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1、1通通 信信 电电 路路 与与 系系 统统(Communication Circuit and System )2教教 材材通通 信信 电电 路路 与与 系系 统统主编：罗伟雄主编：罗伟雄出版社：出版社：北京理工大学出版社北京理工大学出版社 2007年年9月月3课课 程程 特特 点点n以通信系统构成和通信调制信号分析为主线，将通信原理和相应的电路知识有机结合。n通信电路：主要包括应用于通信、雷达、遥控遥测等技术领域的单元功能电路，内容限于模拟电路。n通信原理：全面介绍通信原理和一些通信系统的知识。4学习方法n1 要重点掌握教师的教学重点，掌握所教授课程的主要内容；n2 要求认真复习所讲授的内容
2、，认真完成教师所布置的作业；5n通信原理与电路是一门与实际密切结合的专业基础课，学生在学习该课通信原理与电路是一门与实际密切结合的专业基础课，学生在学习该课之前已学习完电路、模拟电子技术基础、信号与系统等基础课。本课以之前已学习完电路、模拟电子技术基础、信号与系统等基础课。本课以通信系统构成和通信调制信号分析为主线，将通信原理和相应的电路知通信系统构成和通信调制信号分析为主线，将通信原理和相应的电路知识有机结合。内容包括丙类谐振功率放大器、振荡电路、调幅与解调、识有机结合。内容包括丙类谐振功率放大器、振荡电路、调幅与解调、调频与解调、锁相技术与应用，以及模拟信号数字化调频与解调、锁相技术与应用
3、，以及模拟信号数字化PCM、M调制，调制，基带传输系统和数字调制系统等。这些既有大量的基本概念，又有实际基带传输系统和数字调制系统等。这些既有大量的基本概念，又有实际单元电路分析。因此需要在学习时，一方面在课堂教学环节中，要重点单元电路分析。因此需要在学习时，一方面在课堂教学环节中，要重点掌握教师的教学重点，掌握所教授课程的主要内容，另一方面，在课外掌握教师的教学重点，掌握所教授课程的主要内容，另一方面，在课外环节上，要求认真复习所讲授的内容，认真完成教师所布置的作业。建环节上，要求认真复习所讲授的内容，认真完成教师所布置的作业。建议复习一下以前学过的电路、模拟电子技术基础、信号与系统等方面的
4、议复习一下以前学过的电路、模拟电子技术基础、信号与系统等方面的知识。知识。6n通过本课程学习应做到：n1、建立现代通信技术和通信系统的基本概念、基本理论和专业术语；n2、掌握不同通信系统的各种调制方式的基本工作原理及其性能指标，以及相应的分析方法和重要结论；n 3、掌握通信系统中信号频率变换的基本方法。7课程安排n理论学时：64 n实验学时：16 n通信系统仿真：889主要内容主要内容n1-1 概述概述n1-2 通信和通信系统通信和通信系统n1-3 模拟和数字通信系统模拟和数字通信系统n1-4 通信方式和主要传输方式的现状及发展通信方式和主要传输方式的现状及发展趋势趋势n1-5 信息及其度量信
5、息及其度量n1-6 信道信道n1-7 通信系统的主要质量指标通信系统的主要质量指标10学习重点n常用通信术语n通信通信系统 信(息)源信宿信道 调制 解调 基带信号 频带信号n通信系统的组成和分类n几种通信方式n模拟、数字通信系统的主要特点n离散信源的信息量n码元速率与信息速率的关系n误码率的概念11本章参考文献n1 樊昌信等编，通信原理，国防工业出版社，1988n2 曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社，1992121-1 概述概述 什什么么是是通通信信？通通信信技技术术在在人人类类社社会会发发展展中中的的作作用？用？ 这里通信是指电通信（这里通信是指电通信（telecommunicat
6、ion），），就是以电信号代表信息，从发送端向异地接收端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，极大地改变人类社会生活。和移动通信网，极大地改变人类社会生活。 13年年 代代发明创造事件发明创造事件公元前公元前35002900年年埃及人发明了象形文字。中东黎巴嫩一埃及人发明了象形文字。中东黎巴嫩一带的腓尼基人（闪米特人）参照象形文带的腓尼基人（闪米特人）参照象形文字，创造出用字，创造出用22个辅音字母表示的楔个辅音字母表示的楔形文字。现代欧洲的拼音字母差不多都形文字。现代欧洲的拼音字母差不多都来
7、源于腓尼基字母，它称得上是欧洲拼来源于腓尼基字母，它称得上是欧洲拼音文字的始祖。音文字的始祖。前前1775年年希腊人开始使用自左至右书写的希腊人开始使用自左至右书写的音标字母。音标字母。前前1400年年中国出现最古老的甲骨文字。中国出现最古老的甲骨文字。人类通信交流历史的回顾人类通信交流历史的回顾人类通信交流历史的回顾人类通信交流历史的回顾The history of human communication 14前前1270年年叙利亚一带出现第一部写作的百科叙利亚一带出现第一部写作的百科全书全书前前900年年中国出现最早记载的邮政服务。中国出现最早记载的邮政服务。前前776年年有有记记录录的的
8、奥奥林林匹匹克克比比赛赛获获胜胜者者使使用用信鸽往雅典传送消息。信鸽往雅典传送消息。前前530年年希腊人创立最早的图书馆。希腊人创立最早的图书馆。前前200100年年埃及和中国出现驿站和步行或骑马埃及和中国出现驿站和步行或骑马的送信使者。的送信使者。1514年年罗马人建立邮政服务。罗马人建立邮政服务。37年年罗马人使用镜子反射日光传送消息。罗马人使用镜子反射日光传送消息。100年年出现第一批装订的书籍。出现第一批装订的书籍。105年年东东汉汉时时期期中中国国人人蔡蔡伦伦发发明明用用树树皮皮、麻麻屑屑、残残布布等造纸的技术。等造纸的技术。305年年唐代中国发明文字木制雕版印刷术。唐代中国发明文字
