通信原理第五版第一章緒論

電發(fā)明(1800年伏特)－有線電報(bào)(1837莫爾斯)－電磁波理論(1864麥克斯韋)－有線電話(1876貝爾)－無線電報(bào)(1896馬克尼)真空管(電子管1906)－調(diào)幅廣播(1918)－調(diào)頻廣播(1936)脈沖編碼原理(1937)數(shù)字通信－電視(1938)－發(fā)明晶體管,香農(nóng)提出信息論(1948)－越洋電纜(1956)－人造衛(wèi)星(1957)－發(fā)明激光(1960)集成電路(1961)－彩電、計(jì)算機(jī)(60年代)－大規(guī)模集成電路(70～80年代)－光纖通信—移動(dòng)電話、互聯(lián)網(wǎng)(90年代)多媒體通信(21世紀(jì))通信理論不斷完善,通信手段不斷發(fā)展,通信器件不斷更新現(xiàn)代通信從電通信發(fā)展開始:三、通信系統(tǒng)組成信息信號有兩種類型:模擬信號:就是一個(gè)時(shí)間連續(xù)、取值無限得信號;

語音:300~3400Hz音樂:20Hz~20KHz均屬于模擬信號得范疇圖像:0~6MHz數(shù)字信號:就是一個(gè)時(shí)間離散、取值有限得信號。信息源發(fā)送設(shè)備傳輸媒質(zhì)接收設(shè)備受信者噪聲與干擾1、基本組成:2、模擬信號與數(shù)字信號4、數(shù)字通信系統(tǒng)組成信源信源編碼加密器解密器信源譯碼信宿信道編碼調(diào)制器信道再生中繼器信道解調(diào)器信道譯碼信息源調(diào)制器信道解調(diào)器收信者噪聲與干擾3、模擬通信系統(tǒng)得組成5、模擬通信與數(shù)字通信6、數(shù)字通信得特點(diǎn)(1)

數(shù)字信號得抗干擾能力強(qiáng),特別就是可以再生,消除噪聲得積累,因此大大增加了傳輸距離;(3)數(shù)字信號易于加密處理,從而提高通信得安全性;可以用來檢測一位錯(cuò)誤可糾正一位錯(cuò)誤或檢測兩位錯(cuò)誤(2)數(shù)字信號可以通過糾錯(cuò)編碼進(jìn)一步降低誤碼率;噪聲E－E顯然噪聲電平不超過＋E或－E,接收端就能正確識別,如果超過才會產(chǎn)生誤碼。AB

10110許用碼組禁用碼組

0001

1110

采用2位二進(jìn)制碼許用碼組禁用碼組000001010100111101110

011采用3位二進(jìn)制碼采用1位二進(jìn)制碼01四、通信方式

全雙工：發(fā)收如：電話，internet

可同時(shí)半雙工：

發(fā)收

不能同時(shí)1、點(diǎn)與點(diǎn)通信:單工:發(fā)收如：廣播、電視(5)數(shù)字電路與系統(tǒng)易于集成化,集成化得規(guī)模越來越大,從而提高設(shè)備得可靠性和可維護(hù)性;

(6)數(shù)字通信可以綜合地將語音、圖像、電視、文字和數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行存儲、處理和傳輸。綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)正替代分離得電話網(wǎng),數(shù)據(jù)網(wǎng),電視網(wǎng);(7)數(shù)字信號一般比模擬信號占據(jù)更大得帶寬。(4)數(shù)字信號易于處理和存儲,特別就是在信號得壓縮方面潛力很大

A

B

CD

E(3)總線方式(1)直接型(網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))

A

B

C

D

E2、通信網(wǎng)得基本結(jié)構(gòu):網(wǎng)孔型(直通式)、星型(交換式)、總線型、環(huán)形、樹型等。(2)交換式(星型結(jié)構(gòu))

A

B

C

D

E交換機(jī)例:無線通信采用蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)－蜂窩移動(dòng)通信示意圖小區(qū)制得優(yōu)點(diǎn):(1)可大大節(jié)省發(fā)射功率,從而使接收機(jī)小型化。(2)可重復(fù)使用相同得頻率,有效節(jié)省頻率資源;MTSO:

移動(dòng)電話交換局星型結(jié)構(gòu)五、通信使用得頻段1、無線電波在空間傳輸?shù)萌N方式:地波無線電、天波無線電和空間波無線電(3)空間波:(100MHz～300GHz),特點(diǎn)就是微波頻段得電磁波具有直線視距傳播得特性,也稱視距波。如衛(wèi)星通信、地面移動(dòng)通信。地面波:(10KHz～3MHz),特點(diǎn)就是她沿著地球表面?zhèn)鞑?地球并不就是很好得良導(dǎo)體隨著頻率升高,損耗越大。通常使用中、長波波段。中波廣播(531KHz～1605KHz)(2)天波:(3MHz～100MHz),特點(diǎn)就是利用電離層、對流層地反射或散射傳播,如短波電臺民用廣播占據(jù)得頻段:中波(MF)和短波(HF),調(diào)頻廣播得頻段就是VHF(甚高頻)電視占用兩個(gè)頻段VHF(12個(gè)頻段)和超高頻(UHF,70個(gè)頻段)10大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流衛(wèi)星中繼通信示意圖重復(fù)地區(qū)

