通信原理重点知识总结.docx
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通信原理重点知识总结
第一章绪论
1、通信的目的：
传递消息中所包含的信息。
2、信息：
是消息中包含的有效内容
3、模拟信号信号的参量取值是连续（不可数、无穷多）的（抽样信号未量化仍为模拟信号）
数字信号信号的参量取值是可数的有限的
4、按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统；按照传输媒介、通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统
5、模拟消息原始电信号（基带信号）；基带信号已调制信号（带通信号）
6、数字通信系统模型
信源编码与译码目的：
①提高信息传输的有效性②完成模/数转换
信道编码与译码目的：
增强抗干扰能力，提高可靠性
基本的数字调控方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对（差分）相移键控（DPSK）
按同步的公用不同，分为载波同步、位同步、群（帧）同步、网同步
7、数字通信的特点
优点
①抗干扰能力强，且噪声不积累
②传输差错可控
③便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。
（便于将来自不同信源的信号综合到一起传输）
④易于集成，使通信设备微型化，重量轻
⑤易于加密处理，且保密性好
缺点：
①需要较大的传输带宽
②对同步要求高
8、按信号复用方式分类：
频分复用、时分复用、码分复用
按信号特征分类：
模拟通信系统和数字通信系统
按传输媒介分类：
有线通信系统和无线通信系统
频分复用是用频谱搬移的方法是不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同的信号占据不同的时间区间；码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同的信号。
9、单工、半双工和全双工通信
单工通信：
消息只能单方向传输的工作方式
半双工通信：
通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式
全双工通信：
通信双方可同时进行收发消息的工作方
10、信息及其度量
P（x）表示信息发生的概率，I表信息中所含的信息量
上式中对数的底：
若a=2，信息量的单位称为比特（bit），可简记为b
若a=e，信息量的单位称为奈特（nat），
若a=10，信息量的单位称为哈特莱（Hartley）。
通常广泛使用的单位为比特，这时有
【例1】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为
在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特。
若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为
若M是2的整幂次，即M=2k，则有
当M=4时，即4进制波形，I=2比特，
当M=8时，即8进制波形，I=3比特。
【例2】对于非等概率情况
设：
一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi（i=1,2,3,…,M）按一定的概率P（xi）独立出现，即
，且有
则x1,x2,x3,…,xM所包含的信息量分别为
于是，每个符号所含平均信息量为
由于H（x）同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵
【例3】一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。
试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。
【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量
每个符号的算术平均信息量为
若用熵的概念来计算：
则该消息的信息量
以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。
前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。
这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。
当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。
11、通信系统主要性能指标
通信系统的主要性能指标：
有效性和可靠性
有效性：
指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。
可靠性：
指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。
12、模拟通信系统：
有效性：
可用有效传输频带来度量。
可靠性：
可用接收端最终输出信噪比来度量。
13、数字通信系统
有效性：
用传输速率和频带利用率来衡量。
（1）码元传输速率RB：
定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。
式中T－码元的持续时间（秒）
（2）信息传输速率Rb：
定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为b/s，或bps。
（简称传信率、比特率）
码元速率和信息速率的关系
或
对于二进制数字信号：
M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。
对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200B，，则信息速率为3600b/s。
（3）频带利用率：
定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即
或
可靠性：
用差错率来衡量，差错率常用误码率和误信率表示。
（1）误码率Pe
（2）误信率（又称误比特率）
在二进制中有
第二章确知信号
1、确知信号：
是指其取值在任何时间都是确定的可预知的信号
2、确知信号的类型
按照周期性：
周期信号非周期信号
按照能量是否有限：
能量信号功率信号
若信号s（t）的能量等于一个有限正直，且平均功率为零，则称s（t）为能量有限信号，简称能量信号，其特征：
信号的振幅和持续时间均有限，非周期性。
