通信系統(tǒng)原理 第1章

通信原理武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院朱健春辦公室：鑒主15樓，通信實(shí)驗(yàn)室三電話Q：289924446（加我的時候，請報上班級姓名）教材《通信系統(tǒng)原理》王虹主編國防工業(yè)出版社2014.8課程簡介課程內(nèi)容：信號和信道分析通信技術(shù)——調(diào)制解調(diào)；信號傳輸；模數(shù)轉(zhuǎn)換，差錯控制等講什么？概念——是什么？原理——為什么？課程特點(diǎn)：綜合性，涉及到以前多門課程的內(nèi)容；每章的內(nèi)容相對獨(dú)立，內(nèi)容多理論與實(shí)現(xiàn)；統(tǒng)考

功能；性能；工作過程

怎么講？化繁為簡，對于復(fù)雜的推導(dǎo)少講或不講提倡自學(xué)，對于很簡單的內(nèi)容不講，但要求掌握隨時提問和作業(yè)；要求：上課不要講閑話；一定要看書，系統(tǒng)地掌握知識；不能用做題來代替看書；重在理解，對結(jié)論的理解，不要求推導(dǎo)和證明。第1章緒論1.1通信的歷史回顧1.2通信系統(tǒng)的組成1.3信道1.4噪聲1.5無線頻譜管理及通信頻帶劃分1.6通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)5

通信:

人們通過某種媒介進(jìn)行信息傳遞。

早期遠(yuǎn)距離通信的基本方式:

直接依靠人的視覺與聽覺，如古代的烽火狼煙、擊鼓鳴號、飛鴿傳信、驛馬郵遞等。

電通信：19世紀(jì)中葉以后，隨著電磁波的發(fā)現(xiàn)，電信號作為了新的信息載體，人類通信領(lǐng)域也因此產(chǎn)生了根本性的變革，開始了通信的新時代。61.1通信的歷史回顧

1837年，莫爾斯發(fā)明電報。1864年，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在。1876年，貝爾發(fā)明了世界上第一臺電話機(jī)。1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波的存在。1896年，馬可尼在英國進(jìn)行了無線通信的實(shí)驗(yàn)，通信距離達(dá)14.4公里，并取得專利。

1901年，馬可尼實(shí)現(xiàn)了橫跨大西洋的無線電通訊。1918年，阿姆斯特朗發(fā)明了超外差式接收機(jī)。1933年發(fā)明頻率調(diào)制技術(shù)。1928年，奈奎斯特提出了奈奎斯特準(zhǔn)則和奈奎斯特

抽樣定理。

71.1通信的歷史回顧1937年，里弗斯發(fā)明PCM。1943年，諾斯提出匹配濾波器原理。1946年，第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)面世。1948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管。1958年，美國宇航局發(fā)射世界上第一顆通信衛(wèi)星。

中國的試驗(yàn)通信衛(wèi)星于1984年4月8日發(fā)射。1958年，羅伯特.諾伊斯（英特爾創(chuàng)始人之一）發(fā)明

了集成電路。1960年，貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出第一臺激光器。1970年代，大規(guī)模集成電路。

81.1通信的歷史回顧1970年，法國成功開通了數(shù)字程控交換系統(tǒng)。1970年，美國康寧公司研制成功石英光纖。1976年，美國在亞特蘭大進(jìn)行了世界上第一個實(shí)用

光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)。1980年代，出現(xiàn)了超大規(guī)模集成電路、互聯(lián)網(wǎng)。1983年，美國研制出TCP/IP協(xié)議。1986年，美國國家科學(xué)基金會建立了NSFnet廣域網(wǎng)1991年，GSM移動通信系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行。1994年，中國與美國NSFnet直接互聯(lián)。1995年，第一個CDMA商用系統(tǒng)在美國運(yùn)行。91.1通信的歷史回顧21世紀(jì)的通信發(fā)展趨勢：

寬帶化、智能化、個人化和綜合化。向用戶提供大容量、高速率的通信業(yè)務(wù)。

滿足用戶任何時間、任何地點(diǎn)向任何人通過聲音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等方式相互交換信息的要求。

5W：Whoever（任何人）Wherever（任何地點(diǎn)）Whenever（任何時間）

Whomever（任何對象）Whatever（采用任何方式）101.1通信的歷史回顧

最基本的通信系統(tǒng)模型：

單路、單向、點(diǎn)對點(diǎn)形式，包括信源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備、信宿以及噪聲源。

