通信原理重点知识总结.doc

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第一章绪论

1、通信的目的：

传递消息中所包含的信息。

2、信息：

是消息中包含的有效内容

3、模拟信号信号的参量取值是连续（不可数、无穷多）的（抽样信号未量化仍为模拟信号）

数字信号信号的参量取值是可数的有限的

4、按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统；按照传输媒介、通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统

5、模拟消息ó原始电信号（基带信号）；基带信号ó已调制信号（带通信号）

6、数字通信系统模型

信源编码与译码目的：

①提高信息传输的有效性②完成模/数转换

信道编码与译码目的：

增强抗干扰能力，提高可靠性

基本的数字调控方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对（差分）相移键控（DPSK）

按同步的公用不同，分为载波同步、位同步、群（帧）同步、网同步

7、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便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。

（便于将来自不同信源的信号综合到一起传输）

④易于集成，使通信设备微型化，重量轻

⑤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

8、按信号复用方式分类：

频分复用、时分复用、码分复用

按信号特征分类：

模拟通信系统和数字通信系统

按传输媒介分类：

有线通信系统和无线通信系统

频分复用是用频谱搬移的方法是不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同的信号占据不同的时间区间；码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同的信号。

9、单工、半双工和全双工通信

单工通信：

消息只能单方向传输的工作方式

半双工通信：

通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式

全双工通信：

通信双方可同时进行收发消息的工作方

10、信息及其度量

P（x）表示信息发生的概率，I表信息中所含的信息量

上式中对数的底：

若a=2，信息量的单位称为比特（bit），可简记为b

若a=e，信息量的单位称为奈特（nat），

若a=10，信息量的单位称为哈特莱（Hartley）。

通常广泛使用的单位为比特，这时有

【例1】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为

在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特。

若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为

若M是2的整幂次，即M=2k，则有

当M=4时，即4进制波形，I=2比特，

当M=8时，即8进制波形，I=3比特。

【例2】对于非等概率情况

设：

一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi（i=1,2,3,…,M）按一定的概率P（xi）独立出现，即

，且有

则x1,x2,x3,…,xM所包含的信息量分别为

于是，每个符号所含平均信息量为

由于H（x）同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵

【例3】一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。

试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。

【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量

每个符号的算术平均信息量为

若用熵的概念来计算：

则该消息的信息量

以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。

前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。

这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。

当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。

11、通信系统主要性能指标

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），或者说是传输的“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。

12、模拟通信系统：

有效性：

可用有效传输频带来度量。

可靠性：

可用接收端最终输出信噪比来度量。

13、数字通信系统

有效性：

用传输速率和频带利用率来衡量。

（1）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），简记为B。

式中T－码元的持续时间（秒）

（2）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，简记为b/s，或bps。

（简称传信率、比特率）

码元速率和信息速率的关系

或

对于二进制数字信号：

M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。

对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200B，，则信息速率为3600b/s。

（3）频带利用率：

定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即

或

可靠性：

用差错率来衡量，差错率常用误码率和误信率表示。

（1）误码率Pe

（2）误信率（又称误比特率）

在二进制中有

第二章确知信号

1、确知信号：

是指其取值在任何时间都是确定的可预知的信号

2、确知信号的类型

按照周期性：

周期信号非周期信号

按照能量是否有限：

能量信号功率信号

若信号s（t）的能量等于一个有限正直，且平均功率为零，则称s（t）为能量有限信号，简称能量信号，其特征：

信号的振幅和持续时间均有限，非周期性。

若信号s（t）的平均功率等于一个有限正值，且能量为无穷大，则称s（t）为功率有限信号，简称功率信号，其特征：

信号的持续时间无限。

第三章随机过程

1、通信系统中常见的热噪声近似为白噪声，且热噪声的取值恰好服从高斯分布。

2、白噪声n（t）

定义：

功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声，即

－双边功率谱密度

或

－单边功率谱密度

式中n0－正常数

第四章信道

1、按照媒质的不同，信道可以分为两大类：

无线信道和有线信道。

2、根据难距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为地波、天波（电离层反射波）和视线传播三种。

视线传播：

频率>30MHz

距离:

和天线高度有关

式中，D–收发天线间距离（km）。

[例]若要求D=50km，则由式（4.1-3）

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。

多径传播对信号的影响称为多径效应。

4、信号包络因传播有了起伏的现象成为衰落；多径效应引起的衰落成为快衰落，由季节天气引起的衰落成为慢衰落。

5、衰落和频率相关，称其为频率选择性衰落，将（1/τ）HZ称为次两条路径的相关带宽。

6、为使信号基本不受多径传播的影响，要求信号的带宽小于多径信道的相关带宽（1/τm）。

7、连续信道容量

（1）可以证明

式中Ct－信道的容量

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；

故上式可以改写成：

由上式可见，连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。

（2）当S↑或N↓，S/N↑,Ct↑

当S®¥，或n0®0时S/N®¥，Ct®¥。

B↑,Ct↑但是，当B®¥时，Ct将趋向何值？

令：

x=S/n0B，上式可以改写为：

利用关系式

上式变为

上式表明，当给定S/n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S/n0的1.44倍。

这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。

（3）Ct和带宽B的关系曲线：

上式还可以改写成如下形式：

式中 Eb－每比特能量；

Tb=1/B－每比特持续时间。

上式表明，为了得到给定的信道容量Ct，可以增大带宽B以换取Eb的减小；另一方面，在接收功率受限的情况下，由于Eb=STb，可以增大Tb以减小S来保持Eb和Ct不变。

【例4.6.2】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。

若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。

【解】因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量为

Ip=-log2（1/8）=3 （b/pix） （4.6-18）

并且每帧图像的信息量为

IF=300,000´3=900,000（b/F） （4.6-19）

因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为

Rb=900,000´25=22,500,000=22.5´10^6（b/s） （4.6-20）

信道的容量Ct必须不小于此Rb值。

将上述数值代入式：

得到 22.5´106=Blog2（1+1000）»9.97B

最后得出所需带宽

B=（22.5´106）/9.97»2.26（MHz）

第5章模拟调制系统

1基本概念

调制－把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。

广义调制－分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。

狭义调制－仅指带通调制。

在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。

调制信号－指来自信源的基带信号

载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。

载波－未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。

已调信号－载波受调制后称为已调信号。

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。

2、调制的目的

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。

3、调制方式

模拟调制数字调制

常见的模拟调制

幅度调制：

调幅、双边带、单边带和残留边带

角度调制：

频率调制、相位调制

在频谱结构上，幅度调制的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移（精确到常数因子）。

由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。

①调幅时域表达式

②双边带调制时域表达式

③单边带调制时域表达式

式中，“－”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。

希尔伯特变换：

上式中Amsinwmt可以看作是Amcoswmt相移p/2的结果。

把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为“^”，则有

这样，上式可以改写为

把上式推广到一般情况，则得到

④残留边带滤波器的特性：

H（w）在wc处必须具有互补对称（奇对称）特性,相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。

⑤相干解调器原理：

为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。

⑥小信噪比时的门限效应

当（Si/Ni）低于一定数值时，解调器的输出信噪比（So/No）急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。

门限值－出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值，记为（Si/