通信概论串讲笔记1210要点.docx

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通信概论串讲笔记1210要点

通信概论串讲笔记

第一章：

通信基础

（一）课程内容

第一节：

通信的基本概念

通信就是信息的传递和交换；

消息是信息的物理表现形式，如语音、文字、图片和数据等；

信息是消息的内涵；

信号是能够反映或表示信息的传输载体。

第二节：

通信系统的组成

1，通信系统一般模型；

信源―――发送设备――――信道――――接收设备―――信宿

|

噪声源

通信系统基本模型

各部分功能：

信源是消息的发源地，其作用是通过传感器把消息转换为原始电信号

发送设备的功能是将信源和信道匹配起来，其目的是将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。

信源可以分为模拟信源和数字信源。

信道是指传输信号的通道，可分为有线和无线两大类。

噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

接收设备的功能是放大和反变换，其目的是从受到干扰和减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。

信宿是传送消息的目的地。

其功能与信源相反，即将复原的原始电信号还原成相信的消息，

2，模拟通信系统模型；

模拟信源―――调制器――――信道――――解调器―――信宿

|

噪声源

模拟通信系统典型模型

两种转换：

（1）消息------原始电信号（系带信号），通过信源和信宿完成。

（2）基带信号---已调信号（带通信号），通过调制器和解调器完成。

3，数字通信系统模型；

信源―信源编码―加密―信道编码―数字调制―信道―数字解调―信道译码―解密―信源译码―信宿

|

噪声源

4，数字通信的优缺点。

优点：

1、抗干扰能力强，且噪声不积累；

2、传输差错可控。

3、便于与各种数字终端接口。

4、易于集成化。

5、易于加密处理，且保密强度高。

缺点：

1、比模拟通信占用更宽的信道带宽。

2、数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。

第三节：

通信系统的分类

1、按照通信业务分：

电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统、综合业务数字通信网。

2、按照调制方式分：

基带系统和调制（带通）系统。

3、按照信号特征分：

模拟通信系统、数字通信系统。

4、按照传输媒介分：

有线通信系统和无线通信系统。

5、按照工作波段分类

长波通信：

30－300KHZ

中波通信：

300K-3MHZ

短波通信：

3-30MHZ

微波通信：

300M-300GHZ

光通信：

43T-3000THZλ=c/f

第四节：

通信方式

------指通信双方之间的工作方式。

1，单工、半双工和全双工通信；

单工通信----指消息只能单方向传输的工作方式；如：

广播，遥测，遥控等；

半双工通信---指通信双方都可以收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式；如普通对讲机；

全双工通信---指通信双方可以同时进行收、发消息的工作方式；如：

电话，手机通信。

2，并行传输和串行传输。

按照数据代码传输的时序，可以分为并行传输和串行传输。

并行传输：

将代表信息的数据代码序列以成组的方式在两条或者两条以上的并行信道上同时传输；

串行传输：

