通信工程基礎作業指導書TOC\o"1-2"\h\u15745第1章通信系統概述 3253741.1通信系統的基本概念 348251.2通信系統的分類與組成 330441.3通信系統的功能指標 42625第2章信號與信道 431012.1信號的定義與分類 490612.1.1定義 430482.1.2分類 4308472.2信號的基本運算 4278482.2.1時域運算 572822.2.2頻域運算 5306822.3信道模型與信道特性 5139822.3.1信道模型 558362.3.2信道特性 512936第3章模擬通信系統 5136823.1幅度調制 5188253.1.1幅度調制的基本原理 564493.1.2幅度調制的方法 679663.1.3幅度調制系統的抗噪聲功能 693703.2頻率調制 6114073.2.1頻率調制的基本原理 6288963.2.2頻率調制的方法 6243333.2.3頻率調制系統的抗噪聲功能 6133363.3模擬信號的解調與檢測 690743.3.1解調原理 6251873.3.2檢測原理 6136373.3.3解調與檢測系統的功能分析 610606第4章數字通信系統 7293704.1數字通信系統的基本概念 784294.1.1數字通信系統的定義與分類 7178544.1.2數字通信系統的優勢 781904.2數字信號的基帶傳輸 7292634.2.1基帶傳輸概述 7262664.2.2數字基帶信號 7237304.2.3基帶傳輸的信道編碼與解碼 78824.2.4基帶傳輸的信號處理技術 7118474.3數字信號的頻帶傳輸 7250794.3.1頻帶傳輸概述 7138344.3.2數字調制技術 723954.3.3數字解調技術 825574.3.4頻帶傳輸的信道特性 873654.3.5頻帶傳輸中的信號處理技術 822806第5章數字信號處理技術 8281845.1數字信號處理基礎 864995.1.1采樣與量化 8163785.1.2數字信號表示 8236805.1.3Z變換與離散時間傅里葉變換 8309705.2離散傅里葉變換與快速算法 993695.2.1離散傅里葉變換 9227935.2.2快速傅里葉變換 998595.3數字濾波器設計 929825.3.1數字濾波器類型 924945.3.2數字濾波器設計方法 91123第6章通信系統的同步與載波恢復 10320886.1同步技術 10165706.1.1同步的概念與分類 10289346.1.2同步的方法 1085106.2載波恢復技術 10317296.2.1載波恢復的概念 10239876.2.2載波恢復的方法 1018046.3鎖相環與載波同步 10293336.3.1鎖相環的原理 11161066.3.2鎖相環在載波同步中的應用 1171826.3.3鎖相環的設計與優化 1112650第7章通信系統的多址技術 11208487.1多址技術概述 11239977.2頻分多址 1135017.2.1頻分多址的原理 11290647.2.2頻分多址的優點 12216057.3時分多址與碼分多址 1210777.3.1時分多址 1283177.3.1.1時分多址的原理 12270577.3.1.2時分多址的優點 1241917.3.2碼分多址 12164217.3.2.1碼分多址的原理 1213667.3.2.2碼分多址的優點 1214444第8章通信系統的抗干擾技術 12221748.1通信系統的干擾與噪聲 13223618.1.1干擾類型 13322908.1.2噪聲類型 1376898.2信道編碼與誤碼糾正 1351198.2.1信道編碼原理 13147978.2.2誤碼糾正技術 13223388.3加密與解密技術 