國家級虛擬仿真實驗教學一流本科課程《無人機集群技術》第三章

無人機集群通信物理層技術目錄3.1通信系統組成模型3.2通信的基本方式和復用方式3.3信息及其度量3.4數字調制3.5信道編碼3.6無線鏈路預算3.7本章小結通信系統組成模型3.13.1什么是通信4通信系統的一般模型

通信是指將信息從一地傳輸到另一地，即完成信息傳輸。信息作為一種資源，只有通過廣泛地傳播、交流與共享，才能產生利用價值。

而通信作為傳輸信息的手段，伴隨著計算機技術、傳感技術和微電子等技術，正向著智能化、高速化、寬帶化、移動與個人化等方向飛速發展。通信的定義3.15通信系統的一般模型1.消息：信息的一種外在表現形式。如包含有信息的語言、文字和圖像等。同一信息可以用不同的消息來載荷，如某一事件，可以用語言來表達，也可以用文字來描述。2.信息：對接收者來說事先不確定的事件。接收者在收到信息之前，對它的內容是不知道的，所以信息是新知識、新內容；信息的獲得能使某一事件的不確定性減少；信息是可以量度的。3.信號：表示消息的物理量。電信號，光信號。單從傳輸的角度，三者是等價的。

消息、信息和信號3.16通信系統的一般模型通信系統一般模型信源信道信宿發送設備接收設備噪聲源3.17通信系統的一般模型通信系統一般模型信源信道信宿發送設備接收設備噪聲源產生需傳輸的消息3.18通信系統的一般模型通信系統一般模型信源信道信宿發送設備接收設備噪聲源發送設備：加工信號將消息轉換為合適在信道傳輸的信號3.19通信系統的一般模型通信系統一般模型信源信道信宿發送設備接收設備噪聲源信道：傳輸媒介(有線信道&無線信道3.110通信系統的一般模型通信系統一般模型信源信道信宿發送設備接收設備噪聲源接收設備：減小噪聲及干擾的影響，把信號轉換為信宿能接收的信號3.111通信系統的一般模型通信系統一般模型信源信道信宿發送設備接收設備噪聲源消息傳輸的目的地3.112通信系統的一般模型通信系統一般模型信源信道信宿發送設備接收設備噪聲源通常用等效噪聲源來表示3.113信號的特點及分析域頻域：大多數的信息信號是低通型的帶限信號，頻譜集中在低頻段，稱為基帶信號或低通型信號。

電話300～3400Hz；電視0～6MHz；調幅廣播300KHz～3MHz時域：

模擬基帶信號

信號的某一個參量可以取無限多個值，且與消息直接對應。

數字基帶信號

信號的某一個參量只能取有限個值，且通常不直接與消息對應。。3.114模擬信號與數字信號模擬信號載荷信息的信號參量取值是連續（不可數、無窮多）的，并且直接與消息對應。模擬信號有時也稱連續信號，這里連續的含義是指信號載荷的消息的參量連續變化，在某一取值范圍內可以取無窮多個值，而不一定在時間上也連續。模擬信號3.115模擬信號與數字信號數字信號載荷信息的信號參量為有限個取值，并且常常不直接或者不準確地與消息對應，如計算機輸出的信號。最典型的數字信號是只有兩種取值的信號。數字信號3.116數字通信系統模型以數字信號作為載體傳送信息的通信系統稱為數字通信系統。數字通信系統信

