现代通信原理总结与复习

?现代通信原理?总结与复习

现代通信涉及到的几大技术信号传输技术〔基带、频带〕调制技术〔模拟、数字调制〕多址与复用技术纠错编码技术同步技术交换技术模拟信号数字化抗衰落技术加密滤波技术……这些技术确保各种消息信号能有效而可靠地从发送端传送到接收端!2023/7/232各章要点第1章绪论第3章随机过程第4章信道第5章模拟调制系统第6章数字基带传输系统第7-8章数字带通传输系统第10章信源编码第9章数字信号的最正确接收第11章过失控制编码第12章正交编码与伪随机序列第13章同步原理重点的、基本的重要的、理解的2023/7/233Chp1绪论根本概念点对点通信系统模型模拟、数字基带、数字频带系统的系统模型主要的载波调制方式〔AM、FM、PM、ASK、PSK、FSK等〕主要的脉冲模拟调制方式〔PAM、PDM、PPM等〕通信方式〔单工/双工/半双工，串行/并行〕比特率和波特率的概念和区别误码率和误信率的定义、关系和区别根本计算信息量的计算〔I〕离散系统平均信息量计算〔H〕多进制系统比特率和波特率的计算及换算误码率和误信率的计算典型习题1.2，1-4，1-6，1-7，1-82023/7/234“点—点〞通信系统模型模拟通信系统框图2023/7/235数字频带通信系统框图数字基带通信系统框图2023/7/236按消息传递的方向和时间分---双工通信、半双工通信、单工通信按数字信号码元排列方法分---串行传输、并行传输通信方式分类2023/7/237调制方式分类及用途调制方式用途举例连续波调制模拟调制常规双边带调幅(AM)广播单边带调制(SSB)载波通信、短波无线电通信双边带调制(DSB)立体声广播残留边带调制(VSB)电视广播、传真频率调制(FM)微波中继、卫星通信、广播相位调制(PM)中间调制方式数字

调制振幅键控(ASK)数据传输移频键控(FSK)数据传输相移键控(PSK;DPSK)数据传输其它高效数字调制(QAM;MSK….)数字微波、空间通信2023/7/238调制方式用途举例脉冲调制脉冲模拟调制脉幅调制(PAM)中间调制方式、遥测脉宽调制(PDM)中间调制方式脉位调制(PPM)遥测、光纤传输脉冲数字调制脉冲编码调制(PCM)市话中继线、卫星、空间通信增量调制(DM)军用、民用数字电话差分脉码调制(DPCM)电视电话、图像编码其它编码方式(ADPCM等)中速数字电话调制方式分类及用途〔续〕2023/7/239信息及其度量：离散独立等概消息的信息量：离散独立非等概消息的信息量熵〔统计平均信息量〕：

等概时熵最大：统计平均和算术平均存在一定误差信息量的计算2023/7/2310数字通信系统有效性指标---传输速率码元速率RB〔传码率、波特率〕：每秒传送的码元个数单位：波特Baud，简写Bd假设码元宽度为T，那么RB=1/T信息速率Rb〔传信率、比特率〕：每秒传送的信息量单位：bit/s〔bps，比特/秒〕频带利用率：单位频带提供的码元传输速率或信息传输速率意义：把带宽与传输速率相联系，以便更好地考察有效性2023/7/2311码元速率与信息传输速率的关系假设码元速率为RB，信息速率为Rb，每个符号有M种可能状态，那么：

如：四进制，每码元2bits信息

RB=1200Baud时，Rb=2400bit/s特例：M=2，码元速率等于信息速率〔数值相同，单位不同〕等概时：不等概时：2023/7/2312数字通信系统的可靠性指标---过失率误比特率〔误信率〕：码元在传输过程中，其信息量丧失的概率误码率〔误符号率〕：码元在传输过程中被错传(码元丧失)的概率误比特率与误码率的关系对于二进制：Pb=Pe

