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通信原理教程
(第 2版)
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第 1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
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1.2 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:消息的载体通信系统中传输的是信号
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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
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*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
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# 对于一个等概率,M进制码元:
I = log2 [1/P(x)] = log2 [1/(1/M)]
= log2 M 比特若 M = 2k,则 I = k 比特
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1.3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
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模拟信号与数字信号模拟信号数字信号
t
s(t)
t
s(t)
s(t)
t
码元
t
s(t)
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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
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1.3.2 数字通信的优点
取值有限,能正确接收。
数字信号波形的失真和恢复
(a) 失真的数字信号波形 (b) 中继站整形后的数字信号波形
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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。
输出信噪比随带宽按指数规律增长。
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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
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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
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1.3.4 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 (Baud)
信息速率,Rb- 比特 /秒 (b/s)
对 M进制,Rb = RB log2 M
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
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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 = Pe x M / [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
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1.4 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
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1.4.1 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
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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
(10-100 km) 声纳、授时
30 – 300 低频 (LF) 导航、水下通信
(1-10 km) 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
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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
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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 – 1 mm)
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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 = 103 Hz,MHz = 106 Hz,GHz = 109 Hz,
THz = 1012 Hz,mm = 10-3 m,?m = 10-6 m
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对流层地球
0~10 km
电离层
60~300 km
平流层电磁波传播:地波、天波、视线传播
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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
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D层:高 60 ~ 80 km
E层:高 100 ~ 120 km
F层:高 150 ~ 400 km
F1层,140 ~ 200 km
F2层,250 ~ 400 km
晚上,D层,F1层消失
E层,F2层减弱电离层的结构
D
E
F
F2
F1
地 面
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天 波
电离层高度,60 ~ 300 km
单跳最大距离,4000 km
多跳可以环球
频率,2 ~ 30 MHz
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视线传播
频率,> 30 MHz
传播距离,d 2 + r 2 =(h+r)2,

h? D 2/50 (m)
式中 D - km
h
r
地面
d d
D
2 2d h r h
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无线电中继图 1.4.4 无线电中继
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静止卫星中继通信
29
平流层中继通信
HAPS(High Altitude Platform Station)
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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
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散射通信
电离层散射
频率,30 ~ 60 MHz
对流层散射
频率,100 ~ 4000 MHz
流星余迹散射
频率,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
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蜂窝网移动交换中心电话交换中心
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1.4.2 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
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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+3 0.3~ 27 300
明线 1+3+12 0.3~ 150 120
对称电缆 24 12~ 108 35
对称电缆 60 12~ 252 12~ 18
小同轴电缆 300 60~ 1 300 8
小同轴电缆 960 60~ 4 100 4
中同轴电缆 1 800 300~ 9 000 6
中同轴电缆 2 700 300~ 12 000 4.5
中同轴电缆 10 800 300~ 60 000 1.5
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光纤
结构
损耗
n1n2
折射率折射率
n1n2
2a
光波波长 ( nm)
1.55?m1.31?m
0.7 0,9 1.1 1.3 1.5 1.7
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1.4.3 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
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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
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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)
0
1 1
0
P(0/0)
P(0/1)
P(1/1)
P(1/0)
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四进制
0
1
2
3 3
2
1
0
接收端发送端
40
1.4.4 信道特性对信号传输的影响
恒参信道,~ 非时变线性网络
链路:一段物理线路,中间没有任何交换设备。
振幅 ~频率特性
f (Hz)300 30000
衰耗(d
B)
理想特性典型音频电话信道特性
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频率失真的补偿
0
A
f
(a) 频率失真信道特性
0
A
f
(b) 线性补偿网络特性
0
A
f
(c)补偿后信道特性
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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
(?)
0
43
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 A cos?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)
X c (t) X s (t)


n
1i
n
1i
i0ii0i )]t(tc o s [)t(r)]t(t[c o s)t(r)t(R


n
1i
n
1i
0ii0ii ts i n)t(s i n)t(rtc o s)t(c o s)t(r)t(R
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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(tc o s [)t(Vts i n)t(Xtc o s)t(X)t(R 00s0c
)t(X
)t(Xa r c t a n)t(
)t(X)t(X)t(V
c
s
2
s
2
c


45
由下式可见,
原发送信号 A cos?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(tc o s [)t(V)t(R 0
t ff0
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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)? 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+sin2]1/2|
=2|cos(/2)|
三类信号,
*确知信号
*随相信号
*起伏信号
)()(?Ftf?
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1.5 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