《通信原理》課程綜述

《通信原理》

課程綜述課程名稱 任課教師 班級(jí) 姓名 學(xué)號(hào) 日期《通信原理》作為通信專業(yè)的骨干核心課程，在通信專業(yè)的學(xué)習(xí)中占有極其重要的地位。盡管我們只是電子信息工程專業(yè)的，同樣需要很好的掌握，因?yàn)樗鼘?duì)我們之前學(xué)習(xí)的課程是一門很好的總結(jié)性課程。在這門課程中，我們要從模塊級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的層次上，深刻理解通信系統(tǒng)的基本理論，熟練掌握對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的基本方法。著重培養(yǎng)了我們分析問題和解決問題的能力，以及掌握現(xiàn)代通信方面不斷涌現(xiàn)的新理論、新技術(shù)的能力。一、 《通信原理》課的地位和作用打一個(gè)比方，如果把信息工程的整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)看作一棵大樹的話，《通信原理》課就是這棵大樹的主干，它在諸如高等數(shù)學(xué)、工程應(yīng)用、電路信號(hào)、模電數(shù)電、電磁場(chǎng)等等土壤、根須這樣的基礎(chǔ)課之上，撐起了信息工程專業(yè)的樹冠，而后續(xù)的專業(yè)課恰恰是這棵樹上結(jié)出的果實(shí)。因此，在系統(tǒng)知識(shí)框架中，《通信原理》課起著承上啟下、頂天立地的重要作用。也正因?yàn)榇?，我們才要深入并好好學(xué)習(xí)這門課程，才能在最后進(jìn)入社會(huì)、參加工作時(shí)將理論應(yīng)用于實(shí)踐中。二、 與《通信原理》相關(guān)的前續(xù)課程前面我們已經(jīng)提到許多通信專業(yè)的基礎(chǔ)課，其中與《通信原理》課最相關(guān)的是《高等數(shù)學(xué)》、工程數(shù)學(xué)中的《概率與隨機(jī)過程》以及《信號(hào)與系統(tǒng)》?！陡叩葦?shù)學(xué)》提供我們理論上分析推導(dǎo)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；《信號(hào)與系統(tǒng)》教會(huì)我們對(duì)確知信號(hào)不僅可以進(jìn)行時(shí)域分析，而且可以變換到頻域、復(fù)頻域上分析的分析方法；《概率與隨機(jī)過程》指導(dǎo)我們?nèi)绾闻咫S機(jī)信號(hào)（通信中的信號(hào)即為此類信號(hào)）的性質(zhì)、規(guī)律，以及對(duì)其分析的方法。所有這些對(duì)我們學(xué)好《通信原理》課有著重要的意義，不論缺少了哪一部分，都會(huì)或多或少地影響對(duì)通信原理的學(xué)習(xí)。三、 《通信原理》課的特點(diǎn)及其學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題《通信原理》課作為敲門磚般的專業(yè)基礎(chǔ)課，有其自身的一些特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下的三個(gè)方面：強(qiáng)的理論性《通信原理》課有極強(qiáng)的理論性，表現(xiàn)為有大量、嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式（這也正是我們要求有好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的原因），而且分析、推導(dǎo)的方法往往從時(shí)域和頻域同時(shí)展開（《信號(hào)與系統(tǒng)》課的功勞），這要求我們從時(shí)域和頻域的不同側(cè)重點(diǎn)，全面、準(zhǔn)確、方便地理解信號(hào)，掌握系統(tǒng)處理的特點(diǎn)和結(jié)果。這些充分體現(xiàn)了它作為基礎(chǔ)課的特點(diǎn)。