通信类笔试必备——通信原理总结.ppt

2010复习 概论 模拟通信系统模型 信源：信源发出的原始电信号是基带信号。：信源发出的原始电信号是基带信号。 基带：指信号的频谱从零频附近开始指信号的频谱从零频附近开始，如语，如语 音信号音信号3003400Hz3003400Hz 信息源调制器信道解调器受信者 噪声源 数字通信原理重庆大学通信工程学院3 2. 模拟通信系统 模拟通信系统模型 调制器和解调器：基带信号：基带信号 频率低，不宜直接传输，需要频率低，不宜直接传输，需要 变换成其频带适合在信道中传变换成其频带适合在信道中传 输的信号，并在接收端进行反输的信号，并在接收端进行反 变换。调制器和解调器完成这变换。调制器和解调器完成这 种变换和反变换。经过调制以种变换和反变换。经过调制以 后的信号称为后的信号称为已调信号已调信号。 已调信号（频带信号）特征： l 携带有信息 l 适合在信道中传输 l 信号的频谱具有带通形式且 中心频率远离零频 信息源调制器信道解调器受信者 噪声源 1. 模拟信号和数字信号 模拟信号 信号参量取值连续的信号 参量（幅度、频率或相位）连续 时间上可连续也可不连续 数字信号 信号参量取值离散（取有限个值）的信号 信号的某一参量（幅度、频率或相位）离散 时间上不一定离散 数字通信原理重庆大学通信工程学院5 信息源的熵 假设 离散信源是一个由n个符号组成的符号集， 每个符号的出现概率为 且有 每个符号所含信息量的统计平均值（平 均信息量）为： 数字通信系统主要技术指标 对数字通信系统的基本要求 传得快，即效率高传输效率用传输速率描 述 传得准确，即准确可靠可靠性用差错概率 描述 码元传输速率与信息传输速率的关 系 二进制数字通信系统 码元速率信息速率 M进制(M=2n)数字通信系统 【例】四进制系统的码元传输速率rd=2400波特 ，则信息传输速率 第二章 模拟信号数字化 低通抽样定理 一个频带限制在（0，Fm）赫以内的时间连续的 函数f(t),如果以Ts1/2Fm的等间隔时间抽样，则 所得的样值可以完全确定原信号f(t)。 Ts=1/2Fm为抽样的最大时间间隔，称为奈奎斯 特间隔。 带通抽样定理 一个频带限制在（ fL，fH）赫以内的带通信号f(t), 带宽为BfH fL。如果最小抽样速率fs2fH /m ，m是一个不超过fH /B的最大整数，那么f(t)可完 全由其抽样值确定。 带通信号抽样频率可按照2B计算 信号的量化信号的量化 量化是对模拟信号抽样值幅度离散化的过 程。即利用预先规定的有限个电平值来表 示模拟信号抽样值的过程。 量化通常由量化器完成 抽样把时间连续的信号变为时间离散的信号 量化把取值连续的抽样信号变为取值离散的信 号 量化器信噪比随量化电平数的增加而提高， 信号的逼真度也越好 量化电平数确定时，量化器信噪比 随输入信号功率增加而提高 均匀量化 均匀量化器不过载量化噪声 功率仅仅与量化间隔有关， 一旦量化间隔确定， 无论抽样值等于多少， 不过载量化噪声功率都相同 正弦信号 均匀分布信号 正态分布信号 各种信号对应的量化信噪比 根据信噪比要求计算n 短时语音信号服从正态分布特性 长语音信号则服从拉普拉斯分布 重庆大学通信工程学院数字通信原理 编码 定义 把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程 称为编码，其逆过程称为解码或译码。 一般，把N个量化电平用n 位二进制码来表示即N 2n 。 PCM常用的二进制码型有三种 自然二进码 格雷二进码 折叠二进码 重庆大学通信工程学院数字通信原理 信号的压缩与扩张信号的压缩与扩张 压扩，即压缩与扩张，是实现非均匀量化的方法 。 压缩：是将经量化的抽值信号先进行非线性变换 ，使原来的输入信号的动态范围变小，压缩器是 一个非线性变换电路，对小信号增益大，而对大 信号则增益小；将压缩器输出的信号再进行均匀 量化，从而改善小信号的量化信噪比。 