通信原理教程

1、1第0章 本課程介紹20.1本課程在信息學(xué)科的位置電子科學(xué)技術(shù)通 信自動化生物信息工程電氣工程計算機(jī)技術(shù) 圖示：信息科學(xué)技術(shù)涉及的學(xué)科30.2本課程的教學(xué)目的掌握通信原理的基本知識、系統(tǒng)構(gòu)成及通信系統(tǒng)的基本分析方法；初步建立通信系統(tǒng)的概念；了解提高通信系統(tǒng)性能的基本措施方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。40.3本課程的要求同學(xué)們一定要理解通信系統(tǒng)的基本概念；基本構(gòu)成和信息傳輸?shù)幕驹?。請同學(xué)們課堂上注意聽講做好課堂筆記，認(rèn)真獨(dú)立完成作業(yè)，做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。51） 回顧前修課程： 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：高等數(shù)學(xué)、概率論與隨機(jī)過程 專業(yè)基礎(chǔ)：信號與系統(tǒng)、模擬電路及數(shù)字電路0.4本課程的學(xué)習(xí)方法

2、2）首先從概念上去理解通信系統(tǒng)，其次才用數(shù)學(xué)的方 法去推導(dǎo)論證 3）學(xué)會歸納總結(jié) ：不同的通信系統(tǒng)有不同的指標(biāo) 6 第三章-模擬調(diào)制系統(tǒng)：調(diào)制的目的，線性調(diào)制與非線性調(diào)制系統(tǒng)的模型及分析方法 第四章模擬信號的數(shù)字化：模擬信號的抽樣、量化與編碼 0.5本課程內(nèi)容組織 第一章-緒論：通信的基本概念術(shù)語、組成及分類，性能指標(biāo) 第二章-信號分析：確定信號基本概念和分析 隨機(jī)過程有關(guān)的基本概念和統(tǒng)計特性7 第十章-差錯控制編碼：分組碼、卷積碼 第七章-同步原理：位同步、載波同步、群同步的概念 及實(shí)現(xiàn)方法 0.5本課程內(nèi)容組織 第五章-基帶數(shù)字信號的表示和傳輸：數(shù)字基帶信號與頻譜特性，各種碼型介紹； 無碼

3、間干擾基帶系統(tǒng)分析； 改善系統(tǒng)特性的方法。 第六章-基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)： 第八章-數(shù)字信號的最佳接收：匹配濾波器等8主要參考書現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理 張會生 高等教育出版社通信原理教程 樊昌信 電子工業(yè)出版社9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10我們所知道的通信古代：烽火狼煙、擊鼓鳴金、搖旗吶喊、飛鴿傳信 這些通信方法和手段只能極其有限地解決一定距離的通信問題。 我們的先人常以無法實(shí)時互通的浪漫詩句和思念之情來代替通信。 現(xiàn)代：電話、電視、廣播、郵政、因特網(wǎng)、其他方式 目前的這些現(xiàn)代的通信方法和手段已為我們大家所熟知，并成為我們社會生活中一個不可或缺的組成部分。

4、隨著科學(xué)技術(shù)與社會的發(fā)展，對通信的要求也越來越高。11近代深空通信的一個成功范例 美國宇航局2005年1月12日發(fā)射了用來探測彗星的“深度撞擊”號探測器，它的目標(biāo)是“坦普爾一號”彗星的彗核。 “深度撞擊”發(fā)射了一發(fā)“炮彈”于7月4日與彗星TEMPEL1在距地球1.32億公里處相撞，并將觀測到的寶貴圖像和數(shù)據(jù)傳回地球（延時大約74分鐘）。12海上艦船通信 13海上艦船通信 對空通信、衛(wèi)星通信編隊通信、對岸通信對潛通信（水聲）通信偵察、通信對抗內(nèi)部通信（語音、數(shù)據(jù)、圖像）甲板話音通信14通信的發(fā)展簡史 按照人類交流方式與技術(shù)的不同，可以把通信歷史劃分以下幾個階段： 第一階段 語言 第二階段 文字、

5、郵政 第三階段 印刷術(shù)、出版物 第四階段 電報、電話、廣播 第五階段 通信與計算機(jī)的結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)15最早的電通信設(shè)想 1753年2月17日，蘇格蘭人雜志上發(fā)表了一封署名C.M的書信。在這封信中，作者提出了用電流進(jìn)行通信的大膽設(shè)想。他建議：把一組金屬線從一個地點(diǎn)延伸到另一個地點(diǎn)，每根金屬線與一個字母相對應(yīng)。在一端發(fā)報時，便根據(jù)報文內(nèi)容將一條條金屬線與靜電機(jī)相連接，使它們依次通過電流。電流通過金屬線上的小球便將掛在它下面的寫有不同字母或數(shù)字的小紙片吸了起來，從而起到遠(yuǎn)距離傳遞信息的作用。 16最早的有線電報1844年5月24日，莫爾斯從華盛頓到巴爾的摩拍發(fā)人類歷史上的第一份電報。在座無虛席的國會大廈

