通信原理重点知识总结讲述资料

通信原理重点知识总结题型•判断题–10分，10题•选择题–10分，10题•填空题–20分，每空一分•简答题–20分，每题5分•计算题–40分，每题8分第1章知识点•通信系统的基本模型•模拟信号与数字信号的区别•信息量•数字通信系统的有效性与可靠性4通信系统的组成•1.2通信系统的一般模型信源发送设备信宿噪声信道接收设备发端收端•把各种消息转换成原始电信号•对原始信号完成某种变换，使之适合在信道中传输•信号传输的通道，提供了信源与信宿之间在电气上的联系。分为有线信道和无线信道两大类•把接收到的信号反变换，转换成原始电信号•将复原的原始电信号转换成相应的消息MODEMMODEMTerminalPSTNHost5模拟信号与数字信号的区别–1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型•模拟信号和数字信号–模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：–数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：6信息熵定义设：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，即且有则x1,x2,x3,…,xM所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵1212,,,,,,MMxxxPxPxPx1()1MiiPx21222log()log()log()MPxPxPx，，，121222221()()[log()]()[log()]()[log()]()g()(/(1.46)MMMiiiHxPxPxPxPxPxPxPxloPx比特符号）7最大信息熵•不同的离散信息源可能有不同的熵值。•信息源的最大熵发生在每一符号等概率出现时即•P(xi)＝l/n，i＝l，2，…，n，•最大熵值等于)/(log2符号bitn信息量•某信息源的符号集由A、B、C、D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16；信息源以1000B速率传送信息。•（1）求传送1小时的信息量；•（2）求传送1小时可能达到的最大信息量。9数字通信系统的有效性与可靠性–数字通信系统•有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。–码元（符号）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。–式中T－码元的持续时间（秒）–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)B(1TRB10数字通信系统的有效性与可靠性–码元速率和信息速率的关系或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。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB11数字通信系统的有效性与可靠性–频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即或•可靠性：常用误码率和误信率表示。–误码率–误信率，又称误比特率在二进制中有)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb传输总码元数错误码元数eP传输总比特数错误比特数bPebPP第2、3章知识点•能量信号和功率信号的定义•广义平稳与严平稳的关系•高斯随机过程•高斯白噪声能量信号和功率信号的定义信号分成两类：能量信号：能量等于一个有限正值，但平均功率为0.功率信号：平均功率是一个有限值，但能量为无限大。14把同时满足（1）和（2）的过程定义为广义平稳随机过程。显然，严平稳随机过程必定是广义平稳的，反之不一定成立。在通信系统中所遇到的信号及噪声，大多数可视为平稳的随机过程。因此，研究平稳随机过程有着很大的实际意义。广义平稳与严平稳的关系15高斯随机过程•3.3高斯随机过程（正态随机过程）–3.3.1定义–高斯过程(正态随机过程)：通信领域中最重要的一种过程，大多数噪声都是高斯型的。–如果随机过程(t)的任意n维（n=1,2,...）分布均服从正态分布，则称它为正态过程或高斯过程，n维正态概率密度函数表示式为：式中njnkkkkjjjjknnnnnaxaxBBBtttxxxf112/1212/2121))((21exp...)2(1),...,,,...,,(；22])([)],([kkkkkatEtEa16高斯随机过程性质–3.3.2重要性质•由高斯过程的定义式可以看出,高斯过程的n维分布只依赖各个随机变量的均值、方差和归一化协方差。因此，对于高斯过程，只需要研究它的数字特征就可以了。•广义平稳的高斯过程也是严平稳的。•因为，若高斯过程是广义平稳的，即其均值与时间无关，协方差函数只与时间间隔有关，而与时间起点无关，则它的n维分布也与时间起点无关，故它也是严平稳的。所以，高斯过程若是广义平稳的，则也严平稳。17白噪声定义–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－双边功率谱密度或－单边功率谱密度式中n0－正常数•白噪声的自相关函数：对双边功率谱密度取傅里叶反变换，得到相关函数：2)(0nfPn)(f0)(nfPn)(0f)(2)(0nR18•白噪声的功率由于白噪声的带宽无限，其平均功率为无穷大，即或–因此，真正“白”的噪声是不存在的，它只是构造的一种理想化的噪声形式。–实际中，只要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，我们就可以把它视为白噪声。–如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称之为高斯白噪声。–高斯白噪声在任意两个不同时刻上的随机变量之间，不仅是互不相关的，而且还是统计独立的。f2n)0(0dR)0(2)0(0nR高斯白噪声定义第4章知识点•信道的数学模型•信道容量与香农公式20信道数学模型–4.3.1调制信道模型式中－信道输入端信号电压；－信道输出端的信号电压；－噪声电压。