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通信原理复习资料

通信原理

第一章绪论

1.消息：

信号的物理形式

信息：

消息的有效内容

信号：

消息的传输载体

2.通信系统的一般模型

信源：

把各种信号转为原始电信号

发送设备：

产生适合在信道中传输的信号

信道：

一种物理媒质

接收设备：

从接收设备中恢复原始信号

信宿：

信息传输的目的地

3.模拟通信系统模型

原始信号：

基带信号

基带：

基本频带

已调信号（带通信号）：

经过调制的信号

基本特征：

一.携带信息二.其频谱具有带通形式

4.数字通信系统模型

信源编码：

一.提高信息传输的有效性二.完成模/数转换

信道编码：

进行差错控制

加密：

保证所传信息的安全

数字调制：

形成适合在信道中传输的带通信号

数字通信的特征

优点：

一、抗干扰能力强

二、传输差错可控

三、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。

四、易于集成，使通信设备微型化

五、易于加密，保密性好

缺点：

一、传输带宽大

二、同步要求高

5.通信方式

（1）单工、半双工和全双工通信

（2）并行和串行传输

并行传输：

优点：

节省传输时间，速度快

缺点：

成本高

串行传输：

优点：

只需一条通信信道，费用低

缺点：

速度慢

6.信息及其度量

信息量：

消息中表达内容出现的概率

信息量的计算：

对数的底a

2

e

10

信息量的单位

bit

nat

Hartley

平均信息量（信息熵）：

连续消息的平均信息量：

7.通信系统主要性能指标

（1）.有效性：

用传输速率和频带利用率来衡量

a.码元传输速率（波特率）：

每秒钟内传输的码元数

设每个码元的长度为

（Baud）

b.信息传输速率（比特率）：

单位时间内传输的平均信息量

（b/s）或

（Baud）

（2）.可靠性：

传输信息的准确程度

误码率：

误信率：

二进制中

有效性

可靠性

模

频带利用率

信噪比（S/N）

数

单位带宽（传输速率）

误码率、误信率

第2章确知信号

1.确知信号：

其取值在任何时间都是确定的和可预知的信号/在时间域内的时间函数有确

的值

归一化：

电流在单位电阻（1Ω）上消耗的功率

P=V^2/R=I^2*R=V^2=I^2（W）

2.a.能量信号：

能量为有限正值，时间为无穷，平均功率为零

非周期的确知信号为能量信号

b.功率信号：

平均功率为有限正值，时间为无穷，能量无穷大

周期信号为功率信号

3.频域分析法

信号

物理意义

单位

公式

频谱

周期功率

频率分量的振幅

V

频谱密度

能量

一个能量信号在频率上一小段范围内的能量

V/HZ

能量谱密度

能量

一小段频率间隔的能量分布

J/HZ

功率谱密度

功率

一段范围内的功率分布

W

4.单位冲激函数

t≠0

5.自相关函数

（1）自相关函数反映了一个信号与延迟

后的同一信号间的相关程度

（2）能量信号的自相关函数的傅里叶变换就是其能量谱密度

（3）周期性功率信号的自相关函数

和其功率谱密度

之间是傅里叶变换关系

第3章随机过程

1.随机过程是所有样本函数的集合

随机过程看作是在时间进程中处于不同时刻的随机变量的集合

2.高斯白噪声：

正态分布噪声的功率谱密度在所有频率上均为一常数

第四章信道

1.无线信道

对流层：

0~10千米

平流层：

10~60千米

电离层：

60~400千米

电离层对于信号传播的影响：

反射散射

大气层对于信号传播的影响：

散射吸收

（1）.地波传播：

地波能够传播超过数百千米或数千千米在低频和甚低频段

（2）.天波传播：

天波能够传播10000千米以上在高频段

（3）.视线传播：

天线高度越高，实现传播距离越远

（4）.散射传播：

一.电离层散射：

30MHz~60MHz

二.对流层散射：

100MHz~400MHz

三流星余迹散射：

30MHz~100MHz

2.新到的数学模型

广义信道：

调制信道+编码信道

3.调制信道模型（物理性）

公式：

Y（t）=x（t）*k（t）+n（t）

Y（t）：

信道输出端的信号电压

x（t）：

信道输入端的信号电压

n（t）：

噪声电压（加性干扰）

k（t）：

信道特性（乘性干扰）噪声对信道特性无关

时变信道：

随时间变化的信道

随参信道：

信号特性随机变化的信道

恒参信道：