源信道聲噪信源編碼信道編碼調制器解調器信道譯碼信源譯碼信宿同步系統加密解密交織解交織ASKFSKPSKDPSK3.117信源編碼與信道編碼

信源編（譯）碼

a）變換信源信號的表達方式，將模擬信號轉變為數字基帶信號，使其便于傳輸。

b）壓縮信源信號的冗余成分，提高系統的傳輸效率。

A/D轉換、波形變換、參數編碼等

信道編（譯）碼通過有目的的增加信息的冗余度，使系統具有一定的糾檢錯能力，提高系統傳輸信息的質量。

分組碼、卷積碼、級聯碼等3.118數字通信系統的優勢

抗干擾能力強，特別是在中繼傳輸時更為明顯。可以進行差錯控制，因而提高了信息傳輸的可靠性。

便于使用現代計算機技術，對信號進行處理，存儲和變換從而提高信息傳輸的靈活性。

便于加密，實現保密信息傳輸。

易于和其他系統配合使用，構成一個靈活，通用，多功能的綜合業務信息傳輸網。3.119通信的基本方式和復用方式3.2通信的基本方式1.單工通信：單工通信是指消息只能單方向傳輸的工作方式，通信雙方中只有一個可以進行發送，另一個只能接收，如廣播、遙測、遙控、無線尋呼等。對于點到點之間的通信，按消息傳遞的方向與時間關系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信。2.半雙工通信：半雙工通信是指通信雙方都能收發消息，但不能同時進行收和發的工作方式。例如，使用同一載頻的普通對講機，問詢及檢索等。3.全雙工通信：全雙工通信是指通信雙方可同時收發消息的工作方式。一般來說全雙工通信的信道必須是雙向信道，利用頻分雙工、時分雙工等技術進行雙向同時通信。電話是全雙工通信一個常見的例子。3.221通信的基本方式3.222通信的基本方式FDD：頻分雙工TDD：時分雙工3.223常用的復用方式復用指多路信號利用同一個信道同時進行獨立傳輸，是通信的關鍵技術之一。其目的是為了充分利用信道的資源，提高信道的利用率。目前傳輸多路信號基本復用方式有：

頻分復用（Frequency-divisionmultiplexing,FDM）

時分復用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）

碼分復用（CodeDivisionMultiplexing,CDM）

空分復用（SpaceDivisionMultiplexing,SDM）3.224常用的復用方式2.時分復用以信道傳輸時間作為分割對象，通過脈沖調制的方法分配互不重疊的時間片段（時隙）的方法來實現多路復用。如今時分復用比頻分復用的應用更為廣泛。1.頻分復用按頻率來劃分信道的復用方式，用頻譜搬移的方法使多路信號占據不同的頻帶進行信號傳輸，每一個子信道傳輸一路信號。4.空分復用利用空間分割來實現多路通信的一種復用方式，其利用陣列天線形成不同波束實現空分復用。3.碼分復用用正交的編碼分別攜帶不同信號的復用方式，各碼型間彼此不會造成干擾。3.225頻分多路復用（FDM）通過分配多個子信道來實現多路復用（調制實現頻譜搬移）3.226時分多路復用（TDM）通過分配互不重疊的時隙來實現多路復用。3.227碼分多路復用（CDM）通過不同碼字來區分各路原始信號的一種復用方式。FrequencyCDMPowerTime碼1碼2碼3碼43.228空分多路復用（SDM）利用陣列天線，形成不同波束來實現多路復用。3.229多種多路復用方式聯合使用頻域(FDM)EnergyTimeFDMFrequencyCDMTDM業務分配到干擾最小的時隙時域(TDM)空域(SDM)業務動態的分配到干擾最小的頻率上自適應智能天線技術選擇最佳解耦方向碼域(CDM)動態分配不同的碼字3.230信息及其度量3.3信息量信息量的定義

假設信源是由q個離散符號S1，S2，···，Si，···，Sq所組成的符號集合，集合中的每個符號是獨立的，其中任一符號Si對應出現的概率為P(Si)，并且0≤P(Si)≤1，ΣP(Si)=1。那么，符號Si含有的信息量記為I(Si)，則：

上述的對數底為2，則信息量I(Si)的單位為比特（bit）

二元制等概信源。此時信源符號僅有“0”和“1”，并且對應的概率均為0.5，根據信息量的定義：3.332信息量信源的熵一般來說，信源里各符號出現的概率并不相等，那么各符號所含信息量各不相同。如果先后相繼發出的符號互不相關，即統計獨立，其信源符號平均信息量記為H(S)稱為該信源的熵。3.333信息量信源的熵H(S)稱為該信源的熵。熵有如下性質：（1）熵的物理概念是信源每個符號的平均信息量，單位是比特/符號。（2）熵是非負的，最小為零。（3）當信源符號等概時，熵有最大值，記為。式中，q為信源符號個數。（4）只要信源各符號不等概，則H(S)<Hmax(S)。信源冗余：3.334信息量信息速率信源發出的信息是以信號的形式通過信道進行傳送的，單位時間通過信道的平均信息量稱為信息速率，記為：式中，TB是每個符號持續的時間。當信源的熵取最大值時，信息速率也達到最大，即：式中Rb,max也稱為信道容量，它是信道最大無誤信息速率。3.335香農公式香農公式1.

