通信原理读书笔记

1、通信原理课程报告1.绪论1.1通信的基本概念（常用通信术语）通信：信息的传输与交换，以语言、图像、数据为媒体,通过电（光）信号将信息由一方传输到另一方。 信息：信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。（获取信息一减小或消除不确定性） 通信中对信息的表达分为三个层次：信号、消息、信息。1.2通信系统的组成通信系统：实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体模拟通信：信道中传输的是模拟信号。数字通信：信道中传输的是数字信号。1.2. 1通信系统的一般模型图1.21图1.21通信系统一般模型各功能模块描述：（1）信息源：消息一原始的电信号（基带信号）（2）发送设备：原始的电信号一已调（适合

2、于信道传输）信号（3）信道：信号传输的媒质或通道（4）接收设备：已调信号一 原始的电信号（5）受信者：原始的电信号一消息（6）噪声源：整个系统中各部分产生的噪声和干扰的集中体现1.2.2模拟通信与数字通信系统模型通信传输中的两类消息：离散消息：消息的状态是可数的和有限的。 连续消息：消息的状态连续变化。说明：消息被载荷在电信号的某一参量上，通过信道进行传输。对于连续消息，该电信号的参量将连续取值，这样的信号称为模拟信号，如图（a）所示。对于离散消息，该电信号的参量将取离散值，这样的信号称为数字信号，如图（b）所示。 TOC o 1-5 h z 信道中传输的是模拟信号称模拟通信。广。信道中传输的

3、是数字信号称数字通信。【模拟信号：1、原始的电信号（一般指未调制过.厂_的信号）瞬时值（状态）无限，如正弦信号.语 叫音信号.图像信号等。2、已调信号（载波一般为m正弦信号）参数A（幅度）、F（频率）、P（相位）的I| |取值（状态数）有无限多种。如图1.23所示。品 I I I L I I -J-数字信号：1、原始的电信号的瞬时值状态数有fII限；如计算机.电报机等输出的信号2、已调信号：参数A（幅度）F （频率）P （相位）状态数有限。如图1.24所示。图1.22模拟信号和数字信号正弦AMFM正弦AMFM图1.23模拟信号模拟通信系统模型如下图图1.23模拟信号模拟通信系统模型如下图1.2

4、5所示:图1.24数字信号信息源I.发送设备IT信 I .接收设备 受信者 发端噪声源J接收端图1.25模拟通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传 输通信系统和数字基带传输通信系统，如下图1.26及图1.27所示信息源一发送设备一 信道 一接收设备 f受信者发送端 III 接收端,|噪声源,图1.26数字频带传输通信系统 信源编码：提高信息有效性完成A/D转换。加密：实现保密通信。信道编码：提高抗干扰能力。调制器：频率搬移；原始的电信号一 调制（频带）信号。 解调器：反向频率搬移；调制（频带）信号一 原始的电信号。信息源一 发送设备*信

5、道*接收设备发送端噪声源接收端基带信号接收信息源一 发送设备*信道*接收设备发送端噪声源接收端基带信号接收H滤波受*1信图1.27数字基带传输通信系统1.2.3数字通信系统的特点目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通 信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求，数字通信技术已成为当代通信技术的主流。与模 拟通信相比，它有如下优点：（1）抗干扰能力强，数字信号可以再生而消除噪声积累。（2）传输差 错可控，改善了传输质量。（3）易于使用现代数字信号处理技术对数字信号进行处理。（4）易于加密， 可靠性高。（5）易于实现各种信息的综合传输。缺点：（1）设备

6、复杂。（2）对同步要求高。（3）需要 更宽的带宽。1.2.4通信系统的分类及通信方式通信系统的分类：（1）按通信业务类型分类：根据通信业务类型的不同，通信系统可分为电报通信系统、电话通信 系统、数据通信系统和图像通信系统等。（2）按调制方式分类：基带传输系统和频带（调制）传输系统。基带传输是将没有经过调制的信号 直接传送，如音频市内电话；频带传输是对基带信号调制后再送到信道中传输。调制方式：模拟载波调制：幅度调制（AM），频率调制（FM），相位调制（PM）。数字载波调制：幅度键控（ASK）,移频键控（FSK）,移相键控（PSK）。脉冲调制：脉冲幅度调制（PAM），脉冲宽度调制（PDM），脉冲位

