1、通信原理,科研所,掌握通信系統(tǒng)的組成、分類、性能度量及所要解決的基本問題； 2. 系統(tǒng)掌握通信系統(tǒng)的基本原理及其性能的基本分析方法； 3. 了解現(xiàn)代通信技術(shù)與理論的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢。,本課程的基本要求,與各課程的關(guān)系： 先修課程： 信號與系統(tǒng) 概率論與數(shù)理統(tǒng)計 電子技術(shù)基礎(chǔ)（模電、數(shù)電） 高頻電子線路,教材及主要參考書： 教材： 通信原理教程樊昌信編電子工業(yè)出版社 主要參考書： 1. 現(xiàn)代通信原理與技術(shù)張輝等西安電子科技大學(xué)2002 2. 現(xiàn)代通信原理曹志剛等清華大學(xué)出版社1992 3. 數(shù)字通信（第四版），John G. Proakis張力軍等譯，電子工業(yè)出版社， 2003,學(xué)習(xí)本課程的幾點建

2、議： 1 本課程全面研究通信系統(tǒng)的一般原理和性能，它的一切分析研究都是在“信號分析”和“隨機過程”的基礎(chǔ)上。 2 本課程不是從具體電路出發(fā)，而是從系統(tǒng)的物理模型、數(shù)學(xué)模型著手進行分析，要求注意掌握好所要求的基本概念。 3 本課程是一門概念性和理論性較強的課程，要適當(dāng)?shù)囟嘧鲂┚毩?xí)題，以加深對基本概念的理解。 4 本課程是一門呈上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課，要求有一定的知識面且和計算機緊密地聯(lián)系在一起。通信原理，通信技術(shù)，通信系統(tǒng)構(gòu)成了通信全部。所以需要進行一定地實驗和實踐，以及自己對生活中的通信內(nèi)容進行思索，了解通信技術(shù)和通信系統(tǒng)。,第一章 概論 了解通信的基本概念及常用通信術(shù)語 了解通信的發(fā)展概況 3.

3、 明確信息量的概念及其度量方法 4. 了解數(shù)字通信的優(yōu)缺點 5. 掌握通信系統(tǒng)的模型，以及數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 6. 了解信道的概念、分類、模型及特點，掌握信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?第一章 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,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：傳輸消息的手段（媒介） *通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖切盘?信息的度量： *制定度量方法考慮的原則 貨 物消 息 貨運量信息量 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 總量是單件獨立 貨運

4、量之和消息的信息量之和,通信的目的在于傳遞信息。為了對通信系統(tǒng)的性能與質(zhì)量進行定量的分析、研究與評價，就需要對信息進行度量，我們定義能夠衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用I表示。 信息是一個抽象的概念，它能否被量化并且如何量化呢？,我們從常識的角度來感覺三條消息： 明天太陽將從東方升起；信息量零 明天降雨量將有1mm；信息量小 明天降雨量將有1m 。信息量大 由此可見，對接收者來說，事件越不可能，越是使人感到意外和驚奇，信息量就越大。 假設(shè)P(x)是一個消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息，根據(jù)上面的認知，顯然I與P(x)之間的關(guān)系反映為如下規(guī)律：,（1）信息量是概率的函數(shù)，即 I=fP

5、(x) （2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且 P(x)1時，I0 P(x)0時，I （3）若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,綜上所述，信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系應(yīng)為 I=loga(1/P(x) = logaP(x) 信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。 a=2時，信息量的單位為比特(bit)； a=e時，信息量的單位為奈特(nit)； a=10時，信息量的單位為十進制單位，叫哈特萊。 目前廣泛使用的單位為比特。,eg.1：設(shè)二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0

6、或1，則信源每個輸出的信息含量為 I(0)=I(1)=-log2(1/2) =log22=1 (bit) eg.2：采用四進制符號A，B，C，D來傳輸上述消息，當(dāng)?shù)雀怕蕰r，每個符號的信息量為 I(A)=I(B)=I(C)=I(D)=-log2(1/4)=log24=2 (bit) 這時每一個四進制符號需要用2個二進制脈沖表示； 同理，傳送等概率的八進制波形之一（P=1/8）的信息量為3比特，這時需要3個二進制脈沖。,綜上所述，對于M進制等概率波形（P=1/M），每個M進制波形的信息量為： 若M = 2k，則I = k 比特,eg.3：四進制符號A，B，C，D，出現(xiàn)的概率分別為1/4，1/8，1

7、/8，1/2，求每個符號的平均信息量。 I(A)=log(1/4)=2(bit) I(B)=I(C)=log(1/8) =3(bit) I(D)= log(1/2) =1(bit) 每個符號的平均信息量為： 平均信息量 與eg.2比較得：等概時，平均信息量最大。,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)，例如語音信號、正弦信號、圖像信號。 數(shù)字信號：取值離散，例如計算機、電 報機等輸出信號。,模擬信號與數(shù)字信號,模擬信號,數(shù)字信號,t,t,t,t,碼元,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

