通信工程导论200902

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1、通信工程导论主讲 李阳安徽农业大学通信工程系2009年2月15日目 录第一章 绪论第二章 信息的信号表示第三章 信号传输第四章 信号发射与接收第五章 信号与系统第六章 通信工程的课程结构第一章 绪 论通信随着人类社会的产生而产生，随着人类社会的进步而发展，随着人类社会需求的提高而不断进步。本章在介绍通信技术发展的基础上，通过对通信系统模型的研究，揭示通信工程学科的组成和各个分支的发展规律。1.1 通信与信息人类是群居动物，人们为了从事一项工作、必须交流思想、意见、看法。为了交流思想、意见、看法，人们必须使用相互都能理解的语言、文字、表情、暗示等等进行交谈。这就是通信。通信是及时、可靠的信息交换

2、过程。信息是人们用于交流的对客观事物的描述。信息量是信息中包含客观事物的数量。信息可靠度是信息对客观事物的规定的属性描述的准确程度。信息的描述可以用语言、文字等等符号表示，我们称之为信号。信号是描述信息的符号集合。通信是人们通过表示思维的信息符号进行信号交换的过程，在该过程中，信息的交换要及时、可靠。从通信的发展历史看，通信方式经历了直接通信、间接通信和模拟通信3个过程。通信方式和人类的社会发展密切相关。直接通信是人们面对面的交换信息的过程（如图 1-1所示）。例如，人们当面用语言、文字等符号交换信息。其优点是及时、可靠，缺点是通信过程没有记录。间接通信是人们通过中间事物交换信息的过程（如图

3、1-2所示）。例如，带个话、邮寄信件等等。其优点是通信双方突破了距离的限制，缺点是通信的及时性、可靠性和保密性受到影响。模拟通信是模拟直接通信的间接通信，是中间事物及时、可靠、全面地模拟实现直接通信的过程（如图 1-3所示）。例如，电话，电视直播等等。其优点是及时性、可靠性得到保障，是目前和今后相当长时间内我们主要的通信方式。乙丙甲乙丙甲乙甲 图 1-1 直接通信 图 1-2 间接通信 图 1-3 模拟通信通信系统是完成通信任务的电子、机械、电磁等部件的有机结合体。下面，结合（图1-4）介绍一种通信系统的模型。信源信号变换1信道信号变换2信宿噪声图 1-4通信系统的模型信源：信息的产生者，所产

4、生的信息用信号表示。信号变换1（发送端信号变换）：把信源产生的信息进行变化，使之能在信道中传输。信道：信息传输的通道。信号变换2（接收端信号变换）：把信道中的信号提取出来，按照信宿的要求进行变化。信宿：信息的接收者。噪声：无用的信号和干扰。通信系统就是把信源产生的信号及时、可靠地传送到信宿。一般来说，信源产生的信息需要转变成电信号进行传输。把声音、图像等信息转变成电信号的器件分别用麦克风、照相机、摄像机等等。为了把这些信息传向远方，需要用电缆、光缆等有线媒质；或者用自由空间中的电磁场等无线媒质组成的信道。在信号用有线或者无线媒质进行传输的过程中，信号功率的衰减、信道噪声的干扰、信号可能的泄密等

5、等是我们必须考虑的问题。设计出一种最佳信号，可以让其在特定媒质中可靠传输。这就需要把信源产生的信号，结合各种因素，进行信号变换以后，再送入信道。接收端从信道中接收下信号和噪声，信号变换2需要识别信号和噪声，放大信号，把信号变换成信宿需要的形式。我们把通信系统的各个部分针对具体情况、分别用相应的数学模型进行研究，其一般性的理论成果构成了通信工程的学科体系。1.2 通信系统的分类（1） 按照信道使用的媒质的性质分类：有线通信，信道使用电缆或光缆；无线通信，信道没有使用线缆。（2） 按照传输信号的形式分：模拟通信；数字通信。（3）按照工作频段或波段分类： 有中波通信、 短波通信、 超短波通信、 微波

6、通信和卫星通信等。 （4）按照工作方式来分类：主要有（全）双工、 半双工和单工方式。（5）按照通信的内容分类：有话音通信、 图像通信、 数据通信和多媒体通信等。（6）按照占用的带宽分类：窄带通信和宽带通信。（7）按照通信对象的运动方式分：有固定通信和移动通信。（8）按照调制方式的不同来划分, 有调幅、 调频、 调相以及混合调制等。 表格1-1在自由空间中, 波长与频率存在以下关系： c = f 1.3 通信系统的模型分析通信系统是实现通信双方交换信息的所有软件和硬件的总称。功放调制器低放1话筒振荡器收发器喇叭低放2高放解调器信道图1-1 单台语音通信设备原理图电话1电信交换局2电信交换局1电话