将数据代码序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输。

第五节：

信号和频谱

信号是能够反映或表示信息的传输载体。

1.5.1、信号分类；

1、确知信号和随机信号

确知信号----指可以预先知道变化规律的信号；

随机信号----也称为不确知信号，其在实际发生前具有一定的不确定性。

2、周期信号和非周期信号

周期信号---是定义在时间区上，每隔一段时间间隔按相同规律重复变化的信号。

非周期信号----是不具有重复性的信号。

3、模拟信号和数字信号

模拟信号-----信号参量的取值是连续的（不可数，无穷多）。

数字信号----信号的参量指可能取有限个、可数个值。

4、基带信号和带通信号

基带指信号----从零频开始到几兆赫兹，不适合通过无线信道传输；

带通信号-------指通过调制以后的信号，又称已调信号。

无论模拟信号还是数字信号，都有基带信号和带通信号之分。

因此，相应有数字（或模拟）基带传输系统和数字（或模拟）带通传输系统。

1.5.2、信号举例；

正弦信号（也称正弦波）是一种最基本的周期信号，3个参量描述：

振幅，周期或频率，相位。

T=1/fT：

周期f：

频率

正弦波的公式：

s（t）＝Asin（ωt＋θ）

A为信号的最大振幅，ω为信号的角频率，单位为rad/s，θ为信号的初始相位。

角度频率和频率的关系为ω＝2πf

1.5.3、时域和频域；

时域角度，描述的是信号随时间变化的特性；

频域角度，描述的是信号随频率变化的特性。

频域图有两种类型：

振幅-频率图和相位-频率图。

在计算信号的带宽时，用振幅－频率图。

1.5.4、频谱和带宽。

信号频谱是指它所包含的所有频率分量的集合，并且通过频域图表示。

换句话说频谱就是描述信号幅度（或相位）随频率变化的关系图

周期函数――傅利叶级数非周期函数――傅利叶变换随机信号――功率谱实现

信号带宽是指信号占有的频率范围。

等于信号的最高频分量与最低频分量的频率差。

B=fH－fLB为带宽fH信号的最高频率fL为信号的最低频率

*模拟信号，其带宽应该小于它占用的的信道带宽，即信道带宽必须大于信号带宽

*数字信号，它占用的信道带宽可以小于信号带宽，即信道带宽可以小于信号带宽（采样原理）

对基带信号，fL接近0；对带通信号，fL一般远大于0。

第六节：

信道和噪声

1，信道定义和分类；

信道（channel）是以传输媒质为基础的信号通道，根据信道特征，分为狭义和广义信道。

狭义信道指各种传输媒质，如有线信道和无线信道。

广义信道是除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变换装置，如馈线，放大器等。

2，有线信道

分为：

（1）明线

（2）同轴电缆（3）对称电缆（4）双绞线（5）光纤

光纤主要优点，传输频带宽，传输容量大，抗干扰性好，保密性强，耐腐蚀，成本低传输损耗低。

3，无线信道

无线信道中，信号传输利用电磁波（无线电波）在空间的传播来实现。

电磁波传播方式：

（1）地（面）波传播------2MHZ以下，传播距离几十到几千米，如：

调幅广播。

（2）天波传播----2－30MHZ4000km电离层反射方式传播

（3）视线传播------高于30MHZ视线传播距离和收发天线的高度有关。

h=D2/8r=D2/50米

h是两天线之间保持视线的最低高度，D为收发天线间的距离，地球半径r=6370km。

微波中继：

每50km一个中继站，通过接力方式实现远程通信。

微波频率300MHz---300GHz。

卫星中继―――平流层通信

（4）散射传播：

传播媒体不均匀，使电磁波的传播产生向许多方向折射的现象。

分为：