8、 準(zhǔn)則 錯誤率 手段 統(tǒng)計判決理論,1.3.2 數(shù)字通信的優(yōu)點 取值有限，能正確接收。,(a) 失真的數(shù)字信號,(b) 恢復(fù)的數(shù)字信號,數(shù)字信號波形的失真和恢復(fù),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、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。 信噪比隨帶寬按指數(shù)規(guī)律增長。,1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型,模擬通信系統(tǒng)模型,發(fā)送端,接收端,噪 聲,調(diào)制目的：是使信號特性適合信道特性，能夠更順利地傳輸。 模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制： （1）模擬調(diào)制 基帶信號：(即原始信號，一般指未調(diào)制過的信號)瞬時值

9、狀態(tài)無限。 頻帶信號：(即已調(diào)信號，載波一般為正弦信號)參數(shù)A、F、P狀態(tài)數(shù)無限 模擬調(diào)制：用載波信號的某一參量（A、F、P）的值來表示（模擬）基帶信號信息,基帶信號：,已調(diào)信號：,（2）數(shù)字調(diào)制 基帶信號：瞬時值狀態(tài)數(shù)（離散）有限。如：計算機、電報機等輸出的信號。 已調(diào)信號：信號的參數(shù)（A、F、P）狀態(tài)數(shù)有限。 數(shù)字調(diào)制：用載波信號的某一參量（A、F、P）的值來表示（數(shù)字）基帶信號信息。,1.3.4 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo),有效性：傳輸信息的速度，可用傳輸速率來衡量。 可靠性：傳輸信息的質(zhì)量，可用錯誤率來衡量。 傳輸速率： 碼元速率RB 每秒鐘傳輸?shù)拇a元數(shù), 單位為：波特(Baud)或(

10、符號/秒) 信息速率：Rb 每秒傳輸?shù)男畔⒘?，單位為：比?秒(bit/s，bps) 對M進制：Rb = RB log2 M 消息速率：RM 單位時間內(nèi)傳輸?shù)南?shù)目。 一般地，信息速率與碼速率之間地關(guān)系為 Rb= RBI平均(bit/s) 等概率時：Rb=RBlog2M（bit/s），信息速率也達到最大。,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 = 錯誤接收比特數(shù)/傳輸總比特數(shù) 誤字率Pw = 錯誤接收字數(shù)/總傳輸字數(shù) 誤碼率和誤比特率的關(guān)系 Pb = Pe x M / 2(M-1) Pe /2 誤字率和誤碼率的關(guān)系 對于二進制，若一個字由k比特組成，則 Pw1

11、 (1 Pe)k 頻帶利用率 能量利用率,4,5,解： 依題意,則,由式（1.3-6）得系統(tǒng)的誤碼率,1.3.5模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 模擬通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。當(dāng)信道容許傳輸帶寬一定，而進行多路頻分復(fù)用時，每路信號所需的有效帶寬越窄，信道內(nèi)復(fù)用的路數(shù)就越多。顯然，信道復(fù)用的程度越高，信號傳輸?shù)挠行跃驮胶?。信號的有效傳輸帶寬與系統(tǒng)采用的調(diào)制方法有關(guān)。同樣的信號用不同的方法調(diào)制得到的有效傳輸帶寬是不一樣的。,1.3.5模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。信噪比是信號的平均功率S與噪聲的平均功率N之比。信噪比越高

12、，說明噪聲對信號的影響越小。顯然，信噪比越高，通信質(zhì)量就越好。輸出信噪比一方面與信道內(nèi)噪聲的大小和信號的功率有關(guān)，同時又和調(diào)制方式有很大關(guān)系。例如寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的有效性不如調(diào)幅系統(tǒng)，但是調(diào)頻系統(tǒng)的可靠性往往比調(diào)幅系統(tǒng)好。,1.4 信 道 1.4.0 信道的定義：,信道是連接發(fā)送端和接收端的設(shè)備,并將信號從發(fā)送端傳送到接收端,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,電磁波傳播：地波、天波、視線傳播,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：可達數(shù)百數(shù)千 km 應(yīng)用：導(dǎo)航、短距離傳輸,D層：高60 80 km E層：高100

13、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),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 應(yīng)用：遠程廣播、電報、電話,頻率： 30 MHz 傳播距離: d2 + r2 =(h+r)2, 或 h D2/50 (m) 式中 D km 應(yīng)用：FM廣播、電視、 衛(wèi)星通信、移動通信,視線傳播,h,r,地面,d,d,D,r,h,無線電中繼,靜止衛(wèi)星中繼通信,平流層中繼通信,HAPS(High Altitude Platform S

14、tation),高空平臺電臺，可代替衛(wèi)星作為基站中繼。,散射通信,電離層散射 頻率: 30 60 MHz 對流層散射 對流層散射機理：由于大氣的運動，對流層內(nèi)產(chǎn)生許多不均勻的氣團，可用作散射體 頻率: 100 4000 MHz 流星余跡散射 頻率: 30 100 MHz,大氣對電磁波傳播的影響,1.4.2 有線信道 明線 對稱電纜 同軸電纜,圖1.4.8 同軸電纜截面示意圖,有線電信道電氣特性,光纖 結(jié)構(gòu) 損耗,1.4.3 信道模型 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，