1383148.3.1加密技術 14136948.3.2解密技術 1425629第9章通信系統的功能評估 1441419.1通信系統的誤碼功能 1485489.1.1誤碼功能概述 14138179.1.2誤碼率 14179819.1.3誤幀率 14305549.1.4誤碼功能改善技術 1467749.2通信系統的容量與覆蓋范圍 14146479.2.1系統容量 146189.2.2覆蓋范圍 15157139.2.3容量與覆蓋范圍的平衡 15296909.3通信系統的可靠性評估 15225689.3.1可靠性指標 1562409.3.2可靠性模型 15172459.3.3提高通信系統可靠性的方法 15106659.3.4可靠性評估實例 15622第10章通信工程實踐 152068610.1通信系統仿真 151038810.2通信設備與組件設計 151274010.3通信網絡的規劃與優化 16第1章通信系統概述1.1通信系統的基本概念通信系統是由信號傳輸、信號接收、信號處理及信息處理等部分組成的，用于實現信息傳遞和交換的系統。它通過一定的傳輸介質，將信息從發送端傳輸到接收端，以滿足人們對信息交流的需求。通信系統在現代社會的各個領域具有廣泛的應用，如電話、電視、互聯網等。1.2通信系統的分類與組成根據傳輸介質的不同，通信系統可分為有線通信系統和無線通信系統兩大類。（1）有線通信系統：通過電纜、光纖等有線介質進行信號傳輸的通信系統。其優點是傳輸穩定、干擾小，但建設成本較高，布線受限。（2）無線通信系統：通過無線電波、微波等無線介質進行信號傳輸的通信系統。其優點是傳輸速度快、布線靈活，但易受電磁干擾、信號衰減等因素影響。通信系統的基本組成包括：（1）信源：產生并輸出信息的設備或系統。（2）發送設備：將信源產生的信息轉換成適合在傳輸介質輸的信號，并進行放大、調制等處理。（3）傳輸介質：實現信號傳輸的物理媒介，如電纜、光纖、無線電波等。（4）接收設備：接收傳輸介質上的信號，并進行解調、放大等處理，恢復出原始信息。（5）信宿：接收并處理信息的設備或系統。1.3通信系統的功能指標通信系統的功能指標主要包括以下幾方面：（1）傳輸速率：單位時間內傳輸的信息量，通常用比特率（bps）表示。（2）帶寬：通信系統所能處理的頻率范圍，與傳輸速率密切相關。（3）誤碼率：傳輸過程中出現錯誤的概率，是衡量通信系統可靠性的重要指標。（4）抗干擾功能：通信系統在受到外部干擾時，保持正常工作的能力。（5）傳輸距離：信號在傳輸介質中能夠有效傳輸的最大距離。（6）容量：通信系統在一定時間內能夠傳輸的最大信息量。（7）延遲：信號從發送端到接收端所需的時間，包括傳播延遲、處理延遲等。第2章信號與信道2.1信號的定義與分類2.1.1定義信號是攜帶信息的物理量，它可以通過各種方式在時間域或頻率域中表示。信號用于在通信系統中傳輸信息，是通信工程的基礎。2.1.2分類信號可分為以下幾種類型：（1）模擬信號：連續時間信號，其幅度隨時間連續變化。（2）數字信號：離散時間信號，其幅度在特定時間點取離散值。（3）周期信號：信號在一個周期內重復出現，具有周期性。（4）非周期信號：信號在時間軸上不具有重復性。2.2信號的基本運算2.2.1時域運算時域運算主要包括以下幾種：（1）信號的相加：兩個或多個信號在同一時間點的幅度相加。（2）信號的相乘：兩個信號在同一時間點的幅度相乘。（3）信號的延時：信號在時間軸上沿某一方向移動。（4）信號的翻轉：信號在時間軸上沿原點對稱翻轉。2.2.2頻域運算頻域運算主要包括以下幾種：（1）信號的傅里葉變換：將時域信號轉換為頻域信號。（2）信號的傅里葉逆變換：將頻域信號轉換回時域信號。（3）信號的頻譜分析：分析信號在不同頻率分量上的幅度和相位。