假設信道的帶寬為B(Hz)，信道輸出的信號功率為S(W)及輸出加性帶限高斯白噪聲功率為N(W)，則信道的信道容量為上式是信息論中著名的香農（Shannon）公式。2.香農公式的另一形式：若噪聲單邊功率譜密度為n0，噪聲功率N=n0B

，則3.336香農公式a)增大信號功率S可以增加信道容量C。若信號功率S趨于無窮大時，則信道容量C也趨于無窮大b)減小噪聲功率譜密度n0

也可以增加信道容量C。若n0趨于零，則C趨于無窮大（1）在給定B、S/N的情況下，信道的極限傳輸能力為C，而且此時能夠做到無差錯傳輸（即差錯率為零）。（2）提高信道容量的方法:3.337香農公式當信道帶寬B趨于無窮大時，信道容量C的極限值為c)

增大信道帶寬B可以增加信道容量C，但不能使信道容量C無限制地增大。 3.338S/N與Eb/n0之間的關系

設噪聲為高斯白噪聲，單邊功率譜密度為n0，帶通濾波器的等效矩形帶寬為B，則信噪比為：

式中，S為信號平均功率，T為碼元時間寬度。3.339數字調制3.4基本的數字調制方式3種基本形式的數字調制：振幅鍵控、頻率鍵控和相位鍵控。數字調制的調制信號是數字基帶信號，相應的數字已調信號的被調參數取離散的有限個值，因此數字調制產生的波形種類有限；數字信號接收的任務就是要識別那種數字波形是否存在，因此抽樣判決器對數字信號的接收是必不可少的；在對調制性能研究中，數字調制討論誤碼率；數字調幅、數字調頻和數字調相，分別稱為振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK），它們是最基本的數字調制方式。3.441基本的數字調制方式—ASK振幅鍵控是用數字基帶信號控制載波信號的振幅，這是一種最古老的調制方式。振幅鍵控（ASK）幅度調制（ASK）3.442ASK有兩種實現方法：模擬調制法和鍵控法。振幅鍵控（ASK）ASK信號調制器原理圖基本的數字調制方式—ASK3.443FSK信號的產生有兩種方法，直接調頻法和頻率鍵控法。頻率鍵控（FSK）頻率鍵控法原理圖基本的數字調制方式—FSK3.444相位鍵控分成絕對移相CPSK和相對移相DPSK兩種。在二進制CPSK中，我們規定數字基帶信號為“0”碼時，已調信號相對于載波的相位為π；數字基帶信號為“1”碼時，已調信號相對于載波相位為同相。按此規定，2CPSK信號的數學表示式為：CPSK波形相位是相對于載波相位而言的。因此畫CPSK波形時，必須先把載波畫好，然后根據相位的規定，才能畫出它的波形。相位鍵控（PSK）基本的數字調制方式—PSK3.445基本的數字調制方式2CPSK信號實際上相當于抑制載波的雙邊帶信號。因此，它可以看作是雙極性基帶信號作用下的調幅信號。2CPSK產生2PSK信號調制原理框圖3.446基本的數字調制方式相對移相記為DPSK，它是利用前后碼之間載波相位的變化表示數字基帶信號的。所謂相位變化又有兩種定義方法，這就是向量差和相位差。相位鍵控（PSK）相位模糊絕對移相波形規律比較簡單。而相對形相波形規律比較復雜，那么為什么還要提出相對移相的概念呢？絕對移相在解調時，必須要先恢復載波，才能恢復基帶信號。由于接收端恢復載波常常要采用二分頻電路，存在相位模糊，這樣就給絕對移相信號的解調帶來困難。而相對移相與載波相位無直接關系，因此在實際設備中，相對移相得到了廣泛運用。3.447信道編碼3.5信道編碼類型按照不同角度，可分為不同類型：按照差錯控制編碼的用途不同可分為檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼。按照監督碼元和信息碼元之間的關系可分為線性碼和非線性碼。按照對信息元處理方式的不同可分為分組碼和卷積碼。按照碼組中信息碼元編碼前后是否相同可分為系統碼和非系統碼。3.549

前向糾錯（ForwardErrorCorrection,FEC）：發端發送糾錯碼，接收端的譯碼器能自動發現和糾正錯誤。

檢錯重發（AutomaticRepeatRequest,ARQ）：發端發出檢錯碼，通過前向信道送往接收端，收端的譯碼器判決后將判決信號由反向信道送回發端，發端重發有錯的消息，直至正確接受為止。

