通信原理ch01_1

1、緒緒 論論 劉榮科劉榮科 博士，教授，博導(dǎo)博士，教授，博導(dǎo)rongke_rongke_辦公室：新主樓辦公室：新主樓F802F802 8233947582339475實驗室：新主樓實驗室：新主樓F501-514F501-514 8233971582339715課程定位與特點承上：承上： 電路類電路類: :電路分析電路分析電子電路電子電路I I數(shù)字電路數(shù)字電路電子電路電子電路I I 的延伸的延伸 非線性非線性: : 非線性電路非線性電路 高頻高頻: : 高頻高頻/ /射頻電路射頻電路 信號類信號類: : 信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)啟下：啟下： 電路類：集成電路設(shè)計等電路類：集成電路設(shè)計等 通信類：通信原

2、理通信類：通信原理 數(shù)字通信等數(shù)字通信等 信號類：數(shù)字信號處理信號類：數(shù)字信號處理課程定位與特點課程定位與特點 電子信息工程專業(yè)核心課程（電子信息工程專業(yè)核心課程（1/101/10） 核心課程中最綜合核心課程中最綜合, ,最全面和最復(fù)雜的課程最全面和最復(fù)雜的課程 “最有用、最難學(xué)最有用、最難學(xué)” ” 課程課程 實踐性、工程性強實踐性、工程性強軟件軟件 硬件硬件 （欺軟怕硬）（欺軟怕硬）數(shù)字數(shù)字 模擬模擬低頻低頻 高頻高頻課程定位與特點教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 辯證辯證統(tǒng)一統(tǒng)一的觀點的觀點( (運動運動) ) 通信電路原理課程是以非線性電路為主，對于非線性通信電路原理課程是以非線性電路為主，對于非線性電

3、路的分析本身就是一個辯證的問題電路的分析本身就是一個辯證的問題 時變電路與時不變電路時變電路與時不變電路 在不同頻率條件下，同一元件的作用是不同的在不同頻率條件下，同一元件的作用是不同的課程定位與特點課程定位與特點教學(xué)目標(biāo)：培養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)：培養(yǎng)四種四種觀點觀點 實踐的觀點實踐的觀點 軟、硬件實驗并重 注意實驗中數(shù)據(jù)處理的概念 工程的觀點工程的觀點 誤差的概念 近似的概念 答案的非唯一性(條條大道通羅馬) 折中(中庸)課程體系實踐觀點實踐觀點工程觀點工程觀點辯證觀點辯證觀點系統(tǒng)觀點系統(tǒng)觀點考核考核 項項 作業(yè)作業(yè)：課堂上布置的為鞏固講課內(nèi)容的習(xí)題，每人必須獨立獨立完成完成，每周交一次每周交一次 ，

4、交給有關(guān)老師。（2020分分） EDAEDA：每章均布置若干PSPICE和MATLAB的分析練習(xí)題，每人必須獨立完成。本學(xué)期安排兩次上機時間，主要用于檢查和面試。上機檢查結(jié)束后，提交EAD作業(yè)的小結(jié)。（可以電子郵件提交）（1010分分）考試考試：閉卷考試（5 50 0分分） 實驗實驗：實驗中心統(tǒng)一安排，要求完成實驗和實驗報告（2 20 0分分）加分項加分項綜合性研究綜合性研究：提供若干綜合性研究課題，以課代表和學(xué)習(xí)委員為召集人，各班組成12個課題研究小組（每組23人），按分工進行研究，寫出研究報告。研究成果將安排時間進行交流或單獨組織答辯。課堂討論課堂討論：安排兩次課堂討論，主要目的是建立系統(tǒng)

5、概念和數(shù)字通信的EDA分析。討論方法是：有討論提綱，各班有分工，課堂討論時各班有重點發(fā)言。2021年10月16日9笫笫1章章 緒緒 論論 1.1 通信系統(tǒng)的基本概念基本概念 1.1.1 通信系統(tǒng)的組成與分類組成與分類 1.1.2 通信系統(tǒng)的基本特性基本特性 1.1.3 通信系統(tǒng)的信道信道 1.1.4 通信系統(tǒng)中的信號信號 1.1.5 通信系統(tǒng)中的發(fā)送與接收設(shè)備發(fā)送與接收設(shè)備1.2 信號傳輸?shù)幕締栴} 1.2.1 信號通過線性系統(tǒng) 1.2.2 信號通過非線性系統(tǒng) 1.2.3 干擾1.3 通信電路的基本形式2021年10月16日103 cups flour1 cup grated chocola.