;对于M进制：Pb<Pe

2023/7/2313自测题1、十六进制符号的码速率为1200波特,那么其信息速率为〔〕A、1200b/s；B、2400b/s；C、3600b/s；D、4800b/s2、数字通信和模拟通信相比，最突出的优点是〔〕A、设备复杂程度低，易于实现。B、占用频带窄，频带利用率高。C、便于实现移动通信。D、抗干扰能力强，通话质量高3、不等概率的二进制码元，其平均信息量为多少〔大于、小于或等于〕？什么条件下平均信息量到达最大值？4、等概独立的八进制每一波形包含的信息量为〔〕A、1bit；B、2bit；C、3bit；D、4bit2023/7/2314Chp3随机信号分析根本概念随机过程的根本概念及其统计特性的定义平稳随机过程狭义/广义平稳的概念、各态历经性的意义自相关相关函数的特性平稳随机过程通过线性系统高斯随机过程概念及其重要性质高斯白噪声和带限白噪声窄带随机过程概念、表达式、包络和相位分布特性根本计算均值、方差、自相关函数功率谱和平均功率一维概率密度函数和分布函数高斯白噪声通过线性系统2023/7/23152023/7/23平稳随机过程----狭义(严格)平稳一般概念：统计特性与时间起点无关的随机过程狭义〔严格〕平稳：〔任何n维〕分布特性与时间起点无关162023/7/23广义〔宽〕平稳：数字特征与时间起点无关通常，通信系统中的信号、噪声大多为广义平稳随机过程。今后所讨论的随机过程，假设无特别说明，均指广义平稳随机过程平稳随机过程----广义(宽)平稳)(),(:)(:21ttRttRatat==有关自相关函数只与无关数学期望与注意：由式3.2-3和3.2-4、5可知17随机过程的各态历经性〔遍历性〕设x(t)

是平稳过程的任一个实现，它的时间平均值为：

任一样本经历了平稳过程的所有可能状态。遍历使计算大为简化统计平均值=时间平均值替代注意：意义：含义：2023/7/2318自相关函数的重要性：可描述平稳随机过程的统计特性，如数字特征等；与平稳随机过程的谱特性有内在联系设(t)为实平稳随机过程(电压或电流)，它的自相关函数为：自相关函数大致图形平稳随机过程自相关函数的性质维纳-辛钦定理〔联系时域与频域的桥梁〕2023/7/2319

输入过程

输出过程

概率分布

均值

功率谱密度自相关函数是线性系统的直流增益；平稳、高斯平稳、高斯常数常数是功率增益平稳随机过程通过线性系统2023/7/2320关于随机过程的功率谱为什么引入功率谱密度〔PSD)？由于其不确定性，没有确定的频谱函数，用功率谱密度描述其频域特性随机过程属于功率信号任何平稳随机过程都存在自相关函数及其傅里叶变换〔功率谱密度〕随机过程的平均功率的求法2023/7/2321窄带随机过程概念波形和频谱示意：物理含义：包络和相位相对于载频均为缓慢变化实际中，大多数通信系统都是窄带型的，通过窄带系统的信号或噪声必是窄带的(如播送系统中的中频信号及噪声)，如果这时的信号或噪声又是随机的，那么称它们为窄带随机过程条件2023/7/2322根据上式和窄带过程的统计特性，可推出：同相和正交分量的统计特性均值0、方差为2的平稳高斯窄带过程，它的

