通信原理通信原理通信原理 (98).pdf
通信原理通信原理第第5章章5.1 引言引言通信（communication）=消息或信息的交流、传递、交换。信息（information）是要表示和传送的对象（本质）消息（message）是表示信息的媒体（形式）消息：语言、文字、图象、符号、声音等同一信息可以用不同的消息表示信号（signal）是携带消息、信息的某种物理量，通常是时间的函数，如电压，电流随时间的变化。通信系统（communication system）的目的是传输信息，方法是传送专门设计的信号。Remark：“消息”“信息”主要指信源输出，很多时候含义相同或接近。“信息”偏重内涵，有时特指信息论意义下的信息。“消息”偏重形态。“信号”是信息的载体。可以把“消息”看作广义的信号。本课中，信号主要指电波形，但也可以是序列、向量等。通信系统的组成通信系统的组成4信息源发送设备传输媒介接收设备受信者噪声源数字信号数字信号5数字信号（digital signal）一般是脉冲序列或其他形式的信号波形。可以把来自信源的模拟信息或数字信息表示为数字信号的形式。数字传输系统数字传输系统数字通信系统也叫数字传输系统本章主要关注数字信号的基带传输实际的数字通信系统包含很多环节。下图示出了简单的点到点通信可能包含的主要环节。比特速率比特速率b、比特间隔、比特间隔b、比特能量、比特能量b数字通信系统平均每1秒钟时间内发送的比特个数称为数据速率（data rate）、比特速率（bit rate）或信息速率（information rate），记为b，单位是bit/s。定义b=1b为比特间隔，表示平均每b时间发送了1个比特。数字信息通过数字信号发送。数字信号作为电信号有相应的能量、功率。比特能量b定义为数字信号的总能量平摊到每个比特之后的能量值。Remark：所传输比特的来源包括信源按均匀的间隔送来一个比特流；从缓存中读取。现代的系统主要是后一种情况，不是来一个比特马上就走一个比特。数据的传输可能是按均匀的间隔、相同的能量，逐一发送比特，一次发送传输一个比特；成组发送（多进制传输），一次发送传输多个比特。b、b、b按定义表示的是平均值。无论实际发送是否成组、是否均匀，定义依然成立。比如：前10个比特用了4J的能量，后10个用了6J的能量，则按平均来说，b=5J。在信息论的语境下，“信息速率”指单位时间内的信息熵，未必等于1s时间内的二进制比特数。符号速率符号速率s、符号间隔、符号间隔s、符号能量、符号能量s数字传输系统通过发送符号（symbol）来完成比特的传输。在本章，符号主要指具体的信号波形。一个M进制符号一次可以发送一组log2个比特。例如：用4种电压 3,1,+1,+3 分别表示00、01、10、11。发送端每次发送4个电压中的某一个，收端收到一个电压便收到了2个比特。t1133符号速率s表示平均每1秒钟时间内所发送的符号个数，单位是symbol/s，也称为“波特”(Baud或Bd)。符号速率也称为波特率。符号间隔s=1s表示平均每s时间发送1个符号。符号能量s表示平均到每个符号的信号能量。一个M进制符号携带log2个比特，因此有如下关系s=blog2s=b log2s=b log2b=slog2b=s log2b=slog2例例：某4进制传输系统用3,1,+1,+3这四种电压来表示00、01、10、11。发端每10ms发送一个电压，使得收端每10ms可以收到2个比特。此系统的符号间隔是10ms，符号速率是100Baud。持续发送1s时间，收端收到200个比特，比特速率是200b/s，比特间隔是5ms。若4种电压的出现机会相同，则发送信号的平均功率是32+12+22+324=5W，1s时间内的总能量是5J。按100个符号算，平均符号能量是50mJ。按200个比特算，平均比特能量是25mJ。频带利用率频带利用率数字通信系统不断发送符号，发端的输出是信号()，设其带宽为。传输速率（s或b）与带宽之 比 称 为 频 带 利 用 率 或 频 谱 效 率（spectralefficiency）。若传输速率为符号速率s，则频带利用率s的单位是Baud/Hz或者symbol/s/Hz。若传输速率为比特速率b，则频带利用率b的单位是bit/s/Hz。12错误率错误率数字通信系统所发送的比特或符号在接收端可能出错，按比特算的错误率称为误比特率b，按符号算的错误率称为误符号率s。13sP=错误符号数传输总符号数bP=错误比特数传输总比特数Remark：一个进制符号能传输一组=log2个比特。发送个符号就是发送了个比特。如果符号出错，对应该符号的一组比特中，可能有1个比特出错。因此，误符号率与误比特率的关系是b s b log2slog2 b s例例：某4进制传输系统用3,1,+1,+3四种电压来表示00、01、10、11。发送100个符号，收端收到的比特数是200比特。若100个符号中错了1个，则误符号率是0.01。若错一个符号的具体情况是3错成了1，则对应比特00错成了01，错了1个比特。总共200个比特，误比特率是1/200。若错一个符号的具体情况是1错成了+1，则对应比特01错成了 10，错 了 2 个 比 特。总 共 200 个 比 特，误 比 特 率 是2/200=0.01。若100个符号中错了2个，则误符号率是0.02。具体如果这两个错一次是3错成了1，一次是1错成了+1，则总错误比特数是3，误比特率是3/200。15为什么要研究数字基带传输系统为什么要研究数字基带传输系统什么是基带系统？基带系统发送的是基带信号，发送信号经由基带信道(一般建模为低通型的滤波器)传输，到达接收端的是基带信号。为什么要研究基带系统？一切频带系统都可以等效为基带系统：从I/Q调制器的输入到I/Q解调器的输出整体是一个复数的基带信道；也有一些场景中的信道本身就是基带信道（例如电缆）16数字基带传输系统主要涉及的问题数字基带传输系统主要涉及的问题PAM信号及功率谱密度用匹配滤波器抑制AWGN限带传输引起的ISI问题无ISI+匹配滤波的最佳基带传输系统接收信号质量的示波器观察眼图接收端如何消除ISI时域均衡如何利用ISI部分响应系统
