【第1章】通信电路与系统课件

通信电路与系统陈宁4#438TEL:[phone]电子信息专业系列专业基础课•电路分析基础（电分，集中参数理想化电路）•模拟电路（模电，晶体管线性放大电路）•数字电路与系统（数电，开关状态电路）（最后一门电路类专业基础课）微波工程导论通信原理通信电路与系统高频（非线性）电子线路微波固态电路本课程内容特点及要点•注意本课程与前序专业基础课与平行及后序专业课的联系与区别；•既是电路类课程也是系统原理性课程，需建立牢固的电路物理概念及一定的系统概念；•需牢固建立非线性电路的基本物理概念，需掌握非线性电路的工程近似分析法；•是一门实践性很强的专业基础课，不能仅作为理论课来学习，仿真与实验对课程的理解具有重要意义。本课程主要参考书•高频电子线路，张肃文/主编；高等教育出版社•通信电路原理(第二版)，董在望、雷有华、陈雅琴；高等教育出版社•电子线路非线性部分（第四版），谢嘉奎；高等教育出版社•电子线路（第四版）教学指导书，汪胜宁，高等教育出版社•非线性电子线路，倪福卿董荔真罗伟雄；高等教育出版社－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－•现代通信原理，曹志刚/主编；清华大学出版社•通信原理（第五版），樊昌信；国防工业出版社•作业：每章课后习题，平时抽查，期末上交。•考试：期末闭卷，试卷成绩即为总评成绩。作业与考试第一章通信概论1.1概述1.什么是通信？通信在人类社会发展中的作用？•这里通信是指电通信（telecommunication），就是以电信号代表信息，从发送端向异地接收端传输信息的过程。从摩尔斯电报到今天的因特网和移动通信网，通信技术极大地改变人类社会生活。年代发明创造事件1831年美国人JosephHenry发明有线电报。1835年美国人SamuelMorse发明莫尔斯码。1843年美国人SamuelMorse发明第一条远距离有线电报线路。1876年美籍苏格兰人AlexanderGrahamBell取得电话发明专利。1889年美国人AlmonStrowger取得自动电话交换机专利。1894年意大利籍英国人GuglielmoMarconi发明改进无线电报。1902年意大利籍英国人GuglielmoMarconi发送跨越大西洋的无线电信号。1906年美国人LeeDeforest发明电真空三极管，大大改进了通信设备性能。1914年第一次实现跨越欧洲大陆的电话通话。1916年第一台频率复用调谐收音机出现。1925年英国人JohnLogieBaird首次发送电视信号。1927年美国国家广播公司建设了2套无线电广播网络。英国第一次播出电视节目。1930年进入无线电广播的黄金时代，美国播出电视，出现有声电影。1937年脉冲编码调制（PCM）技术出现。1948年美国人JohnBardeen等发明晶体管。Shannon发表著名的香农公式。2.人类电通信交流历史的回顾年代发明创造事件1958年ChesterCarlson发明复印机。美国人JackKilby发明集成电路芯片。第一颗通信卫星发射升空。1966年美国施乐公司发明传真机。1969年美国国防部高级研究计划局建设了ARPA计算机网，成为现代互联网的开端。1972年电缆电视出现。1979年首个便携手持电话通信网在日本建成启动。1985年车载移动电话普及。1990年欧洲电信标准协会发布研究了八年的GSM（GlobalSystemforMobile）标准，次年开始投入商业服务，具有相对模拟移动通信网3～4倍以上的通信容量，极大地推动了全球手机业务。1994年世界范围内的Internet启动。1995年QUALCOMM公司建成第一个码分多址（CDMA）网络投入商业运营，具有相对模拟移动通信网10倍以上的通信容量，成为不同于GSM的另一种移动通信标准。