通信原理（第2版） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

　　本書主要介紹現代通信係統的基礎理論、技術原理及係統分析方法。本書共11章，全書以數字通信係統的一般模型為主綫，內容涵蓋係統中的各個模塊，具體包括概論、信號分析基礎、模擬調製係統、數字基帶傳輸係統、數字帶通傳輸係統、信源編碼、信道編碼、zui佳接收技術、同步原理、現代通信係統簡介、應用SystemView仿真通信係統。

　　本書集係統性、理論性、工程性於一體，注重內容層次的銜接與遞進，突齣通信係統的原理與技術思路，將數學原理與物理本質緊密結閤、理論分析與工程實際緊密結閤，內容全麵，條理清晰，重點突齣，例題豐富，便於教學與自學。

　　本書適閤用作普通高等院校通信工程、信息工程、電子科學與技術等電子信息類專業通信原理課程的教材，也可供相關領域的科研和工程技術人員參考。

目錄

第1章 概論 1

1.1 通信的基本概念 1

1.2 通信係統 9

1.3 通信網 14

1.4 通信信道 17

1.5 通信係統中的噪聲 28

1.6 信息論基礎 33

本章小結 39

思考練習題 40

第2章 信號分析基礎 43

2.1 確知信號分析 43

2.2 隨機信號分析 54

本章小結 69

思考練習題 70

第3章 模擬調製係統 72

3.1 調製的功能及分類 72

3.2 綫性調製係統 74

3.3 角度調製係統 84

3.4 模擬調製係統的抗噪聲性能 95

3.5 頻分復用 106

3.6 復閤調製與多級調製 108

本章小結 110

思考練習題 111

第4章 數字基帶傳輸係統 114

4.1 數字基帶信號的碼型與波形 114

4.2 數字基帶信號的功率譜 119

4.3 數字基帶傳輸與碼間串擾 122

4.4 無碼間串擾的基帶傳輸特性 124

4.5 基帶傳輸係統的抗噪聲性能分析 132

4.6 部分響應係統 136

4.7 時域均衡技術 140

4.8 眼圖 147

本章小結 148

思考練習題 149

第5章 數字帶通傳輸係統 152

5.1 二進製幅移鍵控係統 152

5.2 二進製頻移鍵控係統 161

5.3 二進製相移鍵控係統 170

5.4 二進製差分相移鍵控係統 175

5.5 四進製相移鍵控係統 183

5.6 最小頻移鍵控和高斯最小頻移

鍵控 187

5.7 多進製正交幅度調製 193

本章小結 196

思考練習題 196

第6章 信源編碼 199

6.1 概述 200

6.2 語音的波形編碼 204

6.3 圖像編碼 225

6.4 時分復用和數字復接 228

本章小結 234

思考練習題 234

第7章 信道編碼 236

7.1 信道編碼的基本概念 236

7.2 綫性分組碼 242

7.3 循環碼 253

7.4 捲積碼 260

本章小結 267

思考練習題 268

第8章 最佳接收技術 270

8.1 引言 270

8.2 最大輸齣信噪比準則和匹配濾波

接收機 271

8.3 最小差錯概率準則和最佳接收機 276

8.4 確知信號的最佳接收機 281

8.5 最佳基帶傳輸係統 285

本章小結 291

思考練習題 292

第9章 同步原理 295

9.1 載波同步 295

9.2 位同步 303

9.3 群同步 307

9.4 網同步 314

本章小結 316

思考練習題 316

第10章 現代通信係統簡介 318

10.1 移動通信概述 318

10.2 GSM移動通信係統 321

10.3 第三代移動通信係統簡介 343

10.4 第四代移動通信展望 353

本章小結 356

思考練習題 357

第11章 應用SystemView仿真通信

係統 359

11.1 SystemView簡介 359

11.2 SystemView的基本操作與使用 362

11.3 通信係統仿真實例 368

本章小結 380

思考練習題 380

附錄A 通信工程常用函數 382

附錄B 希爾伯特變換 386

參考文獻 388

精彩書摘

　　第1章 概 論

　　教學目標

　　通過本章的學習，初步瞭解通信的發展、應用和現狀，瞭解通信係統和通信網概況；理解消息、信息和信號的區彆；熟悉數字通信係統的模型及各部分功能，掌握係統有效性和可靠性指標的含義及計算；瞭解信道的分類，建立信道的模型，分析其對信號傳輸的影響；掌握通信係統中噪聲的類型及其特點；掌握信息量、平均信息量和信道容量的定義及計算方法。

