1通信原理教程

（第4版）2第1章概論1.1

通信的發(fā)展古代通信的起源兩類通信方式近代通信的發(fā)展31.2

消息、信息和信號(hào)消息：語(yǔ)音、文字、圖形、圖像…信息：消息的有效內(nèi)容

不同消息可有相同內(nèi)容信號(hào)：消息的載體 通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖切盘?hào)晴Clear云Cloud陰Overcast雨Rain4信息的度量：

*制定度量方法考慮的原則

貨物 消息 貨運(yùn)量 信息量 有多種 有多種 和種類無(wú)關(guān) 和類型無(wú)關(guān) 和貴重程度 和重要程度 無(wú)關(guān) 無(wú)關(guān) 總量是單件 總量是單件獨(dú)立 貨運(yùn)量之和 消息的信息量之和5

*制定度量信息的方法

#消息“量”信息量

#例：“明天降雨量將有1mm”

--信息量小

“明天降雨量將達(dá)到1m”

--信息量大

“明日太陽(yáng)將從東方升起”

--信息量零

#信息量I=I[P(x)]，P(x)--發(fā)生概率

#定義：I=loga

[1/P(x)]=-logaP(x) #通常取a=2,此時(shí)單位為“比特”。

#對(duì)于一個(gè)等概率、二進(jìn)制碼元：

I=log2[1/P(x)]=log2[1/(1/2)]=1比特6

#例：若仍用晴、陰、云、雨預(yù)報(bào)天氣，并且假設(shè)這4種狀態(tài)出現(xiàn)的概率相等，即P(x)=1/4，則每種狀態(tài)的信息量等于： I=log2(1/1/4)=2(b)

若用晴、陰、云、雨、霧、雪、霜、霾8種狀態(tài)預(yù)報(bào)天氣，并且假設(shè)這8種狀態(tài)出現(xiàn)的概率相等，即P(x)=1/8，則每種狀態(tài)的信息量等于：I=log2(1/1/8)=3(b)

#對(duì)于一個(gè)等概率、M進(jìn)制碼元：

I=log2[1/P(x)]=log2[1/(1/M)] =log2

M

比特 若M=2k

，則I=k

比特71.3數(shù)字通信

1.3.1基本概念兩類信號(hào)

模擬信號(hào)：取值連續(xù)，例如語(yǔ)音

數(shù)字信號(hào)：取值離散，例如數(shù)據(jù)8碼元模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)tttt模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)9兩類通信系統(tǒng)

模擬通信系統(tǒng) 要求－高保真度 準(zhǔn)則－信號(hào)噪聲功率（電壓）比 手段－參量估值方法 數(shù)字通信系統(tǒng) 要求－正確 準(zhǔn)則－錯(cuò)誤率 手段－統(tǒng)計(jì)判決理論101.3.2數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)取值有限，能正確接收。

數(shù)字信號(hào)波形的失真和恢復(fù)(a)失真的數(shù)字信號(hào)波形(b)中繼站整形后的數(shù)字信號(hào)波形11可采用糾錯(cuò)和檢錯(cuò)技術(shù)，大大提高抗 干擾性?？刹捎酶弑Ｃ苄阅艿臄?shù)字加密技術(shù)?？删C合傳輸各種模擬和數(shù)字輸入信號(hào)易于設(shè)計(jì)、制造，體積小、重量輕?？勺餍旁淳幋a，壓縮冗余度，提高信 道利用率。輸出信噪比隨帶寬按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。12數(shù)字通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端信源信道編碼調(diào)制信道壓縮編碼解調(diào)信宿保密解碼信道解碼壓縮解碼保密編碼噪聲同步信源編碼信源解碼1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型13模擬通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端噪聲調(diào)制信道解調(diào)信宿信源141.3.4

數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有效性和可靠性的關(guān)系（速度～質(zhì)量） 傳輸速率：碼元速率RB

－波特(Baud)信息速率：Rb－比特/秒(b/s)

對(duì)M進(jìn)制：Rb=RBlog2

M目前，干線上信息速率已達(dá)以Tb/s計(jì)。消息速率：RM

錯(cuò)誤率：誤碼率Pe

=錯(cuò)誤接收碼元數(shù)/傳輸碼元總數(shù)誤比特率Pb=錯(cuò)誤接收比特?cái)?shù)/傳輸總比特?cái)?shù)在光纖線路上，誤比特率在10-9量級(jí)。

