通信原理简明教程

通信原理简要教程、南利平、目录、绪论预备知识模拟线性调制模拟信号的波形编码数字信号的基带传输数字信号的调制传输现代数字调制技术差错控制码、现代通信与信息社会、1绪论、1.1通信与通信系统的一般概念1、通信目的：消息中包括2、信息的表现形式：语言、文字、图像、数据等3、实现通信的方式：目前被最广泛使用的是电信4、电信概念：用电信号携带想要传达的信息，通过各种信道进行传输，达成通信的目的。 5、电信的优势：能够在几乎任何通信距离内快速并且准确地传送消息。 6、根据介质，通信方式为有线通信：使用导线作为传输介质：虚构的说明线、电缆。 的双曲馀弦值。 的双曲馀弦值。 无线通信：在利用电波的空间中的传播路径7、通信系统的定义：由完成通信任务所需的所有技术设备和传输介质构成的整体。 8、通信系统的构成、1.2通信系统的分类、传输方式：基带传输、频带传输复用方式：频分、时分、码分和空分调制方式、无线模拟发送接收系统的框图莫尔斯两次去欧洲留学，成为当时在肖像画和历史绘画中公认的一流画家。 1826年至1842年担任美国画家协会主席。 在远洋旅行中，摩尔斯认识了杰克逊。 杰克逊是波士顿的医生，也是电气博士。 闲谈中，杰克逊把话题转移到了电磁感应现象。 从那以后，摩尔斯走上了科学发明的陡峭道路。 为了维持生活，莫尔斯于1836年重新驾驶旧职业，担任纽约大学艺术与设计教授。 课馀时间，他还在继续发明电报的工作。 终于在1837年9月4日，莫尔斯制造了电报机。 1844年5月24日，在华盛顿国会议事堂联邦最高法院会议室，进行了电报的收发试验。 年半的摩尔斯预约的时间，兴奋地给巴尔的摩发送了人类史上第一份电报。 他的助手很快就收到了只有一句电报。 “上帝创造了什么奇迹！1862年31岁，麦克斯韦发表了第二篇论文论物理力线，进一步发展了法拉第的思想，在磁场的变化中产生了电场，得到了新的结果：电场的变化产生了磁场，从而预示了电磁波的存在，这个波的速度等于光速这篇文章包括麦克斯韦研究电磁理论的主要结果。 1864年他的第三篇论文电磁场的动力学理论，从一些基本的实验事实中，运用场论的观点，用演绎法确立了系统的电磁理论。 1873年出版的电学和磁学论本是集电学大成的划时代着作，全面总结了19世纪中叶对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。 这是可与牛顿的自然哲学的数学原理、达尔文的物种起源、信赖的地质学原理匹敌的里程碑式的着作。 麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面取得了优异的成绩。 正如量子论的创始人普朗克(MaxPlankl8581947 )所指出的，“麦克斯韦的辉煌名字永远刻在古典物理学家的门上，永远闪耀。 从出生地来看，他属于爱丁堡的个性属于剑桥大学。从功绩来说，他属于全世界”。 赫兹是个短命的物理学家。 1894年去世时，他只有37岁。 1886年29岁发现电磁波，不到6年，意大利马可尼和俄罗斯波波夫分别实现了工厂的无线电广播，很快实现了应用。其他基于电磁波的技术：无线电报(1894 )、无线电广播(1906 )、无线电导航(1911 )、无线电话(1916 )、短波通信(1921 )、无线电传真(1923 )、电视(1929 )、微波通信(1933 )、雷达(1935 )以及赫兹电磁波实验为无线电技术的发展开辟了新的道路，构成了现代文明的框架，后代为了纪念他，将频率单位定为赫兹。信息论的创始人香农，1916年出生于美国，大学时代在美国密歇根大学和麻省理工学院学习，修完布尔代数课程，在发明微分分析器的数学家布什的指导下使用微分分析器，对继电器电路的分析产生了兴趣。 他认为这些电路的设计可以通过符号逻辑来实现，意识到分析继电器的有效数学工具是布尔代数。 1938年，香农发表了着名论文继电器和开关电路的符号分析，首次用布尔代数对开关电路进行分析，证明布尔代数的逻辑运算可以用继电器电路实现，明确揭示了实现加、减、乘、除等运算的电子电路设计方法。 