通信原理（第2版） epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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内容简介

　　本书主要介绍现代通信系统的基础理论、技术原理及系统分析方法。本书共11章，全书以数字通信系统的一般模型为主线，内容涵盖系统中的各个模块，具体包括概论、信号分析基础、模拟调制系统、数字基带传输系统、数字带通传输系统、信源编码、信道编码、zui佳接收技术、同步原理、现代通信系统简介、应用SystemView仿真通信系统。

　　本书集系统性、理论性、工程性于一体，注重内容层次的衔接与递进，突出通信系统的原理与技术思路，将数学原理与物理本质紧密结合、理论分析与工程实际紧密结合，内容全面，条理清晰，重点突出，例题丰富，便于教学与自学。

　　本书适合用作普通高等院校通信工程、信息工程、电子科学与技术等电子信息类专业通信原理课程的教材，也可供相关领域的科研和工程技术人员参考。

目录

第1章 概论 1

1.1 通信的基本概念 1

1.2 通信系统 9

1.3 通信网 14

1.4 通信信道 17

1.5 通信系统中的噪声 28

1.6 信息论基础 33

本章小结 39

思考练习题 40

第2章 信号分析基础 43

2.1 确知信号分析 43

2.2 随机信号分析 54

本章小结 69

思考练习题 70

第3章 模拟调制系统 72

3.1 调制的功能及分类 72

3.2 线性调制系统 74

3.3 角度调制系统 84

3.4 模拟调制系统的抗噪声性能 95

3.5 频分复用 106

3.6 复合调制与多级调制 108

本章小结 110

思考练习题 111

第4章 数字基带传输系统 114

4.1 数字基带信号的码型与波形 114

4.2 数字基带信号的功率谱 119

4.3 数字基带传输与码间串扰 122

4.4 无码间串扰的基带传输特性 124

4.5 基带传输系统的抗噪声性能分析 132

4.6 部分响应系统 136

4.7 时域均衡技术 140

4.8 眼图 147

本章小结 148

思考练习题 149

第5章 数字带通传输系统 152

5.1 二进制幅移键控系统 152

5.2 二进制频移键控系统 161

5.3 二进制相移键控系统 170

5.4 二进制差分相移键控系统 175

5.5 四进制相移键控系统 183

5.6 最小频移键控和高斯最小频移

键控 187

5.7 多进制正交幅度调制 193

本章小结 196

思考练习题 196

第6章 信源编码 199

6.1 概述 200

6.2 语音的波形编码 204

6.3 图像编码 225

6.4 时分复用和数字复接 228

本章小结 234

思考练习题 234

第7章 信道编码 236

7.1 信道编码的基本概念 236

7.2 线性分组码 242

7.3 循环码 253

7.4 卷积码 260

本章小结 267

思考练习题 268

第8章 最佳接收技术 270

8.1 引言 270

8.2 最大输出信噪比准则和匹配滤波

接收机 271

8.3 最小差错概率准则和最佳接收机 276

8.4 确知信号的最佳接收机 281

8.5 最佳基带传输系统 285

本章小结 291

思考练习题 292

第9章 同步原理 295

9.1 载波同步 295

9.2 位同步 303

9.3 群同步 307

9.4 网同步 314

本章小结 316

思考练习题 316

第10章 现代通信系统简介 318

10.1 移动通信概述 318

10.2 GSM移动通信系统 321

10.3 第三代移动通信系统简介 343

10.4 第四代移动通信展望 353

本章小结 356

思考练习题 357

第11章 应用SystemView仿真通信

系统 359

11.1 SystemView简介 359

11.2 SystemView的基本操作与使用 362

11.3 通信系统仿真实例 368

本章小结 380

思考练习题 380

附录A 通信工程常用函数 382

附录B 希尔伯特变换 386

参考文献 388

精彩书摘

　　第1章 概 论

　　教学目标

　　通过本章的学习，初步了解通信的发展、应用和现状，了解通信系统和通信网概况；理解消息、信息和信号的区别；熟悉数字通信系统的模型及各部分功能，掌握系统有效性和可靠性指标的含义及计算；了解信道的分类，建立信道的模型，分析其对信号传输的影响；掌握通信系统中噪声的类型及其特点；掌握信息量、平均信息量和信道容量的定义及计算方法。

