物联网通信技术复习知识点.docx
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物联网通信技术复习知识点
第一部分概述
第0章概述
●物联网的框架结构
信息的感知控制层
•数据采集子层
•短距离通信传输子层
•协同信息处理子层
网络传输层
应用层
●物联网通信系统
感知控制层通信
•目的:
将各种传感设备所感知的信息在较短的通信距离内传送到信息汇聚系统，并由该系统传送（或互联）到网络传输层。
•特点:
传输距离近,传输方式灵活,多样
•承载平台：
有线、无线等
网络传输层通信：
如基于IP的通信协议
•由数据通信主机（或服务器）、网络交换机、路由器等构成，在数据传送网络支撑下的计算机通信系统。
•可由公众电话交换网PSTN、全球移动通信系统GSM，码分多址CDMA、时分同步码分多址TDCDMA，数字数据网DDN、异步传输模式ATM，帧中继
第1
篇数据通信基础
第1章通信的基本模型与概念
1.基带信号：
信源（信息源，也称发送端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。
根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。
）其由信源决定。
2.频带信号：
已调信号。
在通信中，由于基带信号具有频率很低的频谱分量,出于抗干扰和提高传输率考虑一般不宜直接传输,需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，变换后的信号就是频带信号。
3.
模拟通信系统模型
4.数字通信系统模型
5.通信系统的分类
按调制方式分:
载波调制\脉冲调制
按信号特征分:
模拟通信\数字通信
按传输媒介分:
有线\无线
按信号复用分:
频分\时分\码分
6.通信方式
•单工通信\半双工通信\全双工通信
•串行通信方式\并行通信方式
7.信息量:
信息多少的量度。
•在信息论中，认为信源输出的消息是随机的。
即在未收到消息之前，是不能肯定信源到底发送什么样的消息。
而通信的目的也就是要使接收者在接收到消息后，尽可能多的解除接收者对信源所存在的疑义（不确定度），因此这个被解除的不定度实际上就是在通信中所要传送的信息量。
例，设二进制离散信源以相等的概率发送0或1，且相互独立，则信源输出的每个符号所含信息量为多少？
•消息的信息量：
一条消息由若干个事件组成，如果各事件相互独立，那么所有事件发生的概率即为各个事件信息量的总和
例，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3/8,1/4,1/4,1/8,且每个符号的出现相互独立，则试求以下信息的信息量是多少？
•收到一个符号时获得的平均信息量
例，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3/8,1/4,1/4,1/8,且每个符号的出现相互独立，则试求信息2010230213的平均信息量是多少？
Ø
8.数据通信系统中的主要性能指标
•比特（bit）:
是“信息量”的计量单位，1位二进制数所携带的信息量即为1bit（比特），例如，10010110是8位二进制数字，所携带的信息量为8bit。
•码元：
（code cell）是携带信息的数字单位，是指在数字信道中传送数字信号的一个波形符号，也即“时间轴上的一个信号编码单元”。
在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为（二进制）码元。
•码元和比特的关系:
一个以m波特传送信号的线路，其传送二进制数据的速率不一定是m比特/秒，因为每个信号可以运载几个比特，例如，若使用0、1、2、3、4、5、6、7共8个电平级，则需要2^3，即3个比特来表示一个信号值，可以理解为一个码元为三个比特。
•信息传输速率:
通信线路（或系统）单位时间（每秒）内传输的信息量，即每秒能传输的二进制位数，通常用Rb表示，其单位是比特/秒（bit/s或b/s，英文缩略语为bps）。
•码元传输速率:
其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为"波特"，又可以称为波特率
•码元速率和数据速率的关系:
Rb=RBlbM
•误比特率=传输中出错信息的比特个数/传输信息的比特总数*100%。
•误码率=传输中的出错码元的个数/传输的码元的总个数*100%。
•误码率与误比特率的关系:
误比特率=误码率/（log2M）
•信噪比是信号与噪声的平均功率之比
书上例题1.5.1-1.5.2
第2章数据通信的基础理论
1.时域分析：
在时域内对信号进行滤波、放大、统计特征计算、相关性分析等处理，统称为信号的时域分析。
波长
:
在波动中，振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离，叫做波的波长
周期
：
任一质点完成一次全振动所用的时间用符号T表示，周期的单位是s。
频率
：
介质中任一质点在单位时间内完成的全振动的次数，用符号f表示。
单位是Hz.