111.2通信系統(tǒng)的組成信源發(fā)送設(shè)備信道噪聲源接收設(shè)備信宿通信系統(tǒng)的工作方式：①單工（Simplex），單向通信，如廣播；②準(zhǔn)雙工（Half-duplex），如步話機(jī)；③全雙工（Duplex），雙向通信，如固定電話和移動電話。電話通信是一個多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信網(wǎng)。廣播通信是點(diǎn)到多點(diǎn)的形式。121.2通信系統(tǒng)的組成131.2通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)傳輸?shù)南㈩愋停?/p>

連續(xù)（模擬）消息或離散（數(shù)字）消息。通信系統(tǒng)：

模擬通信系統(tǒng)或數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)：

發(fā)送設(shè)備主要包含調(diào)制器。

接收設(shè)備主要包括解調(diào)器。

載波同步系統(tǒng)也是必要和重要的部分。14

數(shù)字通信系統(tǒng)：

發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備中包含信源編解碼、信道編解碼，以及保密編解碼。

為保證系統(tǒng)正常工作，載波同步、碼元同步和幀同步也是必不可少的。1.2通信系統(tǒng)的組成信源信源編碼噪聲加密信道編碼調(diào)制信道解調(diào)信道譯碼解密信源譯碼信宿15數(shù)字通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：1）抗干擾能力強(qiáng)，尤其在中繼時，數(shù)字信號可以再生而消除噪聲的積累；2）可采用信道糾錯編碼技術(shù)，提高通信可靠性。3）便于處理、變換和存儲。4）易于大規(guī)模集成。5）易于加密處理，保密性好。6）相比模擬通信系統(tǒng)，占用更多的帶寬。7）需要更復(fù)雜的同步系統(tǒng)。1.2通信系統(tǒng)的組成161.3.1信道分類信道：用于在發(fā)送端和接收端之間傳輸信號的通道。按照信號的傳輸媒質(zhì)，信道可分為：

有線信道和無線信道。按照信道的特性是否隨時間變化，可分為：

恒參信道和隨參信道。按照信道的研究范圍，可分為：若信道僅指傳輸媒質(zhì)，稱為狹義信道。若將傳輸媒質(zhì)和其它通信設(shè)備一起看成信道，稱為廣義信道。1.3信道17廣義信道又分別稱為調(diào)制信道和編碼信道。1.3.1信道的分類調(diào)制器編碼器傳輸媒質(zhì)收發(fā)設(shè)備解調(diào)器譯碼器調(diào)制信道編碼信道信源信宿1.3信道18調(diào)制信道模型：用信道輸入輸出之間的關(guān)系式表示:ei(t):信道輸入；eo(t):信道輸出；k(t):信道特性(乘性干擾)；

n(t):信道噪聲(加性干擾)；

[k是常數(shù):恒參；k是變化的:隨參]編碼信道模型：輸入輸出之間的轉(zhuǎn)移概率

1.3信道1.3.1信道的分類19

常用通信方式：固定電話、電視、廣播、微波通信、衛(wèi)星通信、移動通信。

常用信道：對稱電纜、同軸電纜、光纖、無線廣播信道、微波中繼、衛(wèi)星中繼、無線移動信道等。

有線信道、無線信道中的微波中繼和衛(wèi)星中繼是恒參的，其它無線信道是隨參的。1.3.2常用信道1.3信道201.3.2常用信道1.對稱電纜2.同軸電纜1.3信道211.3.2常用信道3.光纖4.無線電廣播信道

無線電廣播信道處于幾百千赫茲至幾百兆赫茲。按波長主要有中波（AM調(diào)幅廣播）、短波和超短波（FM調(diào)頻廣播）。1.3信道有線信道抗干擾能力損耗帶寬施工明線差小小較難對稱電纜較強(qiáng)較大較寬容易同軸電纜更強(qiáng)更大更寬容易光纖很強(qiáng)小很寬容易231.3.2常用信道5.微波中繼信道1.3信道241.3.2常用信道6.衛(wèi)星中繼信道7.無線移動信道無線移動信道通常工作在幾百兆赫茲至幾吉赫茲，通過基站實(shí)現(xiàn)不同電話用戶之間的通信。1.3信道<300k，長波300k~2M中波（低、中頻）地面波繞射，通信質(zhì)量適中幾百km2M~30M短波（高頻）天波電離層反射，質(zhì)量差全球通信>30M微波（甚高頻，超高頻，特高頻）空間波直線傳播，質(zhì)量好地面通信50km26

