通信原理复习资料

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第一章 绪论

1、模拟通信系统模型

模拟通信系统模型

 

模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统

2、数字通信系统模型

 

数字通信系统模型

 

数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统

3、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）便于处理、变换、存储

（4）便于将来自不同信源的信号综合到一起传输

（5）易于集成，使通信设备微型化，重量轻

（6）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

 

4、通信系统的分类

（1）按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统

（2）按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统

（3）按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统

（4）按传输媒介分类：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、中波通信、短波通信

（6）按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用

★★5、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），是“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。

（1）模拟通信系统：

有效性：可用有效传输频带来度量。

可靠性：可用接收端解调器输出信噪比来度量。

（2）数字通信系统：

有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。

可靠性：常用误码率和误信率表示。

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）；

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。

6、通信的目的：传递消息中所包含的信息。

7、通信方式可分为：单工、半双工和全双工通信

★8、信息量是对信息发生的概率（不确定性）的度量。一个二进制码元含1b的信息量；一个M进制码元含有log2M比特的信息量。

9、信息源的熵，即每个符号的平均信息量：

结论：等概率发送时，信息源的熵有最大值。

 

第二章 信道与噪声

一 确知信号与随机过程

1、确知信号：是指其取值在任何时间都是确定的和可预知的信号，通常可以用数学公式表示它在任何时间的取值。

2、确知信号的类型

（1）按照周期性区分：周期信号和非周期信号

（2）按照能量区分：能量信号和功率信号：

特点：能量信号的功率趋于0，功率信号的能量趋于¥

3、确知信号在频域中的性质有四种，即频谱、频谱密度、能量谱密度和功率谱密度。

4、确知信号在时域中的特性主要有自相关函数和互相关函数。

★5、自相关函数反映一个信号在不同时间上取值的关联程度。能量信号的自相关函数R（0）等于信号的能量；功率信号的自相关函数R（0）等于信号的平均功率。

6、随机过程是一类随时间作随机变化的过程，它不能用确切的时间函数描述。

★7、随机过程具有随机变量和时间函数的特点，可以从两个不同却又紧密联系的角度来描述：①随机过程是无穷多个样本函数的集合②随机过程是一族随机变量的集合。

★8、随机过程的统计特性由其分布函数或概率密度函数描述。

9、高斯过程的概率分布服从正态分布，它的完全统计描述只需要它的数字特征。

★★10、瑞利分布、莱斯分布、正态分布是通信中常见的三种分布：正弦载波信号加窄带高斯噪声的包络为莱斯分布；当大信噪比时，趋近于正态分布；小信噪比时近似为瑞利分布。

11、窄带随机过程：若随机过程x(t)的谱密度集中在中心频率fc附近相对窄的频带范围Df 内，即满足Df << fc的条件，且 fc 远离零频率，则称该x(t)为窄带随机过程。

★★12、宽平稳随机过程的定义：P？？.

★★13、各态历经性定义及应用：P？？  宽平稳与各态历经性的关系。

 

二、信道分类：

（1）无线信道 － 电磁波（含光波）

（2）有线信道 － 电线、光纤

2、无线信道（电磁波）的传播主要分为地波、天波和视线传播三种。

★3、有线信道主要有明线、对称电缆和同轴电缆三种。

4、信道模型的分类：调制信道和编码信道。

 

 

编码信道

调制信道

 

 

★5、调制信道数学模型

 

f [ei(t)]

e0(t)

ei(t)

n(t)

调制信道数学模

－ 信道输入端信号电压；

－ 信道输出端的信号电压；

－ 噪声电压

－ 调制信道数学模型

 

1. 1. 1. 因k(t)随t变化，故信道称为时变信道。
2. 因k(t)与e i (t)相乘，故称其为乘性干扰。
3. 因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。
4. 若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。
5. 乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。

 