15、引起信噪比下降，它與ei(t)相互獨立。 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。,ei(t),eo(t),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，引起信號畸變。 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)參(量)信道。例如，：天波、地波、散射、移動蜂窩網(wǎng)通信信道,編碼信道模

16、型: 二進制信號、無記憶信道， 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),0,1,1,0,P(0/0),P(0/1),P(1/1),P(1/0),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) 振幅頻率特性 理想特性：|H()|k，(表示衰減)否則，產(chǎn)生頻率失真。,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

17、率失真和相位失真： 屬于線性失真 可用“線性補償網(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 非線性失真 難以消除, (),0,理想特性,理想特性, (),總之，恒參信道的分析與設(shè)計相對簡單得多，恒參信道得設(shè)計主要是計算衰減，即接收信號的強度。 恒參信道的干擾主要來源是熱噪聲（又叫白噪聲）。,變參信道: 變參信道的共性 衰落: 衰減隨機變化 傳輸時延: 隨機變化 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

18、時延 i (t) = - 0 i (t) X c (t)X s (t),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，R(t)可以視為一個窄帶信號（隨機過程）。,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。,t,f,f0,快衰落現(xiàn)象：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

19、(t)，接收信號為f(t)af(t-0)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() = ae-j0 (1+e-j) |1+e-j| = |1+cos-jsin|=|(1+cos)2+sin21/2| =2|cos(/2)| 傳輸零點： /2k+ /2 (2k+ )/,相關(guān)帶寬表示信道傳輸特性相鄰兩個零點之間的頻率間隔。 如果信號

20、的帶寬比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。為了減小頻率選擇性衰落，就應(yīng)使信號的帶寬小于相關(guān)帶寬。在工程設(shè)計中，為了保證接收信號質(zhì)量， 通常選擇信號帶寬為相關(guān)帶寬的1/51/3。 當(dāng)在多徑信道中傳輸數(shù)字信號時，特別是傳輸高速數(shù)字信號，頻率選擇性衰落將會引起嚴(yán)重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響， 就必須限制數(shù)字信號傳輸速率。,隨參信道的衰落，將會嚴(yán)重地影響系統(tǒng)的性能。為了抗快衰落，通常可采用多種措施，例如，各種抗衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴頻技術(shù)等，其中較為有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。 按廣義信道的含義，分集接收可看作是隨參信道中的一個組成部分或一種改造形式，改造后的

21、隨參信道的衰落特性將得到改善。,衰落信道中接收的信號是到達接收機的各路徑分量的合成，如果在接收端同時獲得幾個不同路徑的信號，把這些信號適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號，這樣就能大大減小衰落的影響，這就是分集接收的基本思想。“分集”兩字就是把代表同一信息的信號分散傳輸，以求在接收端獲得若干衰落樣式不相關(guān)的復(fù)制品，然后用適當(dāng)?shù)姆椒右约泻喜ⅲ瑥亩_到以強補弱的效果。獲取不相關(guān)衰落信號的方法是將分散得到的幾個合成信號集中（合并）。只要被分集的幾個信號之間是統(tǒng)計獨立的，經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜⒑缶湍艽蟠蟾纳葡到y(tǒng)的性能。,1.5 信道中的噪聲,我們將信道中不需要的電信號統(tǒng)稱為噪聲。通信系統(tǒng)中沒有傳輸信號時也有噪聲，噪聲永

22、遠存在于通信系統(tǒng)中。由于這樣的噪聲是疊加在信號上的，所以有時將其稱為加性噪聲。 一、按照來源分類 1、人為噪聲。它是由人類的活動產(chǎn)生的，例如電鉆和電氣開關(guān)瞬態(tài)造成的電火花、汽車點火系統(tǒng)產(chǎn)生的電火花、熒光燈產(chǎn)生的干擾、其它電臺和家電用具產(chǎn)生的電磁波輻射等。,2、自然噪聲。它是自然界中存在的各種電磁波輻射，例如閃電、大氣噪聲，以及來自太陽和銀河系等的宇宙噪聲。此外還有一種很重要的自然噪聲，即熱噪聲。熱噪聲來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。例如，導(dǎo)線、電阻和半導(dǎo)體器件等均會產(chǎn)生熱噪聲。 二、按照性質(zhì)分類 噪聲可以分為脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲三類。 1、脈沖噪聲。它是突發(fā)性地產(chǎn)生的幅度很大、持續(xù)時間很短、間隔時間很長的干擾。由于其持續(xù)時間很短，故其頻譜較寬，可以從低頻一直分布到甚高頻，但是頻率越高其頻譜的強度越小。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。,2、窄帶噪聲。它可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波，或簡單地就是一個幅度恒定的單一頻率的正弦波。通常它來自相鄰電臺或其它電子設(shè)備。窄帶噪聲的頻率位置通常是確知的或可以測知的。 3、起伏噪聲。它是在時域和頻域內(nèi)都普遍存