2000年～欧洲WCDMA、美国CDMA2000及中国TD-SCDMA（时分同步码分多址）的3G移动通信协议被国际电信联盟(ITU)批准确认。1.4通信方式和主要传输方式1.4.1通信方式（单工、半双工、全双工通信方式）发端信道收端信道发端发端收端收端收端发端发端收端信道1信道2单工半双工全双工1．明线、同轴电缆电话（金属信道媒介）2．光纤通信以光导纤维为信道媒介，经“电/光”和“光/电”两次转换，丰富的带宽资源利于多媒体信息传输，抗干扰能力强。局交换机局交换机明线或同轴电缆公共电话网一、有线通信1.4.2主要通信方式二、无线通信1．微波无线中继通信（干线通信、山区通信）2．卫星通信3．移动通信（移动电台、移动电话）4.无线电波频段的划分通信系统基本组成•输入变换：将各种非电物理量信息转换为电信息，输出变换是其反变换；•发射设备：主要包括载波振荡器、调制器、功率放大器；将基带信号变换成适合信道的传输特性的信号。•信道：传输电信号的媒介（有线或无线）。•干扰噪声：包括信道引入干扰和系统内部产生的噪声、失真等，视为加性；•接收设备：主要包括接收选频放大、混频放大、解调等。对接收设备的要求：由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。输入变换发射设备信道接收设备输出变换干扰噪声基带信号已调信号已调信号基带信号)(tS)(tSN(t))(tSb)(tSR通信系统)()()(tNtkStSRR)(tSb1.3模拟和数字通信系统1.3.1模拟信号和数字信号•信道中传输的电信号可是模拟信号，也可以是数字信号。•模拟信号是连续变化信息，它的信息状态随时间连续变化；•数字信号是离散变化信息，它的信息状态随时间是可数的，即只在离散时刻只有有限个离散取值。•模-数转换（ADC）可将模拟信号数字信号•数-模转换（DAC）可将数字信号模拟信号1.3.2模拟信号传输一、调制的必要性调制就是用基带信号改变高频信号的某一参量（幅度、频率、相位），使其含有基带信号变化规律。调制不是目的而是手段，是信息传输的需要，必要性为：1．无线传输易于辐射•无线电波波长与天线振子尺寸相比拟时（通常至少为十分之一）才能开始有效辐射，话音信号300-3000Hz，波长为100~1000km，振子不可能做成10-100km大小。2．便于实现多路传输•通过调制，可将不同的基带信号信息搬移到不同载波上，即所谓的FDM体制，这需要调制环节。二、模拟调制的分类•按照载波的不同可分成：正弦（连续）波调制和脉冲波调制方式。三、频分复用FDM与时分复用TDMfS1S2S3S4S5频分复用FDMtft保护时间限制频带S1S2S3S4保护带时分复用TDM•FDM方式多用于模拟通信系统，例如模拟制式的广播、电视系统，数字通信系统也可以采用FDM方式；•TDM在模拟通信系统中几乎不能采用，多用于数字通信系统，如长途有线数字电话等。调制器1调制器2调制器nf1f2S2S1Sn...fnΣ调制功放载波振荡fC无线模拟n路FDM发射接收系统高频解调带通滤波f1带通滤波f1带通滤波f1...解调1解调2解调nS1S2Sn1.3.3数字信号传输•自然界多数信息量为模拟量，可用模拟通信系统传输，但数字通信传输质量更高，数字传输的优点：1．抗干扰能力强2．可加入纠错编码，保证传输质量3．中继通信可以作到不累积噪声4．利于保密通信•数字通信优点是以付出频率资源和设备成本代价换取的。•模拟信号的数字化传输首先要涉及两个基本问题：1．模拟信号的数字化处理：处理包括取样、量化、编码三步骤。2．数字调制技术：当载波为正弦波（也叫连续波）时，它有幅度、频率和相位三个参量，分别用数字信号对其调制就构成ASK、FSK、PSK三种最基本的数字调制方式。ASKPSKFSK载波数字基带信号1.5信息及其度量•信息的概念：信息与消息既有联系也有区别，消息是以某种信号形式表现的具体的内容；信息则是抽象的、本质的内容，信息可以理解为消息中有意义的内容，即消息的不确定性。