1、通信原理备课笔记 1 参考书： 沈振元 聂志泉 等： 通信系统原理 西安电子科技大学出版社 曹丽娜 樊昌信：通信原理学习辅导与考研指导 国防工业出版社 南利平：通信原理简明教程 清华大学出版社 王辉：通信原理 电子工业出版社 第 1章 绪论 1.1 引言 * 通信技术发展简史 十大通信技术： 1. 摩尔斯发明有线电报 2. 马克尼发明无线电报 3. 载波通信 4. 电视 5. 电子计算机 6. 集成电路 7. 光纤通信 8. 卫星通信 9. 蜂窝移动通信 10. 因特网 通信原理备课笔记 2 * 通信定义：通信 信息的传递（广义）。利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光通信（本课程）。
2、 * 研究通信目的： 如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。 * 通信原理课程目的 介绍支撑各种通信技术的通信基本概念和数学理论基础。 1.2 通信系统的组成 1.2.1 通信系统模型 * 通信系统定义：用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合叫做通信系统。 * 举例 （ 1）电话通信系统：电话、电线、交换机、电线、交换机、电线、电话 （ 2）无线广播：话筒、放大器、发送设备、电波、收音机 （ 3）卫星通信：发送地面站、电波、通信卫星、电波、接收地面站 卫星通信系统的 组成：地面站和通信卫星 同步通信卫星距地面的垂直高度是 35786
3、 km，一颗卫星覆盖的区域可达地球表面积的40，地面最大跨距达 18000 km。 卫星通信所用频率及名称 波段名称 上行频率 /GHz 下行频率 /GHz 用途 C 6 （ 5.925 6. 425） 4 （ 3.7 4.2） 商用 Ku 14 （ 14 14.5） 12 （ 11.7 12.2） 商用 Ka 30 （ 27.5 30） 20 （ 17.7 20.2） 商用 30 （ 30 31） 20 （ 20.2 21.2） 军用 * 一般模型： 接收地面站 通信卫星 上行 下行 信源 信宿 信道 噪声源 发送设备 接收设备 通信原理备课笔记 3 信源 将消息（符号、文字、话音、音乐、数
4、据、图片、图像）转换成电信号（基带信号） 发送设备 对原始电信号进行变换，以适合信道传输。 信道 信号传输的通道（有线、无线） 接收设备 将接收的信号还原成原始电信号 信宿 将电信号转换成消息 噪声源 噪声的集中表示 1.2.2 模拟通信与数字通信系统 1. 模拟通信系统 * 模拟通信系统：信道中传输模拟信号的系统（无线电广播） 南京地区广播频率表 序号 频 率（ MHz） 频 道 名 称 序号 频 率（ kHz） 频 道 名 称 1 FM88.5 江宁人民广播电台 15 AM585.00 江苏故事广播 2 FM89.7 江苏音乐广播 16 AM702.00 江苏新闻综合广播 3 FM92.0
5、0 南京曲艺调频 17 AM801.00 南京体育台故事台 4 FM93.70 江苏新闻广播 18 AM846.00 江苏健康广播 5 FM95.10 南京经济台 19 AM900.00 南京经济台 6 FM96.60 南京新闻调频 20 AM1008.00 南京电台 新闻频率 7 FM97.50 江苏经典流行音乐广播 21 AM1053.00 江苏文艺广播 8 FM99.70 金陵之声 22 AM1170.00 南京城市管理广播 9 FM101.10 江苏交通广播网 23 AM1206.00 江苏财经广播 10 FM101.70 南京城市调频 24 AM1360.00 中央人民广播电台一 套
6、中国之声 11 FM102.40 南京交通台调频广播 25 AM1360.00 中央人民广播电台一 套中国之声 12 FM104.30 南京体育台 13 FM105.80 南京音乐台 14 FM106.60 南京音乐台热力调频 通信原理备课笔记 4 * 模拟通信系统模型 基带信号 由消息直接转换成的电信号。频率较低（例如： 声音信号的频率范围是 0.33.4kHz，电视图像是 0 6MHz） 频带信号 频率在较高的范围内 2. 数字通信系统 * 数字通信系统：信道中传输数字信号的系统 * 数字通信系统模型 （ a） 加密器、解密器 对信号进行加密和解 密 编码器、解码器 提高传输的有效性（信源
