第十三讲 通信原理

1、第十二篇第十二篇 通信原理通信原理二、课程内容概要二、课程内容概要v课程的性质、目的和任务课程的性质、目的和任务v与其他课程的联系与其他课程的联系v课程特点课程特点一、课程介绍一、课程介绍v通信起源及研究的问题通信起源及研究的问题v通信系统的组成通信系统的组成v模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系统v数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标v数字基带传输系统和频带传输系统数字基带传输系统和频带传输系统v模拟调制与数字调制模拟调制与数字调制v模拟信号的数字化传输（抽样、量化、编码）模拟信号的数字化传输（抽样、量化、编码）一、课程介绍一、课程介绍 通信原理课程是为通信工程

2、及电子信息工程专业本科通信原理课程是为通信工程及电子信息工程专业本科生开设的一门非常重要的专业课。本课程的目标是为通信、生开设的一门非常重要的专业课。本课程的目标是为通信、信息、电子类专业的学生建立现代通信技术所必要的基本信息、电子类专业的学生建立现代通信技术所必要的基本知识、基本理论、分析能力和思维方式，培养学生的创新知识、基本理论、分析能力和思维方式，培养学生的创新能力和研究能力，使学生掌握各种通信系统的基本原理、能力和研究能力，使学生掌握各种通信系统的基本原理、概念及对各种通信系统基本性能的分析方法，概念及对各种通信系统基本性能的分析方法， 为将来从为将来从事其特定的专业工作奠定扎实的基

3、础。事其特定的专业工作奠定扎实的基础。 通信原理运用了高等数学等专业数学知识，以及信通信原理运用了高等数学等专业数学知识，以及信号与线性系统分析方法，进一步为学生在确知和随机信号与线性系统分析方法，进一步为学生在确知和随机信号分析方面打下坚实的数理基础。通过实验进一步要求号分析方面打下坚实的数理基础。通过实验进一步要求学生掌握模拟和数字通信系统的基本知识、分析方法和学生掌握模拟和数字通信系统的基本知识、分析方法和噪声性能。通过实验能培养学生的动手能力和创新能力，噪声性能。通过实验能培养学生的动手能力和创新能力，对所学的理论知识进行实验验证，进而加深理解并为今对所学的理论知识进行实验验证，进而加

4、深理解并为今后工作打下坚实的实践基础。后工作打下坚实的实践基础。 （一）先修课程：（一）先修课程： 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 、数字电子技术基础数字电子技术基础、概率概率论论、信号与线性系统分析信号与线性系统分析、高频电子线路高频电子线路等。等。 （二）后续课程：（二）后续课程：现代通信技术现代通信技术等。等。 （三）与（三）与现代通信技术现代通信技术的分工的分工 本课程着重介绍通信系统的基本组成、基本分析方法和工本课程着重介绍通信系统的基本组成、基本分析方法和工作原理。作原理。现代通信技术现代通信技术介绍和分析现代通信系统、通信网介绍和分析现代通信系统、通信网的组成、关键技术和其发展

5、。的组成、关键技术和其发展。（一）基本概念、工作原理与系统性能的分析并重；（一）基本概念、工作原理与系统性能的分析并重；（二）理论学习与工程计算的训练相结合；（二）理论学习与工程计算的训练相结合；（三）实验课程是重要的实践环节。（三）实验课程是重要的实践环节。 验证性实验七个验证性实验七个 综合性实验三个综合性实验三个二、课程内容概要二、课程内容概要v通信起源；通信起源；v通信研究的问题；通信研究的问题；v通信系统的组成；通信系统的组成；v模拟通信系统和数字通信系统；模拟通信系统和数字通信系统；v数字通信系统的主要性能指标；数字通信系统的主要性能指标；v数字基带传输系统和频带传输系统；数字基带

6、传输系统和频带传输系统；v模拟调制和数字调制；模拟调制和数字调制； v模拟信号的数字化传输（抽样、量化、编码）模拟信号的数字化传输（抽样、量化、编码）v数字信号的最佳接收。数字信号的最佳接收。v谈到通信，我们每个人都不陌生。谈到通信，我们每个人都不陌生。 图图12.1 通信系统的一种简化模型通信系统的一种简化模型 按照信道中传输的是模拟信号按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系还是数字信号，可相应地把通信系统分为统分为模拟通信系统模拟通信系统和和数字通信系数字通信系统。统。 模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。 信源

