通信工程基础理论培训

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1、通 信 工 程 基 础 理 论 培 训 （无线专业） 设计业务部 戴 维 2012.08,1,基 础 理 论,2,通 信 原 理,3,无 线 通 信 原 理,1,基 础 理 论,1、时 域 和 频 域 2、基 带 和 频 带 3、调 制 和 解 调 4、电 磁 场 理 论,1、时域和频域,时域和频域的概念,时域和频域是用来描述信号的两个维度： 时域描述信号波形与时间轴之间的关系； 频域描述信号波形与频率轴之间的关系； 时域和频域都是对信号进行数学抽象的表达： 时域的物理意义:信号随时间t的连续变化而来； 频域的物理意义:信号由无限个正弦波的线性组合而来； 数学上对于信号在其他维度还有相应的描述

2、，但目前具备物 理意义的只有时域和频域；,第一章 基础理论,时域和频域波形,第一章 基础理论,第一章 基础理论,周期信号的频谱,以周期为T的矩形波信号为例：,非周期信号的频谱,非周期信号时域和频域之间通过著名的傅里叶变换和逆变换进行相互转化：,第一章 基础理论,利用下面的欧拉公式可以直观地看出正弦波信号对时域信号的线性组合形式,正弦信号对时域信号的合成,第一章 基础理论,直流分量叠加一个cos(x)余弦分量： y=0.5+0.637*cos(x),再叠加一个cos(3x)余弦分量： y=0.5+0.637*cos(x)-0.212*cos(3*x),再叠加一个cos(5x)余弦分量： y=0.

3、5+0.637*cos(x)-0.212*cos(3*x) +0.127*cos(5*x); 由此可知，通过高频分量的不断叠加，直流分量+ 余弦信号的线性组合无限逼近周期矩形信号,第一章 基础理论,关于时域和频域的总结,1、时域和频域是人们对信号在不同角度上的描述，时域是自然认知的过 程，频域是数学抽象的过程，但二者都具有确定的物理意义； 2、时域和频域通过傅里叶正反变换相互转化； 3、傅里叶变换本质上是利用无限多离散的（周期信号）或连续的（非周 期信号）正弦函数的线性组合来逼近时域信号；,2、基带和频带,基带和频带的概念,基带和频带都是用来描述信号频谱特征的，即他们的适 用范围都在频域内；

4、基带：狭义上，指的是未经过调制的信号的频谱；其特 点是频率较低，信号中心频率从零频开始，具有低通形式； 频带：和基带相对，指调制后的信号频谱；其特点是中 心频率较高，具有带通形式；,第一章 基础理论,基带和频带示意图,第一章 基础理论,信号的带宽,第一章 基础理论,信号的带宽和我们通常意义所说的“带宽”不是同一个 概念； 日常所说的带宽一般以bit/s来形容 ，它表示一段信道物 理层的数据传输速率； 信号的带宽以Hz（赫兹）为单位，它表示该信号在频域 上所占的频谱宽度； 更精确地，我们约定信号频谱在正频率部分所占宽度为该 信号的带宽；因此如上一页所示，基带信号带宽为B，频带信 号带宽为2B,基

5、带和频带在通信系统中的位置,第一章 基础理论,1、原始信息编码后形成基带信号； 2、基带信号通过调制操作转化为频带信号； 3、频带信号在信道中传输； 4、接收端通过解调操作把频带信号转化为基带信号； 5、基带信号解码后还原为原始信息； 以上即为一个最常见的数字通信系统的基本过程，其中基带信 号和频带信号通过调制和解调操作相互转化,3、调制和解调,调制和解调的概念,调制：发送端将基带信号的变化加载到一周期变化的高频载波 （一般为正弦波）上的过程； 解调：接收端从已调制的高频载波上还原基带信号的过程； 调制和解调相对，互为反变换；,第一章 基础理论,调制的目的,自然界的信息，无论模拟还是数字，其频

