通信信号处理讲义第一章2013
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通信原理讲义
通信原理讲义第一章绪论1．1 通信系统的组成１.1．1 通信一般系统模型点对点通信模型:反映了通信系统的共性。
1．1．2 模拟通信与数字通信●消息可以分成两类ﻩﻩ离散消息：消息的状态是可数的或离散型的（如符号、文字等）,也称为数字消息。
连续消息：状态连续变化的消息（如语音、图像）,也称为模拟消息。
●消息与电信号之间必须建立单一的对应关系。
通常,消息被载荷在电信号的某以参量上。
ﻩﻩ数字信号:电信号的参量携带离散消息，该参量离散取值。
模拟信号:电信号的参量携带连续消息，参量连续取值。
●相应的通信系统分成两类ﻩ数字通信系统ﻩﻩ模拟通信系统●模拟信号与数字信号之间可以相互转换在信息源中使用模-数（数-模)转换器,接受端使用数－模（模－数)转换器。
●数字通信比模拟通信更能适应对通信技术越来越高的要求（1）数字传输的抗干扰能力强，中继时可以消除噪声的积累；（2）传输差错可以控制；（3）便于使用现代数字信号处理技术对信息进行处理；（4） 易于加密处理;（5） 可以综合传递各种消息,增强系统功能。
● 模拟通信系统模型（点对点）基带信号：携带信息，但具有频率很低的频谱分量,不适宜传输的原始电信号。
已调信号：基带信号经过调之后转换成其频带适合信道传输的信号，也称频带信号。
调制器:将基带信号转变为频带信号的设备。
解调器：将频带信号转变为基带信号的设备。
模拟通信强调变换的线性特性,既已调参量与基带信号成比例。
● 数字通信系统模型（点对点） 强调已调参量与基带信号之间的一一对应。
数字通信需要解决的问题:（2） 编码与解码：通过差错控制编码消除噪声或干扰造成的差错; （3） 加密和解密：对基带信号进行人为“搅乱”；（4） 同步:发送和接收节拍一致,包括：位同步（码元同步)和群同步、帧同步、句同步或码组同步。
数字通信模型:同步环节的位置不固定,图中没有出现。
消息消息数字基带传输模型：● 数字通信的缺点 比模拟通信占据更宽的频带。
通信信号处理
本课程先修课程信号与系统，数字信号处理，概率论，通信信号处理随机过程，通信原理，等。
1本课程讲什么？针对无线通信的物理层，学习相关的通信信号处理通信信号处理技术。
1）调制理论和调制检测技术；2）性能提升技术；3）MIMO 技术；4）空时信号处理技术；5）多载波通信等。
2通信信号处理参考书目：1.刘祖军，田斌，易克初译.《通信信号处理》，电子工业出版社.2. 其他学术论文。
3第一章无线主题1.1 无线标准综述1.2带通信号/系统的表示45GWhat will5G be？n时间维n空间维n频率维5语音通信发射机的原理框图图1.1 典型的发送功能框图n时间维n空间维n频率维6图1.6 时隙结构图1.7 MSK信号星座图表1.2 一些GSM 系统参数的简介每个用户的数据速率是33.85 kbps 。
GSM 系统采用GMSK 调制方式，GMSK 调制方式具有一些好处，处包括恒包络、频谱效率高和优异的误比特率（BER）性能。
7n图1.9 逻辑信道的划分逻辑信道分为业务信道（TCH）和控制信道（CCH）。
n TCH在上行链路和下行链路中承载话音或者数据信息样本。
n CCH将承载控制信息，即信令或者同步样本。
8IS-95/CDMA2000IS-95CDMA系统的高层技术细节包括•1.5-MHz的信道间距•在全球定位系统（GPS）的支持下实现基站的时间同步•具有用于相干检测的公共导频信道（码分复用的）•码片速率＝1.2288 Mcps•调制方式＝QPSK/OQPSK•20ms的帧长•变速率语音编码（9600，4800，2400和1200 bps）91.2.5 IEEE 802.11 无线局域网WLAN模式：1）ad hoc模式，即所有的设备允许相互通信并像接入点一样工作，2）基础架构(infrastructure)模式，即以单个WLAN设备作为接入点，其它的设备与该接入点相连。
IEEE802.11b此系统设备在2.4G频带上互相通信。
第一章 通信的基本概念PPT课件
• 1938年美国贝尔实验室为美国军方制成了世 界上第一部“移动电话”手机
• 1942年，对讲机应用于二战
微波通信
• 1931年，英国多佛尔和法国加来之间在 建立世界上第一条超短波接力线路
• 20世纪50年代出现微波接力通信
光纤通信
• 1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表了关于传输介 质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性 和技术途径，奠定了现代光纤通信的基础。
