通信原理教案-上冊(共34頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上通信原理教案基礎(chǔ)部軍事高技術(shù)教研室 高浪目 錄第一章 緒論 1第三章 信道 5第四章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 12第五章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 28第六章 正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 52第七章 模擬信號的數(shù)字傳輸 74第八章 數(shù)字信號的最佳接收 95第十一章 同步原理 106第十三章 擴頻通信 118專心-專注-專業(yè)第一章 緒 論一定義1. 通信傳輸信息以語言、圖像、數(shù)據(jù)、文本等媒體，通過電(光)信號將信息由一方傳輸?shù)搅硪环健?模擬通信與數(shù)字通信信道中傳輸?shù)氖悄M信號時為模擬通信。信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號時為數(shù)字通信。3模擬信號與數(shù)字信號（1）模擬信號基帶信號(一般指未調(diào)制過的信號)瞬時

2、值狀態(tài)數(shù)無限，如正弦信號、語音信號、圖像信號等。已調(diào)信號(載波一般為正弦信號)的參數(shù)A.F.P狀態(tài)數(shù)無限。（2）數(shù)字信號基帶信號的瞬時值狀態(tài)數(shù)有限。如計算機.電報機等輸出的信號。已調(diào)信號的參數(shù)A.F.P狀態(tài)數(shù)有限。*注: 也可稱ASK 、FSK 、PSK等數(shù)字已調(diào)信號為連續(xù)信號,因為他們的瞬時值在某一范圍內(nèi)連續(xù)取值。二模擬通信與數(shù)字通信的基本概念1模擬通信（1）點點單路通信系統(tǒng)·調(diào)制器： 使信號與信道相匹配, 便于頻分復(fù)用等·發(fā)濾波器：濾除調(diào)制器輸出的無用信號·收濾波器：濾除信號頻帶以外的噪聲 一般設(shè)n(t)為高斯白噪聲，ni(t)為窄帶白噪聲 *注: 模擬通信也

3、可進行加密無調(diào)制解調(diào)器的模擬通信系統(tǒng)較簡單，本書不予討論.此系統(tǒng)為單向通信系統(tǒng)即單工通信系統(tǒng),當A、B都有調(diào)制解調(diào)器時可實現(xiàn)雙工通信。（2）點-點多路通信系統(tǒng)點對點多路通信系統(tǒng)除解決信息傳輸技術(shù)外，還必須解決信息復(fù)用技術(shù)，即在發(fā)端將多路信號復(fù)接在一起、在收端將已復(fù)接在一起的多路信號進行分接處理。在模擬通信中只能用頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)。（3）通信網(wǎng)通信網(wǎng)中涉及到傳輸、復(fù)用、交換、網(wǎng)絡(luò)四大技術(shù)。通信原理這門課只介紹傳輸和復(fù)用技術(shù)。2數(shù)字通信 下圖為點-點單路數(shù)字通信系統(tǒng)模型，有關(guān)單元功能如下： 信源: 可以是模擬信源，也可以是數(shù)字信源(離散信源)。 信源編碼: 對模擬信號進行A/D變換和壓縮，對

4、數(shù)字信號進行壓縮。 信道編碼: 提高通信可靠性，Pe < Pe 。 調(diào)制器: 作用同模擬通信。 發(fā)、收濾波器: 作用同模擬通信，且使系統(tǒng)無碼間串擾。 同步器: 使收發(fā)信機步調(diào)一致地工作以正確傳輸信息。在實際通信系統(tǒng)中，可以根據(jù)具體情況省略掉上圖中的某些單元。若無調(diào)制解調(diào)器則為數(shù)字基帶系統(tǒng)。與模擬通信類似，在多路數(shù)字通信系統(tǒng)中除采用上述數(shù)字傳輸技術(shù)外還需采用復(fù)用技術(shù)，在通信網(wǎng)中還需采用交換技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前在數(shù)字通信系統(tǒng)中常用的復(fù)用技術(shù)是FDM和TDM(時分復(fù)用)。三信息及其度量1. 離散消息的信息量某離散消息x發(fā)生的概率為P(x)，則它所攜帶的信息量為I = -loga p(x)當a=

5、e時，信息量的單位為奈特(nit)；當a=2時，信息量的單位為比特(bit)。目前廣泛使用的單位為bit。2. 離散信源的平均信息量設(shè)信源輸出M個統(tǒng)計獨立的符號x1,x2,xM，它們出現(xiàn)的概率分別為P(x1),P(x2),，P(xM)，則每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值即離散信源的平均信息量為H(x)=- (bit/符號) 信源的平均信息量又被稱為信源熵。可以證明，最大信源熵發(fā)生在信源的每個符號等概獨立出現(xiàn)時，最大信源熵為Hmax(x)=log2M (bit/符號) 四系統(tǒng)性能指標通信的目的是快速、準確地傳輸信息?？焖倏梢杂糜行詠砻枋?，準確可以用可靠性來描述。信道的頻率資源是有限的(即信道帶寬

