通信原理-学习辅导-1-第1讲-1-2-3ppt课件.ppt

第1章 绪论,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,通信原理(第6版),单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,数字通信,东南大学继续教育,主讲教师：张锡宁,matchfilter,第 01 讲,(复习）,1,.,25-,2,参考教材（1）参考辅导书,2,.,25-,3,参考教材（2）,3,.,特点：,剖析难点，解感疑点，强化重点，典型例题，整理知识，归纳结论。,考题类型：,附录A 本科期末考试试题与参考答案（三套）,附录B 硕士研究生入学考试试题与参考答案,（三套）,通信原理(第6版)学习辅导与考研指导(第2版),4,.,25-,5,数字通信,第1章 绪论,第2章 确知信号,第3章 随机过程,第4章 信道,第5章 模拟调制系统,第6章 数字基带传输系统,第7章 数字带通传输系统,第8章 新型数字带通调制技术,第9章 模拟信号的数字传输,第10章 数字信号的最佳接收,第11章 差错控制编码,第12章 正交编码与伪随机序列,第13章 同步原理,5,.,25-,6,第1章 绪论 学习目标,常用通信术语；,模拟信号与数字信号的区别；,基带信号与已调信号的区别；,通信系统的组成、分类和通信方式；,数字通信系统的优缺点；,离散信源的信息量、平均信息量（熵）的计算；,码元速率、信息速率和频带利用率的定义、计算及其关系；,误码率和误信率的定义和关系。,6,.,25-,7,第1章 绪论,1.1 通信的基本概念,1.2 通信系统的组成,1.3 通信系统分类与通信方式,1.4 信息及其度量,1.5 通信系统主要性能指标,7,.,25-,8,第1章 绪论,1.1 通信的基本概念,通信的目的：传递,消息,中所包含的,信息,。,信息,：是消息中包含的有效内容。,1.2 通信系统的组成,通信系统的一般模型,8,.,25-,9,第1章 绪论,模拟通信系统模型,数字通信系统模型,图1-4 模拟通信系统模型,图1-5 数字通信系统模型,9,.,25-,10,第1章 绪论,数字通信的特点,优点,抗干扰能力强，且噪声不积累,传输差错可控,便于处理、变换、存储,便于将来自不同信源的信号综合到一起传输,易于集成，使通信设备微型化，重量轻,易于加密处理，且保密性好,缺点：,需要较大的传输带宽,对同步要求高,10,.,25-,11,第1章 绪论,1.3 通信系统分类与通信方式,1.4 信息及其度量,信息,：是消息中包含的有效内容,度量信息量的方法,事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：,消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。,信息量的定义,通常广泛使用的单位为比特，这时有,11,.,25-,12,第1章 绪论,若有,M,个等概率波形P,=1/,M,），且每一个波形的出现是独立的，则传送,M,进制波形之一的信息量为,若,M,是2的整幂次，即,M,=2,k,，则有,当,M,=4时，即4进制波形，,I,=2比特，,当,M,=8时，即8进制波形，,I,=3比特。,12,.,25-,13,第1章 绪论,对于非等概率情况,设：一个离散信源是由,M,个符号组成的集合，其中每个符号,x,i,(,i,=1,2,3,M,)按一定的概率P(,x,i,)独立出现，即,且有,则,x,1,x,2,x,3,x,M,所包含的信息量分别为,每个符号所含平均信息量（熵）为,13,.,25-,14,第1章 绪论,1.5 通信系统主要性能指标,通信系统的主要性能指标：,有效性,和,可靠性.,有效性,：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。,可靠性,：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。