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.通信原理內容共９章,包括緒論、信號與噪聲分析、模擬調制系統(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、通信網概論。
通信原理內容全面、條理分明,敘述與證明簡潔;注重將通信仿真分析和設計工具與教學內容有機結合,聯(lián)系工程實踐;結合大量實例進行說明,力求具有系統(tǒng)性、知識性、擴展性和前瞻性。
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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、電子科學與技術、微電子、光信息科學與技術等專業(yè)的高年級本科生教材,也可以供相關領域的科研和工程技術人員參考。
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 通信的基本概念 1
1.2 通信系統(tǒng)概述 8
1.2.1 通信系統(tǒng)的組成 8
1.2.2 通信系統(tǒng)的分類和通信方式 11
1.2.3 通信系統(tǒng)的主要性能指標 14
1.2.4 通信系統(tǒng)中的噪聲 17
1.3 通信信道 18
1.3.1 有線信道 18
1.3.2 無線信道 20
1.3.3 信道容量 23
1.4 通信網概述 25
1.4.1 通信網的概念 25
1.4.2 通信網的組網結構 26
1.4.3 通信網的質量要求 27
1.5 通信發(fā)展概況 28
1.5.1 通信理論的發(fā)展 28
1.5.2 通信技術的發(fā)展 28
1.6 香農信道容量定理的仿真設計 29
1.7 小結 30
思考題 31
習題 31
第2章 信號與噪聲分析 33
2.1 引言 33
2.2 確知信號分析 33
2.2.1 信號的傅里葉變換 33
2.2.2 卷積與相關函數(shù) 35
2.2.3 信號的能量譜密度與功率譜密度 37
2.2.4 自相關函數(shù)與能量譜密度和功率譜密度函數(shù)的關系 38
2.3 隨機變量的統(tǒng)計特征 38
2.3.1 隨機變量 39
2.3.2 概率分布函數(shù)和概率密度函數(shù) 39
2.3.3 通信系統(tǒng)中幾種典型的隨機變量 40
2.3.4 隨機變量的數(shù)字特征 40
2.4 隨機過程 44
2.4.1 隨機過程的概念 44
2.4.2 隨機過程的統(tǒng)計特征 45
2.4.3 平穩(wěn)隨機過程 47
2.4.4 各態(tài)歷經性 48
2.4.5 平穩(wěn)隨機過程的自相關函數(shù)和功率譜密度 49
2.4.6 關于不相關？正交和統(tǒng)計獨立的討論 52
2.5 高斯隨機過程 52
2.5.1 高斯過程的定義 52
2.5.2 高斯過程的性質 53
2.5.3 一維高斯分布 53
2.5.4 高斯白噪聲 55
2.5.5 窄帶高斯噪聲 56
2.5.6 正弦波加窄帶高斯噪聲 60
2.6 隨機過程通過系統(tǒng)的分析 61
2.6.1 隨機過程通過線性系統(tǒng) 61
2.6.2 隨機過程通過乘法器 63
2.7 周期平穩(wěn)隨機過程 65
2.8 高斯白噪聲特性的仿真設計 66
2.9 小結 73
思考題 73
習題 74
第3章 模擬調制系統(tǒng) 79
3.1 引言 79
3.1.1 調制在通信系統(tǒng)中的作用 79
3.1.2 調制的分類 79
3.2 線性調制的原理 80
3.2.1 幅度調制 80
3.2.2 雙邊帶調制 85
3.2.3 單邊帶調制 86
3.2.4 殘留邊帶調制 90
3.2.5 線性調制系統(tǒng)的解調 92
3.3 非線性調制的原理 94
3.3.1 非線性調制的基本概念 94
3.3.2 調頻信號的頻譜和帶寬 96
3.3.3 調頻信號的產生與解調 99
3.4 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 101
3.4.1 抗噪聲性能的分析模型 101
3.4.2 相干解調的抗噪聲性能 102
3.4.3 非相干解調的抗噪聲性能 106
3.5 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 110
3.5.1 解調器輸入信噪比 110
3.5.2 解調器輸出信噪比和信噪比增益 110
3.6 調頻系統(tǒng)的加重技術 113
3.7 模擬調制系統(tǒng)的特點與應用 115
3.8 頻分復用 115