6、里,莫爾斯用激動得有些顫抖的雙手,操縱著他傾十余年心血研制成功的電報機(jī), 發(fā)出了:“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”一語。 莫爾斯發(fā)出第一封電報設(shè)備的復(fù)制品 17最早的有線電話 1875年6月2日，美國人亞力山大.格雷厄姆.貝爾(Bell,Alekander Graham)發(fā)明了電話。至今美國波士頓法院路109號的門口，仍釘著塊鐫有：1875年6月2日電話誕生在這里的銅牌。1876年2月14日，貝爾申請了那個著名的他和沃森一直研究著的裝置電話的專利。同一天另一個發(fā)明家格雷（1835-1901）也向美國專利局遞交了相似設(shè)備的專利申請書，只因比貝爾晚了幾個小時而痛失電話發(fā)明權(quán)。 貝爾獲得電話的專利證書 18

7、電磁波的發(fā)現(xiàn) 1887年3月21日，德國物理學(xué)家赫茲（Hertz）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電火花的能量能夠越過空間傳到遠(yuǎn)處。這是人類歷史上第一次證實(shí)了電磁波的存在。但赫茲斷然否認(rèn)選用電磁波進(jìn)行通信的可能性。他認(rèn)為如要利用電磁波進(jìn)行通信的話，需要有一面面積與歐洲大陸相當(dāng)?shù)木扌头瓷溏R。 19最早的無線通信 1895年5月7日，36歲的波波夫在彼德堡的俄國物理化學(xué)會的物理分會上，宣讀了關(guān)于“金屬屑與電振蕩的關(guān)系”的論文，并當(dāng)眾展示了他發(fā)明的無線電接收機(jī)。當(dāng)他的助手在大廳的另一端接通火花式電波發(fā)生器時，波波夫的無線電接收機(jī)便響起鈴來；斷開電波發(fā)生器，鈴聲立即中止。幾十年后，為了紀(jì)念波波夫在這一天的劃時代創(chuàng)舉，當(dāng)

8、時的蘇聯(lián)政府便把5月7日定為“無線電發(fā)明日”。 波波夫?qū)嶒?yàn)用的無線電接收機(jī) 20人類首次遠(yuǎn)距離無線電通信 1897年5月18日,馬可尼進(jìn)行橫跨布里斯托爾（Bristol）海峽的無線電通信取得成功，通信距離為14公里。21影響通信發(fā)展的重要發(fā)明或理論 1906年,Lee Deforest發(fā)明了真空三極管放大器。 1925年，英國發(fā)明家貝爾德在前人研究的基礎(chǔ)上終于制成了世界上第一臺有實(shí)用價值的電視機(jī)。1941年，John V.Atanasoff在衣阿華州立大學(xué)發(fā)明數(shù)字計算機(jī)。1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Steve O.Rice給出了噪聲的統(tǒng)計描述。 221948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室向公眾展示了用以取代真空管

9、的晶體管。1948年，Claude E.Shannon發(fā)表了信息論。著名的香農(nóng)公式：C 信道容量B 信號帶寬S/N 信號與噪聲的功率之比231957年10月4日，原蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，地球上第一次收到了來自人造衛(wèi)星的電波。它不僅標(biāo)志著航天時代的開始， 也意味著一個利用衛(wèi)星進(jìn)行通信的時代即將到來。1958年，發(fā)明了集成電路。1964年，電子電話交換機(jī)投入使用。1972年，摩托羅拉公司為FCC演示蜂窩電話系統(tǒng)。241976年，出現(xiàn)個人計算機(jī)。1979年，64KB隨機(jī)存儲器的出現(xiàn)宣告超大規(guī)模集成（VLSI）電路時代的到來。1980年，貝爾公司推出FT3光纖通信系統(tǒng)。1985年，傳真機(jī)（FA

10、X）廣泛使用。1989年，衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）完成部署 。1995年，互聯(lián)網(wǎng)（Internet）及WWW瀏覽廣泛流行。2000年至今，進(jìn)入基于微處理器的數(shù)字信號處理、高速個人計算機(jī)、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)、數(shù)字電視、數(shù)字廣播以及個人通信系統(tǒng)時代。25我國通信的歷史1871年，英國、俄羅斯、丹麥敷設(shè)的香港至上海、長崎至上海的水線，全長2237海里。于1871年4月，違反清政府不得登陸的規(guī)定，由丹麥大北電報公司出面，秘密從海上將海纜引出，沿?fù)P子江、黃浦江敷設(shè)到上海市內(nèi)登陸，并在南京路12號設(shè)立報房。于1871年6月3日開始通報。這是帝國主義入侵中國的第一條電報水線和在上海租界設(shè)立的電報局

