信息与通信工程学科面试准备——通信原理
面试准备—通信原理
1.模拟通信系统的性能指标
①有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征，越小越有效。
②可靠性：输出信噪比(仅考虑加性干扰)：接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比
2.数字通信系统性能指标
1.符号(码元)传输速率： RB简称传码率。
2.信息传输速率Rb：又称传信率。
3.有效性:频带利用率，即单位频带内的码元传输速率，为Rb/B
4.可靠性:常用误码率和误信率表示
3.加性高斯白噪声
加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰
白噪声——它的功率谱密度均匀分布在整个频率范围内
如果白噪声又是高斯分布的，我们就称之为高斯白噪声。
4.窄带随机过程
窄带条件：
- 带宽小于中心频率
- 中心频率远离零频
5.正弦波加窄带随机过程
信号经过信道传输后总会受到噪声的干扰，为了减少噪声的影响，通常在接收机前端设置一个带通滤波器，以滤除信号频带以外的噪声。因此，带通滤波器的输出是信号与窄带噪声的混合波形。
最常见的是正弦波加窄带高斯噪声的合成波，所以有必要了解合成信号的包络和相位的统计特性。
信号加噪声的合成波包络分布与信噪比有关。小信噪比时，相当于只有窄带高斯噪声，它接近于瑞利分布；大信噪比时，它接近于高斯分布；在一般情况下才是莱斯分布。
相位不在服从均匀分布。
6.信道类型
有线无线、广义狭义
其中广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道
其中根据信道传输函数的时变特性可以将调制信道分为两大类：
恒参信道—— 传输函数基本不随时间变化，信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢
典型的恒参信道举例：双绞线、同轴电缆、光纤、微波中继、卫星中继
随参信道——传输函数随时间随机快变化
典型的随参信道举例：陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道
7.多径传播
①多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；
②多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。
8.频率选择性衰落与相关带宽
当发送信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播除了会使信号产生瑞利型衰落之外，还会产生频率选择性衰落。
以直射到达接收端的信号为参考，最迟到达接收端的信号相对直射信号而产生的延后时间T代表了此移动传播环境的多径时延特征，它的倒数正好对应着相干带宽。
如何避免频率选择性衰落？
1.信号频谱窄带化
2.积极措施：分集，均衡，正交频分复用OFDM，单载波频域均衡FDE，
9.信道容量（连续信道的信道容量）
信道容量是指在白噪声背景下，信道中信息无差错传输的最大速率。
香农公式:
结论1：增大信号功率S可以增加信道容量C，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大。减小噪声功率N可以增加信道容量，若噪声功率趋于零，则信道容量趋于无穷大。
结论2：增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。
10.调制的目的和分类
目的：将原始电信号变换成频带适合信道传输的信号
方式：按调制信号的变化规律去改变载波的某些参数
作用(正弦波调制)：
1.将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；
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。
分类：
线性调制：幅度调制（AM）
非线性调制：相位调制（PM）、频率调制（FM）
11.线性调制
有AM、DSB（抑制载波双边带调制）、SSB（抑制载波单边带调制）、VSB（抑制载波残留边带调制）几种方式
包络检波方式解调：AM
相干解调方式解调：AM、DSB、SSB、VSB
且SSB所需带宽是DSB以及AM的一半
解调性能：
用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。
在大信噪比情况下，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。
12.非线性调制
角度调制与线性调制不同，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。
当最大相位偏移及相应的最大频率偏移较小时，这时，信号占据带宽窄，属于窄带调频（NBFM）。反之，是宽带调频（WBFM）。
调制：
1.直接法：用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。
振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（VCO）每个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压。主要优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。缺点是频率稳定度不高。
2.间接法：先对调制信号积分后对载波进行相位调制，从而产生窄带调频信号(NBFM)。然后，利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号(WBFM)。间接法的优点是频率稳定度好。缺点是需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。
解调：
1.非相干解调：
由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度， 因而调频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压。
**最简单的解调器是具有频率-电压转换特性的鉴频器（一般由微分器与包络检波器构成）**非相干解调存在门限效应
2.相干解调：
由于窄带调频信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调
13.各种模拟调制系统的性能比较
结论：
1.WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。NBFM和AM的性能接近。
2.AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。
3.DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同， 接收要求同步解调，设备较复杂。