6、是有限的)，顯然為傳輸某一信息而占用的信道帶寬越小，信道所能傳輸?shù)男畔⒙窋?shù)越多，越能有效地利用信道的頻率資源，通信系統(tǒng)的有效性越好。信道傳輸信息時迭加了噪聲，可靠性用來描述通信系統(tǒng)抗噪聲能力，可靠性越高越能準確地傳輸信息。1. 模擬通信系統(tǒng)的性能指標模擬信號占用的信道帶寬必須等于或大于信號帶寬，因此信號帶寬越小，有效性越好。模擬信號的質(zhì)量可用信噪比表示，因此解調(diào)器輸出信號的信噪比越大可靠性越好。2. 數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(1) 碼速率(RB)、信息速率(Rb)RB表示每秒鐘傳輸?shù)拇a元數(shù)目，單位為波特(Bd)，又稱RB為符號速率。Rb表示每秒鐘傳輸?shù)男畔⒘?，單位為每秒比?bit/s或bps)

7、，又稱Rb為傳信率。碼元寬度(或碼元周期)為T秒時，RB=（Bd）信息速率與碼速率之間的關(guān)系為Rb=RB·H(x) (bit/s)當信源各個符號等概獨立時，Rb=RBlog2M (bit/s) (1-1)(2) 誤碼率(Pe)與誤比特率(Pb)Pe=Pb=誤比特率也被稱為誤信率。在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)母鞣栆话闶仟毩⒌雀诺?，因此常用?1-1)來表示Rb與RB之間的關(guān)系，在二進制系統(tǒng)中Rb=RB 、Pe=Pb ，在多進制(M>2)系統(tǒng)中一般Pb<Pe 。(3) 有效性與可靠性在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號占用的信道帶寬Bc可以小于信號帶寬（詳細討論見第5、6章），而且信號帶寬還與信號

8、的進制數(shù)有關(guān)，故不用信號帶寬來描述有效性，而用頻帶利用率(B或b)來描述有效性。 B= (Bd/Hz) (1-8)b= (bit/(s·Hz)或bps/Hz)(1-9)當式（1-1）成立時， b=Blog2M（1-10）顯然，B越大，b越大，有效性越好；采用多進制可以提高b。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機最終輸出的信號可能是數(shù)字信號也可能是模擬信號。接收機輸出信噪比只適于用來描述傳輸模擬信號的可靠性，傳輸數(shù)字信號的可靠性可用誤碼率來表示。另外，接收機輸出的模擬信號是由數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的，數(shù)字信號的誤碼率越小，所對應(yīng)的模擬信號的信噪比越大?？傊?，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，誤碼率越小，可靠性越高

9、。五通信現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢寬帶化、綜合化、個人化、網(wǎng)絡(luò)化，最終實現(xiàn)全球個人通信。第三章 信 道3. 1 引 言 信 道：信號通道 狹義信道：信號的傳輸媒質(zhì) 有線信道 無線信道 廣義信道：媒質(zhì)及有關(guān)變換裝置 收、發(fā)轉(zhuǎn)換器：放大，頻率變換，電電磁波，等。3. 2 信道數(shù)學(xué)模型一. 調(diào)制信道傳輸已調(diào)信號，關(guān)心的是信號的失真情況及噪聲對信號的影響。已調(diào)信號的瞬時值是連續(xù)變化的，故也稱調(diào)制信道為連續(xù)信道，甚至稱為模擬信道。單輸入單輸出信道： ei(t)：模擬信號或數(shù)字信號。f·： 線性失真，非線性失真，損耗，時變特性等。工程上應(yīng)使非線性失真足夠小。n(t)： 加性噪聲，與ei(t)無關(guān)。k(t)：

10、 產(chǎn)生乘性噪聲，包括各種失真等，只有ei(t)存在時，乘性噪聲才存在。恒參信道：f·不變或變化緩慢，即信道對ei(t)的影響不隨時間變化或變化緩慢，如電纜、光纜、無線視距信道、衛(wèi)星中繼信道等。變參信道：f·為快變化，即信道對信號的影響隨時間快速變化，如電離層反射信道、對流層散射信道。二編碼信道輸入、輸出都是數(shù)字信號，關(guān)心的是誤碼率而不是信號失真情況，但誤碼與調(diào)制信道有關(guān)，無調(diào)制解調(diào)器時誤碼由收、發(fā)濾波器設(shè)計不當及n(t)等因素引起。 二進制無記憶信道 二進制無記憶對稱信道轉(zhuǎn)移概率矩陣：p(yj / xi)= p(0/0) p(1/0) p(yj / xi)= 1 p(0/1