,模拟通信系统：,有效性：可用有效,传输频带,来度量。,可靠性：可用接收端最终,输出信噪比,来度量。,14,.,25-,15,第1章 绪论,数字通信系统,有效性：用,传输速率,和,频带利用率,来衡量。,码元传输速率,R,B,：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。,式中,T,码元的持续时间（秒）,信息传输速率,R,b,：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为 b/s,，或bps,15,.,25-,16,第1章 绪论,频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即,或,可靠性：常用误码率和误信(息)率表示。,误码率,误信率，又称误比特率,在二进制中有,16,.,25-,17,第1章 绪论 重点考点,1.概念,信号区别、通信系统的组成和分类、数字通信的特点、通信方式、主要性能指标等。,考试的可能形式：填空、简答题、画图题。,2.计算,信息量、平均信息量（熵）、总信息量计算；,信息速率、码元速率、频带利用率、误码率、误信率的计算。,17,.,25-,18,第1章 绪论 典型例题,例1-1 设一个二进制离散信源（0，1），每个符号独立发送。,（1）若“0”、“1”等概率出现，求每个符号的信息量和平均信息量（熵）；,（2）若“0”出现概率为1/3，重复（1）。,18,.,25-,19,第1章 绪论 典型例题,例1-1 设一个二进制离散信源（0，1），每个符号独立发送。,（1）若“0”、“1”等概率出现，求每个符号的信息量和平均信息量（熵）；,（2）若“0”出现概率为1/3，重复（1）。,19,.,25-,20,第1章 绪论 典型例题,例1-2 设有一个四进制离散信源(0，1，2，3)，独立等概发送，求传送每一符号的信息量。,评注：独立等概时，四进制的每个码元所含的信息量，恰好是二进制每个码元包含信息量的2倍。这是因为四进制的每个码元需要用两个二进制码元来表示。,20,.,25-,21,第1章 绪论 典型例题,例1-3 已知某四进制离散信源（0，1，2，3）中各符号出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的，试求：,（1）信源的平均信息量（熵）；,（2）信源发送200101020130消息的信息量。其中，0出现38次，1出现25次，2出现24次，3出现13次，共有100个符号。,21,.,25-,22,第1章 绪论 典型例题,例1-3 已知某四进制离散信源（0,1,2,3）中各符号出现的概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8,且每个符号的出现都是独立的，试求：,（1）信源的平均信息量熵）；,（2）信源发送200101020130消息的信息量。其中，0出现38次，1出现25次，2出现24次，3出现13次，共有100个符号。,22,.,25-,23,第1章 绪论 典型例题,例题1-4.设A系统以2000b/s的比特率传输,2PSK调制信号的带宽为2000Hz，B系统以2000b/s的比特率传输,4PSK调制信号的带宽为1000Hz。试问：哪个系统更有效？,B系统的频带利用率高，所以，B系统更有效。,23,.,25-,24,第1章 绪论 典型例题,例题1-5 设某数字传输系统传送二进制码元的速率为1200B，试求该系统的信息速率；若该系统改为传送八进制信号码元，码元速率不变，则这时系统的信息速率为多少？,24,.,25-,25,第1章 绪论 典型例题,例题1-6.设某四进制数字传输系统的每个码元的持续时间（宽度）为83310,-6,s，连续工作1小时后，接收端收到6个错码，且错误码元中仅发生1bit的错误。,（1）求该系统的码元速率和信息速率;,（2）求该系统的误码率和误信率。