学习总结
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
– 数字系统：每秒所传输的位数来计量(bit/s)
• ADSL上网的速率: 上行：0.54Mbit/s 下载： 8Mbit/s
• 以太网上网的速率: 10Mbit/s 、100Mbit/s 到桌面
• 宽带：2Mbit/s 作为划分点
1.4.2 模拟通信系统
模拟通信利用模拟信号来传递消息。模拟通信系统框 图如图1-2所示:
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End 演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
（1）信息与信号
• 信息←→冗余
– 消息中不定的部分
• 信号
– 信息的物理载体： 电、光信号
• 模拟信号与数字信 号
信号和信号处理的基本概念课件
信号处理面临的挑战
01
实时性挑战
对于许多实时信号处理应用， 如语音识别、视频跟踪等，需 要快速、实时的处理能力，如 何保证实时性是信号处理面临 的重要挑战。
02
噪声和干扰挑战
在实际应用中，信号常常受到 各种噪声和干扰的影响，如何 有效去除这些干扰、提取出真 实信号是信号处理面临的另一 个挑战。
03
02
信号处理的基本概念
信号处理的目的
提取有用的信息
通过分析和处理信号，提取出有用的 信息，如语音、图像、视频中的内容 。
增强信号质量
实现信号的传输和存储
将信号转换为适合传输和存储的格式 ，以便在不同介质上传输和存储。
对信号进行滤波、去噪等处理，提高 信号的质量，使其更清晰、准确。
信号处理的方法
时域分析
在时间域上对信号进行 分析和处理，如滤波、
卷积等。
频域分析
将信号转换为频域进行 分析和处理，如傅里叶
变换、频谱分析等。空间域源自析在二维或三维空间中对 信号进行分析和处理， 如图像处理中的滤波、
边缘检测等。
小波分析
利用小波变换对信号进 行多尺度分析，能够同 时获得信号在时间和频
率域的信息。
数字信号处理的优势
可重复性和可编程性
精度高
数字信号处理是通过程序实现的，因此可 以重复执行相同的操作，且可以通过编程 实现各种复杂的信号处理算法。
数字信号处理的精度取决于计算机的字长 ，可以获得很高的精度。
灵活性好
可实现复杂信号处理
数字信号处理可以通过编程实现各种不同 的算法，具有很好的灵活性。
数字信号处理可以利用计算机的高速运算 能力，实现各种复杂的信号处理算法，如 频谱分析、滤波器设计等。
数字信号处理第一章(1)
数字信号处理 Digital Signal Processing
绪论
• 为何要上数字信号处理?
在当今科学技术迅速发展的时代,大量 数据和信息需要传递和处理,数字信号处理 就是研究用数学的手段,正确快速地处理数 字信号,提取各类信息的一门学科.
一、数字信号处理
1、信号 • 数字信号处理的研究对象为信号。 • 所谓信号就是信息传递的载体。 • 信号是随时间、空间或其它独立变量变化的物理量，为了便 于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号----->电信号，经处理的电信号--->传感器--->真实世界的物理 信号。 • 例如：现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器 话筒(将声压变化)--->电压信号-->空气压力信号(扬声器) • 数学上，我们用一个一元或多元函数来表示信号，如 s1 (t ) 5t 这是一个时间轴上的一维信号。
用通用的可编程的数字信号处理器实现法—是目前 重要的数字信号处理实现方法，它即有硬件实现法 实时的优点，又具有软件实现的灵活性优点。
五、本课程教学内容
• 作为本课程，因受到各种条件的制约，只能向大家介 绍数字信号处理的基础理论和基本知识。具体内容见 课本的第一章～第三章。
第一章：我们主要介绍离散时间信号和系统的基本概念以及 傅利叶变换Z变换，它们是分析离散信号与系统的 基本数学工具。 第二章：我们讲解信号的离散傅利叶变换(DFT)和DFT的快速 算法(FFT)，内容涉及课本第二章的1～5节。 第三章：介绍无限冲激响应(IIR)数字滤波器和有限冲激响 应(FIR)的设计方法，其中我们只介绍通过变换公 式逼近的经典设计方法。
第一章 离散时间信号、系统和Z变换
1-1 引言
x(t ) s(t ) n(t )
绪论
• 为何要上数字信号处理?
在当今科学技术迅速发展的时代,大量 数据和信息需要传递和处理,数字信号处理 就是研究用数学的手段,正确快速地处理数 字信号,提取各类信息的一门学科.