波速
：
单位时间内振动（波形）所传播的距离。
2.频域分析：
在信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x（t）变换为频域信号X（f），从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。
频域任一信号，只要符合一定条件都可以分解为一系列不同频率的正弦（或余弦）分量的线性叠加；每一个特定频率的正弦分量都有它相应的幅度和相位。
3.频谱：
对于一个信号，它的各分量的幅度和相位分别是频率的函数；或者合起来，它的复数幅度是频率的函数。
这种幅度（或相位）关于频率的函数，就称为信号的频谱。
频谱图：
当把信号频谱，即幅度（或相位）关于频率的变化关系用图来表示，就形成频谱图
4.傅里叶级数:
展开其实只是在做一个动作，那就是把函数“投影”到一系列由三角函数构成的“坐标轴”上
5.傅里叶变换:
傅里叶级数针对的是周期信号。
即可针对周期信号，也可针对非周期信号的是傅里叶变换
傅里叶逆变换
6.信号带宽:
是信号频谱的宽度，也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差
例：
如果方波信号基频为500Hz，最高频率分量是11次谐波的频率为5.5kHz，其带宽只需要5kHz，远小于信道带宽，是否就能很好地通过信道（通带为1.5kHz至15kHz，其带宽为13.5kHz）呢？
其实，该信号在信道上传输时，基频被滤掉了，仅各次谐波能够通过，信号波形一定是不堪入目的。
7.交换技术：
电路交换、报文交换和分组交换
电路交换：
由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成）。
报文交换：
报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式。
分组交换：
分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去。
分组交换有数据报和虚电路两种交换方式
数据报：
在目的地需要重新组装报文。
优点：
如有故障可绕过故障点。
缺点：
不能保证按顺序到达，丢失不能立即知晓。
虚电路：
在数据传输之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。
它适用于两端之间长时间的数据交换。
优点：
可靠、保持顺序；
缺点：
如有故障，则经过故障点的数据全部丢失.
第三章数据通信中的信道
1.信道的模型
2.狭义信道:
发送设备和接收设备之间用以传输信号的传输媒介定义为狭义信道
3.广义信道:
从研究消息传输的角度，我们所关心的是通信系统的基本问题，除了传输媒介，还包括调制器，加密，编码等部分，这种扩大了范围的信道叫广义信道。
4.恒参信道:
信道的各项参数不随时间变化的信道，它对信号的影响是确定的。
恒参信道是对信号的影响是确定的或者是变化极其缓慢的，通常包括明线，对称电缆，同轴电缆，光纤，卫星中继等。
5.随参信道:
信道的各项参数随时间变化的信道，它对信号的影响一般是不确定的。
随参信道是指信道传输特性承时间快速变化的信道，常见的随参信道有陆地移动信道，短波电离层反射信道，超短波流星余迹散射信道，超短波及微波对流层散射信道等。
6.离散信道:
信道中信号在时间和幅度上都是离散的，则信道是离散信道。
7.连续信道:
信道中信号在时间和幅度上都是连续的，则信道是连续信道。
8.无记忆信道:
信道的当前输出仅与当前输入有关。
9.有记忆信道:
信道当前输出不仅与当前输入有关，而且还与以前的输入有关。
10.模拟信道:
传输模拟信号的信道。
11.数字信道:
传输数字信号的信道
12.物理信道:
一个实际存在的物理实体信道称为物理信道，包含实际存在的物理设备和传输物理媒质。
13.逻辑信道:
采用多路复用技术在一个物理信道中来传输多路信号而划分的信道称为逻辑信道。
14.信道的容量:
是衡量最大传输能力的重要参数。
离散信道的信道模型用转移概率表示！
连续信道的信道模型用时变线性系统来表示！
15.
是发送端发送的概率
是信道输出符号为而信道输入符号为的条件概率.
16.互信息量:
后验概率与先验概率之比的对数称为互信息量:
17.信道传输的平均信息量:
例:
设信息源由符号0和1组成，顺次选择两符号构成所有可能的消息，如果消息传输速率是每秒1000符号，且符号出现的概率相等。
传输中，平均每100符号中有一个符号不正确，试问这时传输的信息的平均信息量是多少？
18.