11、) p(1/1) 1- pe=p(0)×p(1/0)+p(1)×p(0/1) pe=×p(0)+p(1)=3. 3 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懸惶匦砸话銥榫€性時不變系統(tǒng)：Fh(t) H(w)=H(w)H(w)k(常數(shù))，產(chǎn)生幅頻畸變。 j (w) -wtd ，產(chǎn)生相頻畸變。理想信道，對ei(t)衰減、時延。用群遲延頻率特性來描述相頻特性： (w)=d j(w)/dw，當(w)=-td時，無相頻畸變。工程設(shè)計時，應(yīng)使H()畸變范圍及()誤差范圍符合要求。二對信號傳輸?shù)挠绊?模擬信號H()k，使信號失真。() -td，對語音信號影響不大(耳朵對相位不敏感)，但對

12、視頻信號影響大2數(shù)字信號H()不理想使信號失真，可能產(chǎn)生碼間串擾、誤碼。例：2ASK系統(tǒng) 三克服措施： 模擬通信： 頻域均衡，使信道、均衡器聯(lián)合頻率特性在信號頻率范圍內(nèi)無畸變。 數(shù)字通信： 合理設(shè)計收、發(fā)濾波器，消除碼間串擾。 信道特性緩慢變化時，用時域均衡器，使碼間串擾降到最小且可自適應(yīng)信道特性變化。3. 4 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?一特性 以對流層散射信道為例：10km12km大氣層 傳輸特點：多經(jīng)傳輸且每條路徑的衰減及時延都是隨時間變化的。二對信號傳輸?shù)挠绊?發(fā)射單頻信號 Acost 接收信號 式中 ui(t)及ji(t)是緩慢變化的(相對于cos0t)， Xc(t)、Xs(t

13、)、(t)、V(t)也是緩慢變化的，于是v(t)為一個窄帶隨機過程。V(t)瑞利分布： (t)均勻分布：v(t)的波形與頻譜如下圖所示2發(fā)射頻帶信號以兩路徑為例，設(shè)衰減是恒定的頻率選擇性衰落·是變化的，故傳輸特性零點、極點是變化的。·設(shè)最大遲延為m，則相關(guān)帶寬f=1/m 。·當信號帶寬B>f時，R(t)有明顯的頻率選擇性衰落。·當信號帶寬B<<f時，R(t)時強時弱，與發(fā)射單頻信號時現(xiàn)象相似。· 為了不引起明顯的頻率選擇性衰弱，B應(yīng)小于f（數(shù)字信號碼元寬度一般為3 m5m ），且采用一定措施確保信號正確傳輸。3. 5 隨參信道

14、特性的改善一分集接收技術(shù)分別接收若干個獨立地攜帶同一信息的信號，并將它們合并在一起，這些信號同時被衰減掉的概率很小，因而可改善隨參信道的傳輸特性。1分集方法（1）頻率分集 各頻率之差大于相關(guān)帶寬。（2）時間分集 用同一頻率在不同時刻傳輸同一信息。（3）時頻分集 (混合分集之一) 例如：四時四頻分集 信息代碼 時頻編碼 00 f1、f2、f3、f4 將一個四進制碼元寬度時間Ts等分 01 f2、f3、f4、f1 為4個時間段，分別傳輸4個載頻 10 f3、f4、f1、f2 信號，不同代碼傳輸順序不同。在Ts 11 f4、f1、f2、f3 內(nèi)只要能正確接收到一個頻率，就可 判斷在Ts內(nèi)傳輸?shù)男畔⒋?/p>

15、碼。（4）其它：空間分集，角度分集，極化分集。2合并方法（1）最佳選擇式 選信噪比最好的一個作為接收信號。（2）等增益相加 將各信號以相同增益放大、相加。（3）最大比相加 將各信號與信噪比成正比地放大、相加。效果：（3）最好，（1）最差。二擴頻技術(shù)在第十三章擴頻通信中介紹。3. 6 信道的加性噪聲只介紹噪聲帶寬及窄帶白噪聲的有關(guān)概念：n(t)：白噪聲。雙邊帶功率譜密度 單邊帶功率譜密度n0/2fmfmn000Pn（f）Pn（f） N不可能無窮大，故白噪聲的頻率范圍應(yīng)是有限的。 在分析系統(tǒng)抗噪性能時，認為接收濾波器為帶寬Bi=Bn的理想帶通濾波器。一般Bi << fc，故ni(t)為