9、木制雕版印刷术。1049年年宋代中国人毕升发明粘土活字印刷术。宋代中国人毕升发明粘土活字印刷术。1455年年德国人约翰尼斯德国人约翰尼斯古腾堡发明铅字活版印刷机古腾堡发明铅字活版印刷机。161560年年原始的图像生成暗箱出现。原始的图像生成暗箱出现。1650年年德国开始每日发行德国开始每日发行莱比锡报莱比锡报。1714年年英国人亨利英国人亨利米尔取得世界上第一台打字机专利。米尔取得世界上第一台打字机专利。1793年年法法国国人人Claude Chappe在在巴巴黎黎发发明明第第一一个个视视距距旗语旗语“电报电报”线路。线路。1814年年法法国国人人Joseph Nicphore Nipce洗洗
10、印印出出第第一一张张相片。相片。1827年年英英国国物物理理学学家家Charles Wheatstone复复制制出出声声音音，制出第一个原始麦克风。制出第一个原始麦克风。17电通信电通信(Telecommunication)时代到来时代到来1831年年美国人美国人Joseph Henry发明发明有线电报有线电报。1835年年美国人美国人Samuel Morse发明莫尔斯码。发明莫尔斯码。1843年年美美国国人人Samuel Morse发发明明第第一一条条远远距距离离有有线线电电报线路。报线路。1861年年美国开始驿马快信邮递制度。美国开始驿马快信邮递制度。1867年年美国人美国人Sholes发
11、明现代打字机。发明现代打字机。181876年年美美籍籍苏苏格格兰兰人人Alexander Graham Bell取取得得电电话话发发明专利。明专利。1877年年美国人美国人Thomas Edison取得留声机发明专利。取得留声机发明专利。1887年年美美籍籍德德国国人人Emile Berliner发发明明反反复复记记录录使使用用的的留留声机。声机。1888年年美国人美国人George Eastman取得柯达胶卷照相机专利。取得柯达胶卷照相机专利。1889年年美国人美国人Almon Strowger取得自动电话交换机专利。取得自动电话交换机专利。1894年年意意大大利利籍籍英英国国人人Gugli
12、elmo Marconi发发明明改改进进无无线线电报。电报。1899年年丹麦人丹麦人Valdemar Poulsen发明磁化钢介质录音带。发明磁化钢介质录音带。191902年年意意大大利利籍籍英英国国人人Guglielmo Marconi发发送送跨跨越越大大西西洋洋的的无无线线电电信信号。号。1906年年美美国国人人Lee Deforest发发明明电电真真空空三三极极管管，大大大大改改进进了了通通信信设设备备性性能。能。1914年年第一次实现跨越欧洲大陆的电话通话。第一次实现跨越欧洲大陆的电话通话。1916年年第一台频率复用调谐第一台频率复用调谐收音机收音机出现。出现。1923年年俄罗斯人俄罗
13、斯人Vladimir Kosma Zworykin发明电视显像管发明电视显像管(CRT)。1925年年英国人英国人John Logie Baird首次发送首次发送电视电视信号。信号。1927年年美美国国国国家家广广播播公公司司建建设设了了2套套无无线线电电广广播播网网络络。英英国国第第一一次次播播出电视节目。出电视节目。1930年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。进入无线电广播的黄金时代，美国播出电视，出现有声电影。201934年年波兰人波兰人Joseph Begun发明首台磁带录音机。发明首台磁带录音机。1937年年脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）技术出现。）技术出
14、现。1938年年电视节目可以用磁带先期录制和编辑。电视节目可以用磁带先期录制和编辑。1944年年计算机投入公共服务，信息时代开始。计算机投入公共服务，信息时代开始。1948年年美美国国人人John Bardeen等等发发明明晶晶体体管管。Shannon发发表表著著名名的的香香农农公公式式。1949年年网络电视在美国出现，发明网络电视在美国出现，发明45转转/分钟记录磁带。分钟记录磁带。1951年年计算机作为商品第一次出售。计算机作为商品第一次出售。1958年年Chester Carlson发发明明复复印印机机。美美国国人人Jack Kilby发发明明集集成成电电路路芯芯片片。第一颗。第一颗通信
15、卫星通信卫星发射升空。发射升空。211963年年美国发明邮政编码美国发明邮政编码(Zip Codes)。1966年年美国施乐公司发明传真机。美国施乐公司发明传真机。1969年年美美国国国国防防部部高高级级研研究究计计划划局局建建设设了了ARPA计计算算机机网网，成成为为现现代代互互联联网的开端网的开端。1972年年电缆电视出现。电缆电视出现。1976年年苹果系列电脑发明。1979年年首个首个便携手持电话通信网便携手持电话通信网在日本建成启动。在日本建成启动。1981年年IBM出售个人电脑，鼠标出现并流行使用。出售个人电脑，鼠标出现并流行使用。1984年年苹果和苹果和IBM公司分别推出公司分别推
16、出Macintosh系列和系列和 IBM PC/AT微机。微机。1985年年车载移动电话普及。车载移动电话普及。CD-ROM在微机中使用。在微机中使用。221990年年欧欧洲洲电电信信标标准准协协会会发发布布研研究究了了八八年年的的GSM（Global System for Mobile）标标准准，次次年年开开始始投投入入商商业业服服务务，具具有有相相对对模模拟拟移移动动通通信网信网34倍以上的通信容量，极大地推动了全球手机业务。倍以上的通信容量，极大地推动了全球手机业务。1994年年世界范围内的世界范围内的Internet启动启动。1995年年QUALCOMM公公司司建建成成第第一一个个码码
17、分分多多址址（CDMA）网网络络投投入入商商业业运运营营，具具有有相相对对模模拟拟移移动动通通信信网网10倍倍以以上上的的通通信信容容量量，成成为为不同于不同于GSM的另一种移动通信标准。的另一种移动通信标准。2000年年由由欧欧洲洲提提出出的的WCDMA、由由美美国国提提出出的的CDMA2000以以及及由由中中国国提提出出的的TD-SCDMA第第三三代代(3G)移移动动通通信信协协议议被被国国际际电电信信联联盟盟(ITU)批准确认。批准确认。23n3G是第三代移动通信技术的简称(英语：3rd-generation)，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音(通话)及数
