通信原理課程講義（圖1-1通信系統(tǒng)一般模型）*信源（InformationSource）：產(chǎn)生消息的源頭。根據(jù)輸出信號(hào)的性質(zhì)，可分為模擬信源和數(shù)字信源。*發(fā)送設(shè)備（Transmitter）：對(duì)信源輸出的信號(hào)進(jìn)行處理和變換，使其適合在信道中傳輸。典型的處理包括編碼（信源編碼、信道編碼）、調(diào)制、濾波、放大等。*信道（Channel）：信號(hào)傳輸?shù)拿浇榛蚵窂健Ｐ诺罆?huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減、失真，并引入噪聲。*接收設(shè)備（Receiver）：與發(fā)送設(shè)備的功能相反，對(duì)經(jīng)過信道傳輸后受到干擾和衰減的信號(hào)進(jìn)行處理，試圖恢復(fù)出原始信號(hào)。主要包括解調(diào)、譯碼、濾波、放大等。*信宿（Destination）：消息的接收者，是通信的最終目的地。*噪聲源（NoiseSource）：通信系統(tǒng)中各種干擾的集中表示，它會(huì)影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，是限制通信系統(tǒng)性能的主要因素之一。1.4模擬通信與數(shù)字通信*模擬信號(hào)：指代表消息的信號(hào)參量（如幅度、頻率、相位）隨消息連續(xù)變化的信號(hào)。例如，傳統(tǒng)電話中的語音信號(hào)。*數(shù)字信號(hào)：指代表消息的信號(hào)參量不連續(xù)變化，而是取有限個(gè)離散值的信號(hào)。例如，計(jì)算機(jī)中處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。相應(yīng)地，傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信因其抗干擾能力強(qiáng)、易于處理和存儲(chǔ)、便于加密、可實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)綜合傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前通信技術(shù)的主流。第二章：信號(hào)與噪聲分析基礎(chǔ)2.1確知信號(hào)的分析確知信號(hào)是指其取值在任何時(shí)刻都是確定的、可以預(yù)知的信號(hào)。對(duì)確知信號(hào)的分析是研究通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。*時(shí)域分析：主要關(guān)注信號(hào)的波形、幅度、寬度等隨時(shí)間變化的特性。常用的參數(shù)有峰值、平均值、均方值等。*頻域分析：通過傅里葉變換，將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，得到信號(hào)的頻譜特性。頻譜反映了信號(hào)能量或功率在頻率上的分布情況，是設(shè)計(jì)濾波器、分析信號(hào)帶寬的重要依據(jù)。信號(hào)的帶寬是指信號(hào)頻譜主要能量或功率所占的頻率范圍。2.2隨機(jī)信號(hào)與噪聲通信系統(tǒng)中，攜帶信息的信號(hào)有時(shí)具有隨機(jī)性（如信源輸出的數(shù)字信號(hào)），而噪聲則完全是隨機(jī)的。*隨機(jī)信號(hào)：是指在任意時(shí)刻的取值具有不確定性，但又遵循一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律的信號(hào)。對(duì)隨機(jī)信號(hào)的分析需采用概率統(tǒng)計(jì)的方法，如概率密度函數(shù)、數(shù)學(xué)期望、方差、相關(guān)函數(shù)、功率譜密度等。*噪聲：是通信系統(tǒng)中不需要的電信號(hào)，它會(huì)干擾有用信號(hào)的傳輸。常見的噪聲包括熱噪聲、散彈噪聲、宇宙噪聲等。其中，加性高斯白噪聲（AWGN）是一種理想化的噪聲模型，在通信系統(tǒng)分析中被廣泛采用。“加性”指噪聲與信號(hào)線性疊加；“高斯”指其概率密度函數(shù)服從高斯分布；“白”指其功率譜密度在很寬的頻率范圍內(nèi)為常數(shù)。2.3信道的數(shù)學(xué)模型與參數(shù)信道是通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其特性對(duì)通信質(zhì)量有決定性影響。*恒參信道：信道參數(shù)（如衰減、相移）不隨時(shí)間變化或變化緩慢。如有線信道（電纜、光纖）、部分無線信道（微波視距傳播）。其主要失真為線性失真，可通過均衡技術(shù)補(bǔ)償。*隨參信道：信道參數(shù)隨時(shí)間隨機(jī)快速變化。如短波電離層反射信道、移動(dòng)通信中的多徑衰落信道。其主要特點(diǎn)是多徑傳播和多普勒頻移，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰落和彌散。信道的主要參數(shù)包括：*傳輸損耗：信號(hào)在信道中傳輸所產(chǎn)生的功率衰減。*信道帶寬：信道允許通過的信號(hào)頻率范圍。*信道容量：在給定條件下，信道能夠無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾剩ㄏ戕r(nóng)公式將在后續(xù)章節(jié)介紹）。第三章：信源編碼與信道編碼3.1信源編碼的基本概念信源編碼的主要目的是：1.提高信息傳輸?shù)挠行裕和ㄟ^去除信源輸出信號(hào)中的冗余信息，用盡可能少的碼元表示信息。2.完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸和處理。