,25,.,25-,26,第1章 绪论 典型例题,例题1-6.设某四进制数字传输系统的每个码元的持续时间（宽度）为83310,-6,，连续工作1小时后，接收端收到6个错码，且错误码元中仅发生1bit的错误。,（1）求该系统的码元速率和信息速率;,（2）求该系统的误码率和误信率。,26,.,第1章 绪论,The end,27,.,数字通信,第1章 绪论,第2章 确知信号,第3章 随机过程,第4章 信道,第5章 模拟调制系统,第6章 数字基带传输系统,第7章 数字带通传输系统,第8章 新型数字带通调制技术,第9章 模拟信号的数字传输,第10章 数字信号的最佳接收,第11章 差错控制编码,第12章 正交编码与伪随机序列,第13章 同步原理,28,.,第2章 确知信号 学习目标,信号的分类及其特征；,信号的频域分析法和频谱的概念；,傅里叶级数的物理意义；,傅里叶变换及其基本性质；,(t)函数及其常用性质；,信号的能量谱和功率谱；,相关函数的定义和性质；,相关函数与谱密度的关系。,29,.第2章 确知信号,2.1 确知信号的类型,2.2 确知信号的频域性质,2.3 确知信号的时域性质,30,.,第2章 确知信号,2.1 确知信号的类型,按照周期性区分：,周期信号,非周期信号,按照能量区分：,能量信号,功率信号,能量信号的功率趋于0，功率信号的能量趋于,31,.,第2章 确知信号,2.2 确知信号的频域性质,2.2.1 功率信号的频谱,2.2.2 非周期信号的傅里叶变换,2.2.3 信号的能量谱密度和功率谱密度,定义：由巴塞伐尔(Parseval)定理,式中,G,(,f,)=|,S,(,f,)|,2,能量谱密度,32,.,第2章 确知信号,2.2.4 功率信号的功率谱密度,定义首先将信号,s,(,t,)截短为,s,T,(,t,)，-,T,/2,t,T,/2,s,T,(,t,)是一个能量信号，可以用傅里叶变换求出其能量谱密度|,S,T,(t)|,2,，由巴塞伐尔定理有,将,定义为信号的功率谱密度,P,(,f,)，即,周期信号的功率谱密度：,33,.,第2章 确知信号,2.3 确知信号的时域性质,2.3.1 互相关函数和自相关函数,2.3.2 互相关函数性质,2.3.3 互相关系数,2.3.4 自相关函数的性质,2.3.5 相关函数与谱密度的关系,34,.,第2章 确知信号,35,.,确知信号在频域中的性质有四种：频谱、频谱密度、能量谱密度、功率谱密度,36,.,确知信号在时域中的特性主要有两种：,自相关函数,和,互相关函数,自相关函数,反映一个信号在不同时间上取值的关联程度。,能量信号的自相关函数R(0)等于信号的能量；,功率信号的自相关函数R(0)等于信号的平均功率；,互相关函数,反映两个信号的相关程度；,能量信号的自相关函数和其能量谱密度构成一对傅里叶变换,能量信号的互相关函数和其互能量谱密度构成一对傅里叶变换,周期性功率信号的自相关函数和其功率谱密度构成一对傅里叶变换,周期性功率信号的互相关函数和其互功率谱构成一对傅里叶变换,37,.,第2章 确知信号 重点考点,1.概念,信号的分类与特征；频谱的概念；周期信号频谱C,n,的特点和意义；傅里叶变换特性的物理内涵;相关函数的定义和性质；(t)函数；,2.计算,常用信号（、方波、三角波、冲激函数序列）的傅里叶变换；傅里叶变换的尺度变换特性、频移特性、卷积定理的应用；能量和功率的计算；相关函数；相关函数与谱密度的互求。,注：本章的内容一般不会单独出题考试，主要是在后面章节的应用。,38,.,第2章 确知信号 典型例题,例2-1 求一般周期信号的傅里叶变换（频谱密度）。,解：,对一个周期为T,0,的周期信号s(t),可将其展开成如下的指数型傅里叶指数,对上式两边取傅里叶变换,利用12()及傅里叶变换的频移特性，可得,将式（3）代入式（2），得周期信号s(t)的傅里叶变换,39,.,第2章 确知信号 典型例题,例2-2 求单位冲激序列 的傅里叶变换。