一、数字信号处理
1、信号 • 数字信号处理的研究对象为信号。 • 所谓信号就是信息传递的载体。 • 信号是随时间、空间或其它独立变量变化的物理量，为了便 于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号----->电信号，经处理的电信号--->传感器--->真实世界的物理 信号。 • 例如：现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器 话筒(将声压变化)--->电压信号-->空气压力信号(扬声器) • 数学上，我们用一个一元或多元函数来表示信号，如 s1 (t ) 5t 这是一个时间轴上的一维信号。
用通用的可编程的数字信号处理器实现法—是目前 重要的数字信号处理实现方法，它即有硬件实现法 实时的优点，又具有软件实现的灵活性优点。
五、本课程教学内容
• 作为本课程，因受到各种条件的制约，只能向大家介 绍数字信号处理的基础理论和基本知识。具体内容见 课本的第一章～第三章。
第一章：我们主要介绍离散时间信号和系统的基本概念以及 傅利叶变换Z变换，它们是分析离散信号与系统的 基本数学工具。 第二章：我们讲解信号的离散傅利叶变换(DFT)和DFT的快速 算法(FFT)，内容涉及课本第二章的1～5节。 第三章：介绍无限冲激响应(IIR)数字滤波器和有限冲激响 应(FIR)的设计方法，其中我们只介绍通过变换公 式逼近的经典设计方法。
第一章 离散时间信号、系统和Z变换
1-1 引言
x(t ) s(t ) n(t )
《通信原理》培训PPT课件第一章
数字通信的主要特点
优点: 1、抗干扰能力强，尤其是数字信号通过中继再生后可 消除噪声积累; 2、数字信号通过差错控制编码，可提高通信的可靠性; 3、数字信号易于加密处理，所以数字通信保密性强； 4、在数字通信中，可以综合传输各种模拟和数字输入 消息，包括语音、文字、图像、信令等；并且便于 存储和处理； 5、数字信号可以通过信源编码进行压缩，以减小冗余 度，提高信道利用率; 6、信噪比随带宽增大按指数规律明显提高； 7、通信设备设计制造更容易，体积更小、重量更轻。
1970-80年
1980年 1990年 1995年
大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、 光纤通信系统、微处理机等迅速发展
实现超大规模集成电路； 综合业务数字网崛起 移动通信系统迅速发展 internet及WWW浏览广泛流行
2000年—— 进入基于微处理器的数字信号处理、数字调谐接收 机、高速个人计算机、扩频通信、数字卫星系统、数字电视、个 人通信系统（PCS）时代
发明真空管
调幅无线电广播 超外差接收机问世 第一台全电子式电视机问世，并于1936年在 英国BBC电台正式投入商用电视广播。 调频无线电广播开播
1937年
发明PCM数字语音传输技术，并用于二次大战的语 音加密通信，构成24路系统。 1940-45年 二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展 1948年 1950年 1956年 发明晶体管； 香农提出了信息论，通信统计理论开始建立 时分多路通信应用于电话 敷设了越洋电缆
1957年
1958年 1958年 1962年
苏联发射了第一颗人造卫星，并传送21天遥测信号
美国发射了第一颗通信卫星，持续6个月遥测信号 开发出第一个集成电路（IC），集成度日益提高。 贝尔实验室研制的第一颗同步通信卫星开始转播 电视节目；1965年第一颗商用通信卫星投入使用。
通信信号处理的基础知识与技术
通信信号处理的基础知识与技术通信信号处理是指对信号进行采样、量化、编码、调制、解调、调制解调等一系列操作的过程，它是现代通信系统中不可或缺的一部分。
本文将介绍通信信号处理的基础知识与技术，包括信号的基本属性、信号采样与量化、编码与调制等内容。
一、信号的基本属性信号是指一种包含有关消息或信息的电、光、声等形式的波动。
信号可以是连续的，也可以是离散的。
连续信号是指在时间和幅度上都是连续变化的信号，如声音信号、光信号等；离散信号是指在时间或幅度上是离散变化的信号，如数字信号等。
信号可以表示为函数的形式，如x(t)表示连续时间信号，x[n]表示离散时间信号。
信号的幅度可以是实数或复数，其取值范围可以是有限的或无限的。
二、信号采样与量化信号采样是指将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。
采样频率决定了信号在时间轴上的离散程度，采样频率越高，信号离散程度越高，还原信号的准确性越高。
信号量化是指将连续幅度信号转换为离散幅度信号的过程。
量化过程中，幅度取样值被映射到一个有限的量化级别中，这个量化级别由设定的量化位数来决定。
信号的采样与量化都会引入误差，因此在信号处理中需要选择适当的采样频率和量化位数，以平衡信号重建的准确性和处理的复杂性。
三、信号编码与调制信号编码是指将信号转换为具有不同表达形式的编码信号的过程，以便在传输或存储中更高效地表达和处理。
常见的信号编码方式有脉冲编码调制（PCM）、差分脉冲编码调制（DPCM）等。
信号调制是指将数字信号转换为模拟信号的过程，以便在传输中以模拟信号的形式传递。
常见的信号调制方式有脉冲幅度调制（PAM）、正交振幅调制（QAM）、频移键控（FSK）等。
编码和调制可以结合使用，以满足不同的通信需求。
通过编码和调制，可以使信号更好地适应传输介质的特性，保证信号的可靠传输和解码，提高通信系统的性能。