恒參信道可以看成是一個線性時不變網(wǎng)絡(luò)。

H(ω)是網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)。|H(ω)|是幅頻特性,φ(ω)是相頻特性。

信號通過線性系統(tǒng)不失真的條件：

其中，K是衰減常數(shù)，td是信道時延。1.3.3恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊?.3信道理想情況下的幅頻特性和相頻特性群遲延—頻率特性插入損耗1.3.3恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊?.3信道相位—頻率特性振幅—頻率特性群遲延產(chǎn)生信號畸變示意圖接收端信號：三次諧波基波合成波三次諧波基波合成波基波分量延遲π，3次諧波延遲2π1.3信道29

隨參信道主要分為：

電離層反射、電離層散射、對流層散射、流星余跡散射、移動通信信道等。隨參信道的共同特點(diǎn)：1）信道幅頻特性隨時間改變；2）信道相頻特性隨時間改變；3）多徑傳播。其中多徑傳播對信號傳輸?shù)挠绊懽畲?，這種影響又稱為多徑效應(yīng)，多徑效應(yīng)會帶來信號的衰落現(xiàn)象和頻率彌散。

衰落是指接收信號振幅隨時間振蕩變化，有快衰落、慢衰落和頻率選擇性衰落。1.3.4隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?0設(shè)信道輸入為單頻正弦波Acosωct

，振幅A為常數(shù)，接收信號R(t)是經(jīng)n條路徑傳輸?shù)男盘栔?。—第i條路徑接收信號的振幅（隨機(jī)過程）—第i條路徑接收信號的時延（隨機(jī)過程）—第i條路徑接收信號的相位（隨機(jī)過程）1.3.4隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?.3信道31變換上式為

—同相分量（高斯隨機(jī)過程）

—正交分量（高斯隨機(jī)過程）—隨機(jī)相位（隨機(jī)過程，均勻分布）—隨機(jī)包絡(luò)（隨機(jī)過程，瑞利分布）—窄帶高斯過程1.3.4隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懢鶠榫徛兓碾S機(jī)過程從時域上看,使Acosω0t

變成包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號;從頻域上看,造成了頻率彌散(頻譜展寬);由于接收信號振幅V(t)是隨機(jī)變化，且服從瑞利分布，又稱為瑞利衰落。衰落的周期常能和數(shù)字信號碼元周期相比較，因此稱為快衰落。

慢衰落是指由于季節(jié)、氣候、時間不同，而引起的信號衰落現(xiàn)象，這種衰落的周期通常為若干小時或若干天。

1.3.4

隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?.3信道33

多徑效應(yīng)對輸出信號產(chǎn)生的影響如圖：輸出頻譜由單一頻率產(chǎn)生了彌散現(xiàn)象。1.3.4

隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?.3信道34

頻率選擇性衰落是指在特定的頻率下存在的衰落現(xiàn)象，以兩條路徑為例解釋如下。

設(shè)

則1.3.4

隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊慉延遲A延遲f(t)1.3信道35兩徑系統(tǒng)傳輸特性為1.3.4

隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?.3信道模特性看成兩個網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)信號頻率不同時受到的衰減不一樣，且衰減量與τ

有關(guān)。τ的值是隨時間而變化。處為零點(diǎn)H(ω)在設(shè)多徑傳播最大相對時延差為τm

稱?f

為信道相關(guān)帶寬;結(jié)論：傳輸信號帶寬<<?f

定義：為相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔。

分集接收——抗快衰落措施之一思想:在接收端同時分別獲得(分散得到)，幾個不同路徑的信號(相互獨(dú)立)，然后將這些信號適當(dāng)合并，構(gòu)成總的接收信號，其總信號的衰落現(xiàn)象將大大改善。1、分集方法:1）空間分集

