【第1章】通信电路与系统课件

本课程主要参考书
• 高频电子线路，张肃文/主编；高等教育出版社
• 通信电路原理(第二版)，董在望、雷有华、陈雅琴；高等教育出版社 • 电子线路 非线性部分（第四版），谢嘉奎 ；高等教育出版社 • 电子线路（第四版）教学指导书，汪胜宁，高等教育出版社 • 非线性电子线路，倪福卿 董荔真 罗伟雄；高等教育出版社 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
调制器2
. . .
f2
Σ
调制 功放
fC
调制器n fn
带通滤波 f1
高频 解调
载波振荡
解调1 解调2
S1
S2
带通滤波 f1
. . .
带通滤波 f1
解调n
Sn
1.3.3 数字信号传输
• 自然界多数信息量为模拟量，可用模拟通信系统传输，但 数字通信传输质量更高，数字传输的优点： 1．抗干扰能力强 2．可加入纠错编码，保证传输质量 3．中继通信可以作到不累积噪声 4．利于保密通信 • 数字通信优点是以付出频率资源和设备成本代价换取的。 • 模拟信号的数字化传输首先要涉及两个基本问题： 1．模拟信号的数字化处理： 处理包括取样、量化、编码三步骤。 2．数字调制技术： 当载波为正弦波（也叫连续波）时，它有幅度、频率 和相位三个参量，分别用数字信号对其调制就构成ASK、 FSK、PSK三种最基本的数字调制方式。
2. 人类电通信交流历史的回顾
年代
1831年
发明创造事件
美国人Joseph Henry发明有线电报。
1835年
1843年
美国人Samuel Morse发明莫尔斯码。
美国人Samuel Morse发明第一条远距离有线电报线路。
1876年
1889年
美籍苏格兰人Alexander Graham Bell取得电话发明专利。
H ( ) k0 ( ) d 0
• 通带内幅频特性不平坦产生“振幅频率失真” • 相频特性不理想产生“相位频率失真”。 • 对于线性传输网络用“群时延”指标衡量，即
S5
t
频分复用FDM
时分复用TDM
• FDM方式多用于 模拟通信系统， 例如模拟制式的 S1 广播、电视系统， 数字通信系统也 S2 可以采用FDM方 式； Sn • TDM在模拟通信 系统中几乎不能 采用，多用于数 字通信系统，如 长途有线数字电 话等。
无线模拟n路FDM发射接收系统
调制器1 f1
Βιβλιοθήκη Baidu
(bit)
哈特莱：10 奈特：e 比特：2
H ( x) P( x1 )[ log 2 P( x1 )] ... P( xn )[ log 2 P( xn )] P( xi )[log 2 P( xi )]
i 1 n
bit/符号
• 由于平均信息量的计算公式与热力学和统计力学中关于系 统熵的公式一样，故将H(x)称为信源平均信息量，即信源 熵(entropy)。 • [例1-1] 离散信源为五种符号的集合，求H(x)
• 对于具有n个离散消息的信源X，可用一个（先验） 概率场表示： ..
x2 x1 P( x1 ) P( x2 ) xn P( xn )
P( x ) 1
i 1 i
n
其中：第i个消息（符号）的信息量定义为
1 I i log 2 log 2 P( xi ) P( xi ) 该信源输出的信息量的统计平均值为
微波固态电路
本课程内容特点及要点
• 注意本课程与前序专业基础课与平行及后序专业 课的联系与区别； • 既是电路类课程也是系统原理性课程，需建立牢 固的电路物理概念及一定的系统概念； • 需牢固建立非线性电路的基本物理概念，需掌握 非线性电路的工程近似分析法； • 是一门实践性很强的专业基础课，不能仅作为理 论课来学习，仿真与实验对课程的理解具有重要 意义。