　　“通信原理”课程以各种通信系统共同具备的基本理论为研究对象，内容涉及典型现代通信系统各个组成部分的工作原理及分析设计方法。本章概要介绍通信系统涉及的一般概念及有关术语，以对通信系统的组成、模型、性能指标以及本课程要研究的主要内容及用到的信息论基础有一个初步的了解，如消息、信息、信号的概念，通信、通信系统、通信网的概念，码元速率和信息速率、误码率和误比特率的概念，信息量、平均信息量、信道容量的概念，调制与解调、编码与译码的概念，信道和噪声的概念等。

　　1.1 通信的基本概念

　　1.1.1 消息、信息、信号与通信

　　通信(Communication)是指通过某种媒体把信息从一地有效、可靠地传输到另一地的过程，以实现信息的传输和交换。有效是指传输的快慢，可靠是指传输的质量。在古代，人们通过飞鸽传书、击鼓鸣号、烽火报警等方式进行信息传递，这种通信方式古老而低级，有效性和可靠性都不高；在今天，随着科学技术的飞速发展，相继出现了固定电话、移动电话、互联网、可视电话等多种现代通信手段，通信速度越来越快，通信质量越来越高。

　　很显然，通信的任务就是传输信息(Information)。那么，如何衡量一个通信系统传输信息的能力呢？这就需要对被传输的信息进行定量的测度。几十年来，人们对信息这个概念一直众说纷纭，定义繁多，理解各异。随着信息科学的发展，这一概念在学术界的共识在逐步增加，在各学科之间逐渐通用起来。为了准确理解信息这一概念的含义，先来了解一个跟信息密切关联的概念——消息(Message)。

　　1928年，信息论先驱哈特莱(Hartley)在《信息传输》这篇著名论文中指出：消息是具体的，其中蕴涵着信息，信息是包含在消息中的抽象量。这一概述高度概括了消息与信息之间的关系。我们知道，Message的原意就是a piece of news(一则消息)，表明它是具体的。在通信工程中，一般将语音、文字、符号、图像、数据等统称为消息，它们都是实实在在的，可以凭五官感知的。而信息是一个抽象量，它可被理解为消息中包含的有意义的内容，是消息的概括和抽象，它的多少可以采用信息量来衡量。举例来说，我们打电话时听到的声音就是消息，但是听到的声音里面只有有用的内涵才构成信息。

　　消息要进行传递必须以具体信号(Signal)的形式表现出来，信号是传递消息的载体。因此，通信就是从一地向另一地传递消息，给对方以信息。但消息必须借助于一定形式的信号(电信号、光信号、声信号等)才能传送并进行各种处理。因而，信号是消息的载体，是消息的表现形式，是通信的客观对象。例如，老师在课堂上讲课，具体讲授的内容即为信息，而所要传授的内容是通过语言表达的，老师表达的语言就是具体的消息，这种消息通过声波到达学生的耳膜(传感器)被大脑接收，声波即为信息的载体即信号。

　　广义地说，信号就是随时间和空间变化的某种物理量。若信号表现为电压、电流等，则称为电信号，它是现代技术中应用最广泛的信号。本书将只涉及电信号，它是带有消息的电压或电流，通常是时间变量t的函数，信号随时间t变化的函数曲线称为信号的波形，图1-1所示为电视台发射的彩条消息及对应的彩条信号。

　　(a) 彩条消息 (b) 彩条信号

　　图1-1 彩条消息与彩条信号

　　消息、信息、信号是与通信密切相关的三个概念，信息一词在概念上与消息意义相似，但它的含义更具普遍性、抽象性。消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述，传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。信号是消息的载体和通信的客观对象，信号设计是系统设计的精髓，从某种意义上说，系统设计就是信号设计。

　　1.1.2 通信方式、传输方式、同步方式和复用方式

　　首先建立点到点之间的通信模型。以最简单的语音通信——两个人之间的对话为例，这是利用声音来传递消息的通信，它包括4个基本组成部分：发话人是消息的来源，称为信源；语音通过空气传送给对方，传递消息的媒介(如空气)称为信道；听话人听到语音后获得消息，是消息的归宿，称为信宿；语音在传输过程中会不可避免地受到各种噪声的干扰，这些噪声通常分散在系统的各个地方，为简化分析通常将其集中表示在一处，与语音信号共同作用在信道上，称为噪声源。这样就完成了消息的传递，也就构成了最简单的通信系统，如图1-2所示。

