通信原理复习题库.docx

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通信原理复习题库

通信：

克服距离上的障碍，进行信息传递的过程。

通讯：

指电气通信。

信息：

消息中包含的有价值的内容，是个抽象的概念。

消息：

通信双方传送的具体内容，如文字、声音、图像等。

信源：

语言、文字、图像、符号、数据

模拟信源：

输出的消息状态是连续变化的，又叫连续信源；

数字信源（离散信源）：

输出的消息状态是离散的、可数的；

模拟信号：

信号参量的取值是连续的；

数字信号：

携带信息的参量仅可取有限个数值。

模拟通信系统：

信道中传送的是模拟信号；

数字通信系统：

信道中传送的是数字信号。

数字通信的优点:

可以再生和重发，抗干扰能力强；

处理、存储方便；

易于集成；

可靠性好；

便于多路复用；

按消息传递的方向和时间，通信方式可分为三种：

单工通信：

消息只能单方向进行传输的工作方式，如广播等；

全双工通信：

通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。

如电话；

半双工通信：

双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的通信方式，如对讲机。

通信系统的主要性能指标

一对主要矛盾：

可靠性：

通信的可信程度，即传送信息的质量；均方误差,信噪比,误码率,误信率

有效性：

在给定的信道内传输的信息量的多少。

传信率,传码率

二者之间可以相互转换。

香农（Shannon）信息定理

如果通信系统输出信号的平均功率为Ps，噪声平均功率为Pn，信道为矩形带通信道，带宽为B，则该信道的最大无失真信息传输速率（称为信道容量）为：

C=B﹒log2（1+Ps/Pn）

信道容积：

系统能输出的最大信息量为：

Imax=TB﹒log2（1+Ps/Pn）

信道的含量密度：

单位信道容积所传输的平均信息量。

是衡量通信系统对信道利用程度的一个重要量度。

仅当信息量不超过信道容积时才有可能实现无误码传输。

提高有效性，意味着利用较小的信道容积来传输较多的信息量。

提高通信系统可靠性的途径

增大发射功率；

增大带宽；

增大码元宽度

信息的量度

信息量的大小取决于什么？

消息出现的概率越小，信息量越大；

消息的持续时间越长，信息量越大。

对于离散信源，通常采用消息出现概率的对数测度作为信息量，即

I=loga[1/P（x）]=-logaP（x）

式中P（x）是消息出现的概率。

当a=2时，信息量的单位为比特（bit）。

一个等概率的二进制波形所含的信息量为1比特；

当a=e，信息量单位为奈特（nit）；

当a=10，信息量单位为哈特莱；

在数字通信中，通常以二进制传输方式为主，在数学上以2为底也非常方便，因此目前广泛采用比特作为信息量的单位。

凡是模拟和数字信号并存的通信系统，信息量的大小通常是以数字信号为准

⏹熵

⏹多个统计独立的离散信源的信息量满足相加性；

⏹

⏹

⏹熵：

多个信源（符号）的平均信息量为

⏹

其物理意义为每个符号所含信息量的统计平均值。

等概率事件熵值最大。

信道

狭义信道：

信息传输的通道，指传输媒质。

广义信道：

传输调制信号的全系统，包括

调制信道：

从调制器输出到解调器输入的全部媒质和设备。

编码信道：

从编码器输出到解码器输入的总信道。

狭义信道是广义信道的重要组成部分，信道的特性主要是由狭义信道决定的。

广义信道和狭义信道示意图

调制信道模型

物理模型：

双端口时变线形网络

线性时变滤波器

数学模型：

k（t）为乘性干扰

n（t）为加性干扰；

恒参信道：

乘性干扰趋近于常数。

随参信道：

信道参数是随机时变空变的

乘性干扰与加性干扰示意图：

理想信道