脉冲编码调制（PCM）技术出现。
美国人John Bardeen等发明晶体管。Shannon发表著名的香农公式。
年代
1958年 1966年 1969年 1972年 1979年 1985年
发明创造事件
Chester Carlson发明复印机。美国人Jack Kilby发明集成电路芯片。第 一颗通信卫星发射升空。 美国施乐公司发明传真机。 美国国防部高级研究计划局建设了ARPA计算机网，成为现代互联网的 开端。 电缆电视出现。 首个便携手持电话通信网在日本建成启动。 车载移动电话普及。
载波
数字基带信号 ASK
PSK
FSK
1.5 信息及其度量
• 信息的概念：信息与消息既有联系也有区别，消息是以某 种信号形式表现的具体的内容；信息则是抽象的、本质的 内容，信息可以理解为消息中有意义的内容，即消息的不 确定性。任何确知的事件不会给接收者带来任何信息。 • 作为信息具体内容形式的消息，它的内容应该是随机的 （事先无法预知的），只有完成了传输接收过程，才能成 为确定事件。 • 按消息来源（称为信源）随时间改变的规律分，可分为离 散信源和连续信源。由于消息具有随机性，不同内容的消 息都有一定的出现概率，即信源输出呈现一定的概率分布。
1994年
1995年
2000年～
欧洲WCDMA、美国CDMA2000及中国TD-SCDMA（时分同步码分多 址）的3G移动通信协议被国际电信联盟(ITU)批准确认。
1.4 通信方式和主要传输方式 1.4.1 通信方式（单工、半双工、全双工通信方式）
单工
发端
信道
收端
发端
发端 信道 收端
半双工
收端
发端
S b (t )
通信系统
• •
干扰 噪声
输入变换：将各种非电物理量信息转换为电信息，输出变换是其反变换； 发射设备：主要包括载波振荡器、调制器、功率放大器；将基带信号变换成适 合信道的传输特性的信号。 • 信 道：传输电信号的媒介（有线或无线）。 • 干扰噪声：包括信道引入干扰和系统内部产生的噪声、失真等，视为加性； • 接收设备：主要包括接收选频放大、混频放大、解调等。 对接收设备的要求： 由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种 失真。
一、调制信道（视为模拟信道）
• 调制信道可以看成迭加了噪声源的线性时变或者线性时不 变系统，即变参（随参）信道H(ω,t )和恒参信道H(ω)
ui(t)
H(ω,t) 或 H(ω)
Σ
n(t)
uo(t)
• 调制信道的传输函数为： j ( ,t ) 变参信道： H ( , t ) H ( , t ) e 恒参信道： H ( ) H ( ) e j ( ) • 变参信道输入/输出的传输关系很复杂，为了便于数学分 析，一般将输入/输出关系在时域上表示为：
B C D E A X 1/ 4 1/ 8 1/ 8 3 /16 5 /16 1 1 1 3 16 5 16 H ( x) log 2 4 log 2 8 log 2 8 log 2 log 2 4 8 8 16 3 16 5 2.227 (bit / 符号) 什么条件下信 源熵为最大？
2．卫星通信
3．移动通信（移动电台、移动电话）
4. 无线电波频段的划分
通信系统基本组成
S (t )
S R (t )
输入 变换
基带信号
S R (t ) kS R (t ) N (t )
已调信号
N(t)