　　基本的点对点通信，均是把消息从发送端传送到接收端，但对电通信而言，信源输出的信号是一种原始电信号，含有丰富的低频成分甚至直流分量，称为基带信号，它一般不适合直接在信道上传输，故需对其进行适当的变换，使其与信道特性匹配，由此得到一般通信系统的基本模型，如图1-3所示。图中，信源的作用是把各种消息转换成原始电信号；发送设备对原始电信号完成各种变换(如编码、调制、滤波、放大、发射等)，使其适合在信道中传输；在接收端，接收设备的功能与发送设备的功能相反，它能从来自信道的各种传输信号和噪声中恢复出相应的原始电信号；信宿则将复原的原始电信号转换成相应的消息。

　　图1-3 通信系统的基本模型

　　图1-3所示的模型概括地反映了通信系统的共性。根据研究对象及所关心问题的不同，将会使用不同形式的较具体的通信系统模型，它们之间的区别主要体现在对基带信号的处理方式上。本课程的讨论就是围绕通信系统的这一基本模型展开的。

　　下面介绍与通信系统有关的几个常用的基本概念：通信方式、传输方式、同步方式和复用方式。

　　1．通信方式

　　通信的任务是传递消息，人类社会中需要传递的消息可以是声音、文字、符号、图像、数据等，根据运载消息的传输信号的物理方式(电、光、声等)的不同，现代通信方式有两种类型：电通信和光通信。

　　目前使用最广泛的是电通信技术，即采用电信号携带所传递的消息。用电通信方式传输信息时，首先在发送端将电信号通过多种变换、处理，然后利用信道进行传输，到达接收端时再进行相应的逆变换、逆处理，从而达到通信的目的。这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，而且几乎不受时间、空间、距离的限制。如今，自然科学领域涉及“通信”这一术语时，一般指的都是电通信，本书涉及的信号也都是电信号。随着通信技术的发展，将会出现一种与上述通信方式完全不同的技术——全光通信，它首先是在发送端将各种消息转换成光信号发送出去，然后在接收端将光信号还原，即信息的传输是以光传输方式进行的。

　　对于点到点通信，根据消息传送方向与时间的关系，又可将通信方式分为单工通信、半双工通信及全双工通信3种，如图1-4所示。

　　图1-4 通信方式

　　(1) 单工通信(Simplex Communication)是指消息只能单方向传输的工作方式，如遥控、遥测、广播、无线寻呼等就是单工通信方式。单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的功能是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息。信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的。

　　(2) 半双工通信(Half-duplex Communication)可以实现双向通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。或者说，通信信道的每一端既可以是发送端，也可以是接收端，但同一时间上，信号只能有一个传输方向，如日常生活中的对讲机、收发报机通信等。

　　(3) 全双工通信(Duplex Communication)又称为双向同时通信，其特点是通信双方既有发送设备，也有接收设备，并且允许双方同时在两条信道上发送和接收消息，即通信的双方可以同时发送和接收信息，如电话通信、计算机通信等。

　　2．传输方式

　　按照数字信号的各个二进制位(又称比特)是否同时传输，数据的传输方式可分为并行传输(Parallel Transmission)和串行传输(Serial Transmission)，如图1-5所示。例如，计算机与外部设备交换信息就有并行和串行两种基本方式。

　　图1-5 传输方式

　　(1) 并行传输是指在传输过程中有多个数据位同时在设备之间进行传输。举例来说，一个字符若采用ASCII码编码，即由8位二进制数表示，则并行传输ASCII编码字符就需要8个传输信道，使表示一个字符的所有数据位都能同时沿着各自的信道并列传输。显然，采用并行传输在一个比特时间内就可以传输一个字符，故传输速率高，但由于每位传输都要求有一个单独的信道支持，通信成本高，而且由于信道之间的电容感应，使远距离传输时可靠性较低，所以不支持长距离传输。如芯片内部的数据传送，同一块电路板上芯片与芯片之间的数据传送，以及同一系统中的电路板与电路板之间的数据传送等，多数采用并行传输方式。