信息传输速率:
指信道在单位时间内所传输的平均信息量,用R表示,即
例:
设信息源由符号0和1组成，顺次选择两符号构成所有可能的消息，如果消息传输速率是每秒1000符号，且符号出现的概率相等。
传输中，平均每100符号中有一个符号不正确，试问这时传输的信息的速率是多少？
19.信道容量:
一个信道的传输通力应用信道最大可能传输的速率来衡量，即对于一切可能的信源概率分布，信道传输信息的速率R的最大值为信道容量，记为C
信道容量定义为信道中每个符号平均所能传递的最大信息量，也就是最大I（X；Y）值。
此时输入的概率分布称为最佳输入分布.
20.连续信道的信道容量:
在有噪声信道中，若信道带宽为，信道输出的信号功率为,以及连续信道的容量为
上式也叫香农公式。
它表明，当信号与作用在信息上的起伏噪声的平均功率时，在具有一定频带宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值。
电视图像可以大致认为由300000个小像元组成。
对于一般要求的对比度，每一像元大约取10个可辨别的亮度电平（例如对应黑色，深灰色，浅灰色，白色等）。
现假如对于任何像元，10个亮度电平是等概率出现的，每秒发送30帧图像；还已知，为了满意地重现图像，要求信噪比为1000（即30dB）.在这种条件下，我们来计算传输上述信号所需要的带宽。
每一个像元能以概率取10个亮度电平，所以每个像元的信息量为
每秒内传送的信息量为
无线信道
21.双绞线（TwistedPair）:
双绞线是两根绝缘铜线相互缠绕而成的有规则的螺旋形介质，由1对线作为一条通信线路，计算机网络中常用的是由4对双绞线构成双绞线电缆。
22.同轴电缆（CoaxialCable）以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料和网状的外屏蔽层，上面又覆盖一层保护性材料。
23.光纤:
光导纤维简称为光纤（opticalfiber），它是发展最为迅速的传输介质。
无线信道
24.无线电波:
波长从几千米到0.3米左右,一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；
25.微波:
波长从0.3米到10-3米,这些波多用在雷达或其它通讯系统；
26.红外线:
波长从10-3米到7.8×10-7米；
27.可见光:
这是人们所能感光的极狭窄的一个波段.波长从（78～3.8）×10-6厘米.光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波.由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；
28.紫外线:
波长从3×10-7米到6×10-10米.这些波产生的原因和光波类似,常常在放电时发出.由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当,因此紫外光的化学效应最强；
29.伦琴射线:
这部分电磁波谱,波长从2×10-9米到6×10-12米.伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；
30.γ射线:
是波长从10-10～10-14米的电磁波.
无线电波的传播方式
31.地波传播：
无线电波沿地球表面传播到达接收端的传播方式
32.天波传播：
自发射天线发射的电波，在高空被电离层反射回来到达接收端的传播方式
33.地波-电离层波导传播:
电波在地面-电离层传播,通常用来长距离通信。
34.视线传播：
发射的电磁波像光线一样直线传播或经过大地反射到接收端的传播方式。
35.散射传播：
利用对流层或电离层中的不对称性来散射无线电波，使无线电波传播到视距以外的地方的传播方式。
36.外大气层及行星际空间电波传播：
电波传播的空间主要是在外大气层或行星际空间，并且是以宇宙飞船、人造地球卫星或星体为对象，在地—空或空—空之间传播方式。
第四章信源编码
抽样
1.抽样：
对模拟信号在时域上的离散化，即对一个时间连续，幅度也连续的信号转变成时间离散，幅度连续的信号的过程。
2.自然抽样：
在调制中，得到的已调信号xs（nTs）的脉冲顶部和原模拟信号波形相同。
这种抽样常称为自然抽样。
3.平顶抽样：
在实际应用中，则常用“抽样保持电路”产生的抽样信号，平顶抽样。
4.
