通原基础知识

第第 1 1 章章 1 1 通信系统的基本组成部分通信系统的基本组成部分 包括信源 发送设备 信道 接收设备 信宿以及噪声源 2 2 通信方式通信方式 单工 Simplex 单向通信 如广播 准双工 Half duplex 如步话机 全双工 Duplex 双向通信 如固定电话和移动电话 3 3 模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系统 模拟通信系统指系统中传输的信号为模拟信号 发送设备主要包含调制器 接收设备主要包 括解调器 对于远距离通信 还包括天线系统等 此外 载波同步系统也是必要和重要的部分 数字通信系统指其中传输的信号为数字信号 发送设备和接收设备中包含信源编解码 信道 编解码 以及保密编解码 此外为保证系统正常工作 载波同步 码元同步和帧同步也是必不 可少的 4 4 信道信道 用于在发送端和接收端之间传输信号的通道 5 5 信道的分类信道的分类 按照信号的传输媒质 信道可分为 有线信道和无线信道 按照信道的特性 可分为 恒参信道和随参信道 按照信道的模型 又可分为调制信道和编码信道 6 6 常用通信信道常用通信信道 常用信道有对称电缆 同轴电缆 光纤 无线广播信道 微波中继 卫星中继 无线移动信 道等 7 7 恒参信道对信号的影响恒参信道对信号的影响 恒参信道或多或少会存在幅频失真或相频失真 甚至存在非线性失真 需要对频率特性进行 补偿 8 8 随参信道对信号的影响随参信道对信号的影响 除了会存在幅频失真或相频失真外 还存在多径效应 9 9 衰落衰落 衰落是指由于多径效应 信道对接收信号振幅的影响 有快衰落 慢衰落和频率选择性衰落 10 10 加性噪声加性噪声 噪声是叠加在信号上的 大多数噪声属于加性噪声 11 11 乘性噪声乘性噪声 噪声对信号的作用可以表示为乘法关系 主要来自信道对信号的影响 当信道特性不理想时 需要通过对信道特性的补偿 又称为均衡 去改善 12 12 高斯白噪声高斯白噪声 噪声的统计特性服从高斯分布 且均值为 0 噪声的功率谱密度在很宽的范围内为常数 近 似为白噪声 13 13 无线电频率资源的特性无线电频率资源的特性 1 有限性 2 排它性 3 复用性 4 非耗竭性 5 固有的传播特性 6 易污染性 14 14 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 有效性 指信息传输的速度 或传输信息所占用的频率资源 可靠性 指信息传输的质量 即接收信息的准确程度 15 15 带宽带宽 信号所占有的正的频率范围 也可定义为从零频率开始到需保留的最高频率分量之间的频率 范围 16 16 信噪比信噪比 输出信噪功率比 简称信噪比 通常信噪比的单位取分贝 dB 17 17 码元速率码元速率 定义为每秒传送的码元数量 单位为波特 Baud 简称 B 18 18 信息速率信息速率 定义为每秒传送的信息量 单位为比特 bit 简称 b 19 19 频带利用率频带利用率 又称频谱利用率 定义为单位频带内的码元速率或信息速率 单位为 B Hz 或 b sHz 20 20 误码率误码率 定义为接收信号中错误码元出现的概率 即错误码元数除以传输的总码元数 21 21 误信率误信率 定义为接收信息中错误比特出现的概率 即错误信息比特除以传输的总比特 第第 2 2 章章 1 1 能量信号和功率信号能量信号和功率信号 若信号能量有限 则称此信号为能量信号 若信号能量无限 但功率有限 则称为功率信号 2 2 能量谱密度和功率谱密度能量谱密度和功率谱密度 能量谱密度 有时也称能量谱 单位是 J Hz 反映了单位频带内信号能量与信号频率的 关系 功率谱密度 有时也称功率谱 单位是 W Hz 表现的是单位频带内信号功率与信号频率的 关系 3 3 希尔伯特变换希尔伯特变换 希尔伯特变换又称为 900 移相器 对正频率产生 900 的相移 对负频率产生 900 相移 4 4 随机过程随机过程 随机过程可看成是一个由全部可能的实现构成的总体 每个实现都是一个确定的时间函数 而随机性就体现在出现哪一个实现是不确定的 换个角度观察随机过程 它是时间 t 的函数 但在任一时刻观察到的值却是不确定的 是一个随机变量 5 5 平稳随机过程平稳随机过程 严格平稳 指它的任何 n 维分布函数或概率密度函数与时间起点无关 广义平稳 若一个随机过程的数学期望及方差与时间无关 相关函数仅与时间间隔有关 6 6 各态历经性各态历经性 