通信原理教程1

1通信原理2第一章概论1.1通信的发展古代通信的起源两类通信方式近代通信的发展31.2消息、信息和信号消息：语音、文字、图形、图像…信息：消息的有效内容不同消息可有相同内容信号：传输消息的手段（媒介）通信系统中传输的是信号4信息的度量：*制定度量方法考虑的原则货物消息货运量信息量有多种有多种和种类无关和类型无关和贵重程度和重要程度无关无关总量是单件总量是单件独立货运量之和消息的信息量之和5*制定度量信息的方法#消息“量”信息量#例：“明天降雨量将有一毫米”--信息量小“明天降雨量将达到一米”--信息量大“明日太阳将从东方升起”--信息量零#信息量I=I[P(x)]，P(x)--发生概率#定义：I=loga[1/P(x)]=-logaP(x)#通常取a=2,此时单位为“比特”。#对于一个等概率、二进制码元：I=log2[1/P(x)]=log2[1/(1/2)]=1比特6#对于一个等概率、M进制码元：I=log2[1/P(x)]=log2[1/(1/M)]=log2M比特若M=2k，则I=k比特71.3数字通信1.3.1基本概念两类信号模拟信号：取值连续，例如语音数字信号：取值离散，例如数据8模拟信号与数字信号模拟信号数字信号tttt码元9两类通信系统模拟通信系统要求－高保真度准则－信号噪声功率（电压）比手段－参量估值方法数字通信系统要求－正确准则－错误率手段－统计判决理论101.3.2数字通信的优点取值有限，能正确接收。(a)失真的数字信号(b)恢复的数字信号数字信号波形的失真和恢复11可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。可采用高保密性能的数字加密技术。可综合传输各种模拟和数字输入信号易于设计、制造，体积小、重量轻。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。信噪比随带宽按指数规律增长。12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13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141.3.4数字通信系统的主要性能指标有效性和可靠性的关系（速度～质量）传输速率：码元速率RB－波特信息速率：Rb－比特/秒对M进制：Rb=RBlog2M消息速率：RM错误率：误码率Pe=错误接收码元数/传输码元总数误比特率Pb=错误接收比特数/传输总比特数15误字率Pw=错误接收字数/总传输字数误码率和误比特率的关系Pb=PexM/[2(M-1)]Pe/2误字率和误比特率的关系对于二进制，若一个字由k比特组成，则Pw＝1–(1–Pe)k频带利用率能量利用率161.4信道1.4.0信道的定义：译码器输入发转换器媒质收转换器解调器调制器（调制）信道广义（编码）信道编码器输出171.4.1无线信道无线电通信的起源电磁波发射对波长的要求频段（波长）划分18频段（波长）划分频率范围名称典型应用(kHz)3–30甚低频(VLF)远程导航、水下通信(10-100km)声纳、授时30–300低频(LF)导航、水下通信(1-10km)无线电信标300–3000中频(MF)广播、海事通信、(100-1000m)测向、遇险求救、海岸警卫19频段（波长）划分频率范围名称典型应用(MHz)3–30高频(HF)远程广播、电报、电话、飞机(10-100m)与船只间通信、船－岸通信、业余无线电30–300甚高频(VHF)电视、调频广播、陆地交通、(米波）空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信300–3000特高频(UHF)电视、蜂窝网、微波链路、(分米波）无线电探空仪、导航、卫星通信、GPS、监视雷达、无线电高度计20频段（波长）划分频率范围名称典型应用(GHz)3–30超高频(HF)卫星通信、无线电高度计、（厘米波）微波链路、机载雷达、气象雷达、公用陆地移动通信30–300极高频(VHF)铁路业务、雷达着陆系统、（毫米波）实验用300–3000亚毫米波实验用（0.1–1mm）21频段（波长）划分频率范围名称典型应用(THz)43–430红外线光通信系统(7–0.7m)430–750可见光光通信系统(0.7–0.4m)750–3000紫外线光通信系统(0.4–0.1m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz,THz=1012Hz,mm=10-3m,m=10-6m22对流层地球0~10km电离层60~300km平流层电磁波传播：地波、天波、视线传播23地波频率：2MHz以下绕射：发生在波长～障碍物尺寸可比时通信距离：可达数百～数千km地球24D层：高60~80kmE层：高100~120kmF层：高150~400kmF1层：140~200kmF2层：250~400km晚上：D层、F1层消失E层、F2层减弱电离层的结构DEFF2F1地面25天波电离层高度：60～300km单跳最大距离：4000km多跳可以环球频率：2～30MHz26频率：30MHz传播距离:d2+r2=(h+r)2,或hD2/50(m)式中D－km视线传播hr地面ddDrh2rh2hd227无线电中继图1.4.4无线电中继28静止卫星中继通信29平流层中继通信HAPS(HighAltitudePlatformStation)30频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/