01--无线通信系统概述

1数字通信(第一讲)通信系统概述2011-9YupingZhao(Professor)赵玉萍SchoolofElectronicsEngineeringandComputerSciencePekingUniversityBeijing100871,[e-mail]2Referencebooks（主要参考书）:JohnG.Proakis:“Digitalcommunications”,3rded《数字通信》JohnG.Proakis著，（影印版,中文版）电子工业出版社，《通信与信息科学教育丛书》ReadingMaterials:tobedeliveredduringthecourse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信息与信息量•信息的大小用信息量来度量，表征一种不确定性•信息量的大小由发生该事件的概率决定•信息量的最常用单位为比特•这里I为信息量大小（单位为比特），P为发生某事件的概率4信息量实例•例①：三天后有雨与无雨的概率各为50%，则下雨带来的信息量为即该事件的信息量为1比特5信息量实例•例②：明天下雨概率为1/8，不下雨的概率为7/8，则下雨事件带来的信息量为•同理，不下雨事件带来的信息量为6通信系统中的信息量•通信系统中一般以“比特”(bit)作为信息量的基本单位•例：某发射机只发送0、1信息，并且0、1的发生概率各为50%；如果每秒只发送一次，则该系统的传输速率为1比特/秒(记为1bit/s)；如果每秒独立地发送1000次”0”、”1”信息，则传输速率为1000bits/s(或1kbits/s)7通信系统中常用表示方法•BYTE：–8bits(比特)1BYTE•bps(bitspersecond)xbits/sxbpsxKbits/sxKbpsxMbits/sxMbps8常用的通信系统数据•GSM语音电话9.6Kbps•无线局域网(WIFI)11Mbps•高清数字电视：约30Mbps9平均信息量•如果信源可以产生N种独立信息，每种信息产生的概率不同，则该信源的信息量为所有信息量的统计平均：10平均信息量•例①某信源产生0、1、2、3四种可能的数据，其概率分别为1/2、1/4、1/8、1/8。则系统的平均信息量为11平均信息量•例②：若上例中产生0、1、2、3的概率均为1/4，则系统的平均信息量为•结论：若信源中的各个符号独立且等概率出现，则信源的信息量最大12信源的种类•模拟信源：时间、幅度连续的待传信号–例：语音信号—时间幅度均为连续信号–例：模拟电视信号—时间离散幅度连续•数字信源：时间、幅度均为离散的信源–例：各种数据、文字信息–例：网页、电子邮件1314信息的传输方式•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，信号为幅度、时间连续–代表性系统：模拟电视，AM广播•数字传输系统：将信号转变为数字信号后再进行传输–传输的信号只包括“0”，“1”数字化信号–典型系统：手机信号，计算机网络信源与通信系统的关系15模拟信源模拟通信系统数字通信系统数字信源模式转换信源形式传输方式16＋3.6V3.8V信道：存在噪声与损伤接收：接收到错误电平信号无法判别模拟通信系统的损伤发射：可以是规定范围内的任意值0.2V17模拟语音信号电压值V时间t接收信号发射信号模拟信号传输系统：一定范围内的任何值均为有效值18＋3.6V3.8V0.2V(噪声)接收判决“1”1.8V发端：“1”→3.6v；“0”→0v判决准则：接收信号大于1.8v→1;小于1.8v→1;信道发射数字通信系统的损伤19－3.6V2.6V1.0V判决正确判决“1”1.8V“1”→3.6v；“0”→0v数字通信系统的损伤数字通信系统存在一定的错误存在20－3.6V1.6V-2.0V判决错误判决“0”1.8V“1”→3.6v；“0”→0v数字通信系统的损伤数字通信系统也可能发生错误判决简单的模拟通信系统模拟对讲机21语音信号射频单元天线连续信号连续信号信号转换（模拟）连续信号简单的模拟通信系统模拟对讲机22语音信号射频单元天线连续信号连续信号信号转换（模拟）连续信号简单的数字通信系统数字对讲机23语音信号模拟/数字转换编码调制射频单元天线连续信号0/1信号连续信号简单的数字通信系统数字对讲机24语音信号数字/模拟转换射频单元解码解调天线连续信号0/1信号连续信号25模拟语音信号电压值V时间t26语音信号分解•语音信号的频率：300Hz-3400Hz（一般语音信号最高频率是4KHz）27语音信号的时间离散化采样：需满足定理电压值V时间t发射信号经采样后，得到时间上离散的时间序列T2TnT28语音信号的幅度量化3.5v01100011100100114.7v时间tT2TnT电压值V量化：将任意数值用0、1表示发射信号经量化后，得到幅度值为0/1的时间序列29语音信号速率•采样与量化–采样速率：8000样点/秒(采样定理)–量化：8比特/样点(8比特表示每个样点)–速率：8000*8=64000比特/秒(64Kbits/s)•语音信号压缩：–利用信号的相关性可进行压缩–压缩过程考虑信号恢复时容忍的失真度–GSM系统中语音信号压缩为9Kbits/s–语音信号可以压缩到1Kbits/s30图像信号的构成•黑白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（例如0-255），31图像信号的构成•彩色图像有三种不同的基色，每种基色有不同的灰度，构成一个色彩32图像