具有各态历经性的平稳随机过程 一个样本函数在整个时间轴上的平均值可以用来代替其集 平均 统计平均值和自相关函数等 7 7 维纳维纳 辛钦定理辛钦定理 平稳随机过程的自相关函数与功率谱密度 互为傅里叶变换对 8 8 高斯随机过程的性质高斯随机过程的性质 若高斯过程广义平稳 必将严格平稳 若高斯过程中的各随机变量之间是互不相关 必将统计独立 9 9 窄带高斯过程窄带高斯过程 若随机过程的功率谱满足以下条件 则称为窄带随机过程 随机过程的带宽远远小于载频 10 10 窄带高斯过程的统计特性窄带高斯过程的统计特性 若窄带过程为 0 均值的高斯过程 并且平稳 则 随机包络服从瑞利分布 相位服从均匀分布 同相分量和正交分量也为 0 均值的高斯过程 且平稳 11 11 正弦波加窄带高斯过程的统计特性正弦波加窄带高斯过程的统计特性 若窄带过程为 0 均值的高斯过程 并且平稳 则 随机包络服从莱斯分布 相位在小信噪比时接近于均匀分布 大信噪比时主要集中在信号相 位附近 12 12 随机过程通过线性系统的特性随机过程通过线性系统的特性 输入随机过程平稳 则输出随机过程的数学期望为常数 自相关函数仅仅与时间间隔有关 功率谱密度是输入谱密度乘以系统传输函数的模的平方 第第 3 3 章章 1 1 调制信号或基带信号调制信号或基带信号 通信系统中信息源提供的低频率原始消息信号 2 2 载频信号或载波载频信号或载波 充当载体的周期性高频率振荡电信号 3 3 调制调制 低频信号的装载过程称之为调制 4 4 解调解调 通信系统的接收端解调器从已调信号中提取出调制信号的全部特征的过程 它是调制的逆过 程 5 5 幅度调制幅度调制 由调制信号去控制高频载波的幅度 使之随调制信号作线性变化的一类调制方式 6 6 常用幅度调制常用幅度调制 调幅 AM Amplitude Modulation 双边带 DSB Double Side Band 单边带 SSB single Side Band 和残余边带 VSB Vestigital Side Band 四种调制类型 7 7 调制效率调制效率 调制信号的功率与已调波信号的总功率之比 8 8 相干解调器相干解调器 相干解调器是一种基于载波的解调方式 也叫同步检测 9 9 调制制度增益调制制度增益 输出信噪比和输入信噪比的比值 这个比值用 G 表示 称为调制制度增益或简称制度增益 G 越大 说明调制制度的抗噪声性能越好 10 10 门限效应门限效应 随着输入信噪比的下降 输出信噪比会逐渐下降 当输入信噪比下降到一定程度时 输出信 噪比会急剧恶化 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 11 11 角度调制角度调制 用调制信号去控制载波频率 称为频率调制或调频 FM Frequency Modulation 用调制 信号去控制载波相位 称为相位调制或调相 PM Phase Modulation 由于 FM 和 PM 在调制 过程中 频率和相位的变化最终都体现为载波瞬时相位的变化 故也把 FM 和 PM 统称为角度调 制或调角 12 12 窄带调频和宽带调频窄带调频和宽带调频 窄带调频 当 FM 信号的瞬时相位偏移远远小于 0 5 因 FM 信号的频谱宽度比较窄 常被称 为窄带调频 NBFM Narrow Band FM 反之 FM 信号的频谱宽度比较宽 称为宽带调频 WBFM Wide Band FM 13 13 预加重和去加重预加重和去加重 去加重网络加在 FM 解调器之后 作用是抑制高频噪声 从而减小输出噪声的平均功率 去加重网络在减小噪声功率的同时 还会引起信号的非线性失真 于是再增加一个预加重网 络补偿 14 14 频分复用频分复用 频分复用 FDM Frequency Division Multiplexing FDM 是将传输信道的总带宽划分成 若干个子频带 每一个子频带传输 1 路信号 为了保证各子频带中所传输的信号互不干扰 应 在各子频带之间设立隔离带 FDM 主要用于模拟信号的多路传输 15 15 时分复用时分复用 时分复用 TDM Time Division Multiplexing TDM 是以时间作为信号分割的参量 使 各路信号在时间上互不重叠 TDM 适用于数字信号的多路传输 将信道按时间分成若干片段轮 换地给多个信号使用 每一时间片由复用的一路信号单独占用 从而实现在一条物理信道上同 时传输多个数字信号 16 16 码分复用码分复用 码分复用 CDM Code