通信原理全面系統(tǒng)介紹現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本原理、基本性能和基本分析方法.通信原理內(nèi)容共９章,包括緒論、信號與噪聲分析、模擬調(diào)制系統(tǒng)、信源編碼、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)、數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)、信道編碼、數(shù)字信號的最佳接收、通信網(wǎng)概論。
通信原理內(nèi)容全面、條理分明,敘述與證明簡潔;注重將通信仿真分析和設(shè)計(jì)工具與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合,聯(lián)系工程實(shí)踐;結(jié)合大量實(shí)例進(jìn)行說明,力求具有系統(tǒng)性、知識性、擴(kuò)展性和前瞻性。
通信原理可作為高等院校通信工程、電子信息工程、信息工程、廣播電視工程、電子科學(xué)與技術(shù)、微電子、光信息科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的高年級本科生教材,也可以供相關(guān)領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員參考。
前言
第1章 緒論
1.1 通信的基本概念
1.2 通信系統(tǒng)概述
1.2.1 通信系統(tǒng)的組成
1.2.2 通信系統(tǒng)的分類和通信方式
1.2.3 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)
1.2.4 通信系統(tǒng)中的噪聲
1.3 通信信道
1.3.1 有線信道
1.3.2 無線信道
1.3.3 信道容量
1.4 通信網(wǎng)概述
1.4.1 通信網(wǎng)的概念
1.4.2 通信網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)
1.4.3 通信網(wǎng)的質(zhì)量要求
1.5 通信發(fā)展概況
1.5.1 通信理論的發(fā)展
1.5.2 通信技術(shù)的發(fā)展
1.6 香農(nóng)信道容量定理的仿真設(shè)計(jì)
1.7 小結(jié)
思考題
習(xí)題
第2章 信號與噪聲分析
2.1 引言
2.2 確知信號分析
2.2.1 信號的傅里葉變換
2.2.2 卷積與相關(guān)函數(shù)
2.2.3 信號的能量譜密度與功率譜密度
2.2.4 自相關(guān)函數(shù)與能量譜密度和功率譜密度函數(shù)的關(guān)系
2.3 隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特征
2.3.1 隨機(jī)變量
2.3.2 概率分布函數(shù)和概率密度函數(shù)
2.3.3 通信系統(tǒng)中幾種典型的隨機(jī)變量
2.3.4 隨機(jī)變量的數(shù)字特征
2.4 隨機(jī)過程
2.4.1 隨機(jī)過程的概念
2.4.2 隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特征
2.4.3 平穩(wěn)隨機(jī)過程
2.4.4 各態(tài)歷經(jīng)性
2.4.5 平穩(wěn)隨機(jī)過程的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度
2.4.6 關(guān)于不相關(guān)、正交和統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的討論
2.5 高斯隨機(jī)過程
2.5.1 高斯過程的定義
2.5.2 高斯過程的性質(zhì)
2.5.3 一維高斯分布
2.5.4 高斯白噪聲
2.5.5 窄帶高斯噪聲
2.5.6 正弦波加窄帶高斯噪聲
2.6 隨機(jī)過程通過系統(tǒng)的分析
2.6.1 隨機(jī)過程通過線性系統(tǒng)
2.6.2 隨機(jī)過程通過乘法器
2.7 周期平穩(wěn)隨機(jī)過程
2.8 高斯白噪聲特性的仿真設(shè)計(jì)
2.9 小結(jié)
思考題