7、置调制（PPM）,脉冲编码调制（PCM）。（3）按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统。（4）按传输煤质分类：有线通信系统和无线通信系统。（5）按工作波段分类：根据通信设备的工作频率或波长不同，分为长波通信、中波通信、短波通 信和远红外线通信。（6）按信号复用方式分类：频分复用（FDM）：每个信号占用不同的频率范围。时分复用（TDM）：每个信号占用不同的时间区间。码分复用（CDM）：每个信号使用一组正交码字中的一个或多个码字。通信方式：（1）按信息传输的方向与时间关系划分通信方式：单工通信：信息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，通信的双方只有一个可进行发送，另一 个进行接收。说明：只有

8、一方需要发送消息，只用一条消息通道。半双工通信：通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式。某一时段：A - B ；另一时段：A - B ；说明：只有一条消息通道，双方轮流发送消息。全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式说明：同时有两条消息通道，任何时刻双方轮流发送消息（2）按数字信号码元排列方式不同划分：可将通信方式分为串行传输和并行传输。并行传输：有n条信号线，每次传输n个比特。串行传输：只有一条信号线，每次传输一个比特。1.2.5通信系统的主要性能指标设计和评价一个通信系统，往往要涉及到许多性能指标，如系统的有效性、可靠性、适应性、经 济性及使用维护方便性等。这些指标

9、可从各个方面评价通信系统的性能，但从研究信息传输方面考 虑，通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。所谓有效性，是指消息传输的“速度”问题，而可靠性主要是指消息传输的“质量”问题。在实际通 信系统中，对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的，提高系统的有效性会降低可靠性， 反之亦然。因此在设计通信系统时，对两者应统筹考虑。有效性：所传信号的有效传输带宽。可靠性：接收端解调器输出信噪比，是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。信噪比越高， 说明噪声对信号的影响越小。显然，信噪比越高，通信质量就越好。输出信噪比一方面与信道内噪 声的大小和信号的功率有关，同时又和调制方式有很大关系。

10、调频信号的抗干扰能力比调幅的好。数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来表征。码元传输速率RB：单位时间传送码元的数目，单位为波特(Baud)，记为B信息传输速率Rb (传信率或比特率)：单位时间内传送的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简 记为b/s或bps。频带利用率：比较不同通信系统的有效性时，单看他们的信息传输率是不够的，还应看在这样的传 输速率下所占信道的频带宽度，定义为单位带宽内的传输速率：门=b (B / Hz)或门=、b / (s - Hz )BB数字通信系统的可靠性用差错率来衡量。差错率常用误码率和误信率来表示。误码率Pe：是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的

11、比例D 接收的错误码元数P =。 传输总码元数误信率Pb:又叫误比特率，是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例D 接收的错误比特数P =b 传输总比特数随机过程2.1随机过程的基本概念随机过程是一类随时间作随机变化的过程，它不能用确切的时间函数描述。可从两种不同角度看： 角度1：对应不同随机试验结果的时间过程的集合。角度2：随机过程是随机变量概念的延伸。随机过程在任意时刻的值是一个随机变量。因此，我们又可以把随机过程看作是在时间进程中处 于不同时刻的随机变量的集合。1随机过程的数字特征在大多数情况下，用随机过程的数字特征来部分地描述对机过程的主要特性：均值(数学期望)在任意给定时刻t1

12、的取值g (t1)是一个随机变量，其均值E g (t ) =xf (x , t )dx1 -g 11111式中f(x1,t1)g(t1)的概率密度函数，由于t1是任取的，所以可以把t1直接写为t，X1改为X，这样上式就变为E g (t )= xf (x, t )dx-g 1 方差Dg(t) = E g(t)-a(t)2 )方差常记为b 2( t )。方差等于均方值与均值平方之差，它表示随机过程在时刻t对于均值a ( t )的 偏离程度。R(t, t) = eE (t )E (t)(3)相关函数1 2 f f 12=J8 J8 xx f ( x , x ; t, t )dx dx 88 1221

13、21212式中，E (t1)和日t2)分别是在t1和t2时刻观测得到的随机变量。可以看出，R(t1, t2)是两个变 量t1和t2的确定函数。(4)协方差函数B(t ,t)=EE(t) a(t )E(t) a(t)121122=J8 J8x 一a(t)x -a(t )f (x,x ;t,t )dxdx8 -8 11222 1 2 1 21 2式中a( t1 ) a( t2 )一在t1和t2时刻得到的E (t)的均值 f2 (x1, x2; t1, t2) E (t )的二维概率密度函数。(5)互相关函数R (t, t ) = EE (t 川(t )E门 1 212式中E(t)和n(t)分别表示

