深入浅出通信原理

陈爱军，1997年毕业于西安交大无线电专业，进入华为公司，迄今已逾20年。先后从事GSM、CDMA、WiMAX、LTE等无线产品研发工作。对无线和数据通信原理有深刻理解，在公司内举办无线通信原理、CDMA原理、OFDM原理、TCP性能分析及应用等课程几十场，受到大家的一致好评。2010年开始在通信人家园论坛bbs.c114.net上连载“深入浅出通信原理”原创帖，受到广大在校通信专业师生和业内人士的热烈欢迎，迄今为止的访问量已经超过800万人次。

适读人群 ：高等院校通信专业本科生和研究生、在职的电信行业工程师

通信人家园论坛总点击量800万的神帖，七年磨一剑，被网友称为通信界的《明朝那些事儿》。比《大话通信》《大话无线通信》《大话移动通信》更基础全面的计算机IT学科普及书。

作者的话

“深入浅出通信原理”系列连载于2010 年4 月8 日在通信人家园论坛上线，受到广大网友的热烈欢迎。很多网友回帖表示肯定和支持，也给了不少改进建议。例如，有网友反馈：连载讲了很多通信原理的知识点，每个知识点以图文并茂的方式讲得很清楚，但这些知识点在通信系统的哪个地方会用到缺少必要的说明，希望能够出书，对通信原理知识进行更系统、更全面的介绍。
为了将连载的内容集结成书，我利用周末和节假日的时间，以通信系统模型为主线，对连载内容进行了系统梳理和查缺补漏，补充了信源编码、信道编码、天线技术、复用和多址技术等方面的很多内容。
经过多年的酝酿和积累，《深入浅出通信原理》这本书终于即将出版了。2017年8 月14 日是我进入华为工作满20 周年的日子，《深入浅出通信原理》这本书的出版也算是我20 年工作和学习的经验总结，非常具有纪念意义。

前言
随着电话和互联网的普及，特别是手机和移动互联网的普及，越来越多的人接触到通信，不少人都想搞清楚通信的基本原理，找一些通信原理方面的书来看，但很多书中充斥的大量繁杂的数学公式让很多人望而却步。
和大家一样，我在学习通信原理的过程中也遇到了同样的困难，大家一定很好奇我是如何克服这些困难的，下面我就对自己学习通信原理的经历和体会做一个介绍，希望对大家学好通信原理有所启发。
一、通信原理学习经历
说起通信，作为一名“70后”，我接触通信的时间最早可以追溯到小学的时候。家里有一台熊猫牌电子管收音机，后来又新买了一台红灯牌电子管收音机，如图1所示。

图1 熊猫牌和红灯牌电子管收音机
低年级时我特别喜欢收听小喇叭节目，听孙敬修老爷爷讲故事，“嗒嘀嗒，嗒嘀嗒，小喇叭开始广播了”至今还在耳边回响。到了高年级之后，收听最多的节目就是单田芳老师讲的评书，每次还没听够呢，一句“欲知后事如何，且听下回分解”就结束了。
我的父亲是一名复员军人，在部队当兵时自学了无线电技术，经常为邻居修理收音机等家用电器。家里常年订阅《无线电》和《家用电器》杂志，如图2所示。

图2 《无线电》和《家用电器》杂志
受父亲影响，我从小就对无线电产生了浓厚的兴趣，很想搞清楚声音是怎么从广播台传到收音机并通过喇叭播放出来的。虽然通过初中和高中物理课学了一些电压、电流、电阻、电容、电感等电路知识和电磁学方面的知识，但我的疑惑还是没能完全解开。于是高考填报志愿时几个志愿全部填了与无线电技术相关的专业，最终如愿考入西安交大信息与控制工程系无线电专业。
当时对无线电的认识也就是无线电广播和电视，想着大学毕业后回家搞家电维修去。正是因为这个想法，我参加了学校的电子学会，把大学期间的大部分课余时间都花在帮同学和老师修单放机、电视机方面了。当时大家都是使用单放机来听音乐和学英语，最常见的单放机牌子要数索尼和爱华，如图3所示。