扩张：是压缩的反变换过程，在译码后用扩张器 恢复原抽样信号。 压扩的目的：是提高小信号时的量化信噪比，压 缩比特速率。 PCM编解码 编解码规则 13折线A律A=87.6 15折线律255 编码 数据速率 重庆大学通信工程学院数字通信原理 PCM系统的抗噪声性能 PCM系统的噪声主要有两种 因为量化产生的噪声（量化噪声） 传输过程加入的噪声，即加性干扰和乘性干扰。 在信道理想的前提下与信道特性有关的乘性干扰 可以忽略，而加性干扰则始终存在。 差分编码调制 问题的提出： PCM系统之所以能够提供高的通信质量，在于它 采用了大的编码位数，为此在频带方面付出了很 大的代价。这将严重地限制了PCM在已经相当拥 挤的那些频段中应用。 压缩PCM系统所占用的频带宽度也就成为人们密 切关注的问题。DPCM就是为了达到这一目的而 提出的PCM编码 重庆大学通信工程学院数字通信原理 带宽 M系统在每一次抽样，只传送一位代码， 因此M系统的数码率fb =fs，要求的最小 带宽为 实际应用时 PCM系统数码率 信道误码的影响 在M系统中，每一个误码代表造成一个量 阶的误差，所以它对误码不太敏感。对误码 率的要求较低。 PCM的每一个误码会造成较大的误差，尤其 高位码元，误码对PCM系统的影响要比M系 统严重些，故对误码率的要求较高。 重庆大学通信工程学院数字通信原理 速率等级 群次 以1.5Mbps为基础的系列以2Mbps为基础的系列 日本体制北美体制 欧洲体制 0次群 64 64 64 1次群 1544 1544 2048 2次群 6312 6312 8448 3次群 32064 44736 34368 4次群 97728 139264 重庆大学通信工程学院数字通信原理 速率等级 第三章 信道 幅度频率畸变 为了减小幅度频率畸变，在设计总的电话信道 传输特性时，一般都要求把幅度频率畸变控 制在一个允许的范围内 改善电话信道中的滤波性能 通过一个线性补偿网络使衰耗特性曲线变得平坦 均衡 相频畸变不会产生新的频率成分，是一种 线性畸变 相频畸变对模拟话音通信影响不大 相频畸变将会引起严重的码间串扰严重影响 数字通信 重庆大学通信工程学院数字通信原理 信号无失真传播条件 恒参信道并不是理想网络，其参数随时间 不变化或变化特别缓慢，不可避免会产生 线性畸变 线性畸变是由于网络特性不理想所造成的 畸变，主要是因为网络幅频特性和相频特 性不理想造成的，线性畸变与非线性畸变 的区别是线性畸变不会产生新的频率成分 。 线性畸变对信号的主要影响可用幅度频 率畸变和相位频率畸变（群迟延频率 特性）来衡量 重庆大学通信工程学院数字通信原理 恒参信道和变参信道 K(,t)随时间变化，按其随时间变化的快慢 不同进行分类，可分为： 恒参信道 K(,t)不随时间变化(或变化甚慢)，可近似认为， K(,t)K() 信道模型可等效为线性时不变网络 变参信道 信道参量随时间作随机快变化 信道模型是线性时变网络 频率弥散与快衰落 从波形上看，多径传播的结果使确定的单一载频 信号Vcosct变成了包络和相位都随机变化的窄 带信号，这种信号称为衰落信号；通常将由于电 离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为慢衰 落；而把由于多径效应引起的信号衰落称为快衰 落 频率选择性衰落和时间弥散 频率选择性衰落造成的波形畸变称为“时间弥散”。 高斯型白噪声 高斯型白噪声也称高斯白噪声，是指噪声 的概率密度函数满足正态分布统计特性， 高斯白噪声的功率谱密度函数是常数。 高斯型白噪声同时涉及到噪声的两个不同 方面，即概率密度函数的正态分布性和功 率谱密度函数均匀性，二者缺一不可。 典型的高斯型白噪声热噪声 典型的高斯型白噪声热噪声 中心极限定理 热噪声电压服从高斯分布，均值为零 一维概率密度函数 热噪声可以看作高斯白噪声 高斯白噪声通过带限系统 一个均值为零，方差为2的窄带高斯噪声 n(t)，假定它是平稳随机过程，则其随机包 络(t) 服从瑞利分布，相位(t)服从均 匀分布。