【2023】通信原理-第1章-23-0919

移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東南大學(xué)通信原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)

國(guó)家級(jí)一流本科課程

通信原理劉郁蓉lyrong@主要內(nèi)容現(xiàn)代通信技術(shù)課程描述第一章緒論3現(xiàn)代通信技術(shù)2023年信息通信業(yè)十大趨勢(shì)2023年全球十大新興技術(shù)移動(dòng)通信的發(fā)展1G-5G6G下一代通信網(wǎng)通信行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈45一、ICT技術(shù)紅利持續(xù)釋放，謀篇布局未來(lái)發(fā)展空間電子信息制造業(yè)、軟件業(yè)、電信業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等二、行業(yè)個(gè)人雙輪驅(qū)動(dòng)，5G規(guī)模發(fā)展加速推進(jìn)實(shí)現(xiàn)智能化、增強(qiáng)寬帶、拓展5G空天一體、無(wú)源終端物聯(lián)網(wǎng)等三、信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)同融合貫通，自智技術(shù)加快應(yīng)用落地云網(wǎng)協(xié)同、泛在連接、網(wǎng)絡(luò)確定性、智能化、安全可信、高速傳輸四、先進(jìn)計(jì)算創(chuàng)新模式升級(jí)，算力供給能力大幅提升先進(jìn)工藝、多架構(gòu)芯片、軟硬協(xié)同、算存聯(lián)一體、云邊網(wǎng)端協(xié)同量子計(jì)算、光計(jì)算等非馮計(jì)算6五、大模型驅(qū)動(dòng)AI技術(shù)突破，應(yīng)用能力邊界不斷拓展大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型提升人工智能感知、認(rèn)知和生成能力大模型有望在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域取得更多突破六、智能制造向縱深發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為關(guān)鍵路徑中小企業(yè)數(shù)字化加速普及智能工廠走深擴(kuò)寬，核心業(yè)務(wù)智能分析優(yōu)化廣泛應(yīng)用七、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)制度完善落地，數(shù)據(jù)要素市場(chǎng)建設(shè)提速八、數(shù)字經(jīng)濟(jì)邁向量質(zhì)齊升，構(gòu)筑經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇中堅(jiān)力量九、數(shù)字治理體系基本形成，發(fā)展預(yù)期合作基礎(chǔ)企穩(wěn)十、數(shù)字安全加速迭代升級(jí)，保障覆蓋全過(guò)程全鏈條數(shù)字社會(huì)（智能）701柔性電池可彎曲、拉升02生成式人工智能通過(guò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的模式，利用受人腦啟發(fā)的復(fù)雜算法和學(xué)習(xí)方法，創(chuàng)造出新的原創(chuàng)內(nèi)容。文本、計(jì)算機(jī)編程、圖像和聲音藥物設(shè)計(jì)、建筑和工程03可持續(xù)航空燃料04工程噬菌體05改善心理健康的元宇宙06可穿戴式植物傳感器07空間組學(xué)08柔性神經(jīng)電子學(xué)柔性腦機(jī)接口09可持續(xù)計(jì)算零能耗數(shù)據(jù)中心10人工智能輔助醫(yī)療WHY了解外部科技發(fā)展大格局了解國(guó)內(nèi)通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)了解個(gè)體的興趣與發(fā)展方向新興技術(shù)的發(fā)展，其依托就是通信技術(shù)89通信原理導(dǎo)入課:443/link/626E562849850464A638F8854DA16A3D訪問(wèn)密碼：K3gw10移動(dòng)通信發(fā)展5G應(yīng)用場(chǎng)景連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景低時(shí)延高可靠場(chǎng)景低功耗大連接場(chǎng)景熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)ITU確定了5G的三大類應(yīng)用場(chǎng)景，我國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組將其中移動(dòng)寬帶場(chǎng)景進(jìn)一步劃分為兩個(gè)場(chǎng)景。（AR/VR、家庭娛樂(lè)）增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）（物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）海量機(jī)器類通信（mMTC）（自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療）超可靠低時(shí)延（uRLLC）115G關(guān)鍵技術(shù)MassiveMIMO