2.3信道模型與信道特性2.3.1信道模型信道模型用于描述信號在傳輸過程中的變化。常見的信道模型有：（1）理想信道：無噪聲、無失真的信道。（2）有損信道：信號在傳輸過程中存在能量損耗。（3）帶限信道：限制信號傳輸的頻率范圍。2.3.2信道特性信道特性主要包括以下幾種：（1）信道帶寬：信道允許通過的頻率范圍。（2）信道增益：信號在信道中的增益或衰減。（3）信道噪聲：信道中存在的隨機干擾。（4）信道延遲：信號在信道中的傳輸延遲。（5）多徑效應：信號在傳播過程中，經過多個路徑到達接收端，導致信號相位、幅度和時延的變化。第3章模擬通信系統3.1幅度調制3.1.1幅度調制的基本原理幅度調制（AmplitudeModulation,AM）是一種常見的模擬通信方式，其主要思想是將信息信號的幅值變化映射到載波信號的幅值上。本章首先介紹幅度調制的基本原理，包括線性調制和非線性調制，重點討論線性幅度調制的過程。3.1.2幅度調制的方法本節介紹幅度調制的方法，包括雙邊帶調制、單邊帶調制和殘留邊帶調制。分析各種調制方法的優缺點及適用場景。3.1.3幅度調制系統的抗噪聲功能討論幅度調制系統的抗噪聲功能，分析信噪比、帶寬和調制方式對系統功能的影響。3.2頻率調制3.2.1頻率調制的基本原理頻率調制（FrequencyModulation,FM）是一種以載波頻率為基礎，根據信息信號的變化來改變載波頻率的模擬通信方式。本節介紹頻率調制的基本原理，包括調頻指數、頻偏等概念。3.2.2頻率調制的方法本節介紹頻率調制的方法，包括連續調頻、脈沖調頻等。分析各種調制方法的優缺點及適用場景。3.2.3頻率調制系統的抗噪聲功能討論頻率調制系統的抗噪聲功能，分析信噪比、帶寬和調制方式對系統功能的影響。3.3模擬信號的解調與檢測3.3.1解調原理解調（Demodulation）是調制的逆過程，本節介紹各種模擬信號的解調原理，包括同步解調和非同步解調。3.3.2檢測原理檢測是對接收信號進行處理，提取出原始信息的過程。本節介紹模擬信號的檢測原理，包括最大似然檢測、匹配濾波檢測等。3.3.3解調與檢測系統的功能分析分析解調與檢測系統的功能，包括誤碼率、抗噪聲功能等指標，并討論如何優化系統功能。第4章數字通信系統4.1數字通信系統的基本概念4.1.1數字通信系統的定義與分類數字通信系統是指利用數字信號進行信息傳輸的通信系統，主要包括模擬數字模擬（ADA）變換、數字信號處理、數字調制解調等技術。按照信號傳輸方式，可分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩大類。4.1.2數字通信系統的優勢數字通信系統相較于模擬通信系統，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、誤碼率低、易于加密等優點，因此在現代通信領域得到廣泛應用。4.2數字信號的基帶傳輸4.2.1基帶傳輸概述基帶傳輸是指將數字信號直接傳輸到信道中，不經過頻率變換的傳輸方式。基帶傳輸具有簡單、成本低等優點，但傳輸距離和速率受限。4.2.2數字基帶信號數字基帶信號是指在通信系統中，未經調制和頻譜搬移的原始數字信號。主要包括脈沖信號、方波信號、正弦波信號等形式。4.2.3基帶傳輸的信道編碼與解碼信道編碼是為了提高數字信號在傳輸過程中的可靠性和抗干擾能力，對原始數字信號進行編碼；解碼則是將接收到的編碼信號還原為原始數字信號。4.2.4基帶傳輸的信號處理技術基帶傳輸中的信號處理技術主要包括濾波、均衡、抽樣、量化等，目的是提高信號傳輸質量和效率。4.3數字信號的頻帶傳輸4.3.1頻帶傳輸概述頻帶傳輸是指將數字信號調制到高頻載波上，通過信道傳輸，到達接收端后進行解調的傳輸方式。頻帶傳輸具有傳輸距離遠、速率高等優點。