,解：,单位冲激序列,T,0,的傅里叶系数为,利用式,40,.,第2章 确知信号 典型例题,例2-3 利用时域卷积求周期信号s(t)的傅里叶变换。,解：,设周期信号s(t)的重复周期为T,0,，单个周期内的信号为s,1,(t)，则可将该周期信号s(t)看作是s,1,(t)和周期冲激序列,T,0,卷积的结果，即,因此，根据卷积定理可求得周期信号的傅里叶变换为,设s(t)S(f),s,1,(t)S,1,(f),上式可写为,评注：只要求得单个周期内信号s,1,(t)的傅里叶变换和周期冲激序列的傅里叶变换，就可以求得周期信号s(t)的傅里叶变换。,41,.,第2章 确知信号 典型例题,42,.,第2章 确知信号,The end,43,.,数字通信,第1章 绪论,第2章 确知信号,第3章 随机过程,第4章 信道,第5章 模拟调制系统,第6章 数字基带传输系统,第7章 数字带通传输系统,第8章 新型数字带通调制技术,第9章 模拟信号的数字传输,第10章 数字信号的最佳接收,第11章 差错控制编码,第12章 正交编码与伪随机序列,第13章 同步原理,44,.,图1-5,数字通信系统模型,图1-4,模拟通信系统模型,45,.,第3章 随机过程 学习目标,随机过程的基本概念；,随机过程的数字特征(均值、方差、相关函数)；,平稳过程的定义、各态历经性、相关函数和功率谱密度；,高斯过程的定义和性质、一维概率密度和分布函数；,随机过程通过线性系统、输出和输入的关系；,窄带随机过程的表达式和统计特性；,正弦波加窄带高斯过程的统计特性；,高斯白噪声及其通过理想低通信道和理想带通滤波器。,46,.,第3章 随机过程,3.1 随机过程的基本概念,3.2 平稳随机过程,3.3 高斯随机过程,3.4 平稳随机过程通过线性系统,3.5 窄带随机过程,3.6 正弦波加窄带高斯噪声,3.7 高斯白噪声和带限白噪声,47,.,第3章 随机过程,3.1 随机过程的基本概念,什么是随机过程？,随机过程是一类随时间作随机变化的过程，它不能用确切的时间函数描述。,角度1：对应不同随机试验结果的时间过程的集合。,角度2：随机过程是随机变量概念的延伸。,48,.,第3章 随机过程,3.1.1随机过程的分布函数,随机过程,(,t,),的,一维分布函数,：,随机过程,(,t,),的,一维概率密度函数,：,若上式中的偏导存在的话。,49,.,第3章 随机过程,3.1.2 随机过程的数字特征,均值,方差,相关函数,均方值,均值平方,50,.,第3章 随机过程,3.2 平稳随机过程,3.2.1 平稳随机过程的定义,1.狭义平稳（严平稳）它的任意n维分布函数与时间起点无关，即,2.广义平稳,狭义平稳一定是广义平稳，反之不一定成立。,3.2.2 各态历经性,51,.,第3章 随机过程,3.2.3 平稳过程的自相关函数,平稳过程自相关函数的性质,(,t,),的平均功率,的偶函数,R,(,)的上界,即自相关函数,R,(,)在,=0,有最大值。,(,t,),的直流功率,表示平稳过程,(,t,),的交流功率。当均值为0时，有,R,(0)=,2,。,52,.,第3章 随机过程,3.2.4 平稳过程的功率谱密度,定义：,对于任意的确定功率信号,f,(,t,)，它的功率谱密度定义为,式中，,F,T,(,f,)是,f,(,t,)的截短函数,f,T,(,t,)所对应的频谱函数,(,t,),的功率谱密度可以定义为,53,.,第3章 随机过程,功率谱密度的计算,维纳-辛钦关系,周期的功率型确知信号的自相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换。这种关系对平稳随机过程同样成立，即有,简记为,对功率谱密度进行积分，可得平稳过程的总功率,54,.,第3章 随机过程,3.3 高斯随机过程（正态随机过程）,3.3.1 定义,如果随机过程,(,t,),的任意,n,维（,n,=1,2,.）分布均服从正态分布，则称它为正态过程或高斯过程。,3.3.2 重要性质,高斯过程若是广义平稳的，则也严平稳。