通信與雷達系統概論第1章通信與雷達導論1.11.21.31.41.51.71.81.91.111.12信號頻譜與信道通頻帶信息的度量與香農公式通信系統的性能指標及典型系統簡介雷達的基本任務雷達的工作頻率和技術參數雷達的分類及應用通信-雷達發展與展望主要內容通信及系統簡介通信系統的分類與通信方式信號、噪聲與干擾通信就是利用信號將包含信息的消息進行空間傳遞的過程。簡單地說，通信就是信息的空間傳遞。1.1.1通信的基本概念信息是一切事物運動狀態或存在方式的不確定性描述，是人們欲知或欲表達的事物運動規律，通常以消息的形式（例如語音、文字、音樂、數據、圖片或活動圖像等）表現出來。消息是信息的外在表現形式或信息的邏輯載體。信息是消息的內涵。信號是信息的載體，也就是說信息的傳輸需要借助信號的產生、傳輸和接收等過程來實現1.1通信及系統簡介1.1.1通信的基本概念1.1通信及系統簡介由于“交通”與“通信”具有較強的類比性，所以，可用一些交通運輸（包括公路和鐵路運輸等）實例作為比較對象，比如，交通/通信、運輸/傳輸、運載工具/信號、貨物/信息、道路/信道等，有助于大家更透徹地理解通信原理中的許多概念和問題。1.1.2通信系統的概念及模型1.1通信及系統簡介通信系統：用于進行通信的設備硬件、軟件和傳輸介質的集合。通信系統的作用：就是將信息從信源傳送到一個或多個目的地

（1）信息源(簡稱信源)是消息的發源地,其作用是把各種消息轉換成原始電信號(稱為消息信號或基帶信號)。圖中各部分的功能簡述如下:根據消息種類的不同,信源可分為模擬信源和數字信源。模擬信源送出的是模擬信號,如麥克風(聲音→音頻信號)、攝像機(圖像→視頻信號)；數字信源輸出離散的數字信號,如電傳機(鍵盤字符→數字信號)、計算機等各種數字終端。并且,模擬信源送出的信號經數字化處理后也可送出數字信號。

（2）噪聲源不是人為加入的設備,而是信道中的噪聲以及通信系統其他各處噪聲的集中表示。噪聲通常是隨機的,其形式是多種多樣的,它的存在干擾了正常信號的傳輸。

（3）接收設備的功能是放大和反變換(如濾波、譯碼、解調等),其目的是從受到干擾和減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。

（4）受信者(信宿)是傳送消息的目的地。其功能與信源相反,即將復原的原始電信號還原成相應的消息,如揚聲器等。1.2.1通信系統的分類1.2通信系統的分類與通信方式典型模擬通信系統模型模擬通信系統是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統。我們知道，信源發出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300~3400Hz，圖像信號為0~6MHz。

由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸的信號，并可在接收端進行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調制器和解調器。經過調制以后的信號稱為已調信號。

已調信號有三個基本特征：一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調信號又稱頻帶信號。

模擬通信系統模型簡介需要指出,消息從發送端到接收端的傳遞過程中,不僅僅只有連續消息與基帶信號、基帶信號與頻帶信號之間的兩種變換,實際通信系統中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。

由于以上兩種變換對信號的變化起決定性作用,而其他過程對信號不會發生質的變化,因此,本書中關于模擬通信系統的研究重點是:調制與解調原理以及噪聲對信號傳輸的影響。數字通信系統模型簡介典型數字通信系統模型

1)信源編碼與譯碼信源編碼的作用之一是設法減少碼元數目和降低碼元速率，即通常所說的數據壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。作用之二是模數轉換，即當信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼器將其轉換成數字信號，以實現模擬信號的數字化傳輸。數字通信系統模型簡介

2)信道編碼與譯碼數字信號在信道傳輸時,由于噪聲、衰落以及人為干擾等,將會引起差錯。為了減小差錯，信道編碼器對傳輸的信息碼元按一定的規則加入保護成分(監督元)，組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規則進行解碼,從解碼過程中發現錯誤或糾正錯誤,從而提高通信系統抗干擾能力,實現可靠通信。

