错编码的意义
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
24
纠错编码的意义
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
k 1 k 1 N N
rk f k t nt
N
其中
k 1
nt nt nk f k t
k 1
N
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
Enk 0
52
例：通信系统仿真
53
例：通信模块电路板
3
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）
49
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
50
25
纠错编码的意义
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
26
纠错编码的意义
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
信息科学概论--
无线通信系统概述
2007-9 Yuping Zhao (Professor) 赵玉萍 Department of Electronics Peking University Beijing 100871, China email: yuping.zhao@pku.edu.cn
1
内容简介
21
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
22
信道编码
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
57
无线通信面临的挑战
• 随时随地连接网络 • 多种业务多种设备的集合
– 语音，数字，音频，视频 – 电话，电视，照相机，计算机
• 产品的小型化、低功耗、低成本
58
几种无线通信网络介绍（1）- GSM
59
个人无线通信 优点： 移动性良好 缺点： 频带利用率低
60
频率规划问题
61
提高空间利用率的策略
2
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
• GSM：若干200KHz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
37
38
经过低通滤波器后的载波调制信号:
实部 1 0.5 0 -0.5 -1
0
5
10
15
20 虚部
25
30
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1 0.5 0 -0.5 -1
0
5
10
54
芯片
55
通信网分类
• 电信网
– 例：固定电话，移动电话
• 广播网
– 例：声音广播，电视广播
• 计算机网
– 例：Internet
56
一体化通信网络的构想
• • • • • ①核心：高速光纤传输网络 ②地面：接入、蜂窝、局域、城域 ③上层：天基网络 ④垂直：卫星网络 ⑤下层：自组织、传感器网络
• 模拟通信系统正在逐步被数字通信系统取代
6
模拟通信系统
3.6V
＋
3.8V 接收到错误电平信号
0.2V（噪声）
7
数字通信系统
>1.8V 3.6V ＋ 3.8V 判决 ―1‖ 判决正确
―1‖ →3.6v；“0‖ →0v 0.2V（噪声）
8
数字通信系统
>1.8V 3.6V ―1‖ ―1‖ →3.6v；“0‖ →0v 1.0V － 2.6V 判决 ―1‖ 判决正确
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③信源编码：无损编码 ·举例
Huffman
20
③信源编码：有损编码
• 语音编码：64kbps32/16/8/4.8/2.4/0.8kbps
– 预测编码PCM~DPCM`ADPCM – 参数编码
• 高清晰度电视：1Gbps20Mbps
– 分块/DCT/变换系数量化/Huffman编码 – 帧间前向预测编码、P帧 – 帧间前向后向预测编码、B帧
•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）
62
几种无线通信网络介绍（2）- 卫星通信
63
几种无线通信网络介绍（3）- 无线传感器网络
64
例：WSN的应用
65
无线传感器可以自动组网
小区 1
小区 3
节点 小区2 小区
标签与读写器
标签
标签背散射它的 信号到读写器
读写器
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
51
例： 理论研究
噪声经过相关器，接收信号可表示为
r t smk f k t nk f k t nt
t
T：一个波形占有的时间
30
载波调制后的信号:
31
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
32
带宽限制导致低通滤波的需要
频率轴
用户1
用户6
33
利用不同的通信频带传输信号
34
通信系统的基本定义
17
0110101001000101…
信源编码的工作一般由“信号与信息处理”专业的研究人员完成
18
③信源编码：无损编码 ·举例
Huffman
• Huffman编码：设信源有8种字母，对应概率为
X A B P(X) 0.20 0.19
C
D E
0.18
0.17 0.15
F
G H
0.10
0.05 0.05
42
高斯噪声
43
无线电波的传输
44
• 时延特性
45
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
46
接收机的主要工作
• • • • 天线接收无线电波并转化为电信号 对电信号进行滤波及解调 对接收信号进行纠错解码 对信源信号进行解压缩得到原始信号
47
接收机
• 数字通信的接收机复杂度大于发射机
– 一般来讲接收机需要对付信道对发射信号的畸 变
• 发射信号的设计要以接收机能否正常接收 到发射信号为原则
48
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
信源编码/信源解码
•信源编码是将信息转换成二进制数据，而后进行适当 的压缩。例如：语音编码。 •信源解码过程是这个过程的逆过程。
模拟信号
采样
模拟/数字
信 源 编 码
数字信号
数字信号
12
例：语音信号编码
• 语音信号的频 率：300Hz3400Hz（一般 为语音信号最 高频率是4KHz）
13
语音信号的采样
4
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
5
通信系统分类
• 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 – 代表性系统：模拟电视，AM广播
• 数字传输系统：传输的信号只包括“0‖，“1‖数 字 化信号
– 将信号转变为数字信号后再进行传输 – 典型系统：手机信号，计算机网络
66
几种无线通信网络介绍（4）- RFID