四、信号解调与解码信号解调是指将调制信号转换为原始信号的过程，恢复信号的原始幅度、相位和频率等信息。
通信信号处理资料
通信信号处理摘要：在这通信信号处理这门课程中，老师给我们讲解了通信系统中的一些基本知识和一些关键技术，比如多输入多输出（MIMO，multiple-input multiple-output）、正交频分复用（OFDM，orthogonal frequency division multiplexing）以及比特交织编码调制（BICM，bit-interleaved coded modulation）等技术。
这篇文章的主要内容就是对本课程内容的总结以及自己的理解。
一、基本知识1.多径衰落（1）概念在通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。
这些不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变性，导致接收信号呈衰落状态；这些电磁波射线到达的时延不同，又导致码间干扰。
若多射线强度较大，且时延差不能忽略，则会产生误码，这种误码靠增加发射功率是不能消除的，而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落，它也是产生码间干扰的根源。
对于数字通信、雷达最佳检测等都会产生十分严重的影响。
（2）分类主要可以分为两种,频率选择性衰落和频率非选择性衰落（平坦型衰落）。
如果各条路径传输时延差别较大，传输波形的频谱较宽（或数字信号传输速率较高），则信道对传输信号中不同频率分量强度和相位的影响各不相同。
此时，接收点合成信号不仅强度不稳定而且产生波形失真，数字信号在时间上有所展宽，这就可能千万前后码元的波形重叠，出现码间（符号间）干扰。
这种衰落称为频率选择性衰落，有时也简称选择性衰落。
如果各条路径传输时延差别不大，而传输波形的频谱较窄（数字信号传输速率较低），则信道对信号传输频带内各频率分量强度和相位的影响基本相同。
此时，接收点的合成信号只有强度的随机变化，而波形失真很小。
这种衰落称为一致性衰落，或称平坦型衰落。
瑞利信道（包络的一维统计特性服从瑞利分布）就是典型的平坦型衰落信道。
信号与系统第一章(1)信号的分类讲义
sin k sin (k N) N 2或2的整数倍
若 2
整数，则N 2 ;
才是周期信号，周期为N。
若 也是2周期MN信号N，、周M期为为不N。可M约取的 使得整N数取，整则数的N最小2整 M
数。
若 2 有理数，则为周期序 列。 若 2 无理数，则为非周期序 列。
解： N 2 12
et cost jet sint
Re[ f (t)] et cos t 二者均为实信号，是幅度随
Im[ f (t)] et sin t
时间变化的正、余弦信号。
S的实部 表征信号幅度随时间变化的状况:
0 增幅振荡；
0 等幅振荡；
0
减幅振荡；
表征振荡的角频率；
0 实指数信号。
t 2T ,T ,0,T ,2T
有定义，表示为f kT ,简记为f k。
… 2
864
f1(k)
A
… 5 6 78
01 2 3 4
k
A
(a)
f2(k)
f3(k)
2
A
1
3 1 01 23 4 k 1
3 1 01 2 3 4 5 6 k
(b)
离散信号
(c)
这样的离散信号也常称为序列。序列f (k)的数学 表示式可写成闭合形式，亦可分别列出。
例1： 0, k 1
f1(k)
1, k 1
2 1
f1(k )
2, k 0.5, k
0
1
0.5
1, k 2 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 k
0, k 2
-1
f(k)={ …, 0, 1, 2, 1.5, 2, 0, -1, 0, …}
数字信号处理吴镇扬版第一章
2013-10-22 3
2. 时不变系统
如果
T[x（n）]=y（n），
则 T[x（n-n0）]=y（n-n0） （ n0为任意整数）,即系统的特性不随 时间而变化。 线性时不变系统简称为：LTI
2013-10-22 4
3. 线性时不变系统
线性时不变系统——既满足迭加原理又具有时不变性的系统。线性时不 变系统可以用单位脉冲响应来表示。 我们知道，任一序列都可表示成各延时单位脉冲序列的加权和
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22
5． 差分方程——描述系统输入输出之间的运算关系 一个线性的连续时间系统总可以用线性微分方程来 表达。而对于离散时间系统，由于其变量n是离散整型 变量，故只能用差分方程来反映其输入输出序列之间 的运算关系。 其N阶线性常系数差分方程的一般形式：
y(n) ai x(n i) bi y(n i)
n
， 稳定、因果系统 25
②输入相同，但初始条件改为 n〉0，y（n）=0 将上述差分方程 y(n) 1.5 x(n) 1 y(n 1) 2 改写成 y（n-1）=2[ y（n）-1.5x（n）] 此时 y（0）=2[ y（1）-1.5x(1) ]=0
1 y(1) 2 y(0) 1.5x(0) 1.5 2 2 1 y(2) 2 y(1) 1.5x(1) 1.5 2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
n
x(k)
h(2-k)
n=2
-5 -4 -3 -2
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-1 0
1
2
3
4
10
n
y(n) 对 h（-k）移位得 h（n-k）
2. 时不变系统