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31散射通信电离层散射频率:30~60MHz对流层散射频率:100~4000MHz流星余迹散射频率:30~100MHz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32蜂窝网移动交换中心电话交换中心331.4.2有线信道明线对称电缆同轴电缆图1.4.8同轴电缆截面示意图34有线电信道电气特性信道类型通话容量（路）频率范围(kHz)传输距离(km)明线1+30.3～27300明线1+3+120.3～150120对称电缆2412～10835对称电缆6012～25212～18小同轴电缆30060～13008小同轴电缆96060～41004中同轴电缆1800300～90006中同轴电缆2700300～120004.5中同轴电缆10800300～600001.535光纤结构损耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波长（nm）1.55m1.31m0.70,91.11.31.51.7361.4.3信道模型•调制信道模型:对于单“端对”信道eo(t)=f[ei(t)]+n(t)式中ei(t)－输入的已调信号；eo(t)－输出信号；n(t)－加性噪声，它与ei(t)相互独立。f[ei(t)]－与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。ei(t)eo(t)时变线性网络37通常，f[ei(t)]可以表示为：k(t)ei(t)，此时，eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)其中k(t)表示时变线性网络的特性，称为乘性干扰。k(t)－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…等。最简单情况：k(t)=常数，表示衰减。当k(t)=常数，称为恒(定)参(量)信道例如，同轴电缆当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道例如，移动蜂窝网通信信道38•编码信道模型:二进制信号、无记忆信道，其中，P(0/0),P(1/1)－正确转移概率P(0/1),P(1/0)－错误转移概率转移概率－决定于编码信道的特性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)39四进制01233210接收端发送端401.4.4信道特性对信号传输的影响恒参信道:~非时变线性网络振幅~频率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性41相位~频率特性:理想特性:相位()=k;群迟延()=d()/d=k畸变的影响:波形失真（相位失真）、码间串扰。线性失真:频率失真和相位失真：属于线性失真可用“线性补偿网络”纠正，－“均衡”非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动…非线性失真－难以消除ω()0理想特性理想特性()042变参信道:变参信道的共性－衰落:衰减随机变化传输时延:随机变化多径效应:快衰落接收信号的特性:设发送信号为Acos0t，则经过n条路径传播后的接收信号R(t)可以表示为：式中ri(t)－第i条路径的接收信号振幅；i(t)－第i条路径的传输时延i(t)=-0i(t)Xc(t)Xs(t)n1in1ii0ii0i)]t(tcos[)t(r)]t(t[cos)t(r)t(Rn1in1i0ii0iitsin)t(sin)t(rtcos)t(cos)t(r)t(R43式中V(t)－合成波R(t)的包络;〖多径衰落〗(t)－合成波R(t)的相位。即有由于，相对于而言，ri(t)和i(t)变化缓慢，故Xc(t),Xs(t)及V(t),(t)也是缓慢变化的。所以，R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。)]t(tcos[)t(Vtsin)t(Xtcos)t(X)t(R00s0c)t(X)t(Xarctan)t()t(X)t(X)t(Vcs2s2c44由下式可见，原发送信号Acos0t，经过传输后：*恒定振幅A，变成慢变振幅V(t);*恒定相位0，变成慢变相位(t)；*因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。)]t(tcos[)t(V)t(R0tff045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；发射信号为f(t)，接收信号为af(t-0)和af(t-0-)；发射信号的频谱为F()。则有f(t)F()af(t-0)aF()e-j0af(t-0-)aF()e-j(0+)af(t-0)+af(t-0-)aF()e-j0(1+e-j)H()=aF()e-j0(1+e-j)/F()=ae-j0(1+e-j)|1+e-j|=|1+cos-jsin|=|[(1+cos)2+sin2]1/2|=2|cos(/2)|三类信号：*确知信号*随相信号*起伏信号)()(Ftf461.5信道中的噪声按照来源分类：人为噪声：电火花、家用电器…自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声…按照性质分类：脉冲噪声窄带噪声起伏噪声今后讨论通信系统时主要涉及：白噪声－热噪声是一种典型白噪声。1.6小结