图3 索尼和爱华单放机
大二时一次偶然的机会，从即将毕业的学长摆的旧书摊上买到了一本《电子世界》的创刊号，发现这本杂志对三极管等电子技术知识讲得通俗易懂，我如饥似渴地把从创刊号开始的每一期杂志全部搜集齐了来看，如图4所示。

图4 《电子世界》杂志
也正是通过《电子世界》这本杂志，我第一次接触到了四位单片机，搞清楚了单片机的工作原理，后来一鼓作气把大四才学的8031单片机原理给学完了。这为我后来毕业被华为录取埋下了伏笔——画出8031最小系统并讲清楚工作原理就是1997年应聘华为时面试官楚庆给我出的一道题。当然单放机和电视维修所展现的动手能力也为我应聘进华为起了很大作用。
进入华为后，最初在无线业务部从事GSM硬件开发工作，开发基站控制器BSC上的单板。当时的BSC是基于C&C08交换机开发的，主管尹志刚给我安排了一项任务：给1998年报到的无线新员工讲C&C08交换机工作原理。说老实话，虽然大学时学过程控交换原理，但当时真没理解，以七号信令系统为例，只知道它是通信系统的神经系统，由于根本没接触过实际的通信设备，根本不知道说的是啥，为了准备那次培训，我找了大量培训咨料来学习，包括C&C08硬件总体架构，主控板、时钟板、信令板、中继板、用户板、交换网板等各种单板（如图5所示）的功能介绍和配置方法，电话网组网，电话区号编码，打通电话的流程等。结合大学学过的理论知识，我终于把程控交换原理彻底搞清楚了。
至今我还记得那次培训，培训时间为1998年9月22日。我清楚地记得，那次培训的结尾我讲了一个例子，从我的老家吉林延边拨打深圳的电话，中间途经了哪些设备，电话是如何一步一步接续成功的。培训结束时我说：今天正好是我进无线业务部满一年的日子，很高兴有这样一个机会给大家分享我对C&C08交换机的理解，你们在这么短的时间内就掌握了我花了半年时间才搞清楚的知识，相信你们在无线业务部工作满一年时会有更大收获！令我没有想到的是，多年以后还有人记得那次培训。一次偶遇同事谢寿波，他说，“我参加过1998年的那次培训，那是我加入华为进入无线业务部参加的第一个培训，至今仍记忆犹新，通过那次培训我真正搞明白了程控交换原理，受益匪浅！”听了他的话我非常感动。

图5 C&C08交换机机柜和单板配置
后来随着计算机和互联网的普及，开始接触到上网。当时想上网，除了要有计算机以外，还要买一个猫(MODEM)接到计算机的串口上，再买一张上网卡，凭卡上的账号和密码拨号上网，如图6所示。

图6 拨号上网示意图
当时的上网速率一般只有33.6kbit/s，后来出现一种56k MODEM，最高速率可以达到56kbit/s。我特别想搞清楚为什么一般MODEM上网速率最高只能达到33.6kbit/s，而56k MODEM最高能达到56kbit/s。可惜由于当时掌握的知识太有限，没能搞明白这些问题，直到去年处理一个机顶盒通过MODEM与服务器通信的问题时才彻底弄明白了这些问题。
2003年我转入新成立的CDMA解决方案测试部，负责终端兼容性测试。让我感到郁闷的是，每次发现异常都要找同事来帮忙分析跟踪到的信令信息，定位问题出在哪儿了，麻烦别人次数多了，自己都觉得不好意思了。为了系统地熟悉信令流程，部门领导邓泰华安排我到CBSC产品测试部做了半年的产品测试，在凌湘寿的指导下，我把CDMA标准信令流程（如图7所示）和CBSC内部各模块的信令处理流程都搞得一清二楚，从那之后我终于可以做到对信令流程问题不求人了！