6、電話通信便攜電腦帶無線接口的電腦無線頭盔兒童監(jiān)護臺式電腦衛(wèi)星天線PSTN/xDSL冰箱數(shù)據(jù)板手持式控制器電纜/電纜調(diào)制解調(diào)器聲控玩具Talking Teddy無線通信系統(tǒng)演進 is95GSMTDMA PDC 2G 9.6 - 14.4 kbpscdma1xGPRS 2.5G 64144 kbpsWLAN WPANB 3G?384 kbps - 20 MbpsAlways Best Connected EDGEWCDMAcdma20003G384 kbps - 2 Mbps4G100 Mbps?New air-interface?Ad hoc networksWMANVirtual Realit

7、yAlways Best Connected Optical Networking122021年10月16日13通信系統(tǒng)的組成框圖通信系統(tǒng)的組成框圖2021年10月16日14通信系統(tǒng)的通信系統(tǒng)的分類分類按通信調(diào)制方式來分：按通信調(diào)制方式來分：數(shù)字通信與模擬通信；按信道中傳輸?shù)男盘杹矸职葱诺乐袀鬏數(shù)男盘杹矸郑夯鶐盘柾ㄐ排c載波信號通信；按傳輸信道來分按傳輸信道來分：有線通信、無線通信、光通信；按信號傳輸?shù)姆较騺矸职葱盘杺鬏數(shù)姆较騺矸郑簡喂?、雙工、半雙工。2021年10月16日15以射頻集成電路為核心可以形成的電子產(chǎn)品以射頻集成電路為核心可以形成的電子產(chǎn)品（低端產(chǎn)品）（低端產(chǎn)品） 低頻 100-5

8、00 kHz 近距離及中等距離讀寫 價格相對便宜 讀取速度慢 門禁系統(tǒng)、動物識別 庫存控制、停車管理 中間頻率 10-15 MHz 近距離及中等距離讀寫 價格可以做到便宜 讀取速度適中 門禁系統(tǒng) 各種智能卡 低 性 能 、 低 成 本 的 產(chǎn) 品 射 頻 標(biāo) 簽 高頻 850-950 MHz 2.4-5.8 GHz 遠距離讀寫 讀取速度高 直線傳播 價格相對貴 道路及鐵路狀況檢測 高速收費系統(tǒng) 2021年10月16日16以射頻集成電路為核心可以形成的電子產(chǎn)品（以射頻集成電路為核心可以形成的電子產(chǎn)品（中間產(chǎn)品）中間產(chǎn)品） 電子設(shè)備的無線互聯(lián) 2.4GHz 工作頻率 小于 10米的工作距離 小于

9、20dBm 的發(fā)射功率 可選擇數(shù)據(jù)加密措施 移動電話、固定電話 個人電腦、便攜電腦 個人數(shù)字助理(PDA) 調(diào)制解調(diào)器、打印機 數(shù)字相機 外設(shè)共享 中 性 能 中 成 本 產(chǎn) 品 個 人 無 線 局 域 網(wǎng) 絡(luò) 采用無線方式共享資源 有線互聯(lián)鏈路的共享 2021年10月16日17以射頻集成電路為核心可以形成的電子產(chǎn)品（以射頻集成電路為核心可以形成的電子產(chǎn)品（高檔產(chǎn)品）高檔產(chǎn)品） 無線網(wǎng)：WLAN 覆蓋辦公室或者庭院的靜態(tài)高速網(wǎng)絡(luò)，支持高速計算機網(wǎng)絡(luò)的無線接入 無線個人通信 支持 any-time, any-where的個人語音和低速數(shù)據(jù)通信 可移動式計算 支持 many-time, many-

10、where的高速信息獲取 無線數(shù)據(jù)廣播 數(shù)字視頻、高質(zhì)量音頻的無線傳遞 高 性 能 高 價 格 產(chǎn) 品 可移 動式 計算 移動 通信 軍用 戰(zhàn)場的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋 軍事通信、數(shù)字化單兵裝備 發(fā)展趨勢高頻化高頻化 寬帶化寬帶化 集成化集成化 數(shù)字化數(shù)字化2021年10月16日191.1.2 通信系統(tǒng)的基本特性通信系統(tǒng)的基本特性傳輸距離是指信號從發(fā)送端傳輸?shù)竭_接收端并能被可靠接收的最大距離。傳輸距離與什么因素有關(guān)？與通信體制有關(guān)（有無中繼）。無中繼的無線通信（從基站到移動臺，從發(fā)射機到接收機）發(fā)送端的信號功率；信號通過信道的損耗；信號通過信道時混入各種形式的干擾和噪聲；接收機的接收靈敏度。2021年1