电离层闪射、对流层闪射和流星余迹闪射。

1.6.4信道噪声

噪声：

是一种不需要的、有害的电信号。

它能使模拟信号失真，数字信号发生错码，限制信息的传输速率。

根据噪声的来源分类：

（1）人为噪声：

由人类的活动产生，如电钻和电气开关瞬间造成的电火花；

（2）自然噪声：

自然界中存在的各种电磁波辐射，如闪电，大气噪声

（3）内部噪声：

通信设备中的电子元器件传输线等产生的噪声。

如热噪声、闪弹噪声等。

根据噪声的性质分类：

单频噪声---是一种频率单一或频谱很窄的连续波干扰。

脉冲噪声---是一种在时间上无规则的突发脉冲波形。

起伏噪声--是遍布在时域和频域内的随机噪声。

如热噪声、闪弹噪声、宇宙噪声。

起伏噪声是影响通信系统性能的主要因素。

1.6.5信道容量：

是指信道能够无差错传输的最大平均信息速率。

1、信道分类：

调制信道：

一种连续的信道

编码信道：

一种离散的信道

2、香农公式：

对于带宽有限，平均功率有限的高斯白噪声连续信道的信道容量（Cbit/s）为

C＝Blog2（1+S/N）B为信道带宽（HZ）S为信号功率（W）N为噪声功率（W）

注意*噪声功率N（W）

如果噪声功率谱密度为n0（W/Hz）

则噪声功率N=B*n0（单位对应换算W＝Hz*W/Hz）

则有香农公式的另一种形式：

C＝Blog2（1+S/n0B）

3、重要结论

由香农公式得出的重要结论

（1）信道容量C受“三要素”，即B、S、n0的限制。

（2）提高信噪比（S/N），可以增大信道容量。

（3）若噪声功率趋于零（或噪声功率密度趋于零），则信道容量趋于无穷大。

（4）增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道无限制增大。

（5）信道容量C一定时，信道带宽B和信号噪声功率比S/N之间可以互换。

第七节：

多路复用技术

常用的复用技术主要有：

频分复用、时分复用、码分复用、波分复用等。

1、频分复用（FDM）---按照频率来划分信道的复用方式。

信道带宽被分割成多个相互不重叠的频段（子信道），每路信号占据一个子信道，各路之间必须留有未被使用的频带（保护频带）进行分隔，以防止重叠。

FDM的特点是各路信号在频率上是分开的，在时间上是重叠的。

2、时分复用（TDM）------是利用分时方式来实现在同一信道中传输多路信号的方法。

TDM的特点是各路信号在频率上是重叠的，在时间上是分开的。

同步时分多路复用，浪费大，利用率低。

（固定时隙）

异步时分多路复用，根据需要分配时隙，利用率高。

3、码分复用

各路信号码元在频谱上和时间上都是重叠的，但是不同用户传输的信号是靠不同的正交编码序列来区分。

码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。

4、波分复用

光通信的复用技术，原理和频分复用类似。

第八节：

通信系统的性能指标

评论一个通信系统的优劣性能指标包括：

有效性，可靠性，适应性，经济性，标准性和可维护性。

1.8.1模拟通信系统的性能指标

有效性用传输带宽B来度量。

模拟通信系统的可靠性通常用接收端最终输出信噪比S0/N0来度量，输出信噪比越高，通信可靠性就越好。

1.8.2数字通信系统的行能指标

数字通信系统的有效性可用传输速率和频带利用率来衡量。

1）码元速率（波特率）----表示每秒传送的码元数目。

码元是信息传输的基本单位。

八进制一个码元3位。

RB＝1/TT表示码元周期，单位：

波特（Baud）

2）信息速率（比特率）----表示每秒传送的信息量（或比特数）。

Rb＝RB*log2MRB表示码元速率，M表示码元进制数。

单位:

bit/s

3）频带利用率：

η＝RB/BRB表示码元速率，B表示频带带宽单位：

Baud/HZ

或者ηb＝Rb/BRb表示信息速率。

单位：

bit/（s*HZ）η读作langmda。

于是ηb＝RB*log2M/B或ηb＝η*log2M

4）差错率

----------用来衡量数字通信系统的可靠性。

差错率常用误码率和误信率表示。

误码率Pe：

指接收错误码元数占总码元数的比例。

Pe＝错误码元数/传输总码元数

误信率Pb（误比特率）：

指接受的错误比特数在传输总比特数中所占的比例

Pb＝错误比特数/传输总比特数

例1：

设A系统以2000bit/s的比特率传输2PSK调制信号的带宽为2000HZ，B系统以2000bit/s的比特率传输4PSK调制信号的带宽为1000HZ。

试问：

哪个系统更有效？

解：

两个传输速率相等的系统其传输效率并不一定相同。

因为，真正衡量数字通信系统的有效性指标是频带利用率

A系统ηb＝Rb/B＝2000/2000bit/（s*Hz）＝1bit/（s*Hz）

B系统ηb＝Rb/B＝2000/1000bit/（s*Hz）＝2bit/（s*Hz）

所以，B系统的有效性更好。

例2：

设某数字传输系统传送二进制码元的速率为1200Baud，试求该系统的信息速率；若该系统改为传送八进制信号码元，码元速率不变，则这时系统的信息速率为多少？

解：

二进制：

Rb＝RB*log2M=1200*log22=1200bit/s

八进制：

Rb＝RB*log2M=1200*log28=3600bit/s

例3：

已知某四进制数字传输系统的信息速率为2400bit/s，接收端在0。

5h内共收到216个错误码元，试计算该系统的误码率。

解：

码元速率＝2400/log24=1200Baud

误码率Pe=216/0.5*60*60*1200=10-4（0.0001）

第二章模拟信号数字化及其传输

第一节概述

数字通信系统传输模拟信号的三个基本环节：

（1）模/数转换（A/D）------把模拟信号转换为数字信号。

（2）按数字传输方法------数字基带传输或数字调制传输。

（3）数/模转换（D/A）-------把数字信号变换为模拟信号。

1、模/数（A/D）的3个步骤：

抽样、量化、编码

抽样就是以一定的时间间隔采集模拟信号的瞬时值，然后将采集的瞬时值（抽样值）进行量化并编码，就形成

了数字信号。

数字微波通信系统由天馈设备、微波分路系统、微波发信机、中频调制解调器、基带切换设备、勤务及监控和PCM设备组成。

量化：

将抽样信号幅值进行离散化处理的过程。

编码：

把量化后的有限个信号电平值变换成二进制码组的过程。

2、编码方法和分类

编码技术分为波形编码和参量编码两类。

目前使用最普遍的波形编码方法有：

脉冲编码调制PCM和增量调制△M。

第二节抽样定理

抽样定理为模拟信号的数字化和时分多路复用（TDM）奠定了理论基础。

带宽B=fH-fL

如果B>fL表示低通信号。

如果B≤fL表示带通信号。

1、低通抽样定理

低通抽样定理：

一个频带限制在（0，fH）内的模拟信号m（t），如果以T≤1/2fH的间隔对它抽样，则m（t）将被

抽样值完全确定。

抽样间隔：

T<=1/2fH当T=1/2fH称为奈奎斯特间隔

抽样速率：

fs>=2fH当fs=2fH称为奈奎斯特速率。

如果抽样速率fs<2fH,会产生失真，叫混叠失真。

2、带通抽样定理

带通抽样定理：

一个频带限制在fL---fH内，带宽为B=fH-fL的带通信号m（t），如果对它进行抽样的最小抽样

频率满足

fs＝2B（1＋k/n）

则m（t）将被抽样值完全确定。

其中n为商fH/B的整数部分，k为商fH/B的小数部分。

通常fL远大于B，所以k/n接近0fs＝2B

2.3脉冲振幅调制（PAM）

1、模拟脉冲调制-----是以时间上离散的脉冲序列作为载波，用模拟基带信号m（t）去控制脉冲序列的某个

参量（振幅，宽度和位置），使其随m（t）的规律变化。

PAM是脉冲波的幅度随调制信号变化的一种调制方式，按抽样定理进行抽样得到的信号ms（t））就是一个

PAM信号。

）

脉宽调制PDM脉位调制PPM

用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想情况，一般用窄脉冲序列代替冲激脉冲。

用窄脉冲序列进行抽样的两种PAM方式是：

自然抽样和平顶抽样。

2、自然抽样：

---------又称曲顶抽样，抽样后信号的脉冲顶部与原模拟信号波形相同。

