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通信原理重点知识总结 1 题型 判断题10分 10题选择题20分 10题填空题10分 每空一分综合题60分 6题 2 1 目前广泛应用的是第二代移动通信系统 采用窄带时分多址 TDMA 和窄带码分多址 CDMA 数字接入技术 已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统 美国的IS 95系统 日本的PDC系统 我国主要采用欧洲的GSM系统 第二代移动通信系统实现了区域内制式的统一 覆盖了大中小城市 为人们的信息交流提供了极大的便利 随着移动通信终端的普及 移动用户数量成倍地增长 第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显现 如全球漫游问题 系统容量问题 频谱资源问题 支持宽带业务问题等 3 1 为此 从20世纪90年代中期开始 各国和世界组织又开展了对第三代移动通信系统的研究 第三代移动通信系统工作在2000MHz频段 为此国际电信联盟正式将其命名为IMT 2000 IMT 2000的目标和要求是 统一频段 统一标准 达到全球无缝隙覆盖 提供多媒体业务 传输速率最高应达到2Mb s 其中车载为144kb s 步行为384kb s 室内为2Mb s 频谱利用率高 服务质量高 保密性能好 易于向第二代系统过渡和演进 终端价格低 4 模拟通信系统模型 信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 它包含两种重要变换 一是把原始消息变为电信号 二是把不适合传输的基带信号通过调制器转换成频带信号 同时两种变换在收端都要经过反变换 例子 5 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 6 2 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 7 确知信号的时域性质 2 能量信号的自相关函数定义 性质 自相关函数R 和时间t无关 只和时间差 有关 当 0时 R 0 等于信号的能量 自相关函数R 和其能量谱密度 S f 2是一对傅里叶变换 8 3 随机过程具有随机变量和时间函数的特点 在进行观测前是无法预知是空间中哪一个样本 全体样本在t1时刻的取值 t1 是一个不含t的变化的随机变量 即在一个固定时刻t1 不同样本的取值xi t1 是一个随机变量 随机过程是处于不同时刻的随机变量的集合 9 第3章随机过程 各态历经 的含义是 随机过程中的任一次实现都经历了随机过程的所有可能状态 因此 在求解各种统计平均 均值或自相关函数等 时 无需作无限多次的考察 只要获得一次考察 用一次实现的 时间平均 值代替过程的 统计平均 值即可 从而使测量和计算的问题大为简化 具有各态历经的随机过程一定是平稳过程 反之不一定成立 在通信系统中所遇到的随机信号和噪声 一般均能满足各态历经条件 10 11 信道定义 4 信道除包括传输媒质外 还包括有关的变换装置 如 发送设备 接收设备 馈线与天线 调制器 解调器等等 称这种扩大范围的信道为广义信道 在讨论通信的一般原理时 我们采用广义信道 广义信道按照功能 划分为调制信道与编码信道 调制信道是指调制器输出端到解调器输入端的部分 调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质 只不过是对已调信号进行某种变换 在数字通信系统中 编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分 11 12 多径传播是指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点 以下重点介绍多径传播 由于每条路径对信号的衰减和时延都随电离层和对流层的机理变化而变化 所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成 12 13 信号波形因传播有了起伏的现象称为衰落 接收信号的幅度和频率都发生了变化 信号起伏比信号周期变化缓慢 但仍有秒或秒以下的数量级 能和数字信号的一个码元周期相比较 因此这种衰落称为快衰落 信号在一条信道传播时 也会因季节 天气等原因产生衰落 这种衰落时间很长 称为慢衰落 衰落 4 13 14 连续信道容量 4 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 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 上式是信息论中具有重要意义的香农 shannon 公式 14 15 关于信道容量公式的几个重要结论 若提高信噪比S N 则信道容量Ct也提高 若n0 0 则Ct 意味着无干扰信道容量为无穷大 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 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 15 16 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 16 17 4 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 17 18 4 若信息速率R t 则理论上可实现无误差 任意小的差错率 传输 若R Ct 则不可能实现无误传输 若R Ct 则称为理想通信系统 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 18 19 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 每帧图像信息量 每秒传送的 30帧 信息量 为了传输29 9Mb的电视图像 信道容量必须Ct 29 9Mb s 19 20 已知 图像通信系统的带宽约需要3MHz 20 第5章模拟调制系统 调制的实质是频谱搬移 其作用和目的是 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 实现信道的多路复用 提高信道利用率 减少干扰 提高系统抗干扰能力 实现传输带宽与信噪比之间的互换 21 波形图由波形可以看出 当满足条件 m t A0时 