習(xí)題
第3章 模擬調(diào)制系統(tǒng)
3.1 引言
3.1.1 調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用
3.1.2 調(diào)制的分類
3.2 線性調(diào)制的原理
3.2.1 幅度調(diào)制
3.2.2 雙邊帶調(diào)制
3.2.3 單邊帶調(diào)制
3.2.4 殘留邊帶調(diào)制
3.2.5 線性調(diào)制系統(tǒng)的解調(diào)
3.3 非線性調(diào)制的原理
3.3.1 非線性調(diào)制的基本概念
3.3.2 調(diào)頻信號的頻譜和帶寬
3.3.3 調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)
3.4 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析
3.4.1 抗噪聲性能的分析模型
……
第4章 信源編碼
第5章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)
第6章 數(shù)字信號的載波傳輸
第7章 信道編碼
第8章 數(shù)字信號的最佳接收
第9章 通信網(wǎng)概論
參考文獻(xiàn)
附錄
習(xí)題參考答案
第１章 緒 論
２１世紀(jì)是通信信息時(shí)代 ,現(xiàn)代生活的每個(gè)方面都依賴通信 .例如 ,用信用卡購物 ,商店的出納員在一個(gè)小機(jī)器上劃卡 ,幾秒鐘后 ,不管信用卡是哪個(gè)銀行發(fā)行的 ,或是那個(gè)銀行的總部在什么地方 ,也不管這次交易是在什么地方進(jìn)行的 ,支付會(huì)得到核實(shí) ,信用卡賬戶自動(dòng)進(jìn)行了付款 .今天 ,在這個(gè)文明世界的絕大多數(shù)地方 ,都可以使用幾種主要的信用卡 .即使是在最偏僻鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小零售店中 ,也可以發(fā)現(xiàn)信用卡機(jī)的身影 .它們通過強(qiáng)大的、快速的、安全的通信信息與卡的發(fā)行銀行相連 .可見 ,通信對現(xiàn)代社會(huì)的重要性是不言而喻的 .
本章主要介紹通信的基本概念、通信傳輸系統(tǒng)模型和通信傳輸網(wǎng)等基礎(chǔ)知識 .
１.１ 通信的基本概念
１.基本概念
人們常將信息的傳遞和交換 ,俗稱通信 ,包括異地間人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器進(jìn)行信息的傳遞和交換 .通信的目的是獲取信息 .信息是人類社會(huì)和自然界中需要傳遞、交換、存儲(chǔ)和提取的抽象內(nèi)容 .例如 ,打一次電話 ,甲告訴乙所不知道的消息 ,則甲發(fā)出了信息 ;而乙在電話中得知了原來不知道的消息 ,則乙得到了信息 .由于信息是抽象的內(nèi)容 ,為了傳送和交換信息 ,必須通過語言、文字、圖像和數(shù)據(jù)等將它表示出來 ,即信息通過消息來表示 .
用文字、符號、數(shù)據(jù)、語言、音符、圖片、圖像等能夠被人的感覺器官所感知的形式 ,把客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和主觀思維活動(dòng)的狀態(tài)表達(dá)出來就成為消息 .消息中包含信息 ,是信息的載體 .得到消息 ,從而獲得信息 .同一個(gè)信息可用不同的消息形式來載荷 .例如 ,球賽進(jìn)展情況可用電視圖像、廣播語言和報(bào)紙文字等不同消息來表述 .而一個(gè)消息也可載荷不同的信息 ,它可能包含非常豐富的信息 ,也可能只包含很少的信息 .因此 ,信息與消息是既有區(qū)別又有聯(lián)系的 .
在各種實(shí)際通信系統(tǒng)中 ,往往為了克服時(shí)間或空間的限制而進(jìn)行通信 ,必須對消息進(jìn)行加工處理 .把消息變換成適合信道傳輸?shù)奈锢砹?,這種物理量稱為信號 ,如電信號、光信號、聲信號、生物信號等 .信號攜帶著消息 ,它是消息的運(yùn)載工具 .信號攜帶信息 ,但不是信息本身 .同樣 ,同一信息可用不同的信號來表示 .同一信號也可表示不同的信息 .信息、消息和信號是既有區(qū)別又有聯(lián)系的３個(gè)不同的概念 .