18、据信息(电子邮件、即时通信等)。代表特征是提供高速数据业务。 n相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、CDMA等数字手机 (2G)，第三代手机（3G）一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。24n3G与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆比特/每秒)、
19、384kbps(千比特/每秒)以及144kbps的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化)。3G是第三代通信网络，目前国内不支持除GSM和CDMA以外的网络，GSM设备采用的是时分多址，而CDMA使用码分扩频技术，先进功率和话音激活至少可提供大于3倍GSM网络容量，业界将CDMA技术作为3G的主流技术，国际电联确定三个无线接口标准，分别是CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，也就是说国内CDMA可以平滑过渡到3G网络，3G主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。25n1995年问世的第一代模拟制式手机（1G）只能进行语音通话；n1996到1997年出现的第二代GSM、CDMA等数字制式手
20、机（2G）便增加了接收数据的功能，如接收电子邮件或网页；n其实，3G并不是2009年诞生的，早在2007年国外就已经产生3G了，而中国也于2008年成功开发出中国3G，下行速度峰值理论可达3.6Mbit/s（一说2.8Mbit/s），上行速度峰值也可达384kbit/s。n。26n第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统
21、容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。 27n2009年1月7日14:30，工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放3张第三代移动通信(3G)牌照，此举标志着我国正式进入3G时代。 其中，批准：中国移动增加基于TD-SCDMA技术制式的3G牌照（TD-SCDMA为我国拥有自主产权的3G技术标准）；中国电信增加基于CDMA2000技术制式的3G牌照；中国联通增加了基于WCDMA技术制式的3G牌照 28n(1) W-CDMAn也称为WCDMA，全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重
22、存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。W-CDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。 该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。预计在GSM系统相当普及的亚洲，对这套新技术的接受度会相当高。因此W-CDMA具有先天的市场优势。3G标准 29n(2)CDMA2000nCD
23、MA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。该标准提出了从CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20
24、003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国电信正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络。30n(3)TD-SCDMAn全称为Time Division - Synchronous CDMA(时分同步CDMA)，该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出，但技术发明始祖于西门子公司，TD-SCDMA具有辐射低的特点，被誉为绿色3G。该标准将智能无线、同步CDMA和
25、软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内地庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TDSCDMA标准。 该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。军用通信网也是TD-SCDMA的核心任务 31n3G这一技术标准的诞生极大地提升了移动通信网络的数据承载能力，也为移动通信网和互联网的结合提供了更为坚实的技术平台。在3G网络下，几乎所有可以在互联网平台上实现的业务都可以在3G网络上运行。3G时代，移动增值业务朝多元化趋势发展，除了
26、原有的2.5G业务(如短信、彩信、图铃下载、游戏、WAP和IVR)等之外，各种新的增值业务(视频点播、高速上网、在线游戏和行业3G应用等)也会相继推出，极大丰富人们的生活。 321-2 通信和通信系统通信系统的一般模型信源信源变换器变换器信道信道反变换器反变换器信宿信宿发送端发送端噪声源噪声源接收端接收端33各部分模块的功能n信息源信息源n信源是发出信息的源，其作用是把各种可能消息转信源是发出信息的源，其作用是把各种可能消息转换成原始电信号。信源可分为模拟信源和数字信源。换成原始电信号。信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源模拟信源(如电话机、电视摄像机如电话机、电视摄像机)输出连续幅度的输出
