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通信原理通信原理1第一章第一章 概论概论1.1 通信的发展通信的发展l l古代通信的起源古代通信的起源l l两类通信方式两类通信方式l l近代通信的发展近代通信的发展21.2 消息、信息和信号消息、信息和信号l l消息：语音、文字、图形、图像消息：语音、文字、图形、图像l l信息：消息的有效内容信息：消息的有效内容 不同消息可有相同内容不同消息可有相同内容l l信号：传输消息的手段（媒介）信号：传输消息的手段（媒介）通信系统中传输的是信号通信系统中传输的是信号3l信息的度量：信息的度量：*制定度量方法考虑的原则制定度量方法考虑的原则货货 物物消消 息息货运量货运量信息量信息量有多种有多种有多种有多种 和种类无关和种类无关 和类型无关和类型无关 和贵重程度和贵重程度 和重要程度和重要程度 无关无关 无关无关 总量是单件总量是单件 总量是单件独立总量是单件独立 货运量之和货运量之和消息的信息量之和消息的信息量之和4*制定度量信息的方法制定度量信息的方法#消息消息“量量”信息量信息量#例：例：“明天降雨量将有一毫米明天降雨量将有一毫米”-信息量信息量小小 “明天降雨量将达到一米明天降雨量将达到一米”-信息量信息量大大 “明日太阳将从东方升起明日太阳将从东方升起”-信息量信息量零零#信息量信息量 I=I P(x)，P(x)-发生概率发生概率#定义：定义：I=loga 1/P(x)=-logaP(x)#通常取通常取 a=2,此时单位为此时单位为“比特比特”。#对于一个等概率、二进制码元：对于一个等概率、二进制码元：I=log2 1/P(x)=log2 1/(1/2)=1 比特比特5#对于一个等概率、对于一个等概率、M进制码元：进制码元：I=log2 1/P(x)=log2 1/(1/M)=log2 M比特比特 若若 M=2k，则，则 I=k 比特比特61.3数字通信数字通信1.3.1基本概念基本概念uu两类信号两类信号 模拟信号：取值连续，例如语音模拟信号：取值连续，例如语音 数字信号：取值离散，例如数据数字信号：取值离散，例如数据7模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号模拟信号数字信号数字信号t tt tt tt t码元8u两类通信系统两类通信系统 模拟通信系统模拟通信系统要求要求 高保真度高保真度准则准则 信号噪声功率（电压）比信号噪声功率（电压）比手段手段 参量估值方法参量估值方法 数字通信系统数字通信系统要求要求 正确正确准则准则 错误率错误率手段手段 统计判决理论统计判决理论91.3.2 数字通信的优点数字通信的优点l l取值有限，能正确接收。取值有限，能正确接收。(a)失失真真的的数数字字信信号号(b)恢复的数字信号恢复的数字信号 数字信号波形的失真和恢复数字信号波形的失真和恢复10l l可采用纠错和检错技术，大大提高抗可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。干扰性。l l 可采用高保密性能的数字加密技术。可采用高保密性能的数字加密技术。l l可综合传输各种模拟和数字输入信号可综合传输各种模拟和数字输入信号l l易于设计、制造，体积小、重量轻。易于设计、制造，体积小、重量轻。l l可作信源编码，压缩冗余度，提高信可作信源编码，压缩冗余度，提高信 道利用率。道利用率。l l信噪比随带宽按指数规律增长。信噪比随带宽按指数规律增长。11数字通信系统模型数字通信系统模型发送端接收端信 源信道编码调 制信 道压缩编码解 调信 宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪 声同 步信源编码信源解码1.3.3 数字通信系统模型数字通信系统模型12模拟通信系统模型模拟通信系统模型发送端接收端噪 声调 制信 道解 调信 宿信 源131.3.4 数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标l l有效性和可靠性的关系（速度质量）有效性和可靠性的关系（速度质量）传输速率：传输速率：码元速率码元速率码元速率码元速率R RB B 波特波特波特波特信息速率：信息速率：信息速率：信息速率：R Rb b 比特比特比特比特/秒秒秒秒对对对对MM进制：进制：进制：进制：R Rb b=R RB B loglog2 2 M M消息速率：消息速率：消息速率：消息速率：R RMM 错误率：错误率：误码率误码率误码率误码率P Pe e =错误接收码元数错误接收码元数错误接收码元数错误接收码元数/传输码元总数传输码元总数传输码元总数传输码元总数误比特率误比特率误比特率误比特率P Pb b =错误接收比特数错误接收比特数错误接收比特数错误接收比特数/传输总比特数传输总比特数传输总比特数传输总比特数14误字率误字率Pw=错误接收字数错误接收字数/总传输字数总传输字数误码率和误比特率的关系误码率和误比特率的关系Pb=Pe x M/2(M-1)Pe/2误字率和误比特率的关系误字率和误比特率的关系对于二进制，对于二进制，若一个字由若一个字由k比特组成，则比特组成，则Pw1 (1 Pe)k l l频带利用率频带利用率l