3)數字調制與解調

數字通信的主要特點典型模擬和數字通信系統的信號傳輸過程模擬通信系統可認為是一種信號波形傳輸系統，而數字通信系統以及數據通信系統則是信號狀態傳輸系統。兩種通信系統信號傳輸示意圖:除上述各種通信系統之外，還有根據業務種類和工作波段劃分的通信系統，比如：電話通信系統、電報通信系統、廣播通信系統、電視通信系統、數據通信系統、長波通信系統、中波通信系統、短波通信系統、微波通信系統和光通信系統等。狹義信道：信號的傳輸介質；廣義信道：傳輸介質(狹義信道)和信號必須經過的各種通信設備(發送機、接收機、調制器、解調器、放大器等)信道就是信號傳輸或經過的途徑。或者說，信道就是為信號提供的傳輸通道。這與交通中的“道路、鐵道和大氣”類似。1.2.2信道和傳輸介質1.2.2信道和傳輸介質

調制信道：在具有調制和解調過程的任何一種通信方式中，從調制器的輸出到解調器的輸入之間的信號傳輸途徑。

編碼信道：從編碼器的輸出到解碼器的輸入之間的信號傳輸途徑。

1.2.2信道和傳輸介質調制信道對信號的影響是通過乘性干擾及加性干擾使已調制信號發生模擬性的變化；而編碼信道對信號的影響則是一種數字序列的變換，即把一種數字序列變成另一種數字序列(產生誤碼)。

模擬信道：傳輸模擬信號的信道(模擬信號經過的途徑)。

數字信道：傳輸數字信號的信道(數字信號經過的途徑)。傳輸介質

可以傳播（傳輸）電信號（光信號）的物質。

分類：有線介質和無線介質。有線介質有線介質通常指雙絞線、同軸電纜、架空明線、多芯電纜和光纖。1.2.2信道和傳輸介質雙絞線(TwistedPair)

類型:屏蔽型（STP）和非屏蔽型(UTP)。1.2.2信道和傳輸介質有線介質同軸電纜(CoaxialCable)分類：基帶電纜和寬帶電纜。基帶同軸電纜：用于直接傳輸數字數據信號；寬帶同軸電纜：用于傳輸高頻信號?；鶐щ娎|的傳輸距離≤幾Km;寬帶電纜的傳輸距離≤幾十km。1.2.2信道和傳輸介質有線介質3.

光纖(OpticalFiber)

直徑為50～100μm的、柔軟的、能傳導光波的介質，由玻璃和塑料構成，使用超高純度石英玻璃制作的光纖具有最低的傳輸損耗。在折射率較高的單根光纖外面，再用折射率較低的包層包住，就可以構成一條光通道.外面再加一保護套，即構成一單芯光導纖維電纜－單芯光纜。1.2.2信道和傳輸介質有線介質無線介質主要是指可以傳輸電磁波（類比飛機），即無線電波和光波的空間或大氣。主要由無線電波和光波作為傳輸載體。1.2.2信道和傳輸介質無線介質

