长安大学通信原理重点.doc

第一章 绪论1. 通信的目的是传递消息中所包好的信息。信息是消息的内涵，即消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息，否则，就失去了通信的意义。基于这种认识， “通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。 2模拟信号:凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号.模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图 1 - 2(b)所示的抽样信号。 3数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号.数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散.4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。5数字通信的主要特点：（1） 抗干扰能力强，且噪声不积累。（2） 差错可控。 可以采用信道编码技术使误码率降低， 提高传输的可靠性。 （3） 易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。 （4） 易于集成化， 从而使通信设备微型化。 (5) 易于加密处理， 且保密强度高。6通信系统的分类：（1） 按通信业务分为通信系统有话务通信、非话务通信。（2）根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送。（2） 按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统。（4） 按传输媒质分类：有线通信系统和无线通信系统（5） 按工作波段分类：长波通信、短波通信、中波通信、远红外线通信（6） 按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用。7通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。单工通信， 是指消息只能单方向传输的工作方式， 因此只占用一个信道；半双工通信，是指通信双方都能收发消息， 但不能同时进行收和发的工作方式；全双工通信， 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。8在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输；串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。9评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；而可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。10数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。 可靠性可用差错率来衡量。11传输速率：（1）码元传输速率RB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B。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: 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 log2 M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： RB2=RBMlog2 M (B) （2）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=RBH (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)或RB= 式中，M为符号的进制数。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。（3）频带利用率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（4）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（5）差错率 衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率， 常用误码率和误信率表示。 （6）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 （7）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， 即第三章 信道与噪声1、信道是通信系统必不可少的组成部分，任何一个通信系统均可视为由发送设备，信道与接收设备三大部分组成。2、根据信道的定义，如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道； 如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。 3、恒参信道的信道特性不随时间变化或变化很缓慢。 4、如果传输媒质是基本不随时间变化的， 所构成的广义信道通常属于恒参信道；如果传输媒质随时间随机快变化，则构成的广义信道通常属于随参信道。 5、理想恒参信道特性：幅频特性为|H()|=K0；相频特性为()=td。群迟延-频率特性可以表示为6、理想恒参信道对信号传输的影响是：(1) 对信号在幅度上产生固定的衰减；(2) 对信号在时间上产生固定的迟延。 7、 幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的， 这种失真又称为频率失真，属于线性失真。信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真， 若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰。8、相位-频率失真 当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道的信号产生相位-频率失真，相位-频率失真也是属于线性失真。