l能量利用率能量利用率151.4 信信 道道 1.4.0 信道的定义：信道的定义：译码器译码器译码器译码器输输输输 入入入入发发转转换换器器 媒媒 质质收收转转换换器器 解解 调调 器器 调调 制制 器器（调（调（调（调 制）制）制）制）信信信信 道道道道广义（编码）信道广义（编码）信道广义（编码）信道广义（编码）信道编码器编码器编码器编码器输输输输 出出出出161.4.1 无线信道无线信道l l无线电通信的起源无线电通信的起源l l电磁波发射对波长的要求电磁波发射对波长的要求l l频段（波长）划分频段（波长）划分17频段（波长）划分频段（波长）划分 频率范围频率范围 名名 称称 典型应用典型应用 (kHz)3 30 甚低频甚低频(VLF)远程导航、水下通信远程导航、水下通信 (10-100 km)声纳、授时声纳、授时 30 300 低频低频(LF)导航、水下通信导航、水下通信 (1-10 km)无线电信标无线电信标300 3000 中频中频(MF)广播、海事通信、广播、海事通信、(100-1000m)测向、遇险求测向、遇险求救、救、海岸警卫海岸警卫18频段（波长）划分频段（波长）划分 频率范围频率范围 名名 称称 典型应用典型应用 (MHz)3 30 高频高频(HF)远程广播、电报、电话、飞机远程广播、电报、电话、飞机远程广播、电报、电话、飞机远程广播、电报、电话、飞机 (10-100m)(10-100m)与船只间通信、船岸与船只间通信、船岸与船只间通信、船岸与船只间通信、船岸通信、通信、通信、通信、业余无线电业余无线电业余无线电业余无线电 30 300 甚高频甚高频(VHF)电视、调频广播、陆地交通、电视、调频广播、陆地交通、电视、调频广播、陆地交通、电视、调频广播、陆地交通、(米波）米波）米波）米波）空中交通管制、出租汽车、空中交通管制、出租汽车、空中交通管制、出租汽车、空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信警察、导航、飞机通信警察、导航、飞机通信警察、导航、飞机通信 300 3000 特高频特高频(UHF)电视、蜂窝网、微波链路、电视、蜂窝网、微波链路、电视、蜂窝网、微波链路、电视、蜂窝网、微波链路、(分米波）分米波）分米波）分米波）无线电探空仪、导航、卫星无线电探空仪、导航、卫星无线电探空仪、导航、卫星无线电探空仪、导航、卫星 通信、通信、通信、通信、GPSGPS、监视雷达、监视雷达、监视雷达、监视雷达、无线电高度计无线电高度计无线电高度计无线电高度计 19频段（波长）划分频段（波长）划分 频率范围频率范围 名名 称称 典型应用典型应用 (GHz)3 30 超高频超高频(HF)卫星通信、无线电高度计、卫星通信、无线电高度计、卫星通信、无线电高度计、卫星通信、无线电高度计、（厘米波）（厘米波）（厘米波）（厘米波）微波链路、机载雷达、气象微波链路、机载雷达、气象微波链路、机载雷达、气象微波链路、机载雷达、气象 雷雷雷雷 达、公用陆地移动通信达、公用陆地移动通信达、公用陆地移动通信达、公用陆地移动通信 30 300 极高频极高频(VHF)铁路业务、雷达着陆系统、铁路业务、雷达着陆系统、铁路业务、雷达着陆系统、铁路业务、雷达着陆系统、（毫米波）（毫米波）（毫米波）（毫米波）实验用实验用实验用实验用 300 3000 亚毫米波亚毫米波 实验用实验用实验用实验用 （0.1 1 mm0.1 1 mm）20频段（波长）划分频段（波长）划分 频率范围频率范围 名名 称称 典型应用典型应用 (THz)43 430 43 430 红外线红外线红外线红外线 光通信系统光通信系统光通信系统光通信系统 (7 0.7(7 0.7 m)m)430 750 430 750 可见光可见光可见光可见光 光通信系统光通信系统光通信系统光通信系统 (0.7 0.4(0.7 0.4 m)m)750 3000750 3000紫外线紫外线紫外线紫外线光通信系统光通信系统光通信系统光通信系统 (0.4 0.1(0.4 0.1 m)m)注：注：注：注：kHz=10kHz=103 3 Hz,MHz=10 Hz,MHz=106 6 Hz,GHz=10 Hz,GHz=109 9 Hz,Hz,THz=10 THz=101212 Hz,mm=10 Hz,mm=10-3-3 m,m,m=10m=10-6-6 m m21对流层对流层地球地球010 km电离层电离层60300 km平流层平流层电磁波传播：地波、天波、视线传播电磁波传播：地波、天波、视线传播22地地 波波l l频率：频率：2MHz 以下以下l l绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时l l通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千 km地球地球23l lD层：高层：高60 80 kml lE层：高层：高100 120 kml lF层：高层：高150 400 kmF1层：层：140 200 kmF2层：层：250 400 kml l晚上：晚上：D层、层、F1层消失层消失E层、层、F2层减弱层减弱 电离层的结构电离层的结构D DE EF FF F2 2F F1 1地地地地 面面面面24天天 波波l l电离层高度：电离层高度：60 300 kml