ZHQ通信原理教程

通信原理教程

樊昌信（第3版）1信息科學與工程學院通信工程系鄭惠琴E-mail:121017806@TEL.:1507711024621.教學內容

《通信原理教程》將以通信系統(tǒng)為背景，主要講述通信系統(tǒng)和通信技術的基本原理。內容包括：通信系統(tǒng)基本概念、信號與噪聲、模擬信號調制技術、脈沖編碼調制、增量調制、多路復用、數(shù)字信號的基帶傳輸和載波傳輸原理等等。32.先修課程電子線路數(shù)字邏輯電路線性代數(shù)概率論信號與系統(tǒng)數(shù)字信號處理43.考核方式閉卷考試總評＝平時*10%+實驗*25%+段考*10%+期考*55%54.上課要求在課堂上的要求：

不許遲到！手機調成靜音！嚴禁曠課，有事向輔導員請假，有假條！認真及時完成作業(yè)，不允許考試前補作業(yè)！認真完成實驗報告！有問題及時和老師聯(lián)系！希望我們合作愉快，共同學好這門課！

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1、掌握模擬通信和數(shù)字通信的基本理論，各種調制解調性能比較，為進一步學習各種信息傳輸系統(tǒng)打下理論基礎。

2、掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成、工作原理、常用的性能指標。

3、理解模擬信號數(shù)字化的過程，掌握脈碼調制等常用的數(shù)字化方法。

4、掌握數(shù)字通信中常用的調制和解調方法。5.課程要求7不準備考研的同學：側重于基本原理和公式的應用考研的同學：不僅要會用，還要知道來龍去脈考不同學校的研究生要看不同的參考書，因為側重點和難度差別很大6.學習方法87.教材《通信原理教程》樊昌信第3版第一篇為基本內容，必讀的。第二篇為選讀內容，各章相對獨立。9《通信原理（第6版）》，樊昌信，國防工業(yè)出版社

8.參考書《通信原理》講述現(xiàn)代通信的基本原理，主要內容包括模擬通信和數(shù)字通信，而側重于數(shù)字通信。全書共12章，可分為三個部分：第一部分(第1—4章)闡述通信基礎知識及模擬通信原理；第二部分(第5—8章)主要論述數(shù)字通信、模擬信號數(shù)字化及數(shù)字信號最佳接收的基本原理；第三部分(第9—12章)討論數(shù)字通信中的編碼和同步等技術以及通信網(wǎng)的概念。各章均設有習題和思考題，書后并附有部分習題答案。全書內容豐富，講述由淺入深，簡明透徹，概念清楚，重點較為突出，既便于教學，也有助于廣大工程技術人員參考。10古典教材：曹志剛、錢亞生，《現(xiàn)代通信原理》，清華大學出版社，北京，1992

曹志剛等編著的《現(xiàn)代通信原理》是通信原理課程的經(jīng)典教材之一，講解細致清晰，是課程的主要教學用書。

11《PrinciplesofCommunications-System,ModulationandNoise(FifthEdition)》,RodgerE.Zimer,WilliamH.Tranter著，高等教育出版社（中、英文兩版）

《通信原理--系統(tǒng)、調制與噪聲(第5版)》是由美國克羅拉多大學R．E．Ziemer教授主編的一本通信原理教程，是一本流傳較廣的美國大學高年級本科生教材。其中文版于2004年7月在高等教育出版社出版，該書全面系統(tǒng)地介紹了通信系統(tǒng)的基本原理，以論述通信系統(tǒng)的物理層為主，內容涵蓋信號和系統(tǒng)、概率論和隨機過程、各種調制技術、最佳接收、信息論和編碼等。本書第5版的一個顯著特色是在每一章中補充了大量的MATLAB編程實例和上機練習，這在目前通信原理教材中是鮮見的。熟悉和掌握MATLAB語言可幫助學習者通過計算機編程加深對通信理論基本概念及問題的理解和分析，并可借助書本所學知識用仿真的手段解決通通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的實際問題，是很好的一本教材。12《通信原理（合訂本）》，周炯磐等編著，北京郵電大學出版社

這是北京郵電大學最近出版的一本相關教材，內容增加了很多新技術，簡化或省略了復雜的數(shù)學推導，是一本不錯的參考書。13原書名：FundamentalsofCommunicationSystems原出版社：