图7 移动台发起呼叫信令流程图
再后来我转入CDMA性能测试组，做性能算法测试，开始定位一些数据传输速率方面的问题。速率低时首先看的就是Ec/Io，但Ec/Io到底是什么一直没搞清楚。另外，码分多址是什么？码分多址是利用扩频通信实现的，扩频通信的原理是什么？为什么CDMA频谱占用的带宽是1.23MHz？为什么CDMA 1X的速率可以达到153.6kbit/s？等等，有太多的问题没弄明白。
考虑到很多问题都与频谱有关，我决定把频谱作为一个切入点来研究。频谱与傅里叶系数和傅里叶变换有关。虽然大学时学过信号与系统，知道傅里叶级数展开和傅里叶变换，但说老实话，当时没有真正学明白，例如，为什么会有负频率？复信号是如何在通信系统中传输的？这些很基本的问题以前都没搞清楚。真心感谢万能的互联网，让我搜索到了西安电子科技大学陈怀琛老师的文章《负频率频谱究竟有没有物理意义》和西安理工大学张华容老师的文章《为“复信号”正名之辩》，才终于弄明白了负频率和复信号的物理意义。
但是对于复信号表达式中的虚数j，我一直耿耿于怀。虚数是高中解一元三次方程组时，为了给j的平方等于-1一个解而引入的，j的意义到底是什么压根没有说清楚。一次逛书店时我偶然发现了《虚数的故事》这本书。此书对虚数的来龙去脉进行了系统的介绍，我终于弄清楚了虚数j的物理意义：一个复数与j相乘就相当于这个复数对应的向量在复平面上逆时针旋转90?。搞清楚这一点后，j2=-1就很好解释了，如图8所示。

图8 为什么虚数j的平方等于-1
学习傅里叶级数展开时，我发现：两个周期信号相乘可以转化为两个多项式相乘，多项式的系数就是傅里叶系数。再结合“两个多项式乘积的系数等于这两个多项式系数的卷积”（如图9所示），得到：两个周期信号相乘相当于这两个周期信号的傅里叶系数做卷积！

图9 两个多项式乘积的系数等于两个多项式系数的卷积
我以“深入浅出通信原理”为题，把这个发现分享到通信人家园论坛（http://bbs.c114.net/thread-394879-1-1.html），受到大量网友的围观，大家都说第一次看到这么直观地利用多项式乘法来理解《信号与系统》中所讲的“时域相乘相当于频域卷积”，激发了很多人学习通信原理的兴趣。
从那以后，每天下班回家，就算再晚我也要研究一个通信原理的小知识点并分享到通信人家园论坛，逐渐形成了一个系列连载。不断增加的访问量和网友的肯定与支持大大激发了我的学习热情，我对通信原理的深入研究一发不可收拾。
数据传输速率问题除了涉及无线通信原理外，还涉及数据通信原理，我利用业余时间对数据通信原理进行了深入研究，包括以太网交换机、路由器等数通设备的工作原理，互联网上广泛使用的TCP/IP协议、HTTP协议、FTP协议等，搞清楚了客户端、交换机、路由器、服务器的协议栈等，如图10所示。

图10 客户、交换机、路由器、服务器的协议栈
由于掌握的知识比较全面，从客户端、终端、基站、核心网到服务器，从信令面到用户面，从物理层、链路层、传输层到应用层，出现数据传输速率问题时，我总能在大家走投无路时找到突破点，连公司的IT部门遇到疑难问题时都来找我帮忙解决，就这样我逐步在公司范围内树立了自己的专家形象和技术影响力。
上面讲了我研究通信原理的过程。下面针对很多人提的通信原理太难学、没时间学的问题谈一下我的经验和体会。
二、通信原理的学习经验和体会
关于通信原理难学的问题，我的建议如下所述。
（1）多问几个为什么。一定要保持你的好奇心。天天挂在嘴边的词你不一定真正懂了，要多问一些为什么，要有打破砂锅问到底的精神。例如CDMA中的Ec/Io，不要以为理解为接收信号强度就算明白了，要进一步问问：Ec是什么，Io又是什么？如图11所示。