且互相关函数互不相关∴统计独立∵高斯∵均值0平均功率相同结论1且均值为0，方差也相同：2023/7/2323

均值0、方差为2的平稳高斯窄带过程，它的包络～瑞利分布：

相位～均匀分布：

且

—统计独立结论2

包络和相位的统计特性2023/7/2324低通白噪声〔带限白噪声〕理想白噪声经理想低通滤波器后的输出L.P.F假设按抽样定理对带限白噪声抽样，各抽样值是互不相关的随机变量2023/7/2325带通白噪声〔窄带高斯白噪声〕理想白噪声经过理想带通滤波器后的输出带通白噪声的平均功率〔均值为零〕2023/7/2326Chp4信道与噪声根本概念信道的定义与分类信道的模型加性噪声、乘性干扰的概念恒参/随参信道的概念及其对所传信号的影响恒参和随参信道的特性连续信道的信道容量根本计算香农公式的应用与计算2023/7/2327噪声对传输信号的影响模拟信号波形失真数字信号误码影响信道容量〔香农定理〕信道容量C是实现无过失传输时的最高信息速率2023/7/2328习题3某一待传输的图片约含2.25×106个像元。为了很好的重现图片，需要12个亮度电平。假假设所有这些亮度电平独立等概出现，试计算用3min传送一张图片时所需的信道带宽〔设信道中信噪功率比为30dB〕解:比值2023/7/2329习题4〔教材4-7〕设一幅黑白数字相片有400万像素，每个像素有16个亮度等级。假设用3kHz带宽的信道传输它，且信号噪声功率比等于10dB,试问需要传输多少时间。解:2023/7/2330Chp4模拟调制系统根本概念幅度调制〔AM、DSB-SC、SSB〕的概念、表达式和带宽计算；幅度调制信号〔AM、DSB〕的调制和解调方法、抗噪声性能分析非线性调制〔FM〕的概念、表达式、带宽、调频指数、最大频偏的概念与计算AM、DSB、SSB、FM的性能比较根本计算幅度调制〔AM、DSB〕频谱和带宽计算FM的带宽和参数计算调制系统的频谱分析幅度调制系统〔AM、DSB〕输入、输出信噪比的计算典型习题:5-8,5-10,5-11,5-152023/7/2331比较的前提所有系统在“同等条件〞下进行比较：解调器输入信号功率为Si信道噪声均值为0，单边功率谱密度为n0基带信号带宽为fm其中AM的调幅度为100%，正弦型调制信号2023/7/2332各种模拟调制系统的性能比较调制方式信号带宽制度增益设备复杂度主要应用DSB2Bb2中等较少应用SSBBb1复杂短波无线电广播，话音频分多路VSB略大于Bb近似SSB近似SSB复杂商用电视广播AM2Bb2/3简单中短波无线电广播FM2(mf+1)Bb3m2f(mf+1)中等超短波小功率电台（窄带FM）微波中继，调频立体声广播（宽带FM）2023/7/23331〕抗噪声性能：FM最好，DSB/SSB、VSB次之，AM最差；2〕频谱利用率：SSB最高，VSB较高，DSB/AM次之，FM最差；3〕功率利用率：FM最高，DSB/SSB、VSB次之，AM最差；4〕设备复杂度：AM最简，DSB/FM次之，VSB较复杂，SSB最复杂。性能比较2023/7/2334例5-1假设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度Pn(f)=0.5×10-3W/Hz，在该信道中传输DSB-SC信号，并设调制信号m(t)频带限制在5kHz，fC=100kHz，已调信号10kW。假设接收机输入信号加至解调器之前，先要滤除带外噪声。求：1、滤波器的理想传输特性H(w) 2、输入信噪比3、输出信噪比 4、输出的噪声功率谱密度1、滤波器特性〔1〕带宽 B=2fm=10kHz〔2〕中心频率 fc=100kHz所以，2、输入信噪比Si=10kW,Ni=B×2Pn(f)=10WSi/Ni=10003、输出信噪比GDSB=2,所以，So/No=2×Si/Ni=20004、输出的噪声功率谱密度由DSB的噪声功率关系No=

fm×2Pno双(f)=Ni/4=2.5W所以，Pno双(f)=0.25×10-3W/Hz(|f|≤5kHz)2023/7/2335例5-2

线性调制系统要求输出信噪比为20dB，输出噪声功率为10-9W，发射机输出端到解调器的输入传输损耗为100dB，求：1、DSB-SC的发射机功率2、SSB-SC的发射机功率解：假设发射功率为ST，损耗K=ST/Si=100dB=1010，So/No=20dB=100，No=10-9W1、DSB-SC G=2 Si/Ni=(So/No)/2=100/2=50 Ni=4No∴Si=50Ni=200No=2×10-7W ST=K×Si=1010×2×10-7=2×103W2、SSB-SC G=1Si/Ni=So/No=100 Ni=4No∴Si=100Ni=400No=4×10-7W ST=K×Si=4×103W说明相同信噪比下DSB的发射功率小于SSB2023/7/23362023/7/23习题5-13设某信道具有均匀的单边功率谱密度Pn(f)=10-7W/Hz，在该信道中传输振幅调制AM信号，并设调制信号m(t)的频带限制于5kHz，载频是100kHz，解调器输入端信号的边带功率为1W，载波功率为4W。假设接收机的输入信号先经过一个适宜的理想带通滤波器，然后再加至包络检波器进行解调。试求：1〕解调器输入端的信噪功率比；2〕解调器输出端的信噪比；3〕制度增益G。解：372023/7/2338习题5-15某单频调频波的振幅为10V，瞬时频率为试求：〔1〕此调频波的表达式；〔2〕此调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度；〔3〕假设调制信号频率提高到2×103Hz，那么调频波的频偏、调频指数和频带宽度如何变化?〔4〕假设最大频偏加倍，调制信号的幅度怎么变化？2023/7/23解：392023/7/2340Chp6数字基带传输系统根本概念数字基带系统的概念、组成框图数字基带信号及其频谱特性传输码的概念和编码规那么码间串扰的概念和消除码间串扰的条件及其理解二进制单/双极性系统的最正确判决门限和误码率眼图的概念和作用局部响应系统的概念根本计算差分、AMI、HDB3的编译码与译码频带利用率的计算滚降滤波器的带宽和频带利用率分析奈奎斯特第一准那么的应用分析典型习题:6-7,6-10,6-11,6-12,6-142023/7/2341输入信号码型变换传输波形信道输出接收滤波输出位定时脉冲恢复的信息错误码元

