通信原理总结.ppt

1、第1章 绪论,如数字通信、模拟通信、连续信号、离散信 号、单工通信、双工通信、数字通信的特点等。 (1)离散时的熵,单位：,1.通信及通信系统的概念,2.信息量的计算,3.平均信息量的计算,(2)连续信号的熵,(1)传输速率： 码元传输速率（码元速率、符号速率） RB=码元数/单位时间。单位是波特B（Baud） 信息传输速率（传信率、信息速率、比特率,4.主要性能指标,、数码率等）。 Rb=信息量/单位时间。单位是比特（bit/s） Rb=RBlog2N N是N进制,(2)频带利用率： 用码元速率表示：=RB/B(Baud/Hz） 信息速率表示：=Rb / B(bit/s.Hz） (3)可靠性

2、指标 误码率 误信率,例. 某信息源由相互独立的5个符号组成,出现的概率为,(1) 求该信息源符号的平均信息量; (2)若信息源以1000符号/秒的速率传送,则半小时内的 传送信息量为多少? (3)最大可能的信息速率为多少?,解:(1)根据H的定义有,(2)根据H和Rb的关系得平均信息速率为,(3)求最大信息速率,先求出最大可能平均信息量（各 符号等概时最大）。,例. 已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为 2400bit/s，接收端在半小时内共接收到216个错误码元,试 计算该系统Pe的值。,解:,半小时共传输的码元为,系统的误码率为,第3章 随机过程,(1)概率密度函数 (2)数字特征：

3、有均值、方差、相关函数、协方 差等。 均值（数学期望或统计平均）a(t),1.随机过程,方差2,相关函数R(t1，t2) 协方差B(t1，t2),(1)狭义平稳：一维概率密度函数与时间t无关， 二维概率密度函数只与时间间隔有关（n维分布函 数或n维概率密度函数与时间起点无关）。 f1(x，t)= f1(x)， f2(x1，x2；t1，t2)= f2(x1，x2； ) (2)广义平稳,2.平稳随机过程,时间无关,判断平稳：,性质（各态历经性）：,3.平稳随机过程的相关函数与功率谱密度,(1)相关函数R(t) (t)的平均功率：R(0)=E2(t)=S,(2)功率谱密度P()：它与相关函数互为傅氏

4、 变换，即R() P()即可。,相关函数是偶函数，即：R()=R(-) R()的上界|R()|R(0) (t)的直流功率R()=E2(t) (t)的交流功率（方差）R(0)- R()=2,当=0时,有(t)平均功率,(1)高斯过程的定义：高斯过程又称正态随机过程，它是普遍存在和重要的随机过程。在通信信道中的噪声，通常是一种高斯过程，故称为高斯噪声。,求功率信号的(平均功率)S：,4.高斯过程,求能量信号的E：,(2)高斯过程的统计特性 概率密度函数 特性： a：f (x)对称于x=a这条直线，即 f (x+a)= f (x-a)； b： C：a表示分布中心，称为标准偏差，表示集中程度， f (

5、x)图形将随着的变化而变高和变窄；,d：f (x)在（-，a）内单调上升，在（a ，）内单调下降，且在点a处达到极大值（ ）。当x- 或x+时,f (x)0； e：当a=0，=1时，f (x)变为标准正态分布的概率密度函数： (3)误差函数,有同相分量和正交分量。,5.窄带随机过程,（1）定义：功率谱密度在整个频域内都是均匀分布的噪声。功率谱密度为：,6.白噪声,白噪声相关函数,（2）限带白噪声 功率谱密度函数,相关函数为：,（3） 的功率谱密度,7.随机过程通过线性系统,（1） 的数学期望 随机信号通过线性系统后输出端的数学期望值为（与输入端的随机信号的关系）：,（2） 的自相关函数,第4章

6、 信道,信号通过恒参信道不产生失真的条件（理想情况）：,1.信道定义及模型,2.恒参信道,| H() |=常数,()= d 或,H() 为 一条水平线,（） 成 线性关系,（） 是一条水平线,3.随参信道特性对信号传输的影响,随参信道的定义及特性，噪声、高斯噪声（加性噪声客观存在的、起伏噪声是影响通信的主要因素之一）。,理想恒参信道的时域特性,不理想时，产生幅频失真、相频失真（群迟延失真）。,随参信道的传输媒质具有3个特点：, 信号的传输衰耗随时间而变化, 信号的传输时延随时间而变, 多径传播,4.信道容量,（1）离散信道的信道容量C：,（2）连续信道的信道容量C（香农公式）：,要求：知道香农