因此，為了真正弄懂通信系統(tǒng)的原理和分析方法，我們?cè)趯W(xué)習(xí)時(shí)必須埋下頭、靜下心，自己動(dòng)手認(rèn)真推導(dǎo)公式，細(xì)心體會(huì)得到的結(jié)論（這對(duì)準(zhǔn)備考研的同學(xué)尤為重要，因?yàn)橐恍]有現(xiàn)成公式的求解，常常需借用書上公式的推導(dǎo)思路和方法），不能只求記住結(jié)論和公式。而想要達(dá)到靈活運(yùn)用結(jié)論和公式的能力，就要像在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課時(shí)一樣，進(jìn)行必要的練習(xí)，因此希望同學(xué)們要認(rèn)真地對(duì)待每一道習(xí)題。2、強(qiáng)的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)通信原理要站在通信系統(tǒng)的角度來分析和研究問題，因?yàn)樗煌陔娐贰⒛ｋ?、?shù)電，只是實(shí)現(xiàn)一個(gè)局部的功能，而往往是某一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的完整通信系統(tǒng)。這是它作為專業(yè)課的特點(diǎn)之一。因此希望大家認(rèn)真研讀第一章的內(nèi)容，這一章就像我們游覽時(shí)的總導(dǎo)游圖，告訴我們?cè)谝院蟾髡碌囊粭l條游覽線路。例如：模擬通信系統(tǒng)是第三章的模擬線路圖，包括“調(diào)制--信道---解調(diào)”三大塊景點(diǎn)，支線圖是AM線路、DSB線路、SSB線路、VSB線路、FM線路和PM線路。數(shù)字通信系統(tǒng)是又一條數(shù)字線路圖，支線是數(shù)字基帶通信系統(tǒng)（第四章）和數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)（第六章）。而第五章模擬信號(hào)的數(shù)字化，是模擬線路圖線路上的人要想游覽數(shù)字線路所架設(shè)的索道，有了這條索道就可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸。第五章的最佳接收、第八章的差錯(cuò)控制和第九章同步系統(tǒng)都是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它們就像故宮中的珍寶館，是精華和關(guān)鍵的所在。因此，我們學(xué)好第一章，就會(huì)一圖在手、心中有數(shù)。有數(shù)就是知道通過通信原理課的學(xué)習(xí)，我們將掌握哪些知識(shí)。我們每開始學(xué)習(xí)新的一章，就該拿出這張導(dǎo)游圖來，看看我們將游覽哪些景點(diǎn)，掌握哪些內(nèi)容，每學(xué)完一章，還應(yīng)該再拿出導(dǎo)游圖來，查查我們是否每個(gè)景點(diǎn)都游到了、學(xué)會(huì)了。如果說我們要把書從厚讀薄，那么這張總的導(dǎo)游圖就是這本書的全部。《通信原理》課大、內(nèi)容多。就每一章來說，能聽懂、會(huì)做題，但沒有課程的整體思路。這主要是沒有弄清總的導(dǎo)游圖，倉促上路，只是疲于奔命地跟著導(dǎo)游往前趕，走的什么線路，不知；下一個(gè)景點(diǎn)為何，不詳。游完一線下來，只記住了一些剛講過的內(nèi)容，對(duì)剛講過的內(nèi)容套公式，可以照貓畫虎地做題。但它與前后的關(guān)系并不清楚，當(dāng)題目改頭換面再出現(xiàn)時(shí)就不認(rèn)識(shí)了。剛才講的是大思路，而每一章還要弄清其局部思路。我們前面提到，通信原理是對(duì)通信系統(tǒng)的模塊級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的學(xué)習(xí)，因此抓住系統(tǒng)的模塊框圖就是抓住了系統(tǒng)的思路，依據(jù)具體模塊框圖可以數(shù)學(xué)地描述信號(hào)從發(fā)端信源、處理（常常是編碼或調(diào)制）、傳輸、逆處理（常常是解碼或解調(diào)）到信宿的全過程（這既包括時(shí)域的描述，也包括頻域的描述）；依據(jù)具體模塊框圖可以畫出信號(hào)在各點(diǎn)的波形和頻譜；依據(jù)具體模塊框圖還可以分析系統(tǒng)的性能（求解信噪比或誤碼率）。