★6、调制信道分类：随参信道和恒参信道。

随参信道：信道特性随机变化的信道称为随机参量信道，简称随参信道。

恒参信道：信道特性基本上不随时间变化，或变化极慢极小。又称为恒定参量信道。

7、编码信道的输入和输出信号是数字序列，编码信道对信号的影响是使传输的数字序列发生变化，即序列中的数字发生错误。用错误概率来描述编码信道的特性。

8、编码信道中产生错码的原因以及转移概率的大小主要是由于调制信道不理想造成的。

★9、恒参信道的主要传输特性通常用振幅～频率特性和相位～频率特性来描述。

10、码间串扰：在传输数字信号时，波形畸变可引起相邻码元波形之间发生部分重叠，造成码间串扰。

★11、频率失真：指由于信道的振幅——频率特性不理想，则信号发生的失真称为频率失真。

★12、相位失真：指由于信道的相位特性不理想使信号产生的失真称为相位失真。

★13、频率失真和相位失真都是线性失真；可以用线性网络进行补偿。

★14、非线性失真：是指信道输入和输出信号的振幅关系不是直线关系。这种失真主要是由于信道中的元器件不理想造成的。

15、频率偏移：是指信道输入信号的频谱经过信道传输后产生了平移。主要是由于发送端和接收端中用于调制解调或频率变换的振荡器的频率误差引起的。

16、随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。

17、随参信道的特性：

（1）衰减随时间变化

（2）时延随时间变化

★★（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。 造成的后果：

18、接收信号的分类

（1）确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号

（2）随相信号：接收码元的相位随机变化

（3）起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。 通过多径信道传输的信号都具有这种特性

 

三 噪声

将信道中存在的不需要的电信号统称为噪声。

20、通信系统中的噪声是叠加在信号上的，没有传输信号时通信系统中也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。

21、噪声对于信号的传输时有害的，它能使模拟信号失真，使数字信号发生错码，并限制着信息的传输速率。

22、按噪声来源分类

（1）人为噪声 － 例：开关火花、电台辐射

（2）自然噪声 － 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声

热噪声：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。

23、按噪声性质分类

（1）脉冲噪声： （2）窄带噪声： （3）起伏噪声：

 

★★24、信道容量 － 指信道能够传输的最大平均信息速率。

25、连续信道容量：

 

式中     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

 

由上式可见，连续信道的信道容

量Ct和信道带宽B、信号功率S

及单边噪声功率谱密度n0三个因素有关。

 

 

 

第三章 模拟调制系统

一 调制与解调

1、调制 － 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。

2、载波调制 － 用调制信号去控制载波的参数的过程。

3、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。 

4、调制的目的：（为什么要进行载波调制？）

（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。

★★★二、幅度调制的原理及抗噪性能

1. 幅度调制的一般模型：

2. 各种幅度调制的时域和频域表达式。（AM、DSB、SSB、VSB系统计算：三角公式运算）

3. 各种幅度调制的频谱图。

4. 各种幅度调制的特性（AM调制效率；制度增益；尤其带宽）：

（例如：）

5. 各种幅度调制的抗噪性能的计算。（dB的计算技巧。。）

 

三、角度调制的原理及抗噪性能

1. 一般角度调制的表达式：

★2. 信号形式与辨认：单音频率调制：

 

3. 调频指数、带宽、信噪比计算等（）

 

第四章 数字基带传输系统

1、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。

2、在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。

3、研究数字基带传输系统的原因：

（1）近程数据通信系统中广泛采用

（2）基带传输方式也有迅速发展的趋势

（3）基带传输中包含带通传输的许多基本问题

（4）任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究。

4、传输码的码型选择原则：

（1）不含直流，且低频分量尽量少；

（2）应含有丰富的定时信息，以便于从接收码流中提取定时信号；

（3）功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带；

（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，即码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测。

（6）编译码简单，以降低通信延时和成本。

5、AMI码：全称传号交替反转码；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。

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

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。

6、HDB3码：全称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；并且AMI码中的非0码不能改变符号。

（2）连“0”数目超过3时，将每4个连“0”化作一小节，定义为B’00V，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B’称为调节脉冲；

（3）破坏节V的两个要求：1.相邻的V异号；2.V与前一个的非0码同号：通过B’去调整。

（4）V的取值为+1或-1；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。

 

★★7、码间串扰：是指由于系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变并使前面波形出现很长的拖尾，从而对当前码元的判决造成的干扰。

8、码间串扰的原因：（1）码间串扰 （2）信道加性噪声

9、码间串扰和信道噪声是影响基带传输系统性能的两个主要因素。

★★10、无码间干扰的两个条件：

1、尾部衰减要快。

2、－－奈奎斯特第一准则

——此式为无码干的频域条件，其中Heq(ω)为等效理想低通；

奈奎斯特速率：RB≤2B=fb=1/Tb－－理想低通带宽的2倍, B理想低通的带宽。

 

物理意义：和式项是H(ω)移位2πi/Ts（i=0、±1、±2、···）再相加而形成的。因而该式成立与否，只要检查在区间（- π/Ts， π/Ts ）上式否能叠加出一根水平直线（即为某常数），是否为Ts倒不是必须的。－－“切段相加”。

 

★10、眼图：是指通过用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法。

考试方式：画波形图、眼图参数填空等

 

第五章 数字频带传输系统

1、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。

2、数字解调：在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调。

3、数字调制技术有两种方法：

（1）利用模拟调制的方法去实现数字式调制；

（2）通过开关键控载波，通常称为键控法。

★★4、基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控。——画出调制框图

 