總之 ,通信中消息的傳送是通過信號來進(jìn)行的 ,如電壓、電流信號等 .信號是消息的載荷者.在各種各樣的通信方式中 ,利用 “電信號 ”來承載信息的通信方式稱為電通信 ,這種通信具有迅速、準(zhǔn)確、可靠等特點(diǎn) ,而且?guī)缀醪皇軙r(shí)間、空間、地點(diǎn)和距離的限制 ,因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 .如今 ,在自然科學(xué)中 ,“通信 ”與“電通信 ”幾乎是同義詞 .在本書中 ,通信均指電通信 .
２.信號的分類和描述
１)信號的分類
信號的分類方法有很多 ,可以從不同的角度對信號進(jìn)行分類 .例如 ,信號可以分為確知信
號與隨機(jī)信號、周期信號與非周期信號、功率信號與能量信號、模擬信號與數(shù)字信號等 .下面
簡要介紹這些信號的概念 .
(１)確知信號與隨機(jī)信號 .確知信號是指能夠以確定的時(shí)間函數(shù)表示的信號 ,它在定義域內(nèi)任意時(shí)刻都有確定的函數(shù)值 .例如 ,電路中的正弦信號和各種形狀的周期信號等 .
在事件發(fā)生之前無法預(yù)知信號的取值 ,即寫不出明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式 ,通常只知道它取某一數(shù)值的概率 ,這種具有隨機(jī)性的信號稱為隨機(jī)信號 .例如 ,半導(dǎo)體載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲和從目標(biāo)反射回來的雷達(dá)信號 (其出現(xiàn)的時(shí)間與強(qiáng)度是隨機(jī)的 )等都是隨機(jī)信號 .所有的實(shí)際信號在一定程度上都是隨機(jī)信號 .
(２)周期信號與非周期信號 .周期信號是每隔一個(gè)固定的時(shí)間間隔重復(fù)變化的信號 .周期信號 f(t)滿足下列條件 :式中 ,T為f(t)的周期 ,是滿足式(
１-１-１)的最小時(shí)段 .
非周期信號是不具有重復(fù)性的信號 .
(３)功率信號與能量信號 .如果一個(gè)信號在整個(gè)時(shí)間域 (－∞ ,＋∞ )內(nèi)都存在 ,因此它具有無限大的能量 ,但其平均功率是有限的 ,稱這種信號為功率信號 .設(shè)信號 f(t)為時(shí)間的實(shí)函數(shù) ,通常把信號 f(看成隨時(shí)間變化的電壓或電流 ,則當(dāng)信號 t)f(t)通過１Ω電阻時(shí) ,其瞬時(shí)功率為,而平均功率定義為
一般地 ,平均功率 (在整個(gè)時(shí)間軸上平均 )等于０,但能量有限的信號稱為能量信號 .設(shè)能量信號 f(t)為時(shí)間的實(shí)函數(shù) ,t)簡稱能量 )定義
通常把能量信號 f(的歸一化能量 (為由電壓 f(t)加于單位電阻上所消耗的能量 ,即
(４)模擬信號與數(shù)字信號 .按照信號參量的取值方式及其與消息之間的關(guān)系 ,可將信號劃分為兩類 ,即模擬信號與數(shù)字信號 .模擬信號是指代表消息的信號參量 (幅度、頻率或相位 )隨消息連續(xù)變化的信號 .若代表消息的信號參量是幅度 ,則模擬信號的幅度應(yīng)隨消息連續(xù)變化 ,即幅度取值有無限多個(gè) .但在時(shí)間上可以連續(xù) ,也可以離散 .圖１-１所示為時(shí)間連續(xù)和時(shí)間離散的模擬信號 .數(shù)字信號是指它不僅在時(shí)間上離散 ,而且在幅度取值上也離散的信號 .圖１-２所示的二進(jìn)制數(shù)字信號就是以 “１”和“０ 兩”種狀態(tài)的不同組合來表示不
同的消息 .