即： 合成信号特性 正弦信号加窄带高斯噪声的随机包络服从广 义瑞利分布（也称莱斯分布），其包络的概 率密度函数为： 连续信道的信道容量 连续信道的信道容量可以根据香农（ Shannon）定律计算。香农定律指出：在 信号平均功率受限的高斯白噪声信道中， 信道的信道容量为： 第四章 基带传输 AMI，HDB3 【例】1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 AMI码 + 0 0 0 - + - 0 0 + - HDB3码 + 0 0 0 - + - 0 0 + - 【例】2 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 HDB3码 + 0 0 0 V+ - 0 + - 0 0 0 V- 0 + 【例】3 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 HDB3码 + 0 0 0 V+ - + - + B-0 0 V- 0 + 0 - 功率谱 单极性不归零信号的带宽为Bs=fs 单极性归零信号的带宽为Bs=2fs 随机序列的带宽取G1(f)和G2(f)之中较大带宽的一 个作为序列带宽。时间波形占空比越小，频带越 宽。假设矩形脉冲脉宽为，则BS=1/ 单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉 冲的占空比 单极性归零信号中有定时分量 单极性不归零信号中无定时分量 0、1 等概的双极性信号没有离散谱。 抽样点无失真充要条件 只须将H()按照(2i-1)/Ts切成宽度为 2/Ts的i段，然后分段沿平移到(-/Ts /Ts)区 间叠加，只要其结果在区间(-/Ts /Ts)为常数 Ts，即为理想低通滤波器。便可保证在抽样点 无失真，可以消除码间干扰。 等 效 基 带 特 性 理想低通系统特性图 输入序列以1/Ts波特的速率进行传输时，所需的最小传输 带宽为1/2Ts赫。 这是在抽样时刻无码间串扰条件下，基带系统所能达到的 极限情况。 1/2Ts 称为奈奎斯特带宽，记为1，系统无码间串扰的最 高传输速率为21(波特)记为RB，称为奈奎斯特速率。 基带系统所能提供的最高频带利用率为 =RB/1=2波特赫。 0 升余弦滚降系统 升余弦滚降系统的 h(t)满足抽样值上无串扰 的传输条件，且各抽样值之间又增加了一 个零点，其尾部衰减较快(与t2成反比)，有 利于减小码间串扰和位定时误差的影响。 这种系统的频谱宽度是=0的2倍，因而频 带利用率为1波特/赫，是最高利用率的一半 。 若02 频带f h 二进制相移键控（2PSK）解调 2PSK相干解调存在的问题“倒”现象 当恢复的相干载波产生180o倒相时，解调出的数字基 带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器 输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒 ”现象。 由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180o的相 位模糊，而且这种模糊不易被发现。所以2PSK信号 的相干解调存在随机的“倒”现象 差分编码用于解决相位模糊现象。 重庆大学通信工程学院数字通信原理 频谱分析 图中a曲线对应的f1f0+fs，f2f0-fs，曲线b 对应的f1= f0+0.4fs，f2f0-0.4fs。 f0=（f1+ f2）/2 2fs 0.8fs f f0 f0fsf0-fsf02fsf0-2fs Pe(f) （单边谱） a b 重庆大学通信工程学院数字通信原理 相位连续的2FSK信号的功率谱密度 功率谱密度仍然是X的偶 函数 调制指数h0.5时，功率 谱密度曲线呈现单峰。