由于相频失真也是线性失真，因此同样可以采用均衡器对相频特性进行补偿， 改善信道传输条件。 9、随参信道的传输媒质具有以下三个特点：(1) 对信号的衰耗随时间随机变化； (2) 信号传输的时延随时间随机变化； (3) 多径传播。 10、根据噪声的来源进行分类，一般可以分为三类：人为噪声，自然噪声，内部噪声。根据噪声的性质分类，噪声可以分为单频噪声，脉冲噪声和起伏噪声。11、信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。12、连续信道的信道容量C 上式就是著名的香农信道容量公式，简称香农公式。香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。 第四章 模拟调制系统1、调制的作用和目的是：（1） 讲基带信号转换成适合于信道传输的已调信号。（2） 实现信道的多路复用，提高信道利用率（3） 减小干扰，提高系统抗干扰能力（4） 实现传输带宽与信噪比之间的互换 2、调制的方法有很多，根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的选择可分为以正弦波作为载波的连续波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制等。3、用取值连续的调制信号（即基带信号）去控制正弦载波参量（振幅、频率和相位）的模拟调制，它可分为幅度调制和角度调制。4、AM幅度调制 DSB-SC抑制载波双边带调制SSB单边带调制 VSB残留边带调制5、SBB信号的产生方法通常有滤波法和相移法。7、只要残留边带滤波器的特性Hvsb()在载频（c）处具有互补对称（奇对称）特性，那么，在接收端采用相干解调法就能从中恢复原来的基带信号。8解调是调制的逆过程：其作用是从接受的已调信号中恢复原基带信号（即调制信号）。解调的方法可分为相干解调和非相干解调（如包络检波）。相干解调也叫同步检波，关键是必须在已调信号接收端产生与信号载波同频同相的本地载波。9、输出信噪比定义为：So/No=解调器输出有用信号的平均功率/解调器输出白噪声的平均功率10、输入信噪比定义为：Si/Ni=解调器输入已调信号的平均功率/解调器输入噪声的平均功率11、为了便于衡量同类调制系统不同解调器对输入信噪比的影响，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值G来表示，比值G称为调制制度增益，或信噪比增益。显然，G越大，表明解调器的抗噪声性能越好。即： 。DSB调制系统的性能：Gdsb=2SSB调制系统的性能：Gssb=112、调幅信号包络检的抗噪声性能：大信噪比情况下GAM=2/3.由以上分析可得如下结论：大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同;但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应; 一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。 13、一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，我们不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中，还可以寄托在载波的频率或相位变化中。这种使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制(PM)， 分别简称为调频和调相。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。 第五章 数字基带传输系统1、数字基带传输不如频带传输那样广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意义的。 一是因为在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式；二是因为数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；三是因为任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。2、我们可以把随机序列s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)。稳态波的功率谱Pv(f)是冲击强度取决|Cm|2的离散线谱，根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流分量（m=0）和定时分量(m=1)。 3、交变波的的功率谱Pu(f)是连续谱，它与g1(t)和g2(t)的频谱以及出现概率P有关。4、研究随机脉冲序列的功率谱是十分有意义的， 一方面我们可以根据它的连续谱来确定序列的带宽， 另一方面根据它的离散谱是否存在这一特点，使我们明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量，以及采用怎样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散分量。5、基带常用码型的区分：A、AMI码是传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。B、HDB3码的全称是3阶高密度双极性码。其编码规则如下： （1） 当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编，即传号极性交替； （2）当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流； （3）为了便于识别， V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B；（4） 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。6、若想消除码间串扰，应有 anh(k-n)Ts+t0=0由于an是随机的，要想通过各项相互抵消使码间串扰为0是不行的，这就需要对h(t)的波形提出要求，如果相邻码元的前一个码元的波形到达后一个码元抽样判决时刻时已经衰减到0， 如图(a)所示的波形，就能满足要求。