7、公式的意义、含义。,若信道信息速率RC，则理论上可实现无差错传输；若RC ，则不可能实现无差错传输。若实现R=C的通信系统称为理想通信系统。,例:计算机终端通过电话信道传输数据，电话信道带宽为3.2KHz，信道输出的信噪比；S/N=30dB。该终端输出256个符号，且各符号相互独立，等概出现。 （1）计算信道容量； （2）求无误码传输的最高符号速率； （3）试确定利用这种信道的理想通信系统之传信率和差错率。,解：（1）（S/N）dB=30dB，则，S/N=1000倍，所以,（2）无误码传输时，Rb=C=3.2104bit /s，则,分析:利用香农公式求解；注意RbC，无误码时Rb=C,再利用公

8、式Rb=RBNlog2N。,（3）理想通信系统是指 RbC，Pe 0,所以，传信率为 Rb=C=3.2104bit /s 差错率为 Pe = 0,第5章 模拟调制系统,第5章不作为重点，但要知道模拟调制的一些概念，如信噪比，调制度增益和平均功率等。,第6章 数字基带传输系统,1.数字基带传输系统的基本结构,（1）数字基带系统的框图,基带信号通 过的媒质,（2）频带传输系统框图,产生适合信道传输的基带信号,排除信道噪声和干扰,在噪声背景下判定与再生基带信号,同步 提取,调制器,信道,解调器,基带信号 输入,干扰,基带信号 输出,（1）最基本的基带信号码波形有a：单极性码波形；b：双极性码波形；c

9、：单极性归零码波形；d：双极性归零码波形；e：差分码波形；f：多元码波形（多电平码波形）。 （2）基带信号的表示,2.数字基带信号及其频谱特性,（3）数字基带信号频谱特性,二进制脉冲序列S(t),随机脉冲序列S(t)的功率谱密度PS()P136138,稳态波,交变波,离散谱(稳态波),连续谱(交变波),3.基带传输的常用码型,AMI码；HDB3码；PST码、Miller码、CMI码、nBmB码、4T/3T码等。应该知道编码规则和波形。注意编的码与波形对应。,4.基带脉冲传输与无码间干扰条件,（1）数字基带脉冲传输过程,d(t)是对应的数字基带信号为 发送滤波器产生的信号为 接收滤波器输出信号r

10、(t)可表示为,再生判决就是识别电路，它是抽样判决电路，为了确定ak的取值，在（kTs+t 0）时刻，抽样判决器输入抽样值为,（2）无码间干扰条件 无码间干扰的时域条件：若对h(t)在时刻kTs抽样，则 1 k=0 0 k为其他整数,即本码判决时刻不为零，其他抽样点上均为零。 无码间干扰的频域条件：码速率为RB=1/Ts时，基带系统的总传输特性凡能满足下式要求的，均可消除码间干扰。,物理意义：H（）以2/Ts为间隔左右平移，在（- /Ts ，+/Ts ）内迭加后为常数。,（3）常见的情况下, H（）为理想低通特性,接收波形,特点：工程上难实现；尾部衰减特性差。,最高频带利用率,二元信号,多元信

11、号,(1+)W1, H（）为具有“滚降”特性的形状,升余弦滚降特性（raised cosine spectrum ）,频带利用率,误码率,5.部分响应系统,预编码 ak = bk bk-1 bk = ak bk-1 bk,相关编码 ck= bk+ bk-1,接收端作模2处理 ckmod2= bk bk-1 =ak 知道单双变换。,(除2取1 32= 1 22 =0 02 =0等),6.眼图,（1）作眼图的步骤 示波器跨接在接收滤波器输出端；调整示波器水平扫描周期T0，使其与接收码元的周期TB同步，即 T0 = nTB，n是整数， 一般取n=1。,（2）眼图的意义：P157上有,有线长横向滤波器