15誤字率Pw=錯(cuò)誤接收字?jǐn)?shù)/總傳輸字?jǐn)?shù)誤碼率和誤比特率的關(guān)系

Pb=PexM/[2(M-1)]Pe/2誤字率和誤比特率的關(guān)系 對(duì)于二進(jìn)制， 若一個(gè)字由k比特組成，則

Pw＝1–(1–

Pe)k

頻帶利用率能量利用率161.4

信道信道的分類：

無(wú)線信道

有線信道信道中的干擾：

有源干擾---噪聲

無(wú)源干擾---信道特性不良引起17

1.4.1

無(wú)線信道無(wú)線電通信的起源電磁波的傳播：電磁波發(fā)射對(duì)波長(zhǎng)的要求頻段（波長(zhǎng)）劃分18頻段（波長(zhǎng)）劃分

頻率范圍 名稱 典型應(yīng)用

(kHz)3–30甚低頻(VLF)遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信 (10-100km) 聲納、授時(shí)

30–300 低頻(LF) 導(dǎo)航、水下通信 (1-10km) 無(wú)線電信標(biāo)300–3000中頻(MF)廣播、海事通信、

(100-1000m) 測(cè)向、遇險(xiǎn)求救、 海岸警衛(wèi)19頻段（波長(zhǎng)）劃分

頻率范圍 名稱 典型應(yīng)用

(MHz)3–30高頻(HF) 遠(yuǎn)程廣播、電報(bào)、電話、飛機(jī) (10-100m) 與船只間通信、船－岸通信、 業(yè)余無(wú)線電

30–300 甚高頻(VHF)電視、調(diào)頻廣播、陸地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽車、 警察、導(dǎo)航、飛機(jī)通信300–3000特高頻(UHF)電視、蜂窩網(wǎng)、微波鏈路、

(分米波） 無(wú)線電探空儀、導(dǎo)航、衛(wèi)星 通信、GPS、監(jiān)視雷達(dá)、 無(wú)線電高度計(jì)20頻段（波長(zhǎng)）劃分

頻率范圍 名稱 典型應(yīng)用

(GHz)

3–30超高頻(HF)

衛(wèi)星通信、無(wú)線電高度計(jì)、

（厘米波）微波鏈路、機(jī)載雷達(dá)、氣象 雷達(dá)、公用陸地移動(dòng)通信

30–300 極高頻(VHF)

鐵路業(yè)務(wù)、雷達(dá)著陸系統(tǒng)、

（毫米波）實(shí)驗(yàn)用300–3000亞毫米波

實(shí)驗(yàn)用

（0.1–1mm）21頻段（波長(zhǎng)）劃分

頻率范圍 名稱 典型應(yīng)用

(THz)

43–430 紅外線光通信系統(tǒng)

(7–0.7

m)

430–750可見(jiàn)光 光通信系統(tǒng)

(0.7–0.4

m)

750–3000 紫外線 光通信系統(tǒng)

(0.4–0.1

m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz, THz=1012Hz,mm=10-3m,

m=10-6m22對(duì)流層地球0~10km電離層60~300km平流層電磁波傳播：地波、天波、視線傳播23地波頻率：2MHz以下繞射：發(fā)生在波長(zhǎng)～障礙物尺寸可比時(shí)通信距離：可達(dá)數(shù)百～數(shù)千km中頻廣播信號(hào)都以這種方式傳播。地球24D層：高60~80kmE層：高100~120kmF層：高150~400kmF1層：140~200kmF2層：250~400km晚上：D層、F1層消失

E層、F2層減弱

電離層的結(jié)構(gòu)DEFF2F1地面25天波電離層高度：60～300km單跳最大距離：4000km多跳可以環(huán)球頻率：2～30MHz遠(yuǎn)程廣播和電報(bào)電話都可以利用天波傳播。地面信號(hào)傳播路徑地面圖1.4.2天波傳播26視線傳播頻率：>30MHz傳播距離:d2+r2=(h+r)2,

或

h

D2/50(m)式中D

－kmhr地面ddDr27無(wú)線電中繼圖1.4.4無(wú)線電中繼28靜止衛(wèi)星中繼通信29平流層中繼通信HAPS(HighAltitudePlatformStation)30頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5g/m3）的衰減頻率(GHz)(b)降雨的衰減衰減(dB/km)衰減(dB/km)水蒸氣氧氣降雨率圖1.4.5大氣衰減大氣對(duì)電磁波傳播的影響31散射通信電離層散射頻率:30~60MHz對(duì)流層散射頻率:100~4000MHz流星余跡散射頻率:30~100MHz圖1.4.6對(duì)流層散射通信地球有效散射區(qū)域地球圖1.4.7流星余跡散射通信32蜂窩網(wǎng)移動(dòng)交換中心電話交換中心331.4.2