理想信道：

信息在传输过程中无损失的信道。

纯电阻网络

线性相位的全通滤波器

幅频特性：

常数；

相频特性：

线性；

群时延特性：

常数。

⏹恒参信道

⏹恒参信道：

信道参数不随时间而变化，或变化相当缓慢。

Ø定常二端网络

Ø时不变滤波器

⏹幅频畸变：

频率失真

⏹相频畸变：

相位失真

⏹工程解决措施：

✓改善滤波特性

✓信道均衡

⏹信道的传输特性

⏹理想信道的输入输出信号是全相关的；

⏹恒参信道的输入输出信号是相干的；

Ø相关：

两个波形的相似程度；

Ø相干：

相位信息的可利用程度；

Ø相关一定相干；但相干不一定相关。

随参信道的传输特性是时变/空变的

⏹典型信道的特性

⏹有线传输信道：

接近于理想信道；

⏹恒参信道：

✓光纤信道；

✓无线电视距中继信道；

✓卫星中继信道。

⏹随参信道：

Ø短波电离层反射信道；

Ø对流层散射信道；

Ø水声信道；

基带信号：

原始信息的电信号形式（未经调制的信号）。

数字基带信号：

消息代码的电波形。

基带传输系统：

不使用调制解调过的传输系统。

研究基带传输的意义：

Ø基带传输是基础。

Ø任何一个频带传输系统（理论上）可用一个等效的基带传输系统替代。

Ø基带传输自身的发展（时分复用——高速传输）。

单极性归零波形:

每个脉冲都回到零电位，脉宽小于码元宽度

.多值波形（多电平波形）

基带传输常用码型

基带信号就是代码的电波形表示。

并非任何代码的电波形都适合于在信道

中传输（如单极性波形）。

对传输信号（基带）的要求：

◆对代码的要求。

对电波形的要求。

期望的码特性：

1.能从相应的基带信号中获取定时的信息。

（基准）

2.相应的信号无直流成分，且低频成分少。

（功耗）

3.不受信源统计特性影响，适应信源变化能力强。

（稳健）

4.传输效率高。

（有效性）

5.具有自检和纠错能力。

（可靠性）

常用码型简介：

1.AMI码

（Alternatemarkinversioncode

传号交替反转码）

编码规则：

0（空号）不变，1（传号）交替反转为+1，-1，+1，…

二进制→三进制（1B/1T码型）

优点：

①简单；

②无直流；

③具有误码自检能力

缺点：

可能出现长0串，定时不方便

.HDB3码（Threeordercompatiblehighdensitybipolarcod三阶高密度双极性码）

AMI码的改进型之一。

优点：

稳健性强，连0串减小到至多3个。

编码规则：

先变成AMI码，检查连0串，4个以上连0串的第4个0变成与前一个非0符号同极性的符号（破坏符号V）。

相邻两个破坏符号之间有偶数个非0符号时，将该小段的第1个0变为+B或-B，B符号的极性与前一非0符号相反，后面的符号从V开始交替变化。

3.PST码

（Pairselectingternary成对选择三进码）

编码规则：

先将每2个二进制码元划分

为一个码组，再把它编成三进制数（0

+-），9种状态取其4，+-模式交替。

优点：

无直流分量，编码简单，定时分量丰富。

要点：

需要建立帧同步（分组信息）。

PST码：

代码：

01001110101100

取+模式时：

0+-++--0+0+--+

取-模式时：

0--++-+0-0+--+

4.Manchester码

（Biphasecode、Split—phasecode）

优点：

定时分量丰富，无直流，编码简单。

只用两个电平，在多电平码不能传输的场合仍适用（如光纤通信）。

缺点：

带宽宽，效率低。

编码规则：

一个二进制→两个不同相位的二进码

如：

0→01（零相位方波）

1→10（相位方波）

优点：

定时分量丰富，无直流，编码简单。

只用两个电平，在多电平码不能传输的场合仍适用（如光纤通信）。

缺点：

带宽宽，效率低。

.