無線電波的傳播方式主要有：

地面波傳播：即無線電波沿地球表面傳播。

天波傳播：利用電離層對電波的一次或多次反射進行的遠距離傳播。

地-電離層波導傳播：電波在從地球表面至低電離層下緣之間的球殼形空間(地-電離層波導)內的傳播。

視距傳播：直射波傳播，大地反射波傳播

1.2.2信道和傳輸介質無線介質直射波傳播：由發射天線輻射的電波像光線一樣按直線傳播，直接傳到接收點；大地反射波傳播：由發射天線發射、經地面反射到達接收點；散射傳播：利用對流層或電離層介質中的不均勻體或流星余跡對無線電波的散射作用而進行的傳播。外大氣層及行星際空間電波傳播：以宇宙飛船，人造地球衛星或星體為對象，在地-空，空-空之間進行的電波傳播。1.2.2信道和傳輸介質無線介質頻段名稱頻率范圍波長范圍波段名稱傳輸介質用途甚低頻VLF3Hz～30kHz108～104m甚長波有線線對長波無線電音頻、電話、數據終端、長距離導航、時標低頻LF30KHz～300KHz104～103m長波導航、信標、電力線通信中頻MF300KHz～3MHz103～102m中波同軸電纜中波無線電調幅廣播、移動陸地通信、業余無線電通信高頻HF3MHz～30MHz102～10m短波同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播、軍用定點通信、業余無線電通信甚高頻VHF30MHz～300MHz10～1m超短波同軸電纜米波無線電電視、調頻廣播、空中管制、車輛通信、導航特高頻UHF300MHz～3GHz1m～10cm微波波導分米波無線電電視、空間遙測、雷達導航、點對點通信、移動通信專用短程通信、微波爐、藍牙技術超高頻SHF3GHz～30GHz10～1cm波導厘米波無線電微波接力、雷達、衛星和空間通信、專用短程通信極高頻EHF30GHz～300GHz1cm～1mm波導毫米波無線電微波接力、雷達、射電天文學紫外線、紅外線、可見光105～107GHz3×10-4～3×10-6cm光波光纖激光空間傳播光通信補充內容：頻率資源劃分表補充內容：無線電波傳播方式按通信對象數量分按信號傳輸方向與時間分按通信終端連接方式分按數字信號傳輸順序分按同步方式分點到點通信點到多點通信多點到多點通信單工通信半雙工通信雙工通信兩點間直通方式兩點間交換方式串行通信并行通信同步通信異步通信通信方式：通信雙方(或多方)之間的工作形式和信號傳輸方式。它是通信各方在通信實施之前必須首先確定的問題。根據不同的標準，通信方式也有多種分類法，具體如表1-1。1.2.3通信方式1.2.3通信方式1.3信號、噪聲與干擾信號是消息的物理載體，通常以某種客觀物理量、客觀現象、符號或語言文字等形式表現出來。信號必須具有可觀測性、可變化性，而用于通信的信號還必須具有可控制性。對于電通信系統而言，信號可定義為：能夠表示消息的電壓、電流和無線電波統稱為電信號。而能夠攜帶消息的光波稱為光信號。1.3.1信號信號可以按信息載體的不同進行分類

電信號：電壓信號、電流信號、電荷信號和電磁波(無線電)信號。

光信號：利用光亮度的強弱來攜帶信息的。信號可以按信息的內容分類

語音信號、圖片信號、活動圖像(視頻)信號、文字信號、數據信號等。信號可以按信號的調制方式分類

基帶信號：未經調制的信號；

已調信號：經過某種調制的信號；

1.3.1信號按信號的特征分類

模擬信號：參量(因變量)取值隨時間(自變量)的連續變化而連續變化的信號；離散信號：在時間上取離散值的信號；數字信號：用參量的有限個取值攜帶消息的信號叫做數字信號。1.3.1信號按傳輸介質的不同分類

有線信號：通過導線(電纜)或光纜進行傳輸的信號；

無線信號：利用無線電波、激光、紅外線等進行傳輸的信號；按信號變化的特點分類

周期信號：信號的變化按一定規律重復出現的信號。

非周期信號：除周期信號外的所有信號。按信號的變化規律分類確定信號：變化規律是已知的；隨機信號：變化規律是未知的。1.3.1信號

噪聲：不攜帶有用信息的信號。1.3.2噪聲按來源分按表現形式分按對信號的作用形式分自然噪聲人為噪聲內部噪聲單頻噪聲脈沖噪聲起伏噪聲加性噪聲乘性噪聲表1.3.1常見的噪聲分類自然噪聲：指存在于自然界的各種電磁波。人為噪聲：來源于人類的各種活動。