振幅键控          频移键控                    相移键控

 

 

5、振幅键控（2ASK）：是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。

6、2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法和键控法。

7、2ASK信号解调方法 ：非相干解调（包络检波法） 和 相干解调（同步检测法）

8、频移键控：是利用载波的频率变化来传递数字信息。

9、2FSK信号的产生方法：

（1）采用模拟调频电路来实现：

（2）采用键控法来实现。

10、2FSK信号的解调方法：非相干解调和相干解调。

11、相移键控（2PSK）：利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。

12、二进制绝对相移方式：以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式。

 

 

 

13、二进制差分相移键控（2DPSK）：是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。

 

 

 

 

 

 

 

相应的2DPSK信号的波形如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

14、通信系统的抗噪声性能是指：系统克服加性噪声影响的能力。

15、在数字通信系统中可能使码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。

 

16、二进制调制系统的性能比较 

1. 误码率

 

在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2PSK其次，2ASK最差；

（2）频带宽度

2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度

 

 

2FSK系统的频带宽度

 

（3）对信道特性变化的敏感性

如果抗噪声性能是最主要的：则考虑相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可取；

如果要求较高的频带利用率：则应选择相干2PSK、2DPSK及2ASK，而2FSK最不可取；

如果要求较高的功率利用率：则应选择相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可取；

若传输信道是随参信道：则2FSK具有更好的适应能力；

若从设备复杂程度考虑：则非相干方式比相干方式更适宜。

 

17、多进制数字调制系统

★1. MASK基本原理：波形、带宽、特点。

★2. MFSK基本原理：系统框图、带宽。

★★3. MPSK基本原理

• QPSK、QDPSK直接调相法原理；——能根据给定的实现框图画出矢量图；
• QDPSK的实现原理及解调原理；
• QPSK/QDPSK的波形。——能根据给定10序列，画出QPSK/QDPSK的波形

 

第六章 模拟信号的数字传输

1、模拟信号数字化过程包括三个步骤：抽样、量化和编码。

 

抽样信号

抽样信号

量化信号

t

011

011

011

100

100

100

100

编码信号

 

 

2、模拟信号抽样、量化、编码过程。

（1）模拟信号首先被抽样。（通常抽样是按照等时间间隔进行的，）模拟信号被抽样后，成为抽样信号，它在时间上是离散的，但其取值仍然是连续的，是离散模拟信号。

（2）第二步是量化。量化的结果使抽样信号变成量化信号，其取值的离散的，所以量化信号是数字信号。

（3）第三步是编码。最基本和最常用的编码方法是脉冲编码调制（PCM），它将量化后的信号变成二进制码元。

★★3、抽样定理：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率fm < fH，则以间隔时间为T £ 1/2fH的周期性冲激脉冲对它抽样时，m(t)将被这些抽样值所完全确定。

 

 

4、恢复原信号的条件是：

即抽样频率fs应不小于fH的两倍。这一最低抽样速率2fH称为奈奎斯特速率。与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特间隔。

（5、此带通模拟信号所需最小抽样频率fs等于：

       式中，B － 信号带宽；

                n － 商(fH / B)的整数部分，n =1，2，…；

             k － 商(fH / B)的小数部分，0 < k < 1。——记住公式）

 

6、周期性脉冲序列有4个参量：脉冲重复周期、脉冲振幅、脉冲宽度和脉冲相位（位置）

 

7、3种脉冲调制：

（1）脉冲振幅调制(PAM)

（2）脉冲宽度调制(PDM)

（3）脉冲位置调制(PPM)

 

8、量化分为：

（1）均匀量化：抽样值区间是等间隔划分的；

（2）非均匀量化：抽样值区间是非均匀划分的。

9、对于给定的信号最大幅度，量化电平数越多，量化噪声越小，信号量噪比越高。

 

10、平均信号量噪比为

 

——M为量化电平数

或写成

dB

 

 

——量化器的平均输出信号量噪比随量化电平数M的增大而提高。

11、对与均匀量化，当信号小时，信号量噪比也小，所以均匀量化器对于小信号很不利，为改善小信号时的信号量噪比，在实际应用中常采用非均匀量化。

★★12、脉冲编码调制（PCM）：把从模拟信号抽样、量化，直到变换成为二进制符号的基本过程：

13、PCM系统中的噪声有两种：量化噪声和加性噪声。

14、PCM系统的输出信号量噪比：

 

 

——PCM系统的输出信号量噪比仅和编码位数N有关，且随N按指数规律增大。

 