11、0月16日20二、通信容量二、通信容量通信容量是指一個信道能夠同時傳送獨立信號的路數(shù)。已調(diào)信號所占有的頻帶寬度：國際規(guī)定電話信號的頻帶是3003400Hz；中波調(diào)幅廣播（535KHz1605KHz），廣播電臺每個已調(diào)信號占有的頻帶寬度是 9KHz；調(diào)頻廣播（88MHz108MHz），最小頻帶寬度是 200KHz；我國采用的電視圖象信號的頻帶是08MHz。 信道多址復(fù)用的方式：頻分復(fù)用（FDMA）；時分復(fù)用（TDMA）；碼分復(fù)用（CDMA）。2021年10月16日21三、信號失真度三、信號失真度信號失真度指的是接收設(shè)備輸出信號不同(失真）于發(fā)送端基帶信號的程度。產(chǎn)生信號失真的原因：信道特性不理想

12、；對信號進行處理的電路（發(fā)送與接收設(shè)備）特性不理想。2021年10月16日22四、抗干擾能力四、抗干擾能力信號通過信道時，總要混入各種形式的干擾和噪聲，使接收機輸出信號的質(zhì)量下降。提高通信系統(tǒng)抗干擾能力的技術(shù)：提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力；選用高質(zhì)量的調(diào)制和解調(diào)電路?？勺龅剑喝魏稳嗽谌魏螘r候和任何地點都可以實現(xiàn)通信。2021年10月16日231.1.3 通信系統(tǒng)的信道通信系統(tǒng)的信道一、衰減特性：信道的衰減特性是指信號經(jīng)信道傳輸時，信號能量被衰減的程度。二、工作頻率范圍：不同的信道具有不同的工作頻率范圍。（參考表1.1.1）。三、頻率特性：信道的頻率特性是指在信道的工作頻率范圍內(nèi)，當(dāng)不同頻率的信號通

13、過時，由信道引起的幅度衰減和附加相移是不同的。四、時變與時不變特性：在某些信道中，信道的傳輸特性是隨時間變化的。例如：無線信道。五、干擾特性2021年10月16日24表表1.1.1 2021年10月16日25表表1.1.1 （續(xù)）（續(xù)）在雷達和常規(guī)微波技術(shù)中，常對微波波段中的一部分做更細的劃分，并用不同的拉丁字母表示它們，現(xiàn)附表如下： 電波傳播方式 直射傳播 繞射 電離層的折射和發(fā)射2021年10月16日27移動通信中信道的特殊問題移動通信中信道的特殊問題選擇性衰落（頻域）和延時擴展（時域）：多徑傳播：到達接收點的信號，除直射波外還有多個反射波和散射波。產(chǎn)生選擇性衰落和延時擴展。選擇性衰落：使

14、不同頻率的信號產(chǎn)生不同的衰減特性，產(chǎn)生失真。延時擴展：延時擴展對高速數(shù)據(jù)傳輸影響很大，產(chǎn)生碼間干擾（ISI）。多卜勒頻移：在高速移動情況下接收，還要考慮多卜勒頻率的影響。在城市環(huán)境中，移動情況下的無線傳輸信道的傳輸特性是十分惡劣的。2021年10月16日281.1.4 通信系統(tǒng)中的信號通信系統(tǒng)中的信號基帶信號傳輸：信號頻帶：在通信系統(tǒng)中被傳輸?shù)男盘?，一般情況下都不是單一頻率的信號，而是含有一定頻率范圍內(nèi)的各頻率分量。而它所占有頻率范圍的大小，則稱為這個信號所占有的頻帶寬度。舉例：對電話來說，它強調(diào)可懂度，而不要求音色等。國際規(guī)定電話信號的頻帶是3003400Hz；我國采用的電視圖象信號的頻帶是