引言102023/7/2342四种根本码波形的功率谱〔双边谱〕单极NRZ矩形脉冲(=TB)双极性NRZ矩形脉冲(=TB)单极性RZ矩形脉冲(=TB/2)双极性RZ矩形脉冲(=TB/2)

2023/7/2343编码规那么：“1〞——+1、-1交替“0〞——0译码规那么：所有+1、-1均改为1，即可恢复信码1

AMI

码

——传号极性交替码编码规那么：连“0〞个数不超过3个时，遵循AMI的编码规那么；连“0〞个数超过3个时，将第4个“0〞改为非“0〞脉冲，记为V+或V-，称为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现〔确保无直流〕；V码的极性应与前一个非“0〞脉冲的极性相同，否那么，将0000更改为B+00V+或B-00V-。B称为调节脉冲。V码之后的传号码极性也要交替(B码和“1〞码一起作极性交题〕译码规那么：寻找两个相邻的同极性码，后者即为V码；把V码连同其前3位码均改为0；所有±1均改为1，即恢复信码

2

HDB3码——3阶高密度双极性码2023/7/2344

3

差分码——用相邻码元电平跳变/不变表示信息码元差分编码差分译码2023/7/2345习题6-7信息代码为，求相应的AMI码、HDB3码并分别画出它们的波形图(双极性不归零波形)。解：信码：1011000000000101

AMI：+10-1+1000000000-10+1

HDB3：+10-1+1000V+B-00V-0+10-1

HDB3：+10-1+1000+1-100-10+10-1

译码：1011000000000101

2023/7/23462023/7/2347基带传输系统组成基带传输系统模型数字序列数字信号{an}d(t)y(t){an}不含噪声2023/7/2348{an}对应的基带信号基带传输总特性{an}d(t)y(t){an}2023/7/2349无ISI传输的条件时域条件：频域条件：i=0，±1；±2……2023/7/2350满足该条件的：码元间隔Ts---奈奎斯特间隔；码元速率RB=1/Ts---奈奎斯特速率；低通滤波器上限频率fN=fs/2=1/2Ts---奈奎斯特带宽(N=/Ts〕频带利用率：这是无ISI条件下所能到达的最大值；当抽样率为kTs时，亦不会产生ISI，但B将会减小：评价：优点：B高；缺点：h(t)“尾巴〞长，对位定时要求高，不可实现无ISI系统----理想低通故又称为最小理论带宽2023/7/2351滚降系数：对于01，有如下结论：滚降特性亦可消除ISI，其条件与理想低通滤波器相同(=0)，N是滚降段中心频率；带宽：频带利用率：评价：优点：可实现，且对位定时的精度要求降低缺点：带宽加大，因而频带利用率降低滚降系统有多种：直线滚降、三角形特性、余弦滚降等无ISI系统----滚降系统N为无滚降时的截止频率。对应理想低通的截止频率，又称奈奎斯特带宽2023/7/2352(1)能；(3)不能；