27、连续幅度的模拟信号模拟信号;数字信源数字信源(如电传机、计算机等各种数字终如电传机、计算机等各种数字终端设备端设备)输出离散的数字信号。输出离散的数字信号。信源信源变换器变换器信道信道反变换器反变换器信宿信宿发送端发送端噪声源噪声源接收端接收端34n变换器变换器n因语声、图像等原始的消息不能以电磁波来传因语声、图像等原始的消息不能以电磁波来传送，所以需要通过变换器将原始的非电消息变送，所以需要通过变换器将原始的非电消息变换成电信号，并再对这种电信号进一步转换，换成电信号，并再对这种电信号进一步转换，使其变换成适合某种具体信道传输的电信号。使其变换成适合某种具体信道传输的电信号。这种电信号同样载
28、有原有的信息。例如电话机这种电信号同样载有原有的信息。例如电话机的送话器，就是将语声变换成幅度连续变化的的送话器，就是将语声变换成幅度连续变化的电话信号，再进一步转换后送到信道上去。电话信号，再进一步转换后送到信道上去。信源信源变换器变换器信道信道反变换器反变换器信宿信宿发送端发送端噪声源噪声源接收端接收端35n信道信道n信道是指传输信号的通道，可以是有线信道是指传输信号的通道，可以是有线的，也可以是无线的，有线和无线均有的，也可以是无线的，有线和无线均有多种传输媒质。信道既给信号以通路，多种传输媒质。信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰和噪声。传输媒也对信号产生各种干扰和噪声。传输媒质的
29、固有特性和干扰直接关系到通信的质的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。质量。信源信源变换器变换器信道信道反变换器反变换器信宿信宿发送端发送端噪声源噪声源接收端接收端36n反变换器反变换器n反变换器的基本功能是完成变换器的反反变换器的基本功能是完成变换器的反变换，即进行解调、解码等等。它的任变换，即进行解调、解码等等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信号来。对于多路复用信出相应的原始信号来。对于多路复用信号，接收设备还具有解除多路复用和实号，接收设备还具有解除多路复用和实现正确分路的功能。现正确分路的功能。信源信源变换器变换器信道信道反变换器
30、反变换器信宿信宿发送端发送端噪声源噪声源接收端接收端37n信宿信宿n信宿是传输信息的归宿，其作用是将复信宿是传输信息的归宿，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。原的原始信号转换成相应的消息。n噪声源噪声源n噪声源是信道中的噪声以及分散在通信噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示系统其他各处的噪声的集中表示信源信源变换器变换器信道信道反变换器反变换器信宿信宿发送端发送端噪声源噪声源接收端接收端38发射机基带信号基带信号调制器调制器功率放大器功率放大器载波产生电路载波产生电路发射机组成框图发射机组成框图39接收机基带信号基带信号选频放大器选频放大器解调器解调器接收机组
31、成框图接收机组成框图401-3 模拟和数字通信系统模拟和数字通信系统1-3-1 模拟和数字信号模拟和数字信号 在信道中传输的电信号可是模拟信号，也可以是数字信号；模拟信号是一种连续变化信息，它的信息状态随时间连续变化；数字信号是一种离散变化信息，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。利用模-数转换（ADC）技术可将模拟信号变换为数字信号，同样，利用数-模转换（DAC）技术可将数字信号变换为模拟信号。 41n按照信道中所传输的信号性质不同，通信系统分为：n模拟通信系统n数字通信系统42模拟通信系统模型模拟通信系统模型 1-3-2 模拟信号的传输模拟信号的传输 43在模拟通
32、信系统中，需要两种变换在模拟通信系统中，需要两种变换:第一种变换 :发送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息;44第二种变换: 调制和解调调制:将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，解调:在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信号。 经过调制后的信号成为已调信号;发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。因此，原始电信号又称为基带信号，而已调信号又称为频带信号。消息从发送端传递到接收端并非仅经过以上两种变换，系统里可能还有滤波、放大、变频、辐射等等过程。45调调制制就就是是将将用用基基带带信信号号改改变变高高频频信信号号的的某某一一参参量量（幅幅度度
33、、频频率率、相相位位），使使其其含含有有基基带带信信号号变变化化规规律律。调调制制不不是是目目的的，而而是是手手段段，是是信信息息传传输输的的需需要要，其其必必要要性为：性为： 1无线传输时易于辐射无线传输时易于辐射 天天线线振振子子尺尺寸寸 ，才才能能开开始始有有效效辐辐射射，话话音音信信号号300-3000Hz，波波长长为为100-1000km，振振子子不不可可能能做成做成10-100km大小。大小。调制的必要性调制的必要性46 2便于实现多路信号传输便于实现多路信号传输 通过调制，可将不同的基带信号信息搬移通过调制，可将不同的基带信号信息搬移到不同载波上，彼此保持一定的频率间隔，到不同载