6、谱特征都表现 为基带信号的形式，即频谱分布在零频附近的低通信号。 这样频谱特征的信号不利于发射和在信道中长距离传输。 通过调制的手段，把以零频为中心的基带信号频谱搬移 到以载波频率为中心的高频带通频段上，以利于信号的发射 和传播,第一章 基础理论,调制的基本类型,由调制的基本定义，理论上载波的各种特征都可以承载 基带信号的变化； 我们考察一个一般性的余弦载波 Acos（t+） 可以承载信息的特征有幅度A、频率、初始相位 由此得到三种基本调制类型： 幅度调制AM 频率调制FM 相位（角度）调制PM 他们对应的数字调制方式为ASK、FSK、PSK 目前所有的高阶调制、混合调制都以上述三种基本调制

7、为基础；,第一章 基础理论,三种基本数字调制波形,由于目前通信系统都是数字通信系统，所以我们重点考 察三种数字调制波形,第一章 基础理论,正交调制和解调-概念,第一章 基础理论,发送端调制过程为：,正交调制也称为IQ调制，目前主流无线通信系统均以正 交调制作为其调制手段；它将2路输入信号映射为复数平面上 的一个复数，即输入信号X=a+jb；2路载波信号cosw0t和 sinw0t在复平面上映射为一个复数载波,正交调制和解调（续1）-系统框图,第一章 基础理论,由上面的推导可以得到正交调制和解调的系统框图,调制过程：基带信号复平面映射正交载波调制两路合并发送 解调过程：接收正交载波相干解调分别滤

8、波复平面逆映射基带信号,正交调制和解调（续2）-映射,第一章 基础理论,用正交调制生成QPSK信号,输入映射IQIQ映射相位如下：,QPSK信号星座图如下：,第一步：复平面映射,正交调制和解调（续3）-调制,第一章 基础理论,第二步：正交载波调制 第三步：两路合并,为保证输出功率归一化，调整输入IQ信号的幅值即可,正交调制和解调（续4）-时域波形,第一章 基础理论,正交调制QPSK信号各点波形如下,基带输入:,I路映射:,Q路映射:,调制合并输出:,正交调制和解调（续5）-频域波形,第一章 基础理论,正交调制信号的频谱,正交调制和解调（续6）-特点和优势,第一章 基础理论,正交调制相对于一般调

9、制方式具有以下优点： 1、占用相同频带资源的两路载波同时调制基带信号，提高频 带利用率； 2、一路串行基带信号通过映射转变为两路并行信号，延长了 基带符号时间，降低了基带码间串扰（ISI）的发生概率； 3、两路正交载波恰好对应星座图的实部和虚部，特别适合 MPSK、MQAM等高阶混合调制信号的生成；,4、电磁场理论,电磁场理论核心思想,由著名的麦克斯韦方程可以导出以下结论： 1、变化的电场产生磁场； 2、变化的磁场产生电场； 3、电场强度和磁场强度的瞬时方向始终垂直； 4、电磁波能量的传播方向与电场强度和磁场强度的瞬时方向 也始终垂直；,第一章 基础理论,电磁波的极化,我们称电磁波中电场强度的

10、瞬时值所形成的轨迹为电 磁波的极化方式，共有椭圆极化、圆极化和线极化三种。 我们把电场强度方向始终垂直于地面的线极化电磁波称 为垂直极化方式（如上图所示）；把电场强度方向始终平行 于地面的线极化电磁波称为平行极化方式； 实际应用中，我们利用两个独立的天线振子，分别发送 和接收不同极化方向（线极化）的电磁波，称之为双极化天 线； 目前广泛采用的是45双极化天线；,第一章 基础理论,电磁波的传播损耗,电磁波在传播过程中的空间损耗是一个非常重要的概念， 它是无线网络覆盖规划中的关键因素。 对于理想球面电磁波有 其中Pr为接收功率；Pt为发射功率；Gt、Gr为发射、接 收天线增益；d为空间距离； 为电

11、磁波波长 则定义空间损耗Pl=Pt/Pr 其对数形式为 Pl=10lgPt/Pr =32.45+20lgD（km）+20lgF（MHz）,第一章 基础理论,第一章 结 束,2,通 信 原 理,1）通 信 的 概 念 2）通 信 的 内 涵 3）通 信 系 统 框 图 4）A/D 转 换 5）信 道 编 码 6）扩 频 、 加 扰 7）基带滤波 8）调制 9）其他关键技术,1）通信的概念,定义： 通信作为一个系统，其根本目的在于消息的传递。即把消息从发送处传递到接收处，并保证消息可以在接收处被正确理解的过程。,举例： 消息类型分类：语音通信、数据通信 消息特征分类：模拟通信、数字通信 传递方式分