如果
T[x（n）]=y（n），
则 T[x（n-n0）]=y（n-n0） （ n0为任意整数）,即系统的特性不随 时间而变化。 线性时不变系统简称为：LTI
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3. 线性时不变系统
线性时不变系统——既满足迭加原理又具有时不变性的系统。线性时不 变系统可以用单位脉冲响应来表示。 我们知道，任一序列都可表示成各延时单位脉冲序列的加权和
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5． 差分方程——描述系统输入输出之间的运算关系 一个线性的连续时间系统总可以用线性微分方程来 表达。而对于离散时间系统，由于其变量n是离散整型 变量，故只能用差分方程来反映其输入输出序列之间 的运算关系。 其N阶线性常系数差分方程的一般形式：
y(n) ai x(n i) bi y(n i)
n
， 稳定、因果系统 25
②输入相同，但初始条件改为 n〉0，y（n）=0 将上述差分方程 y(n) 1.5 x(n) 1 y(n 1) 2 改写成 y（n-1）=2[ y（n）-1.5x（n）] 此时 y（0）=2[ y（1）-1.5x(1) ]=0
1 y(1) 2 y(0) 1.5x(0) 1.5 2 2 1 y(2) 2 y(1) 1.5x(1) 1.5 2
0
1
2
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n
x(k)
h(2-k)
n=2
-5 -4 -3 -2
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n
y(n) 对 h（-k）移位得 h（n-k）
通信原理第一章.pptx
所以M 是波形数，p (xi ) =P 是每一波形出现的概率
2、非等概率
设消息由 n 个相互独立的符号组成，称为符号集
xi 对应 p( xi )
x1
x2 xn
p(
x1
)
p( x2 )
p( xn )
且每个符号包含的信息量均不相等 所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量
定义信息源的熵 H(X )
解：方法一
0出现 23次：I0
23 log2
1 38
33
bit
2出现
13次：I 2
13
log 2
1 14
26
bit
1出现
14次：I1
14
log 2
1 14
28
bit
3出现
7次：I 3
7
log 2
1 18
21
bit
总 I ' I0 I1 I2 I3 108 bit
5、网的结构：环型，星型，总线型，复合型，网型
6、网的组成: 以电话网为例
框图
问题
1、什么形式的电信号适合系统传输？ 2、何种性能的系统能完成信号的传输？
1.2 通信系统的组成
1.2.1 通信系统模型（总模型）
描述点对点的通信 框图
1.2.2 模拟通信与数字通信系统模型
1、模拟系统 框图 2、数字系统)
log 2
1 12
1
bit
定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为 1 bit
2） 对M进制，等概率出现的离散消息
0，1，2 ,┅ , M-1 消息 p( x1 )=p (x2 )=┅ =1/M
1 I log2 1 M log2 M 从波形上看，M进制有M种波性，每一种波形等概率出现
第一章信号及其频谱分析
第一章信号及其频谱分析信号及其频谱分析是现代通信领域中非常重要的一部分，它们在信息传输、信号处理、噪声分析等方面起着重要的作用。
本章主要介绍信号的概念、特点以及频谱分析的基本原理和方法。
首先，我们来了解一下信号的概念。
信号是指随时间或空间变化的物理量，它可以是电压、电流、光强等。
信号通常可以分为连续信号和离散信号。
连续信号是指在时间上连续变化的信号，可以用数学函数来描述。
离散信号是在时间上离散变化的信号，可以用数列来描述。
信号的主要特点包括振幅、频率、相位等。
振幅表示信号的大小，频率表示信号的变化速度，相位表示信号的起始相对时间。
接下来，我们来介绍频谱分析的概念和原理。
频谱分析是将信号在频域上进行分析的过程，目的是提取信号的频率特征和幅度特征。
频域分析是将信号从时域转换到频域的过程，其中最常用的方法是傅里叶变换。
傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的数学工具，它可以将时域上的信号表示为一系列正弦波的叠加。
傅里叶变换的基本思想是将信号分解成多个不同频率的正弦波，并得到它们对应的振幅和相位。
傅里叶变换的结果称为频谱，它表示了信号在频域上的特性。
除了傅里叶变换，还有一种常用的频谱分析方法是功率谱密度估计。
功率谱密度估计是用来估计信号的功率谱的方法，可以通过对信号进行一系列操作，如滤波、窗函数处理等，来获得信号的频谱信息。
频谱分析在通信系统设计、信号处理、噪声分析等方面具有重要的应用。
在通信系统设计中，频谱分析可以帮助我们了解信道的带宽、信号的调制方式等，从而优化系统设计。
在信号处理中，频谱分析可以帮助我们进行滤波、降噪等信号处理操作。
在噪声分析中，频谱分析可以帮助我们分析信号中的噪声成分，从而提高信号的质量。
综上所述，信号及其频谱分析是现代通信领域中非常重要的一部分。
通过对信号的振幅、频率和相位等特征进行分析，可以帮助我们理解信号的特性，并从中提取有用的信息。
频谱分析的方法包括傅里叶变换和功率谱密度估计等，它们在通信系统设计、信号处理、噪声分析等方面具有广泛的应用。