15、08MHz等。定義：稱這種直接表示原始信息的電信號為基帶信號。 直接傳送基帶信號稱為基帶信號傳輸。電話電纜可傳輸電話基帶信號。視頻電纜可傳輸電視基帶信號。2021年10月16日291.1.4 通信系統(tǒng)中的信號（續(xù)通信系統(tǒng)中的信號（續(xù)1）載波信號傳輸：調(diào)制技術(shù)：當(dāng)所使用信道的頻率特性不適于基帶信號傳輸時，可以利用調(diào)制技術(shù)將基帶信號的頻譜搬移到信道的工作頻率范圍內(nèi)；舉例：為了實現(xiàn)中波廣播可以利用調(diào)幅技術(shù)將聲音基帶信號搬移到中波波段的某一頻率附近。這種傳送基帶信號的方法稱為載波信號傳輸。2021年10月16日301.1.5 通信系統(tǒng)中的發(fā)送與接收設(shè)備通信系統(tǒng)中的發(fā)送與接收設(shè)備緩沖級倍頻器放大級調(diào)制器

16、高頻功放振蕩器低頻功放低頻放大調(diào)幅發(fā)射機方框原理圖波形2波形1波形32021年10月16日31超外差接收機方框超外差接收機方框原理原理圖圖高頻放大混頻器中頻放大解調(diào)器低頻放大輸入回路自動增益控制本地振蕩器2021年10月16日32發(fā)送與接收設(shè)備小結(jié)發(fā)送與接收設(shè)備小結(jié)超外差接收機原理：接收到的不同載頻的微弱高頻已調(diào)信號變成統(tǒng)一的中頻已調(diào)信號，再進行中頻放大，高增益高穩(wěn)定的中頻放大器容易實現(xiàn)。中波調(diào)幅廣播中頻是 465KHz。電視圖象信號的中頻是 38MHz。發(fā)送與接收設(shè)備中，產(chǎn)生頻率變換的電路有諧振功率放大器、倍頻器、振蕩器、及各種調(diào)制、解調(diào)器等。接收機要有足夠高的靈敏度（接收弱信號的能力）和足

17、夠高的選擇性（區(qū)分不同已調(diào)信號的能力）。自動增益控制原理（AGC）：接收弱信號和強信號的時候，接收機能得到相差不多的信號。由于是采用無線調(diào)制傳輸，所以在發(fā)射機端有調(diào)制過程，在接收機端有解調(diào)制過程。2021年10月16日33發(fā)送與接收設(shè)備小結(jié)發(fā)送與接收設(shè)備小結(jié)（續(xù)（續(xù)1）零中頻接收機原理：超外差接收機的優(yōu)點：容易得到足夠大而且比較穩(wěn)定的放大量；具有較高的選擇性和較好的頻率特性；易于調(diào)整。缺點：電路比較復(fù)雜；除了有用信號外，還存在位于鏡象頻率處的無用信號的干擾。（有一次變頻和二次變頻方案）零中頻接收機原理：將有用信號直接變換到基帶，即選擇中頻頻率為零（直接下變頻方案）。采用正交解調(diào)技術(shù)。優(yōu)點：沒有

18、鏡象頻率干擾；電路便于集成。缺點：有用信號和本機振蕩信號之間的耦合（泄漏）。2021年10月16日341.2 信號傳輸?shù)幕締栴}信號傳輸?shù)幕締栴}1.2.1 信號通過線性系統(tǒng)：在通信設(shè)備中，屬于線性系統(tǒng)的電路有線性放大器、濾波器、均衡器、相加（減）器、微分（積分）電路以及工作于線性狀態(tài)下的反饋控制電路等。理想線性系統(tǒng)的幅度頻率特性：AHjH)()(相位頻率特性為線性函數(shù)，在本例中，tttvi2coscos)(4K若線性系統(tǒng)的特性不是理想的，則會產(chǎn)生信號的波形失真，但不會產(chǎn)生新的頻率分量，這種失真稱為線性失真。2021年10月16日351.2.2 信號通過非線性系統(tǒng)信號通過非線性系統(tǒng)在通信電路中，屬于非線性系統(tǒng)的電路有諧振功率放大器、倍頻器、振蕩器、及各種調(diào)制、解調(diào)器等。電路種類與形式很多，應(yīng)用很廣泛。因此，研究信號通過非線性系統(tǒng)的問題在通信電路原理分析中是很重要的。信號通過非線性系統(tǒng)后