對(duì)于數(shù)字信源，信源編碼主要是壓縮冗余度；對(duì)于模擬信源，則需經(jīng)過抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟將其數(shù)字化，最典型的例子是脈沖編碼調(diào)制（PCM）。3.2模擬信號(hào)的數(shù)字化*抽樣：按照一定的時(shí)間間隔抽取模擬信號(hào)的樣值，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)。關(guān)鍵是要滿足奈奎斯特抽樣定理，即抽樣頻率應(yīng)不低于模擬信號(hào)最高頻率的兩倍，才能無失真地恢復(fù)原始信號(hào)。*量化：將抽樣得到的離散幅度值映射到有限個(gè)離散電平上。量化不可避免地會(huì)引入量化誤差，即量化噪聲。量化可分為均勻量化和非均勻量化。非均勻量化能改善小信號(hào)的量化信噪比，在語音編碼中廣泛應(yīng)用（如A律、μ律壓縮特性）。*編碼：將量化后的離散電平值用二進(jìn)制（或多進(jìn)制）代碼表示。3.3信道編碼的基本概念信道編碼，又稱差錯(cuò)控制編碼，其目的是提高信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｋㄟ^在原始信息碼元序列中按照一定規(guī)則加入監(jiān)督（冗余）碼元，使接收端能夠發(fā)現(xiàn)或糾正傳輸過程中因噪聲干擾而產(chǎn)生的差錯(cuò)。*差錯(cuò)控制方式：主要有檢錯(cuò)重發(fā)（ARQ）、前向糾錯(cuò)（FEC）和混合糾錯(cuò)（HEC）等。*碼距與檢糾錯(cuò)能力：編碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力與碼組間的最小漢明距離（碼距）密切相關(guān)。碼距越大，檢糾錯(cuò)能力越強(qiáng)。3.4常用的簡(jiǎn)單編碼*奇偶監(jiān)督碼：在信息碼組后加一位監(jiān)督碼元（奇監(jiān)督或偶監(jiān)督），使碼組中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)?？蓹z測(cè)奇數(shù)個(gè)錯(cuò)碼。*循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC碼）：具有很強(qiáng)的檢錯(cuò)能力，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信中。其編碼和解碼可通過移位寄存器實(shí)現(xiàn)。第四章：數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)4.1調(diào)制的目的與分類數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字基帶信號(hào)（如矩形脈沖序列）變換為適合在模擬信道中傳輸?shù)哪M調(diào)制信號(hào)的過程。解調(diào)則是調(diào)制的逆過程。調(diào)制的主要目的：1.將基帶信號(hào)頻譜搬移到較高的載頻上，以適應(yīng)信道的傳輸特性（如無線信道需要較高頻率的電磁波才能輻射）。2.實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用，提高信道利用率。3.改善系統(tǒng)抗噪聲性能。數(shù)字調(diào)制可分為振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK）三大類，以及它們的各種改進(jìn)形式。4.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制*二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）：用載波的有無（或兩個(gè)不同振幅）表示二進(jìn)制的“1”和“0”。其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但抗噪聲性能較差。*二進(jìn)制頻率鍵控（2FSK）：用兩個(gè)不同頻率的載波分別表示二進(jìn)制的“1”和“0”。其抗干擾性能優(yōu)于2ASK，應(yīng)用較廣泛。*二進(jìn)制相位鍵控（2PSK/BPSK）：用載波的兩種不同相位（通常是0和π）表示二進(jìn)制的“1”和“0”。其抗噪聲性能優(yōu)于2ASK和2FSK。由于2PSK存在“相位模糊”問題，實(shí)際中常用二進(jìn)制差分相位鍵控（2DPSK），它是利用前后碼元的相對(duì)相位變化來傳遞信息，可克服相位模糊。4.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制為了提高頻帶利用率，可采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制（M進(jìn)制）。此時(shí)，一個(gè)碼元可以攜帶log2M比特信息。*多進(jìn)制振幅鍵控（MASK）*多進(jìn)制頻率鍵控（MFSK）*多進(jìn)制相位鍵控（MPSK）：如四相相移鍵控（QPSK）、八相相移鍵控（8PSK）等。*正交振幅調(diào)制（QAM）：將幅度和相位結(jié)合起來進(jìn)行調(diào)制，能更有效地提高頻帶利用率，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。第五章：數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸5.1數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)是指未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)，其頻譜集中在零頻率附近。常見的基帶信號(hào)波形有矩形脈沖、升余弦脈沖等。分析基帶信號(hào)的頻譜特性，主要關(guān)注其直流分量、低頻分量、高頻分量以及主瓣寬度（決定信號(hào)帶寬）。