（有源天線陣列、三維波束賦型、大規(guī)模天線等）異構(gòu)超密集協(xié)作組網(wǎng)（小基站優(yōu)化、分布式天線的協(xié)作傳輸、分層網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)協(xié)同、蜂窩/WLAN/傳感器等不同接入技術(shù)的協(xié)同通信等）移動(dòng)邊緣計(jì)算（MobileEdgeComputing,MEC）網(wǎng)絡(luò)切片（一個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上切分出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)）非正交多址（Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA），……同頻全雙工（TDD/FDD融合）高頻段傳輸（包括毫米波）載波聚合（CarrierAggregation，認(rèn)知無(wú)線電）可變幀長(zhǎng)（針對(duì)不同時(shí)延要求）設(shè)備到設(shè)備通信（D2D）……12

6G天地互聯(lián)、陸海空一體、全空間覆蓋的超寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)

蜂窩無(wú)線通信與衛(wèi)星通信相融合，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球無(wú)縫覆蓋和萬(wàn)物互聯(lián)。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、電信衛(wèi)星通信系統(tǒng)、地球圖像衛(wèi)星系統(tǒng)、6G地面蜂窩通信系統(tǒng)、地面互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)6G通信特點(diǎn)空口技術(shù)：太赫茲通信太赫茲輻射是0.1~10THz的電磁輻射物理載體：高空無(wú)線平臺(tái)（如衛(wèi)星等）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：去蜂窩化的軟件架構(gòu)基于人工智能的軟件架構(gòu)、云計(jì)算軟件架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片軟件架構(gòu)、區(qū)域鏈軟件架構(gòu)等新新軟件架構(gòu)。幾個(gè)衡量6G技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)1、峰值傳輸速度達(dá)到100Gbps-1Tbps；2、室內(nèi)定位精度達(dá)到10厘米，室外為1米；3、通信時(shí)延0.1毫秒；4、中斷機(jī)率小于百萬(wàn)分之一，擁有超高可靠性；5、連接設(shè)備密度達(dá)到每立方米過(guò)百個(gè)，擁有超高密度；6、采用太赫茲（THz）頻段通信，網(wǎng)絡(luò)容量大幅提升。