盲區(qū)18101公里35860Km12725Km2、有線

電線(導(dǎo)線、雙絞線(也稱對稱電纜)在300KHz以下),

同軸電纜(1GHz以下),波導(dǎo)(1GHz～300GHz),

光纖(100THz～10000THz)波長頻率名稱傳輸媒質(zhì)傳播方式應(yīng)用頻率

紫外可見光光纖激光束光通信

1P1um

紅外

100T1cm

特高頻

衛(wèi)星

100G10cm極高頻波導(dǎo)移動(dòng)、微波1m

超高頻(UHF)

視距無線電

雷達(dá)

1G10m

甚高頻(VHF)

電視調(diào)頻廣播

100M100m高頻

(HF)

同軸電纜天波無線電

10M1km中頻(MF)

3M10km

低頻地波無線電調(diào)幅廣播

1MHz100km

甚低頻電線海底通信

100KHz

10KHz

聲頻

電話、電報(bào)

1KHz

電磁波頻譜六、通信信道1、信道得定義:信道就是通信系統(tǒng)得一部分,她就是連接發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間得傳輸通路。按照傳輸媒質(zhì)可分為有線信道和無線信道兩大類。2、信道得劃分:狹義信道:僅指傳輸傳輸媒質(zhì)廣義信道:根據(jù)研究問題得不同,簡化系統(tǒng)模型和突出重點(diǎn),如在研究調(diào)制解調(diào)時(shí),可把調(diào)制器得輸出到解調(diào)器輸入之間得放大,天線電路和傳輸媒質(zhì)組成得信道稱為調(diào)制信道,而研究編譯碼問題時(shí),對編碼器得輸出到譯碼器輸入之間整個(gè)對碼序列影響得部分稱為編碼信道。信源信源編碼信道編碼調(diào)制發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解調(diào)信道譯碼信源譯碼信宿編碼信道狹義信道調(diào)制信道圖、信道得劃分廣義信道信道狹義信道無線信道有線信道調(diào)制信道編碼信道恒參信道隨參信道廣義信道無記憶編碼信道有記憶編碼信道3、信道模型(1)編碼信道:由于信道對傳輸信號得影響最終表現(xiàn)為在數(shù)字序列得變化上,即經(jīng)過信道得輸出就是否與編碼器得輸出一致,則譯碼器譯出得數(shù)字信號就以某種概率發(fā)生錯(cuò)誤,引起誤碼,她用數(shù)字信號得轉(zhuǎn)移概率表示其信到模型。

P(0/0)00

P(1/0)

P(0/1)11

P(1/1)圖二進(jìn)制編碼信道模型無記憶編碼信道:數(shù)字信號得前一碼元得差錯(cuò)對后面碼元無影響。有記憶編碼信道:數(shù)字信號得前一碼元得差錯(cuò)對后面碼元有影響。4.恒參信道：信道特性不隨時(shí)間變化，可等效為線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò):只有加性干擾可將調(diào)制信道等效地看成一個(gè)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)；(2)

調(diào)制信道模型采用頻域均衡來抵消線性畸變(1)幅度—頻率畸變典型音頻電話信道的損耗30011002900Hz損耗(dB)乘性干擾，加性干擾(2)相位頻率畸變,群延遲特性電話信道的群延遲特性0.81.62.43.2kHz群延遲(ms)5、變參信道對信號傳輸?shù)糜绊?既存在加性干擾也有乘性干擾,其傳輸媒質(zhì)具有下面3個(gè)特點(diǎn):(1)對信號得衰落隨時(shí)間變化而變化;(2)傳輸?shù)脮r(shí)延隨時(shí)間變化而變化;(3)多徑傳播。前2種,我們稱為慢衰落,而多徑傳播引起就是快衰落。6、多徑傳播對信號傳輸?shù)糜绊?由于多徑傳播,到達(dá)接收端得各路徑波形時(shí)延不同,會在時(shí)域上造成接收信號波形得展寬,這種現(xiàn)象稱為時(shí)間彌散,甚至?xí)痤l率選擇性衰落。短波信道得多徑傳播得幾種形式圖見書P46[1]、一次反射和兩次反射;[2]、反射區(qū)高度不同[3]、尋常波與非尋常波[4]、漫射現(xiàn)象Στf(t)f(t-τ)