　　“通信原理”課程以各種通信係統共同具備的基本理論為研究對象，內容涉及典型現代通信係統各個組成部分的工作原理及分析設計方法。本章概要介紹通信係統涉及的一般概念及有關術語，以對通信係統的組成、模型、性能指標以及本課程要研究的主要內容及用到的信息論基礎有一個初步的瞭解，如消息、信息、信號的概念，通信、通信係統、通信網的概念，碼元速率和信息速率、誤碼率和誤比特率的概念，信息量、平均信息量、信道容量的概念，調製與解調、編碼與譯碼的概念，信道和噪聲的概念等。

　　1.1 通信的基本概念

　　1.1.1 消息、信息、信號與通信

　　通信(Communication)是指通過某種媒體把信息從一地有效、可靠地傳輸到另一地的過程，以實現信息的傳輸和交換。有效是指傳輸的快慢，可靠是指傳輸的質量。在古代，人們通過飛鴿傳書、擊鼓鳴號、烽火報警等方式進行信息傳遞，這種通信方式古老而低級，有效性和可靠性都不高；在今天，隨著科學技術的飛速發展，相繼齣現瞭固定電話、移動電話、互聯網、可視電話等多種現代通信手段，通信速度越來越快，通信質量越來越高。

　　很顯然，通信的任務就是傳輸信息(Information)。那麼，如何衡量一個通信係統傳輸信息的能力呢？這就需要對被傳輸的信息進行定量的測度。幾十年來，人們對信息這個概念一直眾說紛紜，定義繁多，理解各異。隨著信息科學的發展，這一概念在學術界的共識在逐步增加，在各學科之間逐漸通用起來。為瞭準確理解信息這一概念的含義，先來瞭解一個跟信息密切關聯的概念——消息(Message)。

　　1928年，信息論先驅哈特萊(Hartley)在《信息傳輸》這篇著名論文中指齣：消息是具體的，其中蘊涵著信息，信息是包含在消息中的抽象量。這一概述高度概括瞭消息與信息之間的關係。我們知道，Message的原意就是a piece of news(一則消息)，錶明它是具體的。在通信工程中，一般將語音、文字、符號、圖像、數據等統稱為消息，它們都是實實在在的，可以憑五官感知的。而信息是一個抽象量，它可被理解為消息中包含的有意義的內容，是消息的概括和抽象，它的多少可以采用信息量來衡量。舉例來說，我們打電話時聽到的聲音就是消息，但是聽到的聲音裏麵隻有有用的內涵纔構成信息。

　　消息要進行傳遞必須以具體信號(Signal)的形式錶現齣來，信號是傳遞消息的載體。因此，通信就是從一地嚮另一地傳遞消息，給對方以信息。但消息必須藉助於一定形式的信號(電信號、光信號、聲信號等)纔能傳送並進行各種處理。因而，信號是消息的載體，是消息的錶現形式，是通信的客觀對象。例如，老師在課堂上講課，具體講授的內容即為信息，而所要傳授的內容是通過語言錶達的，老師錶達的語言就是具體的消息，這種消息通過聲波到達學生的耳膜(傳感器)被大腦接收，聲波即為信息的載體即信號。

　　廣義地說，信號就是隨時間和空間變化的某種物理量。若信號錶現為電壓、電流等，則稱為電信號，它是現代技術中應用最廣泛的信號。本書將隻涉及電信號，它是帶有消息的電壓或電流，通常是時間變量t的函數，信號隨時間t變化的函數麯綫稱為信號的波形，圖1-1所示為電視颱發射的彩條消息及對應的彩條信號。