14Starlink“星鏈計(jì)劃”Starlink“星鏈計(jì)劃”計(jì)劃于2019年至2024年間，批量發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道，建立覆蓋全球的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，向地球提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。預(yù)計(jì)衛(wèi)星總量約1.2+3=4.2萬(wàn)顆1584顆將部署在地球上空550千米處的近地軌道北京時(shí)間2023年6月22日15時(shí)19分，美國(guó)SpaceX公司在范登堡太空軍基地使用一枚四手獵鷹九號(hào)火箭成功將47顆V1.5星鏈衛(wèi)星送入預(yù)定軌道為美國(guó)、英國(guó)、加拿大、澳大利亞、新西蘭和墨西哥等國(guó)的25萬(wàn)名用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)16通信行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中國(guó)大陸第一家OLED產(chǎn)品供應(yīng)商向下一代通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)向以軟交換為核心的下一代交換網(wǎng)演進(jìn)向以4G(5G)為代表的下一代移動(dòng)通信網(wǎng)演進(jìn)向以IPV6為基礎(chǔ)的下一代互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)向多元化的寬帶接入網(wǎng)演進(jìn)向以光聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的下一代傳送網(wǎng)演進(jìn)17Innovation課程描述教學(xué)目標(biāo)教學(xué)計(jì)劃成績(jī)?cè)u(píng)定教材與參考書(shū)19教學(xué)目標(biāo)掌握專業(yè)知識(shí)通信系統(tǒng)基本概念、關(guān)鍵技術(shù)、分析方法能夠用于解決信息工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題能夠應(yīng)用工程基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)基本原理，研究分析信息工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題，獲得有效結(jié)論了解通信新技術(shù)通信理論新技術(shù)通信產(chǎn)業(yè)新技術(shù)20教學(xué)計(jì)劃課程內(nèi)容基礎(chǔ)理論：第1~7章提高內(nèi)容：第8~12章課程特點(diǎn)基礎(chǔ)理論系統(tǒng)性基礎(chǔ)理論融入最新技術(shù)理論教學(xué)融入工程實(shí)踐完整理論教學(xué)基礎(chǔ)理論第1章緒論第2章隨機(jī)過(guò)程第3章連續(xù)波模擬調(diào)制第4章模擬信號(hào)數(shù)字化第5章基帶脈沖傳輸?shù)?章信號(hào)空間分析第7章數(shù)字調(diào)制提高內(nèi)容第8章擴(kuò)頻調(diào)制第9章無(wú)線信道與無(wú)線傳輸技術(shù)第10章信息論基礎(chǔ)第11章信道編碼第12章同步技術(shù)21課程思政思政視頻:443/link/B08FA6003805778AF64A5573219682D6訪問(wèn)密碼：9fmS人文通信東大人與通信移動(dòng)通信的發(fā)展信道編碼技術(shù)的演進(jìn)思政考核以現(xiàn)代通信為題材，撰寫科技論文題材不限，字?jǐn)?shù)不限（例：可圍繞6G、5G，AI，大數(shù)據(jù)、云、量子通信、區(qū)塊鏈等）符合論文寫作規(guī)范凸顯思政元素愛(ài)國(guó)情懷、社會(huì)責(zé)任、文化自信、人文情懷、工程倫理、工匠精神成績(jī)?cè)u(píng)定成績(jī)?cè)u(píng)定(60%+30%+10%)期末卷面成績(jī)(60%)平時(shí)成績(jī)(30%)思政(10%)教材與參考書(shū)教材參考教材24通信原理（第7版）樊昌信等緒論第1章高等院校電子信息類重點(diǎn)課程名師精品系列教材

25知識(shí)要點(diǎn)通信系統(tǒng)的組成及通信方式主要通信資源及通信系統(tǒng)的分類模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)信道的一般數(shù)學(xué)模型及分類香農(nóng)公式通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)第1章緒論