低通抽样定理：
对于一个频率范围在[0,fH]范围的时间连续信号x（t）,若抽样频率fs2fH，对其均匀抽样，则x（t）被xs（nTs）（）完全确定，或者说抽样信号xs（nTs）将无失真地恢复出x（t）
即若抽样频率fs2fH，则Xs（f）中包含的每个X（f）互不重叠，就能够用一个低通滤波器分离X（f），也就是能从抽样信号中恢复原信号。
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.带通模拟信号的抽样定理：
设带通模拟信号的频带限制在fL和fH之间，信号带宽
B=fH－fL。
则此带通模拟信号所需最小抽样频率fs
n为小于（fH/B）的最大整数部分，n=1，2，…；
例4.1.1
量化
6.均匀量化：
把输入信号的取值区域按距离均匀分割的量化称为均匀量化。
即量化间隔是均匀的。
7.非均匀量化：
把输入信号的取值区域按距离非均匀分割的量化称为非均匀量化。
量化间隔随信号抽样值的不同而变化：
信号抽样值小时，量化间隔也小；信号抽样值大时，量化间隔v也变大。
在信号发射端，为实现非均匀量化，信号需要进行适当的变换，通常这一变换过程称为压缩
压缩y=f（x），
在信号接收端，信号需要进行适当的反变换，通常这一变换过程称为扩张
扩张x=f-1（y），
关于电话信号的压缩特性，国际电信联盟（ITU）制定了两种建议，即A压缩律和压缩律，以及相应的近似算法－13折线法和15折线法。
我国大陆、欧洲各国以及国际间互连时采用A律及相应的13折线法；北美、日本和韩国等少数国家和地区采用律及15折线法。
8.非均匀量化的过程：
书上41页。
9.均匀量化和非均匀量化比较
若用13折线法中的（第一和第二段）最小量化间隔作为均匀量化时的量化间隔，则13折线法中第一至第八段包含的均匀量化间隔数分别为16、16、32、64、128、256、512、1024，共有2048个均匀量化间隔，而非均匀量化时只有128个量化间隔。
因此，在保证小信号的量化间隔相等的条件下，均匀量化需要11比特编码，而非均匀量化只要7比特就够了。
10.量化噪声：
在语言编码通信中，解调后信号和原传递信号的差异是因幅度和时间的量化而产生的，这种失真称为量化失真。
因为这种失真和杂乱的干扰一样，听起来和元件产生的热噪声相似，所以叫做量化噪声。
11.加性噪声：
一般指热噪声、散弹噪声等，它们与信号的关系是相加，不管有没有信号，噪声都存在
12.脉冲编码调制PCM：
是PulseCodeModulation的缩写。
脉冲编码调制是数字通信的编码方式之一。
主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。
13.逐次比较法编码原理：
14.自然二进制码、格雷二进制码，折叠二进制码（书45）
15.增量调制：
增量调制的基本原理是于1946年提出的，它是一种最简单的差值脉冲编码。
每个抽样值不是独立编码，而是先根据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差。
将此差值编码并传输；
基本量化噪声：
（a）基本量化噪声
e（t）
过载量化噪声：
（b）过载量化噪声
e（t）
第五章数字基带传输
1.基带传输：
不经过调制直接进行数字信号传输的传输方式
2.频带传输：
将数字基带信号经过载波调制后传输的传输方式
3.码型:
数字信号的电脉冲结构。
4.码型变换:
数字信息的电脉冲表示过程中传输代码之间的变换。
码型变换相当于信道编码，其目的是使信号利于信道传输。
5.单极性码，
6.双极性码，
7.单极性归零码（过渡码型）：
8.双极性归零码，
9.差分编码
10.过渡码型，可以直接提取同步信号，是针对其他适合信道传输，但不能直接提取同步信号的码型，可将其变换为单极性归零码后提取同步信号！
11.带限系统对脉冲信号的影响：
数字信号是由一个个脉冲组合而成的序列，其输入信号的频谱较宽，而信道对于信号的各个频率成分传输的衰耗是不同的，各个频率成分在经过不同衰减后，再叠加在一起的波形肯定与原来的有形状不同了。
当一个脉冲通过低通信道号，输出的是一个时间上展宽的信号，这是由于输入冲激函数的频谱无限宽，而其中只有一部分能通过信道，这部分对应的时域信号就有一个长长的拖尾。
12.码间干扰：
通信时，发送端是一个脉冲（码元）一个脉冲（码元）传输的，在接收端接收信号时，恢复数据时，信号的拖尾可能会影响前一个码元和下一个码元的判决即它对其它码元的判决引起的干扰称为码间干扰
13.均衡：
指对系统传输特性的补偿和校正。
14.均衡器：
在基带系统中插入的可以校正或补偿的系统，其位置在接收滤波器之后抽样判决前。
目的是减少码间干扰。
15.时域均衡：
时域均衡，则是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。
时域均衡原理：
利用均衡器产生相应波形去补偿畸变的波形，关在最后通过抽样判决来最有效地消除码间干扰