　　(2) 串行传输是将组成字符的各位数据以串行方式在信道上传输，即采用一个信道按位先后有序地进行传输。以8位二进制数表示的ASCII码编码字符为例，传输一个字符只需将该字符的8位信息由高位到低位依次排列按顺序传输，即将这些二进制数串起来形成串行数据码流进行传输。显然，串行传输由于一次一位，故传输速率较低，但因只需一个信道，所以通信成本较低，而且支持长距离传输，目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。常见的串行接口标准有RS-232C、RS-422/485和20mA电流环等。PC上配置有COM1和COM2两个串行接口，它们都采用了RS-232C标准。

　　3．同步方式

　　并行传输一次传送一个字符，因此收发双方不存在字符同步问题。串行传输存在一个收发双方如何保持码组或字符同步的问题，这个问题不解决，接收方就无法从接收到的数据流中正确区分出一个个字符来，这时传输将失去意义。针对串行传输的字符同步问题，目前有两种解决方法，即异步传输方式和同步传输方式。

　　(1) 异步传输(Asynchronous Transmission)是一种利用字符的再同步技术，即在字符的首末分别设置1位起始位和1位或1.5位或2位停止位，用它们分别表示字符的开始和结束，用头尾信息来进行同步。可以看出，此种方式效率较低，每个字符前后都要加开始和结束符。

　　(2) 同步传输(Synchronous Transmission)的数据帧由同步字符(SYN)、数据字符和校验字符(CRC)组成，即在传送一组字符时需要加入1～2个同步字符和1～2个校验字符。同步字符位于帧的开头，用于确认数据字符的开始；数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符用于接收端对接收到的字符序列进行正确性校验。由于每个字符之间不需要附加位，故此传输方式效率较高，但双方需要事先约定同步的字符个数及同步字符代码，且中间传输有停顿时会失去同步，造成传输错误，所以要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。

　　4．复用方式

　　实现在同一条通信线路上传送多路信号的技术称为多路复用技术(Multiplex)。电信线路是构成电信网的基础设施之一，在整个电信网的投资中占有很大的比例。多路复用技术能够提高通信系统的传输能力、扩大容量、挖掘潜力、降低成本。因而无论是有线传输系统还是无线传输系统，都在积极研究开发多路复用技术，以提高传输信道的利用率。在有线电信方面，由早期的传输线路一对线只能传送一路电话，发展到现在的一根光纤已能开通上百万路电话，而且还在继续提高；在无线通信方面，多路复用技术也得到广泛的应用，到20世纪90年代，新的卫星通信系统应用多路复用技术，能够承载约35 000路电话和多个电视节目的传输。

　　目前常用的多路复用方式主要有频分复用、时分复用、码分复用和空分复用。

　　1) 频分复用

　　一般来说，物理信道的可用带宽远远超过单个原始信号的带宽，因此可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)。多路原始信号在上信道前，先要通过频谱搬移将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同频段上，使各路信号的频带互不重叠，这可以通过采用不同的载波频率进行调制来实现。同时，为保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带。

　　传统的FDM技术中各子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接收滤波器，这就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为减少各子载波之间的相互串扰，各子载波之间必须保持足够的频率间隔，从而降低了系统的频带利用率。现代正交频分复用(OFDM)系统采用了数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统结构，同时为了提高频带利用率，使各子载波的频谱相互重叠，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而可以保证接收端能够不失真地还原信号。OFDM技术实质上是一种无线环境下的高速传输技术，它采用的是一种并行传输体制，即将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制，这大大扩展了符号的脉冲宽度，从而提高了抗多径衰落的性能。

　　波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)是光纤通信中的一种复用技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。WDM本质上也是频分复用，只是由于光波频率极高，通常采用波长来描述，故是一种光频分复用。在每个光载波占用的频段极窄、光源发光频率极其精确的前提下，WDM可以在一根光纤上承载多个波长(信道)系统，将一根光纤转换为多条“虚拟”光纤，每条虚拟光纤独立工作在不同波长上，这样就极大地提高了光纤的传输容量。WDM技术的经济性与有效性使其成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。

　　2) 时分复用

　　时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)是指将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信号源(用户)使用，每一路信号在分配给自己的时隙内独占信道进行数据传输。TDM技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也称为同步时分复用。TDM的优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。TDM技术与FDM技术一样，有着非常广泛的应用，移动电话与固定电话通信就是其中经典的例子。

　　3) 码分复用

　　基于码分复用(Code Division Multiplexing，CDM)和多址技术的码分多址(Code Division Multiple Access，CDM

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