　　(a) 彩條消息 (b) 彩條信號

　　圖1-1 彩條消息與彩條信號

　　消息、信息、信號是與通信密切相關的三個概念，信息一詞在概念上與消息意義相似，但它的含義更具普遍性、抽象性。消息可以有各種各樣的形式，但消息的內容可統一用信息來錶述，傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量”進行衡量。信號是消息的載體和通信的客觀對象，信號設計是係統設計的精髓，從某種意義上說，係統設計就是信號設計。

　　1.1.2 通信方式、傳輸方式、同步方式和復用方式

　　首先建立點到點之間的通信模型。以最簡單的語音通信——兩個人之間的對話為例，這是利用聲音來傳遞消息的通信，它包括4個基本組成部分：發話人是消息的來源，稱為信源；語音通過空氣傳送給對方，傳遞消息的媒介(如空氣)稱為信道；聽話人聽到語音後獲得消息，是消息的歸宿，稱為信宿；語音在傳輸過程中會不可避免地受到各種噪聲的乾擾，這些噪聲通常分散在係統的各個地方，為簡化分析通常將其集中錶示在一處，與語音信號共同作用在信道上，稱為噪聲源。這樣就完成瞭消息的傳遞，也就構成瞭最簡單的通信係統，如圖1-2所示。

　　基本的點對點通信，均是把消息從發送端傳送到接收端，但對電通信而言，信源輸齣的信號是一種原始電信號，含有豐富的低頻成分甚至直流分量，稱為基帶信號，它一般不適閤直接在信道上傳輸，故需對其進行適當的變換，使其與信道特性匹配，由此得到一般通信係統的基本模型，如圖1-3所示。圖中，信源的作用是把各種消息轉換成原始電信號；發送設備對原始電信號完成各種變換(如編碼、調製、濾波、放大、發射等)，使其適閤在信道中傳輸；在接收端，接收設備的功能與發送設備的功能相反，它能從來自信道的各種傳輸信號和噪聲中恢復齣相應的原始電信號；信宿則將復原的原始電信號轉換成相應的消息。

　　圖1-3 通信係統的基本模型

　　圖1-3所示的模型概括地反映瞭通信係統的共性。根據研究對象及所關心問題的不同，將會使用不同形式的較具體的通信係統模型，它們之間的區彆主要體現在對基帶信號的處理方式上。本課程的討論就是圍繞通信係統的這一基本模型展開的。

　　下麵介紹與通信係統有關的幾個常用的基本概念：通信方式、傳輸方式、同步方式和復用方式。

　　1．通信方式

　　通信的任務是傳遞消息，人類社會中需要傳遞的消息可以是聲音、文字、符號、圖像、數據等，根據運載消息的傳輸信號的物理方式(電、光、聲等)的不同，現代通信方式有兩種類型：電通信和光通信。

　　目前使用最廣泛的是電通信技術，即采用電信號攜帶所傳遞的消息。用電通信方式傳輸信息時，首先在發送端將電信號通過多種變換、處理，然後利用信道進行傳輸，到達接收端時再進行相應的逆變換、逆處理，從而達到通信的目的。這種通信具有迅速、準確、可靠等特點，而且幾乎不受時間、空間、距離的限製。如今，自然科學領域涉及“通信”這一術語時，一般指的都是電通信，本書涉及的信號也都是電信號。隨著通信技術的發展，將會齣現一種與上述通信方式完全不同的技術——全光通信，它首先是在發送端將各種消息轉換成光信號發送齣去，然後在接收端將光信號還原，即信息的傳輸是以光傳輸方式進行的。

　　對於點到點通信，根據消息傳送方嚮與時間的關係，又可將通信方式分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信3種，如圖1-4所示。

　　圖1-4 通信方式

　　(1) 單工通信(Simplex Communication)是指消息隻能單方嚮傳輸的工作方式，如遙控、遙測、廣播、無綫尋呼等就是單工通信方式。單工通信信道是單嚮信道，發送端和接收端的功能是固定的，發送端隻能發送信息，不能接收信息；接收端隻能接收信息，不能發送信息。信號僅從一端傳送到另一端，即信息流是單方嚮的。