12、类：有线通信、无线通信,2）通信的内涵,通信系统的内涵极广，深刻理解通信原理除了作为一般工程科学所必备的高等数学、概率论、线性代数、物理学等基础知识外，还有以下一些较重要的专业学科理论基础。,电子电路理论：包括模拟和数字电路，主要解决通信系统中各种信号处理电路的物理层实现。 信号分析与处理：包括信号分析、信号与系统和信号处理（主要是数字信号处理），主要解决各种信号处理方法的理论分析和逻辑实现。 其他专业学科：包括无线通信原理、传输原理、交换原理、通信网等，主要解决各专业在通信系统中的应用。,2）通信的内涵 （续）,鉴于以上内容的纷繁复杂，本章节不对上述各理论进行深入展开，而只对通信原理中最基本

13、的关键性理论进行阐述，中间涉及到的各专业知识尽量简化以利于理解，力求做到深入浅出，让新入门的同事从系统的角度快速建立正确概念。,3）通信系统框图,最基本的通信系统框图可以根据定义很容易得出：消息经过信道从发送方传递到接收方,发送,接收,信道,消息,消息,现实中，原始消息需要经过一系列处理后才能发送：,处理,处理,信道,消息,消息,发送,接收,对于所谓“处理”我们可以做进一步细化：,信道,消息,A/D 转换,消息,信道 编码,扩频,加扰,调制,基带 滤波,D/A 转换,信道 解码,解 扩频,解扰,解调,采样 恢复,bit,symbol,chip,Baud,3）通信系统框图（续）,以上可以清楚看到

14、，发送端和接收端的处理过程都是一一对应的。接下来我们主要针对框图中的红色部分逐一进行重点介绍。,作用 模拟信号转换为数字信号后，利用数字通信系统的信号处理方法进行通信，在接收端恢复模拟信号；,4）A/D转换,定义 把模拟信号转换为数字信号的过程称为A/D转换。,过程 模拟信号抽样量化信源编码,4）A/D转换（采样、量化1）,采样-定义 采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用下，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的模拟信号；,采样-方法 利用时间上间隔相等的采样脉冲和需采样信号相乘，获得需采样信号在脉冲时刻的离散幅值；,采样-采样定理 如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超

15、过fh，当抽样脉冲频率fs2fh时，抽样后的信号就包含原信号的全部信息 ；,4）A/D转换（采样、量化2）,信号抽样过程图示,4）A/D转换（采样、量化3）,量化-定义 把经抽样得到的信号瞬时值的幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用其一一进行表示；,量化-目的 把连续信号离散化，为下一步离散信号的数字化做准备。,量化-分类 根据量化间隔特征可分为均匀量化和非均匀量化两种量化方式；,4）A/D转换（信源编码）,信源编码-定义 把经过采样、量化后的离散电平值数字化，尽量减少冗余，压缩信息速率；,举例 陆地公用电话:PCM64kbps GSM:FR12.2kbps 、HR6.5kbps TD

16、-SCDMA:AMR4.75-12.2kbps 8速率 CDMA:QCELP8kbps 、13kbps,信源编码-目的 压缩单用户信息速率，相对提升系统容量；,4）A/D转换（总结）,A/D转换图示,5）信道编码,定义 顾名思义，信道编码就是为了抵抗信道的各种失真和干扰，对信源编码后的数据比特进行二次变换的过程。,基本思想 使具有随机信号特征的原始信息比特在经过信道编码后符号之间具有一定的相关性。当符号因信道特性不佳而发生误码后，利用这种相关性可以对错误进行检测甚至纠正。,实现方法 在编码器输入的原始比特中增加相关冗余比特后输出，即通过牺牲传输带宽的代价换取传输可靠性。,举例 卷积码：每一段监督码元除了和对应码组的信息码元相关，而且和之前所有码组