通信原理教程-使用MATLAB仿真與分析（第2版）課件 第1章 基本概念

通信原理（含實(shí)驗(yàn)）主講：向軍1.1通信及通信系統(tǒng)

1.1.1通信系統(tǒng)的基本組成模型

1.1.2通信系統(tǒng)的分類

1.1.3模擬通信和數(shù)字通信系統(tǒng)

1.2調(diào)制和解調(diào)

1.2.1調(diào)制解調(diào)的基本概念

1.2.2調(diào)制解調(diào)的分類

1.2.3調(diào)制的作用

1.3通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)

1.3.1模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)

1.3.2數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)第1章基本概念2實(shí)現(xiàn)通信的所有硬件和軟件設(shè)備、傳輸媒介以及各種通信協(xié)議等構(gòu)成了通信系統(tǒng)（CommunicationSystem）。

1.1通信及通信系統(tǒng)Message、Information、Signal消息通常指人的感官能夠感受到的語(yǔ)音、圖形、文字符號(hào)、圖形圖像、數(shù)據(jù)等。用戶從通信系統(tǒng)中接收消息，從中提取出對(duì)自己有用的東西，稱為信息。在電子、光通信系統(tǒng)中實(shí)際傳輸?shù)亩际请姟⒐庑盘?hào)。3從用戶的角度來(lái)說(shuō)，通信（Communication）是實(shí)現(xiàn)信息和消息傳輸?shù)倪^(guò)程。4用戶A交換機(jī)交換機(jī)傳輸鏈路(用戶線)用戶C傳輸鏈路(中繼線)用戶B用戶D（傳輸網(wǎng)）傳輸鏈路(用戶線)傳輸鏈路(用戶線)從現(xiàn)代通信系統(tǒng)的組成來(lái)看，為了實(shí)現(xiàn)高效可靠的信息傳輸，一個(gè)通信系統(tǒng)（通信網(wǎng)）擁有成千上萬(wàn)的用戶終端，需要大量技術(shù)設(shè)備，傳輸媒介和信號(hào)傳輸方式也各不相同。對(duì)兩個(gè)用戶之間的一次通信過(guò)程來(lái)說(shuō)，都可以視為兩點(diǎn)之間的通信。點(diǎn)-點(diǎn)通信是最基本的形式，也是研究其他復(fù)雜通信過(guò)程和通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。51.1.1通信系統(tǒng)的基本組成模型信源：消息->基帶信號(hào)（BasebandSignal）發(fā)送設(shè)備：射頻信號(hào)、已調(diào)信號(hào)（ModulatedSignal）信道：噪聲、傳輸特性

接收設(shè)備：解調(diào)、過(guò)濾噪聲、波形整形、幅度功率放大61.1.2通信系統(tǒng)的分類通信業(yè)務(wù)：電話通信系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)、

多媒體通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、……傳輸媒介：有線通信系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)

信號(hào)類型：模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、

模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)：基帶傳輸系統(tǒng)、頻帶傳輸系統(tǒng)

（調(diào)幅傳輸系統(tǒng)、調(diào)頻傳輸系統(tǒng)、…）71.1.3模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字消息和連續(xù)消息

文字符號(hào)和數(shù)據(jù)等消息的狀態(tài)個(gè)數(shù)（符號(hào)和數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)）是有限的，取值是離散的，稱為數(shù)字消息。語(yǔ)音、圖像消息的狀態(tài)取值連續(xù)變化，稱為連續(xù)消息。數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)

為了實(shí)現(xiàn)消息的傳輸和交換，需要將消息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將消息的各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為信號(hào)某個(gè)參量（幅度、頻率或者相位等）的取值。因此，與消息的狀態(tài)取值相對(duì)應(yīng)，電信號(hào)的指定參量在各時(shí)刻的取值也就可能是連續(xù)的或者離散的，分別稱為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。8模擬調(diào)幅信號(hào)（AM信號(hào)）數(shù)字調(diào)幅信號(hào)（ASK信號(hào)）所謂調(diào)制（Modulation），是在發(fā)送端將需要傳送的原始基帶信號(hào)變換為適合于信道傳輸?shù)男盘?hào)。一般是將基帶信號(hào)用于控制高頻載波的某個(gè)參數(shù)，例如幅度、頻率、相位等，使其隨基帶信號(hào)的幅度變化規(guī)律而變化。

1.2調(diào)制和解調(diào)91.2.1調(diào)制解調(diào)的基本概念解調(diào)（Demodulation）是與調(diào)制完全相反的過(guò)程，通過(guò)解調(diào)，接收端從接收到的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出原始基帶信號(hào)，再送到接收者。調(diào)制器（Modulator）、解調(diào)器（Demodulator）10m(t)：基帶信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、

ModulatingSig.sm(t)：已調(diào)信號(hào)、ModulatedSig.c(t)：調(diào)制載波、Carrier解調(diào)器解調(diào)器的一般模型m(t)sm(t)c(t)解調(diào)器中的載波c(t)又稱為解調(diào)載波，根據(jù)實(shí)際解調(diào)器的原理，不一定需要。11模擬調(diào)制線性調(diào)制：AM、DSB、SSB、VSB非線性調(diào)制：PM、FM數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)幅：ASK數(shù)字調(diào)頻：FSK數(shù)字調(diào)相：PSK1.2.2調(diào)制解調(diào)的分類調(diào)制解調(diào)非相干解調(diào)相干解調(diào)12包絡(luò)檢波非相干解調(diào)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，接收機(jī)成本低，在早期的中波調(diào)幅廣播中大量應(yīng)用。相干解調(diào)適用于所有的線性調(diào)制，并且不具有門限效應(yīng)，但是需要專門電路自動(dòng)提取出相干解調(diào)載波，因此解調(diào)器和接收機(jī)都比較復(fù)雜。包絡(luò)檢波非相干解調(diào)器的一般模型m(t)s(t)131.2.3調(diào)制解調(diào)的作用實(shí)現(xiàn)有效傳輸