4.3.2數字調制技術數字調制技術是將數字信號映射到載波信號上，主要有振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）、相位鍵控（PSK）等調制方式。4.3.3數字解調技術數字解調技術是將接收到的已調信號還原為原始數字信號的過程，主要包括同步解調、非同步解調等。4.3.4頻帶傳輸的信道特性頻帶傳輸中，信道特性對信號傳輸質量具有重要影響。主要信道特性包括信道帶寬、信道噪聲、信道衰減等。4.3.5頻帶傳輸中的信號處理技術頻帶傳輸中的信號處理技術包括信道估計、均衡、分集、編碼等，目的是提高信號傳輸的可靠性和效率。第5章數字信號處理技術5.1數字信號處理基礎數字信號處理（DigitalSignalProcessing,DSP）技術是通信工程中的關鍵技術之一。它通過對模擬信號進行采樣、量化處理，將其轉化為數字信號，進而利用數字信號處理技術進行分析、處理和優化。本節主要介紹數字信號處理的基礎知識。5.1.1采樣與量化（1）采樣：將模擬信號在時間上離散化，即以固定的時間間隔對模擬信號進行取值。（2）量化：將采樣后的信號在幅度上進行離散化，即把連續的幅度值劃分為有限個級別。5.1.2數字信號表示數字信號可以用離散時間序列表示，例如：x[n]，其中n表示時間索引。數字信號處理主要涉及以下幾種基本運算：（1）線性運算：包括信號的相加、標量乘法等。（2）非線性運算：包括信號的絕對值、冪運算等。（3）系數運算：包括信號的位移、尺度變換等。5.1.3Z變換與離散時間傅里葉變換Z變換是數字信號處理中的一種重要變換方法，用于分析離散時間信號在z域的性質。離散時間傅里葉變換（DiscreteTimeFourierTransform,DTFT）則是將時域信號轉換到頻域進行分析。5.2離散傅里葉變換與快速算法離散傅里葉變換（DiscreteFourierTransform,DFT）是數字信號處理中的核心算法，用于計算信號的頻譜。本節主要介紹DFT及其快速算法。5.2.1離散傅里葉變換DFT的基本思想是將時域信號分解為多個正弦波和余弦波的組合。DFT的數學表達式如下：$$X[k]=\sum_{n=0}^{N1}x[n]\cdote^{j\frac{2\pi}{N}kn}$$其中，$X[k]$表示頻域信號，$x[n]$表示時域信號，N為信號的長度。5.2.2快速傅里葉變換快速傅里葉變換（FastFourierTransform,FFT）是DFT的一種快速算法，其基本思想是將DFT分解為多個較小的DFT，從而減少計算量。FFT算法的核心是蝶形運算，其時間復雜度為$O(N\log_2N)$。5.3數字濾波器設計數字濾波器是數字信號處理中的重要組成部分，用于對信號進行濾波處理。本節主要介紹數字濾波器的設計方法。5.3.1數字濾波器類型根據濾波器的特性，數字濾波器可分為以下幾種類型：（1）低通濾波器：允許低頻信號通過，抑制高頻信號。（2）高通濾波器：允許高頻信號通過，抑制低頻信號。（3）帶通濾波器：允許一定頻率范圍內的信號通過，抑制其他頻率的信號。（4）帶阻濾波器：抑制一定頻率范圍內的信號，允許其他頻率的信號通過。5.3.2數字濾波器設計方法數字濾波器設計方法主要包括以下幾種：（1）窗函數法：通過窗函數對理想濾波器的沖擊響應進行截斷，得到實際的數字濾波器。（2）擬合法：根據給定的頻率響應，利用最小二乘等方法擬合出濾波器的系數。（3）模擬濾波器原型法：將模擬濾波器的原型轉換為數字濾波器，如巴特沃斯、切比雪夫等濾波器。通過以上介紹，本章對數字信號處理技術的基本概念、算法和應用進行了闡述。在實際通信工程中，數字信號處理技術發揮著重要作用，為信號的傳輸、處理和分析提供了有效手段。