Division Multiplexing CDM 是用一组互相正交的码组携带多路 信号 每路信号可在同一时间使用同样的频带进行通信 靠不同的编码来区分各路原始信号 这种编码有时也称为地址码 CDM 技术主要用于无线通信系统 特别是移动通信系统 17 17 载波同步载波同步 载波同步是指提取本地载波的过程 在模拟通信系统的相干解调器中 需要用载波同步器来 提取本地相干载波用于已调信号的解调 相干载波应与调制载波同频同相 数字调制系统同样 也需要进行载波信号的提取 第第 4 4 章章 1 1 常用数字基带信号常用数字基带信号 单极性信号 双极性信号 差分信号 多电平信号 归零信号 不归零信号 2 2 数字基带信号的连续谱数字基带信号的连续谱 连续谱一定存在 反映信号能量集中的频率范围 可用来确定信号的带宽 3 3 数字基带信号的离散谱数字基带信号的离散谱 离散谱不一定存在 对于二进制双极性基带信号 当 1 码和 0 码等概时 离散谱为 0 这一项可用于确定有无位同步信号 4 4 第一零点带宽第一零点带宽 矩形基带脉冲的频谱中 第一个零点以内的带宽称为第一零点带宽 又称为主瓣带宽 信号 的大部分能量都集中在第一零点之内 5 5 基带传输常用码型基带传输常用码型 双相码 传号反转码 密勒码 传号交替反转码 三阶高密度双极性码 4B 3T 码 6 6 码间串扰码间串扰 信号通过信道传输 同时受到乘性干扰和加性噪声的影响 其中乘性干扰会引起码元波形的 延迟和失真 造成码元间的互相重叠 从而影响正确判决 这就是码间干扰 又称码间串扰 7 7 奈奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则 为了得到无码间串扰传输特性 基带系统的传输函数不必为矩形 而可以是具有缓慢下降边 沿的任何形状 只要满足奇对称即可 频率对称点是基带特性下降边沿的中心频率点 8 8 奈奎斯特速率奈奎斯特速率 一个带宽为 fN 的理想低通系统 它的最高无码间干扰码元速率为 2fN 称为奈奎斯特速率 9 9 奈奎斯特带宽奈奎斯特带宽 若要实现速率为 RB 的无码间干扰传输 需要的理想低通系统的最小带宽为 RB 2 称为奈奎 斯特带宽 这时系统的频带利用率为 2Bd Hz 这也是一个极限的频带利用率 其它无串扰基带 系统的带宽不可能小于理想低通系统 因此其频带利用率也不会超越理想低通系统 10 10 最佳门限电平最佳门限电平 通常把使总误码率最小的判决门限电平称为最佳门限电平 11 11 眼图眼图 实际应用中常采用示波器来测试和调整数字基带系统的性能 具体做法是 用示波器测试接 收滤波器的输出信号 使示波器水平扫描周期等于接收码元的周期 这时示波器显示的图形很 像人的眼睛 所以称之为眼图 12 12 奈奎斯特第二准则奈奎斯特第二准则 有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰 而在其余码元的抽样时刻无码间干扰 就能 使频带利用率达到理论上的最大值 同时又可降低对定时精度的要求 通常把满足奈奎斯特第 二准则的波形称为部分响应波形 13 13 部分响应系统部分响应系统 利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统 14 14 位同步位同步 为保证正确检测和判决所接收的码元 必须确定接收码元起始时刻 因此接收系统需要一个 码元同步脉冲序列 又称为位同步信号 码元定时脉冲或码元同步信号 提取位同步信号的系 统称为位同步系统 15 15 时域均衡时域均衡 起补偿作用的滤波器统称为均衡器 时域均衡器 TDE Time Domain Equalizer 是直接从 时间响应角度分析并设计的均衡器 使包括均衡器在内的整个数字基带传输系统满足或接近无 码间干扰条件 即奈奎斯特第一准则 以使在抽样时刻最大限度地消除码间干扰 16 16 频域均衡频域均衡 频域均衡器 FDE Frequency Domain Equalizer 是利用幅频特性或相频特性对信道特性 进行补偿 使数字基带系统的总特性满足奈奎斯特第一准则的要求 17 17 横向滤波器横向滤波器 该均衡器由无限多个按横向排列的迟延单元及抽头系数组成 横向滤波器的特性主要取决于 各抽头系数 各抽头系数是可调整的 以适应不同的传输条件 第第 5 5 章章 1 1 脉冲编码调制脉冲编码调制 PCM Pulse Code Modulation 即脉冲编码调制 是一种将时间连续 