7、发出的原始电信号是信源发出的原始电信号是基带信号基带信号，具有较低的频谱分量，具有较低的频谱分量，一般不适宜直接传输，这就需要把基带信号变换成适合在信道一般不适宜直接传输，这就需要把基带信号变换成适合在信道中传输的信号，这种变换称为中传输的信号，这种变换称为调制调制，接收端完成相反的变换称，接收端完成相反的变换称为为解调解调。（1）模拟通信系统）模拟通信系统图图12.2 模拟通信系统简化模型模拟通信系统简化模型v 调制变换：调制变换： 将基带信号变成频带信号，其将基带信号变成频带信号，其实质是实质是进行频谱的搬移进行频谱的搬移，将低频信号的频谱搬，将低频信号的频谱搬移到高频处。移到高频处。v

8、解调变换解调变换： 完成与调制变换相反的功能。完成与调制变换相反的功能。（2）数字通信系统）数字通信系统数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源图图12.3 数字通信系统简化模型数字通信系统简化模型v信源编码与译码信源编码与译码 信源编码的作用之一是将模拟信号转换成数字信号，即模信源编码的作用之一是将模拟信号转换成数字信号，即模/数转换。数转换。 信源编码的作用之二是设法减少码元数目和降低码元速率，即数据压信源编码的作用之二是设法减少码元数目和降低码元速率，

9、即数据压缩缩。v信道编码与译码信道编码与译码 数字信号在信道传输时，由于信道噪声、衰落以及人为干扰等，数字信号在信道传输时，由于信道噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码抗干扰编码”。接收端。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠

10、通信。v加密与解密加密与解密 为了保证所传信息的安全，为了保证所传信息的安全， 人为将被传输的数字序列（基带信号）人为将被传输的数字序列（基带信号） 扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。接收端完成相反过程，叫扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。接收端完成相反过程，叫 解密。解密。v数字调制与解调数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有基本的数字调制方式有4种：种： 振幅键控振幅键控ASK； 频移键控频移键控FSK； 绝对相移键控绝对相移键控P

11、SK； 相对（差分）相移键控相对（差分）相移键控DPSK。对这些已调信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带对这些已调信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。滤波器实现。v同步同步同步是指使收、发两端的信号在时间上保持步调一致同步是指使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。同步。同步是保证数字通信系统准确、有序、可靠工作的不可缺少的是保证数字通信系统准确、有序、可靠工作的不可缺少的前提条件。前提条件。在数字通信中，通常称节拍一致为在数字通信中，通常称节拍一致为“位

12、同步位同步”或或“码元同码元同步步”。而称编组的规律一致为而称编组的规律一致为“群同步群同步”或或“帧同步帧同步”或或“码组同步码组同步”或或“句同步句同步”。 v数字复接数字复接数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。效率。 需要说明的是，需要说明的是，自从有了数据通信系统之后，这种自从有了数据通信系统之后，这种以信道传输信号的种类为标准对通信系统进行的分类以信道传输信号的种类为标准对通信系统进行的分类就显得不够严谨，因为就

13、显得不够严谨，因为数据通信系统的信道可以是传数据通信系统的信道可以是传输数字信号的信道，也可以是传输模拟信号的信道，输数字信号的信道，也可以是传输模拟信号的信道，或者说数据通信中的数据信号既可以以数字信号的形或者说数据通信中的数据信号既可以以数字信号的形式在数字信道中传输式在数字信道中传输(比如局域网比如局域网)，也可以转换成模拟，也可以转换成模拟信号在模拟信道中传输信号在模拟信道中传输(比如通过比如通过“猫猫”调制解调调制解调器上网器上网)。 根据通信技术的现状，结合根据通信技术的现状，结合信源和信宿所处理的信号种信源和信宿所处理的信号种类类对通信系统重新进行分类。这样，我们就把通信系统分为