l单跳最大距离：单跳最大距离：4000 kml l多跳可以环球多跳可以环球l l频率：频率：2 30 MHz25l l频率：频率：30 MHzl l传播距离传播距离:d2+r2=(h+r)2,或或h D2/50 (m)式中式中 D km视线传播视线传播hr地面ddD26无线电中继无线电中继图1.4.4 无线电中继27静止卫星中继通信静止卫星中继通信28平流层中继通信平流层中继通信uuHAPS(High Altitude Platform Station)29频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率图1.4.5 大气衰减大气对电磁波传播的影响大气对电磁波传播的影响30散射通信散射通信uu电离层散射电离层散射电离层散射电离层散射l l频率频率频率频率:30 60 MHz:30 60 MHzuu对流层散射对流层散射对流层散射对流层散射l l频率频率频率频率:100 4000 MHz:100 4000 MHzuu流星余迹散射流星余迹散射流星余迹散射流星余迹散射l l频率频率频率频率:30 100 MHz:30 100 MHz图1.4.6 对流层散射通信地球有效散射区域地球图1.4.7 流星余迹散射通信31蜂窝网蜂窝网移动交换中心电话交换中心321.4.2 有线信道有线信道l l明线明线l l对称电缆对称电缆l l同轴电缆同轴电缆图1.4.8 同轴电缆截面示意图33有线电信道电气特性有线电信道电气特性信道信道类类型型通通话话容量容量（路）（路）频频率范率范围围(kHz)传输传输距离距离(km)明明线线1+30.327300明明线线1+3+120.3150120对对称称电缆电缆241210835对对称称电缆电缆60122521218小同小同轴电缆轴电缆300601 3008小同小同轴电缆轴电缆960604 1004中同中同轴电缆轴电缆1 8003009 0006中同中同轴电缆轴电缆2 70030012 0004.5中同中同轴电缆轴电缆10 80030060 0001.534l l光纤光纤光纤光纤结构结构结构结构损耗损耗损耗损耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7351.4.3 信道模型信道模型调制信道模型调制信道模型调制信道模型调制信道模型:对于单对于单对于单对于单“端对端对端对端对”信道信道信道信道e eo o(t t)=)=f f e ei i(t t)+)+n n(t t)式中式中式中式中 e ei i(t t)输入的已调信号；输入的已调信号；输入的已调信号；输入的已调信号；e eo o(t t)输出信号；输出信号；输出信号；输出信号；n n(t t)加性噪声，它与加性噪声，它与加性噪声，它与加性噪声，它与e ei i(t t)相互独立。相互独立。相互独立。相互独立。f f e ei i(t t)与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。e ei i(t t)e eo o(t t)时变线性时变线性网络网络36通常，通常，通常，通常，f f e ei i(t t)可以表示为：可以表示为：可以表示为：可以表示为：k k(t t)e ei i(t t)，此时，此时，此时，此时，e eo o(t t)=)=k k(t t)e ei i(t t)+)+n n(t t)其中其中其中其中k k(t t)表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性 ，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。k k(t t)一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟非线性失真、延迟非线性失真、延迟非线性失真、延迟 等。等。等。等。最简单情况：最简单情况：最简单情况：最简单情况：k k(t t)=)=常数，表示衰减。常数，表示衰减。常数，表示衰减。常数，表示衰减。当当当当k(tk(t)=)=常数，称为恒常数，称为恒常数，称为恒常数，称为恒(定定定定)参参参参(量量量量)信道信道信道信道例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆当当当当k(tk(t)常数，称为随常数，称为随常数，称为随常数，称为随(机机机机)参参参参(量量量量)信道信道信道信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道37编码信道模型编码信道模型编码信道模型编码信道模型:二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，其中，其中，其中，其中，P P(0/0),(0/0),P P(1/1)(1/1)正确转移概率正确转移概率正确转移概率正确转移概率 P P(0/1),(0/1),P P(1/0)(1/0)错误转移概率错误转移概率错误转移概率错误转移概率 转移概率转移概率转移概率转移概率 决定于编码信道的特性决定于编码信道的特性决定于编码信道的特性决定于编码信道的特性 P P(0/0)=1-(0/0)=1-P P(1/0)(1/0)P