16.时域均衡器：
由横向滤波器构成，具有固定的延迟间隔，增益可调的多抽头滤波器。
将输入端抽样时刻上有码间串扰的响应波形变成抽样时刻上无码间串扰的响应波形。
17.频域均衡：
频域均衡是从频率响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输条件。
18.眼图：
是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形。
例：
一个完整的眼图应该包含从“000”到“111”的所有状态组，且每一个状态组发生的次数要尽量一致，否则有些信息将无法呈现在屏幕上，八种状态形成的眼图如下所示。
19.眼图的几点结论
•最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻；
•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；
•图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围；
•图中央的横轴位置对应于判决门限电平；
•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；
•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。
第6章数字调制系统
1.调制：
待传输的低频信号托附到高频振荡的过程就叫调制
2.调制技术概念延伸：
用基带信号来控制高频载波信号某个参数，即高频载波信号的某个参数的变化与基带信号的变化具有一一对应的关系！
3.按调制器的功能进行分类
幅度调制：
用调制信号s（t）改变载波信号c（t）的幅度参数！
频率调制：
用调制信号s（t）改变载波信号c（t）的频率参数！
相位率调制：
用调制信号s（t）改变载波信号c（t）的相位参数！
4.按调制信号的不同进行分类
模拟调制、数字调制
5.按载波信号的不同进行分类
连续波调制、脉冲调制
6.键控法：
由于数字基带信号是离散的，即数字基带信号的每个码元仅表示一个状态，数字基带信号就像一个开关的键一样，所以数字调制采用的方法也叫键控法，即通过开关键控载波。
幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）的基本原理
7.模拟调制法基本原理（双边带调幅，相干解调）
设信号的频谱为,,将乘以载波信号,得到信号的已调信号即
其中称为调制信号,称为载波频率,称为已调信号.
从频域上看,已调信号的频谱为原调制信号的频谱搬移到
处,幅度变为原来的一半,即
如果利用相干解调方法,即在解调的过程中,将接收信号乘以载波以后得到
即
将信号通过低通滤波器,只保留低频信号将得到
与相比,除了幅度为原来的
外,完全携带了原始信号的信息.
8.2ASK振幅调制：
通过高频载波信号的输出有，无来表示数字基带信号“0”和“1”的。
调制方法：
直接相乘法、键控监控法
解调方法：
包络解调和相干解调
非相干解调（包络检波法）
相干解调（同步检测法）
9.2FSK振幅调制：
通载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。
调制方法：
直接调频、频移键控法
解调方法：
包络解调、频移键控法、相干解调法、过零检测法、差分检测法
直接调频:
是用数字基带信号直接控制载波振荡器的振荡频率。
频移键控法:
用基带信号s（t）（一个随机的1、0脉冲信号）分别控制两个电子开关，即分别与一个载波相乘即可得到调制后的2FSK信号，
解调方法：
包络解调和频移键控法
包络检测法
频移键控法
相干解调
过零检测法：
过零检测法解调器的基本原理是，二进制频移键控信号的过零点数随载波频率不同而异，通过检测过零点数从而得到频率的变化
差分检测法：
输入信号经带通滤波器滤除带外无用信号后被分成两路，一路直接送乘法器，另一路经时延后送乘法器，相乘后再经低通滤波器去除高频成分即可提取基带信号
10.二进制相移键控（2PSK）：
在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“0”和“1”。
因此，2PSK信号的时域表达式为
式中，n表示第n个符号的绝对相位：
•2PSK信号的调制：
调制方法：
直接调制的方法、相移键控法
解调方法：
相干解调法
直接调制：
键控法：
2PSK信号的解调：
由于2PSK是一单频信号，只能用相干解调方法来解调，该方法也称为极性比较法
倒“π”现象：
在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。
这种现象称为2PSK方式的“倒π”现象或“反相工作”
11.相对相移键控DPSK：
利用前后相邻码元的载波相
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