图11 Ec/Io的含义是什么？
（2）透过公式看本质。非常复杂的公式背后往往隐藏了很简单的道理。学好通信原理的关键就在于透过公式看本质，千万不要被繁杂的公式蒙蔽了双眼。
例如：傅里叶级数展开式

看着很复杂，实质上就是将周期信号分解成一系列旋转向量之和，各旋转向量的角速度分别为，t=0时刻的初始向量就是傅里叶系数ck，如图12所示。

图12 三维频谱
（3）以不变应万变。虽然移动通信技术的发展日新月异，从2G、3G到4G，4G还没商用多久，5G又要来了，但是移动通信系统的端到端网络架构变化不大，基本保持着客户端+终端+基站+传输+核心网+互联网+服务器的形态，如图13所示。

图13 移动通信系统端到端网络架构
（4）利用工具辅助学习。在学习通信原理过程中，我发现Matlab是一个很好的工具，不但支持仿真，还可以将很多表达式以二维或三维曲线方式呈现出来，使枯燥的式子变得非常直观而有趣，于是我自学了Matlab，并使用Matlab画图来辅助理解通信原理。另外，学习数据通信协议时，利用Wireshark抓包和分析也是一种效果很好的学习方法。
利用Matlab进行频谱分析和利用Wireshark进行抓包分析的界面如图14所示。

图14 利用Matlab和Wireshark学习通信原理
（5）化繁为简。把一个大目标分解成很多小目标，把复杂的通信原理知识分解成一个一个小的知识点，这样每个知识点就没那么难了，如图15所示。

图15 把一个问题层层分解成多个小知识点
（6）简单的事情重复做。坚持每天研究一个小知识点，长年累月积累起来，最终会实现从量变到质变。关于这一点，跟着“深入浅出通信原理”系列连载（如图16所示）学习通信原理的网友很有体会，每次发一个连载，有些网友说内容少、不过瘾，坚持学下来才发现不知不觉学了很多知识。

图16 “深入浅出通信原理”系列连载
（7）多看书。很多人说“书非借不能读也”，我觉得此言差矣。建议大家有时间多转转实体书店或网上书店，发现好书之后立即买下来，否则过几年等你想看时再买，很有可能就买不到了。网友推荐给我的好书中就有几本买不到了，很可惜。我的部分藏书如图17所示。