信号特性基本上不随时间变化，或变化极小极慢

线性：

2个信号y1（t）y2（t）

y1（t）+y2（t）=k1（t）*x1（t）+k2（t）*x2（t）=k（t）*（x1（t）+x2（t））

K1（t）=k2（t）

4.编码信道模型（非物理性）

正确转移模型和错误转移模型

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。

5.信道特性对信号传输的影响

恒参信道实质上是线性时不变网络

恒参信道的主要传输特性通常用振幅——频率特性、相位——频率特性来描述。

无失真传输要求：

振幅——频率特性曲线是一条直线（振幅与频率无关）

相位特性是一条通过原点的直线

非线性失真：

信道输入与输出信号的振幅关系不是直线关系，使信号产生新的谐波，造成谐

波失真。

随参信号所具有的特性：

1.信号的传输衰减随时间而变

2.信号的传输时延随时间而变

3.信号经过几条路径达到接收端，而且每条路径的长度和衰减都随时间而变

（多径传播）

多径效应：

多径传播对信号的影响。

包络：

将一段时间长度的高频信号的峰值点连线，就可以得到上方（正的）一条线和下方（负的）一条线，这就叫包络线。

衰落：

信号包络因传播有了起伏

快衰落：

多径传播

慢衰落：

传播条件

6.信道中的噪声

人为噪声和自然噪声

热噪声属于自然噪声

来源：

来自一切电阻元器件中电子的热运动

性质：

高斯白噪声

7.信道容量

定义：

指信道能够传输的最大平均信息速率

分类：

连续信道和离散信道

连续信道容量

公式：

单位：

b/s

C：

信道容量

B：

信道带宽（Hz）

S：

信道接收功率

N：

噪声功率

：

功率

=1/B

信道容量不会趋于无限大，而只是

的1.44倍

当带宽B增大时，噪声功率也随之增大

第5章模拟调制系统

调制

作用和目的：

将基带信号转换成适合在信道中传输的已调信号；实现信道的多路复用；改善

系统抗噪声性能

广义调制：

基带调制和带通调制（载波调制）

调制通常指载波调制

调制信号：

基带信号

载波调制：

调制信号（基带信号）控制载波的参数

已调信号：

载波受调制后

调制目的：

1.提高无线通信时的天线辐射效率

2.实现信道多路复用，提高信道利用率

3.提高系统抗干扰、抗衰落能力

调制方式

时域表示式

产生信号方式

传输带宽

解调方式

制度增益

优缺点

应用

线性调制（幅度调制）

AM（调幅）

注：

m（t）：

基带信号，均值为0A0--常数，表示叠加的直流分量

直接相乘

2fm

包络检波（|基带信号电压|<=A0）

2/3（最大信噪比、包络检波）

优点：

接收设备简单

缺点：

功率利用率低，抗干扰能力差

中短波无线电广播

DSB（双边带调制）

无直流分量A0

去直流

2fm

相干解调

2

优点：

功率利用率高

缺点：

设备较复杂

应用较少

SSB（单边带调制）

滤波法和移相法

fm

相干解调

1

优点：

功率利用率和频带利用率高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力优于AM

缺点：

发送和接收设备复杂

短波无线电广播、语音频分复用、载波通信、数据传输

VSB（残边带调制）

近似滤波法

fm

相干解调

电视广播、数据传输、图像

非线性调制（角度调制）

FM

注：

A——载波电压

——载波频率

——调频指数

fm——j基带信号频率

基带信号时域表达式：

2（mf+1）*fm

NBFM

相干解调/非相干解调

WBFM

非相干解调

3*mf^2（mf+1）

（大信噪比、单音调制）

优点：

抗干扰能力强

缺点：

频带利用率低，存在门限效应

广播、伴音

1）制度增益：

解调器输出信噪比与输入信噪比的比值

2）大信噪比情况下，包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。

3）相干解调：

信号*载波*本地载波（频率、相位一致）

非相干解调：

频率变电压

4）鉴频器：

将幅度恒定的调频波变成调幅调频波

预加重和去加重的目的：

保持输出信号不变，有效降低输出噪声，提高抗噪性能

5）开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值

解调器的门限效应：

当输入信号达到门限值时，输出信噪比不是按比例随输入信噪比下降，而是急剧恶化

产生门限效应的原因：

非线性器件的非线性解调作用

包络检波和非相干解调都存在“门限效应”