3.9 模擬線性調制的仿真設計 118
3.10 小結 125
思考題 126
習題 126
第4章 信源編碼 131
4.1 引言 131
4.2 模擬信號的數(shù)字化 131
4.2.1 抽樣定理 132
4.2.2 模擬信號量化 137
4.2.3 脈沖編碼調制 144
4.2.4 語言壓縮編碼 152
4.2.5 圖像壓縮編碼 159
4.3 離散信源編碼 160
4.3.1 信源編碼的相關概念 161
4.3.2 即時碼及其構成 162
4.3.3 編碼效率 164
4.3.4 幾種常用變長碼的編碼方法 167
4.4 時分復用 172
4.4.1 PCM系統(tǒng) 172
4.4.2 PCM基群幀結構 174
4.4.3 PCM數(shù)字復接系列 176
4.5 信源編碼仿真設計 177
4.6 小結 190
思考題 191
習題 191
第5章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 194
5.1 引言 194
5.2 數(shù)字基帶信號的碼型和波形 195
5.2.1 數(shù)字基帶信號的碼型 195
5.2.2 基帶波形的形成 200
5.3 數(shù)字基帶信號的頻譜分析 200
5.3.1 數(shù)字基帶信號的數(shù)學描述 200
5.3.2 數(shù)字基帶信號的功率譜密度 202
5.4 數(shù)字基帶信號的傳輸與碼間串擾 204
5.4.1 碼間串擾 204
5.4.2 碼間串擾的數(shù)學分析 205
5.5 無碼間串擾的基帶傳輸特性 206
5.5.1 無碼間串擾的理想低通濾波器 208
5.5.2 無碼間串擾的滾降系統(tǒng) 209
5.6 部分響應系統(tǒng) 211
5.6.1 部分響應系統(tǒng)的特性 212
5.6.2 部分響應系統(tǒng)的實現(xiàn) 213
5.7 無碼間串擾基帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 216
5.8 眼圖與時域均衡 219
5.8.1 眼圖 219
5.8.2 時域均衡 221
5.9 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真設計 223
5.10 小結 233
思考題 234
習題 234
第6章 數(shù)字信號的載波傳輸 238
6.1 引言 238
6.2 二進制數(shù)字調制原理 238
6.2.1 二進制幅移鍵控 238
6.2.2 二進制頻移鍵控 242
6.2.3 二進制相移鍵控 246
6.3 二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 252
6.3.1 2ASK的抗噪聲性能 252
6.3.2 2FSK的抗噪聲性能 256
6.3.3 2PSK和2DPSK的抗噪聲性能 260
6.3.4 二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較 261
6.4 多進制數(shù)字調制系統(tǒng) 263
6.4.1 多進制幅移鍵控 264
6.4.2 多進制頻移鍵控 266
6.4.3 多進制相移鍵控 267
6.5 現(xiàn)代數(shù)字調制技術 276
6.5.1 偏移四相相移鍵控調制 276
6.5.2 π/4GDQPSK調制 278
6.5.3 最小頻移鍵控調制(MSK) 279
6.5.4 高斯最小頻移鍵控調制 282
6.5.5 正交幅度調制 286
6.5.6 正交頻分復用調制 290
6.6 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)特性仿真設計 293
6.7 小結 303
思考題 304
習題 305
第7章 信道編碼 309
7.1 引言 309
7.2 信道編碼的基本原理 310
7.2.1 信道編碼的檢錯和糾錯能力 310
7.2.2 信道編碼的譯碼方法 310
7.3 線性分組碼 311
7.3.1 線性分組碼的編碼 312
7.3.2 線性分組碼的譯碼 314
7.3.3 漢明碼 315
7.3.4 循環(huán)碼 318
7.3.5 線性分組碼的應用 320
7.4 卷積碼 321
7.4.1 卷積碼的解析表示 321
7.4.2 卷積碼的圖形描述 323
7.4.3 卷積碼的維特比譯碼 325
7.4.4 卷積碼的應用 328
7.5 其他幾種常用的差錯控制編碼方法 328
7.5.1 交織編碼 328
7.5.2 Turbo碼 329
7.6 信道編碼仿真設計 330
7.7 小結 335