7、2电信交换局n电话n计算机n计算机2计算机1图1-2 电信网络原理图在图1-1中，各部分的功能：发信机的组成有：话筒：是一种把声音转变成电压、电流的声-电转换器。低放1：把话筒输出的电压、或者电流进行放大。调制器：把话筒产生的低频信号频谱搬移到高频段，以便发射。振荡器：产生高频正弦电压波。功放：放大发射信号的功率，以利于发射。收发器：从信道中，把需要接收的信号送到接收机；把发射机的信号送到信道。信道：是信息传输的通道。收信机的组成有：高放：放大从收发器输出的高频信号。解调器：从高频信号中恢复出原来的话音信号。低放2：放大从解调器输出的话音信号，以利于后级工作。喇叭：又叫扬声器，是把电信号转换成

8、声音信号的元件。在图1-2中，各部分的功能：电话：完成把声音信号转换成电磁信号、并将其送入信道；从信道中接收指定的电磁信号，并将其转换成声音信号。计算机：把电子信息送入信道，从信道中接收电子信息。电信交换局：从信道中接收电子信息，并将其送到相应的信道，完成信息的交换。第一章思考题：1 名词解释：信息，信号；通信，通信系统。2 简答：通信的3种方式。3 问答：单台语音通信设备的工作原理。（要求：有图、文）4. 通信系统按照工作方式来分类和按照工作频段或波段分类。第2章 信号和系统为了有效地进行信息的传递和信息的交换，人们常常用文字、声音、图象、电磁波等物理量运载信息，并称为文字信号、声音信号、图

9、象信号、电磁波信号等等。信号是信息的运载工具、是信息的符号化表示，信息是信号的内涵。进行信息的传递和信息的交换的物理设备叫系统。21 信号和系统的表示我们常见的信号是电压信号和电流信号，电系统是对电压和电流进行处理的物理设备，也叫电网络，简称系统。其它形式的信号，需要先转化成电信号，再进行传递和交换。我们常常把电压信号和电流信号表示成时间的函数。，等等。因为电压、电流都是时间的一维函数，在数学上，我们可以用x(t)、y(t)等等符号来表示它们。假设：用x(t)表示系统的输入信号，y(t) 表示系统的输出信号，T表示系统。则： y(t) = T x(t) 是系统的数学表示。x(t) y(t)T图

10、2-1 系统的框图。系统是在输入信号激励下产生输出信号的过程。系统的功能就是把输入信号依据某种规则变换成输出信号。为了系统地研究电信号通过系统的情况，我们首先研究直流电压和直流电流通过由电阻、电容、电感组成的系统；再研究交流稳态电压和电流通过上述系统的情况。为了方便研究，我们必须有“高等数学”、“线性代数”，“普通物理学”的基础。专门研究这些问题的学科叫“电工学”、或者是“电路分析基础”。这一部分内容是“模拟电子技术”课程的基础。在信号传输和信号交换过程中，由于线路的衰减，人们常常需要对信号进行放大。电信号的放大需要二极管、三极管、场效应管，以及由它们为主构成的各种集成电路。这一部分内容是“模

11、拟电子技术”课程研究的内容。它是“数字电子技术” 课程的基础。我们常见的电信号分成2大类，1类叫模拟信号，1类叫数字信号。模拟信号是时间上和幅值上都连续的信号。数字信号是时间上和幅值上都离散（不连续）的信号。研究数字信号的分析、处理的课程是“数字电子技术”。它包括数字时续电路、数字存储器、加法器、乘法器、ADC、DAC等等，是“微机原理”的基础。我们主要研究：一般的电信号通过给定的电子系统的情况，这部分内容叫系统分析；给定输入的和输出的电信号，要求设计系统，这是系统综合。系统分析是系统综合的基础。我们分别在“信号与系统”和“高频电子线路”课程中，研究上述问题。“信号与系统”主要研究在给定输入信

12、号和系统的情况下，输出信号的情况。“高频电子线路” 主要研究在给定输入信号和输出信号的情况下，怎样设计系统，怎样解决非线性问题，研究信号的无线发射和接收技术。为了学习“信号与系统”，我们必须学习“复变函数”。为了学习“高频电子线路” 我们必须学习“电磁场和电磁波”。“信号与系统”的傅立叶变换、拉氏变换、Z变换是通信的灵魂、是“高频电子线路”和“通信原理”的基础。“高频电子线路”也叫“通信电子线路”，该课程的理论和实践可以直接服务于社会实践。对通信过程、各种通信方式和方法的研究，在“通信原理”课程里进行，“概率论和随机过程”是其直接的数学基础。为了系统能迅速处理输入信号，使得输出信号尽可能和输入

