通信原理ch01_1.

绪论刘荣科博士，教授，博导[e-mail]办公室：新主楼F80282339475实验室：新主楼F501-51482339715课程定位与特点–承上：•电路类:《电路分析》《电子电路I》《数字电路》–电子电路I的延伸»非线性:非线性电路»高频:高频/射频电路•信号类:信号与系统–启下：•电路类：集成电路设计等•通信类：通信原理\数字通信等•信号类：数字信号处理课程定位与特点•电子信息工程专业核心课程（1/10）•核心课程中最综合,最全面和最复杂的课程•“最有用、最难学”课程•实践性、工程性强软件硬件（欺软怕硬）数字模拟低频高频课程定位与特点►教学目标–辩证统一的观点(运动)•通信电路原理课程是以非线性电路为主，对于非线性电路的分析本身就是一个辩证的问题•时变电路与时不变电路•在不同频率条件下，同一元件的作用是不同的课程定位与特点►教学目标：培养四种观点–实践的观点•软、硬件实验并重•注意实验中数据处理的概念–工程的观点•误差的概念•近似的概念•答案的非唯一性(条条大道通罗马)•折中(中庸)课程体系实践观点工程观点辩证观点系统观点考核项作业：课堂上布置的为巩固讲课内容的习题，每人必须独立完成，每周交一次，交给有关老师。（20分）EDA：每章均布置若干PSPICE和MATLAB的分析练习题，每人必须独立完成。本学期安排两次上机时间，主要用于检查和面试。上机检查结束后，提交EAD作业的小结。（可以电子邮件提交）（10分）考试：闭卷考试（50分）实验：实验中心统一安排，要求完成实验和实验报告（20分）加分项综合性研究：提供若干综合性研究课题，以课代表和学习委员为召集人，各班组成1~2个课题研究小组（每组2~3人），按分工进行研究，写出研究报告。研究成果将安排时间进行交流或单独组织答辩。课堂讨论：安排两次课堂讨论，主要目的是建立系统概念和数字通信的EDA分析。讨论方法是：有讨论提纲，各班有分工，课堂讨论时各班有重点发言。2019年12月16日9笫1章绪论1.1通信系统的基本概念1.1.1通信系统的组成与分类1.1.2通信系统的基本特性1.1.3通信系统的信道1.1.4通信系统中的信号1.1.5通信系统中的发送与接收设备1.2信号传输的基本问题1.2.1信号通过线性系统1.2.2信号通过非线性系统1.2.3干扰1.3通信电路的基本形式2019年12月16日10通信系统实例：家庭信息网络3cupsflour1cupgratedchocola.电话通信便携电脑带无线接口的电脑无线头盔儿童监护台式电脑卫星天线PSTN/xDSL冰箱数据板手持式控制器电缆/电缆调制解调器声控玩具TalkingTeddy1.1.1通信系统的组成与分类无线通信系统演进•is95GSMTDMAPDC2G9.6-14.4kbpscdma1xGPRS2.5G64–144kbpsWLANWPANB3G?384kbps-20MbpsAlwaysBestConnectedEDGEWCDMAcdma20003G384kbps-2Mbps4G100Mbps?Newair-interface?AdhocnetworksWMANVirtualRealityAlwaysBestConnectedOpticalNetworking122019年12月16日13通信系统的组成框图2019年12月16日14通信系统的分类按通信调制方式来分：数字通信与模拟通信；按信道中传输的信号来分：基带信号通信与载波信号通信；按传输信道来分：有线通信、无线通信、光通信；按信号传输的方向来分：单工、双工、半双工。