通信原理考试要点

一、绪论11.模拟信号：是信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。2.数字信号：是信号参量只能取有限个值的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。3.通信系统的一般模型信源：是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号(基带信号)。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。发送设备：是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号(信道：是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆、波导或光纤。噪声源：是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现。接收设备：是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。信宿：是信息传输的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。4.按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的系统。分为模拟基带传输系统和模拟调制传输系统。数字通信系统：利用数字信号来传递信息的系统。分为数字基带传输系统和数字调制传输系统5.语音信号为300~3400Hz6.数字通信的优点：（1）抗干扰能力强，可消除噪声积累；（2）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）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网；（4）易于集成化，从而使通信设备微型化；（5）易于加密处理，且保密强度高。数字通信的缺点：(1)频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路数字电话一般要占据约20~60kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4kHz带宽。如果系统传输带宽信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源发送端接收端一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的5~15倍。(2)需要严格的同步系统。数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求收端和发端保持严格同步。通信系统的分类：1．按通信业务分类通信系统可分为话务通信和非话务通信。近年来，非话务通信发展迅速，未来的综合业务数字通信网中各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输。2．按调制方式分类通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。调制方式很多，表1-1列出了一些常见的调制方式。基带传输：将未经调制的信号直接传送。频带传输：对各种信号变换方式后传输。3．按信号特征分类通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。4．按传输媒质分类通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统。5．按工作波段分类通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红外线通信等。6．按信号复用方式分类传输多路信号主要有三种复用方式：频分复用：是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；FDMA，OFDM时分复用：是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；TDMA码分复用：是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。CDMA通信方式：1．按消息传递的方向与时间关系分对于点与点之间的通信，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。2．按数字信号排列顺序分通信方式可分为并行传输和串行传输。发端信道收端发端信道收端发端收端(a)(b)发端信道收端发端收端信道(c)发送设备接收设备101(b)发送设备接收设备…(a)并行传输：是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。串行传输：是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。一、绪论21.信息量定义式：对消息的统计特性的定量描述，信息量与消息出现的概率之间的对应关系：a=2时，单位为bit（比特）a=e时(应用广泛)，单位为nit（奈特）a=10时，单位为哈特莱例1-1设二进制离散信源（0、1），每一符号波形等概率独立发送，求传送二进制波形之一的信息量？Bit例1-2四进制离散信源（0、1、2、3），独立等概率发送，求传送每一波形的信息量。P=1/2的信息量为1比特P=1/4的信息量为2比特P=1/8的信息量为3比特P=1/M的信息量为log2M(bit)若M是2的整幂次，2.平均信息量设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,n)出现的概率为P(xi)，概率和为1xi所包含的信息量：平均信息量（信源中每个符号所含信息量的统计平均值）为：由于H同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。当离散信源中每个符号等概出现且各符号出现为统计独立时,该信源的熵有最大值，此时，若信源中有N个符号，则信息源的最大熵为:3.