12、 （1）横向滤波器的输出样值：,7.时域均衡,（2）峰值畸变准则定义为：,例:已知信息代码为100000000011，求相应的AMI码、HDB3码、PST码及双相码及对应的波形。,解：包括波形,信息代码： 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 AMI码： +1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 HDB3码： +1 0 0 0 +V -B 0 0 -V 0 +1 -1 PST码： + 0 - + - + - + - + + -（正模式） 双相码： 10 01 01 01 01 01 01 01 01 01 10 10,例：若传输速率为2/TS Baud，如图为几种基带系统

13、传输函数，判断是否满足无码间干扰条件？,解：根据奈奎斯特准则,分析：若以2/TsBaud的速率进行数据传输,则应以区间 为间隔作图。,第7章 数字带通传输系统,1.二进制数字调制、解调原理,（1）二进制振幅键控（2ASK）信号的调制、功率,例:ISBN国际统一图书编号,0 1 3 1 5 2 4 4 7 X,0 1 4 5 10 12 16 20 27 37,0 1 5 10 20 32 48 68 95 132,132（mod11）0, 时域波形,g(t)为持续时间Ts的矩形脉冲,谱密度、解调、带宽和波形；, 2ASK频谱,a.2ASK信号功率谱包括连续谱和离散谱两部分。 b.2ASK信号带

14、宽是矩形基带随机脉冲序列带宽的2倍，既2fs。, 2ASK的调制解调,1）调制方式,2）解调方式,a. 相干解调同步解调,b. 非相干解调包络检波,（2）二进制移频键控（2FSK）信号的调制、功率谱密度、解调、带宽和波形；, 时域波形,用两个不同的载频表示1和0，可以看成是两个不同载频的振幅键控信号之和。,相位不连续点, 2FSK频谱,a.当|f2-f1|较小（fs）时，PE(f)的连续谱出现单峰。 b.当|f2-f1|较大时，PE(f)的连续谱出现双峰。 c. 2FSK信号带宽B=|f2-f1|+2fs，,基带信号带宽。, 2FSK的调制解调,1） 调制方式,2）解调方式,a.非相干方式,b

15、. 相干方式,c. 过零检测方式,（3）二进制移相键控（2PSK）信号的调制、功率谱密度、解调、带宽和波形；, 时域波形,相移键控（2PSK）: 用码元周期内的载波相位表示二进制符号0、1。,问题：绝对调相解调时会带来“倒或相位模糊”现象，从而造成接收端0、1恢复完全出错。,差分相移键控（2DPSK）：用前后相邻码元的载波相位 变化（差）表示 二进制符号0、1。, 频谱,当,S(t)双极性不归零码,a.2PSK信号的功率谱的连续谱与2ASK信号基本相同，但当P=1/2时，2PSK无离散谱。 b. 2PSK信号带宽与2ASK信号带宽相同，既2fs, 调制与解调方式,1）调制方式,2）解调方式,2

16、.二进制数字调制系统的抗噪声性能,（2）2FSK系统的噪声性能,（1） 2ASK系统的噪声性能,当r1,a.包络检波法（非相干解调）的误码率,b.相干解调的误码率,a.包络检波法（非相干解调）,b.相干解调的误码率,总的误码率,总的误码率,大信噪比下,例：设某2ASK系统二进制码元的传输速率为9600波特，发送“0”、“1”等概，采用包络检波法解调。已知接收端输入信号的幅度为1mV, 信道等效加性高斯白噪声的双边功率谱密度 ，求系统总的误码率。,解：,2ASK信号的带宽,带通输出的噪声功率,信噪比,误码率,（3）2PSK、2DPSK系统的抗噪声性能,a. 2PSK采用相干解调（极性比较法）,总

17、的误码率,大信噪比下,b .2DPSK采用差分相干解调,总的误码率,第8章 新型数字带通调制技术,4ASK,16PSK,（1）星座图：信号矢量端点的分布图形。,16QAM,16APK,（2）改进型多进制： 最小频移键控（MSKMinimum Shift Keying）,二进制MSK信号,附加相位,信号频率,信号频率,即在一个Ts内，（t）的变化量为/2。,相位网格图,最小移频键控原因,例:已知数字信息an1011010，分别以下两种情况画出2PSK， 2DPSK及相对码bn的波形。 (1)码元速率为10 0 B，载波频率为10 0 Hz； ()码元速率为10 0 B，载波频率为10 0 Hz。