4.SSB调制的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。
5.VSB调制的诀窍在于部分抑制了发送边带， 同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。 VSB的性能与SSB相当。
6.FM波的幅度恒定不变， 这使它对非线性器件不甚敏感， 给FM带来了抗快衰落能力。宽带FM的缺点是频带利用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱，干扰大的情况下宜采用窄带FM，窄带FM采用相干解调时不存在。
14.复用技术
1.频分复用(Frequencydivision Multiplexing-FDM)
按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中， 信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。
2.时分复用 (Time division Multiplexing-TDM)
利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法。
15.基带信号的时域波形
1.单极性不归零波形（NRZ）：有直流分量，出现连续1或0无法提取同步信息
2.双极性不归零波形（NRZ）：无直流分量，出现连续1或0无法提取同步信息
3.单极性归零波形（RZ）：有直流分量，可提取同步信息
4.双极性归零波形（RZ）：无直流分量，可提取同步信息
5.差分波形
6.多电平波形
16.基带传输码型
需要具有下列主要特性：
（1）相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；
（2）便于从信号中提取定时信息；
（3）信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰；
（4） 不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；
（5） 具有内在的检错能力。
（6） 编译码设备要尽可能简单，等等。
常用码型有：
（1）AMI码：编码规则：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。
（2）HDB3码：保持AMI码的优点、克服其缺点， 使连“0”个数不超过3个。
（3）PST码：先将二进制代码两两分组，然后再把每一码组编码成两个三进制数字（+、—、0）
（4）数字双相码：“0”码用“01”两位码表示“1”码用“10”两位码表示
16.码间串扰（ISI）及无码间串扰条件
例如：时域上第k-1个与k-2个对第k个存在干扰
无码间干扰传输条件——奈奎斯特第一准则
时域上：既满足判决点值为0
频域上：
可以通过移位来满足这个条件，因此这种特性称为等效理想低通特性。
理想矩形特性的物理实现极为困难。理想的冲激响应h(t) 的“尾巴”很长，尾部摆幅较大，衰减缓慢，对位定时的要求严格，要求抽样时刻严格对准零点。
解决方法——引入滚降
升余弦滚降滤波器特点：易实现、响应曲线尾部迅速收敛，摆幅小、对定时要求不严格
代价：带宽增加、频率利用率η降低
17.眼图
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, 调整示波器水平扫描周期, 使其与接收码元的周期同步。
1.最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻；
2.眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵敏程度： 斜率越大， 对定时误差越灵敏；
3.图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围；
4.图中央的横轴位置对应于判决门限电平；
5.抽样时刻上, 上下两阴影区的间隔距离之半为噪声的容限, 噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决
6.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。
18.均衡技术
包括时域均衡和频域均衡
其中时域均衡：即基带传输系统的总特性当H(ω)不满无码间串扰条件时，就会形成有码间串扰的响应波形。调整H(ω)为H(ω)T(ω)，则根据T(ω)利用傅里叶级数可以求得均衡器的单位冲激响应
均衡效果的衡量：峰值失真准则、均方失真准则
19.脉冲调制
脉冲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。
按基带信号改变脉冲参量的不同，把脉冲调制又分为:脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PDM)、脉位调制(PPM)
20.脉幅调制(PAM)
用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想抽样的情况， 是不可能实现的。因此，在实际中通常采用脉冲宽度相对于抽样周期很窄的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列（实际抽样），从而实现脉冲振幅调制。分为：自然抽样的脉冲调幅、平顶抽样的脉冲调幅
21.脉冲编码调制（PCM）
PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。
1.量化：对模拟抽样值的量化过程会产生误差,称为量化误差,通常用均方误差来度量。由于这种误差的影响相当于干扰或噪声,故又称其为量化噪声。分为：均匀量化、非均匀量化
①均匀量化：量化信噪比随量化电平数M的增加而提高，信号的逼真度越好。
均匀量化的不足：量化信噪比随信号电平的减小而下降。产生这一现象的原因是均匀量化的量化间隔 为固定值，量化噪声功率固定不变，这样，小信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。
②非均匀量化：实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压缩处理，再把压缩的信号y进行均匀量化。所谓压缩器就是一个非线性变换电路，微弱的信号被放大，强的信号被压缩。大多数采用对数压缩：u律、A律。
压扩后使得输入信号量化信噪比的动态范围变大。
2.编码和译码：把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码
自然二进码、格雷码、折叠二进制码等等
其中折叠二进制码一般包括三部分：其中第1位码称为极性码，第2至第4位码为段落码，第5至第8位码为段内码。
编码器原理：除第一位极性码外，其他7位二进制代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的。