34、波上，彼此保持一定的频率间隔，这就是所谓这就是所谓FDM体制，这就需要调制环节的体制，这就需要调制环节的介入。这一点同样适用于有线信道传输。介入。这一点同样适用于有线信道传输。 3.传输信号的功率和带宽可以互换传输信号的功率和带宽可以互换 47模拟调制的分类模拟调制的分类 正弦波调制正弦波调制 幅度调制（幅度调制（AM） 频率调制（频率调制（FM） 相位调制（相位调制（PM） 脉冲调制脉冲调制 48正弦波调制正弦波调制49脉冲调制脉冲调制n脉冲幅度调制（脉冲幅度调制（PAM）n脉宽调制（脉宽调制（PWM）（或脉冲持续时）（或脉冲持续时间调制（间调制（PDM）n脉位调制（脉位调制（PPM）50脉
35、冲调制脉冲调制脉冲幅度调制（脉冲幅度调制（PAM）脉宽调制（脉宽调制（PWM）脉位调制（脉位调制（PPM）511-3-3 数字信号的传输数字信号的传输数字数字调调制系制系统统模型模型数字通信系统是指利用数字信号传递消息的通信系统。信信息息源源编编码码器器调调制制器器信信道道解解码码器器受受信信者者噪声噪声解解调调器器52n数字通信涉及的技术问题很多，其中有信源数字通信涉及的技术问题很多，其中有信源编码、信道编码、保密编码、数字调制、数编码、信道编码、保密编码、数字调制、数字复接、同步问题等等。字复接、同步问题等等。1 信源编码与译码信源编码与译码2 信道编码与译码信道编码与译码3 加密与解密加
36、密与解密4 调制与解调调制与解调 n 两个基本问题两个基本问题：n 1模模拟拟信信号号的的数数字字化化处处理理：包包括括取取样样、量化、编码三步骤。量化、编码三步骤。n 2数字调制技术：数字调制技术： 53模拟信号数字化模拟信号数字化n取样定理取样定理 fs2fH模拟模拟信号源信号源A/D变换器变换器数字数字传输系统传输系统D/A变换器变换器模拟信号模拟信号模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输54数字调制的分类数字调制的分类n当载波为正弦波（也叫连续波）时，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，分它有幅度、频率和相位三个参量，分别用数字信号对其进行调制就构成别用数字信号
37、对其进行调制就构成: :n幅度键控（幅度键控（ASK）n相位键控（相位键控（PSK）n频移键控（频移键控（FSK）55ASKPSKFSK载波载波数字基带信号数字基带信号56 数字通信的主要特点数字通信的主要特点n1 抗干扰能力强，尤其是数字信号通过中继抗干扰能力强，尤其是数字信号通过中继再生后可消除噪声积累再生后可消除噪声积累;n2 数字信号通过差错控制编码，可提高通信数字信号通过差错控制编码，可提高通信的可靠性的可靠性;n3 由于数字通信传输一般采用二进制码，所由于数字通信传输一般采用二进制码，所以可使用计算机对数字信号进行处理，实现以可使用计算机对数字信号进行处理，实现复杂的远距离大规模自
38、动控制系统和自动数复杂的远距离大规模自动控制系统和自动数据处理系统，实现以计算机为中心的通信网。据处理系统，实现以计算机为中心的通信网。574 在数字通信中，各种消息(模拟的和离散的)都可变成统一的数字信号进行传输。在系统中对数字信号传输情况的监视信号、控制信号及业务信号都可采用数字信号。数字传输和数字交换技术结合起来组成的ISDN对于来自不同信源的信号自动地进行变换、综合、传输、处理、存储和分离，实现各种综合业务。585 数字信号易于加密处理，所以数字通信保密性强。数字通信的缺点是比模拟信号占带宽，然而，由于毫米波和光纤通信的出现，带宽已不成问题。59例如：移动电话有模拟方式过度到例如：移动
39、电话有模拟方式过度到GMS、CDMA数字方式，模拟电视数字方式，模拟电视也向也向HDTV方向发展。当然，数字方向发展。当然，数字通信的优点获得是要付出频率资源通信的优点获得是要付出频率资源和设备成本代价的。和设备成本代价的。 60复用n频分复用频分复用（FDM）:用频谱搬移的方法使不同信号占用不同的频率范围.n时分复用时分复用（TDM）: 用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间.n码分复用码分复用:用一组正交的脉冲序列分别携带不同信号.61信号1信号2信号3信号4信号5防防护护频频带带ft0FDM的通信空间示意图的通信空间示意图频分复用频分复用（FDM）:用频谱搬移的方法使不同信号占用不
40、同的频率范围62信号1信号2信号3信号4信号5fOTDM的通信空间示意图的通信空间示意图t防护时间时分复用时分复用（TDM）: 用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间63FDM方方式式多多用用于于模模拟拟通通信信系系统统，例例如如模模拟拟制制式式的的广广播播、电电视视系系统统，数数字字通通信信系系统统也也可可以以采采用用FDM方方式；式；TDM在模拟通信系统中几乎不能在模拟通信系统中几乎不能采用，多用于数字通信系统，如采用，多用于数字通信系统，如长途有线数字电话等。长途有线数字电话等。 64调制器调制器1调制器调制器2调制器调制器nf1f2S2S1Sn.fn高频调制高频调制功率放大功率放
41、大载波振荡载波振荡fC无线模拟无线模拟n路路FDM发射接收系统发射接收系统高频高频解调解调带通滤波带通滤波 f1带通滤波带通滤波 f2带通滤波带通滤波 fn.解调器解调器1解调器解调器2解调器解调器nS1S2Sn651-4 通信方式和主要传输方式的通信方式和主要传输方式的现状及发展趋势现状及发展趋势n通信系统分类通信系统分类n按消息的物理特征分类按消息的物理特征分类 n电报通信系统电报通信系统 n电话通信系统电话通信系统 n数据通信系统数据通信系统 n图像通信系统图像通信系统 66n按调制方式分类按调制方式分类 (常用的调制方式及用途)n基带传输 n频带传输 n按信号特征分类按信号特征分类n模