11、。1875年，福建巡撫丁日昌積極倡導(dǎo)創(chuàng)辦電報。1875年在福建船政學(xué)堂附設(shè)了電報學(xué)堂，培訓(xùn)電報技術(shù)人員。這是中國第一所電報學(xué)堂。 26我國通信的歷史1899年，我國最早使用無線電通信的地區(qū)是廣州。早在1899年，就在廣州督署、馬口、前山、威遠(yuǎn)等要塞以及廣海、寶壁、龍驤、江大、江鞏等江防軍艦上設(shè)立無線電機(jī)。1908年，英商在上海英租界的匯中旅館私設(shè)了一部無線電臺，與海上船舶通報。后由清政府收買，移裝到上海電報總局內(nèi)，這是上海地區(qū)最早的無線電臺。1921年1月7日，中國加入國際電報公約27我國通信的歷史1933年,中國電報通信首次使用打字電報機(jī)1950年12月12日，我國第一條有線國際電話電路-北

12、京至莫斯科的電話電路開通。經(jīng)由蘇聯(lián)轉(zhuǎn)接通往東歐各國的國際電話電路也陸續(xù)開通。1958年，上海試制成功第一部縱橫制自動電話交換機(jī) ，第一套國產(chǎn)明線12路載波電話機(jī)研制成功 1970年，我國第一顆人造衛(wèi)星（東方紅1號）發(fā)射成功。28我國通信的歷史1984年5月1日，廣州用150MHz頻段開通了我國第一個數(shù)字尋呼系統(tǒng)。程控中文電報譯碼機(jī)通過鑒定并推廣使用。首次具備國際直撥功能的編碼縱橫制自動電話交換機(jī)（HJ09型）研制成功。1987年11月，廣州開通了我國第一個移動電話局，首批用戶有700個。 -我國第一個160人工信息臺在上海投入使用。1993年9月19日,我國第一個數(shù)字移動電話通信網(wǎng)于在浙江省嘉

13、興市首先開通。1998年5月15日，北京電信長城CDMA網(wǎng)商用試驗(yàn)網(wǎng)-133網(wǎng)，在北京、上海、廣州、西安投入試驗(yàn)。291.2 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?0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31*制定度量信息的方法# 消息“量” 信息量# 例：“明天降雨量將有一毫米” - 信息量小 “明天降雨量將達(dá)到一米” - 信息量大 “明日太陽

14、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32# 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331.3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)據(jù)34模擬信號與數(shù)字信號

15、模擬信號數(shù)字信號tttt碼元35兩類通信系統(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)計判決理論361.3.2 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)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)37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?？勺餍旁淳幋a，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。38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

16、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39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401.3.4 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 波特信息速率：Rb 比特/秒對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 = 錯誤接收比特數(shù)/傳輸總比特數(shù)41頻帶利用率能量利用率421.4 信 道 1.4.0 信道的定義：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43

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44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)45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、電話、飛機(jī) (10-100m) 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

18、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 46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、 （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)用 （0.1 1 mm）47頻段（波長）劃分 頻率范圍 名 稱 典型應(yīng)用 (THz) 43 43

19、0 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 m48對流層地球010 km電離層60300 km平流層電磁波傳播：地波、天波、視線傳播49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地球50D層：高60 80 kmE層：高100 120 kmF層：高150 400 kmF1層：14

20、0 200 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51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 MHz52頻率： 30 MHz傳播距離: d2 + r2 =(h+r)2, 或h D2/50 (m)式中 D km視線傳播hr地面ddD53無線電中繼圖1.4.4 無線電中繼54靜止衛(wèi)星中繼通信55平流層中繼通信HAPS(High Altitude Platform Station)56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

21、(dB/km)衰減(dB/km)水蒸氣氧氣降雨率圖1.4.5 大氣衰減大氣對電磁波傳播的影響57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圖1.4.6 對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58蜂窩網(wǎng)移動交換中心電話交換中心591.4.2 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60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+30.327300明線1+3+120.3150120對稱電纜241210835對稱電纜601225212

22、18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 0001.561光纖結(jié)構(gòu)損耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波長（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7621.4.3 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，它與ei(t)相互獨(dú)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(

23、t)eo(t)時變線性網(wǎng)絡(luò)63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64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 P(0/1), P(1/0) 錯誤轉(zhuǎn)移概率 轉(zhuǎn)移概率 決定于編碼信

24、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)65四進(jìn)制01233210接收端發(fā)送端661.4.4 信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺? 非時變線性網(wǎng)絡(luò)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67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 非線性失真 難以消除 ()0理想特性理想特性 ()0