信息与通信工程面试准备——专业知识提问
1.无线通信：依靠电磁波在空间传播以传输信息。
2.通信的目的：传输信息。
3.通信系统：将信息从信源发送到一个或多个目的地。
4.本书中通信一般指电信：利用电信号传输信息（光通信属于电信，因为光也是一种电磁波）。
5.消息：通信系统传输的对象，如语音、音乐、图片、文字、符号、数据等。
6.信息：消息的有效内容。
7.信号：消息的传输载体，为了将消息通过线路传输，需将消息转变为电信号（如电压、电流、电磁波），即把消息载荷到电信号的某个参量上（如正弦波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。
8.信号可以分为模拟信号和数字信号。
9.消息到电信号的转换由各类传感器实现，如话筒（声音传感器）把声波转变成音频电信号；摄像机将图像转变成视频电信号；热敏电阻（温度传感器）将温度转变成电信号等。
10.通信系统的一般模型
信源：将各种消息转换成原始电信号。
发送设备：产生适合于在信道中传输的信号；使发送信号的特性与信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力；且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。包含：变换、放大、滤波、编码、调制等过程。对于多路传输系统，还包括多路复用器。
信道：是一种物理媒介，将发送端的信号传送到接收端。无线信道是自由空间，有线信道可以是明线、电缆、光纤。
接收设备：将信号放大和反变换（如译码、解调），从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。对于多路复用信号，还需包含接触多路复用，实现正确分路的功能。
信宿：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。
11.模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息，包含两种重要变换。
｜模拟信源｜——>｜调制器｜——>｜信道｜——>｜解调器｜——>｜信宿｜
第一种变换：在发送端将连续消息变换成原始电信号；在接收端进行相反的变换。由信源和信宿来完成。
原始电信号：称为基带信号，基带的含义是基本频带，即从信源发出或送达信宿的信号的频带，频谱通常从零频附近开始，如语音信号的频率范围300Hz~3400Hz，图像信号的频率0~6MHz。有些信道可以直接传输这些信号，而以自由空间作为信道的无线电传输无法直接传输这些信号，因此需要第二张变换。
为何自由空间无法传输基带信号？
(1)基带信号频率低，波长长，当天线的长度为无线电信号波长的1/4时，天线的发射和接收转换效率最高，如果不调制，天线需要做得很长；
(2)空间中的频谱资源是有限的，每个信道都严格划分给固定用途，通过调制可以选择合适的信道进行传输。
第二种变换：把基带信号变成适合在信道中传输的信号，并在接收端进行反变换。由调制器和解调器完成。经调制后的信号称为已调信号，有两个基本特征：携带信息；频谱具有带通形式，也称带通信号。
实际系统中还有滤波器、放大器、天线等部件。
12.数字通信系统：利用数字信号来传输信息。
｜信源｜——>｜信源编码｜——>｜加密｜——>｜信道编码｜——>｜数字调制｜——>｜信道｜——>｜数字调制｜——>｜信道译码｜——>｜解密｜——>｜信源译码｜——>｜信宿｜
信源编码：一是通过某种压缩编码技术减少码元数目以降低码元速率，提高信息传输的有效性；二是完成A/D转换，实现模拟信号的数字化。信源译码是信源编码的逆过程。(是一种压缩编码)
信道编码：发送端信道编码器对传输的码元按照一定的规则加入保护成分（监督码元），接收端信道译码器按照相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，以提高通信系统的可靠性。（冗余编码）。
加密解密：保密通信，保证所传信息的安全。
数字调制与解调：数字调制将基带信号频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。在接收端采用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。
同步：使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确。可靠工作的前提条件。
模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，如数字电话系统以数字方式传输模拟语音。
13.通信系统分类
按调制方式
基带传输：将未调制的信号直接传送，如市内电话、有线广播；
带通传输：信号调制后传播；
按信号特征
信道中传输的是模拟信号还是数字信号，分为模拟通信系统和数字通信系统；
按传输媒介
有线通信：架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等，如有线电视，海底电缆通信；
无线通信：电磁波在空间转播，如短波电离层传播，微波视距通信、卫星中继等；
按工作波段：工作频率和波长不同划分。
14.通信方式
单工：单方向传输，如广播；
半双工：通信双方都能收发，但不能同时，如对讲机；
全双工：可同时收发，如打电话；
串行：8bit字符依次在一条信道上传输；
并行：8bit字符用8条信道并行传输；
15.信息及其度量
信息：消息中不确定的内容构成信息
信源熵：信源的平均不确定度
16.通信系统性能指标
有效性：传输一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率；
模拟系统
数字系统：频带利用率=单位带宽（Hz）内的传输速率
可靠性：传输信息的准确度
模拟系统：接收端输出信噪比度量
数字系统：差错概率
误码率：Pe=错误码元书/传输总码元数
误信率：Pb=错误比特数/传输总比特数
目录
1. 脉冲调制
1.1 脉冲幅度调制(PAM)
1.2 脉冲编码调制(PCM)
(1)抽样
抽样定理
(2)量化
①均匀量化
②非均匀量化
(3)编码和译码
1.3 增量调制（ΔM）
1.4 PCM与ΔM系统的比较
(1)本质区别
(2)抽样速率fs
(3)带宽
(4)量化信噪比
(5)信道误码影响
(6)设备复杂度
2. 二进制/M进制的调制与解调(数字频带传输系统)
2.1 调制
2.2 解调
3. 数字信号的最佳接收
3.1 匹配滤波器
3.2 最小差错概率接收准则
4. 同步原理
4.1 载波同步
(1)直接法/自同步法
(2)外同步法之插入导频法
4.2 位同步
4.3 群同步
4.4 网同步
(1)外同步法
(2)自同步法
5. 香农三大定理