任何确知的事件不会给接收者带来任何信息。•作为信息具体内容形式的消息，它的内容应该是随机的（事先无法预知的），只有完成了传输接收过程，才能成为确定事件。•按消息来源（称为信源）随时间改变的规律分，可分为离散信源和连续信源。由于消息具有随机性，不同内容的消息都有一定的出现概率，即信源输出呈现一定的概率分布。•对于具有n个离散消息的信源X，可用一个（先验）概率场表示：其中：第i个消息（符号）的信息量定义为该信源输出的信息量的统计平均值为1212()()()nnxxxPxPxPx1()1niiPx)(log)(1log22iiixPxPI(bit)121221()()[log()]...()[log()]()[log()]nnniiiHxPxPxPxPxPxPxbit/符号哈特莱：10奈特：e比特：2..•由于平均信息量的计算公式与热力学和统计力学中关于系统熵的公式一样，故将H(x)称为信源平均信息量，即信源熵(entropy)。•[例1-1]离散信源为五种符号的集合，求H(x)•一个连续消息源X（），其平均信息量为1/41/81/83/165/16ABCDEX516log165316log1638log818log814log41)(22222xH)/bit(227.2符号xdxxPxPxH)(log)()(2什么条件下信源熵为最大？1.6信道1.6.1信道定义•信道定义：传输信息的媒介，这是一种狭义信道的定义。为了理论分析方便起见，常把信道含义范围扩大，构成一种广义信道，它包括调制信道和编码信道。•调制信道与编码信道模型的定义编码器调制器传输媒介发送转换器接收转换器解调器译码器调制信道编码信道1.6.2信道模型•调制信道的输入、输出则为已调频带信号，这种信道模型主要用于调制器与解调器的性能研究。•编码信道的输入、输出都是数字基带信号，这种信道主要用于信道编码/译码性能研究。一、调制信道（视为模拟信道）•调制信道可以看成迭加了噪声源的线性时变或者线性时不变系统，即变参（随参）信道H(ω,t)和恒参信道H(ω)H(ω,t)或H(ω)ui(t)n(t)uo(t)Σ•调制信道的传输函数为：变参信道：恒参信道：•变参信道输入/输出的传输关系很复杂，为了便于数学分析，一般将输入/输出关系在时域上表示为：•短波电离层反射信道（多径传播的波程差造成接收信号的衰落fading）衡量调制信道性能的是信道输出信噪比),(),(),(tjetHtH)()()(jeHH()()()()oiStktStnt电离层ShortWave天波L1L2L3发射接收1.6.3信道传输特性对信号的影响一、恒参信道的影响•理想恒参信道的频率响应（相当于全通网络）：•通带内幅频特性不平坦产生“振幅频率失真”•相频特性不理想产生“相位频率失真”。•对于线性传输网络用“群时延”指标衡量，即•理想信道群时延是常量（各频率分量延时相同）00()()Hkd0()ddd二、变参信道的影响•信道传输特性的随机性（如移动信道多径效应），导致频带信号变成一个窄带随机过程。窄带多径接收信号为•当各个幅度和相位随机的接收分量到达接收机，形成两个正交合成分量：•根据中心极限定律，它们都可看作是高斯分布的。0()()cos()iiiRtrttt00()cos()cos()sin()siniiiiiirtttrttt00()cos()sinXttYtt()()cos()iiiXtrtt()()sin()iiiYtrtt•接收信号：•振幅服从瑞利分布•相位服从[0，2π]上的均匀分布0()co((s))RVtttt22()(())XttYVt22()()arctan()YtXtt多径效应造成接收信号的“双重扩展”时间（t）接收信号功率电平（dB）多径效应造成接收信号的“衰落”现象二、编码信道（一）有扰离散信道的信息容量……x1xnx2yiy2y1x