P(1/1)=1-(1/1)=1-P P(0/1)(0/1)0 01 11 10 0P P(0/0)(0/0)P P(0/1)(0/1)P P(1/1)(1/1)P P(1/0)(1/0)38四进制四进制四进制四进制 01233210接收端发送端391.4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响l l恒参信道恒参信道恒参信道恒参信道:非时变线性网络非时变线性网络非时变线性网络非时变线性网络振幅振幅振幅振幅 频率特性频率特性频率特性频率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性40相位相位相位相位 频率特性频率特性频率特性频率特性:理想特性理想特性理想特性理想特性:相位相位相位相位 ()=k)=k ;群迟延群迟延群迟延群迟延 ()=)=d d ()/d)/d =k=k畸变的影响畸变的影响畸变的影响畸变的影响:波形失真（相位失真）、码间串扰。波形失真（相位失真）、码间串扰。波形失真（相位失真）、码间串扰。波形失真（相位失真）、码间串扰。线性失真线性失真线性失真线性失真:频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：属于线性失真属于线性失真属于线性失真属于线性失真 可用可用可用可用“线性补偿网络线性补偿网络线性补偿网络线性补偿网络”纠正，纠正，纠正，纠正，“均衡均衡均衡均衡”非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动 非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真 难以消除难以消除难以消除难以消除()0理想特性理想特性()041l l变参信道变参信道变参信道变参信道:变参信道的共性变参信道的共性变参信道的共性变参信道的共性 衰落衰落衰落衰落:衰减随机变化衰减随机变化衰减随机变化衰减随机变化 传输时延传输时延传输时延传输时延:随机变化随机变化随机变化随机变化 多径效应多径效应多径效应多径效应:快衰落快衰落快衰落快衰落接收信号的特性接收信号的特性接收信号的特性接收信号的特性:设发送信号为设发送信号为A cos 0t，则经过，则经过n条路径传播后的接收信号条路径传播后的接收信号R(t)可以表示为：可以表示为：式中式中 ri(t)第第 i 条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅；i(t)第第 i 条路径的传输时延条路径的传输时延 i(t)=-0 i(t)X c(t)X s(t)42式中式中 V(t)合成波合成波R(t)的包络的包络;多径衰落多径衰落 (t)合成波合成波R(t)的相位。的相位。即有即有由于，相对于由于，相对于 而言，而言，ri(t)和和 i(t)变化缓慢，故变化缓慢，故Xc(t),Xs(t)及及V(t),(t)也是缓慢变化的。也是缓慢变化的。所以，所以，R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。可以视为一个窄带信号（随机过程）。43由下式可见，由下式可见，由下式可见，由下式可见，原发送信号原发送信号原发送信号原发送信号A A coscos 0 0t t，经过传输后：经过传输后：经过传输后：经过传输后：*恒定振幅恒定振幅恒定振幅恒定振幅A A，变成慢变振幅变成慢变振幅变成慢变振幅变成慢变振幅V(t);V(t);*恒定相位恒定相位恒定相位恒定相位0 0，变成慢变相位，变成慢变相位，变成慢变相位，变成慢变相位 (t)(t)；*因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。tff044频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落 设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；发射信号为发射信号为f(t)，接收信号为，接收信号为af(t-0)和和af(t-0-)；发射信号的频谱为发射信号的频谱为F()。则有则有 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)|三类信号：三类信号：*确知确知信号信号*随相随相信号信号*起伏起伏信号信号451.5 信道中的噪声信道中的噪声l l按照来源分类：按照来源分类：按照来源分类：按照来源分类：人为噪声：电火花、家用电器人为噪声：电火花、家用电器人为噪声：电火花、家用电器人为噪声：电火花、家用电器自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声l l按照性质分类：按照性质分类：按照性质分类：按照性质分类：脉冲噪声脉冲噪声脉冲噪声脉冲噪声窄带噪声窄带噪声窄带噪声窄带噪声起伏噪声起伏噪声起伏噪声起伏噪声l l今后讨论通信系统时主要涉及：今后讨论通信系统时主要涉及：今后讨论通信系统时主要涉及：今后讨论通信系统时主要涉及：白噪声白噪声白噪声白噪声 热噪声是一种典型白噪声。热噪声是一种典型白噪声。热噪声是一种典型白噪声。热噪声是一种典型白噪声。1.6 小结小结46