时域波形的脉冲顶部和原模拟信号波形相同，频谱包络按sa函数随频率增加而下降，带宽有限，

可通过低通滤波器直接分离出原始模拟信号。

3、理想抽样

理想抽样---用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想情况。

PAM信号波形冲激大小等于瞬时抽样值，频谱的包络是一条水平线，信号带宽无穷大。

可通过低通滤波器直接分离出原始模拟信号。

4、平顶抽样

--------又称瞬时抽样。

脉冲顶部是平坦的，脉冲幅度等于瞬时抽样值。

频谱复杂，不能直接用低通滤波器恢复原信号，必须在低通前加一个修正滤波器。

实际中，常用“抽样保持电路”产生平顶抽样PAM信号。

2.4脉冲编码调制（PCM）

脉冲编码调制本质上是一种模/数转换方式，它是将模拟信号变换成二进制信号的常用方法。

抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换为时间上离散的抽样信号；

量化是把幅度上仍连续的抽样信号进行幅度离散化，即指定有限个量化电平，把抽样值用最接近的电平表示；

编码则是用二进制码组表示量化后的信号电平。

OCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”3各步骤实现的。

2.4.1量化

将抽样信号幅值进行离散化处理的过程。

量化误差---在量化过程中，量化输出电平和量化前信号的抽样值之间产生的误差。

也叫做量化噪声。

1）：

把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。

假设模拟抽样信号的取值范围在a和b之间，量化电平数为M，

则量化间隔为△v=（b-a）/M，最大量化误差为△v/2。

量化信噪比：

（S0/Nq）dB＝20lgM＝6NdB

量化噪声功率Nq只与量化间隔△v有关，对于均匀量化，△v是固定的，因而Nq固定不变。

但是，信号的强

度可能随时间变换，当信号小时，量化信噪比也小，所以均匀量化对于小输入信号很不利。

特点：

量化间隔相等，缺点是小信号时的量化信噪比低。

2）非均匀量化

非均匀量化：

量化间隔随信号抽样值的不同而不同。

信号抽样取值小时，量化间隔△v也小，信号抽样取值大时，量化间隔△v也大。

实现方法是把信号先进行压缩处理，然后再把压缩后的信号进行均匀量化。

压缩器是一个非线性变换电路，实现“压大补小”作用。

非均匀量化优点：

在保证编码位数不变时，减小大信号的量化信噪比（仍能满足要求），提高小信号的量化信噪比。

A律13折线：

设法用13段折线逼近压缩特性。

A律选择A=87.6。

分成8段，最小的那两段斜率相同，2段看作为1段。

表示分成7段。

正负最小的2段斜率相等，所以，2段看作为1段。

公式：

2*（8-1）-1=13，所以叫A律13折线：

μ律15折线：

设法用15段折线逼近压缩特性。

μ=255。

同一端的2直线的斜率不同，不合并，所以成了15段，2*8-1

比较：

15折线率对小信号的量化信噪比改善程度更好；不过，对于大信号来说，μ律要比A律差。

2.4.2编码

把量化后的有限个信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码。

逆过程称为解码或译码。

1、常用二进制编码

PCM一般使用二进制码，对M=2N个量化电平，可以用N位二进制码来表示。

常用二进制编码有3种二进制码：

自然二进制码、折叠二进制码和格雷二进制码。

（1）折叠二进制码以7为分界线，对称折叠（镜像）：

0000表示70111表示011111表示15。

优点：

编码过程简单，误码对于小电压的影响较小。

有利于减小语音信号的平均量化噪声。

2、码位选择和安排

我国的PCM编码采用8位的13折线法的编码，8位二进制码的安排。

极性码段落码段内码

C1C2C3C4C5C6C7C8

极性码：

C1=1表示正极性;C1=0表示负极性;

段落码：

C2C3C4它的8种可能状态分别对应表示8个段落的起点电平。

段内码：

C5C6C7C8它的16种可能状态对应代表各段内的16个不同的量化级。

通常把按非均匀量化特性的编码称为非线性编码；

按均匀量化特性的编码称为线性编码

A律13折线编码的7位非线性与均匀量化的11位线性编码等效。

由于非线性编码的码位数较少，因此设备简单，所需传输系统带宽减小。

3、逐次比较法编码器

任务是：

根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进制代码，除第一位极性码外，其他7位幅度码是通过逐次比较确定的。