14、对通信系统重新进行分类。这样，我们就把通信系统分为三种：模拟通信系统、数字通信系统和数据通信系统。如图三种：模拟通信系统、数字通信系统和数据通信系统。如图12.4所示。所示。图图12.4 三种通信系统的比较三种通信系统的比较 a) 模拟通信一般指的是模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和信道传信源发出的、信宿接收的和信道传输的都是模拟信号输的都是模拟信号的通信过程或方式。因此，模拟通信系的通信过程或方式。因此，模拟通信系统可以说是以模拟信道传输模拟信号的系统。统可以说是以模拟信道传输模拟信号的系统。 b) 数字通信是指数字通信是指信源发出和信宿接收的是模拟信号，而信源发出和信宿接收的是模拟

15、信号，而信道传输的是数字信号信道传输的是数字信号的通信过程或方式。因此，数字通的通信过程或方式。因此，数字通信系统可以说是以数字信号的形式传输模拟信号的系统。信系统可以说是以数字信号的形式传输模拟信号的系统。 c) 数据通信是随计算机和计算机网络的发展而出现的一种数据通信是随计算机和计算机网络的发展而出现的一种新的通信方式，它是指新的通信方式，它是指信源、信宿处理的都是数字信号，信源、信宿处理的都是数字信号，而传输信道既可以是数字信道也可以是模拟信道的通信过而传输信道既可以是数字信道也可以是模拟信道的通信过程程(方式方式)。通常，数据通信主要指计算机。通常，数据通信主要指计算机(或数字终端或数

16、字终端)之间之间的通信。的通信。 通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，评价一个通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性有效性和和可靠性可靠性。有效性是指在给定时间内所传输的信息内容的多少，是传输的有效性是指在给定时间内所传输的信息内容的多少，是传输的“速度速度”问题；问题； 可靠性是指接可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”问题。问题。 模拟通信系统有效性模拟通信系统有效性：用：用有效传输频带有效传输频带来度量来度量; 模拟通信系统可靠性模拟通信系统可靠性：用：用

17、接收端最终输出信噪比接收端最终输出信噪比来度量；来度量；数字通信系统有效性数字通信系统有效性：用：用传输速率传输速率来度量；来度量；数字通信系统可靠性数字通信系统可靠性：用：用差错率差错率来度量。来度量。（1）传输速率）传输速率a. 码元传输速率码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目单位时间内传输码元的数目，单位是波特（单位是波特（Baud），记为），记为B。数字信号有多进制和二进制之分，。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关：有关：在保证信

18、息速率不变的情况下，在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率进制的码元速率RBM与二进制的码与二进制的码元速率元速率RB2之间有以下转换关系：之间有以下转换关系： M进制的一个码元可以用进制的一个码元可以用 log2M个二进制码元去表示！个二进制码元去表示！ b. 信息传输速率信息传输速率Rb 简称传信率，又称比特率等。它表示简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量单位时间内传递的平均信息量或比特数或比特数，单位是比特，单位是比特/秒，可记为秒，可记为bit/s，或，或bps。 每个码元或符每个码元或符号通常都含有一定号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率数的信息

19、量，因此码元速率RB和信息速率和信息速率Rb有确定的关系，即：有确定的关系，即：其中其中H(x)为信源中为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。每个符号所含的平均信息量（熵）。等概传输时，熵有最大值等概传输时，熵有最大值log2M，信息速率也达到最大，即：，信息速率也达到最大，即： c. 频带利用率频带利用率比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是当是单

20、位频带内的码元传输速率单位频带内的码元传输速率，即：，即：（2）差错率）差错率误码率误码率(码元差错率码元差错率)Pe，是指，是指发生差错的码元数在传输总码元数中所发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例占的比例。更确切的说，误码率是码元在传输系统中被传错的概。更确切的说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即：率，即： 误信率误信率(信息差错率信息差错率)Pb，是指，是指发生差错的比特数占传输总比特数发生差错的比特数占传输总比特数中所占的比例中所占的比例，即：，即： 在二进制中，有在二进制中，有：Pe = Pb。 数字信号有两种传输方式，一种是基带传输方式，另一种是调制数字信号有两种传输