在 h0.715时，曲线呈现 双峰。 在h趋近于1时曲线的双 峰变得非常尖锐。 当hl时，曲线的双峰变 成了两条线状谱每条线谱 所占的功率都是信号功率 的1/4两条共占信号总 功率的1/2。 h1之后，双峰的距离 将逐渐增大。 h=0.5 h=0.715 0.8 0.4 Pe(x) 1.0 x 0.5-1.0-0.5 调制信号的频谱 2PSK与2DPSK信号的频谱 2ASK 2FSK Pe小于1 当相对码的误码率Pe1时 码反变换器输出端绝对码序列的误码率是码 反变换器输入端相对码序列误码率的两倍。 码反变换器的影响是使输出误码率增大。 误码率性能 二进制数字调制系统的误码率公式一览表 横向比较： 对同一种数字调制 信号，采用相干解 调方式的误码率低 于采用非相干解调 方式的误码率 纵向比较：误码率Pe一定情况下，2PSK、2FSK、2ASK系统所需要的信噪比关系 调制方式 2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK 误码率 相干解调非相干解调 2PSK2DPSK 多进制数字调制的特点 由信息传输速率Rb、码元传输 速率RB和进制数M之间的关系 信息传输速率不变，增加进制数M，可以降 低码元传输速率，减小信号带宽，节约频 带资源，提高系统频带利用率 由关系式 码元传输速率不变的情况下，通过增加进 制数M，可以增大信息传输速率，从而在 相同的带宽中传输更多的信息量。 M进制数字振幅调制信号性能 功率谱：与2ASK信号具有相似的形式 带宽：在信息传输速率相同时，码元传输速 率降低为2ASK信号的1/log2M倍，因此M进 制数字振幅调制信号的带宽是2ASK信号的 1/log2M倍。 误码率:为了得到相同的误码率，所需的信噪 比随M增加而增大 四电平系统需要比二电平系统增加5倍的功率 重庆大学通信工程学院数字通信原理 MQAM的星座图 信号矢量端点的分布图称为星座图。 通常，可以用星座图来描述QAM信号的信号 空间分布状态。 M16的16QAM的两种具有代表意义信号星座图 方型16QAM星座（标准型 16QAM） 星型16QAM星 座 (3,3) (3,1) (-3,3) (-3,1) (-3,-3)(3,-3) (-1,-1) (-1,1) (0,4.61) (0,2.61) (4.61,0) (0,-4.61) (0,-2.61) (2.61,0)(-4.61,0)(-2.61,0) 重庆大学通信工程学院数字通信原理 方型星座图与星型星座图的比较 功率 信号点之间的最小距离为2A 所有信号点等概率出现 平均发射信号功率 方形星座图 星形星座图 结论：星型星座图与方型星座图功率相差1.4dB 重庆大学通信工程学院数字通信原理 MQAM的星座图 星座结构 星型16QAM只有两个振幅值，而方型16QAM有三种振幅 值 星型16QAM只有8种相位值，而方型16QAM有12种相位 值 结论： 在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。 第六章 同步 若发送端导频不是正交插入，而是同相插入， 发送端的输出信号则变为： 收端乘法器的输出： 采用正交导频的原因 平方变换法 载波必然存在180的相位模糊，可以采用“ 相对移相法”解决。 平方律 部件 输入已调 信号 2fc窄带滤波器二分频 带来相位模糊 用窄带滤波器提取载波的相位抖动 相位抖动 Q值越高，越小。 增加Q值却会导致稳态相差增加 当使用窄带滤被器提取载波时，稳态相差和 随机相差对Q值的要求是相互矛盾的 在实际应用中，必须兼顾二者，切忌顾此失 彼。 相位误差 相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在 跳变调整中所引起的。 在相位调整的过程中，每调整一步，相位 即改变2/n (n为分频器的分频次数)，因此 可知，在此过程中可产生的最大相位误差 为2