但这样的波形不易实现，因为实际中的h(t)波形有很长的“拖尾”，也正是由于每个码元“拖尾”造成对相邻码元的串扰，但只要让它在t0+Ts，t0+2Ts等后面码元抽样判决时刻上正好为0，就能消除码间串扰码间串扰和信道噪声是影响接收端正确判决而造成误码的两个因素。7、码间串扰和信道噪声是影响接收端正确判决而造成误码的两个因素。8、双极性信号：当P(1)=P(0)=1/2时V*d=0；单极性信号：当P(1)=P(0)=1/2时V*d=A/2；（P(1)为发送“1”码的概率，P(0)为发送“0”码的概率，V*d 为最佳门限电平）9、在单极性与双极性基带信号的峰值A相等、噪声均方根值n也相同时，单极性基带系统的抗噪声性能不如双极性基带系统。 此外，在等概率条件下， 单极性的最佳判决门限电平为A/2，当信道特性发生变化时， 信号幅度A将随着变化，故判决门限电平也随之改变，而不能保持最佳状态，从而导致误码率增大。而双极性的最佳判决门限电平为0，与信号幅度无关，因而不随信道特性变化而变， 故能保持最佳状态。因此，基带系统多采用双极性信号进行传输。 10、眼图是指利用实验手段方便地估计和改善（通过调整）系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是: 用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端, 然后调整示波器水平扫描周期, 使其与接收码元的周期同步。此时可以从示波器显示的图形上, 观察出码间干扰和噪声的影响, 从而估计系统性能的优劣程度。在传输二进制信号波形时, 示波器显示的图形很像人的眼睛，故名“眼图”。11、均衡可分为频域均衡和时域均衡。所谓频域均衡，是从校正系统的频率特性特性出发，使包括均衡器在内的基带系统的总特性满足无失真传输条件；所谓时域均衡，是利用均衡器产生的时间波形去直接校正已畸变的波形，使包括均衡器在内的整个系统的冲击系统应满足无码间串扰条件。12、两种无码间串扰系统：理想低通和升余弦滚降。13、部分响应系统：能使频带利用率提高到理论上的最大值，又可形成“尾巴”衰减大、收敛快的传输波形，从而降低对定时取样精度的要求，这类系统成为部分响应系统。他的传输波形称为部分响应波形。第六章 模拟信号的数字传输1、若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤： （1） 把模拟信号数字化， 即模数转换（A/D）； （2） 进行数字方式传输； （3） 把数字信号还原为模拟信号， 即数模转换（D/A）。2、模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码和参量编码两类。波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建信号的质量好。 参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量， 再变换成数字代码，其比特率在16 kb/s以下，但接收端重建(恢复)信号的质量不够好。这里只介绍波形编码。3、目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制(PCM)和增量调制（M）。4、低通抽样定理： 一个频带限制在(0, fH)赫内的时间连续信号m(t)，如果以Ts1/(2fH)秒的间隔对它进行等间隔（均匀）抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。 此定理告诉我们：若m(t)的频谱在某一角频率H以上为零，则m(t)中的全部信息完全包含在其间隔不大于1/(2fH)秒的均匀抽样序列里。换句话说，在信号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。 或者说，抽样速率fs（每秒内的抽样点数）应不小于2fH，若抽样速率fs2fH，则会产生失真，这种失真叫混叠失真。如果s2H，即抽样间隔Ts1/(2fH)，则抽样后信号的频谱在相邻的周期内发生混叠， 此时不可能无失真地重建原信号。 因此必须要求满足Ts1/(2fH)，m(t)才能被ms(t)完全确定，这就证明了抽样定理。显然，Ts= 1/（2fH）是最大允许抽样间隔，它被称为奈奎斯特间隔，相对应的最低抽样速率fs=2fH称为奈奎斯特速率。5、 如果采用低通抽样定理的抽样速率fs2fH，对频率限制在fL与fH之间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求。但这样选择fs太高了，它会使0fL一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道的利用率。为了提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频谱不混叠，那么fs到底怎样选择呢？带通信号的抽样定理将回答这个问题。 （1） 若最高频率fH为带宽的整数倍，即fH=nB。此时fH/B=n是整数，m=n，所以抽样速率fs=2fH/m=2B。（2） 若最高频率fH不为带宽的整数倍，即 fH=nB+kB, 0k1 (6.1 - 12)此时, fH/B=n+k，由定理知，m是一个不超过n+k的最大整数，显然，m=n，所以能恢复出原信号m(t)的最小抽样速率为式中, n是一个不超过fH/B的最大整数, 0k1。由图可见，fs在2B4B范围内取值，当fLB时，fs趋近于2B。这一点由式（6.1-13）也可以加以说明，当fLB时，n很大，所以不论fH是否为带宽的整数倍，式（6.1 - 13）可简化为 fs2B (6.1 - 14)实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况，这是因为fH大而B小， fL当然也大，很容易满足fLB。由于带通信号一般为窄带信号，容易满足fLB，因此带通信号通常可按2B速率抽样。 6、正弦信号并非是唯一的载波形式，时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波。脉冲模拟调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带信号m(t)去控制脉冲串的某参数，使其按m(t)的规律变化的调制方式。通常，按基带信号改变脉冲参量（幅度、宽度和位置）的不同，把脉冲调制又分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)，7、脉冲振幅调制(PAM)是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制