通信原理1精講

1、1通信原理教程（第3版）第一頁(yè)，共五十頁(yè)。2第1章 概 論1.1 通信的發(fā)展古代通信的起源兩類(lèi)通信方式近代通信的發(fā)展第二頁(yè)，共五十頁(yè)。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)第三頁(yè)，共五十頁(yè)。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(lèi)無(wú)關(guān) 和類(lèi)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第四頁(yè)，共五十頁(yè)。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

2、雨量將達(dá)到1 m” - 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 比特第五頁(yè)，共五十頁(yè)。6# 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 比特第六頁(yè)，共五十頁(yè)。71.3數(shù)字通信1.3.1基本概念兩類(lèi)信號(hào) 模擬

3、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)第七頁(yè)，共五十頁(yè)。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)第八頁(yè)，共五十頁(yè)。9兩類(lèi)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)判決理論第九頁(yè)，共五十頁(yè)。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)波形第十頁(yè)，共五十頁(yè)。11可采用糾錯(cuò)和檢錯(cuò)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)?？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

4、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)。第十一頁(yè)，共五十頁(yè)。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)模型第十二頁(yè)，共五十頁(yè)。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 源第十三頁(yè)，共五十頁(yè)。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 = RB log2 M消息速率：RM 錯(cuò)誤率：誤碼

5、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)第十四頁(yè)，共五十頁(yè)。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 = Pe x M / 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Pw1 (1 Pe)k 頻帶利用率能量利用率第十五頁(yè)，共五十頁(yè)。161.4 信 道信道的分類(lèi)：無(wú)線(xiàn)信道有線(xiàn)信道信道中的干擾：有源干擾 - 噪聲無(wú)源干擾 - 信道特性不良引起第十六頁(yè)，共五十頁(yè)。171.4.1 無(wú)線(xiàn)信道無(wú)線(xiàn)電通信的起源電磁波發(fā)射對(duì)波長(zhǎng)的要求頻段（波長(zhǎng)）劃分第十七頁(yè)，共五十頁(yè)。18頻段（波長(zhǎng)）劃分 頻率范

6、圍 名 稱(chēng) 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(shí) 30 300 低頻(LF) 導(dǎo)航、水下通信 (1-10 km)無(wú)線(xiàn)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)第十八頁(yè)，共五十頁(yè)。19頻段（波長(zhǎng)）劃分 頻率范圍 名 稱(chēng) 典型應(yīng)用 (MHz) 3 30 高頻(HF) 遠(yuǎn)程廣播、電報(bào)、電話(huà)、飛機(jī) (10-100m) 與船只間通信、船岸通信、 業(yè)余無(wú)線(xiàn)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(chē)、 警察、導(dǎo)航、飛機(jī)通信 30

7、0 3000 特高頻(UHF) 電視、蜂窩網(wǎng)、微波鏈路、 (分米波） 無(wú)線(xiàn)電探空儀、導(dǎo)航、衛(wèi)星 通信、GPS、監(jiān)視雷達(dá)、 無(wú)線(xiàn)電高度計(jì) 第十九頁(yè)，共五十頁(yè)。20頻段（波長(zhǎng)）劃分 頻率范圍 名 稱(chēng) 典型應(yīng)用 (GHz) 3 30 超高頻(HF) 衛(wèi)星通信、無(wú)線(xiàn)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 1 mm）第二十頁(yè)，共五十頁(yè)。21頻段（波長(zhǎng)）劃分 頻率范圍 名 稱(chēng) 典型應(yīng)用 (THz) 43 430 紅外線(xiàn) 光通信系統(tǒng) (7 0.7 m

8、) 430 750 可見(jiàn)光 光通信系統(tǒng) (0.7 0.4 m) 750 3000紫外線(xiàn)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第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)。22對(duì)流層地球010 km電離層60300 km平流層電磁波傳播：地波、天波、視線(xiàn)傳播第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)。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地球第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)。24D層：高60 80 kmE層：高100 120 kmF層：高150

