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第一章通信基础１．１通信的基本概念１．２通信系统的组成１．２．１通信系统一般模型通信系统的作用是将信息从信源传送到一个或多个目的地。我们把能够实现信息传输的一切设备和传输（信道）的集合称为通信系统。通信系统基本模型信源是消息的发源地，其作用是通过传感器把消息转换为原始电信号，即完成非电量——电量的转换。根据消息种类的不同，信源可以分为模拟信源和数字信源。发送设备的功能是将信源和信道匹配起来，其目的是将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。信道是指传输信号的通道，可以分为有线和无线两大类。噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。接收设备的功能是放大和反变换（如滤波、译码、解调等）其目的是从受到干扰和减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。信宿是传送消息的目的地。其功能与信源相反，即将复原电信号还原成相应的消息。１．２．2模拟通信系统模型按照信道中传输信号的特征，可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。１）消息〈——〉原始电信号（基带信号）完成这种变换和反变换的是信源和信宿。２）基带信号〈——〉己调信号（带通信号）完成这种变换和反变换的是调制器和解调器。１．２．3数字通信系统模型信源编码的主要功能之一是对模拟信号进行模数（A/D）转换；功能之二是去除冗余信息，提高传输的有效性。加密是为了提供通信的保密性，防止没有被授权的用户获得信息或将差错信息加入到系统中。信道编码对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分，组成所谓“抗干扰编码”接收端的信息译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统的可靠性。数字调制把数字基带信号转换成与传输信道匹配的信号波形。信源噪声源发送设备信道接收设备信宿１．２．3数字通信优缺点与模拟通信相比，数字通信具有以下主要优点：１）抗干扰能力强，且噪声不积累。２）传输差错可控。３）便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，形成综合业务网。４）易于集成化，从而使通信设备微型化，且重量轻，成本低。５）易于加密处理，且保密强度高。１．3通信系统的分类１）按通信业务类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统和综合业务数字通信网等。２）按调制方式分类：按调制与否，通信系统可分为基带系统和调制系统３）按信号特征分类：按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。４）按传输媒介分类：有线通信和无线通信５）按工作波段分类：按通信设备的工作频率或波长分为长波通信，中波通信，短波通信，微波通信和光通信系统。１．4通信方式１．4．1单工、半双工和全双工通信１．4．2并行传输和串行传输１．5信号和频谱1.5.1信号分类１）确知信号和随机信号：根据信号的确定性来划分，信号可以分为确知信号和随机信号。２）周期信号和非周期信号特征：按照信号的周期性来划分，非周期信号是不具有重复性的信号。３）模拟信号和数字信号区别模拟信号是指信号参量的取值是连续的如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号，数字信号是指信号的参量只可能取有限个、可数个值，如电报信号、计算机输入输出信号等。模拟信号经数字化处理后可变换为数字信号。４）基带信号和带通信号的关系：根据调制与否来划分1.5.2信号举例正弦信号（也称正弦波）是一种最基本的周期信号，可以用3个参量来描述：振幅、周期或频率、相位。振幅指信号的高度或强度。周期指信号完成一个波形循环所要经历的时间。频率指信号在1s内完成的周期数，或每秒钏完成的循环次数。相位描述了波形相对于时间零点的位置1.5.3时域和频域从时域的角度，描述的是信号随时间变化的特性。