,55,.,第3章 随机过程,3.3.3 高斯随机变量,定义：高斯过程在任一时刻上的取值是一个正态分布的随机变量，也称高斯随机变量，其一维概率密度函数为,式中,a,均值,2,方差,标准偏差,曲线如右图：,当,a,=0和,=1,时，,称为标准化的正态分布：,56,.,第3章 随机过程,3.4 平稳随机过程通过线性系统,3.5 窄带随机过程,窄带条件,典型的窄带随机过程的谱密度和样本函数,57,.,第3章 随机过程,对于一个均值为0，方差为,2,的平稳高斯窄带过程,(,t,),两个重要结论,：,它的同相分量,c,(,t,),和正交分量,s,(,t,),皆为平稳高斯过程；均值皆为0，方差等于,2,。,其包络,a,(,t,)的一维分布是瑞利分布，相位,(,t,),的一维分布是均匀分布。,58,.,第3章 随机过程,3.6 正弦波加窄带高斯噪声,正弦波加窄带高斯噪声的表示式,式中n(t)为窄带高斯噪声,59,.,第3章 随机过程,正弦波加窄带高斯噪声包络概率密度函数曲线,瑞利分布,高斯分布,莱斯分布,60,.,第3章 随机过程,正弦波加窄带高斯噪声的相位的统计特性,F,(,),A=0,均匀相位,61,.,第3章 随机过程,3.7 高斯白噪声和带限白噪声,1.白噪声,n,(,t,),定义：功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声,白噪声的自相关函数：对双边功率谱密度取傅里叶反变换，得到相关函数：,62,.,第3章 随机过程,白噪声功率谱和其自相关函数的曲线：,由于白噪声的带宽无限，白噪声的平均功率为无穷大，实际中，只要噪声的功率谱均匀分布的频率范围远远大于通信系统的工作频带，把它视为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称之为,高斯白噪声,。,63,.,第3章 随机过程,2.低通白噪声,定义：如果白噪声通过理想矩形的低通滤波器或理想低通信道，则输出的噪声称为,低通白噪声,。,功率谱密度,由上式可见，白噪声的功率谱密度被限制在|,f,|,f,H,内，这样的噪声也称为,带限白噪声,。,自相关函数,64,.,第3章 随机过程,低通白噪声,功率谱密度和自相关函数曲线,65,.,第3章 随机过程,3.带通白噪声,定义：如果白噪声通过理想矩形的带通滤波器或理想带通信道，则其输出的噪声称为,带通白噪声。,设理想带通滤波器的传输特性为,功率谱密度,自相关函数,66,.,第3章 随机过程,带通白噪声的功率谱和自相关函数曲线,67,.,第3章 随机过程,4.窄带高斯白噪声,通常，带通滤波器的,B,f,c,，因此称窄带滤波器，相应地把带通白高斯噪声称为,窄带高斯白噪声,。,平均功率,68,.,第3章 随机过程 重点考点,1.概念,随机过程的定义；狭义平稳和广义平稳；各态历经的含义与意义；高斯过程的性质；窄带过程的两个结论；正弦波加窄带高斯过程的统计特性；功率谱密度的意义,2.计算,数字特征（均值、方差、相关函数）；一维概率密度函数和分布函数；平稳过程自相关函数的性质；维纳-辛钦定理；随机过程的总（平均）功率；平稳过程、高斯过程、白噪声通过线性系统,69,.,第3章 随机过程 典型例题,例3-1 随机过程(t)的功率谱如图。试求：,（1）自相关函数R();,（2）直流功率；,（3）交流功率。,解：（1）由图可得该功率谱密度可表述为：,利用维纳-辛钦定理R()P,(f)和以下傅里叶变换对,可得(t)的自相关函数,（2）(t)的直流功率 R()=1,（3）(t)的交流功率,2,=R(0)-R()=1+f,H,-1=f,H,P,(f),(f),-f,H,f,H,0,f,70,.,第3章 随机过程 典型例题,例3-2 设s(t)是一个平稳随机脉冲序列，其功率谱密度为P,s,(f)，求已调信号e(t)=s(t)cos,c,t的功率谱密度P,e,(f)。,解：,71,.,第3章 随机过程,第 01 讲结束,72,.,