通常假设：这时上式变为：－信道数学模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)图调制信道数学模型)()]([)(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()]([tetktefii)()()()(tntetkteio21信道数学模型说明•因k(t)随t变，故信道称为时变信道。•因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。•因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。•若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。•乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio22信道容量•信息容量是指信道能够传输的最大平均信息速率。表示信道的极限传输能力从信息论观点，各种信道分二大类：离散信道——编码信道（其模型用转移概率表示）连续信道——调制信道（其模型用时变线性网络表示）1.离散信道容量编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。23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，可证，其信道容量为如果白噪声单边功率谱密度为n0(w/Hz)，则N＝n0B(w)，故log(/)21tSCBbsN骣÷ç=+÷ç÷ç桫B为带宽(Hz)，S为信号平均功率(w)，N为噪声功率(w)。Ct的单位为b/s。log(/)201tSCBbsnB骣÷ç÷=+ç÷ç÷ç桫上式是信息论中具有重要意义的香农（shannon）公式24关于信道容量公式的几个重要结论：1.若提高信噪比S/N，则信道容量Ct也提高。2.若n0→0，则Ct→∞，意味着无干扰信道容量为无穷大。3.若S/N保持不变，但增加带宽B，则Ct也增加，但增加的幅度很小，这因带宽增加的同时，噪声功率也随之增加。当Ｂ→∞时，由洛必塔法可求出Ct＝1.44S/n0，即带宽趋于无限时，信道容量仍保持有限值。S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)log21tSCBN骣÷ç=+÷ç÷ç桫254.若信息速率R≤Ｃt，则理论上可实现无误差（任意小的差错率）传输。若RCt，则不可能实现无误传输。若R=Ct，则称为理想通信系统。007410.7400ttSnBKHzCbitsSnBKHzCbits:090010.0988例，时，，时，例题：计算电视中视频图像信号传输的带宽。设每帧电视图像有300000（30万）个像素组成，每个像素用10个亮度电平表示。26假设对于任何像素，10个亮度电平等概出现。每秒发送30帧图像，要求信噪比S/N=1000(即30dB)，计算传播信号所需要的最小带宽。解：每个像素的信息量=bit32310101122.log/log每帧图像信息量=3000003.32996()Kbit每秒传送的(30帧)信息量=9963029.90.()Mb为了传输29.9Mb的电视图像，信道容量必须Ct≥29.9Mb/s27已知：()100030SNdB=图像通信系统的带宽约需要3MHz()loglog....22110009952992993995tSCBBNBMMBM=+==?\郴第5章知识点•基本概念•调制与解调原理•调制与解调性能比较•门限效应模拟调制的基本概念调制的实质是频谱搬移，其作用和目的是：1.将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）,提高无线通信时的天线辐射效率；2.实现信道的多路复用，提高信道利用率；3.减少干扰，提高系统抗干扰能力；4.实现传输带宽与信噪比之间的互换。非线性调制)(2)1(2mmfFMfffmB:1fmmFMfB2:1fmfBFM2:10fm卡森公式窄带调频的带宽大调频指数情况，带宽由最大频偏决定调频信号的带宽：设fm是调制信号的最高频率，mf是最大频偏f与fm之比。31相干解调与包络检波相干解调–相干解调器的一般模型–相干解调器原理：接收端必须提供与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。LPFmstpstdstcoscctt32相干解调与包络检波•包络检波–适用条件：AM信号，且要求|m(t)|maxA0，–包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，–检波器的输出为隔去直流后即可得到原信号m(t)。RCAM信号0AmtD0()dstAmt33门限效应此时，E(t)中没有单独的信号项，有用信号m(t)被噪声扰乱，只能看作是噪声。这时，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，通常把这种现象称为解调器的门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。调制方式信号带宽制度增益设备复杂度主要应用DSB2中等较少应用SSB1复杂短波无线电广播，话音频分多路VSB略大于近似SSB近似SSB复杂商用电视广播AM2/3简单中短波无线电广播FM中等超短波小功率电台(窄带FM)，微波中继，调频立体声广播(宽带FM)各种模拟调制方式的性能-5mffm)1(2)1(32ffmmmfmiffnSm0223mifnS031mifnS0mfooNSmf2mifnS0mf2第6章知识点•常用码型：直流分量，定时分量•误码率与判决电平的关系•码间串扰单极性码•单极性波形：–特点：电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL、CMOS电路产生；–缺点：有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离的传输。直流分量和定时分量»二进制随机脉冲序列的功率谱Ps(f)可能包含连续谱（第一项）和离散谱（第二项）。»连续谱总是存在的，这是因为代表数据信息的g1(t)和g2(t)波形不能完全相同，故有G1(f)≠G2(f)。谱的形状取决于g1(t)和g2(t)的频谱以及出现的概率P。»离散谱是否存在，取决于g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P。对于双极性信号g1(t)=-g2(t)