PCM系统的原理方框图 （要掌握）

 

(b) 译码器

模拟信号 输 出

PCM信号 输 入

PCM解码

低通滤波 滤波

(a) 编码器

模拟信号

PCM信号 输 出

抽样保持

量  化

编  码

冲激脉冲

 

 

 

例子：对PCM30/32路基群系统，若抽样后均匀量化级数为N＝256，同步信号已包含在编码内，问每帧宽度为多少？路时隙为多少？信息传输速率为多少bps？

答：PCM30/32路基群系统的抽样速率为8000次/秒，则每帧宽度为125微妙，其路时隙为125/32＝3.9微秒，当均匀量化级数为N＝256时，信息传输速率为

 

第七章 同步系统

同步的概念及分类（研究内容）：

7.2 载波同步技术

7.3 位同步技术

7.4 群同步技术

 

★★1、载波同步技术

1）直接法（自同步法）——同相正交环法（科斯塔斯环）

 

2）插入导频法（外同步法）

——DSB、VSB信号中插入导频；

——时域插入导频法

 

2、载波同步系统的性能指标：2个

1. 精度： 精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。

1）稳态相位误差：当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一简单单调谐回路，其Q值一定。那么，当回路的中心频率ω0与载波频率ωc不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差Δφ。

 

Q值越高，所引起的稳态相差越大。

2）随机相位误差：正弦波加上随机噪声

其中：f0回路的中心频率，A接收信号幅度。

可见：滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。

 

1. 同步建立时间和保持时间——这两个参数对Q值的要求是矛盾的。

 

3、位同步技术

插入导频法：部分响应系统的插入导频法

自同步法：具体又可分为滤波法和锁相法。

 

4、位同步系统的性能指标

 

 

1）相位误差θe：

——随着n的增加，相位误差θe将减小。

 

 

2）同步建立时间ts：

——使同步建立时间ts减小，要求选用较小的n。

 

 

3）同步保持时间tc：

 

 

5、群同步技术——前提：已实现位同步

任务：识别出数字信息群的起止时刻，或者说给出每个群的 “开头”和“末尾”时刻。

重点：外同步——

外同步：在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记，接收端据其位置实现群同步。

1）连贯式插入法：在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。

同步码字－－特殊码字：首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关特性；

其次这个特殊码字在信息码元序列中不易出现以便识别；

最后群同步识别器需要尽量简单。

 

★——最常用的群同步码字，就是“巴克码”

1）巴克码： 一种具有特殊规律的二进制码字：

若一个n位的巴克码{x1, x2, x3,…, xn}，

每个码元xi 只可能取值+1或-1，

则它的局部自相关函数必然满足条件：

2）巴克码识别器——判决门限电平

 

2）间歇式插入法： 将群同步码字分散地插入道信息之中，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码字。

★ 逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经过n次分频以后的本地群码与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行远码移位比较，使本地群码与发送来的群同步码同步。

 

6、群同步系统的性能指标

对于群同步系统而言，我们希望其建立的时间要短、建立同步以后应该具有较强的抗干扰能力。用以下三个性能指标来表示。

1）漏同步概率P1： 同步码字中一些码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出的群同步码字；

 

 

假同步概率P2： 在信息码中也可能出现与所要识别的群同步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码字：

 

群同步平均建立时间ts ：

连贯式群同步平均

 

间歇式插入法平均建立时间：

 

群同步的保护

连贯式插入法中的群同步保护——原理理解

间歇式插入法中群同步的保护——原理理解

 

 

同步方面的补充

 

1、在数字通信系统中同步包括载波同步、码元同步、群同步、网同步四种。

2、在接收设备中需要有载波同步电路以提供相干解调所需要的相干载波相干载波必须与接收信号的载波严格地同频同相。

3、目前多采用锁相环代替简单的窄带滤波器因为锁相环的性能比后者的性能好可以改善提取出的载波的性能。 

4、平方环相关知识

平方后的接收信号中包含2倍载频的频率分量。所以将此2倍频分量用窄带滤波器滤出后再作二分频即可得出所需载频。在实际应用中为了改善滤波性能通才采用锁相环代替窄带滤波器。这样构成的载频提取电路称为平方环。

5、科斯塔斯环功能 

1可以用来作为相干接收的本地载波。 

2兼有提取相干载波和相干解调的功能。

 

6、码元同步可分为外同步法又称辅助信息同步法和自同步法两大类。其中自同步法又分为开环同步法和闭环同步法两种。

7、巴克码巴克码是一种群同步码。

巴克码的R(0)=n,而在其他出的自相关函数R(j)的绝对值均不大于1.这就是说凡是满足上式的码组就称为巴克码。