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通信系统原理“通信系统原理”是通信及相关专业的专业主修理论基础课，是通信专业的重要必修课程。通信系统原理运用了高等数学、概率论、线性代数等专业数学知识，以及信号与线性系统分析方法，进一步为学生在确知信号的谱分析、随机信号（随机过程）和噪声的统计分析方面打下坚实的数理基础。在此基础上要求学生掌握模拟通信系统的基本知识、分析方法和噪声性能。重点分析数字通信系统的数学模型、误码特性、差错控制编码。并从最佳接收观点提出统计通信理论的基础知识，使学生能够掌握当前通信系统建模和优化的思维方法。通过学习使学生了解当前通信状况及通信系统的发展方向。概述（3学时）课程特点 要求 第一讲 绪论知识点：什么是通信。通信系统的组成模型。通信系统的性能指标。通信的发展简史（自学）。通信使用的频段。信息的基本度量。通信信道定义。信道干扰的概念。通信发展方向（可穿插在后续各章节中进行）。重点：通信系统的组成。通信系统的性能指标。通信信道定义。一、 信息与信息技术二、 通信与通信系统通信及其发展历史通信系统的一般模型1 一般模型框图及各部分的作用2 模拟通信系统模型两种变换 信息基带信号 基带信号-频带信号 3 数字通信系统模型数字通信特点编码三、 数字通信技术框图1） 各部分功能2） 信号变换四、 通信频段的划分五、 通信系统的性能指标1 有效性（Baud bps）2 可靠性SNR（dB）3 B E N D 通信系统的性能指标是传输信息的有效性和可靠性。先进的编码和调制技术是解决有效性与可靠性这对矛盾的。通信质量主要取决于信号的特性和传输媒体的性质。通信系统的核心是信号设计。信号受损伤的程度取决于它的频谱。研究信道特性及噪声干扰特性是通信系统设计重要问题。传输媒体决定数据速率传输距离。确知信号分析（6学时）第一章 信号与噪声分析知识点：1 确知信号分析简要复习信号与线性系统，积分变换的内容（如傅里叶变换、卷积和相关），信号的能量谱和功率谱，信号通过线性系统的分析方法，希尔伯特变换（可延后在讲授应用该变换的相移法产生单边带时作为背景知识穿插讲授）。第二讲 信号的频域特性信息、信号与谱1.信息和信息量：信息的基本度量。比特 奈特 哈特莱 平均信息量-熵 2.信号的分类（五类）及其描述(时域、频域) 确定信号与随机信号信号 时间域 频率域 确知 f（t） 频谱F（） 随机 概率密度 功率谱密度周期信号与非周期信号模拟信号与数字信号基带信号与频带信号功率信号与能量信号 3 确知信号的谱分析、狄利可雷条件 1）周期性信号的傅立叶级数（频谱）分析频谱及其物理意义 特点 单（双）边频谱2）非周期性信号的傅立叶变换（频谱密度）3）周期性信号的频谱与频谱密度（功率信号的傅里叶变换） 几种特殊常用的信号函数: 门函数T 与delta函数4）能量信号的能量谱密度 5）功率信号的功率谱密度帕氏定理带宽：信号有效带宽、噪声等效带宽与信道系统带宽第三讲 信号的时域特性 4. 时域描述：1）卷积 2）相关函数 正交相关函数与谱密度的关系5. 信号与系统1）信号通过线性系统的分析方法： 时域 频域 谱密度 系统特性（带宽）2）希尔伯特变换：时间域 频率域 表示式 性质 3）预包络（解析信号） 定义、性质 复信号的傅里叶变换在f0恒为0是解析信号。 习题课随机信号分析（6学时）概率论知识（简单回顾），随机过程，平稳随机过程，随机过程的统计特征和统计平均以及功率谱，随机信号的传输特性，高斯过程，通信系统中的噪声特性。重点：随机过程的统计特性，统计平均和功率谱，随机信号的传输特性，通信系统中的噪声分析。难点：随机过程，平稳随机过程，限带高斯噪声。