6）可靠性最好的是（FM），有效性最好的是（SSB），有效性相同的是（AM和DSB），可靠性相同的是（DSB和SSB）

7）FM信号带宽BFM=2（mf+1）*fm远大于AM信号带宽，BAM=2fm，根据香农定理公式C=Blog2（1+S/N），当S/N相同时，信道容易C随信号带宽B的增大而增大，可见，FM系统的信道容易大于AM系统的信道容量。

信道容量大，表示通信系统每秒钟正确传输的信息更多，所以FM系统的抗噪能力优于AM系统

第6章数自己带传输系统

数字基带信号：

数字信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始，占据较宽的频带

数字基带传输系统：

基带信号不经过载波调制而直接进行传输

数字基带信号类型

1.单极性波形：

用正电平和零电平对应二进制数字“1”和“0”

2.双极性波形：

用正、负电平的脉冲对应二进制数字“1”和“0”

3.单极性归零波形：

4.双极性归零波形：

基带传输常用码型

传输码的码型选择

（1）不含直流，且低频分量尽量减少

（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）不受信息员统计特性的影响，即能适应于信息源的变化

（5）具有内在的检错能力，即码型具有一定规律性，以便利用这一规律进行宏观检测

（6）编译码简单，以降低通信延时和成本

常用的传输码型

1　AMI码：

传号交替反转码，将消息码的“1”（传号）交替的变换为“+1”和“-1”

消息码：

0110000000110011

AMI码：

0-1+10000000-1+100-1+1

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

2　HDB3码：

a.V（取值+1或-1）应于其前一个相邻的非“0”脉冲极性相同；相邻的V码极性必须

交替

消息码：

1000010000110000000011

HDB3码：

-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+B00+V-1+1

缺点：

HDB3码的编码比较复杂

优点：

解码比较简单，接收时能保证定时信息的提取

AMI码改进为HDB3码后，信息速率不变

3　双相码：

“0”用“01”表示，“1”用“10”表示

消息码：

11000101

双相码：

1010010101100110

优点：

含有丰富的位定时信息，没有直流分量，编码简单

缺点：

占用宽带加倍，使频带利用率降低

4　差分双相码

5　CMI码：

传号反转码，“1”用“11”和“00”表示，“0”用“01”表示，

消息码：

1101001

CMII码：

11000111010100

优点：

易于实现，含有丰富的定时信息，不会出现三个以上的连码，这个规律可以

用来宏观检错

6　块编码

nBmB（m>n）：

原信息码流的n位二进制码分为一组，并置换成m位二进制编码的

新码组

nBmT（m

将n个二进制码变换成m个三进制编码的新码组，提高频带利用

率

数字基带信号传输系统的组成

基带传输系统一般由4部分组成：

发送滤波器、传输信道、接收滤波器和抽样判决器

（1）误码是由接收端抽样判决器的错误判断造成的

（2）造成错误判决的两个主要原因：

码间串扰、信道加性噪声的影响

（3）码间串扰：

系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面

波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上

无码间串扰的时域条件

基带传输系统的冲击响应波形h（t）仅在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0，则可消除码间串扰