1.3.2噪聲38

內部噪聲：通信系統設備內部由元器件本身產生的熱噪聲、散彈噪聲及電源噪聲等。

單頻噪聲是一種以某一固定頻率出現的連續波噪聲，如50Hz的交流電噪聲。脈沖噪聲是一種隨機出現的無規律噪聲，如閃電、車輛通過時產生的噪聲。起伏噪聲主要是內部噪聲，而且是一種隨機噪聲。

高斯噪聲：服從高斯分布的噪聲；

白噪聲：噪聲的功率譜密度在整個頻率范圍內都是均勻分布的；

帶限噪聲：不是白色噪聲的噪聲，也稱有色噪聲。

高斯白噪聲：統計特性服從高斯分布、功率譜密度均勻分布的噪聲。1.3.2噪聲1.3.2干擾1.4.1信號頻譜的概念1.4信號頻譜與信道通頻帶

信號的頻譜通常，我們習慣于在時間域(簡稱時域)考慮問題，研究函數(信號)幅度(因變量)與時間(自變量)的關系。而在通信領域我們常常需要了解信號幅度和相位與頻率(自變量)之間的關系。也就是說，要在頻率域(簡稱頻域)中研究信號。任意一個滿足狄里赫利條件的周期信號f(t)(實際工程中所遇到的周期信號一般都滿足)可用三角函數信號的線性組合來表示，即:

1.周期信號的頻譜式中1.4.1信號頻譜的概念表明任何滿足狄里赫利條件的周期函數可分解為直流和各次諧波分量之和。第一項是常數項，是在一周期內的平均值，表示信號所具有的直流分量。第二項稱為基波或一次諧波，它的角頻率與周期信號的角頻率相同。是基波振幅，是基波初相角。稱為次諧波是次諧波振幅，是其初相角。1.4.1信號頻譜的概念1.4.1信號頻譜的概念可見諧波次數取得越高，近似程度越好。由此得出結論，基波決定信號的大體形狀，諧波改變信號的“細節”。

若把圖1.4.1反過來理解，就是低通濾波的概念。比如對于信號（d），若用低通濾波器將7次諧波濾掉，就會得到信號（c）；若將所有諧波濾掉，就得到基波信號（a）。也就是說，低通濾波可以去除高頻紋波或抖動，起到圓滑波形的作用。1.4.1信號頻譜的概念根據歐拉公式，有把稱為的頻譜函數，其實部稱為幅頻函數，虛部稱為相頻函數。1.4.1信號頻譜的概念周期信號的頻譜具有以下幾個特點：（1）（譜線只出現在基波頻率的整數倍處，即各次諧波點上，具有非周期性、離散性的特點。而譜線的間隔就是基頻（2）各次諧波振幅（即譜線的高低）的總變化規律是隨著諧波次數的增加而逐漸減小。（3）各次諧波振幅隨頻率的衰減速度與原始信號的波形有關。即時域波形變化越慢，頻譜的高次諧波衰減越快，高頻成分越少。反之，時域波形變化越劇烈，頻譜中該次諧波分越多，衰減越慢?？傊?，周期信號的頻譜具有離散性、諧波性和收斂性三大特點。因此，周期越大，譜線越密。也就是單位頻帶中諧波個數越多。1.4.1信號頻譜的概念對于一個周期為的周期信號，如果令其周期為無窮大，則該周期信號就變成一個只含一個周期波形的非周期信號。2.非周期信號的頻譜1.4.1信號頻譜的概念傅里葉變換對1.4.1信號頻譜的概念我們知道無論是一個周期信號還是一個非周期信號都可在頻域進行研究分析。對于周期信號，借助傅里葉級數可得到與該信號相對應的頻譜函數；而對于一個非周期信號，可用傅里葉變換求得該信號的頻譜函數F(ω)。與F(ω)雖然都叫頻譜函數，但概念不一樣。1.4.1信號頻譜的概念對于非周期信號，根據頻譜寬度我們把信號分為：