图17 部分藏书
（8）多记笔记。好记性不如烂笔头，注意把想明白的问题随手记录下来，做成笔记。一来避免自己忘记；二来便于回过头去翻阅和查找。
（9）多总结。没有总结就没有提高。通过归纳总结可以发现自己还有哪些东西没搞懂，把没搞懂的东西弄懂，技术水平自然就提高了。
（10）多分享。总结的东西要多分享。分享的形式很多，讲课、论坛发帖、写博客等，都可以，总之不要捂在自己手里。分享之后会有很多人问你问题，可以检验你是否真明白了。如果答不上来，赶紧去学习。学习明白了，你就又进步了。
关于没有时间学习通信原理的问题，我不是太认同。“时间是弹簧，你弱它就强”。当你坐公交车时，当你等电梯时，当你躺在床上睡不着觉时，你在干什么？相信很多人都在看手机！有时间刷朋友圈，没时间学通信原理？大家相信吗？反正我不信！建议大家把碎片化的时间利用起来学习通信原理。
上面讲了我的技术成长经历，还谈了我学习通信原理的一些经验和体会。下面对本书的成书过程做一下简要介绍。
三、成书过程
“深入浅出通信原理”系列连载于2010年4月8日在通信人家园论坛上线，受到广大网友的热烈欢迎。很多网友回帖表示肯定和支持，也给了不少改进建议。例如，有网友反馈：连载讲了很多通信原理的知识点，每个知识点以图文并茂的方式讲得很清楚，但这些知识点在通信系统的哪个地方会用到缺少必要的说明，希望能够出书，对通信原理知识进行更系统、更全面的介绍。
为了将连载的内容集结成书，我利用周末和节假日的时间，以通信系统模型为主线，对连载内容进行了系统梳理和查缺补漏，补充了信源编码、信道编码、天线技术、复用和多址技术等方面的很多内容。
经过多年的酝酿和积累，《深入浅出通信原理》这本书终于即将出版了。2017年8月14日是我进入华为工作满20周年的日子，《深入浅出通信原理》这本书的出版也算是我20年工作和学习的经验总结，非常具有纪念意义。
四、致谢
最后我要向为本书出版做出贡献的家人、朋友和同事致谢！
感谢我的父亲！没有您的潜移默化，我不可能喜欢上无线电，更不可能进入通信行业。
感谢我的父母、老婆和孩子！谢谢你们对我出书的大力支持、为我写书创造的良好环境！同时也请你们原谅，我把很多本该陪伴你们的时间都用来研究通信原理了。
谢谢通信人家园论坛，特别是通信原理与基础版的版主！谢谢你们搭建了一个很好的通信原理学习和交流的平台，没有这个平台，就没有“深入浅出通信原理”系列连载，更不会创造单帖800 万人次的阅读量！
感谢本书策划编辑刘洋老师！“深入浅出通信原理”在通信人家园论坛开始连载以后，是您第一时间与我联系出书事宜，和我一起讨论本书的定位和读者群，确定本书的主要内容和主体框架。是您作为本书的策划和第一位读者，提出了很多非常专业的改进建议！把连载的帖子转化成书要补充很多新内容，由于我投入写书的时间有限，导致书稿的交稿时间一拖再拖，有几次我自己都想撂挑子不干了，是您一直不离不弃，动之以情、晓之以理，鼓励我把书写完。可以毫不夸张地说，没有您就不会有《深入浅出通信原理》这本书！
感谢华为无线网络业务部人力资源部部长孙承，谢谢您极力推荐我负责《无线通信原理基础》MOOC 课程内容的开发！还要感谢MOOC课程线上培训的助教季超老师，感谢参加MOOC课程线上培训的所有华为同事！MOOC课程的主要内容取自本书初稿，你们反馈的建议使本书内容得以进一步完善。
感谢《大话无线通信》的作者丁奇！谢谢您为本书提出的非常有价值的改进建议！
感谢通信人家园论坛的广大网友！没有你们的肯定、支持和鼓励，这本书不可能出版！