42、拟通信系统 n数字通信系统 n按传输媒介分类按传输媒介分类n有线 n无线 67n按信号复用方式分类：按信号复用方式分类：n频分复用频分复用 n时分复用时分复用 n码分复用码分复用 n按通信方式分类：按通信方式分类：n单工通信单工通信 n半双工通信半双工通信 n全双工通信全双工通信68发端发端信道信道收端收端单工通信单工通信 发端发端信道信道收端收端收端收端发端发端信道信道全双工通信全双工通信发端发端信道信道收端收端收端收端发端发端半双工通信半双工通信通信方式通信方式69主要传输方式的现状及发展趋势主要传输方式的现状及发展趋势有线通信有线通信无线通信无线通信1 微波无线中继通信（干线通信、山区通
43、信）微波无线中继通信（干线通信、山区通信）2 卫星通信卫星通信3 移动通信移动通信701明线、同轴电缆电话明线、同轴电缆电话（金属信道媒介）（金属信道媒介）局交换机局交换机明线或同轴电缆公共电话网一、有线通信一、有线通信712光光纤纤通通信信（以以光光导导纤纤维维为为信信道道媒媒介介，经经“电电/ /光光”和和“光光/ /电电”两两次次转转换换，丰丰富富的的带带宽宽资资源源利利于于多多媒媒体体信信息息传传输输，抗抗干扰能力强）干扰能力强）72二、无线通信二、无线通信1微微波波无无线线中中继继通通信信（干干线线通通信信、山山区区通通信）信）4050kM地表面地表面微微波波站站微微波波站站接收放大
44、后再发射接收放大后再发射微微波波站站732卫星通信卫星通信地球地球通信卫星地面站地面站上行下行数据数据语音语音图像图像743移动通信移动通信（移动电台、移动电话）（移动电台、移动电话）公共公共通信网通信网751-5 信息及其度量信息及其度量n信息的概念信息的概念n 信信息息与与消消息息既既有有联联系系也也有有区区别别，消消息息是是以以某某种种信信号号形形式式表表现现的的具具体体的的内内容容；信信息息则则是是抽抽象象的的、本本质质的的内内容容，信信息息可可以以理理解解为为消消息息中中有有意意义义的的内内容容，即即消消息息中中的的不不确确定定性性内内容容，任任何何确确知知的的事事件件不不会会给给接
45、接收收者者带来任何信息。带来任何信息。76 作为信息具体内容形式的消息，它的内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），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，才能成为确只有完成了传输接收过程，才能成为确定事件。定事件。按消息来源（称为信源）随时间改变的按消息来源（称为信源）随时间改变的规律分，可分为规律分，可分为离散信源和连续信源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，即信源输出呈现都有一定的出现概率，即信源输出呈现一定的概率分布。一定的概率分布。 77对于具有对于具有n个离散消息
46、的信源个离散消息的信源X，可用一个概率场，可用一个概率场表示：表示： 其中：第其中：第i个消息个消息x xi i的信息量定义为的信息量定义为 n1 1 离散信源离散信源的信息量为的信息量为 对数底为e,单位是奈特(nit),对数底为10,单位是哈特莱78该信源输出的信息量的该信源输出的信息量的统计平均统计平均值为值为 bit/符号 由于平均信息量的计算公式与热力学和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，故统计力学中关于系统熵的公式一样，故将将H(x)称为信源的称为信源的熵熵(entropy)。 79例例 离散信源离散信源为五种符号的集合，求为五种符号的集合，求H(x
47、) 解：解：80n2 2 对于一个对于一个连续消息源连续消息源x（- - xxC则没有任何方法能实现这一点。114香农公式香农公式在白色高斯噪声信道中，nC=BlogC=Blog2 2（1+S/N1+S/N）nB B：信道带宽（：信道带宽（HzHz）nS S：信号功率（：信号功率（W W）nN N：噪声功率（：噪声功率（W W）115结 论n1）提高S/N能提高C；n2）当N0时，C；n3）增加B并不能无限制地使C增加。 当噪声为白色高斯噪声时，随着B增加，N不是常数，而与B有关。nC=Blog2（1+S/N）116设噪声的单边功率谱密度为设噪声的单边功率谱密度为n n0 0（W/HzW/Hz
48、），），N= nN= n0 0 B B4 4）C C一定时，一定时，B B与与S/NS/N之间可以彼此互换之间可以彼此互换nC=Blog2（1+S/N）1171-6-7 无线信道信号能量转换器：无线信道信号能量转换器： 天线天线(antenna)将射频信号向空间辐射，从空间接收射频信号都需将射频信号向空间辐射，从空间接收射频信号都需将射频信号向空间辐射，从空间接收射频信号都需将射频信号向空间辐射，从空间接收射频信号都需要能量转化装置：天线。要能量转化装置：天线。要能量转化装置：天线。要能量转化装置：天线。1181、室内天线、室内天线无线网卡天线（CDMA/GSM），蓝牙模块天线鞭状天线鞭状天线
49、 1192、室外天线、室外天线螺旋天线螺旋天线Spiral Antenna 喇叭天线喇叭天线(微波天线微波天线)Horn Antenna 120(微波天线微波天线)Circle polarization paraboloid Antenna 园极化抛物面天线园极化抛物面天线121全向天线全向天线Omin-direction Antenna 122抛物面发射格栅天线抛物面发射格栅天线Paraboloid reflect grid Antenna 清华大学冯正和教授课题组研究的“智能阵列天线实验平台”123小灵通基站鞭状全向天线小灵通基站鞭状全向天线 GSM板式隧道天线板式隧道天线 124VHF蝙
50、蝠翼发射天线蝙蝠翼发射天线(TV) 1958年年，CCTV前前身身北北京京电电视视台台在在第第二二频频道道开开始始试试播播黑黑白白电电视视节节目目，当当时时的的北北京京只只约约有有50台台电电视视机机。我我国国电电视视第第一一频频道道（49.75MHz）是是作作为为我我校校前前身身北北京京工工业业学学院院仪仪器器制制造造系系最最先先向向国国家家主主管管部门申请获准后启用的。部门申请获准后启用的。1955年年5月月，仪仪器器系系部部分分同同学学组组成成的的电电视视课课外外科科研研小小组组制制作作出出了了逐逐行行扫扫描描的的有有线线电电视视。院院系系领领导导决决定定制制作作一一个个完完整整的的电电