取值连续的模拟信号 变换成时间离散 抽样值离散的数字信号的过程 2 2 抽样抽样 抽样是把模拟信号由时间上连续的信号变成时间上离散的信号 抽样必须遵循抽样定理 抽 样后的信号应当包含原信号的全部信息 以便接收端能无失真地恢复原模拟信号 3 3 量化量化 量化是将抽样得到的幅度瞬时值离散化的过程 即将连续的瞬时抽样值近似为离散的电平值 以便对量化后的信号进行编码 4 4 编码编码 编码是用二进制码组去表示每一个量化电平 若编码后二进制码组的位数用 N 表示 则可以 表示的量化电平数为 2N 个 5 5 脉冲振幅调制脉冲振幅调制 脉冲振幅调制 又称为 PAM Pulse Amplitude Modulation PAM 已调信号的脉冲振幅正 比于调制信号 6 6 脉冲宽度调制脉冲宽度调制 脉冲宽度调制 又称为 PDM Pulse Duration Modulation 或 PWM Pulse Width Modulation PDM 已调信号的脉冲宽度正比于调制信号 7 7 脉冲相位调制脉冲相位调制 脉冲相位调制 又称为 PPM Pulse Position Modulation PPM 已调信号的脉冲相位正比 于调制信号 8 8 抽样的分类抽样的分类 理想抽样 自然抽样 平顶抽样 9 9 均匀量化和非均匀量化均匀量化和非均匀量化 将模拟信号的取值范围分为若干量化区间 也称为量化间隔 若各量化区间相等则称为均匀 量化 否则是非均匀量化 10 10 压缩和扩张压缩和扩张 非均匀量化可以通过对输入信号进行非线性处理后再均匀量化实现 这里非线性处理的作用 是 对小信号的放大倍数大 对大信号的放大倍数小 这种在发送端的非线性处理又称为压缩 非线性放大显然会带来信号的失真 因此在接收端需要增加非线性放大器加以消除 其作用和 压缩器相反 对小信号的放大倍数小 对大信号的放大倍数大 又称为扩张 扩张是压缩的逆 变换过程 11 1311 13 折线压缩特性折线压缩特性 ITU 规定的对 A 律标准的近似采用 13 折线法 具体做法是将 A 律标准分段线性化 当总的 量化等级足够多的情况下 可以得到逼近 律标准的近似曲线 12 12 误码噪声误码噪声 抽样值经量化编码后 如果在传输过程中出现误码 将会引起接收端译码还原的模拟信号与 量化值之间产生误差 这个误差即误码噪声 误码噪声的存在会影响接收信号的性能 13 13 量化噪声量化噪声 抽样是将模拟基带信号进行时间离散化的过程 但抽样后信号的幅值在其值域内仍然是连续 信号 无法用有限的数字编码去表示抽样值 要想实现抽样值的数字化 需要对连续的抽样值 进行离散化处理 这个过程称为量化 量化值与抽样值之间存在的差别称为量化误差或量化噪 声 量化误差一旦形成 在接收端无法去除 量化误差与量化等级数有关 量化等级数越多 量化误差就越小 14 14 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制 差分脉冲编码调制 DPCM Differential Pulse Code Modulation 的基本思想是 不是直 接对样值进行编码 而是对当前的样值与其预测值之间的差值进行编码 由于差值的幅度范围 一般远小于原信号的幅度范围 在保证同样的量化性能的情况下 可以减少编码位数 从而降 低信息传输速率 15 15 增量调制增量调制 增量调制 DM Delta Modulation 是继 PCM 之后推出的一种简单的模拟信号数字化方法 DM 可以看成是特殊的 DPCM 在 DPCM 中当对预测误差进行一位二进制编码时 就是 DM 系统 当 抽样频率足够高时 相邻抽样值的变化量很小 用一位码有可能表示相邻抽样值的变化规律 16 16 帧同步帧同步 帧同步又称为群同步 对于接收信号而言 除了抽样脉冲频率必须与发端码元速率严格同步 同时抽样脉冲的相位也很重要 因为相位决定了复用信号中各路信号的准确位置 提取一帧起 点的技术 称为帧同步 17 17 复接和分接复接和分接 低次群汇集为高次群的过程称为复接 高次群分解为低次群的过程称为分接 18 PDH18 PDH 准同步复接 为了保证在复接时能正确无误地传输各路信息 必须采用码速调整技术 19 SDH19 SDH SDH 是针对高速数字传输系统而制定的全球统一标准 SDH 的特点是 1 整个网络采用同一 个极精确的时间标准 2 信息以同步传送模块的块状信息结构组织传输 3 由于帧结构中包 含了管理单元指针等开销 能方便地由高速信号插入或分出低速信号 