7、编码）；控制信道噪声对信号产生的影响（信道编码） 调制器、解调器 将信号进行频率变换。 (b) * 数字通信优点 （ 1）抗干扰能力强 （ 2）便于进行信号加工与处理 （ 3）传输中出现的差错 (误码 )可以设法控制，提高了传输质量 （ 4）数字信息易于加密且保密性强 模拟信源 信宿 信道 噪声源 调制器 解调器 基 带 信 号 基 带 信 号 频 带 信 号 频 带 信 号 信 源 解密器 编码器 解码器 调制器 解调器 信道 噪声源 信宿 加密器 信 源 接收滤波器 信道 噪声源 信宿 基带信号形成器 通信原理备课笔记 5 （ 5）能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系统的灵活性
8、和通用性 * 数字通信缺点 占用频带宽（频带利用 率低） * 数字通信中的同步 同步 接收数据与发送数据（码元）要节拍相同 1.3 通信系统的分类及通信方式 1.3.1 通信系统分类 * 消息的物理特征：电话通信系统 微波通信系统 光纤通信系统 卫星通信系统 移动通信系统 * 调制方式： 基带传输 频带传输 * 信号特征： 模拟通信系统 数字通信系统 * 传输媒介： 有线 无线 * 复用方式： 频分复用 时分复用 码分复用 * 工作波段： 长波 中波 短波 微波 光波 一种通信系统可以分属不同的种类，比如我们所熟悉的无线电广播既是中波通信系统(短波通信系统 )，频带通信系统、模拟通信系统，也是
9、无线通信系统 1.3.2 通信方式 * 点到点系统 单工通信 信号单方向传输（广播） 半双工通信 信号双方向传输，但不能同时进行（对讲机） 全双工通信 信号双方向传输，可以同时进行（电话） * 数字系统 串行通信 并行通信 思考题 1 2 1.4 信息的度量 通信原理备课笔记 6 信息（ information）与消息（ message）的意 义相似，但信息的含义更具有普遍性、抽象性。 消息可以有各种各样的形式，但是其内容可以统一用信息来表示，信息可以理解为消息中包含的有意义的内容。 人们得到消息前，对它的内容有一种“不确定性”，信息就是对这种不确定性的定量描述。 传输信息的多少用“信息量”进
10、行衡量。 1. 信息定义 对消息统计特性的一种定量描述。 2. 信息度量 信息量 I(x) 消息出现的概率 P(x) 它们之间有如下规律： （ 1）信息量与消息出现的概率有关 )()( xPIxI （ 2）消息出现的概率越小， 信息量越大；消息出现的概率越大，信息量越小 IxP IxP 0)( 01)(（ 3）若干独立事件构成的消息，它们的信息量等于各独立事件信息量的和 )()()()()( 212121 xPIxPIxPxPIxxPI *信息量（离散消息） )(l o g)(1l o g xPxPI aa 信息量的单位 2a 比特 bit 用 得较多 xx lg32.3log 2 ea 奈特
11、 net 10a 笛特 Det ra r 进制单位 *例题 1 1 已知二元离散信源只有 “0”、 “1”两种符号，若 “0”出现概率为 1 3，求出现 “1”所含的信息量。 解 由于全概率为 1，因此出现“ 1”的概率为 2 3。由信息量定义式可知，出现“ 1”的信息量 b i tI 58.03/2 1lo g)1( 2 *平均信息量（离散消息） 消息由多个符号组成，设概率空间为 )()()( 21 21 nnxPxPxP xxx 且 1)(1 ni ixP 通信原理备课笔记 7 则平均信息量 )(log)()(log)()(log)()( 2222121 nn xPxPxPxPxPxPxH
12、 ni ii xPxP1 2 )(l o g)(（ bit/符号） *信息量（连续消息） dxxfxfxH a )(log)()( )(xf 连续消息出现的概率密度 1.5 主要性能指标 *有效性 传送信息的快慢 *可靠性 传送信息的质量 1.5.1 模拟通信系统的性能指标 *有效性 系统的传输带宽（由传输介质、对信号的处理方式决定） *可靠性 系统的信噪比（由信号功率、噪声特征、信道特性、接收端性能等决定。普通电话要求 SNR20dB，电视图像要求 SNR40dB） nsPPSNR lg10 dB 1.5.2 数字通信系统的性能指标 *有效 性 传输速率 *可靠性 差错率 1. 有效性 （