– 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
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N
Reader
Reader
TAG
TAG
S
近距离RFID
远距离RFID
68
标签电子编号
Note: 64 bit versions also defined, 256 bit version under definition Header - Tag version number EPC Manager - Manufacturer ID Object class - Manufacturer’s product ID Serial Number - Unit ID With 96 bit code, 268 million companies can each categorize 16 million different products where each product category contains up to 687 billion individual units 69
采样定理。。。
14
语音信号的量化
4.7v
3.5v 10010011 01100011
15
语音信号的压缩
• • • • 原始信号：2 X 4k X 8 =64kbits/s 语音信号压缩技术： GSM系统中语音信号为9kbits/s 语音信号可以压缩到1kbits/s以下
16
图像信号的压缩
• 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 • 彩色图像有三种不同的基色 • 图像信号具有更多的信息量需要传输（例: 800 X 600 X 25帧/秒 X 3) • 高清电视图像信号的传输需要几十兆比特/ 秒
27
信道编码：举例 （7,4）汉明码
• 设信源码元为x3,x4,x5,x6，三位附加码元为 x0,x1,x2，满足以下条件：
x0 x3 x5 x6 (mod 2) x1 x3 x4 x5 (mod 2) x2 x4 x5 x6 (mod 2)
传输序列： x0,x1,x2, x3,x4,x5,x6 上述编码/解码可以纠正接收序列中一定数量的错误
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通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
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调制: 将若干个二进制数字组成的序列映射成 一组相应时间波形
数字 信号值
例：待传序列为：0010111001
00
01 10
1
-1 3 -3
3
11
1 T 2T 3T
15
20
25
30
35
40
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无线发射信号
Signal attenuation from transmitter to receiver – a function of the distance
40
方向性天线
41
信道的问题
• • • • • 噪声的影响 时变幅度衰减 时变相位变化 传输时延 临近频道干扰
9
通信系统的构成ຫໍສະໝຸດ Baidu点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
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数字通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
11
• • • • 比特：“0‖ ，“1‖ 带宽：Hz, KHz, MHz 传输速率：比特/秒(b/s, bps)，kb/s, Mb/s 信噪比：信号功率/噪声功率（dB）
35
传输比特率
若每个符号可以携带k个比特，（如 8PSK时k=3）,则系统传输的符号率 R与比特率Rb的关系有：
k=Rb/R
36
几种通信系统带宽
23
纠错编码的意义
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
24
纠错编码的意义
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
k 1 k 1 N N
rk f k t nt
N
其中
k 1
nt nt nk f k t
k 1
N
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
Enk 0
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例：通信系统仿真
53
例：通信模块电路板
3
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）
49
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
50
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纠错编码的意义
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
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纠错编码的意义
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
信息科学概论--
无线通信系统概述
2007-9 Yuping Zhao (Professor) 赵玉萍 Department of Electronics Peking University Beijing 100871, China email: yuping.zhao@pku.edu.cn
1
内容简介
21
通信系统的构成（点到点）
发射天线
信源 编码
信道 编码
调 制
低通 滤波
载波 调制 通道
接收天线
信 宿
信道 解码
解 调
低通 滤波
载波 解调
均衡
同步
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信道编码
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
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无线通信面临的挑战
• 随时随地连接网络 • 多种业务多种设备的集合
– 语音，数字，音频，视频 – 电话，电视，照相机，计算机
• 产品的小型化、低功耗、低成本
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几种无线通信网络介绍（1）- GSM
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个人无线通信 优点： 移动性良好 缺点： 频带利用率低
60
频率规划问题
61
提高空间利用率的策略