模擬信號和數(shù)字信號可以通過一定的方法實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換 ,如語音編碼器可以將模擬語音
信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字語音 ,語音譯碼器可以將數(shù)字語音轉(zhuǎn)化為模擬語音 .通常使用的 A/D和D/A
轉(zhuǎn)換器就是實(shí)現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換 .
２)信號的特性
信號的特性表現(xiàn)為它的時(shí)間特性和頻率特性 .
確知信號和隨機(jī)信號都可用它們的時(shí)域特性和頻域特性來表示 .時(shí)域特性表示信號電壓或電流隨時(shí)間的變化關(guān)系 .頻域特性指任意信號總可以表示為許多不同頻率正弦信號的線性ω)
組合 ,這些正弦信號所包含的頻率范圍 ,稱為該信號的頻譜 ,通常用函數(shù) F(表示時(shí)域信號 f(t)t)ω)
的頻譜 .稱信號 f(的絕對帶寬為頻譜 F(的帶寬 ,單位為赫茲 (Hz).
例１-１-１ 設(shè)有一個(gè)信號為
式中 ,２π １.信號 f(的信號特征如圖１圖１為信號 f(的時(shí)域圖 ,
為f(對應(yīng)的頻譜圖 ,圖１-３(b)中,每一條譜線代表一個(gè)正弦分量 ,譜線的高度代表這一正弦分量的振幅 ,譜線的位置代表這一正弦分量的角頻率 .可見 ,信號的頻率特性和時(shí)間特性都包含了信號攜帶的信息量 ,也能表示出信號的特點(diǎn) ,
圖１-３(b)其頻譜從 f１(Hz)延續(xù)到３f１(Hz),其帶寬為２f１(Hz).
所以信號的頻率特性和時(shí)間特性之間必然有密切的聯(lián)系 .根據(jù)傅里葉變換的原理 ,任何一個(gè)周期為 T的周期信號 f(t),只要滿足狄利克雷條件 ,
則可展開為傅里葉級數(shù)
式中 ,ω０＝２π /T為基波角頻率 .
f(t)的均值 (為
直流分量 )
f(t)的第 n次余弦波的振幅為
f(t)的第 n次正弦波的振幅為
并且 ,由圖１-３(b)可知 ,周期信號的頻譜是離散譜 .例１-１-t)-４(a)
２ 已知 f(為如圖１所示的方波周期信號 ,試分析其信號特性 .
解 f(按式 (--用傅里葉級數(shù)對其展開后為
基波３次諧波５次諧波７次諧波 可作出 f(的頻譜示意圖如圖１５所示 ,可見周期信號的頻譜是離散譜 .圖１-b)t)t)圖１４(-為３次諧波、-d)-４(圖１４(為７次諧
４(為f(的基波、-c)圖１４(為５次諧波、-e)波等 .把這些諧波相加 ,又可以反過來合成為方波 .例如 ,圖１f)是基波與３次諧波和５次諧波合成的結(jié)果 ,圖１-４(g)是基波和３次諧波 直到９次諧波合成的結(jié)果 ,圖１-４(h)是基波和３次諧波 .直到２７次諧波合成的結(jié)果 .可見 ,含有的高次諧波次數(shù)越多 ,合成后的波形越逼近原來的方波 .
對于非周期信號 ,不能用傅里葉級數(shù)直接表示 ,但非周期信號可看成 T→∞的周期信號 .