通信系统原理第一章PPT课件
通信系统原理 第一章
第一章 序论
• 通信发展历史:远古----非电通信
数字通信：旗语，烽火台（光通信？）等等
• 近代：电通信 1844 Morse;1876: Bell; 1894:Lodge(wireless);
1900:Marconi;1937:Reeves(PCM);1948:Shannon;1958:IC;60:Elect.Tel.S witching System;1965:Satellite;1972: Cellular Telephone(Motorola);1976:PC;80:Optical fiber;90:DWDM +SDH+Wireless;
• 信息速率Rb（比特率，bit rate）：信源每秒钟发出的平 均比特数。单位：bps or bit/sec
• 码元速率和比特速率的关系：1个码元可以含多比特或小 于1个比特的信息，因此一般情况下码元速率与比特速率 在数值上是不等的。
• 例：四进制等概分布情况下，一个码元含二比特的信息 量。在数值上我们有Rb =2RB. 二进制时，在等概情况下，Rb =RB。也就是说只有在二进 制等概分布时才有码元速率和比特速率在数值上相同。
4. 通信系统的主要性能指标
• 性能指标
质量指标：是整个通信系统的综合评估
• 通信系统：有效性，可靠性，适应性，标准性，经济性， 可维护性和友好性
• 但从根本来说，通信系统的目的是将信息从信源传递到信 宿，因此可靠性（质量）和有效性（传输效率）是首先要 考虑的。
• 模拟通信系统的评估：可靠性：发与收信号的差异程度---均方误差（噪声的影响，系统的不完善因素）
有效性：消息中所含的信息量，单位时间可传递的信息量 多少。
• 数字通信系统：信息传输速率和发生差错的概率（误码概 率）
第一章 序论
• 通信发展历史:远古----非电通信
数字通信：旗语，烽火台（光通信？）等等
• 近代：电通信 1844 Morse;1876: Bell; 1894:Lodge(wireless);
1900:Marconi;1937:Reeves(PCM);1948:Shannon;1958:IC;60:Elect.Tel.S witching System;1965:Satellite;1972: Cellular Telephone(Motorola);1976:PC;80:Optical fiber;90:DWDM +SDH+Wireless;
• 信息速率Rb（比特率，bit rate）：信源每秒钟发出的平 均比特数。单位：bps or bit/sec
• 码元速率和比特速率的关系：1个码元可以含多比特或小 于1个比特的信息，因此一般情况下码元速率与比特速率 在数值上是不等的。
• 例：四进制等概分布情况下，一个码元含二比特的信息 量。在数值上我们有Rb =2RB. 二进制时，在等概情况下，Rb =RB。也就是说只有在二进 制等概分布时才有码元速率和比特速率在数值上相同。
4. 通信系统的主要性能指标
• 性能指标
质量指标：是整个通信系统的综合评估
• 通信系统：有效性，可靠性，适应性，标准性，经济性， 可维护性和友好性
• 但从根本来说，通信系统的目的是将信息从信源传递到信 宿，因此可靠性（质量）和有效性（传输效率）是首先要 考虑的。
• 模拟通信系统的评估：可靠性：发与收信号的差异程度---均方误差（噪声的影响，系统的不完善因素）
有效性：消息中所含的信息量，单位时间可传递的信息量 多少。
• 数字通信系统：信息传输速率和发生差错的概率（误码概 率）
【2021】通信信号处理.完整资料PPT
于多载波(OFDM)多天线阵列(MIMO)的自适应半盲算法。 计算机仿真结果表明，该算法在两种常用的频率选择性衰落信道中，在BER方面明显优于现有的常规的PSA算法，这对于天线阵列体系
改善蜂窝和个人通信服务系统 结构的矩阵信道的盲算法研究和应用开辟了一条新的途径.
如果信道延迟扩展比循环前缀长度短，就可以完全避免ISI，从而省去了陡截的滤波器和需大量复数乘加的均衡器，使系统实现效率更 高，更具明显优势.
延迟时间
滞后相位
阵列流形（２）
阵列信号总是变换到基带再进行处理的 将阵列信号用向量形式表示
s(t)[s1(t),s2(t),,sM(t)]T
s(t)[ej1rTk,ejr2Tk,,ejrM Tk]T
方向向量与空间角向量有关，
记作： a( )
方向向量
阵列流形（３）
阵列流形A与频率相关， 当有多个信代源表时了，相到对空间结构，
通信信号处理
阵列信号处理
January 19, 2005
School of Communication and Information Engineering
总述
概述 阵列的基本知识（阵列流形） 波束形成 文献分析
什么是阵列信号处理
阵列信号处理： 将一组传感器在空间的不
同位置按一定的规则布置形成的 传感器阵列，用传感器阵列发射 能量和接收空间信号，获得信号 源的观测数据并加以处理。
达 用波a的(有i方) 助表向于示向方，量向i分=向别1,量 a(i) 的确定。
2,3,…..p
阵列的方向矩阵（表示信源的方向）为
A [a (1 )a ,(2 ) ,,a (P )]
阵列流形
移动通信系统面临的问题
频谱资源紧张、远近效应、共信 道干扰、多径衰落、越区切换以 及移动台电池容量问题带来的功 率受限等。
改善蜂窝和个人通信服务系统 结构的矩阵信道的盲算法研究和应用开辟了一条新的途径.
如果信道延迟扩展比循环前缀长度短，就可以完全避免ISI，从而省去了陡截的滤波器和需大量复数乘加的均衡器，使系统实现效率更 高，更具明显优势.
