现代通信与雷达原理基础教程 课件 第1章 通信与雷达导论

通信与雷达系统概论第1章通信与雷达导论1.11.21.31.41.51.71.81.91.111.12信号频谱与信道通频带信息的度量与香农公式通信系统的性能指标及典型系统简介雷达的基本任务雷达的工作频率和技术参数雷达的分类及应用通信-雷达发展与展望主要内容通信及系统简介通信系统的分类与通信方式信号、噪声与干扰通信就是利用信号将包含信息的消息进行空间传递的过程。简单地说，通信就是信息的空间传递。1.1.1通信的基本概念信息是一切事物运动状态或存在方式的不确定性描述，是人们欲知或欲表达的事物运动规律，通常以消息的形式（例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等）表现出来。消息是信息的外在表现形式或信息的逻辑载体。信息是消息的内涵。信号是信息的载体，也就是说信息的传输需要借助信号的产生、传输和接收等过程来实现1.1通信及系统简介1.1.1通信的基本概念1.1通信及系统简介由于“交通”与“通信”具有较强的类比性，所以，可用一些交通运输（包括公路和铁路运输等）实例作为比较对象，比如，交通/通信、运输/传输、运载工具/信号、货物/信息、道路/信道等，有助于大家更透彻地理解通信原理中的许多概念和问题。1.1.2通信系统的概念及模型1.1通信及系统简介通信系统：用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合。通信系统的作用：就是将信息从信源传送到一个或多个目的地

（1）信息源(简称信源)是消息的发源地,其作用是把各种消息转换成原始电信号(称为消息信号或基带信号)。图中各部分的功能简述如下:根据消息种类的不同,信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源送出的是模拟信号,如麦克风(声音→音频信号)、摄像机(图像→视频信号)；数字信源输出离散的数字信号,如电传机(键盘字符→数字信号)、计算机等各种数字终端。并且,模拟信源送出的信号经数字化处理后也可送出数字信号。

（2）噪声源不是人为加入的设备,而是信道中的噪声以及通信系统其他各处噪声的集中表示。噪声通常是随机的,其形式是多种多样的,它的存在干扰了正常信号的传输。

（3）接收设备的功能是放大和反变换(如滤波、译码、解调等),其目的是从受到干扰和减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。

（4）受信者(信宿)是传送消息的目的地。其功能与信源相反,即将复原的原始电信号还原成相应的消息,如扬声器等。1.2.1通信系统的分类1.2通信系统的分类与通信方式典型模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。我们知道，信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为300~3400Hz，图像信号为0~6MHz。

由于这种信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号。

已调信号有三个基本特征：一是携带有信息，二是适合在信道中传输，三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。

模拟通信系统模型简介需要指出,消息从发送端到接收端的传递过程中,不仅仅只有连续消息与基带信号、基带信号与频带信号之间的两种变换,实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。

由于以上两种变换对信号的变化起决定性作用,而其他过程对信号不会发生质的变化,因此,本书中关于模拟通信系统的研究重点是:调制与解调原理以及噪声对信号传输的影响。数字通信系统模型简介典型数字通信系统模型

1)信源编码与译码信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。作用之二是模数转换，即当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。数字通信系统模型简介

2)信道编码与译码数字信号在信道传输时,由于噪声、衰落以及人为干扰等,将会引起差错。为了减小差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分(监督元)，组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码,从解码过程中发现错误或纠正错误,从而提高通信系统抗干扰能力,实现可靠通信。

3)数字调制与解调

数字通信的主要特点典型模拟和数字通信系统的信号传输过程模拟通信系统可认为是一种信号波形传输系统，而数字通信系统以及数据通信系统则是信号状态传输系统。两种通信系统信号传输示意图:除上述各种通信系统之外，还有根据业务种类和工作波段划分的通信系统，比如：电话通信系统、电报通信系统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统、长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、微波通信系统和光通信系统等。狭义信道：信号的传输介质；广义信道：传输介质(狭义信道)和信号必须经过的各种通信设备(发送机、接收机、调制器、解调器、放大器等)信道就是信号传输或经过的途径。或者说，信道就是为信号提供的传输通道。这与交通中的“道路、铁道和大气”类似。1.2.2信道和传输介质1.2.2信道和传输介质