頻帶有限信號(簡稱帶限信號)；

頻帶無限信號；頻帶有限信號又包括：

低通型信號：頻譜從零開始到某一個頻率截止，信號能量集中在從直流到截止頻率的頻段上，由于頻譜從直流開始；帶通型信號：頻譜存在于從不等于零的某一頻率到另一個較高頻率的頻段。1.4.1信號頻譜的概念任何一個信道不管是一個設備、一個電路或是一個傳輸介質，對信號的傳輸都有影響，除線路損耗之外，還主要表現在兩個方面：對不同頻率信號的幅度衰減，通常是傳輸信號的頻率越高，信道對信號的衰減越大；對不同頻率信號的延遲；頻響特性(頻率特性)：當把輸入信號的頻率從小到大連續改變時，所對應的信道輸出信號與頻率的關系；

幅頻特性：當把輸入信號的頻率從小到大連續改變時，所對應的信道輸出信號與幅值頻率的關系；1.4.2信道通頻帶頻率響應曲線：把輸出信號的幅值與頻率的變化曲線叫做頻率響應曲線。通頻帶：以輸出信號幅度的最大值為標準(一般是頻響曲線中心頻率所對應的值)，定義輸出幅值下降到最大值的70%時所對應的兩個頻率之間的頻段。第1章通信與通信系統的基本概念1.4.2信道通頻帶信息量與事件概率之間的關系式為:式中，P表示某事件發生的概率，I為從該事件發生的信息中得到的信息量。1.5信息的度量與香農公式

信息量：能夠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香農公式

由香農公式可以看出：對于一定的信道容量C來說，信道帶寬B、信號噪聲功率比S/N及傳輸時間三者之間可以互相轉換。若增加信道帶寬，可以換來信號噪聲功率比的降低，反之亦然。如果信號噪聲功率比不變，那么增加信道帶寬可以換取傳輸時間的減少，等等。如果信道容量C給定，互換前的帶寬和信號噪聲功率比分別為B1和S1/N1，互換后的帶寬和信號噪聲功率比分別為B2和S2/N2，則有B1log2(1+S1/N1)=B2log2(1+S2/N2)1.5.3香農公式的應用

由于信道的噪聲單邊功率譜密度n0往往是給定的，所以上式也可寫成例如：設互換前信道帶寬B1=3kHz，希望傳輸的信息速率為104b/s。為了保證這些信息能夠無誤地通過信道，則要求信道容量至少要104b/s才行。互換前，在3kHz帶寬情況下，使得信息傳輸速率達到104b/s，要求信噪比S1/N1≈9倍。如果將帶寬進行互換，設互換后的信道帶寬B2=10kHz。這時，信息傳輸速率仍為104b/s，則所需要的信噪比S2/N2=1倍。可見，信道帶寬B的變化可使輸出信噪功率比也變化，而保持信息傳輸速率不變。這種信噪比和帶寬的互換性在通信工程中有很大的用處。例如，在宇宙飛船與地面的通信中，飛船上的發射功率不可能做得很大，因此可用增大帶寬的方法來換取對信噪比要求的降低。相反，如果信道頻帶比較緊張，如有線載波電話信道，這時主要考慮頻帶利用率，可用提高信號功率來增加信噪比，或采用多進制的方法來換取較窄的頻帶。

前面我們討論的是帶寬和信噪比的互換。此外，帶寬或信噪比與傳輸時間也存在著互換關系。

1.7.1傳輸速率

碼元傳輸速率RBd簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內傳輸碼元的數目，單位是波特（Baud），記為Bd。例如，若1秒內傳2400個碼元，則傳碼率為2400Bd。數字信號有多進制和二進制之分，但碼元速率與進制數無關，只與傳輸的碼元長度T有關:1.7通信系統的性能指標及典型通信系統簡介

通常在給出碼元速率時，有必要說明碼元的進制。由于M進制的一個碼元可以用log2M個二進制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M進制的碼元速率RBM與二進制的碼元速率RB2之間有以下轉換關系：

RBd2=RBdMlog2

M(Bd)

信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時間內傳遞的平均信息量或比特數，單位是比特/秒，可記為bit/s，或b/s，或bps。每個碼元或符號通常都含有一定bit數的信息量，因此碼元速率和信息速率有確定的關系，即