261.1引言1.2通信系統(tǒng)1.3模擬與數(shù)字系統(tǒng)1.4信道1.5香農(nóng)公式1.6通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.7本章小結(jié)1.1引言271.1引言第四次工業(yè)革命由物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、人工智能、量子信息和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)所驅(qū)動(dòng)的社會(huì)生產(chǎn)方式變革信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的深度融合信息化生產(chǎn)力成為迄今人類最先進(jìn)的生產(chǎn)力之一281.1引言通信技術(shù)是信息化生產(chǎn)力的重要保證通信系統(tǒng)正朝著具有多層次、全方位、大縱深、立體覆蓋能力、多網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接能力、高速寬帶信息傳輸與交換能力、通信資源共享能力等方向發(fā)展實(shí)現(xiàn)“任何人(whoever)在任何地點(diǎn)(wherever)、任何時(shí)間(whenever)采用任何方式(whatever)進(jìn)行通信291.2通信系統(tǒng)301.2.1通信與通信系統(tǒng)通信通信是信息的傳遞與交換信息、消息和信號(hào)信息信息是對(duì)客觀世界中各種事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及存在方式的描述信息是人腦思維活動(dòng)的產(chǎn)物，是抽象的意識(shí)或知識(shí)消息指包含信息的語(yǔ)言、文字、圖像或數(shù)據(jù)等消息是具體的，它荷載信息，信息則是消息中包含的有意義的內(nèi)容。消息的分類連續(xù)消息：連續(xù)消息是指消息狀態(tài)的變化是連續(xù)的，或者是不可數(shù)的，如語(yǔ)音、視頻等離散消息：消息狀態(tài)的變化是不連續(xù)的，或者是有限可數(shù)的，如符號(hào)、數(shù)字等311.2.1通信與通信系統(tǒng)信號(hào)信號(hào)是消息的載體。電信系統(tǒng)中，需要消息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)把消息加載到電信號(hào)的某個(gè)參量正弦載波的幅度、頻率或相位脈沖載波的幅度、脈沖寬度或脈沖位置模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)載波參量的取值方式不同321.2.1通信與通信系統(tǒng)模擬信號(hào)電參量取值范圍是隨時(shí)間連續(xù)變化有無(wú)窮多個(gè)取值如：語(yǔ)音、音樂(lè)、視頻特點(diǎn)抗干擾能力差數(shù)字信號(hào)只能用有限個(gè)電參量來(lái)表示如：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，便于交換、便于進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)處理便于存儲(chǔ)、便于集成、便于加密等331.2.1通信與通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)傳輸信息所需的一切設(shè)備的總和如：公用電話交換網(wǎng)、廣播系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)、2G/3G/4G/5G蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)接入系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等通信系統(tǒng)的組成：信源、發(fā)射機(jī)、信道、接收機(jī)和信宿34通信系統(tǒng)的組成信源產(chǎn)生消息信號(hào)把各種消息(主要是語(yǔ)音、音樂(lè)、圖像和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等)轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)模擬信源和數(shù)字信源模擬信源輸出模擬信號(hào)，如：話筒產(chǎn)生語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字信源產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，如：計(jì)算機(jī)產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)模擬信源產(chǎn)生的信號(hào)可通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)射機(jī)將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)男问绞沟冒l(fā)射信號(hào)的特性與信道特性相匹配，并具有一定的抗干擾能力和遠(yuǎn)距離傳輸能力。主要技術(shù)包括：放大、濾波、編碼、調(diào)制、加密和復(fù)用等35通信系統(tǒng)的組成信道信道是傳輸消息信號(hào)的物理媒介有線信道和無(wú)線信道有線信道：雙絞線、同軸電纜和光纖無(wú)線信道：廣播信道、移動(dòng)信道、衛(wèi)星信道等信道特性信道特性一般是非理想的疊加信道噪聲和干擾通過(guò)信道傳輸?shù)男盘?hào)是有損的，與發(fā)射信號(hào)有一定的差異36通信系統(tǒng)的組成接收機(jī)完成發(fā)射機(jī)的逆過(guò)程。盡可能地減少或彌補(bǔ)信號(hào)在信道傳輸中的損失將接收的有損信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、譯碼、解碼、解密和解復(fù)用等由于信號(hào)失真及噪聲和干擾的存在，接收機(jī)恢復(fù)的信號(hào)在質(zhì)量上存在一定程度的下降，是原消息信號(hào)的估計(jì)信宿把原始消息信號(hào)的估計(jì)還原成原始消息如：揚(yáng)聲器、顯示器等371.2.2通信系統(tǒng)的通信方式主要通信方式-按信息傳輸?shù)姆较驈V播通信信息從一個(gè)發(fā)射機(jī)向多個(gè)接收機(jī)發(fā)送，承載信息的信號(hào)流是單向的如：廣播、遙控和導(dǎo)航點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信單工通信信號(hào)只能單向傳輸。如：遙控器與電視之間半雙工通信通信雙方都可以收發(fā)消息，但是不能同時(shí)進(jìn)行。如：對(duì)講機(jī)全雙工通信通信雙方都可以同時(shí)收發(fā)消息，如計(jì)算機(jī)之間點(diǎn)到多點(diǎn)多點(diǎn)到多點(diǎn)381.2.2通信系統(tǒng)的通信方式其他通信方式按數(shù)據(jù)流排列方式串行通信并行通信按信號(hào)的同步方式同步通信異步通信按傳輸媒介光纖通信微波通信衛(wèi)星通信391.2.3主要通信資源主要通信資源信道帶寬為傳輸信號(hào)而分配給信道的一個(gè)頻帶范圍，也稱傳輸帶寬與信號(hào)帶寬密切相關(guān)可采用０-０帶寬、３dB帶寬和均方根帶寬等３種方式上限頻率如語(yǔ)音信號(hào)頻譜100Hz-7kHz，平均功率多集中在100-600Hz，實(shí)際系統(tǒng)300-3400Hz可保證電話質(zhì)量發(fā)射功率發(fā)射信號(hào)的平均功率通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則盡可能高效地使用這兩個(gè)資源401.2.3主要通信資源信噪比-SNR發(fā)送信號(hào)通過(guò)信道到達(dá)接收機(jī)時(shí)，信號(hào)功率會(huì)出現(xiàn)衰減，接收機(jī)可用輸入信噪比來(lái)衡量噪聲的影響輸入信噪比（SNRi）定義為輸入信號(hào)的平均功率與噪聲平均功率的比值信噪比通常以dB表述,計(jì)算方法是10log10(SNR)41SNR10100100010log10(SNR)102030