若信号s（t）的平均功率等于一个有限正值，且能量为无穷大，则称s（t）为功率有限信号，简称功率信号，其特征：
信号的持续时间无限。
第三章随机过程
1、通信系统中常见的热噪声近似为白噪声，且热噪声的取值恰好服从高斯分布。
2、白噪声n（t）
定义：
功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声，即
－双边功率谱密度
或
－单边功率谱密度
式中n0－正常数
第四章信道
1、按照媒质的不同，信道可以分为两大类：
无线信道和有线信道。
2、根据难距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为地波、天波（电离层反射波）和视线传播三种。
视线传播：
频率>30MHz
距离:
和天线高度有关
式中，D–收发天线间距离（km）。
[例]若要求D=50km，则由式（4.1-3）
3、多径效应：
信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。
多径传播对信号的影响称为多径效应。
4、信号包络因传播有了起伏的现象成为衰落；多径效应引起的衰落成为快衰落，由季节天气引起的衰落成为慢衰落。
5、衰落和频率相关，称其为频率选择性衰落，将（1/τ）HZ称为次两条路径的相关带宽。
6、为使信号基本不受多径传播的影响，要求信号的带宽小于多径信道的相关带宽（1/τm）。
7、连续信道容量
（1）可以证明
式中Ct－信道的容量
S－信号平均功率（W）；
N－噪声功率（W）；
B－带宽（Hz）。
设噪声单边功率谱密度为n0，则N=n0B；
故上式可以改写成：
由上式可见，连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。
（2）当S↑或N↓，S/N↑,Ct↑
当S，或n00时S/N，Ct。
B↑,Ct↑但是，当B时，Ct将趋向何值？
令：
x=S/n0B，上式可以改写为：
利用关系式
上式变为
上式表明，当给定S/n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S/n0的1.44倍。
这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。
（3）Ct和带宽B的关系曲线：
上式还可以改写成如下形式：
式中Eb－每比特能量；
Tb=1/B－每比特持续时间。
上式表明，为了得到给定的信道容量Ct，可以增大带宽B以换取Eb的减小；另一方面，在接收功率受限的情况下，由于Eb=STb，可以增大Tb以减小S来保持Eb和Ct不变。
【例4.6.2】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。
若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。
【解】因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量为
Ip=-log2（1/8）=3（b/pix）（4.6-18）
并且每帧图像的信息量为
IF=300,0003=900,000（b/F）（4.6-19）
因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为
Rb=900,00025=22,500,000=22.510^6（b/s）（4.6-20）
信道的容量Ct必须不小于此Rb值。
将上述数值代入式：
得到22.5106=Blog2（1+1000）9.97B
最后得出所需带宽
B=（22.5106）/9.972.26（MHz）
第5章模拟调制系统
1基本概念
调制－把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。
广义调制－分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。
狭义调制－仅指带通调制。
在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。
调制信号－指来自信源的基带信号
载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。
载波－未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。
已调信号－载波受调制后称为已调信号。
解调（检波）－调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。
2、调制的目的
①提高无线通信时的天线辐射效率。
②把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。
③扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。
3、调制方式
模拟调制数字调制
常见的模拟调制
幅度调制：
调幅、双边带、单边带和残留边带
角度调制：
频率调制、相位调制
在频谱结构上，幅度调制的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移（精确到常数因子）。
由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。
①调幅时域表达式
②双边带调制时域表达式
③单边带调制时域表达式
式中，“－”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。
希尔伯特变换：
上式中Amsinmt可以看作是Amcosmt相移/2的结果。
把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为“^”，则有
这样，上式可以改写为
把上式推广到一般情况，则得到
④残留边带滤波器的特性：
H（）在c处必须具有互补对称（奇对称）特性,相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。
⑤相干解调器原理：
为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。
⑥小信噪比时的门限效应
当（Si/Ni）低于一定数值时，解调器的输出信噪比（So/No）急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。
门限值－出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值，记为（Si/Ni）b。
4非线性调制（角度调制）原理