第四讲 随机信号与随机变量 一、随机事件的数学描述概率论知识（简单回顾）全概率公式 后验公式 条件概率二、随机变量随机变量: 随机变量的统计特性：概率分布函数cdf、 概率密度函数pdf 几种典型的随机变量 均匀分布 高斯分布 瑞利分布随机变量的统计特征（数字特征）统计平均一维统计特征: 反映各个孤立时刻的特征。 数学期望 均值 (一阶矩) 直流 均方值 (二阶原点矩) 瞬时平均总功率 （n阶矩） 方差 (二阶中心矩) 交流功率 二维统计平均特征: 衡量关联程度的。边际密度 自相关函数 互相关函数(联合二阶矩) 互相关系数 协方差(二阶混合中心矩) 第五讲 三、随机过程: 随机过程定义：时间函数&随机向量 样本集合随机过程（信号）的统计特征一维统计特征二维统计特征不相关 正交 统计独立的关系正交 相关 通信系统的核心是信号设计。四、平稳：严(狭义)平稳随机过程 宽(广义)平稳随机过程满足一 二维平稳条件 遍历: 时间平均=统计（样本）平均平稳随机过程的自相关函数与功率谱密度自相关函数与功率谱密度的关系。维纳-辛钦关系式五、随机信号的传输特性1 随机信号通过线性系统:平稳随机信号通过线性系统的响应仍为平稳过程. My=MxH(0) Ry Sy 高斯过程2 随机信号进入乘法器信道与噪声特性分析（5学时）第六讲 信道1 信道分类及信道特征：狭义（有线、无线） 基带 频带广义 ：调制（恒参、随参） 编码（有记忆、无记忆） 2 信道模型调制（连续）信道模型编码（离散）信道模型3 信道的传输特性：1调制信道（连续信道） 1） 恒参信道：信号无失真传输的条件（频域、时域）频谱：幅度特性：衰耗 波形失真 相位特性：群时延失真-均衡 2） 变（随）参信道 非线性失真 频谱（率）色散失真多径衰落：瑞利型衰落 频率弥散 频率选择性衰落2编码信道（离散信道）：有记忆信道 无记忆信道 4 信道容量：Nequist： 信道无噪声 Shannon有扰连续信道的无误码信道容量 离散信道第七讲 通信系统中的噪声特性分析5. 信道噪声及其统计特性分析1）. 高斯随机过程: 幅度分布：正态分布概率分布函数误差函数 Q函数2）. 高斯白噪声及其特点功率谱 自相关 幅度分布 AWGN 噪声特性分析 3）限带高斯噪声的功率谱、自相关函数、噪声功率低通（带限） 自相关函数的零点 带通： 4）. 窄带随机过程: 窄带高斯噪声：同相分量、正交分量 极坐标：（包络 相位）特性 三种分布（高斯 瑞利 ） 5）. 余弦波加窄带高斯噪声余弦信号+窄带（噪声） 广义瑞利-莱斯分布 SNR分析第八讲 习题课模拟调制系统（10学时）第二章 模拟调制系统知识点：1 线性调制系统：幅度调制、双边带、单边带和残留边带的基本概念，线性调制数学模型和系统构成特点，相干解调、非相干解调以及噪声性能分析。重点：线性调制系统噪声性能分析方法。2 角度调制系统：角度调制系统的基本概念（调频波、调相波基本概念，调频波、调相波频谱，带宽和功率计算），调角波的调制和解调方法，噪声性能分析。重点：调频波、调相波噪声性能分析方法难点：调频波、调相波频谱，各参数单位的一致性和噪声性能分析，门限效应（可由教师引导自学）。3 频分复用原理第九讲 一、线性调制系统：时域表达式 频谱分析 调制解调原理 及噪声性能分析 1. 概述：调制定义、功能、分类：2. 调制：1) AM：时间域、频率域、带宽、功率、随机信号（平稳时的）分析 调制与解调数学模型（原理）。 系统构成特点分析2) DSB：抑制载波双边带调制：功率 数学模型 载波提取？ 平衡调制器、环形调制器 3) SSB：单边带调制： 调制方框图数学模型 滤波法 相移法 混合法 希氏变换的应用 多级调制第十讲 4) VSB残留边带调制：互补对称特性 滚降5）系统构成特点：3. 线性调制的一般数学模型4解调： 相干解调（同步检波） 非相干解调（包络检波） AM +强同相载波 门限效应5. 