1.2.4通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類分為電話、電報(bào)、傳真、數(shù)據(jù)、圖像等通信系統(tǒng)如：程控電話交換網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等按信號(hào)特征分類模擬通信系統(tǒng)，如：FM立體聲廣播數(shù)字通信系統(tǒng)，如：2G/3G/4G/5G蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)按傳輸媒介有線通信系統(tǒng)，如：PSTN無(wú)線通信系統(tǒng)，如移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信按調(diào)制方式分類基帶傳輸系統(tǒng)，如：PSTN帶通傳輸系統(tǒng)，如：無(wú)線通信系統(tǒng)42常用調(diào)制方式及典型應(yīng)用431.2.4通信系統(tǒng)的分類按工作頻段分類分為極低頻、超低頻、特低頻、甚低頻、低頻、中頻、高頻、甚高頻、特高頻、超高頻、極高頻和光等基帶傳輸系統(tǒng)。按信道復(fù)用和多址方式分類按信道復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、波分復(fù)用、空分復(fù)用和正交頻分復(fù)用按多址方式頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址和正交頻分多址等44λ:工作波長(zhǎng)(m)

c:光速(m/s)

f:工作頻率(Hz)

451.3模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)461.3模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常情況下，信源、信道和信宿都已經(jīng)指定，主要設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)基本設(shè)計(jì)原則首先，發(fā)射機(jī)將信源產(chǎn)生的原始電信號(hào)進(jìn)行編碼和調(diào)制，發(fā)送到信道進(jìn)行傳輸，接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，輸出端得到能滿足要求的原始電信號(hào)的“估計(jì)”其次，系統(tǒng)所有實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性在可接受的范圍內(nèi)綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)、復(fù)雜度、經(jīng)濟(jì)性等，可以選擇采用模擬通信系統(tǒng)或數(shù)字通信系統(tǒng)471.3.1模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)利用模擬信號(hào)傳輸信息的通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)組成優(yōu)點(diǎn)直觀且容易實(shí)現(xiàn)電路的功率消耗較低缺點(diǎn)保密性差抗干擾能力弱48基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閹ㄐ盘?hào)1.3.2數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)利用數(shù)字信號(hào)傳輸信息數(shù)字通信系統(tǒng)組成發(fā)射機(jī)信道接收機(jī)同步49數(shù)字通信系統(tǒng)組成信源編碼/解碼器信源編碼：提高信息傳輸?shù)挠行詫⑿旁吹哪M信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)：抽樣、量化、編碼３個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)壓縮：去除消息信號(hào)中的冗余信息信源解碼：信源編碼的逆過(guò)程加密/解密器加密：保證信息傳輸?shù)陌踩詫?duì)原始數(shù)據(jù)(也稱“明文”)按某種算法進(jìn)行處理，將明文信息隱匿起來(lái)，成為編碼信息，即“密文”解密：加密的逆過(guò)程，該編碼信息轉(zhuǎn)化為原來(lái)的“明文”形式50數(shù)字通信系統(tǒng)組成信道編碼/解碼器信道編碼按照一定的規(guī)律在待發(fā)送的信息碼元中加入一些冗余碼元(監(jiān)督碼元或校驗(yàn)碼元)信道解碼可以利用校驗(yàn)碼元與信息碼元的關(guān)系發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，提高通信系統(tǒng)的可靠性校驗(yàn)碼元的個(gè)數(shù)越多，能發(fā)現(xiàn)和糾正的錯(cuò)誤個(gè)數(shù)就越多信道編碼犧牲了部分有效性，以換取可靠性的提高數(shù)字調(diào)制/解調(diào)器數(shù)字調(diào)制指對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