PrenticeHall作者：（美）JohbG.Proakis,MasoudSalehi

[作譯者介紹]譯者：李鏘等叢書名：國外電子與通信教材系列

出版社：電子工業(yè)出版社

14原書名：DigitalandAnalogCommunicationSystems原出版社：

PrenticeHall作者：(美)LeonW.CouchII

邵懷宗

李曉峰

劉廉斧

[作譯者介紹]叢書名：國外電子與通信教材系列

出版社：電子工業(yè)出版社15原書名：Digital&AnalogCommunicationSystems原出版社：

PrenticeHall作者：(美)LeonW.Couch,II

[作譯者介紹]譯者：羅新民

任品毅

黃華

叢書名：國外電子與通信教材系列

出版社：電子工業(yè)出版社16原書名：通信原理作者：李曉峰叢書名：電子與通信教材系列

出版社：清華大學出版社

網(wǎng)絡課堂：電子科技大學網(wǎng)站171、《PrincipleofDigitalcommunication&Coding》,A.J.Viterbi著2、《Digitalcommunications》,3rdedition，JohnG.Proakis著3、《數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)》LoenW.Couch,Ⅱ，電子工業(yè)出版社4、《調制、檢測與編碼》，Tommy?berg[瑞典]著，何英姿等譯，電子工業(yè)出版社5、《通信原理教程》，樊昌信編著，電子工業(yè)出版社6、《通信原理》，王福昌等編著，清華大學出版社7、《數(shù)字通信原理》，王欽笙等編著，北京郵電大學出版社8、《現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理》，王秉鈞等編著，天津大學出版社18

9.課程參考網(wǎng)站武漢科技大學通信原理網(wǎng)站：ttp:///ec/Root/default.asp西安電子科技大學通信原理網(wǎng)站：/txgc/北京郵電大學通信原理網(wǎng)站：/東南大學通信原理網(wǎng)站：/jpkc/declare/2006txyl/old/1.htm北京交通大學通信原理網(wǎng)站：/course/xnjp/dzxy/txxtyl南京郵電大學通信原理網(wǎng)站：85/tongxin/index.aspx無線資訊網(wǎng)：/研學論壇：/楊百翰大學的AnalogandDigitalCommunications：/ee/class/ee444/哥倫比亞大學的CommunicationTheory：/Courses/Summer2004/ELENE4702.html麻省理工學院的TransmissionofInformation：/6.441/www/1920第1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)展第一篇傳統(tǒng)通信的幾種形式古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書21無線廣播移動通信移動電視電視廣播雷達衛(wèi)星廣播現(xiàn)代通信的幾種形式22所謂通信，就是信息的傳遞。傳遞是一種信息傳輸?shù)倪^程或方式?，F(xiàn)代通信所研究的主要問題概括地說就是如何把信息大量地、快速地、準確地、廣泛地、方便地、經(jīng)濟地、安全地從信源通過傳輸介質傳送到信宿。通信原理就是介紹支撐各種通信技術的基本概念和數(shù)學理論基礎。23241.2

消息、信息和信號消息：語音、文字、圖形、圖像…信息：消息的有效內容

不同消息可有相同內容信號：消息的載體 通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖切盘?5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 和類型無關 和貴重程度 和重要程度 無關 無關 總量是單件 總量是單件獨立 貨運量之和 消息的信息量之和26

*制定度量信息的方法

#消息“量”信息量

#例：“明天降雨量將有1mm”

--信息量小

“明天降雨量將達到1m”

--信息量大

“明日太陽將從東方升起”

--信息量零

信息及其度量信息：是消息中包含的有效內容如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無關。度量方法應該與消息的重要程度無關。消息中所含信息量和消息內容的不確定性有關

【例】“某客機墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。

27度量信息量的方法事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述： 消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。設：P(x)－消息發(fā)生的概率，

I

－消息中所含的信息量，則P(x)和I之間應該有如下關系：I是P(x)的函數(shù)：I＝I[P(x)]P(x)，I；P(x)

，I；

P(x)=1時，I

＝0；P(x)=0時，I

＝；

滿足上述3條件的關系式如下： －信息量的定義28上式中對數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)，可簡記為b

若a=e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特，這時有

(b)【例】

設一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特29若有M個等概率波形（P=1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則傳送M進制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即M=2k，則有 當M=4時，即4進制波形，I=2比特， 當M=8時，即8進制波形，I=3比特。30對于非等概率情況 設：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即 且有 則x1,x2,

x3,…,

xM所包含的信息量分別為 于是，每個符號所含平均信息量為 由于H(x)同熱力學中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵

課程擴展31【例1】一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅校?”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個符號，故該消息的信息量每個符號的算術平均信息量為

32若用熵的概念來計算：則該消息的信息量

以上兩種結果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號數(shù)的增加而減小。 當消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。33連續(xù)消息的信息量關于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量為式中，f(x)－連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。34某信源每天播報某地的天氣預報，此地晴天、多云、陰、雨的概率分別為1/2、1/4、1/8、1/8求：（1）晴、多云、陰、雨的各自所含信息量（2）信息串“晴-多云-陰-晴-晴-晴-多云-雨”所含的總信息量（3）此信源的每個消息的平均信息量（稱為“信息熵”）35例題解：36稱為信息熵，因為其通用公式為這個公式與物理熱力學中的熵很相似。但熱力學中的熵總是增加的，而信息熵在通信過程中則總是減小的。請注意其量綱37（即信息熵）38

39例：某離散信源由0，1，2，3四種符號組成，其概率場為

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。40

解：此消息總長為N=57個符號，其中0出現(xiàn)23次(n1=23)，1出現(xiàn)14次(n2=14)，2出現(xiàn)13次(n3=13)，3出現(xiàn)7次(n4=17)。求得此消息總的信息量41

例：求上例中消息的平均信息量。解：每個符號的平均信息量(信源的熵)/符號消息有N=57個符號，所以該消息所含總信息量為I=1.906N≈108.64bit42兩種方法求總信息量，結果略有差異，原因在于兩者平均處理的方法不同。隨著消息中符號數(shù)的增加，這種誤差會逐漸減小。當消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。43441.3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)45碼元模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號tttt模擬信號和數(shù)字信號46兩類通信系統(tǒng)

模擬通信系統(tǒng) 要求－高保真度 準則－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 準則－錯誤率 手段－統(tǒng)計判決理論471.3.2數(shù)字通信的優(yōu)點取值有限，能正確接收。

數(shù)字信號波形的失真和恢復(a)失真的數(shù)字信號波形(b)中繼站整形后的數(shù)字信號波形48可采用糾錯和檢錯技術，大大提高抗 干擾性?？刹捎酶弑Ｃ苄阅艿臄?shù)字加密技術?？删C合傳輸各種模擬和數(shù)字輸入信號易于設計、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。輸出信噪比隨帶寬按指數(shù)規(guī)律增長。49數(shù)字通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端信源信道編碼調制信道壓縮編碼解調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)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉換信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調制與解調目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘柾侥康模菏故瞻l(fā)兩端的信號在時間上保持步調一致5051模擬通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端噪聲調制信道解調信宿信源兩種變換： 模擬消息原始電信號（基帶信號） 基帶信號已調信號（帶通信號）521.3.4

數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標有效性和可靠性的關系（速度～質量）有效性：指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}?？煽啃裕褐附邮招畔⒌臏蚀_程度，也就是傳輸?shù)摹百|量”問題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶來度量?？煽啃裕嚎捎媒邮斩俗罱K輸出信噪比來度量。

53數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。碼元傳輸速率RB：定義為單位時間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為B。 式中T－碼元的持續(xù)時間（秒）信息傳輸速率Rb：定義為單位時間內傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位為比特/秒，簡記為b/s，或bps碼元速率和信息速率的關系 或 對于二進制數(shù)字信號：M=2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對于多進制，例如在八進制（M=8）中，若碼元速率為1200B，，則信息速率為3600b/s。5455 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)

在二進制中有56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系

Pb=PexM/[2(M-1)]Pe/2誤字率和誤比特率的關系 對于二進制， 若一個字由k比特組成，則

Pw＝1–(1–

Pe)k

頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內的傳輸速率，即 或能量利用率

頻帶利用率57581.4

信道信道的分類：

無線信道

有線信道信道中的干擾：

有源干擾---噪聲

無源干擾---信道特性不良引起59

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60頻段（波長）劃分

頻率范圍 名稱 典型應用

(kHz)3–30甚低頻(VLF)遠程導航、水下通信 (10-100km) 聲納、授時

30–300 低頻(LF) 導航、水下通信 (1-10km) 無線電信標300–3000中頻(MF)廣播、海事通信、

(100-1000m) 測向、遇險求救、 海岸警衛(wèi)61頻段（波長）劃分

頻率范圍 名稱 典型應用

(MHz)3–30高頻(HF) 遠程廣播、電報、電話、飛機 (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、調頻廣播、陸地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽車、 警察、導航、飛機通信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、導航、衛(wèi)星 通信、GPS、監(jiān)視雷達、 無線電高度計62頻段（波長）劃分