Miller码

性质：

两个“1”中间夹一个“0”时出现最大宽度为2Ts的码形，可用于误码自检。

双相码的下降沿正好对应于Miller码的跃变沿。

应用：

气象卫星、磁记录、基带数传机。

优点：

双电平，误码检测优于双相码。

为什么要进行限幅整形？

①进一步排除干扰，提取信号。

②便于同步，保证抽样时刻在接收波形中心附近。

避免单个码元信号因展宽被两次抽样或因变形而漏报。

基带信号可以描述成

无码间干扰的基带传输特性

什么样的系统能保证无码间干扰？

理论上，只要：

Nyquist奈奎斯特第一准则：

只要基带系统的总特性传输函数H（w）可以等效为一个理想的低通滤波器，就可以按最高传输速率2w（w为系统带宽）进行无码间干扰传输。

频带利用率：

单位频带内的码元传输速率。

奈奎斯特速率（理论极限）：

若系统带宽为w，则无码间干扰时最高传输速率为2w（波特）

部分响应系统

理想的低通特性：

能达到理论极限传输速率2Baud（波特）/Hz。

缺点：

①工程不可实现。

②尾巴振荡幅度大，收敛慢，对定时要求严格。

等效的理想低通特性：

降低了频带利用率。

Nyquist奈奎斯特第二准则：

有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其余码元的抽样时刻无码间干扰，那么就能使频带利用率提高到理论上的最大值，同时又可以降低对定时精度的要求。