第6章通信系統的同步與載波恢復6.1同步技術6.1.1同步的概念與分類同步是通信系統中一個重要的技術環節，它保證了收發雙方在時間上的協調一致。同步可分為符號同步、幀同步和載波同步三大類。其中，符號同步是指接收方與發送方在單個符號上的時間對齊；幀同步是指在數據傳輸中，接收方與發送方在幀級別的時間對齊；載波同步則是指接收方與發送方的載波頻率與相位的一致。6.1.2同步的方法通信系統的同步方法主要包括以下幾種：插入導頻法、自同步法、輔助同步法和數字同步法。插入導頻法通過在發送信號中插入專門的同步信號，以便接收方提取同步信息；自同步法則依賴于信號本身的特性，通過接收信號的自相關性質實現同步；輔助同步法利用外部輔助信號實現同步；數字同步法則是在數字通信系統中，采用特定的同步序列進行同步。6.2載波恢復技術6.2.1載波恢復的概念載波恢復是接收方從接收信號中提取載波頻率和相位的過程，它是保證接收信號正確解調的關鍵技術。在數字通信系統中，載波恢復的精度直接影響到信號的誤碼率。6.2.2載波恢復的方法載波恢復的方法主要包括：非相干解調法、相干解調法和鎖相法。非相干解調法不對載波進行同步，適用于對同步要求不高的低速通信系統；相干解調法則要求接收方與發送方的載波同步，適用于高速通信系統；鎖相法則是通過鎖相環（PLL）實現對載波頻率和相位的跟蹤與恢復。6.3鎖相環與載波同步6.3.1鎖相環的原理鎖相環（PhaseLockedLoop,PLL）是一種反饋控制系統，用于實現信號的相位鎖定。鎖相環主要由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器組成。鑒相器比較輸入信號與本地振蕩器的相位差，產生誤差信號；環路濾波器對誤差信號進行濾波處理，減小噪聲和頻率波動的影響；壓控振蕩器根據濾波后的誤差信號調整其輸出頻率和相位，實現與輸入信號的相位鎖定。6.3.2鎖相環在載波同步中的應用鎖相環在載波同步中的應用主要有以下兩個方面：一是提取接收信號中的載波頻率和相位，實現載波的恢復；二是跟蹤發送端載波頻率的變化，保持接收端與發送端的載波同步。鎖相環具有很好的頻率跟蹤功能和相位鎖定能力，因此在高速通信系統中得到了廣泛應用。6.3.3鎖相環的設計與優化鎖相環的設計與優化是保證其功能的關鍵。主要考慮因素包括：鑒相器的設計、環路濾波器的設計和壓控振蕩器的功能。合理選擇鑒相器類型、環路濾波器參數和壓控振蕩器特性，可以實現對載波同步功能的優化，降低通信系統的誤碼率。第7章通信系統的多址技術7.1多址技術概述通信系統的多址技術是一種在多個用戶之間分配和共享通信資源的方法。它使得多個用戶可以同時使用同一信道進行通信，而不相互干擾。在本章中，我們將討論幾種常見的多址技術，包括頻分多址、時分多址和碼分多址。7.2頻分多址頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA）是一種將整個頻帶劃分為多個子頻帶，并將這些子頻帶分配給不同用戶的技術。每個用戶在整個通信過程中占用固定的頻帶寬度，從而實現多用戶之間的通信。7.2.1頻分多址的原理頻分多址技術將可用的頻譜資源劃分為多個子信道，每個子信道具有不同的頻率范圍。這些子信道之間保持一定的間隔，以避免相互干擾。每個用戶分配到一個子信道，在該信道上獨占傳輸，從而實現多用戶同時通信。7.2.2頻分多址的優點（1）簡化信號處理：由于每個用戶占用固定頻率的信道，因此信號處理較為簡單，易于實現。（2）信道穩定：在固定頻率下，信道特性相對穩定，有利于提高通信質量。7.3時分多址與碼分多址7.3.1時分多址時分多址（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA）是一種將時間分割為若干個時隙，并將這些時隙分配給不同用戶的技術。