18、 分析：码元速率和载波频率相等时，一个码元周期对应一个载波周期；码元速率和载波频率不等时，一个码元周期对应多个载波周期。 解：已知数字信息an1011010。 (1)码元速率fb=10 0 B，载波频率f0=10 0 Hz，即Tb=T0。设未调载波为sin0t， 2PSK， 2DPSK及相,对码bn的波形。,an,0,0,0,0,bn,t,t,t,t,t,1 0 1 1 0 1 0,1 1 0 1 1 0 0,未调 载波,2PSK,2DPSK,1对应 0对应0,1对应= 0对应=0,例:设发送数字信息序列为+ + + + +，其中“+”表示发送数据“1”；“”表示发送数据“0 ”. (1)试写

19、出最小频移键控(MSK)信号的表示式； ()若码元速率为240 0 Baud，载波频率为420 0 Hz，试画出MSK信号的波形； (3)试画出MSK信号的相位变化图形； （4）简要说明MSK信号与2FSK信号的异同点。 解：(1),()RB= 240 0 Baud fc= 420 0 Hz,信号频率,信号频率,+,-,-,+,+,-,+,-,-,+,t,t,(3)MSK信号的相位变化图为：,（4）MSK是FSK的一种改进型。MSK信号是一种包络恒定、相位连续、带宽最小并且严格正交的2FSK信号. MSK信号相位始终保持连续变化；MSK以最小的调制指数获得正交信号；频带一定时，MSK比FSK传

20、送更高的比特速率。,例：6-18,第9章 模拟信号的数字传输,1. 模拟信号的数字化方式、概念、定理（抽样、量化、编码）,2. 抽样定理及PAM信号,3.量化理论,4.增量调制,最大跟踪斜率,最大振幅,5.时分复用和多路数字电话系统,6.PCM系统（脉冲编码调制系统）原理,逐次比较型编码器Is、Iw,例，采用13折线A律编码，设最小量化级为1个单位,已 知抽样脉冲值为+635个单位。那么求编码码组C （用 折迭码），11线性码组，量化电平值和量化误差。 解：1.编码码组C12345678 (1) 极性码：因为+6350 C1=1,(2)段落码：因为 635128 C2=1 635512 C3=

21、1 6351024 C4=0 第7段,(3)段内码：因为512+832=768 635768C5=0,因为512+332=608 635608 C8=1 所以输出码组(用自然二进制表示)为：11100011 用折叠二进码表示为11100100 2. 11位码组：,因为512+432=640 635576 C7=1,110是第7段，起点电平512，即29 ，所以,3.量化电平值:输出码组在第7段3量化间隔，所以量化电平值为：q=512+332+16=624个量化单位。,4.量化误差等于635-624=11个量化单位。,第10章 数字信号的最佳接收,1.最佳接收机的基本概念,（1）统计判决模型及意

22、义,（2）最佳接收准则,2.确知信号的最佳接收,3.匹配滤波器,5. 最佳和普通接收机进行比较,会画理想信道时最佳基带系统的结构；非理想信道下的最佳基带系统的结构。,4. 基带系统的最佳化,会计算最佳基带系统的Pe(结合下面的表)。,1. 纠错编码的概念,（1）码长、码重、码距、最小码距d0； （2）最小码距d0与纠（检）错能力关系等。,第11章 差错控制编码,2. 常用的简单编码,（1）奇偶监督码-监督位只有1位。 （2）恒比码-每个码组中“1”和“0”的数目之比保持恒定。 （3）正反码：信息位、监督位，奇数个1或偶数个1等。,（1）线性分组码：概念（n，k；码长、信息位、监督位、汉明码等）

23、、编码原理。 （2）监督矩阵H：监督矩阵、典型矩阵、生成矩阵G及许用码组的关系。,3. 线性分组码,例：有（7，4）分组码 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0，,根据奇偶关系构造一般线性分组码：,（3）接收端计算校正子S,既误码图样与校正子间有确定关系,纠错 C=B+E,例：已知某线性码监督矩阵，若接收码组为1101101，求发送许用码组。,解：由 得,S=111和H的第一列（a6）相同，说明a6出错，发送的许用码组为0101101，,4. 循环码,（1）循环码原理 循环码多项式T（x）、码多项式的按模运算等。,（2）循环码的生成多项式g（x）和生成矩阵G；循环码多项式T（x）、码多项式的按模运算等。,（3）循环码的编、解码方法,会计算作业题的6、7、8、9、10、12、13、等类似的题型。