　　(2) 半雙工通信(Half-duplex Communication)可以實現雙嚮通信，但不能在兩個方嚮上同時進行，必須輪流交替地進行。或者說，通信信道的每一端既可以是發送端，也可以是接收端，但同一時間上，信號隻能有一個傳輸方嚮，如日常生活中的對講機、收發報機通信等。

　　(3) 全雙工通信(Duplex Communication)又稱為雙嚮同時通信，其特點是通信雙方既有發送設備，也有接收設備，並且允許雙方同時在兩條信道上發送和接收消息，即通信的雙方可以同時發送和接收信息，如電話通信、計算機通信等。

　　2．傳輸方式

　　按照數字信號的各個二進製位(又稱比特)是否同時傳輸，數據的傳輸方式可分為並行傳輸(Parallel Transmission)和串行傳輸(Serial Transmission)，如圖1-5所示。例如，計算機與外部設備交換信息就有並行和串行兩種基本方式。

　　圖1-5 傳輸方式

　　(1) 並行傳輸是指在傳輸過程中有多個數據位同時在設備之間進行傳輸。舉例來說，一個字符若采用ASCII碼編碼，即由8位二進製數錶示，則並行傳輸ASCII編碼字符就需要8個傳輸信道，使錶示一個字符的所有數據位都能同時沿著各自的信道並列傳輸。顯然，采用並行傳輸在一個比特時間內就可以傳輸一個字符，故傳輸速率高，但由於每位傳輸都要求有一個單獨的信道支持，通信成本高，而且由於信道之間的電容感應，使遠距離傳輸時可靠性較低，所以不支持長距離傳輸。如芯片內部的數據傳送，同一塊電路闆上芯片與芯片之間的數據傳送，以及同一係統中的電路闆與電路闆之間的數據傳送等，多數采用並行傳輸方式。

　　(2) 串行傳輸是將組成字符的各位數據以串行方式在信道上傳輸，即采用一個信道按位先後有序地進行傳輸。以8位二進製數錶示的ASCII碼編碼字符為例，傳輸一個字符隻需將該字符的8位信息由高位到低位依次排列按順序傳輸，即將這些二進製數串起來形成串行數據碼流進行傳輸。顯然，串行傳輸由於一次一位，故傳輸速率較低，但因隻需一個信道，所以通信成本較低，而且支持長距離傳輸，目前計算機網絡中所用的傳輸方式均為串行傳輸。常見的串行接口標準有RS-232C、RS-422/485和20mA電流環等。PC上配置有COM1和COM2兩個串行接口，它們都采用瞭RS-232C標準。

　　3．同步方式

　　並行傳輸一次傳送一個字符，因此收發雙方不存在字符同步問題。串行傳輸存在一個收發雙方如何保持碼組或字符同步的問題，這個問題不解決，接收方就無法從接收到的數據流中正確區分齣一個個字符來，這時傳輸將失去意義。針對串行傳輸的字符同步問題，目前有兩種解決方法，即異步傳輸方式和同步傳輸方式。

　　(1) 異步傳輸(Asynchronous Transmission)是一種利用字符的再同步技術，即在字符的首末分彆設置1位起始位和1位或1.5位或2位停止位，用它們分彆錶示字符的開始和結束，用頭尾信息來進行同步。可以看齣，此種方式效率較低，每個字符前後都要加開始和結束符。

　　(2) 同步傳輸(Synchronous Transmission)的數據幀由同步字符(SYN)、數據字符和校驗字符(CRC)組成，即在傳送一組字符時需要加入1～2個同步字符和1～2個校驗字符。同步字符位於幀的開頭，用於確認數據字符的開始；數據字符在同步字符之後，個數沒有限製，由所需傳輸的數據塊長度來決定；校驗字符用於接收端對接收到的字符序列進行正確性校驗。由於每個字符之間不需要附加位，故此傳輸方式效率較高，但雙方需要事先約定同步的字符個數及同步字符代碼，且中間傳輸有停頓時會失去同步，造成傳輸錯誤，所以要求發送時鍾和接收時鍾保持嚴格的同步。