设基带传输系统的总特性为H()，要求以RB=2/T的速率进行数据传输，以下各种H()能否满足抽样点上无ISI的条件？(2)不能(4)能例2023/7/2353设基带传输系统的总特性H()为如下图的升余弦滚降特性。〔1〕求该系统无ISI的最高传码率和频带利用率；〔2〕假设分别以2/3T、1/2T、3/T的速率传输数据，哪些速率可以消除码间干扰？例解2023/7/2354Chp7数字调制系统根本概念二进制数字调制的根本概念、波形、功率谱、带宽二进制数字调制系统的调制器框图、解调器〔相干、非相干〕框图及各点波形(2PSK、2DPSK)二进制数字调制系统的抗噪声性能比较多进制调制系统的概念、频带利用率计算根本计算二进制数字调制的带宽计算2PSK、2DPSK框图和波形分析多进制系统频带利用率的计算典型习题：7-1,7-2,7-4,7-5,7-16,7-172023/7/2355二进制数字调制系统比较〔1/2〕类型载波受控参量对应的模拟调制表达式功率谱2ASK（OOK）振幅AM连续谱离散谱(fc)2FSK频率FM连续谱离散谱(f1,f2)2PSK绝对相位DSB-SC连续谱2DPSK相对相位DSB-SC连续谱注：要以2ASK信号为根底来理解2FSK、2PSK信号的表达式、功率谱、带宽及产生和解调的方法2023/7/2356二进制数字调制系统比较〔2/2〕类型带宽频带利用率产生方法解调方法误码率2ASK（OOK）2fs0.51.模拟调幅2.键控相干解调非相干解调2FSK|f2-f1|+2fs1.模拟调频2.键控相干解调非相干解调2PSK2fs0.51.模拟调幅2.键控相干解调2DPSK2fs0.5

差分编码+2PSK相干解调（同步检测）差分相干解调|f2-f1|+2fs2fs2023/7/23572PSK信号的产生调制器模拟调制法〔相乘法〕：键控法：0°180°2023/7/23582PSK信号波形与相位2023/7/2359解调器：2PSK信号振幅、频率恒定，只能采用相干解调相干解调〔同步检测〕：与2ASK信号的相干解调一致2PSK信号的解调2023/7/23602DPSK信号的产生产生：作用？2DPSK信号的带宽B=?2023/7/2361相干解调〔极性比较—码反变换法〕2PSK信号的解调相对码绝对码2DPSK信号的解调2023/7/2362差分相干解调器：通过延迟器Ts直接比较前后码元之间的相位差，故又称相位比较法。相乘器的作用相当于鉴相。无需相干载波和码变换器解调的同时已完成码变换器的作用需增加延迟设备，误码率比2PSK高2023/7/2363Chp9模拟信号数字化传输根本概念低通抽样定理的概念均匀量化和非均匀量化的原理及特性PCM线性和非线性编码〔A律13折线PCM、12位线性PCM〕的概念和编码方法。TDM原理根本计算抽样频率、抽样频谱的分析根据实际电平值进行PCM编码及误差分析PCM的速率及带宽分析与计算TDM系统的速率、带宽分析与计算由PCM、滚降、数字调制组成的系统的综合计算典型习题：10-2,10-4,10-5,10-10,10-11,10-15,10-182023/7/2364例.某A律13折线编码器的设计输入范围是[-6,+6]V。假设抽样脉冲幅度为-2.4V，求编码器的输出码组，对应的量化电平值，量化误差以及13位线性码组。段落号12345678段落起始电平全程为101/1281/641/321/161/81/41/2全程为2048()01632641282565121024段内量化间隔k()11248163264段落斜率161684211/21/4信噪比改善程度Q(dB)2424181260-6-12PCM段落码C2C3C40000010100111001011101112023/7/2365-8162=-16322023/7/23662023/7/23672023/7/2368由PCM、复用、滚降、数字调制组成的系统的综合计算最小抽样频率=？与低通滤波器关系？数据速率Rb=？(比特数/帧fs〕无ISI，fH=？2PSK信号带宽=?频带利用率=？低通滤波器的作用？2023/7/2369Chp10数字信号的最正确接收最正确接收机结构、工作原理及各点波形误码率最小准那么→似然比准那么最大似然比准那么普通接收机和最正确接收机的区别匹配滤波器接收机结构、工作原理及各点波形信噪比最大准那么；“匹配〞的含义；“信噪比〞的含义2023/7/2370重要概念：码长、码重、码距、最小码距线性分组码表示符号(n,k)：n是码组总位数，k是信息码位数，监督位的位数：r=n-k编码效率：R=k/n抗干扰能力与最小码距的关系汉明码：可纠正1位错码，编码效率最高的线性分组码。(7,4)、(15,11)码。码长：n=2r-1〔r3)信息位：k=n–r=2r–r-1Chp11过失控制编码2023/7/2371m序列的产生原理：周期p=2n-1m序列的性质m序列的均衡性：“1〞的个数比“0〞的个数多一个游程分布特性移位相加特性自相关函数及其功率谱m序列的应用Chp12伪随机序列2023/7/2372同步的概念、分类、次序载波同步、位同步、帧同步、〔网同步〕载波同步的方法：插入导频法和直接法位同