思考題 336
習題 337
第8章 數(shù)字信號的最佳接收 339
8.1 最佳接收準則和接收機 339
8.1.1 接收數(shù)字信號的統(tǒng)計特性 339
8.1.2 最佳接收準則 341
8.1.3 匹配濾波器 346
8.1.4 相關法接收 351
8.1.5 理想接收機 352
8.2 最佳接收系統(tǒng)的性能 354
8.2.1 基帶系統(tǒng)的性能 356
8.2.2 頻帶調制系統(tǒng)的性能 356
8.3 最佳基帶傳輸系統(tǒng) 359
8.3.1 理想信道下的最佳基帶傳輸系統(tǒng) 359
8.3.2 非理想信道下的最佳基帶傳輸系統(tǒng) 363
8.4 匹配濾波器工作原理仿真 365
8.5 小結 370
思考題 370
習題 370
第9章 通信網概論 374
9.1 引言 374
9.2 電話網 375
9.2.1 電話網的基本組成 375
9.2.2 我國電話網的結構 376
9.2.3 國內？國際長途電話網 378
9.2.4 電話網的編號計劃 379
9.2.5 電話網的性能要求 379
9.3 智能網 380
9.3.1 智能網的概念 380
9.3.2 智能網的結構 380
9.3.3 智能網與現(xiàn)有通信網的關系 380
9.4 數(shù)據通信網 381
9.4.1 數(shù)據通信網的分類 381
9.4.2 數(shù)據通信網的構成 382
9.5 數(shù)字數(shù)據網 382
9.5.1 數(shù)字數(shù)據網的基本概念 382
9.5.2 DDN的網絡結構 382
9.6 綜合業(yè)務數(shù)字網 383
9.6.1 綜合業(yè)務數(shù)字網的概念 383
9.6.2 ISDN的網絡結構 383
9.6.3 ISDN的網絡功能體系結構 384
9.6.4 ISDN的用戶/網絡接口 385
9.6.5 ISDN的信道與用戶/網絡接口 386
9.6.6 寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網 386
9.7 同步網 387
9.8 電信管理網 388
9.9 下一代網絡 390
9.9.1 下一代網絡概述 390
9.9.2 基于軟交換的下一代網絡 391
9.9.3 現(xiàn)有網絡向NGN的演進 393
9.10 小結 394
思考題 395
參考文獻 396
附錄一 英文縮寫詞對照表 397
附錄二 貝塞爾函數(shù)表Jn (x) 400
附錄三 誤差函數(shù)？互補誤差函數(shù)表 401
附錄四 常用數(shù)學公式 402
習題參考答案 403
第１章 緒 論
２１世紀是通信信息時代 ,現(xiàn)代生活的每個方面都依賴通信 .例如 ,用信用卡購物 ,商店的出納員在一個小機器上劃卡 ,幾秒鐘后 ,不管信用卡是哪個銀行發(fā)行的 ,或是那個銀行的總部在什么地方 ,也不管這次交易是在什么地方進行的 ,支付會得到核實 ,信用卡賬戶自動進行了付款 .今天 ,在這個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)信用卡機的身影 .它們通過強大的、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)模型和通信傳輸網等基礎知識 .
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、人與機器、機器與機器進行信息的傳遞和交換 .通信的目的是獲取信息 .信息是人類社會和自然界中需要傳遞、交換、存儲和提取的抽象內容 .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容 ,為了傳送和交換信息 ,必須通過語言、文字、圖像和數(shù)據等將它表示出來 ,即信息通過消息來表示 .
用文字、符號、數(shù)據、語言、音符、圖片、圖像等能夠被人的感覺器官所感知的形式 ,把客觀物質運動和主觀思維活動的狀態(tài)表達出來就成為消息 .消息中包含信息 ,是信息的載體 .得到消息 ,從而獲得信息 .同一個信息可用不同的消息形式來載荷 .例如 ,球賽進展情況可用電視圖像、廣播語言和報紙文字等不同消息來表述 .而一個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 .
在各種實際通信系統(tǒng)中 ,往往為了克服時間或空間的限制而進行通信 ,必須對消息進行加工處理 .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個不同的概念 .