满足上述要求的冲激响应波形称为部分响应波形。

利用部分响应波形的基带传输系统称为部分响应系统。

无码间干扰的基带系统的抗噪声性能

无码间干扰又无噪声，则可无差错恢复。

但当存在噪声时，即使无码间干扰，也会引起误码。

眼图与系统性能的关系：

最佳抽样时刻是眼张开最大的时刻。

✪对定时误差的灵敏度由眼图斜边的斜率决定。

✪影区垂直高度表示信号畸变范围。

✪横轴位置对应判决门限电平。

✪上下影区间隔距离之半为噪声电容。

时域均衡

在基带系统中插入一种可调滤波器，使之能适应信道的变化，将能减小码间干扰的影响，这种起补偿作用的滤波器称为（信道）均衡器。

时域均衡器：

横向滤波器，建立在冲激响应基础上。

频域均衡器：

用频率特性去补偿总特性，使之满足要求。

均衡效果的衡量准则：

①峰值畸变准则。

②均方畸变准则

迫零调整：

按最小峰值（或均方）畸变准则求得的最优横向滤波器系数应满足：

如果D0小于1，那么畸变极小值一定发

生在y0=1,Yk同时为0时。

解2N+1

个联立方程组，即可求得2N+1个增益系数值。

均衡的实现方法：

Ø预置式均衡。

用专用测试脉冲（单位冲激脉冲）作输入，使不为0的输出作反向调整，使系数趋向于最佳。

Ø自适应均衡。

在传输数据期间借助于信号本身来调整抽头增益。

6调制的原因：

v提高信道的利用率提高有效性

v减小天线的尺寸、物理实现容易、减小相对带宽

v改善了信息传输的均匀性、提高可靠性

ook信号解调方法

相干解调：

利用了载波信号的相位信息进行解调

非相干解调：

在解调过程中不利用相位，只用包络（幅度）信息进行解调

v二进制移频键控（2FSK）

k2FSK信号是0符号对应于载频w1，而1符号对应于载频w2的已调波形

v2FSK信号的产生

v用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调制而获得，模拟调频法实现数字调频

v键控法：

利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通

2FSK信号解调方法

非相干检测法

相干检测法

鉴频法

过零检测法

差分检波法

过零检测法基本思想：

过零点数随不同频率而异，检出过零点数可以得到关于频率的差异

差分检测法

差分检波法基于输入信号与其延迟t的信号相比较，信道上的延迟失真将同时影响相邻信号，故不影响最终的鉴频效果

注意：

2FSK信号可以等价为两个不同的载波信号分别对两个基带信号调幅的成，其功率谱结构也可以看作是两个2ASK信号功率谱的叠加

倒π现象

对于2PSK信号，解调时必须有一个基准的参考相位。

如果参考相位发生随机跳变此后解出的所有代码将全部颠倒，称为“倒π　现象”。

绝对移相键控（2PSK）：

以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控通常称为绝对移相键控方式。

相对（差分）移相键控（2DPSK）：

是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式

按抗噪声性能差异

调制解调方法从高到低

2PSK相干解调>同步相干2DPSK>差分相干2DPSK>相干2FSK>非相干2FSK>相干OOK>非相干2ASK

频带宽度：

当码元宽度Ts时，2ASK系统与2PSK系统的第一零点带宽为2/Ts，2FSk的第一零点带宽为|f2-f1|+2/Ts

误码率：

在每一对相干与非相干的键控系统中，相干方式略优于非相干方式。

相同误码率条件下，信噪比要求上2PSk比2FSK小3dB、2FSK比OOK小3dB。

对信道特性的敏感性：

OOK的性能最差，当信道存在严重衰落时，通常采用非相干检测。

设备的复杂程度：

相干解调的设备比非相干解调时复杂；而同为非相干解调时，2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，OOK最简单。

多进制系统特点：

相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率比二进制系统的高

增大码元宽度，就会增加码元的能量，并能减小由于信道特性应起的码间干扰的影响等

抗噪声能力降低

☪多进制数字振幅调制（MASK）

原理上是通断键控（OOK）方式的推广

¯传输效率高的根本原因：

¯比二进制系统由高得多的信息传输速率

¯在相同的码元传输速率下，多电平调制信号的带宽与二电平的相同

MASK方式性能特点

☺高传信率Rb=RB*log2M=nRB

☺带宽与·ASK相同，因而信道利用率高

☺发送端进行串并变换，把二进制转换成M进制，接受端需进行并串变换

☺抗干扰性能差，M值每增大1倍，电功率大约增加5倍，才能保持误码率不变

☺抗衰落能力比2ASK更差

MASK虽然是一种高效率的传输方式，由于它的抗噪声能力，尤其抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道中，高信噪比条件下的高速传输