低通理想特性

无码间串扰条件下，基带系统所能提供的最高频带利用率为RB/B=2（Band/Hz），理想低通传输特性的带宽（1/2TB）称为奈奎斯特带宽，fN;奈奎斯特速率：

无码间串扰的最高传输速率（2fN波特）

例：

设某一脉冲数字序列，通过截止频率为

的理想低通滤波器，则其奈奎斯特间隔为（

），奈奎斯特速率为（

），奈奎斯特带宽为（

），此时的频带利用率为（2B/Hz）

无码间串扰的基带系统抗噪声性能

✧相同条件下，双极性带通系统的误码率比单极性的低，抗噪性能好

✧等概条件下，双极性的最佳判决门限电平为0，与信号幅度无关，不随信道特性变化而变化

✧单极性的最佳判决门限电平为A/2，易受信道特性变化的影响，从而导致误码率增大

✧采用部分响应系统的优点：

能实现2B/Hz的频带利用率

✧同样输入性噪比条件下，部分响应系统的抗噪性能比0类响应系统差

部分响应系统

人为地、有规律地在码元的抽样时刻引入码间串扰，并在接收端判决前加以消除，从而可以达到频谱特性，压缩传输频带，使频带利用率提高到理论上的最大值

时域均衡

理论上找到了消除码间串扰的方法，即使基带系统的传输总特性满足奈奎斯特第一准则

为了减小码间串扰的影响，通常需要在系统中插入一种可调滤波器来校正或补偿系统特性。

这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。

峰值失真和均方失真是评价均衡效果的两种度量准则

在数字基带传输系统中，采用部分响应技术的目的是：

提高频带利用率

采用时域均衡技术的目的是：

减少码间串扰

眼图

可以定性反映码间串扰的大小和噪声大小

最佳抽样时刻：

“眼睛”张开最大的时刻

图中央的横轴位置对应于判决门限电平

抽样时刻，上下平行线间的距离之半为噪声容量

上下平行线间的距离代表码间串扰的大小

眼痕的粗细代表噪声的大小

第7章数字带通传输系统

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.数字调制技术有两种：

利用模拟调制的方法去实现数字式调制

通过开关键控载波，称为键控法

数字调制方式：

振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）

带宽B（表示有效性、单位HZ）

抗噪声性能

解调

相干

非相干

2ASK

2

采用相同的解调方式，在误码率

相同的情况下，所需信噪比2ASK比2FSK高，2FSK比2PSK高；若信噪比r一定，2PSK系统的误码率比2FSK的小，2FSK系统的误码率比2ASK的小。

相干解调中，2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差

采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调的误码率，2PSK无非相干解调方试

2FSK

2

+

2PSK

2

2DPSK

2

2ASK：

常用的、最简单的二进制振幅键控方式，称为通——断键控（OOK）

（码元传输速率）

对信道特性变化的敏感性

●2PSK中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态

●2ASK中，判决器的最佳判决门限为a/2，与接收机输入信号的幅度有关，因此，2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。

2ASK非相干解调方式：

2ASK相干解调方式：

2ASK的信号波形：

2FSK的信号波形：

2PSK的信号波形：

2DPSK的信号波形：

MASK信号：

MFSK信号：

带宽：

4PSK：

正交相移键控（QPSK）

矢量图：

（A方式QPSK信号矢量图）

（B方式QPSK信号矢量图）

偏置正交相移键控（OQPSK）：

相邻码元相位相差的最大值仅为

，从而减小了信号振幅的起伏（波形上移半个码元）

第8章新型数字带通调制技术

QAM：

正交振幅调制

QPSK（最简单的QAM信号）矢量图

长度代表幅度，角度代表位移

64QAM和256QAM等QAM信号：

MQAM调制，其矢量图看像是星座，又称为星座调制

16QAM信号的两种产生方法：

1.正交调幅法2.复合相移法

在平等功率相同条件下，16QAM比16PSK信号的噪声容限大（16QAM抗噪声性能更好）

MSK：

最小频移键控

优点：

包络恒定、相位连续、带宽最小、严格正交的2FSK信号、带外功率下降快、功率谱

密度集中

解调方法：

相干解调、非相干解调、延时判决相干解调法

对于相干接收，保证正交的2FSK信号的最小频率间隔等于

当用匹配滤波器分别接收每个正交分量时，MSK信号的误比特率性能和2PSK、QPSK、OQPSK的性能一样

把MSK当做FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间

内解调，其性能将比2PSK信号的性能差

GMSK：

高斯最小频移键控

优点：

包络恒定、相位连续、带宽最小、严格正交的2FSK信号、带外功率下降更快、功率

谱密度更集中

缺点：

码间串扰越大（提高有效性，降低可靠性）

在GSM制的蜂窝网中采用GMSK调制

OFDM：

正交频分复用

优点：

抗多径性能好、抗码间串扰、频带利用率高

缺点：

对信道产生的频率偏移和相位噪声更敏感

信号峰值功率和平均功率的比值较大，降低射频功率放大器的效率

实现难度大

各路子载频的最小频率间隔为

OFDM体制和串行的单载波体制相比，频带利用率大约可以增至2倍