頻率范圍 名稱 典型應用

(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、機載雷達、氣象 雷達、公用陸地移動通信

30–300 極高頻(VHF)

鐵路業(yè)務、雷達著陸系統(tǒng)、

（毫米波）實驗用300–3000亞毫米波

實驗用

（0.1–1mm）63頻段（波長）劃分

頻率范圍 名稱 典型應用

(THz)

43–430 紅外線光通信系統(tǒng)

(7–0.7m)

430–750可見光 光通信系統(tǒng)

(0.7–0.4m)

750–3000 紫外線 光通信系統(tǒng)

(0.4–0.1m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz, THz=1012Hz,mm=10-3m,m=10-6m64對流層地球0~10km電離層60~300km平流層電磁波傳播：地波、天波、視線傳播65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地球66D層：高60~80kmE層：高100~120kmF層：高150~400kmF1層：140~200kmF2層：250~400km晚上：D層、F1層消失

E層、F2層減弱

電離層的結構DEFF2F1地面67天波電離層高度：60～300km單跳最大距離：4000km多跳可以環(huán)球頻率：2～30MHz地面信號傳播路徑地面圖1.4.2天波傳播68視線傳播頻率：>30MHz傳播距離:d2+r2=(h+r)2,

或

h

D2/50(m)式中D

－kmhr地面ddDr69無線電中繼圖1.4.4無線電中繼70靜止衛(wèi)星中繼通信71平流層中繼通信HAPS(HighAltitudePlatformStation)72頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5g/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大氣衰減大氣對電磁波傳播的影響73散射通信電離層散射頻率:30~60MHz對流層散射頻率:100~4000MHz流星余跡散射頻率:30~100MHz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74蜂窩網(wǎng)移動交換中心電話交換中心751.4.2

有線信道明線:右圖為19世紀80年代紐約市百老匯

大街上架設的明線，可見大約有350條線。對稱電纜（雙絞線）同軸電纜圖1.4.8同軸電纜截面示意圖導體絕緣層76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+30.3～27300明線1+3+120.3～150120對稱電纜2412～10835對稱電纜6012～25212～18小同軸電纜30060～13008小同軸電纜96060～41004中同軸電纜1800300～90006中同軸電纜2700300～120004.5中同軸電纜10800300～600001.577光纖結構損耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波長（nm）1.55m1.31m0.7 0,9 1.1 1.3 1.5

信道模型78譯碼器輸入發(fā)轉換器

媒質收轉換器

解調器

調制器（調制）信道廣義（編碼）信道編碼器輸出79調制信道模型:對于單“端對”信道

eo(t)=f[ei(t)]+n(t)式中ei(t)－輸入的已調信號；

eo(t)－輸出信號；

n(t)－加性噪聲，它與ei(t)相互獨立。

f[ei(t)]－與輸入有關的一個函數(shù),

表示信道對于信號的影響。ei(t)eo(t)時變線性網(wǎng)絡80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)絡的特性

，稱為乘性干擾。

k(t)－一個復雜的函數(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k(t)=常數(shù)，稱為恒(定)參(量)信道 例如，同軸電纜

當k(t)常數(shù)，稱為隨(機)參(量)信道 例如，移動蜂窩網(wǎng)通信信道81編碼信道模型:二進制信號、無記憶信道， 其中，P(0/0),P(1/1)－正確轉移概率

P(0/1),P(1/0)－錯誤轉移概率 轉移概率－決定于編碼信道的特性

P(0/0)=1-P(1/0)

P(1/1)=1-P(0/1)0110P(0/0)P(0/1)P(1/1)P(1/0)82四進制

01233210接收端發(fā)送端831.4.4

信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺?~非時變線性網(wǎng)絡鏈路：一段物理線路，中間沒有任何交換設備。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84頻率失真的補償0Af(a)頻率失真信道特性0Af(b)線性補償網(wǎng)絡特性0Af(c)補償后信道特性85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）、碼間串擾。線性失真:

頻率失真和相位失真：屬于線性失真 可用“線性補償網(wǎng)絡”糾正，－“均衡”ω()0理想特性理想特性()0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86直線非線性關系輸入電壓輸出電壓圖1.4.13非線性特性87變參信道:變