多进制数字频率调制

Ø多频制（MFSK）：

K比特信息用M=2K个频率通道进行通信

Ø特点：

要求占据较宽的频带，因此它的信道频带利用率不高。

第一零点带宽为fm-f1+2fs

Ø应用背景：

衰落信道，信道带宽充裕，高速传输

vMFSK方式性能特点

✪传信率提高了，是2FSK的log2M倍

✪信道利用率降低，必须占用更大的信道带宽

✪抗噪声能力比2FSK降低了

✪抗衰落能力由于MASK

v多进制数字相位调制

|多相制（MPSK、MDPSK）：

绝对移相、相对（差分）移相

{四相绝对移相键控（QPSK）

用4个不同的相位信息表示四种状态或一个双比特码

{四相相对移相键控（QDPSK）

利用前后相邻码元之间的相对相位变化来表示4个信息状态

v多进制移相键控系统性能

❆相同的传信率，传码率降低一倍，码元增加一倍，带宽减小一半，信道利用率提高一倍

❆相同的传码率，传信率提高一倍

❆抗干扰能力降低3~4dB

☎应用：

高速率，频带受限，四线租用电话线路

v振幅相位联合键控系统

v多进制系统的频带利用率高，但它是通过牺牲功率利用率来换取的。

随着M值的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域也随之减小。

振幅相位联合键控（APK）方式为克服上述问题而提出的。

v正交振幅调制（QAM）

v正交振幅调制（QAM）是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制

v改进的数字调制方式

%期望的信号特性：

相邻码元间相位是连续的，包络是恒定的，同时占用较小的频带宽度

♋最小移频键控（MSK）

MSK是FSK信号的一种改进型，是一种在相邻码元间保持相位连续性，同时它具有正交信号的最小频差，恒定包络的调制方式

与FSK相比，MSK信号在一个码元宽度内两个载频形影变化严格相差1800

v高斯最小移频键控（GMSK）

ØMSK调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减很快

ØGMSK是在MSK信号输入的前端加一个预置高斯低通滤波器

◆用数字通信系统传输模拟信号，在发送端需进行数模变换（ADC），在接收端需经过模数变换恢复信源信号。

模数变换需经过三个步骤：

抽样、量化、编码。

◆脉冲编码调制（PCM）：

经过抽样量化编码后，在进行信道传送的通信体制。

◆除了（PCM）外，可用于传输模拟信号的通信体制还有：

增量调制（DM）；差分脉冲编码调制（DPCM）

v抽样定理

◆

抽样（采样）:

是把连续信号变换成时间上离散信号的过程。

◆抽样定理：

一个有限频带信号，满足当时，，则当以的频率进行等间隔抽样，原波形可被完全恢复，信息无损失。

◆

奈奎斯特频率：

奈奎斯特周期：

v抽样过程进行得变换：

时域：

原始的连续信号和周期性冲激相乘

频域：

连续信号频谱的周期性延拓

v抽样信号的恢复：

低通滤波器

v从工程实现的角度，影响抽样质量的因素有：

a.时间有限信号其频谱是无限的。

b.理想低通滤波器通常是不可实现的。

c.采样脉冲宽度不能无限窄。

v改善抽样及其恢复信号质量的措施：

1在采样之前先进行抗混叠滤波（低通滤波）

2提高抽样频率，通常取fs为3–5倍的fh

3加校正网络。

v脉冲调制

✦脉冲调制（PM）：

让脉冲的参数和抽样值保持线性关系，参数值反映抽样值变化。

载波：

周期脉冲串。

✦PM分类：

1PAM（脉冲幅度调制）常规的抽样过程

2PDM（脉冲宽度调制）

3PPM（脉冲位置调制）

4PFM（脉冲频率调制）

5PCM（脉冲编码调制）

v量化

◆量化：

对抽样值进行离散化，即用有限个电平表示抽样信号的幅度。

◆量化的设计：

1量化精度由量化器字长或级数决定，字长越长，量化精度越高。

2字长越长，工艺越复杂，码宽越宽，占用的带宽越宽.

3量化字长的选择应与背景噪声相匹配，如果噪声很大，即使量化精度很高，小信号也难以满足信噪比要求，甚至会被背景噪声淹没。

◆几个概念与术语：

1.满量程电平：

Vm，电源电平决定归一化幅度Vm，当A>Vm时，限幅。

2.字长N与量化级数（电平数M）：

M=2^N

3.量化间隔（量化精度）Vq=（Vmax-Vmin）/M

单极性信号:

Vq=Vm/M

双极性信号：

Vq=2Vm/M

4.量化噪声（量化误差）：

截尾方式:

或-Vq<=e<=0

5.动态范围：

在满足给定的最低信噪比条件下所允许的最大信号强度与所要求的最小信号强度之比，通常用分贝数

◆工程量化的准则：

尽量避免过载和空载，使信号工作在正常区，选择器件（字长）使其满足动态范围。

速度满足采样率要求。

◆量化方式：

均匀量化：

把输入信号的取值域按等间距分

割，它是等间隔的量化，存在着

量化误差与编码位数之间的矛盾，

也就是存在着动态范围与设备复杂

性及带宽之间的矛盾，对弱信号

传输不利。

非均匀量化：

根据信号的不同区间、幅度大小

来确定量化间隔

◆实用通信系统通常采用非均匀量化，非均匀量化方式的实现如下：

a.压缩：

发送端坐非线性变换，令弱信号的增益大，强信号的增益小，从而压缩了动态范围，然后再进行均匀量化和编码。

b.扩张：

在接收端，先译码，再按强信号的增益大弱信号的增益小的规律作反变换

再通过低通滤波器恢复原信号。

◆非均匀量化的意义：

使得量化的噪声对大小信号影响大致相同，改善了弱信号的量化信噪比。

◆压缩特性：

通常采用两种对数压缩律是A律压缩（中国欧洲），miu律压缩（美洲）

v脉冲编码调制（PCM）

◆

PCM是在PAM基础上发展起来的一种通信方式，指的是将模拟信号的抽样值经量化，编码后再进行传输。

PCM系统组成:

明确各部分功能：

低通滤波I：

抗混叠（抽样过程是谱叠加过程，从而出现混叠，加低通可把原始始信源中高频部分去掉）

抽样：

将模拟信号在时间上离散化

量化：

将抽样值在幅值上进行离散化

编码：

将量化值转换成（二进制）代码

信源编码：

追求高效率

信道编码：

效率低，（通过低效率来提高可靠

性）

b）低通Ⅱ：

抑制信道噪声

c）译码：

编码的反变换，恢复信号的抽样值

d）低通Ⅲ：

抽样的反变换恢复成模拟信号

e）编码：

常用码型：

自然二进制（单极性信号）和折叠

二进码（双极性信号）

折叠二进制：

最高位表示极性，其他位表示绝

对值

◆PCM系统的抗噪声性能（关心系统输入输出端模拟信号的信噪比）

影响PCM系统的因素：

（1）加性干扰引起的误码（噪声加到二进制电平引起误差）

（2）量化误差系统的输出信噪比：

2PCM系统的门限效应：

当输入信噪比高于某一门限值时，即（SNR）in＞d，输出信噪比几乎不随输入信噪的改变而改变，当输入信噪比低于

某一门限值时，即（SNR）in＜d，输出信噪比随着输入信噪比的降低而急剧下降。

3产生门限效应的物理原因：

输入信噪比高时，量化误差起主要作用，输入信噪比低时，加性干扰引起的误码起主要作用

4量化器字长的影响：

a字长增加，量化误差减小了，传码率要求增

加，带宽增大

b字长增加，信噪比门限电平抬高，要求输入信噪比也要相应提高。

v差分脉冲编码调制（DPCM）

✦对PCM，高层次的量化代价：

存在门限效应，随着N值增大，B增大，门限电平提高

解决手段：

采用预测通信的方式

✦预测通信：

通信系统传输的不是原始信号的抽样量化值而是该值与预测值的差值，从而降低编码器的长度

v预测：

利用历史信息对当前参数作出估计

v滤波：

利用历史和当前的测量值对估计参数

进行评估

v平滑：

利用历史当前和未来的全部信息对当

前参数进行评估

◆DPCM：

对待传信号与其预测值的差值进行

抽样量化后进行传输的通信方式

◆DPCM结构框图

v增量调制（△M或DM）

vDM：

对原信号与其预测值的差值单比特量化，传输的是一个增量

vDM系统传送的二进制码代表抽样值增量的符号

v有三种工作状态

1正常量化：

量化值可正常反应信号的变化

2空载：

信号过小，量化值反应不出信号的变化

3过载：

信号变化得太快，台阶Vq过小，使得增量的变化速度跟不上信号的变化

DM编码器

v综合性能：

系统结构简单，成本低，性能上不如

DPCM，编码简单，1bit量化，对采样频率要求较高。

v时分复用

v复用：

用同一信道传送多系统或多通道信号

的通信方式

v时分复用：

把时间桢划分成若干时隙和各路

信号占有各时隙在同一信道上传输的

复用方式

v码分复用：

每个系统有一组独立的伪随机码本，各系统利用码本的不同在同一信道上传输。

v频分复用：

把信道划分成若干子带，各路信号占有各自子频段在同一信道上传输的复用方式