Sb (t )
发射 信 设备 已调信号 道
接收 设备
基带信号

输出 变换
S (t )

So (t ) k (t ) Si (t ) n(t )
• 短波电离层反射信道
（多径传播的波程差造成 接收信号的衰落fading）
天波 L1 L2 L3
电离层
Short Wave 接收 发射
衡量调制信道性能的是 信道输出信噪比
1.6.3 信道传输特性对信号的影响 一、恒参信道的影响
• 理想恒参信道的频率响应（相当于全通网络）：
• 现代通信原理，曹志刚/主编；清华大学出版社 • 通信原理（第五版），樊昌信；国防工业出版社
作业与考试
• 作业：每章课后习题，平时抽查，期末上交。 • 考试：期末闭卷，试卷成绩即为总评成绩。
第一章 通信概论
1.1 概述
1. 什么是通信？通信在人类社会发展中的作用？ • 这里通信是指电通信（telecommunication），就 是以电信号代表信息，从发送端向异地接收端传 输信息的过程。 从摩尔斯电报到今天的因特网和 移动通信网，通信技术极大地改变人类社会生活。
1990年
欧洲电信标准协会发布研究了八年的GSM（Global System for Mobile） 标准，次年开始投入商业服务，具有相对模拟移动通信网3～4倍以上的 通信容量，极大地推动了全球手机业务。 世界范围内的Internet启动。
QUALCOMM公司建成第一个码分多址（CDMA）网络投入商业运营， 具有相对模拟移动通信网10倍以上的通信容量，成为不同于GSM的另一 种移动通信标准。
通信电路与系统
陈 宁 4#438 TEL:68911745
电子信息专业系列专业基础课
• 电路分析基础（电分，集中参数理想化电路） • 模拟电路（模电，晶体管线性放大电路） • 数字电路与系统（数电，开关状态电路）
（最后一门电路类专业基础课）
通信电路与系统
高频（非线性）电子线路 通信原理
微波工程导论
1.3.2 模拟信号传输 一、调制的必要性 调制就是用基带信号改变高频信号的某一参量（幅 度、频率、相位），使其含有基带信号变化规律。 调制不是目的而是手段，是信息传输的需要，必要 性为：
1．无线传输易于辐射
• 无线电波波长与天线振子尺寸相比拟时（通常至 少为十分之一）才能开始有效辐射，话音信号 300-3000Hz，波长为100~1000km，振子不可能做 成10-100km大小。
信道1
信道2
收端 发端
全双工
收端
1.4.2 主要通信方式 一、有线通信
1．明线、同轴电缆电话（金属信道媒介）
明线或同轴电缆
局交换机
局交换机
公共电话网
2．光纤通信 以光导纤维为信道媒介，经“电/光”和“光/电”两次转 换，丰富的带宽资源利于多媒体信息传输，抗干扰能力 强。
二、无线通信
1．微波无线中继通信（干线通信、山区通信）
第一次实现跨越欧洲大陆的电话通话。
1916年
1925年
第一台频率复用调谐收音机出现。
英国人John Logie Baird首次发送电视信号。
1927年
1930年
美国国家广播公司建设了2套无线电广播网络。英国第一次播出电视节目。
进入无线电广播的黄金时代，美国播出电视，出现有声电影。
1937年
1948年
2．便于实现多路传输
• 通过调制，可将不同的基带信号信息搬移到不同 载波上，即所谓的FDM体制，这需要调制环节。
二、模拟调制的分类 • 按照载波的不同可分成：正弦（连续）波调制和 脉冲波调制方式。
三、频分复用FDM与时分复用TDM
f
S1 S2 S3 S4
t
f 保护时间
保护带
限制频带
S1
S2
S3
S4
• 一个连续消息源X（ x ），其平均信息量为
H ( x) P( x) log2 P( x)dx

1.6 信道 1.6.1 信道定义
• 信道定义：传输信息的媒介，这是一种狭义信道的定义。 为了理论分析方便起见，常把信道含义范围扩大，构成一 种广义信道，它包括调制信道和编码信道。
美国人Almon Strowger取得自动电话交换机专利。
1894年
1902年
意大利籍英国人Guglielmo Marconi发明改进无线电报。
意大利籍英国人Guglielmo Marconi发送跨越大西洋的无线电信号。
1906年
1914年
美国人Lee Deforest发明电真空三极管，大大改进了通信设备性能。
• 调制信道与编码信道模型的定义
编 码 器
调 制 器
发送 转换器
传输 媒介
接收 转换器
解 调 器
译 码 器
调制信道 编码信道
1.6.2 信道模型
• 调制信道的输入、输出则为已调频带信号，这种信道模型 主要用于调制器与解调器的性能研究。 • 编码信道的输入、输出都是数字基带信号，这种信道主要 用于信道编码/译码性能研究。
1. 3 模拟和数字通信系统
1.3.1 模拟信号和数字信号 • 信道中传输的电信号可是模拟信号，也可以是数 字信号。 • 模拟信号是连续变化信息，它的信息状态随时间 连续变化； • 数字信号是离散变化信息，它的信息状态随时间 是可数的，即只在离散时刻只有有限个离散取值。 • 模-数转换（ADC）可将模拟信号>>数字信号 • 数-模转换（DAC）可将数字信号>>模拟信号