这篇论文成了开关电路理论的开端。 之后，香农在贝尔实验室工作，证明了可以利用能够实现布尔代数演算的继电器和电子元件来制造计算机。 香农的理论为计算机奠定了具有逻辑功能的基础，电子计算机在数值计算中也具有多种非数值应用功能，今后的计算机在大多数领域都得到了广泛应用。 在无失真的长源代码定理(香农第一定理)中，在噪声信道代码定理(香农第二定理)保真规范中有源代码定理(香农第三定理)，1.4.1信息量1，信息的概念：对于接收者接收消息之前的消息的不确定性。 注意：讯息显示的可能性越小，此讯息的资讯就越多。 2、信息量：测量信息量多少的物理量；(信息量的大小)与消息记述的事件的出现概率相关；(信息量应该是消息出现概率的单调递减函数；(在有几个相互独立的消息的情况下，信息量应该满足相加性条件3，信息量的定义：(离散消息的信息量) 在对数是2作为底部的情况下，如果信息量的单位是比特的e作为底部，则当对于由夜晚(nit )、1.4信息及其度量、1.4.2平均信息量和1、串行码元构成的消息，各码元的出现是相互独立的时，表示2、平均信息量(信息的熵) 注意：如果单位为比特/sym，则总信息量为： 3，假设各符号出现的概率相等，且各符号的出现在统计上独立，则H(x )为最大，注意：工程中经常使用的比特表示二进制码的比特数，1.5通信系统的质量指标、1、有效性、可靠性其中有效性和可靠性是最重要的。 2、有效性：用于某些信息传输的信道资源(带宽或时间)的可靠性：接收的信息的准确性注意：一种1.5.1模拟通信系统，它们之间存在矛盾并且相互依赖，有效性：越是在有效传输带宽中测量带宽，有效性越好；2， 可靠性：越是用接收侧的最终输出信噪比测量信噪比，通信质量就越高注：信噪比取决于信号功率和传输路径中引入的噪声功率。 1.5.2数字通信系统的质量指标1，有效性：利用传输率和带宽利用率(1)测量传输率，每单位时间传输的码元数单位：码元/秒(baud )，每单位时间传输的信息量单位： bit/s，两者的关系：注意：波特率与码元进制数无关.(2)带宽利用率：符号带宽利用率：信息带宽利用率：2，可靠性：通过错误率测量，工作：1.11.21.41.61.8，2预备知识，2.2.3信号的能谱和功率谱，1，能量信号，当该积分值是有限的时候，信号可以是能量信号，2，功率信号， 注意，对于能量信号，如果是可以用其频谱密度函数和信号的能谱密度函数描述的功率信号，那么用正常信号功率谱来描述功率信号。 这是时间信号的另一个重要特征。 周期信号时的功率信号、非周期信号可以是功率信号也可以是能量信号。 3、巴塞罗那定理(重要)、能量信号、周期信号、2.2.4波形的互相关和自相关(相关或信号检测和提取的方法)通常用相关函数测量波形之间的相关性和相似度。 相关函数是描述在两个波形信号(或一个波形信号)的间隔时间的两个点处的信号值之间相互依赖的程度的函数，相关函数值越大则依赖度越大，并且表示相关性越强。 1、互相关函数、2个能量信号、2个功率信号、2个周期t的信号、2、互相关函数的重要特性：对于所有的t，2个信号不互相关当时，与互相关函数式的前后顺序不同，结果不同，即t=0时，表示没有时差时的相关。 (归一化相关系数)、3、自相关函数、(两信号形式完全相同)、4、自相关函数的重要特性、5、相关函数与能谱密度或功率谱密度之间的确定关系、(维纳斯汀关系)归纳在一个信号的自相关函数与其谱密度之间的确定傅立叶只要存在变换，傅立叶变换的所有运算性质就应用于自相关函数与谱密度之间。6、定义信号带宽的方法，根据总能量或总功率所占的百分比来确定带宽。 根据能谱或功率谱最大值下降3dB时所对应的频率间隔来定义带宽。 满足方程式的带宽称为等效矩形带宽，根据2.2.6希尔伯特变换、1、希尔伯特变换的定义、2、频域变换、结论：和，分析希尔伯特变换为1个理想移相器、域移相器、域移相器、3、希尔伯特变换的性质、2.2.7信号，在通信系统中， 频谱集中在某个频率附近信号，特别是通过用解析信号表现窄带信号而容易解析信号的1，解析信号的定义：如果存在实信号f(t )，则称为复信号，f(t )的解析信号，2，解析信号的性质，3，求解析信号的方法，2.3随机信号的解析，1， 随机事件：从过去的实验中几乎可以推测事件发生的可能性，但是不能正确预测何时必须发生的事件称为随机事件。 