通過(guò)調(diào)制，使信號(hào)特性與信道特性相匹配，便于通過(guò)信道實(shí)現(xiàn)無(wú)失真?zhèn)鬏敚阌谕ㄟ^(guò)天線實(shí)現(xiàn)有效輻射。實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用

通過(guò)同一信道同時(shí)傳送多路信號(hào)，提高信道利用率。增強(qiáng)抗噪聲性能

通過(guò)選擇合適的調(diào)制方式以及設(shè)置合適的調(diào)制參數(shù)可以減少噪聲對(duì)傳輸質(zhì)量的影響。

1.3通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)14從信息傳輸?shù)慕嵌瓤紤]，通信系統(tǒng)最主要的性能指標(biāo)是有效性和可靠性。其中有效性指的是傳輸信息所需占用的信道資源（例如帶寬或者時(shí)間），可靠性指的是接收信息的準(zhǔn)確程度。有效性和可靠性的相互矛盾提高有效性通常會(huì)造成可靠性的下降。在實(shí)際系統(tǒng)中，只能根據(jù)需要及技術(shù)發(fā)展水平盡可能做到適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)一。例如，在滿足可靠性要求的前提下，盡可能提高傳輸速度；或者在滿足有效性的前提下，采用各種技術(shù)盡可能保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。151.3.1模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)有效性—信號(hào)的帶寬待傳輸?shù)男盘?hào)帶寬越小，傳輸時(shí)需要占用系統(tǒng)和信道的帶寬就越小。因此，當(dāng)信道帶寬給定后，能夠傳輸?shù)男盘?hào)路數(shù)越多，有效性也就越好。對(duì)同樣的消息信號(hào)，采用不同的調(diào)制傳輸方式，得到的已調(diào)信號(hào)帶寬也不一樣。

例如，語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)幅傳輸，需要占用8kHz帶寬，而單邊帶調(diào)制傳輸，只需要4kHz帶寬，因此采用單邊帶傳輸?shù)挠行詢?yōu)于調(diào)幅傳輸。16可靠性—輸出信噪比

所謂信噪比（SNR，Signal-NoiseRate)，指的是信號(hào)與噪聲的功率之比。

實(shí)際數(shù)據(jù)、分貝值SNRdB=10

logSNR

在接收端的輸出信號(hào)中，有用信號(hào)和噪聲的功率之比，稱為接收機(jī)的輸出信噪比。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，輸出信噪比越大，傳輸質(zhì)量和可靠性就越好。不同的調(diào)制傳輸方式，在同樣的信道條件下，輸出信噪比是不同的。例如，調(diào)頻傳輸系統(tǒng)的可靠性要優(yōu)于調(diào)幅傳輸系統(tǒng)。171.3.2數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)有效性——傳輸速率

傳碼率（碼元速率）Rs、傳信率（信息速率）Rb兩種速率之間的關(guān)系：碼元（符號(hào)，symbol）、信息（bit）采用多進(jìn)制傳輸，可以在相同的碼元速率下，獲得更高的信息速率；反之，為達(dá)到相同的信息速率，采用多進(jìn)制傳輸，可以降低傳輸?shù)拇a元速率。18有效性——頻帶利用率頻帶利用率反映了信號(hào)帶寬與傳輸速率的關(guān)系，更全面地描述了數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性。頻帶利用率取決于進(jìn)制數(shù)與傳輸波形。為獲得足夠高的頻帶利用率，必須采用特殊的電脈沖傳輸波形。采用多進(jìn)制傳輸，可以提高信息頻帶利用率。帶寬只與碼元速率和信號(hào)波形有關(guān)，與信號(hào)的幅度和進(jìn)制無(wú)關(guān)，因此兩種頻帶利用率之間的關(guān)系為19例1-1某數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，ηs=1Bd/Hz。（1）已知傳輸帶寬B=10kHz，求碼元速率Rs；（2）為達(dá)到20kBd的傳輸速率，求所需的帶寬B1；（3）若采用1024進(jìn)制傳輸，為使Rb達(dá)到120kbps，求所需的帶寬B2。解：（1）Rs=ηsB=1×10=10kBd（2）B1=Rs/ηs=20/1=20kHz（3）采用1024進(jìn)制傳輸時(shí)的碼元速率為

Rs=120/log21024=12kBd則所需傳輸帶寬為

B2=Rs/ηs=12/1=12kHz20可靠性——差錯(cuò)率

在接收到的總的碼元和信息量中，錯(cuò)誤的碼元和錯(cuò)誤的信息量有多少。

誤碼率Ps、誤信率Pb誤碼率或者誤信率越小，則接收到的錯(cuò)誤碼元和錯(cuò)誤信息量越少，傳輸?shù)目煽啃栽礁摺?duì)0、1等概的二進(jìn)制傳輸，Ps=Pb；對(duì)多進(jìn)制傳輸，關(guān)系較復(fù)雜，不一定是log2M倍的關(guān)系。不同的傳輸方式，具有不同的差錯(cuò)率。不同系統(tǒng)對(duì)差錯(cuò)率的要求也不同。例如，數(shù)字電話通信系統(tǒng)要求不超過(guò)10-3，而計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)要求不超過(guò)10-9。21通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)