平均信息量的另一种算法对于由一串符号构成的消息，假设各符号的出现是相互独立的，根据信息量相加的概念，整个消息的信息量为各独立事件所含信息量之和：例1-4：一离散信源由0、1、2、3四个符号组成，它们出现的概率分别为：3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的，求下面此消息的信息量？201020130213001203210100321010023102002010312032100120210解：0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次。共57个符号解法一：该消息的信息量：每个符号的算术平均量)(log)(1logxPxPIaa2KM=2log()iPx-21()()log()NiiiHxPxPxmax22111log[]logNiHNNN21log()NiiiInPx2222213111log()23log14log13log7log108()8448NiiiInPxbit1081.89bit/57II（符号）符号数22211(0)(1)logloglog211()2IIpx=====)(24log1log22bitpI解法二：若用熵的概念计算平均信息量：则该消息的信息量为：I=符号数×熵=57×1、906=108.64（bit）4.通信系统的质量标准有效性：在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；可靠性：接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。5.模拟通信系统的主要技术指标有效性：用有效传输频带来度量。信号本身频带宽度越窄，有效性越好，传输的速度越快。同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性：用接收端最终输出信噪比来度量。信噪比越大，通信质量越高，可靠性越好。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。6.数字通信系统的主要技术指标1.有效性：传输速率和频带利用率码元传输速率RS简称码元速率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即当等概率传输时，熵有最大值log2M，信息速率也达到最大，则：（M为符号的进制数）二进制的码元速率和信息速率在数量上相等频带利用率η：比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即数字信号的传输带宽B取决于码元速率RS，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为2.可靠性：差错率误码率（码元差错率）Ps是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即显然在二进制中有Pb=Ps22222133111111()()log()loglogloglog1.906(/)88444488NiiiHxPxPxbit符号1()SRBT(/)bSRRHbs(/)SRBHzB(/())bRbsHzBsP错误码元数传输总码元数bP错误比特数传输总比特数第二章1.信道的定义所谓信道就是信号传输的途径。根据通信的概念，信号必须依靠传输介质传输，所以传输介质被定义为狭义信道。另一方面，信号还必须经过很多设备(发送机、接收机、调制器、解调器、放大器等)进行各种处理，这些设备显然也是信号经过的途径，因此，把传输介质(狭义信道)和信号必须经过的各种通信设备统称为广义信道。2.噪声的分类概括地讲，不携带有用信息的信号就是噪声。显然，噪声是相对于有用信号而言的，一种信号在某种场合是有用信号，而在另一种场合就有可能是噪声若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为三类:人为噪声、自然噪声、内部噪声；根据噪声的波形是否可以预测，噪声可以分为可预测噪声:电源哼声，自激振荡，各种内部的谐波干扰等等，虽然消除这些噪声不一定很容易，但至少可以在原理上消除或基本消除:和随机噪声根据噪声的性质分类，噪声可以分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。这三种噪声都是随机噪声。3.高斯白噪声高斯随机过程如下特征：a.f（x）对称于x=a这条直线。b.c.a表示分布中心，σ表示集中程度，f（x）图形将随着σ的减小而变高和变窄。当a=0,σ=1时，称为标准正态分布的密度函数如果白噪声又是高斯分布的，我们就称之为高斯白噪声。高斯白噪声在任意两个不同时刻上的取值之间，不仅是互不相关的，而且还是统计独立的。我们所定义的这种白噪声在实际中是不存在的。但是，如果噪声的功率谱均匀分布的频率范围远远大于通信系统的工作频带，就可以把它视为白噪声。4.信道容量（香农公式）信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率，记为C：30dBS/N=1000，20dBS/N=100，10dBS/N=10例2―2若一帧电视图像的信息量为99600bit，电视的帧频为30Hz，为使接收端能收到良好的图像，要求信道的信噪比S/N=30dB,求信道的带宽B。解：若信息的传输速率为V=99600×30=29.9×106b/s，2log(1)(/)sCBbsN则信道的容量C至少应等于V，有C=99600×30=29.9×106b/s由香农公式可得即信道带宽约为3MHz。第三章1.调制的概念:让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。而载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。2.调制的功能：（1）.频率变换把低频信号变换成高频信号以利于无线发送或在信道中传输。关于无线发送前面已经讲过,在信道中传输主要指有线通信中的高频对称电缆要求传输信号的频率为12～252kHz，显然，频率为0.3～3.4kHz的话音信号（考虑保护带，通常将带宽定义为4kHz）不能直接在其中传输，必须经过调制。（2）.信道复用信号必须通过信道才能传输，而每一种物理信道的频率特性一般都比所传的基带信号带宽要大很多（比如同轴电缆的带宽约为0～400MHz，若只传送一路普通话音信号，则显得非常浪费！），但若对信号不加处理，直接传输多路话音信号又会造成相互干扰，致使接收端无法分清各路信号，因此必须用调制技术使得多路信号在同一个信道中同时传输，以实现信道多