r(t)以兩徑傳播為例:最大多徑時(shí)延為定義相鄰兩個(gè)谷點(diǎn)的頻差為相干帶寬：多徑(時(shí)延)擴(kuò)展

平坦衰落[1].信號的帶寬<信道的帶寬[2].時(shí)延擴(kuò)展<碼元間隔頻率選擇性衰落[1].信號的帶寬>信道的帶寬[2].時(shí)延擴(kuò)展>碼元間隔7、多普勒擴(kuò)展(時(shí)間選擇性衰落)由于移動(dòng)用戶與基站得相對運(yùn)動(dòng)而引起得接收信號頻率得移動(dòng)得現(xiàn)象,稱為多普勒效應(yīng)。v:運(yùn)動(dòng)速度,

f

c:載頻,f

m

:最大多普勒頻移高速移動(dòng)用戶信道f

cff

c＋fmfttTD七、噪聲及其特性

噪聲存在于通信系統(tǒng)得各個(gè)部分,她得存在會使通信系統(tǒng)質(zhì)量變壞,可靠性下降,因此在分析通信系統(tǒng)性能時(shí),分析她得抗噪聲性能就是一個(gè)重要內(nèi)容,就是研究各種通信體制得重要內(nèi)容,也就是我們?nèi)绾芜x擇不同通信體制得重要參考,同時(shí)抗噪聲性能得好壞,也就是我們選擇不同通信體制得基礎(chǔ)、無論在恒參信道或變參信道,都存著在加性噪聲,她們迭加在接收信號上,對通信質(zhì)量有很大得影響,其特點(diǎn)就是她們都獨(dú)立于信號而存在,并以迭加形式干擾信號。而乘性噪聲就是隨著信號得出現(xiàn)而出現(xiàn),消失而消失。1、加性噪聲得分類[1]、無線電噪聲:來源于別得無線電發(fā)射機(jī);[2]、工業(yè)噪聲:來源于各種電氣設(shè)備,如:電力線,電路開關(guān),電焊機(jī),高頻電爐。[3]、天電噪聲:來源于自然界中各種電磁波源,如雷電,宇宙得電磁輻射。[4]、內(nèi)部噪聲:來源于信道內(nèi)得設(shè)備和元器件,如電阻和各種導(dǎo)體內(nèi)自由電子得熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生得熱噪聲,電子管和晶體管內(nèi)因電子發(fā)射不均勻性所引起得散彈噪聲,以及電源設(shè)備因?yàn)V波不良而引起得交流噪聲等。信道內(nèi)得加性噪聲來源很多,按來源得不同,可分為:[1]、單頻噪聲:電源得交流噪聲,設(shè)備得自激振蕩,高頻電爐得干擾等,特點(diǎn)就是波形連續(xù),頻譜單一,單頻噪聲可通過實(shí)際測量而確定,采取措施可預(yù)防。[2]、脈沖噪聲:工業(yè)噪聲得點(diǎn)火花,電路通斷時(shí)所產(chǎn)生得噪聲,閃電干擾等,特點(diǎn)就是突發(fā)脈沖得幅度大,持續(xù)時(shí)間短,她對模擬通信影響不大,對數(shù)字通信會造成危害(一串錯(cuò)碼)。[3]、起伏噪聲:熱噪聲,散彈噪聲和天電噪聲得宇宙噪聲,這類噪聲得特點(diǎn)就是波形隨時(shí)間做不規(guī)則得隨機(jī)變化,她就是一種固有噪聲,既不可避免,又始終起作用,她就是影響通信質(zhì)量得主要因素。按性質(zhì)分為:以后分析研究噪聲對通信系統(tǒng)得影響時(shí),一般就是指起伏噪聲。2、

白噪聲白噪聲就是指整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有恒定得功率譜密度得噪聲,

完全理想得白噪聲就是不存在得,但只要噪聲功率譜均勻分布得范圍超過工作頻段范圍很多時(shí),可視為白噪聲。電阻熱噪聲得功率譜密度均勻分布范圍約為1013Hz,通常認(rèn)為她就是典型得白噪聲,散彈噪聲和宇宙噪聲得功率譜均勻分布范圍在一般得工作頻率范圍也近似為恒定,因此也可視為白噪聲。在以后研究和分析得加性噪聲就指白噪聲(也稱起伏噪聲)白噪聲得特點(diǎn):①以迭加得形式干擾用用信號——加性噪聲②功率譜密度為常數(shù)③統(tǒng)計(jì)特性就是零均值得正態(tài)分布,也稱高斯白噪聲帶限噪聲:在整個(gè)頻帶范圍,功率譜就是非均勻分布得噪聲,所有除白噪聲以外得噪聲稱為有色噪聲,也稱頻帶有限得噪聲,或者說白噪聲通過具有帶限得系統(tǒng)后,就稱為有色噪聲。也稱限帶噪聲3、窄帶高斯