随机实验：对于随机事件的观测概率，一个事件的概率为1以下的非负值；对于单一实验的结果：如果包含所有可能发生的事件，则某些实验同时存在时联合概率：在事件a发生的条件下，事件b为被称为条件概率的2，被称为随机变量的随机变量的定义：在数学分析中，用一个变量表示每个实验的结果，如果变量的取得方法是随机的话，将该变量称为随机变量。 (1)概率分布函数；(2)概率密度函数的性质；(3)概率密度函数的性质；以及(2)扩展到二维和多个随机变量中的概率描述联合概率密度和边缘概率密度函数以及条件概率密度函数；方差和方差表示随机变量x相对于数学期望的EX的取向的偏差程度。协方差：描述x与y之间相关强弱的数字特征，注：独立不一定相关，相关不一定独立(高斯过程中两者等价)，正交不一定相关，相关不一定正交。 2.3.2随机过程及其统计特性，1、随机过程的概念，2、随机过程的统计特性，随机过程的数学期待，a(t )反映随机过程瞬时值的数学期待随时间变化的规律，实际上是随机过程各个样本的统计平均函数。方差、随机过程X(t )偏离任何时刻t在数学上所期望的程度；随机过程的自协方差函数和相关函数，2.3.3稳定随机过程，1，X(t )被定义为稳定随机过程，被定义为狭义的稳定随机过程， 稳定随机过程的二维概率密度函数与时间间隔有关，但与时间无关：稳定随机过程的数字特征，满足上述关系称为广义稳定随机过程。 2、稳态随机过程的自相关函数描述了稳态随机过程分开的两个瞬间的相关程度，3、具有各状态的经验性和时间平均值、左述性质的稳态随机过程称为具有各状态的经验性的随机过程，“各状态的经验”的意思是该随机过程的全部由此，对任何样本函数进行时间平均对应于同时对所有样本函数进行统计平均。 满足上式，该随机过程具有各态的经验性。 4、稳态随机过程的功率谱密度、2.4高斯随机过程、2.4.1高斯随机过程的定义和性质以及高斯噪声始终存在于哪些通道中，对其研究具有特别重要的现实意义。 高斯过程又称正态概率过程，高斯过程是n维分布服从高斯分布的概率过程。 注意：当高斯过程的重要性质、2.4.2维高斯分布和随机变量X(t )概率密度函数可表达为：X(t )被称为遵循一维高斯分布的随机变量。 另外，在通信系统的性能分析中，高斯随机变量x能够计算比某常数c大的概率P(XC )，并进行变量置换而得到。 注意：在q函数和误差函数之间的关系、2.4.3高斯白噪声、白噪声、噪声和功率谱密度等全频率范围内均匀分布的信号称为白噪声。 不符合上述条件的噪声称为限带噪声或有色噪声。 高斯白噪声：概率密度函数遵循高斯分布，而功率谱密度是均匀分布的噪声。 在信号传输中，高斯噪声和信号处于交叠关系，因此这种噪声被称为加性高斯噪声。 2.5稳态随机过程通过系统分析，2.5.1稳态随机过程通过线性系统，1、输出随机过程的数学期望是物理意义：稳态随机过程的数学期望是这个过程的直流分量，它通过线性系统时，系统输出的直流分量是输入的直流分量，系统的直流增益2、输出随机过程的自相关函数，当输入随机过程广义平稳时，输出随机过程Y(t )也广义平稳，3、输出随机过程的功率谱密度，物理意义：输出随机过程Y(t )的功率谱密度与输入随机过程的功率谱密度和系统传递函数.2.5.2稳态随机过程通过乘法器，其中Y(t )是非稳态随机过程，2.6窄带随机过程，“窄带”意味着频谱限制在载波或接近中心频率的窄带内，其中心频率相当远离零频率结论：平均值为零的窄带稳态高斯过程，同相和正交分量也是稳态高斯过程，且平均值为零，方差相同。、2.7信道、2.7.1信道的定义和分类、2.7.2信道数学模型、1、调制信道模型、信道的不同特性仅反映在信道模型中的是k(t )和n(t )，2、编码信道模型、2.7.3固定参考信道和参考信道、1、 固定参考信道：参数不随时间变化的信道是不随时间变化的线性网络，为了改