在TDMA系統中，多個用戶共享同一頻率，但在不同的時間進行通信。7.3.1.1時分多址的原理時分多址將時間劃分為固定長度的時隙，每個用戶在一個完整的幀周期內占用一個或多個時隙。通過這種方式，多個用戶可以輪流使用同一頻率資源，實現多用戶通信。7.3.1.2時分多址的優點（1）頻譜利用率高：多個用戶共享同一頻率，提高了頻譜利用率。（2）系統容量大：通過增加時隙數量，可以容納更多用戶。7.3.2碼分多址碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess,CDMA）是一種基于擴頻技術的多址方法。在CDMA系統中，每個用戶分配一個唯一的碼片序列，利用該序列對數據進行調制，實現多用戶在同一頻帶內同時傳輸。7.3.2.1碼分多址的原理碼分多址通過為每個用戶分配唯一的碼片序列，使得多個用戶可以在同一時間和同一頻率下進行通信。接收端根據碼片序列的差異來區分不同用戶的數據。7.3.2.2碼分多址的優點（1）抗干擾能力強：由于采用擴頻技術，信號在傳輸過程中具有較好的抗干擾功能。（2）系統容量大：碼分多址能夠實現多用戶在同一頻帶內同時通信，因此具有較大的系統容量。第8章通信系統的抗干擾技術8.1通信系統的干擾與噪聲通信系統在傳輸過程中，常常受到各種干擾與噪聲的影響，這些干擾與噪聲會影響通信信號的傳輸質量，甚至導致通信中斷。本節將對通信系統中的干擾與噪聲進行分析。8.1.1干擾類型通信系統的干擾可分為以下幾種類型：（1）自然干擾：如雷電、太陽黑子、宇宙射線等自然現象產生的干擾。（2）人為干擾：如電磁輻射、工業噪聲、交通工具等人為活動產生的干擾。（3）系統內部干擾：如通信設備內部的熱噪聲、散彈噪聲等。8.1.2噪聲類型通信系統中的噪聲可分為以下幾種類型：（1）熱噪聲：由電阻、電容等無源器件內部電子的熱運動引起的噪聲。（2）散彈噪聲：由電子器件內部載流子的隨機運動引起的噪聲。（3）閃爍噪聲：由光電子器件、真空器件等產生的噪聲。（4）人為噪聲：如電磁干擾、射頻干擾等。8.2信道編碼與誤碼糾正為了提高通信系統的抗干擾能力，信道編碼技術應運而生。信道編碼的主要目的是在傳輸過程中增加冗余信息，使得接收端能夠檢測并糾正一定數量的錯誤。8.2.1信道編碼原理信道編碼通過對原始數據添加冗余信息，使得傳輸數據具有一定的糾錯能力。常見的信道編碼方法有：漢明碼、循環冗余校驗（CRC）碼、卷積碼等。8.2.2誤碼糾正技術誤碼糾正技術主要包括以下幾種：（1）前向糾錯（FEC）：接收端利用編碼規則，對接收到的數據進行錯誤檢測和糾正。（2）自動重傳請求（ARQ）：發送端在發覺錯誤后，主動重傳錯誤數據。（3）混合糾錯：結合前向糾錯和自動重傳請求，提高通信系統的可靠性。8.3加密與解密技術為了保障通信系統的安全性，加密與解密技術在通信領域得到了廣泛應用。本節將介紹通信系統中的加密與解密技術。8.3.1加密技術加密技術是將原始數據（明文）轉換為不可識別的數據（密文）的過程。常見的加密算法有：對稱加密算法（如AES、DES等）、非對稱加密算法（如RSA、ECC等）和哈希算法（如SHA256等）。8.3.2解密技術解密技術是將加密后的數據（密文）恢復為原始數據（明文）的過程。解密過程需要使用相應的解密算法和密鑰。擁有合法密鑰的用戶才能成功解密數據，從而保障通信系統的安全性。通過本章的學習，讀者應掌握通信系統的抗干擾技術，包括信道編碼、誤碼糾正以及加密與解密技術，以提高通信系統的可靠性和安全性。第9章通信系統的功能評估9.1通信系統的誤碼功能9.1.1誤碼功能概述誤碼功能是評估通信系統傳輸質量的重要指標。在本節中，我們將討論誤碼功能的基本原理、評估方法和相關功能指標。9.1.2誤碼率誤碼率（BitErrorRate,