1、1,通信原理教程（第3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,3,1.2 消息、信息和信號 消息：語音、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：消息的載體 通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖切盘?4,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 和種類無關(guān) 和類型無關(guān) 和貴重程度 和重要程度 無關(guān) 無關(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 1 mm” - 信息量小 “明天降雨量將達(dá)到1 m” - 信息

2、量大 “明日太陽將從東方升起” - 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, 此時單位為“比特”。 # 對于一個等概率、二進(jìn)制碼元： I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/2) = 1 比特,6,# 對于一個等概率、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,7,1.3數(shù)字通信 1.3.1基本概念 兩類信號 模擬信號：取值連續(xù)，例如語音 數(shù)字信號：取值離散，例如數(shù)

3、據(jù),8,模擬信號,數(shù)字信號,數(shù)字信號,t,t,t,t,模擬信號和數(shù)字信號,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 錯誤率 手段 統(tǒng)計(jì)判決理論,10,1.3.2 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn) 取值有限，能正確接收。,數(shù)字信號波形的失真和恢復(fù),11,可采用糾錯和檢錯技術(shù)，大大提高抗干擾性。 可采用高保密性能的數(shù)字加密技術(shù)。 可綜合傳輸各種模擬和數(shù)字輸入信號 易于設(shè)計(jì)、制造，體積小、重量輕。 可作信源編碼，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。,12,1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型,13,14,1.3

4、.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M進(jìn)制：Rb = RB log2 M 消息速率：RM 錯誤率： 誤碼率Pe = 錯誤接收碼元數(shù)/傳輸碼元總數(shù) 誤比特率Pb = 錯誤接收比特?cái)?shù)/傳輸總比特?cái)?shù),15,誤字率Pw = 錯誤接收字?jǐn)?shù)/總傳輸字?jǐn)?shù) 誤碼率和誤比特率的關(guān)系 Pb = Pe x M / 2(M-1) Pe /2 誤字率和誤比特率的關(guān)系 對于二進(jìn)制， 若一個字由k比特組成，則 Pw1 (1 Pe)k 頻帶利用率 能量利用率,16,1.4 信 道 信道的分類： 無線信道 有線信道

5、 信道中的干擾： 有源干擾 - 噪聲 無源干擾 - 信道特性不良引起,17,1.4.1 無線信道 無線電通信的起源 電磁波發(fā)射對波長的要求 頻段（波長）劃分,18,頻段（波長）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 (10-100 km)聲納、授時 30 300 低頻(LF) 導(dǎo)航、水下通信 (1-10 km)無線電信標(biāo) 300 3000 中頻(MF) 廣播、海事通信、 (100-1000m)測向、遇險求救、 海岸警衛(wèi),19,頻段（波長）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

6、-100m) 與船只間通信、船岸通信、 業(yè)余無線電 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） 無線電探空儀、導(dǎo)航、衛(wèi)星 通信、GPS、監(jiān)視雷達(dá)、 無線電高度計(jì),20,頻段（波長）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)

7、用 （0.1 1 mm）,21,頻段（波長）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 = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz, THz = 1012 Hz, mm = 10-3 m, m = 10-6 m,22,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)生在波長障礙物尺寸可比時 通信距離：可達(dá)數(shù)百數(shù)千 km,24,D層：高60 80 km

8、E層：高100 120 km F層：高150 400 km F1層：140 200 km F2層：250 400 km 晚上：D層、F1層消失 E層、F2層減弱,電離層的結(jié)構(gòu),25,天 波 電離層高度：60 300 km 單跳最大距離：4000 km 多跳可以環(huán)球 頻率：2 30 MHz,26,視線傳播,頻率： 30 MHz 傳播距離: d 2 + r 2 =(h+r)2, 或 h D 2/50 (m) 式中 D km,h,r,地面,27,無線電中繼,28,靜止衛(wèi)星中繼通信,29,平流層中繼通信,HAPS(High Altitude Platform Station),30,大氣對電磁波傳播的

9、影響,31,散射通信,電離層散射 頻率: 30 60 MHz 對流層散射 頻率: 100 4000 MHz 流星余跡散射 頻率: 30 100 MHz,32,蜂窩網(wǎng),33,1.4.2 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，可見大約有350條線。 對稱電纜： 同軸電纜,圖1.4.8 同軸電纜截面示意圖,34,有線電信道電氣特性,35,光纖 結(jié)構(gòu) 損耗,1.4.3 信道模型,36,37,調(diào)制信道模型: 對于單“端對”信道 eo(t) = f ei(t) + n(t) 式中 ei(t) 輸入的已調(diào)信號； eo(t) 輸出信號； n(t) 加性噪聲，它與ei(t)相互獨(dú)

10、立。 f ei(t) 與輸入有關(guān)的一個函數(shù), 表示信道對于信號的影響。,38,通常， f ei(t) 可以表示為：k(t) ei(t)， 此時， eo(t) = k(t) ei(t) + n(t) 其中k(t)表示時變線性網(wǎng)絡(luò)的特性 ，稱為乘性干擾。 k(t) 一個復(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，移動蜂窩網(wǎng)通信信道,39,編碼信道模型: 二進(jìn)制信號、無記憶信道， 其中，P(0/0), P(1/1) 正確轉(zhuǎn)移概率

11、P(0/1), P(1/0) 錯誤轉(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),40,四進(jìn)制,41,1.4.4 信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?恒參信道: 非時變線性網(wǎng)絡(luò) 鏈路：一段物理線路，中間沒有任何交換設(shè)備。 振幅頻率特性,42,頻率失真的補(bǔ)償,43,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”,非線性失真: 振幅特性非線性、頻率偏移、相位抖動

12、 非線性失真 難以消除,44,45,變參信道: 變參信道的共性 衰落: 衰減隨機(jī)變化 傳輸時延: 隨機(jī)變化 多徑效應(yīng): 快衰落 接收信號的特性: 設(shè)發(fā)送信號為A cos 0t，則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號R (t)可以表示為： 式中 ri (t) 第 i 條路徑的接收信號振幅； i (t) 第 i 條路徑的傳輸時延 i (t) = - 0 i (t) X c (t)X s (t),46,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，

13、R(t)可以視為一個窄帶信號（隨機(jī)過程）。,47,由下式可見， 原發(fā)送信號A cos 0t，經(jīng)過傳輸后： * 恒定振幅A，變成慢變振幅V(t); * 恒定相位0，變成慢變相位(t)； * 因而，頻譜由單一頻率變成窄帶頻譜。,48,頻率選擇性衰落 設(shè)：只有兩條多徑傳播路徑，且衰減相同，時延不同； 發(fā)射信號為f(t)，接收信號為af(t - 0)和af(t - 0 - )； 發(fā)射信號的頻譜為F()。 則有 f(t) F() af(t - 0) a F() e-j0 af(t - 0 - ) a F() e-j(0 + ) af(t - 0) + af(t - 0 - ) a F() e-j0 (1+e-j) H() = a F() e-j0 (1+e-j)/F() =