噪声性能分析：调制前后信噪比的比较 信噪比增益G（DSB与SSB发送功率不同）第十一讲 二、 角度调制系统：分析：频谱特点、传输带宽、功率分配、噪声性能1. 角度调制概念：FM、PM时域表达式 调制灵敏度 调制指数2. 调频原理：窄带角度调制：NBFM条件： 带宽：AM与NBFM频谱比较宽带角度调制： 宽带调频：带宽：卡森公式 功率分配第十二讲3. 调频信号的产生与解调 4噪声性能分析：带宽(m)换取信噪比（3m2） AM与WBFM比较5. 门限效应：反馈解调器FMFB、锁相环解调器PLL-减小鉴频前的等效带宽 模拟调制性能比较 复合调制与多级调制 第十三讲 三、频分复用原理FDM 频率分割 FM调频收音机模拟信号编码传输（8学时）第三章 数字信号的基带调制知识点：取样定理，量化及量化噪声，脉冲编码调制原理及语音PCM系统基带特点，PCM系统中的噪声，增量调制，差分脉码调制（DPCM）和自适应差分脉码调制（ADPCM）的基本概念。重点：比特率、量化信噪比计算方法，PCM系统总输出信噪比分析方法。难点：量化信噪比，PCM系统总输出信噪比分析。第十四讲 一、 模拟信号数字化传输：A-D1 模拟信号数字化 信源编码-压缩？问题： PCM脉冲编码调制2 脉冲编码调制PCM原理：框图（发送端、接收端）二、 抽样定理：1 低通抽样定理：均匀抽样 无失真条件 混叠失真2 带通抽样：3 脉冲调制：脉冲幅度调制PAM PDM PPM 数字信号的基带调制？4 实际抽样： 1） 自然（曲顶）抽样2） 平顶抽样：孔径失真第十五讲三、 量化及量化噪声1 量化：标量量化 量化间隔、量化误差、量化噪声（均方误差）2 最佳量化器3 均匀量化： 1） 量化与量化特性：均匀分布2） 量化（误差）噪声：总量化噪声功率=未过载量化噪声功率+过载量化噪声功率3） 量化信噪比SNR：信号为正弦信号：4） 传输速率与带宽的关系5） 量化SNR与频带带宽的关系第十六讲4 非均匀量化：实际语音信号PCM系统基带特点 幅度概率密度 拉普拉斯分布 非均匀量化时的噪声功率 对数量化：压扩5 A律对数压缩特性 律对数压缩特性四、 量化与编码：折叠码 编码1 码位安排2 帧结构 编码 3 发送编码 接收译码框图第十七讲五、 PCM系统总输出信噪比分析方法：量化噪声+信道加性噪声分析信道误码、量化噪声对SNR的影响PCM与模拟调制的输出SNR比较六、 差分脉码调制DPCM概念：相关 预测 冗余七、 增量调制 自适应差分脉码调制ADPCM概念八、 时分多路复用TDM数字信号基带传输（8学时）第四章 数字信号的基带传输知识点：基带数字信号的码型、波形及功率谱特征，数字信号的基带传输系统，码间干扰，奈氏第一准则，基带传输系统的误码特性，奈氏第二准则与部分响应系统，信道均衡。重点：基带码型，奈氏准则，误码率的分析方法。难点：奈氏准则，误码率的分析。重点分析数字通信系统的数学模型、误码特性第十八讲 一、数字信号的基带传输系统基带数字信号的码型、基带波形形成及功率谱特征 码型选择原则基带信号码型：二元：NRZ-L -I RZ 双极性 相对码 多进制码伪三进制线路传输码型：数字双相码 CMI MILLER AMI HDB3 PST 4B3T 2B1Q基带波形形成：第十九讲二、数字基带信号的功率谱计算、特征 相同波形随机序列的功率谱 交变部分（连续谱）+稳态部分（冲激谱） 一般情况下的随机序列功率谱：二元序列的特征 计算三、无码间干扰数字基带传输特性 奈氏第一准则码间干扰（符号间干扰）ISI理想的基带传输特性无失真条件 消除ISI 矩形低通频谱第二十讲 滚降 余弦滚降特性 余弦频谱低通升余弦频谱四、相关电平编码- 部分响应系统 奈氏第二准则部分响应系统，提高频带利用率概念：部分响应-利用可控的码间串扰来达到压缩频带的目的。