通信原理重点知识总结

第一章绪论1、通信的目的：传递消息中所包含的信息。2、信息：是消息中包含的有效内容3、模拟信号信号的参量取值是连续（不可数、无穷多）的（抽样信号未量化仍为模拟信号）数字信号信号的参量取值是可数的有限的4、按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统；按照传输媒介、通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统5、模拟消息原始电信号（基带信号）；基带信号已调制信号（带通信号）6、数字通信系统模型信息源信源编码信道译码信道编码信道数字调制加密数字解调解密信源译码受信者噪声源信源编码与译码目的：①提高信息传输的有效性②完成模/数转换信道编码与译码目的：增强抗干扰能力，提高可靠性基本的数字调控方式有振幅键控（ASK）、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、相对（差分）相移键控(DPSK)按同步的公用不同，分为载波同步、位同步、群（帧）同步、网同步7、数字通信的特点优点①抗干扰能力强，且噪声不积累②传输差错可控③便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。（便于将来自不同信源的信号综合到一起传输）④易于集成，使通信设备微型化，重量轻⑤易于加密处理，且保密性好缺点：①需要较大的传输带宽②对同步要求高8、按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统频分复用是用频谱搬移的方法是不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同的信号占据不同的时间区间；码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同的信号。9、单工、半双工和全双工通信单工通信：消息只能单方向传输的工作方式半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方10、信息及其度量)(log)(1logxPxPIaaP（x）表示信息发生的概率，I表信息中所含的信息量上式中对数的底：若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b若a=e，信息量的单位称为奈特(nat)，若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。通常广泛使用的单位为比特，这时有221loglog()()IPxPx【例1】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为)b(12log2/11log)1()0(22II在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特。若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为)b(log/11log1log222MMPI若M是2的整幂次，即M=2k，则有2log2()kIkb当M=4时，即4进制波形，I=2比特，当M=8时，即8进制波形，I=3比特。【例2】对于非等概率情况设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)独立出现，即1212,,,,,,MMxxxPxPxPx，且有1()1MiiPx则x1,x2,x3,…,xM所包含的信息量分别为21222log()log()log()MPxPxPx，，，于是，每个符号所含平均信息量为121222221()()[log()]()[log()]()[log()]()g()(/(1.46)MMMiiiHxPxPxPxPxPxPxPxloPx比特符号）由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵【例3】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。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量)b(1088log74log134log143/8log232222I每个符号的算术平均信息量为符号）比特符号数/(89.157108II若用熵的概念来计算：符号）（比特/906.181log8141log4141log4183log832222H则该消息的信息量)b(64.108906.157I以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。11、通信系统主要性能指标通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。12、模拟通信系统：有效性：可用有效传输频带来度量。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。13、数字通信系统有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。（1）码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。)B(1TRB式中T－码元的持续时间（秒）（2）信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为b/s，或bps。（简称传信率、比特率）码元速率和信息速率的关系)b/s(log2MRRBb或)B(log2MRRbB对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200B，，则信息速率为3600b/s。（3）频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即)B/Hz(BRB或Hz)b/(sBRbb可靠性：用差错率来衡量，差错率常用误码率和误信率表示。（1）误码率Pe传输总码元数错误码元数eP（2）误信率（又称误比特率）传输总比特数错误比特数bP在二进制中有ebPP第二章确知信号1、确知信号：是指其取值在任何时间都是确定的可预知的信号2、确知信号的类型按照周期性：周期信号非周期信号按照能量是否有限：能量信号功率信号若信号s（t）的能量等于一个有限正直，且平均功率为零，则称s（t）为能量有限信号，简称能量信号，其特征：信号的振幅和持续时间均有限，非周期性。若信号s（t）的平均功率等于一个有限正值，且能量为无穷大，则称s（t）为功率有限信号，简称功率信号，其特征：信号的持续时间无限。第三章随机过程1、通信系统中常见的热噪声近似为白噪声，且热噪声的取值恰好服从高斯分布。2、白噪声n(t)定义：功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声，即2)(0nfPn)(f－双边功率谱密度或0)(nfPn)(0f－单边功率谱密度式中n0－正常数第四章信道1、按照媒质的不同，信道可以分为两大类：无线信道和有线信道。2、根据难距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为地波、天波（电离层反射波）和视线传播三种。视线传播：频率30MHz距离:和天线高度有关224.13850DDhr式中，D–收发天线间距离(km)。[例]若要求D=50km，则由式(4.1-3)2225050m85050DDhr3、多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。多径传播对信号的影响称为多径效应。4、信号包络因传播有了起伏的现象成为衰落；多径效应引起的衰落成为快衰落，由季节天气引起的衰落成为慢衰落。5、衰落和频率相关，称其为频率选择性衰落，将（1/τ）HZ称为次两条路径的相关带宽。6、为使信号基本不受多径传播的影响，要求信号的带宽小于多径信道的相关带宽（1/τm）。7、连续信道容量(1)可以证明2log1(/)tSCBbsN式中Ct－信道的容量S－信号平均功率（W）；N－噪声功率（W）；B－带宽（Hz）。设噪声单边功率谱密度为n0，则N=n0B；故上式可以改写成：20log1(/)tSCBbsnB由上式可见，连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。(2)当S↑或N↓，S/N↑,Ct↑当S，或n00时S/N，Ct。B↑,Ct↑但是，当B时，Ct将趋向何值？令：x=S/n0B，上式可以改写为：1/022000log1log1xtBnSSSCxnSnBn利用关系式1/0limln(1)1xxx22logloglnaea上式变为1/220000limlimlog(1)log1.44xtBxSSSCxennn上式表明，当给定S/n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S/n0的1.44倍。这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。（3）Ct和带宽B的关系曲线：20log1(/)tSCBbsnB上式还可以改写成如下形式：222000/log1log1log1bbbtETESCBBBnBnBn式中Eb－每比特能量；Tb=1/B－每比特持续时间。上式表明，为了得到给定的信道容量Ct，可以增大带宽B以换取Eb的减小；另一方面，在接收功率受限的情况下，由于Eb=STb，可以增大Tb以减小S来保持Eb和Ct不变。【例4.6.2】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。【解】因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量为Ip=-log2(1/8)=3(b/pix)(4.6-18)并且每帧图像的信息量为IF=300,0003=900,000(b/F)(4.6-19)因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为Rb=900,00025=22,500,000=22.510^6(b/s)(4.6-20)信道的容量Ct必须不小于此Rb值。将上述数值代入式：2log1/tCBSN得到22.5106=Blog2(1+1000)9.97B最后得出所需带宽B=(22.5106)/9.972.26(MHz)第5章模拟调制系统1基本概念调制－把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制－分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。狭义调制－仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制信号－指来自信源的基带信号载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。载波－未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号－载波受调制后称为已调信号。解调（检波）－调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。2、调制的目的①提高无线通信时的天线辐射效率。②把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。③扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。3、调制方式模拟调制数字调制常见的模拟调制幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带角度调制：频率调制、相位调制在频谱结构上，幅度调制的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。①调幅时域表达式00()[()]coscos()cosAMcccstAmttAtmtt②双边带调制时域表达式ttmtscDSBcos)()(③单边带调制时域表达式ttAttAtscmmcmmSSBsinsin21coscos21)(式中，“－”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。希尔伯特变换：上式中Amsinmt可以看作是Amcosmt相移/2的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记