Rb=RB·H(b/s)

式中，H為信源中每個符號所含的平均信息量（熵）。等概傳輸時，熵有最大值log2M，信息速率也達到最大，即Rb=RB

log2

M(b/s)

式中，M為符號的進制數。例如碼元速率為1200Bd，采用八進制（M=8）時，信息速率為3600b/s；采用二進制（M=2）時，信息速率為1200b/s，可見，二進制的碼元速率和信息速率在數量上相等，有時簡稱它們為數碼率。

頻帶利用率η比較不同通信系統的有效性時，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應看在這樣的傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度。所以，真正衡量數字通信系統傳輸效率的應當是單位頻帶內的碼元傳輸速率，即

數字信號的傳輸帶寬B取決于碼元速率RB，而碼元速率和信息速率Rb有著確定的關系。為了比較不同系統的傳輸效率，又可定義頻帶利用率為

1.7.2.差錯率

誤碼率（碼元差錯率）Pe是指發生差錯的碼元數在傳輸總碼元數中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統中被傳錯的概率，即

誤信率（信息差錯率）Pb是指發生差錯的比特數在傳輸總比特數中所占的比例，即

顯然，在二進制中有

Pb=Pe

1.7.3典型通信系統簡介1）大規模MIMO技術

2）認知無線電網絡技術

3）移動基站技術

4）綠色通信技術

6）無線網絡技術

5）超密組網技術

1.8雷達的基本任務什么是雷達（radar）？RadioDetectionandRanging無線電探測與測距雷達的作用測量目標的距離、方位和仰角N測量目標的速度提供目標的其他信息形態、表面信息等應用載體：地面、汽車、艦船、飛機、衛星探測目標：飛機、導彈、人造衛星、艦艇、車輛、建筑、山川、云雨工作原理：目標對電磁波的反射（二次散射）現象，以此發現目標并測定其位置發展歷史：制造雷達成為可能軍事需求促進發展功能要求日益提高應用范圍日趨擴大30年代二戰期間上世紀50～60年代上世紀70年代以后雷達回波中的可用信息雷達回波中的可用信息距離和空間角度目標位置變化（時間變化規律）目標尺寸和形狀（分辨率）目標形狀的對稱性（極化）表面粗糙度及介電特性雷達坐標系αβ球（極）坐標系斜距R，雷達到目標的直線距離方位角α，目標斜距R在水平面上的投影OB與某起始方向（參考方向）在水平面上的夾角仰角β，目標斜距R與其在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角圓柱坐標系水平距離：D=Rcosβ高度：H=Rsinβ方位角：α=αα1.9雷達的工作頻率和技術參數只要是通過輻射電磁能量，利用從目標反射回來的回波對目標探測和定位，都屬于雷達系統的工作范疇。常用雷達工作頻率范圍：220MHz～35GHz天波超視距雷達（OTHR）：4MHz～5MHz地波超視距雷達：2MHz毫米波雷達：94GHz雷達頻段劃分和對應頻率戰術參數：與戰術使用有關的參數技術參數：分配到雷達各組成部分的技術指標戰術參數通常包括：威力范圍、威力范圍內的多目標探測能力、精度（測量值與真實值之間的最小誤差）、分辨能力（所能區分的最小目標空間范數值）、抗干擾能力、體積、重量、功耗、展開時間、無故障工作時間、故障恢復時間等等。技術參數通常包括：雷達天線、發射機、接收機等技術指標。如：天線波束形狀、天線增益及掃描方式、工作帶寬、頻率范圍、工作方式、接收機靈敏度、發射功率、發射信號形式等。1.11雷達的分類及應用按應用平臺分按作用分軍用民用按信號形式分按角度跟蹤分按測量目標的參量分按信號處理方式分按天線掃描方法分按雷達的應用分類太空，空中，地面，海上（空基，地基，?；┨綔y，定位，跟蹤預警雷達（超遠程雷達）；搜索和警戒雷達；火控雷達；制導雷達；戰場監視雷達