9、 400 kmF1層：140 200 kmF2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)DEFF2F1地 面第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)。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地 面信號(hào)傳播路徑地 面圖 1.4.2 天波傳播第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)。26視線(xiàn)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 kmhr地面ddDr第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)。27無(wú)線(xiàn)電中繼圖1.4.4 無(wú)線(xiàn)電中繼第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)。28靜止衛(wèi)星中繼通信第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)。2

10、9平流層中繼通信HAPS(High Altitude Platform Station)第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)。30頻率(GHz)(a) 氧氣和水蒸氣（濃度7.5 g/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)電磁波傳播的影響第三十頁(yè)，共五十頁(yè)。31散射通信電離層散射頻率: 30 60 MHz對(duì)流層散射頻率: 100 4000 MHz流星余跡散射頻率: 30 100 MHz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 流星余跡散射通信第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)。32蜂窩網(wǎng)移動(dòng)交換中心電話(huà)交換中心第三十二頁(yè)

11、，共五十頁(yè)。331.4.2 有線(xiàn)信道明線(xiàn):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(xiàn)，可見(jiàn)大約有350條線(xiàn)。對(duì)稱(chēng)電纜：同軸電纜圖1.4.8 同軸電纜截面示意圖導(dǎo)體絕緣層第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)。34有線(xiàn)電信道電氣特性信道類(lèi)型通話(huà)容量（路）頻率范圍(kHz)傳輸距離(km)明線(xiàn)1+30.327300明線(xiàn)1+3+120.3150120對(duì)稱(chēng)電纜241210835對(duì)稱(chēng)電纜60122521218小同軸電纜300601 3008小同軸電纜960604 1004中同軸電纜1 8003009 0006中同軸電纜2 70030012 0004.5中同軸電纜10 80030060 0001.5第三十四頁(yè)，共

12、五十頁(yè)。35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 1.51.7第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)。1.4.3 信道模型36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 出第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)。37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(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)第三十七

13、頁(yè)，共五十頁(yè)。38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(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的特性 ，稱(chēng)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(xiàn)性失真、非線(xiàn)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(chēng)為恒(定)參(量)信道例如，同軸電纜當(dāng)k(t)常數(shù)，稱(chēng)為隨(機(jī))參(量)信道例如，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)通信信道第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)。39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

14、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)第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)。40四進(jìn)制01233210接收端發(fā)送端第四十頁(yè)，共五十頁(yè)。411.4.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺? 非時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)鏈路：一段物理線(xiàn)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(huà)信道特性第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)。42頻率失真的補(bǔ)償0Af(a) 頻率失真信道特性0Af(b) 線(xiàn)性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)特性0Af(c)補(bǔ)償后信道特性第四十二頁(yè)，共五十頁(yè)。43相位頻率特性:理想特性:

15、 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(xiàn)性失真: 頻率失真和相位失真： 屬于線(xiàn)性失真 可用“線(xiàn)性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)”糾正， “均衡” ()0理想特性理想特性 ()0第四十三頁(yè)，共五十頁(yè)。非線(xiàn)性失真: 振幅特性非線(xiàn)性、頻率偏移、相位抖動(dòng) 非線(xiàn)性失真 難以消除44直線(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系輸入電壓輸出電壓圖1.4.13 非線(xiàn)性特性第四十四頁(yè)，共五十頁(yè)。45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A cos 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

16、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)X c (t)X s (t)第四十五頁(yè)，共五十頁(yè)。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(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）。第四十六頁(yè)，共五十頁(yè)。47由下式可見(jiàn)，原發(fā)送信號(hào)A cos 0t，經(jīng)過(guò)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

17、成窄帶頻譜。tff0第四十七頁(yè)，共五十頁(yè)。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(shí)延不同；發(fā)射信號(hào)為f(t)，接收信號(hào)為af(t - 0)和af(t - 0 - )；發(fā)射信號(hào)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)|三類(lèi)信號(hào)：*確知信號(hào)*隨相信號(hào)*起伏信號(hào)第四十八頁(yè)，共五十頁(yè)。491.5 信道中的噪聲按照來(lái)源分類(lèi)：人為噪聲：電火花、家用電器自然噪聲：閃電、大氣噪聲、熱噪聲按照性質(zhì)分類(lèi)：脈沖