51、视视系系统统作作为为该该届届毕毕业业生生的的毕毕业业设设计计任任务务。1956年年6月月，在在师师生生的的共共同同努努力力下下终终于于完完成成了了这这套套电电视视收收发发系系统统的的制制作作，电电视视发发射天线架设在我校主楼顶部。射天线架设在我校主楼顶部。125双偶极子垂直极化发射天线双偶极子垂直极化发射天线 1263、军事装备天线：、军事装备天线：舰载相控阵天线舰载相控阵天线 哈尔滨号哈尔滨号112：对海搜索雷达天线等：对海搜索雷达天线等 127现代现代 相控阵搜索雷达天线相控阵搜索雷达天线128168/170上的相控上的相控阵天线阵天线 129机载相控阵雷达天线机载相控阵雷达天线 机载相控
52、阵雷达及天线机载相控阵雷达及天线未装机载雷达的飞机未装机载雷达的飞机130陆军雷达天线陆军雷达天线 战场炮兵毫米波校射雷达天线战场炮兵毫米波校射雷达天线 中程侦校雷达天线中程侦校雷达天线 超低空搜索雷达及天线超低空搜索雷达及天线 1311-6-8 通信系统举例通信系统举例 nAM发射与接收系统发射与接收系统 AM广播系统广播系统 高电平调幅发射机组成结构框图高电平调幅发射机组成结构框图132超外差式调幅接收机组成结构框图超外差式调幅接收机组成结构框图133早期晶体管收音机内的早期晶体管收音机内的“中频放大中频放大”和和“幅度检波幅度检波”电路电路 检波电路检波电路中放电路中放电路AGC电路电路
53、134调幅过程中的信号频率变换调幅过程中的信号频率变换 模拟基带信号的时域规律模拟基带信号的频谱基带信号带宽t f135fc0载频分量载频分量不含基带信息不含基带信息下边带下边带含基带信息含基带信息上边带上边带含基带信息含基带信息AM波时域波形AM波频谱1361-7 通信系统的主要性能指标n通信的可靠性指标与有效性指标几乎通信的可靠性指标与有效性指标几乎总是相互矛盾的总是相互矛盾的137n在设计或评估通信系统时，往往要涉及通信系统的主要性能指标，否则就无在设计或评估通信系统时，往往要涉及通信系统的主要性能指标，否则就无法衡量其质量的好坏。通信系统的性能指标涉及通信系统的有效性、可靠性、法衡量其
54、质量的好坏。通信系统的性能指标涉及通信系统的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等等。如果考虑所有这些因素，那么通适应性、标准性、经济性及维护使用等等。如果考虑所有这些因素，那么通信系统的设计就要包括很多项目，系统性能的评诉工作也就很难进行。尽管信系统的设计就要包括很多项目，系统性能的评诉工作也就很难进行。尽管对通信系统可有很多的实际要求，但是，从消息的传输角度来说，通信的对通信系统可有很多的实际要求，但是，从消息的传输角度来说，通信的有有效性效性与与可靠性可靠性将是主要的矛盾。这里所说的有效性主要是指消息传输的将是主要的矛盾。这里所说的有效性主要是指消息传输的速速度度问题，而可靠
55、性主要是指消息传输的问题，而可靠性主要是指消息传输的质量质量问题。显然，这是两个相互问题。显然，这是两个相互矛盾的问题，这对矛盾通常只能依据实际要求取得相对的统一。例如，在满矛盾的问题，这对矛盾通常只能依据实际要求取得相对的统一。例如，在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度;或者，在维持一定有效性或者，在维持一定有效性下，使消息传输质量尽可能地提高下，使消息传输质量尽可能地提高。 138n模拟通信系统性能的衡量 n数字通信系统性能的衡量139n消息传输速率消息传输速率 :从信息论观点来说，消息传输速率是指单位从信息论观点来说，消息传输速率是指单
56、位时间内传输的消息中所包含的信息量。时间内传输的消息中所包含的信息量。n均方误差均方误差 :均方误差是衡量发送的模拟信号与接收端复制的均方误差是衡量发送的模拟信号与接收端复制的模拟信号之间误差程度的指标。均方误差越小，说明复制的模拟信号之间误差程度的指标。均方误差越小，说明复制的信号越逼真。信号越逼真。n在实际的模拟通信中，均方误差是由两方面原因造成的在实际的模拟通信中，均方误差是由两方面原因造成的:第一，由于信号在传输时叠加上噪声，我们称这部分为由第一，由于信号在传输时叠加上噪声，我们称这部分为由加加性干扰性干扰产生的误差产生的误差;第二，由于信道传输特性不理想产生的误差，我们称这部分第二，
57、由于信道传输特性不理想产生的误差，我们称这部分为为乘性干扰乘性干扰产生的误差。产生的误差。n在以后的讨论中，主要研究加性干扰的影响，认为在模在以后的讨论中，主要研究加性干扰的影响，认为在模拟通信中均方误差的大小最终将完全取决于接收端输出的信拟通信中均方误差的大小最终将完全取决于接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比号平均功率与噪声平均功率之比(即信噪比即信噪比)。如果在相同的。如果在相同的条件下，某个系统的输出信噪比最高，则称该系统通信质量条件下，某个系统的输出信噪比最高，则称该系统通信质量最好，或称该系统抗信道噪声最好，或称该系统抗信道噪声(或干扰或干扰)的能力最强。的能力最强。 实际中
58、，经常采用信噪比来衡量模拟通信系统的优劣。实际中，经常采用信噪比来衡量模拟通信系统的优劣。模拟通信系统性能的衡量模拟通信系统性能的衡量模拟通信系统性能的衡量模拟通信系统性能的衡量140n n信噪比信噪比 :信噪比是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比。在相同的条件下，系统的输出端的信噪比越大，则系统抗干扰的能力越大。n n系统的信息传输速率信息传输速率通常用给定信号的有效传输带宽来衡量。141模拟通信系统模拟通信系统(Analogue Communication Systems)通信有效性指标：通信有效性指标：n在通信频段内在通信频段内FDM的路数（传输模拟信号的路数）的路数（传输模拟信