可以這么說，對(duì)于具體的通信系統(tǒng)來說，模塊框圖就是綱，綱舉才能目張，只要抓住了這個(gè)關(guān)鍵，再加上相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，其他的問題就會(huì)應(yīng)刃而解。強(qiáng)的物理性學(xué)習(xí)通信原理常常會(huì)感到，雖然公式記了不少，卻不知如何用；題目中已知條件給了不少，卻弄不清楚是什么意思。這實(shí)際上反映了通信原理課的另一大專業(yè)課的特點(diǎn)：通信系統(tǒng)中的原理和物理量都有明確的物理意義，在學(xué)習(xí)的過程中必須仔細(xì)體會(huì)、深刻理解，否則，就會(huì)出現(xiàn)剛才提到的問題。例如：在通信中具有前瞻和指導(dǎo)意義的香農(nóng)公式：C=Blog（1+S）=Blog（1+-^），你不能只停留在簡單地記住它，給一些現(xiàn)成2N 2 n0B的量代進(jìn)去計(jì)算一下。一個(gè)公式推導(dǎo)出來，要仔細(xì)地分析：在這個(gè)公式中有哪些物理量？他們的量綱為何（這往往就是它的物理意義所在）？他們反映了實(shí)際系統(tǒng)中的什么？這些量都是如何相互聯(lián)系、相互作用的？公式運(yùn)用的條件？公式能得出什么結(jié)論？如何應(yīng)用這個(gè)公式等等。對(duì)于搞工程的人來說，在學(xué)習(xí)中只做到代代公式解解題，是完全不夠的。我們的目的是解決問題，因此，面對(duì)每一道習(xí)題，就像面對(duì)一個(gè)需要具體解決的實(shí)際課題。在解題過程中，請(qǐng)把你把平時(shí)對(duì)各個(gè)公式的思考帶進(jìn)去，從中體會(huì)實(shí)際與公式中各個(gè)量得的關(guān)系和意義。在每一道題上分清不同的條件帶來的影響，分析由此帶來的不同結(jié)果，提出解決的步驟，感受計(jì)算數(shù)據(jù)量上的意義。只有經(jīng)過這樣不斷的思考，你的知識(shí)才會(huì)升華，才會(huì)變成你解決問題的秘訣。另外提供一個(gè)強(qiáng)化公式物理意義理解的一個(gè)小方法。每當(dāng)一個(gè)公式擺在你面前時(shí)，試著用最準(zhǔn)確、最完整、最科學(xué)的語言去描述它。因?yàn)橐粋€(gè)你都說不清楚的公式，要說你理解它了，誰能相信呢？下面來談?wù)劸唧w這門課程講了哪些內(nèi)容：

*巨”-件°i：仲M(fèi)單"匕軾*止k新-般通沽系統(tǒng)基本模型上面是我畫的認(rèn)為比較完整的通信系統(tǒng)的簡單流程圖，對(duì)此我作一翻解釋。獨(dú).彳卞日［早作￡*巨”-件°i：仲M(fèi)單"匕軾*止k新-般通沽系統(tǒng)基本模型上面是我畫的認(rèn)為比較完整的通信系統(tǒng)的簡單流程圖，對(duì)此我作一翻解釋。獨(dú).彳卞日［早作￡巳帶舊梯孔倍號(hào)f勺-I曠訕M筮宇調(diào)角，.軍或旬ii：JH里比".奇I坡充恢瓦甲正li-.:.1=-^白F:'.忙拈 一I時(shí)；.下= <=解珥寄< 存儲(chǔ)器V首先日常生活中的信號(hào)總是模擬的，我們把這些信號(hào)通過濾波等處理，得到帶限的信號(hào)，這里以基帶信號(hào)signal為例子，signal經(jīng)過采樣保持電路，我們就I'得到I'得到PAM信號(hào)，如圖1「R廣，這樣的信號(hào)就是離散信號(hào)了。離散信號(hào)經(jīng)過量化歸屬到各檔次的幅度中，比如我們有2V，4V，6V，8V四個(gè)檔次的歸類，并且規(guī)定1V?3V之間的PAM離散信號(hào)就歸類到2V的檔次中去，依次類推，通過比較給每個(gè)PAM信號(hào)進(jìn)行歸類，這就是量化。之后將量化了的信號(hào)進(jìn)行編碼，編碼是一種認(rèn)為規(guī)定的過程比如我們規(guī)定2V用00表示，4V用01表示，6V用10表示，而8V用11來表示，這樣就把階梯信號(hào)和二進(jìn)制信號(hào)有了一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，順著這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以得到剛才量化了的信號(hào)的二進(jìn)制代碼，這就是PCM編碼得到了可以在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)。