有線信道明線:右圖為19世紀(jì)80年代紐約市百老匯

大街上架設(shè)的明線，可見(jiàn)大約有350條線。對(duì)稱電纜：同軸電纜圖1.4.8同軸電纜截面示意圖導(dǎo)體絕緣層34有線電信道電氣特性信道類型通話容量（路）頻率范圍(kHz)傳輸距離(km)明線1+30.3～27300明線1+3+120.3～150120對(duì)稱電纜2412～10835對(duì)稱電纜6012～25212～18小同軸電纜30060～13008小同軸電纜96060～41004中同軸電纜1800300～90006中同軸電纜2700300～120004.5中同軸電纜10800300～600001.535光纖結(jié)構(gòu)損耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波長(zhǎng)（nm）1.55

m1.31

m0.7 0,9 1.1 1.3 1.5 1.7實(shí)用的光纖在包層外還有一層涂覆層，用于保護(hù)，并且把多根光纖組成一根光纜。目前長(zhǎng)距離傳輸，光纖幾乎完全取代了明線和各種電纜。361.4.3

信道模型37譯碼器輸入發(fā)轉(zhuǎn)換器

媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器

解調(diào)器

調(diào)制器（調(diào)制）信道廣義（編碼）信道編碼器輸出38調(diào)制信道模型:對(duì)于單“端對(duì)”信道

eo(t)=f[ei(t)]+n(t)式中ei(t)－輸入的已調(diào)信號(hào)；

eo(t)－輸出信號(hào)；

n(t)－加性噪聲，它與ei(t)相互獨(dú)立。

f[ei(t)]－與輸入有關(guān)的一個(gè)函數(shù),

表示信道對(duì)于信號(hào)的影響。ei(t)eo(t)時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)除了只有一對(duì)輸入端和一對(duì)輸出端的信道外。還有更復(fù)雜的信道，見(jiàn)二維碼1.5A。39通常，f[ei(t)]可以表示為：k(t)ei(t)， 此時(shí)，

eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)其中k(t)表示時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)的特性

，稱為乘性干擾。

k(t)－一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，反映信道的衰減、線性失真、非線性失真、延遲…

等。 最簡(jiǎn)單情況：k(t)=常數(shù)，表示衰減。 當(dāng)k(t)=常數(shù)，稱為恒(定)參(量)信道 例如，同軸電纜

當(dāng)k(t)

常數(shù)，稱為隨(機(jī))參(量)信道 例如，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)通信信道40編碼信道模型:二進(jìn)制信號(hào)、無(wú)記憶信道， 其中，P(0/0),P(1/1)－正確轉(zhuǎn)移概率

P(0/1),P(1/0)－錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率 轉(zhuǎn)移概率－決定于編碼信道的特性

P(0/0)=1-P(1/0)

P(1/1)=1-P(0/1)0110P(0/0)P(0/1)P(1/1)P(1/0)41四進(jìn)制

01233210接收端發(fā)送端421.4.4

信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺?~非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)鏈路：一段物理線路，中間沒(méi)有任何交換設(shè)備。振幅~頻率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音頻電話信道特性43頻率失真的補(bǔ)償0Af(a)頻率失真信道特性0Af(b)線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)特性0Af(c)補(bǔ)償后信道特性44相位~頻率特性:

理想特性:相位

()=k;

群遲延()=d()/d=k

畸變的影響:波形失真（相位失真）、碼間串?dāng)_。線性失真:

頻率失真和相位失真：屬于線性失真 可用“線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)”糾正，－“均衡”ω

(

)0理想特性理想特性

(

)

045非線性失真:

振幅特性非線性、頻率偏移、相位抖動(dòng)…

非線性失真－難以消除46直線非線性關(guān)系輸入電壓輸出電壓圖1.4.13非線性特性47變參信道:變參信道的共性－衰落:衰減隨機(jī)變化 傳輸時(shí)延:隨機(jī)變化 多徑效應(yīng):快衰落接收信號(hào)的特性:

設(shè)發(fā)送信號(hào)為Acos

0t，則經(jīng)過(guò)n條路徑傳播后的接收信號(hào)R(t)可以表示為：

式中

ri(t)－第i條路徑的接收信號(hào)振幅；

i(t)－第i條路徑的傳輸時(shí)延

i(t)=-0

i(t) Xc(t) Xs(t)48式中 V(t)－合成波R(t)的包絡(luò);〖多徑衰落〗

(t)－合成波R(t)的相位。即有由于，相對(duì)于而言，ri(t)和i(t)變化緩慢，故Xc(t),Xs(t)及V(t),(t)也是緩慢變化的。所以，R(t)可以視為一個(gè)窄帶信號(hào)（隨機(jī)過(guò)程）。49由下式可見(jiàn)，原發(fā)送信