4 具有兼容性 既可以 异步复用 将 PDH 信号复用进 STM N 又可以同步复用 将 STM 低层次模块复用进高层次模块 第第 6 6 章章 1 1 幅移键控幅移键控 幅移键控又称 ASK Amplitude Shift Keying 分为二进制 2ASK 和多进制 MASK 2ASK 信 号的特征是传号 1 和空号 0 的载波有振幅或为零 2 2 频移键控频移键控 频移键控又称 FSK Frequency Shift Keying 同样分二进制和 M 进制 2FSK 信号的特征 是传号 1 和空号 0 的载波频率分别为 f1 f2 3 3 相移键控相移键控 相移键控又称 PSK Phase Shift Keying 分为二进制和 M 进制 移相键控信号的特征是 传号 1 和空号 0 的用不同的载波初始相位 4 4 差分相移键控差分相移键控 差分相移键控 DPSK Differential Phase Shift Keying 又称相对相移键控 分为二进 制和 M 进制 2DPSK 信号的特征是用相邻码元的载频初相差来表示传号和空号 5 5 差分编码差分编码 将绝对码转换为相对码 6 6 差分译码差分译码 将相对码转换为绝对码 7 7 匹配滤波器匹配滤波器 匹配滤波器是一种保证抽样判决时刻输出信噪比最大的线性滤波器 匹配滤波器接收机是一 种最佳接收机 所谓最佳接收机 是指平均误码率最小的接收机 而误码率最小和信噪比最大 是等价的 在接收判决之前加一个匹配滤波器 可以获得最佳的抗噪声性能 8 8 四相相移键控四相相移键控 四相相移键控又称 QPSK 用四种载波初相去表示 1 个四进制符号 9 差分四相相移键控差分四相相移键控 DQPSK 是 QPSK 的改进型之一 它与 QPSK 定义相似 只需将四进制符号先经过差分编码再用 相同的调制方法就可产生 第第 7 7 章章 1 1 正交幅度调制正交幅度调制 正交幅度调制又称 QAM QAM 是数字信号的一种调制方式 它在调制过程中 同时以载波信 号的幅度和相位来代表不同的数字比特编码 把多进制与正交载波技术结合起来 可进一步提 高了频带利用率 2 2 最小频移键控最小频移键控 最小频移键控 MSK Minimum Shift Keying 的提出是为了解决 2FSK 的不足之处 它是一 种包络稳定 相位连续 带宽最小并且严格正交的 2FSK 信号 3 3 高斯最小频移键控高斯最小频移键控 高斯最小频移键控 GMSK 是先将基带信号进行高斯滤波再进行 MSK 调制 它是针对移动通信 中对信号带外辐射功率的严格限制而设计 GMSK 调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的 严格要求 它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移动通信系统 GSM 所采用 4 4 正交频分复用正交频分复用 正交频分复用 OFDM 是一种高效调制技术 它具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能 力以及较高的频谱利用率 OFDM 可以有效地消除多径传播所造成的码间干扰 OFDM 技术良好的 性能使得它在很多领域得到了广泛的应用 其基本原理是将发送的数据流分散到许多个子载波 上 使各子载波的信号速率大为降低 从而提高抗多径和抗衰落的能力 为了提高频谱利用率 OFDM 方式中各子载波频谱有 1 2 重叠 但保持相互正交 在接收端通过相关解调技术分离出各 子载波 同时消除码间干扰的影响 5 5 伪随机序列伪随机序列 伪随机噪声是相对于随机噪声而言的 白噪声是一种在通信系统中最常见的宽带随机信号 白噪声的瞬时抽样值服从正态分布 功率谱密度在很宽的频带内具有均匀分布特性 白噪声序 列具有极其优良的单峰相关特性 6 6 m m 序列序列 常用的伪随机序列由移位反馈寄存器产生 通常分为线性反馈移位寄存器序列和非线性反馈 移位寄存器序列两类 由有限长度的线性反馈移位寄存器产生的周期最长的移位寄存器序列称 为最大长度的线性反馈移位寄存器序列 简称 m 序列 7 7 扩频通信扩频通信 扩频通信频带的展宽是通过扩频编码及调制的方法实现的 与所传信息数据并无关 在接收 端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据 扩频技术包括以下几种方式 直接序列扩频 DS Direct Seque