调制信道：在具有调制和解调过程的任何一种通信方式中，从调制器的输出到解调器的输入之间的信号传输途径。

编码信道：从编码器的输出到解码器的输入之间的信号传输途径。

1.2.2信道和传输介质调制信道对信号的影响是通过乘性干扰及加性干扰使已调制信号发生模拟性的变化；而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列(产生误码)。

模拟信道：传输模拟信号的信道(模拟信号经过的途径)。

数字信道：传输数字信号的信道(数字信号经过的途径)。传输介质

可以传播（传输）电信号（光信号）的物质。

分类：有线介质和无线介质。有线介质有线介质通常指双绞线、同轴电缆、架空明线、多芯电缆和光纤。1.2.2信道和传输介质双绞线(TwistedPair)

类型:屏蔽型（STP）和非屏蔽型(UTP)。1.2.2信道和传输介质有线介质同轴电缆(CoaxialCable)分类：基带电缆和宽带电缆。基带同轴电缆：用于直接传输数字数据信号；宽带同轴电缆：用于传输高频信号。基带电缆的传输距离≤几Km;宽带电缆的传输距离≤几十km。1.2.2信道和传输介质有线介质3.

光纤(OpticalFiber)

直径为50～100μm的、柔软的、能传导光波的介质，由玻璃和塑料构成，使用超高纯度石英玻璃制作的光纤具有最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包层包住，就可以构成一条光通道.外面再加一保护套，即构成一单芯光导纤维电缆－单芯光缆。1.2.2信道和传输介质有线介质无线介质主要是指可以传输电磁波（类比飞机），即无线电波和光波的空间或大气。主要由无线电波和光波作为传输载体。1.2.2信道和传输介质无线介质

无线电波的传播方式主要有：

地面波传播：即无线电波沿地球表面传播。

天波传播：利用电离层对电波的一次或多次反射进行的远距离传播。

地-电离层波导传播：电波在从地球表面至低电离层下缘之间的球壳形空间(地-电离层波导)内的传播。

视距传播：直射波传播，大地反射波传播

1.2.2信道和传输介质无线介质直射波传播：由发射天线辐射的电波像光线一样按直线传播，直接传到接收点；大地反射波传播：由发射天线发射、经地面反射到达接收点；散射传播：利用对流层或电离层介质中的不均匀体或流星余迹对无线电波的散射作用而进行的传播。外大气层及行星际空间电波传播：以宇宙飞船，人造地球卫星或星体为对象，在地-空，空-空之间进行的电波传播。1.2.2信道和传输介质无线介质频段名称频率范围波长范围波段名称传输介质用途甚低频VLF3Hz～30kHz108～104m甚长波有线线对长波无线电音频、电话、数据终端、长距离导航、时标低频LF30KHz～300KHz104～103m长波导航、信标、电力线通信中频MF300KHz～3MHz103～102m中波同轴电缆中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电通信高频HF3MHz～30MHz102～10m短波同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播、军用定点通信、业余无线电通信甚高频VHF30MHz～300MHz10～1m超短波同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航特高频UHF300MHz～3GHz1m～10cm微波波导分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信专用短程通信、微波炉、蓝牙技术超高频SHF3GHz～30GHz10～1cm波导厘米波无线电微波接力、雷达、卫星和空间通信、专用短程通信极高频EHF30GHz～300GHz1cm～1mm波导毫米波无线电微波接力、雷达、射电天文学紫外线、红外线、可见光105～107GHz3×10-4～3×10-6cm光波光纤激光空间传播光通信补充内容：频率资源划分表补充内容：无线电波传播方式按通信对象数量分按信号传输方向与时间分按通信终端连接方式分按数字信号传输顺序分按同步方式分点到点通信点到多点通信多点到多点通信单工通信半双工通信双工通信两点间直通方式两点间交换方式串行通信并行通信同步通信异步通信通信方式：通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传输方式。它是通信各方在通信实施之前必须首先确定的问题。根据不同的标准，通信方式也有多种分类法，具体如表1-1。1.2.3通信方式1.2.3通信方式1.3信号、噪声与干扰信号是消息的物理载体，通常以某种客观物理量、客观现象、符号或语言文字等形式表现出来。信号必须具有可观测性、可变化性，而用于通信的信号还必须具有可控制性。对于电通信系统而言，信号可定义为：能够表示消息的电压、电流和无线电波统称为电信号。而能够携带消息的光波称为光信号。1.3.1信号信号可以按信息载体的不同进行分类