以上從模擬到數(shù)字信號(hào)的一種轉(zhuǎn)變就是我們常說的A/D轉(zhuǎn)換。至于我們平時(shí)要求的轉(zhuǎn)換比特率的求法可以從它的轉(zhuǎn)換過程得出計(jì)算方法。一個(gè)PAM信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)檔次，而一個(gè)檔次對(duì)應(yīng)幾個(gè)比特的數(shù)字是在編碼中體現(xiàn)的，例子中就是個(gè)檔次對(duì)應(yīng)兩個(gè)比特，假設(shè)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是1對(duì)N個(gè)比特，對(duì)模擬信號(hào)的采樣率是F，也就是1秒鐘有F個(gè)PAM信號(hào)，這F個(gè)PAM信號(hào)就要被轉(zhuǎn)換成F*N個(gè)比特，所以比特率就是F*N了。對(duì)于完成轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，我們?nèi)绾翁幚砟?？有的是被放進(jìn)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了，有的是到CPU中進(jìn)行計(jì)算、加密等處理了。通常為了達(dá)到通信目的，我們就要將數(shù)字信號(hào)傳遞并且轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，畢竟在生活中模擬信號(hào)才是我們可以識(shí)別的。所以我們從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)字信號(hào)，這些信號(hào)是基帶信號(hào)，不容易傳輸，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)就可以轉(zhuǎn)換成高頻信號(hào)而被發(fā)送設(shè)備以各種形式比如微波，光信號(hào)傳播出去。發(fā)送這些高頻信號(hào)的速度關(guān)系到發(fā)送的比特率，注意與前面的轉(zhuǎn)換的比特率有所不同。假如整個(gè)發(fā)送端可以發(fā)送四中波形A、B、C、D，它們可以分別表示發(fā)送了00，01，10，11信號(hào)，那么我們就說發(fā)送一個(gè)符號(hào)(即波形)就是發(fā)送了兩個(gè)比特了。由此得到符號(hào)率與比特率的關(guān)系B=N*D。D是符號(hào)率baud/s，B是比特率bit/s，N表示一個(gè)符號(hào)與N個(gè)比特對(duì)應(yīng)。接收設(shè)備將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過解調(diào)器，就可以還原基帶信號(hào)，同樣可以將它們放進(jìn)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，這可以理解成網(wǎng)絡(luò)視頻在我們的電腦上的緩存。緩存中的信號(hào)通過解碼器，也就是與編碼器功能相反的器件將數(shù)字序列轉(zhuǎn)換成各種量化的臺(tái)階(檔次)信號(hào)。最后將臺(tái)階信號(hào)進(jìn)行填充恢復(fù)，我們就又可以原來的輸入的模擬波形了，由此我們完成一次通信。如果模擬信號(hào)不需要數(shù)字化，那么我們可以進(jìn)行模擬調(diào)制，同樣可以發(fā)送出去，這個(gè)過程要簡單很多。當(dāng)然，這里所講的只是我們學(xué)習(xí)中所涉及的一些概念，完整的通信系統(tǒng)還有更多要考慮的，這只是我覺得通信過程的關(guān)鍵的骨架問題。