13、1）码元速率（波特率） *码元 数字通信系统中表示数字“ 0”或者“ 1”的脉冲。 *码元速率 单位时间（ 1 秒内）传输的码元数目。 *单位 波特 Baud *符号 RB 设码元宽度为 Tb，则码元速率为 bB TR1 （ 2）信息速率（比特率） *信息速率 1 秒内传输的信息量 *单位 bit/s 或者 bps *符号 Rb 码元速率与信息速率的关系 一个码元可以表示一位二进制数，也就是说一个码元可以携带 1 比特的信息量；一个码元也可以携带多个比特的信息量。 数字通信系统中常采用多进制信号。下图为用幅度区分的四进制信号。 通信原理备课笔记 8 一个四进制码元包含了 2 比特的信息量。同理
14、，一个八进制码元包含 3 比特的信息量。 N 进制下，信息速率 bR 与码元速率 BNR 之间在数值上满足的关系为 l b NRNRR BNBNbN 2log 对上图，设 T=2s， RbN=1（ bit/s）， RBN=1/2（ Baud），满足上式。 2. 可靠性 （ 1）误码率 总码元数出错的码元数eP（ 2）误比特率（误信率） 总比特数出错的比特数bP第 2章 随机信号分析 2.1 引言 * 随机信号 不可预知的信号；随机噪声 不可预测的噪声 * 它们都是随机过程，遵循一定的统计规律，可以用概率统计的方法来研究 * 随机信号的不可预测性是它携带信息的能力；而噪声的不可预测性则是有害的。
15、它们的统计特性有许多差异，利用这种差异可以在某种程度上把信号从噪声中提取出来，恢复信号所携带的信 息。 2.2 随机过程的一般描述 2.2.1 随机过程概念 对某噪声源进行多次观察，将结果记录下来，发现每次的波形都不相同。这些波形都是随机起伏的时间函数，它被称为随机函数。 无穷多个随机函数的总体称为随机过程。 随机过程中的每一个函数也叫做 样本函数 。例如，当我们用示波器观察某噪声源波形时，看到的就幅度 /V 0 0 T 1 1 1 0 0 1 2T 3T 4T 0 1 0 3 -1 -3 t 通信原理备课笔记 9 是样本函数。虽然每次观察的结果并不能预见。但如果观察的次数为无穷大，可以说结果
16、一定是样本空间的某一函数。 （对于每一个波形，如果取相同的观察时刻 kt ，随 机过程 )(kt 就只是一个随机变量)(kt 了。随机变量和随机过程的区别就是：随机变量是一个实数的集合，随机过程是时间函数的集合。） 2.2.2 随机过程的统计特性的表述 1. 概率分布 （ 1） 分布函数 *一维概率分布函数 ： 随机过程 )(t 小于或者等于某一数值 x 的概率 1111 )(),( xtPtxF *二维概率分布函数： 随机过程 )(t 在 1tt 时有 11)( xt ，在 2tt 时有 22)( xt ，它们同时满足的概率 22112121 )(,)(),;,( xtxtPttxxF （
17、2） 概率密度函数 *一维概率密度函数 11111 ),(),( x txFtxf 在时刻 1t 的统计分布情况 *二维概率密度函数 21212122121 ),;,(),;,( xx ttxxFttxxf 2. 数字特征 （ 1） 数学期望（均值） *定义 dxtxxftEta ),()()( 1 *意义 反映了随机过程在各个时刻取值的集中位置 t x1(t) t x2(t) t xn(t) . . . . . . tk 通信原理备课笔记 10 （ 2） 方差 (均方值 ) *定义 dxtxftaxtatEtDt ),()()()()()( 1222 *意义 方差描述了随机过程对均值的偏离程
18、度 （ 3） 相关函数 自相关函数 虽然均值和 方差描述了随机过程在各时间点的统计性质，但是并不能反映过程在任意两个时刻之间的内在联系。两个随机过程可以有相同的均值和方差，但如果其中一个样本波形变化比较缓慢，就说明该过程在不同时刻的取值具有较强的相关性。见图（ a），而图（ b）所示的随机过程相关性较弱。 （ a） 相关性强 (b) 相关性弱 *自相关函数 2121212212121 ),;,()()(),( dxdxttxxfxxttEttR 式中， )(1t 和 )(2t 分别是在时刻 1t 和 2t 观察 )(t 得 到的随机变量， ),;,( 21212 ttxxf 是随机过程 )(t 的二维概率密度函数。相关程度越强，上式所得到的计算值越大。 意义：反映随机过程在任意两个时刻之间的内在联系，定量地描述随机过程的内在联系的特征 自协方差函数 )()()()(),( 221121 tattatEttB 21212122211 ),;,()() ( dxdxttxxftaxtax x1(t) t (t) a (t) 0 x2(t) x1(t) t (t) a(t) 0 t (t) a(t) 0 x2(t)