①角度调制与幅度调制不同的是，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。
②与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能；代价是角度调制占用比幅度调制信号更宽的带宽。
5、去加重就是在解调器输出端接一个传输特性随频率增加而滚降的线性网络Hd（f），将调制频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。
但是，由于去加重网络的加入，在有效地减弱输出噪声的同时，必将使传输信号产生频率失真。
因此，必须在调制器前加入一个预加重网络Hp（f），人为地提升调制信号的高频分量，以抵消去加重网络的影响。
显然，为了使传输信号不失真，应该有
这是保证输出信号不变的必要条件。
6、各种模拟调制系统的比较
调制方式
传输带宽
设备复杂程度
主要应用
AM
2fm
简单
中短波无线电广播
DSB
2fm
中等
应用较少
SSB
fm
复杂
短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输
VSB
略大于fm
近似SSB
复杂
电视广播、数据传输
FM
中等
超短波小功率电台（窄带FM）；调频立体声广播等高质量通信（宽带FM）
⏹特点与应用
◆AM：
优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。
主要用在中波和短波调幅广播。
◆DSB调制：
优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。
应用较少，一般用于点对点专用通信。
◆SSB调制：
优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。
SSB常用于频分多路复用系统中。
◆VSB调制：
抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。
在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。
◆FM：
FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。
缺点是频带利用率低，存在门限效应。
7、频分复用（FDM）:
频分复用是一种按频率来划分停产的利用方式。
在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段（子通道），每路信号占据其中的一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带（防护频带）进行分隔，以防止信号重叠。
第六章数字基带传输系统
⏹数字基带信号－未经调制的数字信号，它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。
⏹数字基带传输系统－不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。
⏹数字带通传输系统－包括调制和解调过程的传输系统
◆几种基本的基带信号波形
☐单极性波形：
该波形的特点是电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL、CMOS电路产生；缺点是有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离的传输。
☐双极性波形：
当“1”和“0”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，并且在接收端恢复信号的判决电平为零值，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。
☐单极性归零（RZ）波形：
信号电压在一个码元终止时刻前总要回到零电平。
通常，归零波形使用半占空码，即占空比为50%。
从单极性RZ波形可以直接提取定时信息。
与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属于非归零（NRZ）波形，其占空比等于100％。
☐双极性归零波形：
兼有双极性和归零波形的特点。
使得接收端很容易识别出每个码元的起止时刻，便于同步。
☐差分波形：
用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码，图中，以电平跳变表示“1”，以电平不变表示“0”。
它也称相对码波形。
用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响。
☐多电平波形（了解）：
可以提高频带利用率。
图中给出了一个四电平波形2B1Q。
◆几种常用的传输码型
●AMI码：
传号交替反转码
☐编码规则：
将消息码的“1”（传号）交替地变换为“+1”和“-1”，而“0”（空号）保持不变。
☐例：
消息码：
0110000000110011…
AMI码：
0-1+10000000–1+100–1+1…
☐AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。
☐AMI码的优点：
没有直流成分，且高、低频分量少，编译码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是AMI-RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性RZ波形，从中可以提取位定时分量
☐AMI码的缺点：
当原信码出现长连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。
解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB码。
●HDB3码：
3阶高密度双极性码
☐它是AMI码的一种改进型，改进目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。
☐编码规则：
（1）检查消息码中“0”的个数。
当连“0”数目小于等于3时，HDB3码与AMI码一样，+1与-1交替；
（2）连“0”数目超过3时，将每4个连“0”化作一小节，定义为B00V，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲；
（3）V与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同（这破坏了极性交替的规则，所以V称为破坏脉冲），并且要求相邻的V码之间极性必须交替。
V的取值为+1或-1.