這樣 ,周期信號的頻譜分析可以推廣到非周期信號 ,但由于 T→∞,必有 ω０＝２π →０ ,離散的譜線變成了無限密集的連續(xù)頻譜 .所以對于非周期信號 ,其頻譜將是連續(xù)的頻譜 ,則傅里葉級數(shù)就變成了傅里葉積分 ,可表示為
其中和式 (--分別稱為傅里葉反變換和傅里葉正變換 ,t)換對 ,表示為 式(１-１-９)和式（１-１-１０ )兩式稱為 傅里葉變
由傅里葉變換可以得到信號時(shí)域和頻域之間的一些重要特性.熟悉這些特性對后面理解信號的性質(zhì)是非常有益的.圖１-６反映了通信系統(tǒng)中
幾種典型信號的時(shí)域和頻域之間的關(guān)系 .圖１-５ 周期方波的頻譜示意圖
由圖１-６可見 :①連續(xù)非周期的時(shí)間函數(shù)對應(yīng)的頻譜也是連續(xù)非周期函數(shù) ;②離散非周期序列對應(yīng)的頻譜是周期性的連續(xù)函數(shù) ;③連續(xù)周期函數(shù)對應(yīng)的頻譜是非周期的離散序列函數(shù) .
３.信息的度量
通信的目的在于信息的傳遞和交換 .信息一詞在概念上與消息的意義相似 ,但它的含義卻更普遍化、抽象化 .信息可被理解為消息中包含的有意義的特定內(nèi)容 .這就是說 ,不同形式 . .
的消息 ,可以包含相同的信息 .例如 ,分別用語音和文字發(fā)送天氣預(yù)報(bào) ,所含的信息內(nèi)容相同 .
人們在通信中獲得消息之前 ,對它的特定內(nèi)容有一種 “不確定性 ”,而一個(gè)消息之所以會(huì)含有信息 ,也正是因?yàn)樗哂胁淮_定性 .一個(gè)不具有不確定性的消息是不含有任何信息的 ,而通信的目的就是消除或部分消除這種不確定性 .例如 ,在得知硬幣的拋擲結(jié)果前 ,對于結(jié)果會(huì)出現(xiàn)正面還是反面是不確定的 ,通過通信 ,可以得知硬幣的拋擲結(jié)果 ,消除了不確定性 ,從而獲得了信息 .因此 ,信息是對事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述 .
用數(shù)學(xué)語言來講 ,不確定性就是隨機(jī)性 ,具有不確定性的事件就是隨機(jī)事件 .因此 ,可運(yùn)用研究隨機(jī)事件的數(shù)學(xué)工具 ———概率來測度不確定性的大小 .將消息用隨機(jī)事件表示 ,而發(fā)出這些消息的信源則用隨機(jī)變量來表示 .例如 ,拋擲一枚硬幣的實(shí)驗(yàn)可以用一個(gè)隨機(jī)變量來表示 ,而拋擲結(jié)果可以是正面或反面 ,這個(gè)具體的消息則用隨機(jī)事件表示 .
把某個(gè)消息 出現(xiàn)的不確定性的大小定義為該消息 x所攜帶的信息量 ,x表示 .在信息論中 ，與消息的關(guān)系式為出現(xiàn)的概率式中 ,代表兩種含義 :①當(dāng)事件 x發(fā)生以前 ,表示事件 x發(fā)生的不確定性 ;②當(dāng)事件發(fā)生以后 ,表x示事件 x所含有 (或所提供 )的信息量 .
信息量的單位由對數(shù)底 a的取值決定 .若對數(shù)以２為底 ,則單位是 “比特 ”(bit— binaryunit的縮寫 );若以 e為底 ,則單位是 “奈特 ”(nat—natureunit的縮寫 );若以１０為底 ,則單位是“哈特 ”(Hart— Hartley的縮寫 ).通常采用 “比特 ”作為信息量的實(shí)用單位 .
擲兩粒骰子 ,當(dāng)其向上面的小圓點(diǎn)數(shù)之和是３時(shí),該消息所包含的信息量是多少?當(dāng)小圓點(diǎn)數(shù)之和是７時(shí),該消息所包含的信息量是多少 ?解：(１)兩粒骰子向上面的小圓點(diǎn)數(shù)之和為３的有 (１,２)和(２,１)兩種可能 ,總的組合數(shù) .
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