译码器原理：译码的作用是把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号，即进行D/A变换。译码器与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同，所不同的是增加了极性控制部分和带有寄存读出的7/12位码变换电路。
3.最后对于PCM可以改进成为DPCM，利用样值差进行编码。由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。可以在量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。
22.增量调制（ΔM）
在PCM中，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，导致编译码设备复杂；而在ΔM 中，它只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映抽样时刻波形的变化趋势，而与样值本身的大小无关。
ΔM与PCM编码方式相比具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性
好等优点。
存在的问题：当输入模拟信号m(t)斜率陡变时，本地译码器输出信号m’(t)跟不上信号m(t)的变化。M(t)与m’(t)之间的误差明显增大，引起译码后信号的严重失真，这种现象叫过载现象
23.PCM与ΔM系统的比较
1.本质区别
PCM是对样值本身编码，
ΔM是对相邻样值的差值的极性（符号）编码。
2.抽样速率fs
PCM：根据抽样定理来确定，例如语音信号，fH=4kHz，fs=8KHz
ΔM：不能根据抽样定理来确定，与最大跟踪斜率以及信噪比有关。在保证不发生过载，达到与PCM系统相同的信噪比时， ΔM的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。
3.带宽
在同样的语音质量要求下，一般ΔM的带宽大于PCM的带宽
4.量化信噪比
在相同的信道带宽（即相同的码元速率RB）条件下：在码元速率较低时，ΔM性能优越；
在编码位数多，码元速率较高时，PCM性能优越。
5.信道误码影响
由此可见，ΔM允许用于误码率较高的信道条件，这是ΔM与PCM不同的一个重要条件。
6.设备复杂度
ΔM系统的特点是单路信号独用一个编码器，设备简单， 单路应用时，不需要收发同步设备。但在多路应用时，每路独用一套编译码器，所以路数增多时设备成倍增加。目前在通用多路系统中很少用或不用ΔM。
24.二进制/M进制的调制与解调(数字频带传输系统)
可以用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或相位中的某个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。有：振幅键控（ASK）移频键控（FSK）移相键控（PSK、DPSK）其中为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)方式。
M进制的调制：例如4PSK等
解调：2ASK：相干、非相干
2FSK：相干、非相干、过零检测法
2PSK：相干
25.数字信号的最佳接收
最常采用的最佳准则是输出信噪比最大准则和差错概率最小准则。
通常对最佳线性滤波器的设计有两种准则：
一种是使滤波器输出的信号波形与发送信号波形之间的均方误差最小，由此而导出的最佳线性滤波器称为维纳滤波器；
另一种是使滤波器输出信噪比在某一特定时刻达到最大，由此而导出的最佳线性滤波器称为匹配滤波器。
一、匹配滤波器
匹配滤波器的传输函数和输入信号有关，信号不同，则匹配滤波器也不同。
匹配滤波器的输出信号和输入信号之间有严重的波形失真，因此只能用于数字信号的接收，不能用于模拟信号的接收和滤波。
二、最小差错概率接收准则
在加性高斯白噪声条件下，似然比准则和最小差错概率准则是等价的。
在最小差错概率准则下，相关器形式的最佳接收机与匹配滤波器形式的最佳接收机是等价的。无论是相关器还是匹配滤波器形式的最佳接收机它们的比较器都是在t=T时刻才作出判决，也即在码元结束时刻才能给出最佳判决结果。
26.同步原理
同步的作用分为：载波同步、位同步、群同步、网同步
- 载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。
- 位同步又称码元同步。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。
- 群同步包含字同步、句同步、分路同步，它有时也称帧同步。
在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”， 又用若干个“字”组成“句”。 - 为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。
按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步法、自同步法
- 外同步法——由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法
- 自同步法——发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法
27.载波同步
一、直接法（自同步法）这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。
有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。有：平方变换法、平方环法。
- 接收端将该信号经过非线性变换——平方律器件后得到若用一窄带滤波器将频率分量 滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波
- 同相正交环法又叫科斯塔斯（Costas）环。压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号。
- Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的Costas环易于实现；
- 当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。
二、外同步法之插入导频法
- 在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。
- 插入导频应注意：在已调信号频谱中的零点插入导频，且要求其附近的信号频谱分量尽量小；导频的插入不应超出信号频谱的范围（主瓣），以避免增加带宽；一般在载频处插入，使用正交载波（相移90度）。
28.位同步、群同步
位同步实现方法有插入导频法（外同步）、直接法（自同步）。
常用群同步码组是巴克码，其自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性