59、号的路数）n基带信号的带宽基带信号的带宽 (Bandwidth) 通信可靠性指标：通信可靠性指标：n模拟通信系统的输出信号噪声功率比模拟通信系统的输出信号噪声功率比SNRn输出信噪比输出信噪比 (Signal-to-noise rate)142数字通信中信号的表示数字通信中信号的表示n由于数字通信中传输的是离散信号，因此，这些离散值由于数字通信中传输的是离散信号，因此，这些离散值就可以用数字表示。在计算机和数字通信中最适用的是二进制就可以用数字表示。在计算机和数字通信中最适用的是二进制数字，即数字，即“0 0”和和“1 1”。在数字通信中，如果离散信号的状态。在数字通信中，如果离散信号的状态只
60、有两种，则可用一位二进制数字去表示只有两种，则可用一位二进制数字去表示; ;若离散信号的状态若离散信号的状态多于两种，则可用若干位二进制数字去表示。除了采用二进制多于两种，则可用若干位二进制数字去表示。除了采用二进制外，还可采用多进制，比如选用外，还可采用多进制，比如选用N N进制，这里的进制，这里的N N是大于是大于2 2的一的一个正整数。个正整数。N N进制与二进制是可以相互表示的。比如进制与二进制是可以相互表示的。比如N=8,N=8,则则N N进进制的每一位数字可以用三位二进制数字去表示。原则上，制的每一位数字可以用三位二进制数字去表示。原则上，N N进进制的一个数字可用制的一个数字可用
61、 loglog2 2N N个二进制数字去表示，但要注意，当个二进制数字去表示，但要注意，当 loglog2 2N N不为整数时，则应取大于此数值的第一个整数。不为整数时，则应取大于此数值的第一个整数。 数字通信系统数字通信系统143在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。这个间隔被称为码元长度，而这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。同样，N进制的信号也是等长的，并被称为N进制码元。144数字通信系统数字通信系统(Digital Communication Systems)n通信有效性指标：通信有效性指标：n符号速率（码元速率）符号速率（码元速率）n单位：波特单位：波特(B)，
62、即单位时间传送的符号，即单位时间传送的符号数量数量n信息速率信息速率n单位：比特单位：比特/秒秒(bit/s)，即单位时间传，即单位时间传送的信息量送的信息量145传输速率传输速率 1 码元速率码元速率n码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为“波特”,常用符号“B”表示。某系统每秒钟传送2400个码元，则该系统的传码率为2400波特或2400B。但要注意，码元传输速率仅仅表征单位时间内传送码元的数目，而没有限定这时的码元是何种进制，因统一系统的各点上可能采用不同的进制，故给出码元速率时必须说明码元的进制和该速率在系统中的位置。146n2 信息传输速率信息传输
63、速率n传输速率还可用信息传输速率来表征。信息传输速率又称为信息速率和传信率。通常定义每秒钟传递的信息量为传信率，单位是比特/秒(bit/s或bps)。 n对于二进制码元，一个码元所包含的信息量为log22=1bit，其码元速率等于信息传输速率n对于N进制码元，一个码元所包含的信息量为log2N。n采用N进制码元，其信息传输速率为：n（信息速率）（信息速率）=log2N （码元速率）（码元速率） (bit/s)147nM进制符号使用进制符号使用 位二进制编码。位二进制编码。例如：例如：16进制符号速率为进制符号速率为4800B，则转，则转换为二进制码时，每个换为二进制码时，每个16进制符号可由进
64、制符号可由4 = log216位二进制码表示。当二进制位二进制码表示。当二进制码序列中码序列中1和和0出现的概率相等时，每个出现的概率相等时，每个二进制码元的平均信息量为二进制码元的平均信息量为1bit，二进，二进制码率为制码率为148n设Ts：发送一个码元（符号）的时间间隔nRs=1/Ts码元（符号）速率nRb（bit/s）信息速率n二进制：Rs，2=Rbn多进制：Rs，M=Rs，2/log2M=Rb/log2M （baud）n即，有关系式即，有关系式149通信可靠性指标：通信可靠性指标：用解调译码输出的错误概率用解调译码输出的错误概率(Error Probability)衡量数字通信系统的
65、质量衡量数字通信系统的质量 150差错率：差错率：是衡量系统正常工作时，传输消息可靠程度的重要性能指标。差错率有两种表述方法:误码率误码率: 是指错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比例，或者更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率。误信率误信率:又称误比特率，是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。误码率和误信率的关系二进制信号误码率=误信率151显然，解调时的显然，解调时的SNR越高，越高，BER越低；越低；Code_1相比相比Code_2，有，有0.3dB的编码增益，即使的编码增益，即使Code_1的的SNR比比Code_2低低0.3dB，也可获得，也可获得10-5的的BER指标。指标。 误比特率误比特率误比特率误比特率(BER: Bit Error Rate)(BER: Bit Error Rate)(BER: Bit Error Rate)(BER: Bit Error Rate)152误帧率误帧率(FER: Frame Error Rate) ABCDE通常，一帧数据由几十上百个二进制码元组成。通常，一帧数据由几十上百个二进制码元组成。 153小结n常用通信术语n通信系统的组成和分类n几种通信方式n模拟、数字通信系统的主要特点n离散信源的信息量n码元速率与信息速率的关系n误码率的概念154