還有幾個(gè)概念是對(duì)它們的理解和總結(jié)，希望可以和大家分享：二進(jìn)制比特率與信息量中的比特率因?yàn)槲覀兗俣ǘM(jìn)制信號(hào)是等概率發(fā)生的，也就是P=0.5，而信息量的定義是這樣的I=-log2(p)bit，通過此式，我們可以計(jì)算發(fā)送的一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)的信息量I=-log2(0.5)bit=1bit，所以我們通常說一個(gè)0或者1就是一個(gè)比特了。方波的帶寬問題由上圖我們可以注意到，一個(gè)持續(xù)時(shí)間為T的方波，它的頻譜是一個(gè)SINC函數(shù)，零點(diǎn)帶寬是1/T，即時(shí)間的倒數(shù)。當(dāng)然，方波的帶寬是無限大的，因此這樣的波形在現(xiàn)實(shí)中是很難實(shí)現(xiàn)的，我們只能給方波提供一定的帶寬，就是說得到的肯定只能是經(jīng)過了過濾的波形。在這里我們可以聯(lián)系到吉布斯現(xiàn)象。我們可以這樣理解：頻率越大，就說明變化越快，而方波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處就是一個(gè)極快的變化也就是有頻帶的高頻部分構(gòu)成，而經(jīng)過帶限的濾波之后，高頻被濾去，得到的波形在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處就變慢下來，于是在需要變化快的地方（如方波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)）變化慢，由此產(chǎn)生吉布斯現(xiàn)象。升余弦滾降濾波器我們知道升余弦滾降濾波器是防止碼間串?dāng)_而設(shè)計(jì)的。碼間串?dāng)_是指各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)送的符號(hào)并非準(zhǔn)確的方波，而是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)仍有余波，于是對(duì)下一個(gè)時(shí)刻發(fā)送的符號(hào)產(chǎn)生影響，最后可能因?yàn)橛绊懙寞B加效果而使后果嚴(yán)重，得到相反的采樣結(jié)果。注意我們這里講的碼間串?dāng)_都是發(fā)生在基帶頻率上的。因此升余弦滾降濾波器也是在基帶上的應(yīng)用。下圖是升余弦滾降濾波器的原理圖，上半部分是濾波器的頻譜相應(yīng)圖，下半部分是濾波結(jié)果在時(shí)間域上的波形圖。我們可以這樣思考，發(fā)送的基帶波形是在一定的帶限內(nèi)的，假如說要求發(fā)送的符號(hào)率是D，那么圖下半部分中可知1/2f0=1/D，所以f0=1/（2*D），或者說D=2*f0。由下半圖我們可以看出我們發(fā)送的符號(hào)的頻率是2*f0，這串符號(hào)在頻譜上的表示（上半圖）是個(gè)帶寬為f0的信號(hào)，這個(gè)就是采樣定理中說的當(dāng)波形用SINC函數(shù)來表示時(shí)，符號(hào)率是該波形的帶寬的兩倍，也就是升余弦滾降濾波器在r=0的時(shí)候的特性。當(dāng)然，我們這里表示的只是發(fā)送一個(gè)符號(hào)的波形的帶寬，但是我們可以這樣想象，一個(gè)系統(tǒng)在任何時(shí)候發(fā)送符號(hào)是使用的帶寬f0都是固定的，在1時(shí)間段內(nèi)發(fā)送的波形的帶寬在f0以內(nèi)，那么我們完全有理由相信在2時(shí)間段內(nèi)發(fā)送的波形的帶寬必然在f0以內(nèi)，所以這樣可以理解多個(gè)符號(hào)組成的波形的帶寬是在f0以內(nèi)的。從下半圖我們可以看到，隨著r的增加，符號(hào)波形在一個(gè)周期段以外的衰減就會(huì)加快，這里我們就可以看到它對(duì)碼間串?dāng)_的影響會(huì)減小，這個(gè)就是升余弦滾降濾波器的作用，但是我們必須清楚的看到，符號(hào)頻率是不變的2*f0，而系統(tǒng)的絕對(duì)帶寬在增加。根據(jù)升余弦滾降濾波器的定義我們得到這樣一個(gè)關(guān)系D=2*f0/（1+r）。從以上的分析過程我們可以認(rèn)為1/2*f0就是發(fā)送的數(shù)字信號(hào)的周期，也就是對(duì)于同樣周期的信號(hào)我們需要不同的帶寬，這個(gè)帶寬就是發(fā)送的數(shù)字信號(hào)