成適合在信道中傳輸?shù)臄?shù)字帶通信號(hào)基本的數(shù)字調(diào)制方式有ASK、FSK、PSK、DPSK和QAM等數(shù)字解調(diào)：采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)51數(shù)字通信系統(tǒng)組成同步又稱定時(shí)，保證數(shù)字信息正常收發(fā)的關(guān)鍵載波同步、碼元同步、幀同步和網(wǎng)同步同一個(gè)通信系統(tǒng)通常需要采用多種同步技術(shù)實(shí)際通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)如果信源是數(shù)字信號(hào)，對(duì)有效性要求不高，可無(wú)須進(jìn)行信源編碼如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)如果通信距離不遠(yuǎn)，且容量不大，信道一般采用電纜，即采用基帶傳輸方式，這樣就不需要數(shù)字調(diào)制器和數(shù)字解調(diào)器如計(jì)算機(jī)和打印機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸如果對(duì)抗干擾性能要求不高，數(shù)字通信系統(tǒng)同樣可以不需要信道編碼器和解碼器52數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，可通過(guò)中繼傳輸消除噪聲累積傳輸差錯(cuò)可控，可通過(guò)信道編碼技術(shù)進(jìn)行檢錯(cuò)或糾錯(cuò)，提高傳輸?shù)目煽啃砸子谶M(jìn)行信號(hào)處理、變換及存儲(chǔ)，可將來(lái)自不同信源的信號(hào)進(jìn)行綜合處理易于加密，可以采用各種復(fù)雜的加密算法進(jìn)行加密，使通信具有高度的保密性易于集成，使通信設(shè)備微型化、智能化易與其他系統(tǒng)的設(shè)備、終端接口相結(jié)合，滿足不同系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需要缺點(diǎn)占用頻帶寬，頻帶利用率不高系統(tǒng)復(fù)雜度較高，尤其是對(duì)同步精度要求很高隨著寬帶傳輸信道(如光纖)和高價(jià)調(diào)制技術(shù)(4096QAM)的采用，以及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，這些缺點(diǎn)已經(jīng)弱化53通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模擬通信系統(tǒng)概念上比較簡(jiǎn)單，實(shí)際建立有一些困難，因?yàn)樗鼘?duì)線性度和系統(tǒng)調(diào)試的要求比較苛刻例如：語(yǔ)音信號(hào)的非線性失真至少比所需要的消息信號(hào)低40dB，模擬調(diào)制技術(shù)只對(duì)原始消息信號(hào)進(jìn)行了相對(duì)簡(jiǎn)單的變換，系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮對(duì)信號(hào)的波形進(jìn)行調(diào)整，使其與信道特性相匹配，以減小信道噪聲的影響在信號(hào)處理方面，模擬通信系統(tǒng)的解調(diào)性能取決于所采用的連續(xù)波解調(diào)類型54通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)字通信系統(tǒng)概念上比較復(fù)雜，實(shí)際建立并不困難能夠找到一組與信道特性相匹配的信號(hào)波形，以建立信道的可靠傳輸信源信號(hào)能被編碼為信道波形，實(shí)現(xiàn)從信源到信宿的有效傳輸采用數(shù)字通信系統(tǒng)可以保證信息有效、可靠傳輸551.3.2數(shù)字通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)模擬廣播和電視依然存在，需要了解這些通信系統(tǒng)是如何工作的模擬調(diào)制技術(shù)是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)模擬器件和電路能在很高的速率下運(yùn)行，并且與數(shù)字器件和電路相比，它們的功耗非常低，因而，以高速和低功耗為原則的通信系統(tǒng)大多選用模擬方式561.4信道57信道按傳輸介質(zhì)分類有線信道：雙絞線、同軸電纜、光纖無(wú)線信道：無(wú)線廣播信道、移動(dòng)無(wú)線信道、衛(wèi)星信道信道對(duì)信號(hào)的傳輸具有重要的影響信道存在很多不可控因素香農(nóng)基于隨機(jī)變量和概率論為信道的不可控因素建立了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，提出信道容量的基本概念，奠定了信息論的理論基礎(chǔ)，對(duì)信道的數(shù)學(xué)模型及關(guān)鍵參數(shù)的理解，有助于分析信道的傳輸特性和噪聲對(duì)信號(hào)的影響581.4.1信道的一般數(shù)學(xué)模型及分類