2）頻率分集

3）角度分集

4）極化分集2、分集信號的合并

1）最佳選擇

2）等增益相加

3）最大比值相加

1.4.1噪聲來源

噪聲是指在接收機(jī)中出現(xiàn)的任何不需要的電壓或電流信號。

噪聲會引起模擬信號的失真，或數(shù)字信號的誤碼，從而降低通信系統(tǒng)的可靠性。噪聲既來源于人為活動又來自于自然現(xiàn)象。

人為活動：各類工業(yè)或生活電氣設(shè)備的開關(guān)等。

自然噪聲：既來自宏觀世界，也來自微觀世界。

宏觀世界是指在自然界中的各種電磁波的輻射現(xiàn)象。

微觀世界是指由于通信設(shè)備中電子元器件內(nèi)部粒子運(yùn)動而產(chǎn)生的熱噪聲和散彈噪聲等。1.4噪聲

按照噪聲對信號的作用方式，主要分為加性噪聲和乘性噪聲。

加性噪聲是疊加在信號上，大多數(shù)噪聲屬于加性噪聲。

乘性噪聲主要來自信道對信號的影響，當(dāng)信道特性不理想時，需要通過對信道特性的補(bǔ)償（又稱為均衡）去改善。

按照噪聲的性質(zhì)，可分為脈沖噪聲、單頻噪聲和起伏噪聲三類。391.4.2

噪聲分類401.4.3高斯白噪聲

白噪聲：功率譜密度為常數(shù)的噪聲。

起伏噪聲特性：

統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布，且均值為0，一維高斯分布又稱為正態(tài)分布；

功率譜密度在很寬的范圍內(nèi)為常數(shù)，近似為白噪聲。

因此，起伏噪聲又稱為高斯白噪聲，術(shù)語既表達(dá)了統(tǒng)計(jì)特性，又表達(dá)了頻譜特性。

411.5無線頻譜管理及通信頻帶劃分無線電波已承擔(dān)著越來越多的通信業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)都離不開無線電頻率資源。

無線電頻率資源如同土地、能源等自然資源，都是極為重要的國家資源，同樣存在著利用開發(fā)和管理保護(hù)的問題。

無線電頻率資源特性：

1）有限性；2）排它性；3）復(fù)用性；4）非耗竭性；5）固有的傳播特性；6）易污染性。421.5無線頻譜管理及通信頻帶劃分

為了更科學(xué)地管理和利用無線電頻率資源，國際電信聯(lián)盟無線電委員會（ITU-R）的《無線電規(guī)則》對頻譜分配進(jìn)行了具體規(guī)劃。

國際電信聯(lián)盟將世界劃分為三個區(qū)域，其中第一區(qū)主要包括歐洲和非洲國家，第二區(qū)主要包括美洲國家，第三區(qū)主要包括亞洲國家。中國位于第三區(qū)。1.5

無線頻譜管理及通信頻帶劃分

當(dāng)前通信的發(fā)展已進(jìn)入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，日益增長的無線數(shù)據(jù)需求將引起頻譜資源危機(jī)。

有報告稱，到2015年，我國移動通信頻率總需求接近1000MHz，目前已劃分用于IMT系統(tǒng)（國際移動通信系統(tǒng)）的頻率共547MHz，中國將出現(xiàn)420MHz的頻譜缺口。

據(jù)工業(yè)和信息化部預(yù)計(jì)，我國未來公眾移動通信系統(tǒng)總的頻譜需求將至少為1400MHz。1.5

無線頻譜管理及通信頻帶劃分

在應(yīng)對頻譜危機(jī)方面，一方面利用過時技術(shù)的空閑頻譜資源，另一方面通過新技術(shù)提高頻譜效率。在眾多提升頻譜效率的新技術(shù)中，最受關(guān)注的是認(rèn)知無線電技術(shù)。

認(rèn)知無線電技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)是：在已授權(quán)頻段未用或只有很少的通信業(yè)務(wù)的情況下，具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(jī)”的方式工作在已授權(quán)的頻段內(nèi)。1.6通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

通信系統(tǒng)的性能：有效性、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、保密性、標(biāo)準(zhǔn)性、維修性、工藝性等。其中有效性和可靠性是兩個最重要的性能指標(biāo)。

有效性指信息傳輸?shù)乃俣?，或傳輸信息所占用的頻率資源。

可靠性指信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，即接收信息的準(zhǔn)確程度。

有效性和可靠性常常是矛盾的，對于實(shí)際通信系統(tǒng)，需要在兩個指標(biāo)之間尋求平衡。

模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)有效性和可靠性的具體指標(biāo)也是不同的。1.