13、信号同步，我们利用计算机技术和数字信号处理的方法。这部分内容是“数字信号处理”研究的内容。它的前修课程是“信号与系统”，“C语言程序设计”，“微机原理”等等。人们认识到，信号具有时间特性，也具有频率特性。也就是说，信号是时间的函数，不同频率的信号具有各自的特点。人们利用信号的频率特性，实现了广播、电视等无线电通信。为了选择指定频率的信号，滤波器的设计和使用是非常有意义的。对此，我们在“滤波器的设计”课程中进行研究。通信的目的是进行信息交换，对于电信号的交换，我们在“程控交换技术”课程中进行研究。通信的方式很多，“现代通信技术”系统地讲解目前最流行的通信方式和相关技术，作为本科教育扩展知识面的补

14、充。22 信号的分析方法信号通常表示成时间的一维函数。根据电信号的特点，人们把信号分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号是自变量和函数除个别点以外都是连续变化的信号。数字信号是自变量和函数都取整数值（离散值）的信号。对信号的分析，有时域分析法和频域分析法两种。时域分析法是在时间域研究信号和系统的特性；频域分析法是在频率域研究信号和系统的特性。信号分析，最重要的是傅立叶分析，这是从时域分析法走向频域分析法的桥梁。傅立叶分析包括周期信号的傅立叶分析和非周期信号的傅立叶分析两大部分。周期信号的傅立叶分析用傅立叶级数进行，非周期信号的傅立叶分析用傅立叶变换进行。傅立叶级数可以简单的描述为：任意周期性信

15、号可以由频率是的正弦波叠加产生，是周期性信号的角频率。假设：信号f(t)的周期是T， 角频率 n=0 的分量叫直流。n=1 的分量叫基波。w是基波的角频率。n=N 的分量叫N次谐波。是第N次谐波的振幅，是第N次谐波的角频率，是第N次谐波的初相角。的关系图叫幅频特性图，简称幅频特性。的关系图叫相频特性图，简称相频特性。信号的幅频特性和相频特性合称为信号的频谱特性，或者叫信号的频谱图，简称为信号的频谱。人们常常把信号的幅频特性当做信号的频谱。傅立叶变换可以表示成：设：f(t)表示非周期信号，F(w)表示其傅立叶变换； 叫正变换；叫逆变换；从非周期信号的傅立叶变换中可以看出：非周期信号所含有的频率分

16、量从，是其频谱。是复数，它的模表示信号的幅频特性，它的相角表示信号的相频特性。从数学上讲，周期信号可以通过对非周期信号的重复得到；非周期信号可以通过对周期信号的截取得到。所以，周期信号的频谱和从其中截取的非周期信号的频谱的形状是相似的。在某个频率w=nw1处：，其中是常数。一个重要的信号模型：单位冲激信号d（t）定义： d（t）= 0 ，t0任意信号f(t)用单位冲激信号表示：叫卷积运算。上式也是两个函数卷积的定义式。本小节所讲信号的分析方法小结如下：信号的分类： 模拟信号 周期性信号非周期性信号数字信号 周期性信号非周期性信号任意信号f(t)用单位冲激信号表示：上述分析是对模拟信号进行的，数

17、字信号可以看成是对模拟信号的取样，经过简单转换可以用于数字信号分析。23 系统的分析方法系统分析的基本问题是已知输入x(t)和系统T，求输出信号y(t)的问题。系统的线性、时不变、因果性、稳定性是我们研究的基础。对系统的描述，有输入/输出描述法和状态变量描述法两种。y(t) = T x(t) Tx(t)y(t) 输入/输出描述法，用一元n阶微分方程来描述系统的输入/输出的特性；依据初始条件来解方程，可以得到系统对输入的响应。微分方程的阶次，就是未知函数的阶次，也是系统的阶次。如果系统可以用一阶微分方程来描述，我们说该系统是一阶的。如果系统可以用n阶微分方程来描述，我们说该系统是n阶的。用x(t

18、)表示系统的输入信号，y(t) 表示系统的输出信号，则系统可以表示为：状态变量描述法，用n元一阶微分方程来描述系统的输入/输出的特性，由状态方程和输出方程组成。用、表示系统的m个输入信号，用、表示系统的n个输出信号,用、表示系统的k个状态变量。状态方程：输出方程：系统的描述，有：时域描述和变换域描述两类方法。下面，我们主要结合模拟系统，就系统的描述方法进行介绍。当系统初始无能量储存时，它对输入单位冲激函数的响应，叫单位冲激响应，记为h(t)。单位冲激响应h(t)用于系统的时域描述。在时域 h(t) = T d（t） 设：x1(t)、x2(t)是系统的输入函数。系统线性的定义：Tax1(t)+b