电信号：电压信号、电流信号、电荷信号和电磁波(无线电)信号。

光信号：利用光亮度的强弱来携带信息的。信号可以按信息的内容分类

语音信号、图片信号、活动图像(视频)信号、文字信号、数据信号等。信号可以按信号的调制方式分类

基带信号：未经调制的信号；

已调信号：经过某种调制的信号；

1.3.1信号按信号的特征分类

模拟信号：参量(因变量)取值随时间(自变量)的连续变化而连续变化的信号；离散信号：在时间上取离散值的信号；数字信号：用参量的有限个取值携带消息的信号叫做数字信号。1.3.1信号按传输介质的不同分类

有线信号：通过导线(电缆)或光缆进行传输的信号；

无线信号：利用无线电波、激光、红外线等进行传输的信号；按信号变化的特点分类

周期信号：信号的变化按一定规律重复出现的信号。

非周期信号：除周期信号外的所有信号。按信号的变化规律分类确定信号：变化规律是已知的；随机信号：变化规律是未知的。1.3.1信号

噪声：不携带有用信息的信号。1.3.2噪声按来源分按表现形式分按对信号的作用形式分自然噪声人为噪声内部噪声单频噪声脉冲噪声起伏噪声加性噪声乘性噪声表1.3.1常见的噪声分类自然噪声：指存在于自然界的各种电磁波。人为噪声：来源于人类的各种活动。

1.3.2噪声38

内部噪声：通信系统设备内部由元器件本身产生的热噪声、散弹噪声及电源噪声等。

单频噪声是一种以某一固定频率出现的连续波噪声，如50Hz的交流电噪声。脉冲噪声是一种随机出现的无规律噪声，如闪电、车辆通过时产生的噪声。起伏噪声主要是内部噪声，而且是一种随机噪声。

高斯噪声：服从高斯分布的噪声；

白噪声：噪声的功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的；

带限噪声：不是白色噪声的噪声，也称有色噪声。

高斯白噪声：统计特性服从高斯分布、功率谱密度均匀分布的噪声。1.3.2噪声1.3.2干扰1.4.1信号频谱的概念1.4信号频谱与信道通频带

信号的频谱通常，我们习惯于在时间域(简称时域)考虑问题，研究函数(信号)幅度(因变量)与时间(自变量)的关系。而在通信领域我们常常需要了解信号幅度和相位与频率(自变量)之间的关系。也就是说，要在频率域(简称频域)中研究信号。任意一个满足狄里赫利条件的周期信号f(t)(实际工程中所遇到的周期信号一般都满足)可用三角函数信号的线性组合来表示，即:

1.周期信号的频谱式中1.4.1信号频谱的概念表明任何满足狄里赫利条件的周期函数可分解为直流和各次谐波分量之和。第一项是常数项，是在一周期内的平均值，表示信号所具有的直流分量。第二项称为基波或一次谐波，它的角频率与周期信号的角频率相同。是基波振幅，是基波初相角。称为次谐波是次谐波振幅，是其初相角。1.4.1信号频谱的概念1.4.1信号频谱的概念可见谐波次数取得越高，近似程度越好。由此得出结论，基波决定信号的大体形状，谐波改变信号的“细节”。