如IS＝+1270

判断C1是看‘+’‘-’号

判断C2:

IS>128为1上半区段5-8段落段落起始电平（Ii△）（0,16,32,64,128,256,512,1024）

判断C3:

IS>512为17-8段落

判断C4:

IS>1024为1第8段落

段落起始为1024，所以量化间隔△νi=1024/16=64

判断C5:

IS<（1024+64*8=1536）为0处于前8级内量化间隔△νi（1，1，2，4，8，16，32，64）

判断C6:

IS<（1024+64*4=1280）为0处于前4级内

判断C7:

IS>（1024+64*2=1152）为1处于2-3级

判断C8:

IS>（1024+64*3=1216）为1处于3级内。

所以PCM编码为11110011

段内的量化电平为1216，量化误差＝1270－1216＝54。

4、译码

把PCM信号还原为相应的PAM信号，电阻网络型译码器与逐次比较型编码器种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功能的7/12位码变换电路。

IC编码电平；IS是样值；量化误差：

IS–IC；ID是译码电平：

ID=IC＋△V8/2

译码后的量化误差：

|IS-ID|

2.4.3PCM信号的带宽

二进制PCM信号的带宽取决于数据的比特率以及用于表示数据的脉冲波形的形状。

PCM的比特率为：

Rb＝fSNfS为抽样频率，N每个样值脉冲的二进制编码位数

PCM信号的第一零点带宽为：

B=Rb＝NfS

脉冲形状为sinx/x类型时，PCM所需要的最小传输带宽（奈奎斯特带宽）为Bmin＝Rb/2＝NfH

2.4.4PCM系统的抗噪声性能。

噪声有两种：

量化噪声和传输信道种的加性噪声。

2.4.5自适应差分脉码调制（ADPCM）

通常把话路速率低于64kbit/s的编码方法称为语音压缩编码技术。

语音压缩编码目的是降低数字电话信号的比特率、减小传输带宽。

语音压缩编码方法有：

差分脉码调制DPCM、自适应差分脉冲编码ADPCM、增量编码△M等，

1、差分脉码调制---是一种预测编码方法；对当前抽样值与预测值的差值进行编码并传输。

2、自适应差分脉冲编码ADPCM

将自适应技术引入量化和编码过程，以改善DPCM的性能。

自适应量化是指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小。

自适应预测是指预测器系数可以随信号的统计特性而自适应调整。

2.5、增量调制（△M）

1、基本原理

是电平数为2（对预测误差进行1位编码）的DPCM。

利用相邻抽样值的相对大小（差值）反映模拟信号的变化规律。

利用差值编码进行通信的方式，称为增量调制（DeltaModulation）。

2、不过载条件和编码范围

阶梯台阶的斜率k为：

k＝σ/T=σfSσ为纵轴台阶高度T为抽样周期fs抽样频率。

不发生过载条件为：

|d/dt*m（t）|max≤σfS

不发生过载的信号临界振幅为Amax＝σfS/ωk

编码范围：

σ/2≤A≤σfS/ωkσ/2是起始编码电平

3、△M系统的抗噪声性能

增大抽样频率能显著提高最大量化信噪比。

2.6、PCM与△M的比较

PCM和△M都是模拟信号数字化的基本方法。

PCM是对样本本身编码，△M是对相邻样值的差值极性编码，这是本质区别。

1、抽样速率

PCMfs≥2fH

△Mfs≥32Kbps

2、数码率和传输带宽

DPCMRb＝fSN=64kbps（fS=8khz，N=8）

ADPCMRb＝fSN=32kbps（fS=8khz，N=4）

△MRb＝fSN=32kbps（fS=32khz，N=1）

最先带宽Bmin=Rb/2

实际传输带宽B=Rb。

3、量化信噪比

如果PCM的编码位数N≥4时，PCM的量化性能好；

如果PCM的编码位数N＜4时，△M系统的量化性能好。

PCM适用于要求传输质量高，且频带资源丰富的场合