北京大学-- 无线通信系统概述

1数字通信(第一讲)通信系统概述20010-9YupingZhao(Professor)赵玉萍SchoolofElectronicsEngineeringandComputerSciencePekingUniversityBeijing100871,Chinaemail:[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内容简介•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4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5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6通信协议1PhysicalLayer2DataLinkLayer3NetworkLayer4TransportLayer5SessionLayer6PresentationLayer7ApplicationLayerapplicationapplicationtransmissionmediumprotocolprotocolprotocolprotocolprotocolprotocolprotocolinterface7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•模拟通信系统正在逐步被数字通信系统取代8＋3.6V3.8V0.2V（噪声）接收到错误电平信号模拟通信系统9＋3.6V3.8V0.2V（噪声）判决正确数字通信系统判决“1”1.8V“1”→3.6v；“0”→0v10－3.6V2.6V1.0V判决正确数字通信系统判决“1”1.8V“1”→3.6v；“0”→0v11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12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13•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。信源编码/信源解码模拟信号数字信号采样模拟/数字信源编码数字信号14例：语音信号编码•语音信号的频率：300Hz-3400Hz（一般为语音信号最高频率是4KHz）15语音信号的采样采样定理。。。16语音信号的量化3.5v01100011100100114.7v17语音信号的压缩•原始信号：2X4kX8=64k比特/秒•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18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:800X600X8比特X3原色X25帧/秒=288M比特/秒•图像信号也是可以压缩的，高清电视图像信号的传输只需要几十兆比特/秒190110101001000101…图像数据压缩后所占资源不同！20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21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22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23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24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25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26信道编码：举例（7,4）汉明码27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28最简单的通信系统0/1码发射接收噪声0/1码29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30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例：待传序列为：0010111001t数字信号值00101-110311-3T2T3T13T：一个波形占有的时间问题：一个时间段可以传输几个比特？31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/R32载波调制后传输问题：一个时间段内是否只能传一个数字？33通信系统设计需要考虑的几个问题•所给出的频带资源有多少-系统带宽•在保证系统特性情况下如何最为有效的利用频带资源–系统特性得以保证–资源利用率最高•如何对其他系统干扰最小34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35带宽限制导致低通滤波的需要频率轴用户1用户636利用不同的通信频带传输信号37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38载波调制与解调基带（Baseband）信号的幅度在零频附近不全为零，在其他频率幅度全为零。带通（Bandpass）信号在以f=fc为中心的一个频带内幅度不全为零，其中fc0.叫做载波频率。载波调制（Carriermodulation/demodulation）就是把源信息映射到带通信号上的过程，这个带通信号以某个频率fc为载波。39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400510152025303540-1-0.500.51实部0510152025303540-1-0.500.51虚部经过低通滤波器后的载波调制信号:41通信系统的基本定义•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）42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43无线发射信号Signalattenuationfromtransmittertoreceiver–afunctionofthedistance44方向性天线45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46本课程需要解决的问题•一个符号携带几个比特•采用那种波形传输该符号•本身传输信息最好•对别人影响最小47无线资源利用问题4849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50高斯噪声51无线电波的传输52•时延特性53n()n(t)h(t,)例：多径时延54n()n(t)h(t,)S(t)r(t)55信道均衡•通道的非理想特性导致接收信号的畸变•信道失真（如定时不准确）会导致码间干扰（IntersymbolInterference,ISI）。•无线信号的多径传输导致信号的码间干扰•解决码间干扰的一个有效的办法就是使用均衡器（Equalizer）。56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57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58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59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60系统性能评估通常的方法是使用在一定噪声条件下误码率（BitErrorRate,BER）。有两种BER,分别是rawBER和，codedBER。RawBER:是在没有纠错编码条件下的误码率，可以表示信道的性能（例：GSM）。CodedBER:在有纠错编码时的误码率，表示了编码的效果，是系统实际要求的误码率。61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62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63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64例：通信系统仿真65例：通信模块电路板66芯片67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68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69相关课程•通信系统仿真–运用商用工具进行仿真•VHDL及相关课程–硬件实现通信系统•通信网原理–物理层以上的学习内容•信息论与编码–纠错编码理论•概率论与随机过程–本课程的数学基础•电磁场–天线原理•其他课程。。。70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）71几种无线通信网络介绍（1）-GSM72频率规划问题7