21、方式，一种是基带传输方式，另一种是调制传输或称为频带传输方式。传输或称为频带传输方式。数字基带传输数字基带传输是指数字基带信号是指数字基带信号不经过调制与解调不经过调制与解调而直接在信道中传输的而直接在信道中传输的方式。方式。 然而，实际通信中，不少信道都不能直接传送基带信号然而，实际通信中，不少信道都不能直接传送基带信号,这时为了这时为了使数字信号能在使数字信号能在带通型信道带通型信道中传输，必须经过载波调制，中传输，必须经过载波调制，把数字基带把数字基带信号的频谱搬移到高频处信号的频谱搬移到高频处，将数字基带信号变成适合在信道中传输的，将数字基带信号变成适合在信道中传输的已调信号，这种方式

22、我们称为数字频带传输方式。已调信号，这种方式我们称为数字频带传输方式。 数字频带传输数字频带传输是指是指经过载波调制与解调传输已调信号经过载波调制与解调传输已调信号的方式。的方式。 调制的调制的实质是进行频谱搬移实质是进行频谱搬移，其作用和目的是：，其作用和目的是： 将调制信号（基带信号）的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号（基带信号）的频谱搬移到所希望的位置上，从而 将调制信号转转换成适合于信道传输的信号；将调制信号转转换成适合于信道传输的信号； 便于信道多路复用的已调信号（频带信号），提高信道利用率；便于信道多路复用的已调信号（频带信号），提高信道利用率； 对系统的传输有效性和传输可

23、靠性有着很大的影响，如减少干对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响，如减少干 扰，提高系统抗干扰能力；扰，提高系统抗干扰能力； 实现传输带宽与信噪比之间的互换。实现传输带宽与信噪比之间的互换。 所谓载波调制，就是所谓载波调制，就是按调制信号（基带信号）的变化规按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程律去改变载波某些参数的过程，或者说是载波某些参数随，或者说是载波某些参数随基带信号的变化规律而变化的过程。基带信号的变化规律而变化的过程。 调制的载波可以分为两类：调制的载波可以分为两类： 一类是用正弦型信号作为载波；一类是用正弦型信号作为载波； 一类是用脉冲串或者一组数字信号

24、作为载波。一类是用脉冲串或者一组数字信号作为载波。 调制信号（基带信号）一般也有两类：调制信号（基带信号）一般也有两类： 一类是取值连续的模拟信号，对应的调制方式称为一类是取值连续的模拟信号，对应的调制方式称为模拟调制；模拟调制； 一类是取值离散的数字信号，对应的调制方式称为一类是取值离散的数字信号，对应的调制方式称为数字调制。数字调制。载波调制的概念载波调制的概念 最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调幅度调制和角度调制制和角度调制。 幅度调制幅度调制是正弦载波的幅度随调制信号的变化规律作线性变化。是正弦载波的幅度随调制信号的变

25、化规律作线性变化。设正弦载波为：设正弦载波为： 其中，其中， 为载波角频率，为载波角频率， 为载波初始相位，为载波初始相位， 为载波的幅度。则为载波的幅度。则幅度调制信号幅度调制信号（已调信号）一般表示式为：（已调信号）一般表示式为： （1）模拟调制方式）模拟调制方式0( )cos(+)cs tAtwj=cw0jA0( )( )cos(+)mcStAm ttwj=（12.8） 其中其中 为基带调制信号为基带调制信号。 ( )m t设调制信号设调制信号m(t)的频谱为的频谱为M()，则由上式不难得出已调信号的频谱，则由上式不难得出已调信号的频谱Sm()： 由上式可以看出，幅度已调信号由上式可以看

26、出，幅度已调信号Sm()具有以下特点：具有以下特点： 在波形上，它的幅度随基带调制信号在波形上，它的幅度随基带调制信号m(t)呈正比变化；呈正比变化； 在频谱结构上，它的频谱是基带信号频谱在频谱结构上，它的频谱是基带信号频谱M()在频域范围内的搬移，在频域范围内的搬移，搬移到搬移到c处；上述搬移是线性的，故幅度调制又称为线性调制。处；上述搬移是线性的，故幅度调制又称为线性调制。 幅度调制包括调幅（幅度调制包括调幅（AM）、双边带（）、双边带（DSB）、单边带（）、单边带（SSB）和）和残留边带（残留边带（VSB）调制等四种形式。其中调幅）调制等四种形式。其中调幅AM信号的波形和频谱信号的波形和