考慮一般信道模型，若輸入信號(hào)為s(t)

,輸出信號(hào)為x(t)恒參信道信道參數(shù)不隨時(shí)間變化或變化極緩、極小變參信道如果信道的參數(shù)隨時(shí)間變化較快，則稱為變參信道如果信道參數(shù)呈隨機(jī)變化，則稱其為隨參信道591.4.2恒參信道加性高斯白噪聲信道（AWGN）最簡(jiǎn)單的恒參信道簡(jiǎn)稱高斯白噪聲信道或高斯信道60若輸入信號(hào)為s(t)

,輸出信號(hào)為x(t)信號(hào)在信道傳輸過(guò)程中會(huì)不可避免地發(fā)生衰減：其中a

為衰減因子1.4.2恒參信道線性時(shí)不變信道信號(hào)會(huì)受信道本身參數(shù)和其它各種影響，而產(chǎn)生畸變。若這種畸變是線性的，且不隨時(shí)間變化，就稱為線性時(shí)不變信道如同軸電纜、光纖信道模型可表示為帶有AWGN的線性時(shí)不變?yōu)V波器61線性時(shí)不變信道62M(f)、H(f)和S(f)分別表示m(t)、h(t)和s(t)的傅里葉變換決定線性時(shí)不變信道特性的是濾波器的沖激響應(yīng)

