通信概论笔记.docx

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通信概论笔记

通信概论笔记

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；

信号是消息或者信息的传输载体。

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

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

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（噪声源）――数字解调――信道译码――解密――信源译码――信宿

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、传输差错可控可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性；

3、便于与各种数字终端接口，用现代计算机技术对信号进行处理、加工、变换、存储、形成综合业务网。

4、易于集成化，从而使通信设备微型化、且重量轻，成本低。

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。

不过，随着新的带宽传输媒质的采用和超大规模继承电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。

第三节：

通信系统的分类

1、按照调制方式分：

基带系统和调制（带通）系统

2、按照传输媒介

有线通信系统和无线通信系统。

3、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-3000THZ

第四节：

通信方式

1，单工、半双工和全双工通信；

单工：

消息只能单方向传输的工作方式；广播，遥测，遥控等；

半双工：

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；普通对讲机；

全双工：

通信双方可以同时进行收发消息的工作方式；电话，手机通信。

2，并行传输和串行传输。

并行：

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：

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

1，信号分类；

确知信号和随机信号:

（确知是指可以预先知道变化规律的信号；随机称为不确知信号）

周期信号和非周期信号（周期是定义在时间区上，每隔一段时间间隔按相同规律重复变化的信号。

非周期是不具有重复性的信号）

模拟信号和数字信号（信号参量的取值是连续的（不可数，无穷多），指信号的参量指可能取有限个、可数个值，如电报信号，计算机输入输出信号）

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，都又基带信号和带通信号之分。

因此，相应又数字（或模拟）基带传输系统和数字（或模拟）带通传输系统。

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

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。

在计算信号的带宽时，用振幅－频率图。

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。

等于信号的最高分量于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）

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。

狭义信道指各种出书媒质，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

明线：

同轴电缆：

对称电缆（双绞线电缆）：

屏蔽（STP）和非屏蔽（UTP）双绞线。

光纤：

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

信号传输使用的是电磁波（无线电波）在空间传播来实现。

地（面）波传播groundwave：

2MHZ以下几十到几千米调幅广播方式

天波传播skywave：

2－30MHZ4000km电离层反射方式传播

视线传播lineofsight：

高于30MHZ视线传播距离和收发天线的高度有关。

－－微波中继：

每50km一个中继站，通过接力方式实现远程通信。

――卫星中继―――平流层通信

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。

4，信道噪声

噪声：

是一种不需要的、有害的电信号。

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。

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；

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

内部噪声：

通信设备中的电子元器件传输线等产生的噪声。

热噪声是影响通信系统性能的主要因素。

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。

调制信道：

一种连续的信道（只介绍这种）

编码信道：

一种离散的信道

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）

*噪声功率谱密度n0（W/HZ）

N=B*n0（单位对应换算W＝HZ*W/HZ）

第七节：

多路复用技术

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。

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。

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。

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，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。