若把图1.4.1反过来理解，就是低通滤波的概念。比如对于信号（d），若用低通滤波器将7次谐波滤掉，就会得到信号（c）；若将所有谐波滤掉，就得到基波信号（a）。也就是说，低通滤波可以去除高频纹波或抖动，起到圆滑波形的作用。1.4.1信号频谱的概念根据欧拉公式，有把称为的频谱函数，其实部称为幅频函数，虚部称为相频函数。1.4.1信号频谱的概念周期信号的频谱具有以下几个特点：（1）（谱线只出现在基波频率的整数倍处，即各次谐波点上，具有非周期性、离散性的特点。而谱线的间隔就是基频（2）各次谐波振幅（即谱线的高低）的总变化规律是随着谐波次数的增加而逐渐减小。（3）各次谐波振幅随频率的衰减速度与原始信号的波形有关。即时域波形变化越慢，频谱的高次谐波衰减越快，高频成分越少。反之，时域波形变化越剧烈，频谱中该次谐波分越多，衰减越慢。总之，周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性三大特点。因此，周期越大，谱线越密。也就是单位频带中谐波个数越多。1.4.1信号频谱的概念对于一个周期为的周期信号，如果令其周期为无穷大，则该周期信号就变成一个只含一个周期波形的非周期信号。2.非周期信号的频谱1.4.1信号频谱的概念傅里叶变换对1.4.1信号频谱的概念我们知道无论是一个周期信号还是一个非周期信号都可在频域进行研究分析。对于周期信号，借助傅里叶级数可得到与该信号相对应的频谱函数；而对于一个非周期信号，可用傅里叶变换求得该信号的频谱函数F(ω)。与F(ω)虽然都叫频谱函数，但概念不一样。1.4.1信号频谱的概念对于非周期信号，根据频谱宽度我们把信号分为：

频带有限信号(简称带限信号)；

频带无限信号；频带有限信号又包括：

低通型信号：频谱从零开始到某一个频率截止，信号能量集中在从直流到截止频率的频段上，由于频谱从直流开始；带通型信号：频谱存在于从不等于零的某一频率到另一个较高频率的频段。1.4.1信号频谱的概念任何一个信道不管是一个设备、一个电路或是一个传输介质，对信号的传输都有影响，除线路损耗之外，还主要表现在两个方面：对不同频率信号的幅度衰减，通常是传输信号的频率越高，信道对信号的衰减越大；对不同频率信号的延迟；频响特性(频率特性)：当把输入信号的频率从小到大连续改变时，所对应的信道输出信号与频率的关系；

幅频特性：当把输入信号的频率从小到大连续改变时，所对应的信道输出信号与幅值频率的关系；1.4.2信道通频带频率响应曲线：把输出信号的幅值与频率的变化曲线叫做频率响应曲线。通频带：以输出信号幅度的最大值为标准(一般是频响曲线中心频率所对应的值)，定义输出幅值下降到最大值的70%时所对应的两个频率之间的频段。第1章通信与通信系统的基本概念1.4.2信道通频带信息量与事件概率之间的关系式为:式中，P表示某事件发生的概率，I为从该事件发生的信息中得到的信息量。1.5信息的度量与香农公式

信息量：能够衡量信息多少的物理量。通常用I表示。1.5.1信息及其度量1.5.2香农公式

由香农公式可以看出：对于一定的信道容量C来说，信道带宽B、信号噪声功率比S/N及传输时间三者之间可以互相转换。若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。如果信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少，等等。如果信道容量C给定，互换前的带宽和信号噪声功率比分别为B1和S1/N1，互换后的带宽和信号噪声功率比分别为B2和S2/N2，则有B1log2(1+S1/N1)=B2log2(1+S2/N2)1.5.3香农公式的应用