延迟时间
滞后相位
阵列流形（２）
阵列信号总是变换到基带再进行处理的 将阵列信号用向量形式表示
s(t)[s1(t),s2(t),,sM(t)]T
s(t)[ej1rTk,ejr2Tk,,ejrM Tk]T
方向向量与空间角向量有关，
记作： a( )
方向向量
阵列流形（３）
阵列流形A与频率相关， 当有多个信代源表时了，相到对空间结构，
通信信号处理
阵列信号处理
January 19, 2005
School of Communication and Information Engineering
总述
概述 阵列的基本知识（阵列流形） 波束形成 文献分析
什么是阵列信号处理
阵列信号处理： 将一组传感器在空间的不
同位置按一定的规则布置形成的 传感器阵列，用传感器阵列发射 能量和接收空间信号，获得信号 源的观测数据并加以处理。
达 用波a的(有i方) 助表向于示向方，量向i分=向别1,量 a(i) 的确定。
2,3,…..p
阵列的方向矩阵（表示信源的方向）为
A [a (1 )a ,(2 ) ,,a (P )]
阵列流形
移动通信系统面临的问题
频谱资源紧张、远近效应、共信 道干扰、多径衰落、越区切换以 及移动台电池容量问题带来的功 率受限等。
通信原理第1章 绪论
I0 I1 I2 I3 log2 4 2 b
评注 概率相同，每个符号蕴含的信息量也相同；
二进制的每个码元含 1 （b) 四进制的每个码元含 2 （b)
每个四进制符号可用 2 个二进制符号表示。
推广：M进制的每个码元含 log2M （b)
2.离散信源的平均信息量
——信源中每个符号所含信息量的统计平均值。 设
按传输方向和时间划分
单工通信：
发端 信道 (a) 单工方式 发端 (A） 信道 收端 (A） (b) 半双工方式 发端 (A） 收端 (B） 收端 (B） 发端 (B） 收端
（单向）
半双工通信：
（双向、不同时）
全双工通信：
（双向、同时）
收端 (A）信道A 信Fra bibliotekB发端 (B）
(c) 全双工方式
H与热力学中的熵形式一样，故称为信源的熵。
M
例
【1-3】 四进制信源（0，1，2， 3）， P(0)=3/8， P(1)= P(2)= 1/4， P(3)=1/8， 试求信源的平均信息量。
解
1 H p ( xi ) log 2 p ( xi ) i 1
M
1 I log 2 P( x)
x1 , , x i , , x M P ( x ), , P ( x ), , P ( x ) 且 i M 1
P( x ) 1
i i
M
则 统计独立的M个符号的离散信源的平均信息量为
1 H p ( xi ) log 2 (b / 符号） p ( xi ) i 1
RB B
(Baud/Hz)
Rb b B
b log 2 M
通信信号处理基础知识
无线通信信道基础知识
• 无线电波按照波长大小分类：长波、中波、短波、超短波、微波等
长波：波长1000m以上，频率300kHz以下。其传播方式主要有地表面
传播和天波传播，地形地貌对地表面传播影响小，电离层对天波传播 吸收较弱，传播特性稳定。但由于地表面波衰减慢，对其他电台形成 的干扰严重，由雷电产生的天电干扰对其影响大； 中波：波长100-1000m，频率300kHz-30MHz。其传播方式主要还是地
与高度有关，越高越弱；
无线通信信道基础知识
空间波——直射传播：电波沿直线传播(直接波)，也通过地球表面反
射传播(地反射波)，接收电场强度是二者的合成。直接波不受地面影
响，但地反射波会受反射点地质、地形影响。空间波通过大气层的底
层传播，传播距离与地球曲率半径有关；
自由空间波——直射传播：电波由地面发出，经过低空大气层和电离 层到达外层空间传播(卫星通信、深空通信)，自由空间(真空)电波传 播特性稳定。
• 教学内容 第一章：通信信号处理基本知识：通信信号处理基础知识；通信信 号的描述形式；无线传输信道的特征和模型。 第二章：均衡技术：符号间干扰（ISI）产生的原因；均衡的作用；
均衡实现原理；均衡器结构分类；均衡性能评价准则；均衡算法。
第三章：阵列信号处理：阵列天线系统种类、结构、特点和模型；
• 频域：频率分集接收和信号合并处理
• 空域：空间分集、空时分集、协同分集信号处理
• 码域：多用户检测
• 空、时、频、码域多维联合信号处理
通信信号的表示和特征
• 通信信号分类 随机信号与确定信号 平稳信号和非平稳信号
连续信号与离散信号
低通信号与带通信号
有限功率信号与无限功率信号
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第一章 通信信号处理基本知识
有线通信
通信 无线通信
基带传输 频带传输
模拟调制 数字调制
骨干网络（核心网络） 通信网络
接入网络（空中接口）
窄带通信 宽带通信
1. 组网方式：点对点、点对多点、Ad Hoc、Mesh 2. 多址方式：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA 3. 复用技术：蜂窝技术
第一章 通信信号处理基本知识
常用信号处理技术
• 时域：均衡、交织（时间分集） • 频域：OFDM、频率分集 • 空域：智能天线、空间分集、协同分集 • 多域（空、时、频、码）联合：多用户检测
1.2 通信信号的表示和特征