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）：

RB＝1/TT表示周期，单位：

波特（Baud）

2）信息速率（比特率）：

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

频带利用率：

ηb＝Rb/B或者ηb＝RB*log2M/B或ηb＝ηb*log2M

RB表示码元速率，B表示频带带宽单位：

bit/（s*HZ）

4）差错率衡量数字通信系统的可靠性。

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）

（二）学习目的与要求

通过本章节学习，了解通信系统的基本组成，熟悉通信系统中的信号类型、频谱与带宽；了解信道类型、信道噪声和信道容量；了解多路复用的基本概念；掌握通信系统的性能指标。

本章重点：

通信系统的组成和性能指标。

本章难点：

信道噪声和信道容量。

（三）考核知识点与考核要求

1、通信系统的组成

识记：

通信系统一般模型，各个组成单元的主要功能

数字通信系统模型，信源编码的功能

数字通信的优缺点

2、通信系统的分类

识记：

按通信业务分类，按信号特征分类

按传输媒体分类，按工作波段分类

3、通信方式

领会：

单工、半双工和全双工通信，并能举例说明。

4、信号和频谱

识记：

周期信号和非周期信号的特征

模拟信号和数字信号的区别

基带信号和带通信号的关系

应用：

正弦波波的振幅、频率（或周期）的相位的含义，关系和计算。

研究正弦的波的意义，研究信号频谱的意义

信号带宽计算

5、信道类型

识记：

有线信道的类型，无线信道中电磁波的传播方式。

6、信道噪声和信道容量

领会：

噪声的种类和危害

识记：

香农公式

7、多路复用技术

领会：

频分复用和时分复用的概念、特点和应用。

8、数字通信系统的性能指标

识记：

波特率RB、比特率Rb、频带利用率和误码率Pe的定义。

应用：

一个M进制码元所含信息量的计算

波特率RB、比特率Rb、误码率Pe的计算

关系式Rb＝RB*log2M的应用。

第二章模拟信号数字化及其传输

（一）课程内容

第一节概述

三个基本环节：

1、模/数转换（A/D）：

把模拟信号变换为数字信号。

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

模/数（A/D）的3个步骤：

抽样、量化、编码

可见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。

抽样：

将（取值连续/时间连续）的模拟信号----->（取值连续/时间离散）的抽样（PAM）信号

量化：

将（取值连续/时间离散）的PAM信号----->（取值离散/时间离散的）量化信号（多电平数字信号）

编码：

将（取值离散/时间离散的）量化信号---->二进制数字（PCM）信号

脉冲编码调制PCM和增量调制△M是实现模拟信号数字化的方法。

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。

1、低通抽样定理

B=fH-fL

B>fL表示低通信号

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

如果抽样速率fs<2fH,会产生失真，叫混叠失真。

3、带通抽样定理

fs＝2B（1＋k/n）

通常fL远大于B，所以k/n接近0fs＝2B

第三节脉冲振幅调制（PAM）

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）去控制脉冲序列的莫个参量（振幅，宽度和位置），使其随m（t）的规律变化。

（这个比较好记忆：

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。

）

自然抽样：

曲顶抽样。

和原来波形一样

平顶抽样：

瞬间抽样。

脉冲顶部是平坦的，脉冲幅度等于瞬时抽样值。

实际中，常用“抽样保持电路”产生平顶抽样PAM信号。

第四节脉冲编码调制（PCM）

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（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散化，即指定有限个（M个）量化电平，把抽样值用最近的电平表示；编码则是用二进制码组表示量化后的信号电平。

1、量化

1）均匀量化：

把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。

（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，去电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。

实现方法时把信号X先进行压缩处理，然后再把压缩后的信号进行均匀量化。

压缩器是把一个非线性变换电路，实现“压大补小”作用。

A律13折线：

设法用13段折线逼近A=87.6的A律压缩特性。

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、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）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。

二进制码：

自然二进制码、折叠二进制码和格雷二进制码。

折叠二进制码以7为分界线，对称折叠（镜像）：

0000表70111表011111表示15

2）码位选择和安排

我国采用8位的PCM编码介绍结合我国采用的13折线法的编码，说明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。

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段落起始电平（Ii△）（0,16,32,64,128,256,512,1024）

判断C3:

IS>512为1

判断C4:

IS>1024为1

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量化间隔△νi（1，1，2，4，8，16，32，64）

判断C6:

IS<（1024+64*4=1280）为0

判断C7:

IS>（1024+64*2=1152）为1

判断C8:

IS>（1024+64*3=1216）为1

段内的量化电平为1216，量化误差＝1270－1216＝54。

如IS＝-95

判断C1是看‘＋’‘－’号

判断C2:

IS<128为0段落起始电平（Ii△）（0,16,32,64,128,256,512,1024）

判断C3:

IS>32为1

判断C4:

IS>64为1

段落起始为64，所以量化间隔△νi=64/16=4

判断C5:

IS<（64+4*8=96）为0量化间隔△νi（1，1，2，4，8，16，32，64）

判断C6:

IS>（64+4*4=80）为1

判断C7:

IS>（64+4*6=88）为1

判断C8:

IS>（64+4*7=92）为1

段内的量化电平为92，量化误差＝95－92＝3。

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|

3、PCM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

4、PCM系统的抗噪声性能。

噪声又两种：

量化噪声和传输信道种的加性噪声。

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。

语音压缩编码方法有DPCM（差分脉码调制）、ADPCM、△M等，压缩编码的目的是降低数字电话信号的比特率、减小传输带宽。

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。

ADPCM比DPCM引入量化和预测过程

第五节增量调制（△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

第六节PCM与△M的比较

1、PCM和△M都是模拟信号数字化的基本方法。

△M实际上是PCM的一种特例。

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。

2、PCM适用于要求传输质量高，且频带资源丰富的场合，一般用于大容量的干线通信。

△M具有编译码简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。

一般用于专用通信网和卫星通信中。

第七节基带传输

1、数字基带信号的码型

1）二元码

单极性码：

用正电平和零电平表示‘1’和‘0’，需要直流传输能力。

双极性码：

用正电平和负电平表示‘1’和‘0’，不存在零电平，有利于在信道中传输，不易受信道特性影响，抗干扰能力较强，RS232接口使用的是该标准。

单极性归零码

双极性归零码

差分码：

1表示电平跳变；0表示电平不变。

（传号跳变）

数字双相码（曼彻斯特码）：

用一个周期的正负对称方波表示0，1－10；0－01。

Miller码（密勒码）：

是双相码的一种变形，当1时跳变，当0时不跳，当连续出现0时跳一次，用00或者11表示（注，当0临接下一个‘1’时，边界处不跃变）最初用于气象卫星和磁带记录系统，现在也用于低速基带数传机中

CMI码：

传号反转码的简称

比较：

单极性码的频谱中含有直流分量和丰富的低频分量，不利于传输。

双极性码的频谱中无直流分量，有利于在信道中传输，且抗干扰能力也较强。

单极性归零码中含有位定时频率分量，是其他码型提取位同步信息时常采用的一种过渡波形。

归零（RZ）的含义时脉冲宽度τ小于码元宽度TS，非归零（NRZ）的含义时脉冲宽度τ等于码元宽度TS,即占空比τ/TS＝1。

半占空的含义时占空比τ/TS＝1/2。

2）三元码（＋1，0，－1）

1）AMI码

AMI码：

传号交替反转码。

编码规则是将二进制消息代码“1”（传号）交替地变换维线路码的“＋1”和“－1”，而“0”（空号）保持不变。

（1使用的是归零脉冲。

）

优点：

由于＋1与－1交替，AMI码的频谱中不含直流成分，且高低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处。

缺点：

当原信号出现连“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。

解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。

代码：

01000110000101

AMI码：

0+1000-1+10000-10+1

加V码：

0+1000-1+1000V--10+1

加B’码：

0+1000-1+1000V--10+1

2）HDB3码

3阶高密度双极性码，AMI码的改进型。

编码规则：

1、当0小于或者等于3时，与AMI码相同；2、当0数超过3时，将第4个0化作一小节，定义为000V或B00V，称为破坏节，其中V为破坏脉冲，B称为调节脉冲。

3、V与前一个相临的非0脉冲的极性相同，且相临的V码之间极性必须交替。

V的取值为＋1或－1；4、B的取值（＋1或－1）应使V同时满足3中的两个要求；5、V码后面的传号码极性也要交替。

在AMI码和HDB3码中，每位二进制码都被变换成1位三电平取值（＋1、0、－1）的码，因而也把这类码称位1B/1T码。

3）多元码

4）块编码

nBmB码：

把原信码流的n位二进制码分为一组，并置换成m位二进制码的新码组，其中m>n。

前面介绍的双相码、密勒码和CMI码都可以看做1B2B码。

nBmB码提供勒良好的同步和检错功能，但也为之付出一定代价，所需的带宽随之增加。

nBmT码：

将n个二进制码变换成m个三进制码的新码组，且m

例如4B3T

nBmT信息容量大于1B1T，提高勒频带利用率。

**选择数字基带信号的码型时，应该考虑以下选码原则：

1）对于低频传输特性差的信道，基带信号的频谱中应不含直流分量，且低频分量要小。

2）便于从基带信号中提取定时信息。

因为数字通信系统都需要码元同步或位同步、某些线路码（如双相码、CMI码）本身具有定时信息，将有助于从中恢复时钟信号。

3）高频分量尽量少，以节省传输频带，如多电平码。

4）抗噪声性能号。

如双极性码的抗噪声性能就比单极性码好。

5）具有内在的检错能力。

线路码具有一定规律性，以便利用这以规律性进行宏观监测。

6）编译码设备要尽可能简单等。