　　4．復用方式

　　實現在同一條通信綫路上傳送多路信號的技術稱為多路復用技術(Multiplex)。電信綫路是構成電信網的基礎設施之一，在整個電信網的投資中占有很大的比例。多路復用技術能夠提高通信係統的傳輸能力、擴大容量、挖掘潛力、降低成本。因而無論是有綫傳輸係統還是無綫傳輸係統，都在積極研究開發多路復用技術，以提高傳輸信道的利用率。在有綫電信方麵，由早期的傳輸綫路一對綫隻能傳送一路電話，發展到現在的一根光縴已能開通上百萬路電話，而且還在繼續提高；在無綫通信方麵，多路復用技術也得到廣泛的應用，到20世紀90年代，新的衛星通信係統應用多路復用技術，能夠承載約35 000路電話和多個電視節目的傳輸。

　　目前常用的多路復用方式主要有頻分復用、時分復用、碼分復用和空分復用。

　　1) 頻分復用

　　一般來說，物理信道的可用帶寬遠遠超過單個原始信號的帶寬，因此可將該物理信道的總帶寬分割成若乾個與傳輸單個信號帶寬相同(或略寬)的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分復用(Frequency Division Multiplexing，FDM)。多路原始信號在上信道前，先要通過頻譜搬移將各路信號的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同頻段上，使各路信號的頻帶互不重疊，這可以通過采用不同的載波頻率進行調製來實現。同時，為保證各子信道中所傳輸的信號互不乾擾，應在各子信道之間設立隔離帶。

　　傳統的FDM技術中各子載波的頻譜是互不重疊的，需要使用大量的發送濾波器和接收濾波器，這就大大增加瞭係統的復雜度和成本。同時，為減少各子載波之間的相互串擾，各子載波之間必須保持足夠的頻率間隔，從而降低瞭係統的頻帶利用率。現代正交頻分復用(OFDM)係統采用瞭數字信號處理技術，各子載波的産生和接收都由數字信號處理算法完成，極大地簡化瞭係統結構，同時為瞭提高頻帶利用率，使各子載波的頻譜相互重疊，但這些頻譜在整個符號周期內滿足正交性，從而可以保證接收端能夠不失真地還原信號。OFDM技術實質上是一種無綫環境下的高速傳輸技術，它采用的是一種並行傳輸體製，即將高速串行數據變換成多路相對低速的並行數據並對不同的載波進行調製，這大大擴展瞭符號的脈衝寬度，從而提高瞭抗多徑衰落的性能。

　　波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)是光縴通信中的一種復用技術，它利用瞭一根光縴可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光縴可能應用的波長範圍劃分成若乾個波段，每個波段用作一個獨立的通道傳輸一種預定波長的光信號。WDM本質上也是頻分復用，隻是由於光波頻率極高，通常采用波長來描述，故是一種光頻分復用。在每個光載波占用的頻段極窄、光源發光頻率極其精確的前提下，WDM可以在一根光縴上承載多個波長(信道)係統，將一根光縴轉換為多條“虛擬”光縴，每條虛擬光縴獨立工作在不同波長上，這樣就極大地提高瞭光縴的傳輸容量。WDM技術的經濟性與有效性使其成為當前光縴通信網絡擴容的主要手段。

　　2) 時分復用

　　時分復用(Time Division Multiplexing，TDM)是指將提供給整個信道傳輸信息的時間劃分成若乾時間片(簡稱時隙)，並將這些時隙分配給每一個信號源(用戶)使用，每一路信號在分配給自己的時隙內獨占信道進行數據傳輸。TDM技術的特點是時隙事先規劃分配好且固定不變，所以有時也稱為同步時分復用。TDM的優點是時隙分配固定，便於調節控製，適於數字信息的傳輸；缺點是當某信號源沒有數據傳輸時，它所對應的信道會齣現空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個空閑的信道，因此會降低綫路的利用率。TDM技術與FDM技術一樣，有著非常廣泛的應用，移動電話與固定電話通信就是其中經典的例子。

　　3) 碼分復用

　　基於碼分復用(Code Division Multiplexing，CDM)和多址技術的碼分多址(Code Division Multiple Access，CDM

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