从频域的角度，描述的是信号随频率变化的特性。1.5.4频谱和带宽信号频谱是指它所包含的频率分量的集合，并且通过频域图表示。信号带宽是指信号占有有频率范围。１．6信道和噪声１．6．1信道的定义和分类信道：是以传输媒质为基础的信号通道。根据信道特征以及分析问题所需，可以把信道分为狭义信道和广义信道１．6．2有线信道１．6．3无线信道１．6．4信道噪声噪声是一种不需要的，有害的电信号。１．6．5信道容量信道容量是指信道能够无差错传输的最大平均信息速率1）香农公式由香农信息论可以证明，对于带完有限，平均功率有限的高斯白噪声连续信道，其信道容量C（bit/s）为C＝B㏒2(1+S/N)B为信道带宽（Hz）;S为信号功率（W）；N为噪声功率（W）。香农公式表明，当信号与信道高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带度的信道上，理论上单位时间（S）内可能传输的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输。若噪声单边功率谱密度为n0（W/Hz），则在信道带宽B内的噪声功率N＝n0B,故香农公式的另一种形式为C＝B㏒2（1+S/n0B）2）重要结论1、信道容量C受到“三要素”即B、S、n02、提高信噪比（S/N）可以增大信道容量3、若噪声功率趋于零（或噪声功率谱密度趋于零）则信道容量趋于无穷大。4、增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。5、信道容量C一定时，信道带宽B和信号噪声功率比S/N之间可以互换。香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传略速率，达到极限信息速率的通信系统称为理想能信系统。１．7多路复用技术在通信系统中，当需要在一条物理信道对两路或多路信号同时进行传输时，则要采用复用技术。复用就是解决如何得用一条信道同时传输多路信号的技术。其目的是为了充分利用信道的频带或时间资源，提高信道利用率，扩大通信的容量。1.7.1频分复用频分复用（FDM）是一种按频率来划分信道的复用方式。在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段，每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带进行分隔，以防止信号重叠。FDM技术主要用于模拟信号的多路传输，普遍应用在长途多路载波电话系统、无线广播中。1.7.2时分复用时分复用（TDM）是利用分时方式来实现在同一信道中传输多路信号的方法。在TDM中，各路信号按分配的时隙依次定时传送，即在任意时刻上信道中只有一路信号在传输。TDM通常用于数字信号的多路传输。TDM的特点是各路信号在频率上是重叠的，而在时间上是分开的，即任一时刻上，信道中只有一路信号在传输。FDM的特点是各种信号在频率上是分开的，即频谱互不重叠，而在时间上是重叠。1.7.3码分复用码分复用中，各路信号码元在频谱上和时间上都是重叠的，但是不同用户传输的信号是靠各自不同的（正交）编码序列来区分的。码分复用是用正交有脉冲序列分别携带不同信号。这种复用方式多用于空间通信的扩频通信和移动通信系统中。1.7.4波分复用波分复用是光通信的复用技术，其原理与频分复用类似。１．8通信系统的性能指标通信系统优劣的性能指标包括：有效性、可靠性，适应性、经济性、标准性、可维护性等。其中有效性和可靠性是通信系统的主要性能指标。有效性是指传输一定信息量进所占用的信道资源或者说是传输的“速度”问题。可靠性是指接收信息的准确程度也就是传输质量问题。1.8.1模拟通信系统的性能指标模拟通信系统的有效性可用传输带宽B来度量。在模拟通信系统中，传输的是连续变化的模拟信号，它要求接收机能够高保直的重现原来信号波形，要求信号在传输过程中尽量减少失真，因此系统性的信道带宽应大于信号带宽。模拟通信系统的可靠性通常用接收端最终输出信噪比S0/N0来度量。输出信噪比越高，通信的可靠性越好。1.8.2数字通信系统的性能指标数字通信系统的有效性可用传输速率和频带利用率来衡量。１）码元速率RB，又称波特率。它表示每秒传送的码元数目，单位为波特。码元长度为T（s）时，有RB＝1/T２）信息速率Rb，又称比特率。