（4）B的取值可选0、+1或-1，以使V同时满足（3）中的两个要求；
（5）V码后面的传号码极性也要交替。
☐例：
消息码：
1000010000110000000011
AMI码：
-10000+10000-1+100000000-1+1
HDB码：
-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+B00+V-1+1
其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或B符号表示的目的是为了示意该非“0”码是由原信码的“0”变换而来的。
☐HDB3码的译码：
HDB3码的编码虽然比较复杂，但译码却比较简单。
从上述编码规则看出，每一个破坏脉冲V总是与前一非“0”脉冲同极性（包括B在内）。
这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连“0”符号，从而恢复4个连“0”码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。
●双相码：
又称曼彻斯特（Manchester）码
☐用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。
☐“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示
☐例：
消息码：
1100101
双相码：
10100101100110
☐优缺点：
双相码波形是一种双极性NRZ波形，只有极性相反的两个电平。
它在每个码元间隔的中心点都存在电平跳变，所以含有丰富的位定时信息，且没有直流分量，编码过程也简单。
缺点是占用带宽加倍，使频带利用率降低。
●密勒码：
又称延迟调制码
☐编码规则：
“1”码用码元中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。
“0”码有两种情况：
单个“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变，
连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即"00”与“11”交替。
☐例：
图（a）是双相码的波形；
图（b）为密勒码的波形；若两个“1”码中间有一个“0”码时，密勒码流中出现最大宽度为2Ts的波形，即两个码元周期。
这一性质可用来进行宏观检错。
用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒码。
●CMI码：
CMI码是传号反转码的简称。
☐
编码规则：
“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示。
☐波形图举例：
如下图（c）
☐CMI码易于实现，含有丰富的定时信息。
此外，由于10为禁用码组，不会出现3个以上的连码，这个规律可用来宏观检错。
◆数字基带信号传输系统的组成
☐基本结构
☐信道信号形成器（发送滤波器）：
压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。
☐信道：
信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。
另外信道还会引入噪声n（t），并假设它是均值为零的高斯白噪声。
☐接收滤波器：
它用来接收信号，滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。
☐抽样判决器：
对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
☐同步提取：
用同步提取电路从接收信号中提取定时脉冲
◆码间串扰
☐两种误码原因：
Ø码间串扰
Ø信道加性噪声
☐码间串扰原因：
系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。
☐码间串扰严重时，会造成错误判决。
◆6.4.2无码间串扰的条件
◆时域条件
如上所述，只要基带传输系统的冲激响应波形h（t）仅在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0，则可消除码间串扰。
也就是说，若对h（t）在时刻t=kTs（这里假设信道和接收滤波器所造成的延迟t0=0）抽样，则应有下式成立
上式称为无码间串扰的时域条件。
也就是说，若h（t）的抽样值除了在t=0时不为零外，在其他所有抽样点上均为零，就不存在码间串扰。
由理想低通特性还可以看出，对于带宽为
的理想低通传输特性：
若输入数据以RB=1/Ts波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间串扰。
若以高于1/Ts波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。
通常将此带宽B称为奈奎斯特带宽，将RB称为奈奎斯特速率。
此基带系统所能提供的最高频带利用率为
极限传输速率2fN，极限频带利用率（2Baud/HZ）
◆眼图
眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小，眼图还可以用来指示接收滤波品器的调整，以减小码间串扰，改善系统性能。
同时，通过眼图我们还可以获得有关传输性能的许多信息。
☐最佳抽样时刻是“眼睛”张开最大的时刻；
☐定时误差灵敏度是眼图斜边的斜率。
斜率越大，对位定时误差越敏感；
☐图的阴影区的垂直高度表示抽样时刻上信号受噪声干扰的畸变程度；
☐图中央的横轴位置对应于判决门限电平；
☐抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为噪声容限,若噪声瞬时值超过它就可能发生错判；
☐图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围，即过零点畸变，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响。
第7章数字带通传输系统
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。
⏹数字调制：
把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。
⏹数字带通传输系统：
通常把包括调制和解调过程的数字传输系统。
⏹数字调制技术有两种方法：
◆利用模拟调制的方法去实现数字式调制；
◆通过开关键控载波，通常称为键控法。
◆基本键控方式：
振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）
◆要求会画2ASK2PSK波形
2ASK信号解调方法非相干解调（包络检波法）相干解调（同步检测法）
波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。
但是，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为
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