稱為信道的幅度－頻率特性，簡(jiǎn)稱幅頻特性

稱為信道的相位－頻率特性稱為群延遲-頻率特性，簡(jiǎn)稱群延遲特性若幅頻特性與頻率無(wú)關(guān)，則不會(huì)產(chǎn)生幅度失真若相頻特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線，或等效為群延遲特性與頻率無(wú)關(guān)，則不會(huì)產(chǎn)生相位失真若通信信道既不會(huì)產(chǎn)生幅度失真也不會(huì)產(chǎn)生相位失真，則稱為理想恒參信道(１)信號(hào)在幅度上產(chǎn)生固定的衰落,即為常數(shù)(２)信號(hào)在時(shí)間上產(chǎn)生固定的延遲,即63理想恒參信道理想恒參信道可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)失真?zhèn)鬏攲?shí)際信道常常是不理想的傳輸數(shù)字信號(hào)的時(shí)候，信號(hào)的幅頻失真、相頻失真會(huì)使得信號(hào)的波形發(fā)生畸變，引起相鄰數(shù)字信號(hào)波形在時(shí)間上相互重疊，造成符號(hào)間干擾，導(dǎo)致誤碼率性能急劇下降641.4.3變參信道變參信道的參數(shù)隨時(shí)間快速變化數(shù)學(xué)上可表征為線性時(shí)變?yōu)V波器65多徑信道衰減因子路徑延時(shí)1.5香農(nóng)公式661.5香農(nóng)公式通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)受到資源限制系統(tǒng)允許的信道帶寬和發(fā)射功率都是有限的信道噪聲的存在會(huì)給信號(hào)的接收帶來(lái)不利影響在數(shù)字通信系統(tǒng)中，可靠性通常用接收機(jī)輸出端測(cè)得的誤比特率（BER）來(lái)衡量，BER越小，系統(tǒng)的可靠性就越好能否設(shè)計(jì)一個(gè)通信系統(tǒng)，使它在噪聲信道下達(dá)到誤比特率為0呢？67香農(nóng)信道容量定理

對(duì)于帶寬有限、平均功率有限的高斯白噪聲連續(xù)信道，其信道容量為C為信道容量，表示通過(guò)信道無(wú)差錯(cuò)傳輸信息的最大速率，單位為bit/sB為信道帶寬，單位HzS是信號(hào)功率，單位WN是噪聲功率，單位WSNR為接收端信號(hào)與噪聲的平均功率之比，為無(wú)量綱單位68香農(nóng)公式例1.1若雙絞線為高斯白噪聲連續(xù)信道，其帶寬為4kHz，信噪比SNR=30dB，計(jì)算信號(hào)在此信道中傳輸?shù)淖畲笏俾?。【解】由于B=4kHz，SNR=30dB，則由香農(nóng)公式最早使用的撥號(hào)上網(wǎng)方式是通過(guò)調(diào)制解調(diào)器，調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)稱速度為56kbit/s，但實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣榷歼h(yuǎn)低于56kbit/s，原因就在于支持語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)男诺廊萘恐挥?0kbit/s。691.5香農(nóng)公式增加信號(hào)功率S或減小噪聲功率譜密度，都可以使信道容量增加S→∞，或N0→0時(shí)，C→∞信號(hào)功率S不可能為無(wú)窮大，噪聲功率譜密度N0也不可能等于0，所以信道容量不可能為無(wú)窮大B→∞若帶寬趨近于無(wú)窮大，信道容量是不會(huì)趨近于無(wú)窮大，而只會(huì)是S/

N0的1.44倍70若噪聲的雙邊功率譜密度為，則噪聲的功率等于香農(nóng)公式的物理意義香農(nóng)公式提供了高斯白噪聲連續(xù)信道下，理論上能達(dá)到的無(wú)差錯(cuò)傳輸速率的上限對(duì)于給定的信道帶寬和接收信噪比，即使存在信道噪聲，消息信號(hào)也可以無(wú)差錯(cuò)地通過(guò)通信系統(tǒng)。遺憾的是香農(nóng)信道容量定理沒(méi)有給實(shí)現(xiàn)信道容量的方法，但是這一理論為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了方向在實(shí)際噪聲信道中，信號(hào)速率R通常要小于信息容量C，可以用比值率η來(lái)衡量所研究的數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性，η越接近1，系統(tǒng)的有效性越好。香農(nóng)公式提供了一個(gè)在信道帶寬B和接收SNR之間進(jìn)行權(quán)衡的理論基礎(chǔ)。對(duì)于給定的信道容量，信道帶寬B和信噪比SNR存在互換關(guān)系，即若減小帶寬則必須增大發(fā)射功率，若信道帶寬較大則可以用較小的功率發(fā)送，因此寬帶系統(tǒng)有較好的抗干擾性。如何選取互換取決于實(shí)際系統(tǒng)的需要。對(duì)于功率受限系統(tǒng)，傾向于增加帶