2019年12月16日15以射频集成电路为核心可以形成的电子产品（低端产品）低频100-500kHz近距离及中等距离读写价格相对便宜读取速度慢门禁系统、动物识别库存控制、停车管理中间频率10-15MHz近距离及中等距离读写价格可以做到便宜读取速度适中门禁系统各种智能卡低性能、低成本的产品射频标签高频850-950MHz2.4-5.8GHz远距离读写读取速度高直线传播价格相对贵道路及铁路状况检测高速收费系统2019年12月16日16以射频集成电路为核心可以形成的电子产品（中间产品）电子设备的无线互联2.4GHz工作频率小于10米的工作距离小于20dBm的发射功率可选择数据加密措施移动电话、固定电话个人电脑、便携电脑个人数字助理(PDA)调制解调器、打印机数字相机外设共享中性能中成本产品个人无线局域网络采用无线方式共享资源有线互联链路的共享2019年12月16日17以射频集成电路为核心可以形成的电子产品（高档产品）无线网：WLAN覆盖办公室或者庭院的静态高速网络，支持高速计算机网络的无线接入无线个人通信支持any-time,any-where的个人语音和低速数据通信可移动式计算支持many-time,many-where的高速信息获取无线数据广播数字视频、高质量音频的无线传递高性能高价格产品可移动式计算移动通信军用战场的无线网络覆盖军事通信、数字化单兵装备发展趋势高频化宽带化集成化数字化2019年12月16日191.1.2通信系统的基本特性一、传输距离传输距离是指信号从发送端传输到达接收端并能被可靠接收的最大距离。传输距离与什么因素有关？与通信体制有关（有无中继）。无中继的无线通信（从基站到移动台，从发射机到接收机）•发送端的信号功率；•信号通过信道的损耗；•信号通过信道时混入各种形式的干扰和噪声；•接收机的接收灵敏度。2019年12月16日20二、通信容量通信容量是指一个信道能够同时传送独立信号的路数。已调信号所占有的频带宽度：•国际规定电话信号的频带是300～3400Hz；•中波调幅广播（535KHz~1605KHz），广播电台每个已调信号占有的频带宽度是9KHz；•调频广播（88MHz~108MHz），最小频带宽度是200KHz；•我国采用的电视图象信号的频带是0～8MHz。信道多址复用的方式：•频分复用（FDMA）；•时分复用（TDMA）；•码分复用（CDMA）。2019年12月16日21三、信号失真度信号失真度指的是接收设备输出信号不同(失真）于发送端基带信号的程度。产生信号失真的原因：•信道特性不理想；•对信号进行处理的电路（发送与接收设备）特性不理想。2019年12月16日22四、抗干扰能力信号通过信道时，总要混入各种形式的干扰和噪声，使接收机输出信号的质量下降。提高通信系统抗干扰能力的技术：•提高通信系统的抗干扰能力；•选用高质量的调制和解调电路。可做到：任何人在任何时候和任何地点都可以实现通信。2019年12月16日231.1.3通信系统的信道一、衰减特性：信道的衰减特性是指信号经信道传输时，信号能量被衰减的程度。二、工作频率范围：不同的信道具有不同的工作频率范围。（参考表1.1.1）。三、频率特性：信道的频率特性是指在信道的工作频率范围内，当不同频率的信号通过时，由信道引起的幅度衰减和附加相移是不同的。四、时变与时不变特性：在某些信道中，信道的传输特性是随时间变化的。例如：无线信道。五、干扰特性2019年12月16日24表1.1.12019年12月16日25表1.1.1（续）在雷达和常规微波技术中，常对微波波段中的一部分做更细的划分，并用不同的拉丁字母表示它们，现附表如下：电波传播方式•直射传播•绕射•电离层的折射和发射2019年12月16日27移动通信中信道的特殊问题选择性衰落（频域）和延时扩展（时域）：•多径传播：到达接收点的信号，除直射波外还有多个反射波和散射波。产生选择性衰落和延时扩展。•选择性衰落：使不同频率的信号产生不同的衰减特性，产生失真。•延时扩展：延时扩展对高速数据传输影响很大，产生码间干扰（ISI）。多卜勒频移：在高速移动情况下接收，还要考虑多卜勒频率的影响。在城市环境中，移动情况下的无线传输信道的传输特性是十分恶劣的。