它表示每秒传送的信息量（或比特数）由于信息量的单位是比特，所以Rb的单位为比特/秒。Rb=RB㏒2M３）频带利用率在比较通信系统的有效性时，不能单看它们的传输速率，还应考虑所占用的频带宽度，因为两个传输速率相等的系统其传输效率并不一定相同，所以真正衡量数字通信系统的有效性指标是频带利用率它定义为每赫兹内所实现的传输速率。数字通信系统的可靠性可用差错率来衡量。差错率常用误码率和误信率来表示。１）误码率Pe。它是指接收的错误码元在传输总码元数中所占的比例，或者说是码元在传输中被传错的概率即Pe=错误码元数/传输总码元数２）误信率Pb，又称误比特率。它是指接收的错误比特数在传输总比特数中所占的比例。Pb＝错误比特数/传输总比特数。第二章模拟信号数字化及其传输2.1概述如何利用数字通信系统传输模拟信号？１）模/数转换(A/D)——将模拟信号转换成数字信号２）按数字传输方法——数字基带传输或数字调制传输３）数/模转换（D/A）——将数字信号还原模拟信号。1.模/数变换（A/D）的3个步骤模拟信号数字化过程包括：抽样、量化、和编码2.编码方法和分类编码技术分为波形和参量编码两类。目前使用最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制（PCM）和增量调制（△M）以及它们的的改进型。2.2抽样定理抽样定理为模拟信号的数字化和时分复用（TDM）奠定基础。根据模拟信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分为低通样定理和带通样定理；根据抽样的脉冲序列是理想冲击序列还是非冲击序列，又可分为理想抽样和实际抽样。2.2.1低通抽样定理定理：一个频带限制在（0,fH）内的模拟信号m(t),如果以T≤1/2fH的间隔对它抽样，则m(t)将被抽样值完全确定。这就是低通抽样定理。含义：抽样后信号ms(t)包含了原模拟信号m（t）的全部信息。所以不必传输m(t)本身，只需传输它的抽样信号ms(t),收端就能从ms(t)中恢复m(t).其前提条件是抽样间隔T≤1/2fH,，或抽样速率fs≥2fH这两个我条件是一回事，因为抽样间隔和抽样速率互为倒数关系，即fs=1/T。若抽样速率fH2fH,则会产生失真，这种失真叫混叠失真。恢复原信号的条件是fs≥2fH即抽样频率fs应不小于fH的两倍。最低抽样频率fH=2fH称为奈奎斯特速率，以此相应的最大抽样时间间隔T=1/2fH为奈奎斯特间隔。实用的抽样频率fs必须比2fH大多一些。例如，典型电话信号的最高频率通常限制在3400Hz，而抽样频率通常采用8000Hz。2.2.2带通抽样定理2.3脉冲振幅调制模拟脉冲调制是以时间上离散的脉冲序列作为载波，用模拟基带信号m(t)去控制脉冲序列的某个参量（振幅、宽度和位置），使其随m(t)的规律变化。若脉冲序列的幅度随m(t)的规律变化，称为脉冲振幅调制（PAM）；若脉冲序列的宽度随m(t)的规律变化，称为脉宽调制（PDM）；若脉冲序列的位置随m(t)的规律变化，称为脉位调制（PPM）。这三种信号在时间上都是离散的，胆受到参量变化是连续的所是都属于模拟脉冲调制。其中脉冲振幅制是一种最基本的模拟脉冲调制。脉冲振幅调制是脉冲序列的幅度随模拟基带信号m(t)变化的一种调制方式。1.自然抽样：指抽样后信号的脉冲顶部与原模拟信号波形相同。2.平顶抽样：它与自然抽样的不同之处在于抽样后信号中脉冲顶部是平坦的，脉冲幅度等于瞬时抽样值。2.4脉冲编码调制脉冲编码调制本质上一种模/数转换方式，它是将模拟信号变成二进制信号的常用方法。PCM系统原理：在发送端，输入的模拟信号m(t)经抽样、量化、编码“后变成二进制数字信号（PCM信号）。编码后的PCM信号的传输方式，可以是数字基带传输也可以对微波、光波等调制后的数字调制传输。2.4.1量化量化是将抽样信号幅值进行离散化处理的过程。１）均匀量化：把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。量化噪声功率Nq只与量化间隔△v有关。对于均匀量化，△v是确定的，因而Nq固定不变。但是信号的强度可能随时间变化。当信号小时，量化信噪比也小，所以均匀量化对于小输入信号很不利。为了克服这个缺点，改善小信号的量化信噪比，在实际应用中采用非均匀量化。２）非均匀量化：在非均匀量化是，量化间隔随信号抽样值的不同而不同。信号抽样值小时，量化间隔△v也小