總之 ,通信中消息的傳送是通過信號來進行的 ,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、準確、可靠等特點 ,而且?guī)缀醪皇軙r間、空間、地點和距離的限制 ,因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應用 .如今 ,在自然科學中 ,“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行分類 .例如 ,信號可以分為確知信
號與隨機信號、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)確知信號與隨機信號 .確知信號是指能夠以確定的時間函數(shù)表示的信號 ,它在定義域內任意時刻都有確定的函數(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)生之前無法預知信號的取值 ,即寫不出明確的數(shù)學表達式 ,通常只知道它取某一數(shù)值的概率 ,這種具有隨機性的信號稱為隨機信號 .例如 ,半導體載流子隨機運動所產生的噪聲和從目標反射回來的雷達信號 (其出現(xiàn)的時間與強度是隨機的 )等都是隨機信號 .所有的實際信號在一定程度上都是隨機信號 .
(２)周期信號與非周期信號 .周期信號是每隔一個固定的時間間隔重復變化的信號 .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)的最小時段 .
非周期信號是不具有重復性的信號 .
(３)功率信號與能量信號 .如果一個信號在整個時間域 (－∞ ,＋∞ )內都存在 ,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 .設信號 f(t)為時間的實函數(shù) ,通常把信號 f(看成隨時間變化的電壓或電流 ,則當信號 t)f(t)通過１Ω電阻時 ,其瞬時功率為,而平均功率定義為
一般地 ,平均功率 (在整個時間軸上平均 )等于０,但能量有限的信號稱為能量信號 .設能量信號 f(t)為時間的實函數(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隨消息連續(xù)變化 ,即幅度取值有無限多個 .但在時間上可以連續(xù) ,也可以離散 .圖１-１所示為時間連續(xù)和時間離散的模擬信號 .數(shù)字信號是指它不僅在時間上離散 ,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現(xiàn)相互轉換 ,如語音編碼器可以將模擬語音
信號轉化為數(shù)字語音 ,語音譯碼器可以將數(shù)字語音轉化為模擬語音 .通常使用的 A/D和D/A
轉換器就是實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉換 .
２)信號的特性
信號的特性表現(xiàn)為它的時間特性和頻率特性 .
確知信號和隨機信號都可用它們的時域特性和頻域特性來表示 .時域特性表示信號電壓或電流隨時間的變化關系 .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 設有一個信號為
式中 ,２π １.信號 f(的信號特征如圖１圖１為信號 f(的時域圖 ,
為f(對應的頻譜圖 ,圖１-３(b)中,每一條譜線代表一個正弦分量 ,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 ,
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間特性之間必然有密切的聯(lián)系 .根據傅里葉變換的原理 ,任何一個周期為 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次諧波合成的結果 ,圖１-４(g)是基波和３次諧波 直到９次諧波合成的結果 ,圖１-４(h)是基波和３次諧波 .直到２７次諧波合成的結果 .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
幾種典型信號的時域和頻域之間的關系 .圖１-５ 周期方波的頻譜示意圖
由圖１-６可見 :①連續(xù)非周期的時間函數(shù)對應的頻譜也是連續(xù)非周期函數(shù) ;②離散非周期序列對應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)送天氣預報 ,所含的信息內容相同 .
人們在通信中獲得消息之前 ,對它的特定內容有一種 “不確定性 ”,而一個消息之所以會含有信息 ,也正是因為它具有不確定性 .一個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果前 ,對于結果會出現(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果 ,消除了不確定性 ,從而獲得了信息 .因此 ,信息是對事物運動狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述 .
用數(shù)學語言來講 ,不確定性就是隨機性 ,具有不確定性的事件就是隨機事件 .因此 ,可運用研究隨機事件的數(shù)學工具 ———概率來測度不確定性的大小 .將消息用隨機事件表示 ,而發(fā)出這些消息的信源則用隨機變量來表示 .例如 ,拋擲一枚硬幣的實驗可以用一個隨機變量來表示 ,而拋擲結果可以是正面或反面 ,這個具體的消息則用隨機事件表示 .
把某個消息 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 ，與消息的關系式為出現(xiàn)的概率式中 ,代表兩種含義 :①當事件 x發(fā)生以前 ,表示事件 x發(fā)生的不確定性 ;②當事件發(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 ”作為信息量的實用單位 .
擲兩粒骰子 ,當其向上面的小圓點數(shù)之和是３時,該消息所包含的信息量是多少?當小圓點數(shù)之和是７時,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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