陈爱军
2017年10月

目 录

第1章 通信原理概述 1
1.1 什么是通信 1
一、广义的通信 1
二、狭义的通信 2
1.2 什么是通信系统 2
一、有线模拟通信系统 3
二、无线模拟通信系统 4
三、有线数字通信系统 5
四、无线数字通信系统 10
1.3 通信系统模型 10
一、信源和信宿 11
二、信道 12
三、发信机和收信机 12
1.4 信道 13
一、有线信道 13
二、无线信道 15
1.5 信号变换 19
一、信源编码 19
二、信道编码和交织 19
三、脉冲成形 20
四、调制 21
五、天线技术 24
1.6 复用和多址技术 25
一、复用技术 26
二、多址技术 26
第2章 信号与频谱 27
2.1 概述 27
2.2 正弦信号 28
一、正弦信号的波形 28
二、正弦信号的特性 29
2.3 复指数信号 32
一、欧拉公式 32
二、如何理解复数 33
三、如何理解复信号 36
四、复指数信号的特性 41
2.4 信号的相和相位 42
一、概述 42
二、什么是Phase 43
三、月亮的相和相位 43
四、什么是相 46
五、什么是相位 47
六、什么是相位差 55
七、波的干涉 61
2.5 信号的分解与合成 65
一、正弦信号作为基本信号 65
二、复指数信号作为基本信号 69
2.6 周期信号的傅里叶级数展开 76
一、傅里叶级数展开的定义 76
二、傅里叶级数展开的几何意义 76
三、傅里叶系数计算公式 77
四、方波信号的傅里叶系数 77
五、周期矩形信号的傅里叶系数 79
2.7 周期信号的离散谱 80
一、两类频谱 80
二、常用周期信号的频谱 82
2.8 非周期信号的连续谱 90
一、非周期矩形脉冲信号的离散谱 90
二、非周期矩形脉冲信号的连续谱 92
2.9 傅里叶变换 94
一、傅里叶正变换 94
二、傅里叶逆变换 95
三、傅里叶变换 96
四、非周期信号的傅里叶变换 97
五、周期信号的傅里叶变换 100
六、傅里叶变换的对称性 105
七、延迟信号的傅里叶变换 108
八、信号乘积的傅里叶变换 110
九、信号卷积的傅里叶变换 128
2.10 离散傅里叶变换 137
一、离散傅里叶正变换 137
二、离散傅里叶逆变换 148
第3章 信道 153
3.1 噪声和干扰 153
3.2 信道带宽 153
3.3 信道容量 154
3.4 移动衰落信道 155
一、路径损耗 155
二、大尺度衰落 156
三、小尺度衰落 156
第4章 信源编码 169
4.1 模/数转换 169
一、采样 169
二、量化 177
三、编码 180
四、实现 181
4.2 音频编码 186
一、G.711 PCM 186
二、RPE-LPT 186
三、AMR-NB 187
四、AMR-WB 187
4.3 视频编码 188
一、概述 188
二、模/数转换 190
三、视频压缩 194
第5章 信道编码与交织 201
5.1 FEC 201
一、重复码 201
二、分组码 202
三、卷积码 206
5.2 交织 218
一、交织 218
二、去交织 219
5.3 反馈重传 219
一、ARQ 219
二、HARQ 220
三、HARQ+ARQ 220
第6章 基带信号的发送和接收 221
6.1 脉冲成形 221
一、矩形脉冲 221
二、sinc脉冲 223
6.2 基带滤波器 224
一、理想低通滤波器 224
二、升余弦滚降滤波器 225
6.3 眼图 229
一、什么是眼图 229
二、眼图的生成原理 229
第7章 频带信号的发送和接收 234
7.1 模拟调制 234
一、标准幅度调制 235
二、双边带调制 239
三、单边带调制 243
四、IQ调制 247
7.2 数字调制 251
一、数字调制 251
二、PSK调制 251
三、QAM调制 253
四、数字调制的实现 254
五、星座图 263
六、数字调制的映射关系 266
七、调制效率 269
7.3 变频技术 270
一、直接变频 270
二、间接变频 272
三、数字变频 275
四、带通采样 276
第8章 天线技术 284
8.1 天线的功能 284
8.2 电磁波辐射原理 284
一、辐射能力与导线形状的关系 285
二、辐射能力与导线长度的关系 285
8.3 半波对称振子 285
8.4 全向天线 286
8.5 定向天线 287
8.6 多天线技术 287
一、分集技术 287
二、MIMO 289
三、波束赋形 306
第9章 复用和多址技术 312
9.1 TDM/TDMA 312
一、概念 312
二、实现 313
三、应用 313
9.2 FDM/FDMA 314
一、概念 314
二、实现 315
三、应用 316
9.3 OFDM/OFDMA 316
一、概念 316
二、实现 318
三、应用 327
9.4 CDM/CDMA 327
一、概念 327
二、实现 328
三、应用 338
第10章 通信系统性能评估 340
10.1 通信系统性能指标 340
10.2 模拟通信系统 340
一、概述 341
二、有效性 341
三、可靠性 341
10.3 数字通信系统 342
一、概述 342
二、有效性 345
三、可靠性 347
参考文献 350