27、频谱如图如图12.5所示。所示。( )()()2mccASMMwwwww=+-（12.9） 图图12.5 AM信号的波形和频谱信号的波形和频谱若基带信号中不含有直流分量若基带信号中不含有直流分量A0，则得到抑制载波双边带调制，则得到抑制载波双边带调制DSB信号。信号。 图图12.6 DSB信号的波形和频谱信号的波形和频谱图图12.7 SSB信号的波形和频谱信号的波形和频谱 由此可见，由此可见，SSB调制不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽调制不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为度为BSSB=fH=BDSB/2。但是单边带调制过程中所用滤波器要求具有陡峭但是单边带调制过程中所

28、用滤波器要求具有陡峭的截止特性，制作较困难的截止特性，制作较困难。留边带（。留边带（VSB）调制等四种形式。）调制等四种形式。残留边残留边带调制带调制VSB是介于是介于SSB与与DSB之间的一种调制方式。之间的一种调制方式。 图图12.8 VSB信号的波形和频谱信号的波形和频谱 若调制信号是数字基带信号，则对应的调若调制信号是数字基带信号，则对应的调制方式为数字调制。数字调制是利用数字脉制方式为数字调制。数字调制是利用数字脉冲信号去控制载波的参数（冲信号去控制载波的参数（幅度、频率或相幅度、频率或相位位），或者说是用数字脉冲信号对载波进行），或者说是用数字脉冲信号对载波进行开关形式的控制而实现

29、，故称开关形式的控制而实现，故称数字键控。数字键控。 （2）数字调制方式）数字调制方式 若数字基带信号是二进制的，则称为二进制数字调制。二进制数字若数字基带信号是二进制的，则称为二进制数字调制。二进制数字调制有三种形式：调制有三种形式：a. 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK）：）：用数字消息控制载波的振幅。用数字消息控制载波的振幅。b. 二进制移频键控（二进制移频键控（2FSK）：）：用数字消息控制载波的频率。用数字消息控制载波的频率。c. 二进制移相键控（二进制移相键控（2PSK）：）：用数字消息控制载波的相位。用数字消息控制载波的相位。图图12.9 三种数字调制方式三种数字调制方式

30、(a)振幅键控振幅键控; (b)移频键控移频键控; (c)移相键控移相键控（a）二进制振幅键控）二进制振幅键控2ASK 二进制振幅键控中最简单的形式称为通二进制振幅键控中最简单的形式称为通-断键控（断键控（OOK），即载），即载波在数字信号波在数字信号1或或0的控制下来实现通或断。的控制下来实现通或断。 产生的方法有两种：模拟法、键控法。产生的方法有两种：模拟法、键控法。图图12.10 2ASK信号的产生信号的产生2ASK信号时域表达式可表示为一个单极性矩形脉冲序列与正弦型载波的信号时域表达式可表示为一个单极性矩形脉冲序列与正弦型载波的乘积，即：乘积，即：2ASK信号时间波形：信号时间波形：图

31、图12.11 2ASK信号的时间波形信号的时间波形（b）二进制移频键控）二进制移频键控2FSK 2FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在二进制是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在二进制情况下，情况下，1对应于载波频率对应于载波频率f1，0对应于载波频率对应于载波频率f2。（。（ f1和和f2是两个不同的载波频率，且它们之间的改变是瞬间完成的）。是两个不同的载波频率，且它们之间的改变是瞬间完成的）。 产生的方法有两种：模拟法、键控法。产生的方法有两种：模拟法、键控法。图图12.12 2FSK信号的产生信号的产生2FSK信号的波形如图信号的波形如图(a)所示，该波形可分解为图所示，该波形可分解为图(b)和图和图(c)所示的波形。所示的波形。 图图12.13 2FSK信号的时间波形信号的时间波形（c）二进制移相键控）二进制移相键控2PSK 二进制移相键控（二进制移相键控（2PSK）是用二进制数字信号控制载波的两个相）是用二进制数字信号控制载波的两个相位，这两个相位通常相隔位，这两个相位通常相隔弧度（反相），例如用相位弧度（反相），例如用相位0和和分别表示分别表示1和和0，所以这种调制又称二相移相键控（，所以这种调制又称二相移相键控（BPSK）。）。图图12.14 2PSK和和2DPSK信号的时间波形信号的时间波形 模拟信号数字化传输的方法大致有两