6. 提高可靠性的方法
7. 提高有效性的方法
1. 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)：
1.1 脉冲幅度调制(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
1.2 脉冲编码调制(PCM)
Pulse Code Modulation
模拟信号数字化！实际上是解调！！
简称脉码调制或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。
典型应用：语音数字化。语音、图像信息必须经过数字化才能经计算机处理。
(1)抽样
把模拟信号在时间上离散化，变为PAM信号。（幅度值仍然连续的信号）
根据尼奎斯特采样定理，在采样过程中，使用两倍模拟信号的最高频率。保证采样过程的可靠性。
抽样概念示意图：
抽样定理
 |
低频频率 |
 |
高频频率 |
 |
带宽 |
 |
抽样频率 |
低通抽样定理
带通抽样定理
n取
的整数部分
(2)量化
把PAM信号在幅值上离散化，变为N个量化值。
结合码元种类数，实际上量化就是取得码元种类数，将不同的电平进行分布。
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。
(3)编码和译码
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。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。
编码即用二进制码来表示这N个量化值。
常见的有自然二进码、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。
最后对于PCM可以改进为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。
1.3 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。
1.4 PCM与ΔM系统的比较
| PCM | ΔM | |
| 本质区别 |
对样值本身编码 | 对相邻样值的差值的极性(符号)编码 |
| 抽样速率fs |
根据抽样定理 | 与最大跟踪斜率以及信噪比有关 |
| 带宽 | 较小 | 较大 |
| 量化信噪比 | 码元速率较高时，PCM性能优越 | 码元速率较低时ΔM性能优越 |
| 信道误码影响 | ΔM允许用于误码率较低的信道条件 | ΔM允许用于误码率较高的信道条件 |
| 设备复杂度 | 单路信号独用一个编码器 设备简单 |
(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。
2. 二进制/M进制的调制与解调(数字频带传输系统)
2.1 调制
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...
2.2 解调
2ASK：相干、非相干
2FSK：相干、非相干、过零检测法
2PSK：相干
3. 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。
3.1 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。
3.2 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。
4. 同步原理
同步分为：载波同步、位同步、群同步、网同步
4.1 载波同步
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。
(1)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。
(2)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）。
4.2 位同步
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。
位同步实现方法有插入导频法（外同步）、直接法（自同步）。
4.3 群同步
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”。
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
4.4 网同步
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。
(1)外同步法
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。
(2)自同步法
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。
5. 香农三大定理
香农第一定理：可变长无失真信源编码定理。采用无失真最佳信源编码可使得用于每个信源符号的编码位数尽可能地小，但它的极限是原始信源的熵值。超过了这一极限就不可能实现无失真的译码。
香农第二定理：有噪信道编码定理。当信道的信息传输率不超过信道容量时，采用合适的信道编码方法可以实现任意高的传输可靠性，但若信息传输率超过了信道容量，就不可能实现可靠的传输。
香农第三定理：保真度准则下的信源编码定理，或称有损信源编码定理。只要码长足够长，总可以找到一种信源编码，使编码后的信息传输率略大于率失真函数，而码的平均失真度不大于给定的允许失真度，即 D’ <= D。
一句话总结：信源熵、信道容量、保真度可达但不可超。
6. 提高可靠性的方法
信道编码的目的的是提高可靠性，信道编码通过添加冗余来增强传输扰动下的可靠性，通过在发送的数据中添加一些额外的位，这些位并不包含更多有用的信息，二是增加了对出现错误的检测和纠正能力。
〔一〕以带宽换取可靠性，如无线扩频计调制；
〔二〕降低传输速率，即在同样信息量条件下，延长传输时间可提高可靠性；
〔三〕采用适当的信号波形与均衡措施，可消除信元波形间的干扰，提高正确判决概率；
〔四〕选用调制与解调方式可提高可靠性，数字调频比调幅有更好的接收质量；
〔五〕优良的信号设计可以提高抗干扰能力，力使发送符号波形正交；
〔六〕提高抗干扰能力，减少差错最有效且最常用的方法是利用差错控制编码。
7. 提高有效性的方法
〔一〕信源压缩编码，去除冗余或次要信息，预测编码和现代有损压缩编码技术；
〔二〕采用多路复用或多址技术，如FDM/FDMA,TDM/TDMA,SDM/SDMA,CDM/DWDM,PDM与其信道的正交复用；
〔三〕采用多元调制技术，如QPSK,QAM,MFSK,MPSK.