信号传输速率•静态图像（实例）显示器点数为800X600；每点有3种颜色；用8比特显示其灰度由此得到一张静态图像的信息比特数为800X600X8X3=11Mbits(=1.44Mbyte)•动态图像（实例）假设每秒传输25帧，传输的速率为11MbitsX25帧/s=288Mbits/s(=36Mbyte)•更高精度的显示所需的信息比特更多信号的压缩•信号压缩的目的：将信号中的冗余信息去除•画面（或声音）的复杂度不同，压缩效率不同•简单信号压缩效果好，反之压缩效果差•几个压缩实例–压缩后的语音信号的可以为2.4Kbits/s，9Kbits/s–压缩后的标清数字电视信号一般为4Mbits/s–压缩后的高清数字电视信号一般为30Mbits/s333437Kbyte同样清晰度的两张照片比较35115Kbyte同样清晰度的两张照片比较通信信号的传输媒介•电信号传输系统–无线通信系统–电缆通信系统•光信号传输系统–光纤通信系统–大气光通信系统•信息存储系统–光盘、硬盘、磁带36发射的电信号形式（实例）37信息载波无线电波的传输--全向天线38无线电波的传播--方向性天线39基站天线实例40终端天线实例41同轴电缆42同轴电缆4344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•传输网络通信系统与通信网络45收发信机与通信网络共同构成通信系统46通信协议1PhysicalLayer2DataLinkLayer3NetworkLayer4TransportLayer5SessionLayer6PresentationLayer7ApplicationLayerapplicationapplicationtransmissionmediumprotocolprotocolprotocolprotocolprotocolprotocolprotocolinterface47通信系统的构成（点到点）信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线48数字通信系统的构成（点到点）信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线49通信系统的构成（点到点）信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线50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信道编码51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，但接收端无法知道纠错编码的意义52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纠错编码的意义53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纠错编码的意义54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纠错编码的意义55信道编码：举例（7,4）汉明码56信道编码：举例（7,4）汉明码•如果发射信号为：x3x4x5x6=1011•经过编码以后为：x0x1x2x3x4x5x6=1001011•经过信道，接收信号为：1001001，查表可知，落在第12行第7列，判决为该行的第1列数据1001011•达到了纠错的目的57通信系统的构成（点到点）信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线调制58将0/1信号变换成红色的信号波形59通信系统的构成（点到点）信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线60带宽限制导致低通滤波的需要频率轴用户1用户661利用不同的通信频带传输信号62带宽(Bandwidth)•系统所分配的用来传输信息的频带资源（Hz）•一般来讲，带宽/载频小于15%（超宽带系统除外）•频带是一种资源•系统应尽可能充分利用频带内资源，降低对其他频带的干扰63通信系统设计基本要求•利用分配的频带进行通信–尽可能传输更多信息•对临带干扰尽可能小–低通滤波器的设计问题64几种通信系统带宽•GSM：若干270KHz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65无线资源利用问题66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67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68噪声经过相关器，接收信号可表示为tntfrtntfntfstrNkkkNkkkNkkmk111其中Nkkktfntntn1n(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0knE例：理论研究69例：通信系统仿真70例：通信模块电路板71芯片72本课程的特点•以往学习的基础知识的实际应用–概率论与随机过程–信号与系统-频域与时域关系•运用数学工具进行理论推导–微积分基本概念–优化理论•通信系统仿真–理解通信系统基本概念–运用计算机工具进行仿真–对仿真结果进行分析73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