14、两个随机过程。因此，R(t1, t2)又称为自相关函数。2.2平稳随机过程2.2.1平稳随机过程的定义若一个随机过程E(t)的任意有限维分布函数与时间起点无关，也就是说，对于任意的正整数n和所有实数，有f (X ,X，,X ； t ,t，,t ) n 12n12n=f (X , X，X ； t +, t +, t +) n 12n12n则称该随机过程是在严格意义下的平稳随机过程，简称严平稳随机过程。性质：平稳随机过程的统计特性不随时间的推移而改变，即它的一维分布函数与时间t无关:而二维分布函数只与时间间隔T = t2 - t1有关：f(X , X ; t , t ) = f(X , X具) T

15、OC o 1-5 h z 212 12212数字特征:E e (t)=技 x f (x )dX = a数字特征: HYPERLINK l bookmark70 o Current Document F 1111R %, t2) = eE (t1)E (t1 +t )=卜 xx f (x ,x ；t)dxdx = R(t)88 1221212结论：平稳随机过程(1)其均值与t无关，为常数a ； (2)自相关函数只与时间间隔t有关。 把同时满足(1)和(2)的过程定义为广义平稳随机过程。2.2.2各态历经性平稳过程在满足一定的条件下具有一个有趣而又非常有用的特性，称为，各态历经性”(又称“遍历 性

16、”)。具有各态历经性的过程，其数字特征(均为统计平均)完全可由随机过程中的任一实现的时 间平均值来代替。“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。2.2.3平稳过程的功率谱密度定义：对于任意的确定功率信号f (t),它的功率谱密度定义为厂上(f )2Pf(f)= M

17、T T3式中，|FTCf)是f的截短函数fT(t)所对应的频谱函数。功率谱密度的计算：维纳-辛钦关系非周期的功率型确知信号的自相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换。这种关系对平稳随机过程同样成立，即有:P程同样成立，即有:P (= R(t ) e-加t dT&-3R(t ) = J3 P ()egd2 兀-3 &简记为 R(t )=%(f)以上关系称为维纳-辛钦关系。它在平稳随机过程的理论和应用中是一个 非常重要的工具，它是联系频域和时域两种分析方法的基本关系式。2.3高斯白噪声和带限白噪声(1)白噪声n (t),定义：功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声，即P (f) = % (-3 f

18、+3)-双边功率谱密度-2P( f) = n0(0 f +3)单边功率谱密度白噪声的自相关函数：对双边功率谱密度取傅里叶反变换，得到相关函数：R(t ) = no 8 (T )2白噪声和其自相关函数的曲线:由于白噪声的带宽无限，其平均功率为无穷大，即白噪声和其自相关函数的曲线:由于白噪声的带宽无限，其平均功率为无穷大，即R(0) = J 3 氏df =3 或R(0) = no8 (0) = 3-3 22因此，真正“白”的噪声是不存在的，它只是构造的一种理想化的噪声形式。实际中，只要噪声的功率谱均匀分布的频率范围远远大于通信系统的工作频带，我们就可以把它视 为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从

19、高斯分布，则称之为高斯白噪声。高斯白噪声在任意两个不同时刻上的随机变量之间，不仅是互不相关的，而且还是统计独立的。(2)低通白噪声功率谱密度n0功率谱密度n020If I fH其它由上式可见，白噪声的功率谱密度被限制在|f |fH内，通常把这样的噪声也称为带限白噪声。自相关函数sin 2k f t2sin 2k f t2兀fj，=W* 通=27 女上自柏K：由裁（3）带通白噪声定义：如果白噪声通过矩形的带通滤波器或理想带通信道，则其输出的噪声称为带通白噪声。n f _Bf f iB功率谱密度：P （f） = ） 2 f 2 f 1 f 2n其它f通常，带通滤波器的B fc，因此称窄带滤波器，相应地把带通白高斯噪声称为窄带高斯白噪声。窄带高斯白噪声的表达式和统计特性:n(t) = n (t)cos t 一 n (t)sin t窄带高斯白噪声的表达式和统计特性:珥 n珥 n (t)=En (t) = En (t) = 0csb 2 =b2 =b2n c s平均功率：N = nB3.数字基带传输系统3.1数字基带传输概述对于一通信系统而言，传输过程中有两个变换：消息3基带信号；基带信号3信道信号只有前一个变换称为基带传输系统；包含两个变换称为频带传输系统。来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列等。这些信号往往包含丰富的低频分 量，甚至直流分量，因而称之为数字基