16、窄帶白噪聲, ni(t)=nc(t)coswct- ns(t)sinwct 。ni(t)、nc(t)、ns(t)的功率譜密度Pni(t)、Pnc(t)、Pns(t)如下圖所示。3. 7 信道容量以無限小的差錯率和無限大的速率傳輸信息，這是人們對通信系統(tǒng)的希望。但可靠性和有效性是一對矛盾，不可能兩者都達到理想狀態(tài)。實際工程中，一個現(xiàn)實的折衷方案是在滿足可靠性的前提下盡可能提高信息速率。差錯率等于0時可靠性最好，此時的最大信息速率被稱為信道容量，即信道容量的定義為：信道無差錯傳輸信息的最大信息速率，記為C 。連續(xù)信道的信道容量由香農(nóng)公式?jīng)Q定： （bit/s）上式中，B為信道帶寬(Hz)，S為信號功

17、率(W)，n0為噪聲單邊功率譜密度(W/Hz)，N=n0B為噪聲功率(W)。上式成立的條件是：信號為高斯分布(此時信源熵最大)，噪聲為高斯白噪聲。香農(nóng)公式告訴我們以下重要結(jié)論： C隨S/N增大而增大； 當n00時C，即無干擾信道的信道容量為無窮大； C隨著B的增大而增大，但不能無限增大，即當B時，C1.44（S/n0） C一定時，B與(S/N)可以互換； 若信源信息速率RbC，則理論上可以實現(xiàn)無差錯傳輸。若Rb>C，則不可能實現(xiàn)無差錯傳輸。通常，把實現(xiàn)了極限傳輸速率且無差錯(或差錯為任意小)的通信系統(tǒng)，稱為理想通信系統(tǒng)。第四章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4. 1 引 言點-點通信系統(tǒng) 本章研究各種調(diào)制

18、、解調(diào)方式、系統(tǒng)的可靠性和有效性。1正弦調(diào)制 C(t)=cosct （1）模擬調(diào)制 m(t)為模擬信號，AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM（2）數(shù)字調(diào)制 m(t)為數(shù)字信號，ASK、FSK、PSK等。2脈沖調(diào)制 C(t)為脈沖周期信號（1）脈沖無編碼調(diào)制 用模擬信號m(t)改變脈沖的幅度(PAM)、寬度(PDM)、相位(PPM)（2）脈沖編碼調(diào)制(PCM) m(t)為模擬信號，用m(t)對脈沖串進行幅度調(diào)制后得到PAM，再對PAM量化編碼得到PCM信號（3）增量調(diào)制(M) m(t)為模擬信號，根據(jù)采樣信號與預(yù)測信號之差進行一位編碼（4）脈沖數(shù)字調(diào)制 m(t)為數(shù)字信號，常用多進制脈位調(diào)制

19、PPM3復(fù)合調(diào)制：對同一載頻進行兩種或更多種的調(diào)制稱為復(fù)合調(diào)制。例如，對一個FM信號再進行一次振幅調(diào)制，所得結(jié)果為調(diào)頻調(diào)幅波。這里的調(diào)制信號可以不相同。4多級調(diào)制：用同一基帶信號實施兩次或更多次的調(diào)制過程，如AM/FM用m(t)進行AM調(diào)制，再用此AM信號對另一載波進行FM調(diào)制.4.2 幅度調(diào)制系統(tǒng)原理及抗噪性能一調(diào)制、解調(diào)方法用濾波法產(chǎn)生AM、DSB、SSB、VSB信號的原理如下： 采用不同的H(f)可得到DSB、SSB、VSB、AM1AMH(f)為理想帶通濾波器。 SAM(t)=A+m(t)cosctAM信號波形如下圖所示，其頻譜同S(f)，信號帶寬B=2fH解調(diào)·包絡(luò)檢波要求

20、A+m(t)0 ，上圖(c)不滿足此要求。·相干解調(diào)fHfLPF0隔直 2DSB（或DSB-SC）H(f)為理想帶通， SDSB(t)=m(t)cosctDSB信號波形如下圖所示，頻譜同S(t)，B=2fH解調(diào)·不能用包絡(luò)檢波法解調(diào)DSB信號。·相干解調(diào)：方框圖同AM相干解調(diào)。請自己畫出各點頻譜。·載波同步方法：發(fā)端插入小功率導(dǎo)頻，收端用鎖相環(huán)或窄帶帶通濾波器提取相干載波。3SSB 推導(dǎo)SSB信號的時域表達式： 下邊帶帶通濾波器可等效為 載波為cosct 是m(t)的希爾伯特變換，sinct是cosct的希爾伯特變換。 同理 載波為cosct 當載波為s