5.2無碼間串?dāng)_的基帶傳輸碼間串?dāng)_是指由于信道特性不理想，前一個(gè)碼元的波形延伸到后續(xù)碼元的抽樣時(shí)刻，對(duì)后續(xù)碼元的判決造成干擾，是影響基帶傳輸性能的主要因素之一。奈奎斯特第一準(zhǔn)則給出了無碼間串?dāng)_的條件：若基帶傳輸系統(tǒng)的總傳輸特性H(f)滿足∑H(f+kRs)=常數(shù),|f|≤Rs/2其中Rs為碼元速率，則在抽樣時(shí)刻不存在碼間串?dāng)_。滿足此條件的典型H(f)有理想低通特性和升余弦滾降特性。升余弦滾降特性由于其實(shí)現(xiàn)容易且時(shí)域波形尾部衰減快，在實(shí)際中被廣泛采用。5.3基帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能在加性高斯白噪聲的影響下，基帶傳輸系統(tǒng)的誤碼率與信號(hào)的波形、信噪比、判決門限等因素有關(guān)。我們需要分析不同編碼（如單極性、雙極性）和不同判決方式下的誤碼率性能，以評(píng)估系統(tǒng)的可靠性。5.4眼圖眼圖是評(píng)估基帶傳輸系統(tǒng)性能的一種直觀有效的實(shí)驗(yàn)手段。通過示波器觀察接收端的基帶信號(hào)波形，并將其疊加顯示，所形成的圖形類似人眼。眼圖的張開程度、眼皮厚度、交叉點(diǎn)等特征，可以反映系統(tǒng)的碼間串?dāng)_和噪聲水平。第六章：同步技術(shù)同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的問題。接收端必須與發(fā)送端保持同步，才能正確地接收和恢復(fù)信息。同步是指接收端的本地載波、碼元定時(shí)、幀定時(shí)等與發(fā)送端相應(yīng)的載波、定時(shí)信號(hào)在頻率和相位上保持一致（或確定的關(guān)系）。6.1載波同步載波同步是指接收端恢復(fù)出與發(fā)送端同頻同相（或固定相位差）的載波。對(duì)于相干解調(diào)，載波同步是必不可少的。常用的載波同步方法有插入導(dǎo)頻法和直接法（如平方環(huán)、科斯塔斯環(huán)）。6.2位同步（碼元同步）位同步是指接收端產(chǎn)生一個(gè)與接收碼元速率相同、相位與最佳抽樣時(shí)刻一致的定時(shí)脈沖序列。位同步是正確抽樣判決的基礎(chǔ)。常用的位同步方法有外同步法和自同步法（如濾波法、鎖相環(huán)法）。6.3群同步（幀同步）群同步是指接收端能夠正確識(shí)別數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束位置，以便將接收的碼元序列正確分組，恢復(fù)出原始的消息格式。常用的群同步方法有起止式同步法和插入特殊同步碼組法（如PCM中的幀同步碼）。第七章：數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)包括有效性和可靠性。7.1有效性指標(biāo)有效性衡量系統(tǒng)傳輸信息的速率和效率。*碼元傳輸速率（RB）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目，單位為波特（Baud）。*信息傳輸速率（Rb）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，單位為比?秒（bit/s）。對(duì)于M進(jìn)制，Rb=RB*log2M。*頻帶利用率（η）：?jiǎn)挝活l帶內(nèi)的信息傳輸速率（ηb=Rb/B，單位bit/(s·Hz)）或碼元傳輸速率（ηB=RB/B，單位Baud/Hz）。7.2可靠性指標(biāo)可靠性衡量系統(tǒng)傳輸信息的準(zhǔn)確程度。*誤碼率（Pe）：接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比。*誤信率（Pb）：接收的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)與傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)之比。在實(shí)際系統(tǒng)中，有效性和可靠性往往是相互矛盾的，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行權(quán)衡。課程總結(jié)與展望本課程系統(tǒng)介紹了通信原理的基本概念、理論和關(guān)鍵技術(shù)，包括通信系統(tǒng)模型、信號(hào)與噪聲分析、信源編碼、信道編碼、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、基帶傳輸、同步技術(shù)以及系統(tǒng)性能指標(biāo)等核心內(nèi)容。這些知識(shí)是理解和設(shè)計(jì)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通信技術(shù)正朝著高速化、寬帶化、智能化、泛在化的方向飛速發(fā)展。未來的通信系統(tǒng)將面臨更高的帶寬需求、更低的時(shí)延要求、更多的連接設(shè)備以及更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。希望同學(xué)們能夠扎實(shí)掌握本課程所學(xué)，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)移動(dòng)通信、光纖通信、衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)通信等專業(yè)課程，以及投身通信技術(shù)的研究與應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)通信原理，不僅要理解公式和定理，更要注重其物理意義和工程應(yīng)用背景，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。思考題與