• 通信信号分类 ➢ 随机信号与确定信号 ➢ 平稳信号和非平稳信号 ➢ 连续信号与离散信号 ➢ 低通信号与带通信号 ➢ 有限功率信号与无限功率信号 • 通信信号具有随机特征 • 通信信号处理采用统计分析方法
一、平稳过程
1. 严格平稳过程（狭义平稳过程） 随机变量 x (t ) 的概率分布函数与 x(t ) 的概率分布函数对所有的时延τ都是相同的。
2. 广义平稳过程（弱平稳、协方差、二阶平稳） ① 数学期望为常数 E[x(t)]m ② 功率有限 E[x(t)2] ③ 协方差
E { x ( t ) [ m ] x ( s ) [ m ] } E [ x ( t ) x ( s ) m ] 2 R x ( t s ) m 2 R x ( t , s ) m 2
二、循环平稳过程
• 周期平稳（cyclostationary）特性：统计特性表现为周期或多 周期平稳变化，本身是非平稳信号
➢ 一阶循环平稳过程：数学期望具有周期性 ➢ 二阶循环平稳过程：相关函数具有周期性 ➢ 高阶循环平稳过程：高阶统计量具有周期性
I(A)NloP g (A)
H pi logpi i1
参考文献
❖ 张贤达、保铮：通信信号处理，国防工业出版社，北京，2000 ❖ Joseph Boccuzzi 著 ， 刘 祖 军 译 : Signal Processing for Wireless
Communications，电子工业出版社，北京，2010 ❖ IEEE Transaction on Communications ❖ IEEE Transaction on Antennas and Propagation ❖ IEEE Transaction on Vehicular Technology ❖ IEEE Transaction on Signal Processing
平稳信号统计特性
• 自相关函数关于时延τ共轭对称 Rx*()Rx() • 功率谱密度是非负实数 P x*(f)P x(f)0 f
• 信号功率有限 E [x(t)2]R x(0 ) P x(f)d f
• 信号通过LTI系统，平稳特性不变
y ( t ) x ( t ) * h ( t ) x ( u ) h ( t u ) d ,P y ( u f) H ( f) 2 P x ( f)
通信信号处理第一章2013
精品jing
易水寒江雪敬奉
课程概况
• 教学目标 ① 了解通信信号的各种描述形式、无线传输信道特征、模型； ② 了解通信信号处理对象、常用方法、主要内容； ③ 重点掌握通信信号的时域处理和空域处理方法； ④ 了解5个主题：时域均衡、认知无线电中的信号处理、协同通
信中的信号处理、阵列天线系统中的信号处理、多用户检测。
三、解析信号
• Hilbert变换性质 ① 实信号经过Hilbert变换，信号频谱幅度保持不变 ② 解析信号实部和虚部之间存在 s(t)H[sˆ(t)] ③ 实信号的Hilbert变换 s(t) H { H [s(t)] } H 2 [s(t)] ④ 如果 x(t)x1(t)*x2(t)Hilbert变换满足
一阶循环平稳过程
• 随机信号的均值 M x(t)M x(tk0 T )
•
均值的Fourier级数展开
Mx(t) Mxej2t
• 循环频率α；
• 循环均值
M x T 1 0 T T 0 0 //2 2M x(t)e j2 td tx (t)e j2 tt
二阶循环平稳过程
• 随机信号的相关函数 R x(t,)R x(tk0T ,)
t
二阶循环平稳过程
二阶循环平稳过程性质
• 随机信号通过LTI系统，输出信号功率谱和互功率谱
P y (f) H (f)2 P x (f)P y ,* ( y f) H ( f) H ( f) P x * ( x f)
• 循环谱相关密度函数和循环谱互相关密度函数
•
相关函数的Fourier级数展开
Rx(t,) Rx()ej2t
• 循环相关函数 R x () T 1 0 T T 0 0 // 2 2 R x ( t,) e j2 td tx ( t)x * ( t ) e j2 t t
• 对称形式 R x ()x (t /2 )x * (t /2 )t
• 用循环二阶统计量可以辨识非最小相位系统
• 信号检测：频谱感知+模式识别
三、解析信号
• 实际传输用实信号，信号处理用复信号 • 解析信号 sA(t)s(t)js ˆ(t)
• 实部 s(t)a(t)co(st)[]
• 虚部 sˆ(t)s(t)*h(t)s(t)*1t
• Hilbert滤波器传递函数 H( f ) 1
信源
信道编码
基带
调制
信源编码
上变频
功放
信道解码
信宿
基带
解调
信源解码
下变频
选放
1.1 通信信号处理研究对象
• 通信信号具有的重要特点： ➢ 传输环境非常复杂：多径效应、阴影效应、各种干扰 ➢ 干扰：多普勒效应、耦合效应、多址干扰 ➢ 信号传输可靠性要求高 ➢ 信号传输有效性要求高 • 通信信号处理主要针对通信系统的接收部分 • 利用通信信号处理技术改善接收性能，弥补传输环境造成的影响
P y ( f ) H ( f ) H ( f ) P x ( f ) P y * , ( f y ) H ( f ) H ( f ) P x * ( f x )
•
谱相关系数
x(f)
Px(f)
Px(f/2)Px(f/2)
y(f) x(f)
• 用功率谱或相关函数辨识非最小相位系统存在多重性