21、inct時 單邊帶時域式中的系數(shù)可為任一常數(shù)。據(jù)時域表達式可用相移法產(chǎn)生SSB信號，如下圖所示。解調(diào)·相干解調(diào) 方框圖同AM，自己畫各點頻譜。·插入強載波包絡(luò)檢波。 此為AM信號故可用包絡(luò)檢波法解調(diào)SSB信號。強載波Acosct的獲取方法：(1) 發(fā)端插入小功率導(dǎo)頻，收端提取后放大得。(2) 不發(fā)導(dǎo)頻，收端的振蕩器輸出作為強載波，語音單邊帶允許頻率誤差4VSB當fL很小時，無法用濾波法得到SSB信號，而只能得到VSB信號。 VSB系統(tǒng)模型 令 H(f)=GT(f)C(f)GR(f) 對H(f)的要求: H(f+fC)+ H(f-fC)=C 證明： 當 VSB系統(tǒng)的頻率特性及

22、相干解調(diào)原理如下圖所示VSB的插入強載波包絡(luò)檢波解調(diào)法原理如下： AM信號 線性調(diào)制含義: 將m(t)頻譜線性地搬移到fc兩邊。二線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能分析AM，DSB，SSB相干解調(diào)抗噪性能，AM包絡(luò)檢波的門限效應(yīng)1相干解調(diào)BPF帶寬W等于信號帶寬B，B<<fc ，ni為窄帶白噪聲。ni(t)=nc(t)cos0t-ns(t)sin0t AM，DSB中 f0=fc SSB中 f0fc帶通濾波器輸出信噪比即解調(diào)器輸入信噪比 ()i解調(diào)器輸出信噪比 ()o 制度增益 G=以SSB為例說明分析過程 可見 注: 此結(jié)論與設(shè)f0=fc時相同。2. AM包絡(luò)檢波的門限效應(yīng)。 >>

23、1時,包絡(luò)檢波的可靠性同相干解調(diào)。 <<1時,出現(xiàn)門限效應(yīng)。 當 A+m(t)>>ni(t)時，E(t)A+m(t)+nc(t) mo(t)=m(t)，no(t)=nc(t) 可得: 當 A+m(t)<<ni(t)時，解調(diào)器的輸出端得不到獨立的信號。 相干解調(diào)器無門限效應(yīng)。4.3 角度調(diào)制原理及抗噪聲性能一基本概念角調(diào)制信號的時域表達式 瞬時相偏， 瞬時頻偏 最大頻偏 帶寬 B=2(f+fH)=2(m+1)fH 調(diào)制指數(shù)FM： KF 調(diào)頻靈敏度B=2(f+fH)=2(mf+1)fH 卡森公式 調(diào)頻指數(shù)當f>>fH時，B=2f，與基帶信號頻率無關(guān)。

24、PM：KP 調(diào)相靈敏度B=2(f+fH) 與基帶信號有關(guān)，是變化的，故很少用。FM的頻譜：設(shè)m(t)=AmcosmtSFM(t)=Acos(ct+mfsinmt)，頻譜 無窮多個頻率分量，其幅度正比于Jn(mf) n階貝賽爾函數(shù)B=2(mf+1)fH， n> mf+1時Jn(mf)比較小，忽略不計例：mf=3 fc兩邊不對稱，不能用單邊帶信號傳輸信息。窄帶調(diào)頻當時為窄帶調(diào)頻。二調(diào)頻方法1直接調(diào)頻 問題: 載頻fc不穩(wěn)定VCO一般為LC、RC振蕩器，頻率穩(wěn)定度為10-32窄帶調(diào)頻倍頻3鎖相調(diào)頻 條件：環(huán)路自然諧振頻率fn<fL三鑒頻方法1限幅鑒頻器 不考慮噪聲時 包絡(luò)檢波輸出：m(t)2鎖相鑒頻3NBFM的相干解調(diào) 四抗噪性能限幅鑒頻器：1大信噪比 限幅帶通輸出： nc(t)、ns(t)不相關(guān)，兩者同時達最大值概率很小，b由ns(t)和nc(t)合成。 考慮到上述因素，可認為 FD輸出LPF截至頻率為fH，故 與FM信號幅度無關(guān)，與KF2成正比，即與B