19、x2(t)=aTx1(t)+bTx2(t) 系统时不变的定义：如果：y(t)= Tx(t)则： y( t - t0 )= Tx( t - t0 )系统因果性的定义：h(t)=0，t0系统稳定性的定义：24 信号通过系统的分析方法假设：用x(t)表示系统的输入信号，y(t) 表示系统的输出信号，T表示系统。则： y(t) = T x(t) 是系统的数学表示。Tx(t)y(t) 是系统的框图。人们研究发现，输入信号x(t)通过系统T以后，产生了输出信号y(t)。系统本身的能量储存也影响到了输出。当x(t)=0时，y(t)的值叫系统的零输入响应。零输入响应是在没有输入信号时（系统的输入等于零时），系

20、统的输出。当系统初始无能量存储时、系统对输入信号的响应 ，叫零状态响应。系统的完全响应是零输入响应和零状态响应的和。 系统的响应 = 零输入响应 + 零状态响应y(t)= y零输入(t)+ y零状态(t)系统的线性分别指系统的零输入线性和零状态线性。y零状态(t) = x(t) * h(t) 是系统时域的数学表示。h(t)x(t) y(t)系统时域的框图。在变换域中，我们把系统对单位常量1的响应，叫系统函数，记为H()。系统函数H() 用于系统的频域描述。在频域 H()= T 1 Y()=X()H() 是系统频域的数学表示。X()H() Y() 是系统频域的框图。可见：系统的模型主要用于求解系

21、统的零状态响应。系统的时域模型和系统的频域模型是统一的，X()、H()、Y()分别是x(t)、h(t)、y(t)的傅立叶变换。y(t)=Tx(t)=T= x(t)*h(t)y(t)= x(t)*h(t) =FTy(t)= FT= X()H() 这样，我们就证明了系统的时域和频域模型的正确性。 思考题1.名词解释：系统的线性、时不变性，单位冲激信号，单位冲激响应。2.简答：信号的N次谐波；零输入和零状态响应的特点。3.问答：系统的时域和频域模型。第3章 信号的传输电信号的传输是电信号沿着某种介质、从一处到另一处的传输。根据介质的情况，我们把介质分成导线和自由空间两大类情况。研究电信号传输的理论基

22、础是麦克斯韦尔方程组，有关这部分的理论叫电磁场与电磁波和微波技术。但是，我们注意到，信号从介质的一端输入、从另一端输出，输出信号和输入信号相比发生了变化。于是，用于传输信号的介质可以被看成一个进行信号处理的系统。研究信号的传输情况、就是研究信号通过指定的系统（介质）的情况。3.1 信号传输的一般理论假设：用x(t)表示系统的输入信号，y(t) 表示系统的输出信号，T表示系统。则： y(t) = T x(t) 是系统的数学表示。Tx(t)y(t) 是系统的框图。假设：信号x(t)= f(t)的周期是T， 角频率 这样，输入的周期信号可以被看成由不同频率的信号的合成。按照麦克斯韦尔的理论，在同一种

23、介质中，不同频率的信号的传播速度不一样。这样，不同频率的信号同时从介质的输入端输入，但是，它们到达输出端的时间是不一样的。所以，在输出端，用这些信号合成的y(t)将不同于输入信号x(t)。这种现象叫色散。由于介质对信号传输的色散现象的出现，为了进行信号传输，我们对每一种介质都规定了它的最高信号传输频率和最大信号传输距离。我们规定，介质能维持信号各频率分量相位关系的传输速度叫介质传输信号的相速。相速是我们在输出端能分辨出原输入信号时的信号传输速度。因为信号是由无数个频率的分量组成的，不同的频率分量在同一种传输介质中的传输速度是不同的，这样，经过一段距离传输以后，各个频率分量的到达时间是不同的，在

24、目的地由这些分量合成的信号和原信号有了很大的差别。3.2 信号沿导线的传输3.3 信号在空间的传输思考题：1 名词解释：信号的传输，色散。2 问答题：为什么我们对每一种介质都规定了它的最高信号传输频率和最大信号传输距离。第4章 通信工程的课程体系高等数学I（A） 线性代数 概率论 数理统计 MATLAB 高等数学I（B、C） 基础物理II 计算机导论 复变函数与积分变换 电路分析基础C语言模拟电子技术 数据库原理与技术 Java语言数字电子技术可编程集成电路信号与系统 微机原理计算机网络原理电磁场与电磁波 高频电子线路单片机网络操作系统通信原理接口技术Web开发技术微波技术 数字信号处理软件工程滤波器设计现代通信技术程控交换技术自动控制技术电子线路辅助设计传感器基础21