混合糾錯（HybridErrorCorrection,HEC）：當收端收到少量錯碼時，在收端直接糾正，即采用前向糾錯；當錯碼太多，則采用檢錯重發。

信息反饋（InformationFeedback,IF）：收端將接收消息原封不動地送回發端，由發端將反饋信息和原發送信息進行比較，發現錯誤進行重發。差錯控制差錯控制分類3.550信道編碼中的術語—編碼效率1.碼長碼組（又稱碼字或碼矢）中編碼的總位數稱為碼組的長度，簡稱碼長。如“1101”碼長為4，“10110”碼長為5。2.碼重

碼組中“1”碼元數目稱為碼組的重量，簡稱碼重。如“11010”碼重為3。3.編碼效率分組碼一般可用符號（n，k）表示，其中k是碼組中信息碼元的數目，n是碼組的長度，則監督碼元的數目r為（n-k）。那么編碼效率R可表示為3.5514.碼距兩個等長碼組之間對應位上數字不同的位數稱為碼組的距離，簡稱碼距，又稱漢明距離。如“11010”和“10110”有兩個對應位不同，故碼距為2。

最小碼距與糾/檢錯能力有著密切關系，它們之間的關系可歸納如下：（1）檢測e個錯碼，要求最小碼距（2）糾正t個錯碼，要求最小碼距（3）糾正t個錯碼，同時檢測e個錯碼，要求最小碼距信道編碼中的術語—最小碼距3.552卷積碼屬于非分組碼、多碼段相關、糾錯能力較強的前向糾錯碼。

我們將卷積碼記作(n,k,N)。碼率則仍定義為k/n。卷積碼在編碼時雖然也是把k個比特的信息段編成n個比特的碼組，但是監督碼元不僅和當前的k比特信息段有關，而且還同前面m=(N–1)個信息段有關。并將N稱為編碼約束長度。11.2常用的簡單編碼卷積碼3.553（2，1，3）的卷積碼編碼器的結構（2，1，3）卷積碼編碼器包含三級移位寄存器，其中第3級為當前輸入，第1、2級表示當前狀態，表示狀態的二進制數，先輸入的比特在前，后輸入的比特在后。11.2常用的簡單編碼卷積碼編碼器結構3.554卷積碼的狀態可用網格圖表示：11.2常用的簡單編碼卷積碼的狀態表示3.555作為概率譯碼的一種，維特比(Viterbi)譯碼算法被廣泛采用。基于最大似然序列估計的維特比譯碼過程是基于網格圖的。11.2常用的簡單編碼維特比譯碼算法3.556假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。11.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.557假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。11.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.55811.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。5911.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。6011.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。6111.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。62Turbo碼Turbo碼又稱并行級連卷積碼（PCCC）。它是前人工作的巧妙綜合與發展，其基本思想就在于利用短碼的并聯來構造長碼，譯碼時再轉化為短碼來譯碼，并利用了循環迭代的思想。Turbo碼譯碼性能可以接近香農公式極限。利用兩個碼率為1/2的卷積碼并聯的Turbo碼在AWGN信道上的誤比特率（BER）可以達到10-5，達到了近Shannon限的性能。由于Turbo碼的上述優異性能并不是從理論研究的角度給出的，而僅是計算機仿真的結果。因此，Turbo碼的理論基礎還不完善。3.563它由2個成員碼編碼器、1個交織器和1個刪余復接器組成。Turbo碼Turbo碼編碼器Turbo碼編碼器3.564譯碼器1完成對一個數據幀的譯碼并經過交織后，由譯碼器2進行譯碼，經過解交織，由譯碼器1完成再譯碼，如此反復迭代，直至正確譯碼或不能再糾正錯誤為止。Turbo碼Turbo碼譯碼器Turbo碼譯碼器3.565使用Turbo碼存在一定的誤差底限。對于固定交織長度的Turbo碼，其誤差底限可根據不同的交織規則在10-4到10-9之間變化。存在這種誤差底限的主要原因是由于Turbo碼的設計并不是絕對的長隨機碼。對于中等交織長度的情況，交織后的序列與交織前的序列相關性越小，則Turbo碼越接近隨機碼，對應的誤差底限就越低。Turbo碼Turbo碼誤差底限3.566無線鏈路預算3.6鏈路預算舉例3.6假設某型通信系統：采用時分體制，預留保護時隙，同時考慮時間同步開銷，實際信道傳輸速率為18.4Mbps。無線鏈路采用Turbo編碼，QPSK調制，OFDM傳輸體制，考慮解調損失及信道編碼增益，下行接收機Eb/n0取7dB。收/發信機噪聲系數為