其包络与调制信号波形相同 因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号 否则 出现 过调幅 现象 这时用包络检波将发生失真 但是 可以采用其他的解调方法 如同步检波 22 5 3非线性调制 角度调制 的原理 频率调制简称调频 FM 相位调制简称调相 PM 这两种调制中 载波的幅度都保持恒定 而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化 角度调制 频率调制和相位调制的总称 已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移 而是频谱的非线性变换 会产生与频谱搬移不同的新的频率成分 故又称为非线性调制 与幅度调制技术相比 角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能 23 非线性调制 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 24 各种模拟调制方式的性能 5 25 6 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 26 6 HDB3码 3阶高密度双极性码它是AMI码的一种改进型 使连 0 个数不超过3个 编码规则 1 检查消息码中 0 的个数 当连 0 数目小于等于3时 HDB3码与AMI码一样 1与 1交替 2 连 0 数目超过3时 将每4个连 0 化作一小节 定义为B00V 称为破坏节 其中V称为破坏脉冲 而B称为调节脉冲 3 V与前一个相邻的非 0 脉冲的极性相同 这破坏了极性交替的规则 所以V称为破坏脉冲 并且要求相邻的V码之间极性必须交替 V的取值为 1或 1 27 6 4 B的取值可选0 1或 1 以使V同时满足 3 中的两个要求 5 V码后面的传号码极性也要交替 例 消息码 10000100001100000000l1AMI码 10000 10000 1 100000000 1 1HDB码 1000 V 1000 V 1 1 B00 V B00 V l 1 28 6 HDB3码的译码 HDB3码的编码虽然复杂 但译码却简单 从上述编码规则看出 每一个破坏脉冲V总是与前一非 0 脉冲同极性 包括B在内 这就是说 从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V 于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连 0 符号 从而恢复4个连 0 码 再将所有 1变成 1后便得到原消息代码 29 6 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 g t 且概率P 1 2时 则没有离散分量 f mfs 根据离散谱可以确定随机序列是否有直流分量和定时分量 30 信号s t 通过信道时会产生波形畸变 同时还要叠加噪声 因此 若设信道的传输特性为G 接收滤波器的传输特性为GR 则接收滤波器输出信号r t 可表示 r t 被送入识别电路 假定识别电路是一个抽样判决电路 则对信号抽样的时刻一般在 kTs t0 其中 k是相应的第k个时刻 t0是可能的时偏 恢复信息 码间干扰 随机干扰 31 第一项 是第k个接收基本波形在上述抽样时刻上的取值 它是确定ak信息的依据 第二项 是接收信号中除第k个以外的所有其他基本波形在第k个抽样时刻上的总和 我们称这个值为码间干扰值 第三项 显然是一种随机干扰 由于码间干扰和随机干扰的存在 故当加到判决电路时 对取值的判决就可能判对也可能判错 显然 只有当码间干扰和随机干扰很小时 才能基本保证上述判决的正确 当干扰及噪声严重时 则判错的可能性就很大 式中右边 32 6 4无码间串扰的基带传输特性 本节先讨论在不考虑噪声情况下 如何消除码间串扰 下一节再讨论无码间串扰情况下 如何减小信道噪声的影响 由上式可知 若想消除码间串扰 应使由于an是随机的 要想通过各项相互抵消使码间串扰为0是不行的 这就需要对h t 的波形提出要求 33 第7章数字带通传输系统 2ASK信号解调方法非相干解调 包络检波法 相干解调 同步检测法 34 第7章数字带通传输系统 非相干解调过程的时间波形 35 第7章数字带通传输系统 从以上分析及上图可以看出 2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成 连续谱取决于g t 经线性调制后的双边带谱 而离散谱由载波分量确定 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍 若只计谱的主瓣 第一个谱零点位置 则有式中fs 1 Ts即 2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍 36 第7章数字带通传输系统 由上图可以看出 相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成 其中 连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成 离散谱位于两个载频f1和f2处 连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化 若 f1 f2 fs 则出现双峰 若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽 则其带宽近似为其中 fs 1 Ts为基带信号的带宽 图中的fc为两个载频的中心频率 37 第7章数字带通传输系统 7 1 4二进制差分相移键控 2DPSK 2DPSK原理2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息 所以又称相对相移键控 假设 为当前码元与前一码元的载波相位差 定义数字信息与 之间的关系为于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下 38 9 1引言 数字化3步骤 抽样 量化和编码 39 9 恢复原信号的条件是 即抽样频率fs应不小于fH的两倍 这一最低抽样速率2fH称为奈奎斯特速率 与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特间隔 40 9 13折线压