由于信道的噪声单边功率谱密度n0往往是给定的，所以上式也可写成例如：设互换前信道带宽B1=3kHz，希望传输的信息速率为104b/s。为了保证这些信息能够无误地通过信道，则要求信道容量至少要104b/s才行。互换前，在3kHz带宽情况下，使得信息传输速率达到104b/s，要求信噪比S1/N1≈9倍。如果将带宽进行互换，设互换后的信道带宽B2=10kHz。这时，信息传输速率仍为104b/s，则所需要的信噪比S2/N2=1倍。可见，信道带宽B的变化可使输出信噪功率比也变化，而保持信息传输速率不变。这种信噪比和带宽的互换性在通信工程中有很大的用处。例如，在宇宙飞船与地面的通信中，飞船上的发射功率不可能做得很大，因此可用增大带宽的方法来换取对信噪比要求的降低。相反，如果信道频带比较紧张，如有线载波电话信道，这时主要考虑频带利用率，可用提高信号功率来增加信噪比，或采用多进制的方法来换取较窄的频带。

前面我们讨论的是带宽和信噪比的互换。此外，带宽或信噪比与传输时间也存在着互换关系。

1.7.1传输速率

码元传输速率RBd简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为Bd。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400Bd。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:1.7通信系统的性能指标及典型通信系统简介

通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制的一个码元可以用log2M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：

RBd2=RBdMlog2

M(Bd)

信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即

Rb=RB·H(b/s)

式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。等概传输时，熵有最大值log2M，信息速率也达到最大，即Rb=RB

log2

M(b/s)

式中，M为符号的进制数。例如码元速率为1200Bd，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。

频带利用率η比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即

数字信号的传输带宽B取决于码元速率RB，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为

1.7.2.差错率

误码率（码元差错率）Pe是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即

误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即

显然，在二进制中有

Pb=Pe

1.7.3典型通信系统简介1）大规模MIMO技术

2）认知无线电网络技术

3）移动基站技术

4）绿色通信技术

6）无线网络技术

5）超密组网技术

1.8雷达的基本任务什么是雷达（radar）？RadioDetectionandRanging无线电探测与测距雷达的作用测量目标的距离、方位和仰角N测量目标的速度提供目标的其他信息形态、表面信息等应用载体：地面、汽车、舰船、飞机、卫星探测目标：飞机、导弹、人造卫星、舰艇、车辆、建筑、山川、云雨工作原理：目标对电磁波的反射（二次散射）现象，以此发现目标并测定其位置发展历史：制造雷达成为可能军事需求促进发展功能要求日益提高应用范围日趋扩大30年代二战期间上世纪50～60年代上世纪70年代以后雷达回波中的可用信息雷达回波中的可用信息距离和空间角度目标位置变化（时间变化规律）目标尺寸和形状（分辨率）目标形状的对称性（极化）表面粗糙度及介电特性雷达坐标系αβ球（极）坐标系斜距R，雷达到目标的直线距离方位角α，目标斜距R在水平面上的投影OB与某起始方向（参考方向）在水平面上的夹角仰角β，目标斜距R与其在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角圆柱坐标系水平距离：D=Rcosβ高度：H=Rsinβ方位角：α=αα1.9雷达的工作频率和技术参数只要是通过辐射电磁能量，利用从目标反射回来的回波对目标探测和定位，都属于雷达系统的工作范畴。常用雷达工作频率范围：220MHz～35GHz天波超视距雷达（OTHR）：4MHz～5MHz地波超视距雷达：2MHz毫米波雷达：94GHz雷达频段划分和对应频率战术参数：与战术使用有关的参数技术参数：分配到雷达各组成部分的技术指标战术参数通常包括：威力范围、威力范围内的多目标探测能力、精度（测量值与真实值之间的最小误差）、分辨能力（所能区分的最小目标空间范数值）、抗干扰能力、体积、重量、功耗、展开时间、无故障工作时间、故障恢复时间等等。技术参数通常包括：雷达天线、发射机、接收机等技术指标。如：天线波束形状、天线增益及扫描方式、工作带宽、频率范围、工作方式、接收机灵敏度、发射功率、发射信号形式等。1.11雷达的分类及应用按应用平台分按作用分军用民用按信号形式分按角度跟踪分按测量目标的参量分按信号处理方式分按天线扫描方法分按雷达的应用分类太空，空中，地面，海上（空基，地基，海基）探测，定位，跟踪预警雷达（超远程雷达）；搜索和警戒雷达；火控雷达；制导雷达；战场监视雷达