2019年12月16日281.1.4通信系统中的信号基带信号传输：•信号频带：在通信系统中被传输的信号，一般情况下都不是单一频率的信号，而是含有一定频率范围内的各频率分量。而它所占有频率范围的大小，则称为这个信号所占有的频带宽度。•举例：对电话来说，它强调可懂度，而不要求音色等。国际规定电话信号的频带是300～3400Hz；我国采用的电视图象信号的频带是0～8MHz等。•定义：称这种直接表示原始信息的电信号为基带信号。直接传送基带信号称为基带信号传输。•电话电缆可传输电话基带信号。视频电缆可传输电视基带信号。2019年12月16日291.1.4通信系统中的信号（续1）载波信号传输：•调制技术：当所使用信道的频率特性不适于基带信号传输时，可以利用调制技术将基带信号的频谱搬移到信道的工作频率范围内；•举例：为了实现中波广播可以利用调幅技术将声音基带信号搬移到中波波段的某一频率附近。•这种传送基带信号的方法称为载波信号传输。2019年12月16日301.1.5通信系统中的发送与接收设备缓冲级倍频器放大级调制器高频功放振荡器低频功放低频放大调幅发射机方框原理图波形2波形1波形32019年12月16日31超外差接收机方框原理图高频放大混频器中频放大解调器低频放大输入回路自动增益控制本地振荡器2019年12月16日32发送与接收设备小结超外差接收机原理：接收到的不同载频的微弱高频已调信号变成统一的中频已调信号，再进行中频放大，高增益高稳定的中频放大器容易实现。中波调幅广播中频是465KHz。电视图象信号的中频是38MHz。发送与接收设备中，产生频率变换的电路有谐振功率放大器、倍频器、振荡器、及各种调制、解调器等。接收机要有足够高的灵敏度（接收弱信号的能力）和足够高的选择性（区分不同已调信号的能力）。自动增益控制原理（AGC）：接收弱信号和强信号的时候，接收机能得到相差不多的信号。由于是采用无线调制传输，所以在发射机端有调制过程，在接收机端有解调制过程。2019年12月16日33发送与接收设备小结（续1）零中频接收机原理：•超外差接收机的优点：容易得到足够大而且比较稳定的放大量；具有较高的选择性和较好的频率特性；易于调整。•缺点：电路比较复杂；除了有用信号外，还存在位于镜象频率处的无用信号的干扰。（有一次变频和二次变频方案）•零中频接收机原理：将有用信号直接变换到基带，即选择中频频率为零（直接下变频方案）。采用正交解调技术。•优点：没有镜象频率干扰；电路便于集成。缺点：有用信号和本机振荡信号之间的耦合（泄漏）。2019年12月16日341.2信号传输的基本问题1.2.1信号通过线性系统：在通信设备中，属于线性系统的电路有线性放大器、滤波器、均衡器、相加（减）器、微分（积分）电路以及工作于线性状态下的反馈控制电路等。理想线性系统的幅度频率特性：AHjH)()(相位频率特性为线性函数，在本例中，tttvi2coscos)(4K若线性系统的特性不是理想的，则会产生信号的波形失真，但不会产生新的频率分量，这种失真称为线性失真。2019年12月16日351.2.2信号通过非线性系统在通信电路中，属于非线性系统的电路有谐振功率放大器、倍频器、振荡器、及各种调制、解调器等。电路种类与形式很多，应用很广泛。因此，研究信号通过非线性系统的问题在通信电路原理分析中是很重要的。信号通过非线性系统后，最主要的特点是将产生新的频率分量。例：设非线性输出输入特性和输入信号分别是：)()()(2210tvatvaatviiotVtVtvmmi2211coscos)(则输出信号有：直流分量；基波分量和谐波分量；组合频率分量。21,212,2,212019年12月16日361.2.3干扰信号在传输过程中，不可避免地会受到各种无用信号的干扰，这些干扰是限制通信系统性能的主要因素。热噪声：自由电子的无规则热运动与晶格碰撞，产生热噪声。存在于所有的电子器件和传输信道中。电路工作时产生的干扰：我们利用器件的非线性，产生