预（差分）编码-消除相关性的。防止差错传播现象 模运算相关编码（部分响应编码）-利用部分响应进行编码 算术运算部分响应系统 常用的是：第类部分响应系统-双二进制系统第类部分响应-修正的双二进制系统第二十一讲信道均衡：补偿传输系统特性，用于消除ISI时域均衡、频域均衡五、数字信号基带传输误码性能分析接收误码概率=误报率+虚报率最佳阈值的选择分析取决于：码的先验概率 码元的幅度 眼图： 概念 宽度 高度 斜率 主要参量（最佳取样时刻、噪声容限、定时误差灵敏度、抽样信号失真和过零点畸变、判决门限电平）理想限带信道下的最佳基带传输系统数字信号频带传输（12学时）第五章 数字信号的频带传输知识点：幅移键控、频移键控、相移键控基本概念，调制解调数学模型，相干接收和非相干接收的误码性能（连续相位的频移键控可放在后面与最佳接收原理一起进行），多元数字调制（QAM、QPSK等）以及MSK的概念及应用。重点：二元ASK、FSK、PSK、MSK发送和接收数学模型，误码率的分析方法。难点：误码率的分析方法第二十二讲 幅移键控、频移键控、相移键控一、二元ASK发送和接收调制解调数学模型 时域、功率谱、带宽、频带利用率 相干接收 误码率 非相干解调抗噪声性能分析二、二元FSK发送和接收调制解调数学模型 相位不连续的频移键控信号 正交 FSK信号的解调及抗噪声性能 相干接收、非相干接收 FSK与ASK性能比较第二十三讲 三、二元PSK发送和接收调制解调数学模型（绝对）相移键控系统构成 PSK相干解调及抗噪声性能 差分（相对）相移键控2ASK、2FSK、2PSK(DPSK)相干接收和非相干接收的误码性能比较第二十四讲 四、多元数字调制多元数字调幅MASK：时间域、带宽、频带利用率、平均信号功率、误码性能多元数字调频MFSK：调制解调原理图多元数字调相MPSK QPSK OQPSK DQPSK第二十五讲五、常用的现代调制技术（QPSK QAM MSK）1） 信号空间星座图：矢量图2） QAM 星座图3） MSK连续相位频移键控信号CPFSK超正交CPFSK最小频移键控的概念及应用二元MSK发送和接收调制解调数学模型特点 原理4） OFDM（连续相位的频移键控可放在后面与最佳接收原理一起进行），调制解调器原理框图 习题课数字信号的最佳接收（6学时）第六章 最佳接收原理知识点：最佳接收准则，匹配滤波法接收，相关法接收，理想接收机，最佳接收的抗干扰性能重点：匹配滤波法接收，相关法接收，连续相位的频移键控和最佳接收的抗干扰性能分析。难点：最佳接收的抗干扰性能最佳接收观点提出统计通信理论的基础知识通信质量主要取决于信号的特性和传输媒体的性质第二十六讲 一、最佳接收准则，1 最大输出信噪比准则2 最小均方误差准则3 最大后验概率准则二、匹配滤波法接收最大输出信噪比-最佳接收机匹配滤波器设计 传输特性：频域：传递函数（匹配） 时域：冲激响应时间延迟量 信号波形与匹配滤波器的特性 匹配滤波器改造噪声谱滤波器输出信号分析 输出信号波形与输入信号的自相关函数成比例。匹配滤波器的实现匹配滤波器的性质匹配滤波器的应用第二十七讲三、相关法接收最小均方误差-相关接收机互相关接收机模型 时域相关接收机自相关器 易实现 性能（噪声）不如互相关器匹配滤波器（频域）、相关接收机接收等价证明四、理想接收机最小错误概率最佳接收机-理想接收机 最大后验概率 最大似然法则三种最佳接收的等价性（高斯信道）证明第二十八讲五、最佳接收的抗干扰性能分析连续相位的频移键控和最佳接收的抗干扰性能分析。MSK最佳接收误码性能分析：相关接收 频带调制、基带传输 最佳接收与相干接收的误码特性比较信道编码（可靠性）（6学时）第七章 差错控制编码知识点：差错控制编码基本原理方法，差错控制编码基本概念和分类，常用的差错控制编码（重