通信原理總復習通信原理教學組編寫通信原理總復習第一章通信原理緒論通信原理2007年通信原理總復習

了解通信技術的發展；

掌握消息、信息、信號的定義；

掌握數字通信的概念，理解數字通信的優點；

掌握通信系統模型及其主要性能指標；重點：1.信息的度量；

2.數字通信系統模型的理解與掌握。難點：數字通信系統性能指標的理解與計算；通信原理2007年通信原理總復習設離散信息源是

一個由

n

個符號組成的集合，按獨立出現。記2、非等概情況的信息量的計算則每個符號所含信息量的統計平均值，即平均信息量

為：式(1.4-9)通信原理2007年通信原理總復習由于

H

同熱力學中的熵形式一樣，故通常又稱它為信息源的熵，其單位為bit/符號。當信源中每個符號等概獨立出現時，式(1.4-9)即成為式(1.4-5)。可以證明，此時信源的熵有最大值：通信原理2007年通信原理總復習有效性用傳輸速率

來衡量；可靠性用差錯率

來衡量。二、數字通信系統1、傳輸速率碼元傳輸速率

RB簡稱

傳碼率，又稱

符號速率。它表示單位時間內傳輸碼元的數目，單位是波特（Baud），記為B

。

例如，若

1

秒內傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。通信原理2007年通信原理總復習在數字通信中，一個碼元（符號）在時間軸上的長度被稱為碼元長度

。

數字信號有多進制和二進制之分，但碼元速率與進制數無關，只與傳輸的碼元長度TB有關信息傳輸速率

Rb

簡稱傳信率，又稱

比特率

等。它表示單位時間內傳遞的平均信息量或比特數，單位是比特/秒，可記為bit/s

，或b/s

，或bps。通信原理2007年通信原理總復習式中，H

是信源中每個符號所含的平均信息量（熵）碼元速率和信息速率有確定的關系，即

等概傳輸時，熵有最大值，信息速率也達到最大，即式中，M為符號的進制數。二進制的碼元速率和信息速率在數量上相等，有時簡稱它們為

數碼率。通信原理2007年通信原理總復習保證信息速率不變的情況下，M

進制碼元速率RBM

與二進制碼元速率RB2

之間有以下轉換關系：

衡量數字通信系統

可靠性

的指標是差錯率，常用

誤碼率或誤信率

表示。2、差錯率通信原理2007年通信原理總復習第二章隨機信號分析通信原理2007年通信原理總復習一、定義

所謂

平穩隨機過程

，是指它的統計特性不隨時間的推移而變化。

統計特性與起始時間無關則稱是狹義平穩隨機過程或嚴平穩隨機過程。設有一個隨機過程ξ(t)，它的均值為常數，自相關函數僅是τ的函數，則稱它為寬平穩隨機過程或廣義平穩隨機過程。

數字特征與起始時間無關通信原理2007年通信原理總復習如果平穩隨機過程依概率

1

使下式成立則稱該平穩隨機過程具有各態歷經性。“各態歷經”的含義：隨機過程中的任一實現都經歷了隨機過程的所有可能狀態。因此，只需從任意一個隨機過程的樣本函數中就可獲得它的所有的數字特征，從而使“統計平均”化為“時間平均”，使實際測量和計算的問題大為簡化。

左端過程數字特征

右端時間數字特征通信原理2007年通信原理總復習

注意：具有各態歷經性的隨機過程必定是平穩隨機過程，但平穩隨機過程不一定是各態歷經的。在通信系統中所遇到的隨機信號和噪聲，一般均能滿足各態歷經條件。通信原理2007年通信原理總復習［的

平均功率

］［的

直流功率］［的

偶函數

］［的

上界］［方差，的交流功率］當均值為0時，有具有下列主要性質：設ξ(t)為實平穩隨機過程，則它的自相關函數代入性質1，2，就得到方差定義式只與時間間隔有關通信原理2007年通信原理總復習簡記為

關系式（2.2-18）稱為維納-辛欽關系。

根據上述關系式及自相關函數R(τ)的性質，不難推演功率譜密度

有如下性質：

2.

偶函數1.

實數

、非負性通信原理2007年通信原理總復習由以上輸出過程的數學期望和自相關函數證明，若線性系統的輸入過程是平穩的，那么輸出過程也是平穩的

。三、輸出過程

ξo(t)的功率譜密度

可見，系統輸出功率譜密度

是

輸入功率譜密度Pi(ω)

與系統功率傳輸函數|H(ω)|2

的乘積

。通信原理2007年通信原理總復習結

論

：通信原理2007年通信原理總復習綜上所述，我們得到一個重要結論：一個均值為零的窄帶平穩高斯過程ξ(t)，它的同相分量ξc(t)和正交分量ξs(t)也是平穩高斯過程，

而且

均值都為零，方差也相同。

此外，在同一時刻上得到的ξc

和ξs是互不相關的或統計獨立的。綜上所述，我們又得到一個重要結論：一個均值為零，方差為

的窄帶平穩高斯過程ξ(t)

，其包絡

的一維分布是瑞利分布，相位

的一維分布是均勻分布。并且就一維分布而言，

與

是統計獨立的。通信原理2007年通信原理總復習第三章信道與噪聲通信原理2007年通信原理總復習圖3-1調制信道和編碼信道信道的一般組成如

圖3-1所示：

通信原理2007年通信原理總復習信道廣義信道（簡稱信道）狹義信道有線信道無線信道調制信道

編碼信道從研究信息傳輸的角度出發，使一些基本問題的研究比較方便。通信效果的好壞，很大程度上將依賴于狹義信道的特性。在

圖3-6所示的編碼信道模型中，由于信道噪聲或其它因素影響導致

輸出數字序列發生錯誤是統計獨立的，因此這種信道是

無記憶編碼信道

。通信原理2007年通信原理總復習有線信道，如電纜光纖等無線信道，如中短波、微波信道等恒參信道隨參信道有記憶編碼信道無記憶編碼信道廣義信道狹義信道調制信道編碼信道信道通信原理2007年通信原理總復習

恒參信道的信道特性

不隨時間變化

或

變化很緩慢

。

由

架空明線、電纜、中長波地波傳播、超短波及微波與光波的視距傳播、人造衛星中繼、以及光導纖維等

傳輸媒質構成的廣義信道都屬于恒參信道。

二、恒參信道特性

恒參信道對信號傳輸的影響是確定的或者是變化極其緩慢的。因此，其

傳輸特性

可以

等效為

一個線性時不變網絡

。線性網絡的傳輸特性可以用

幅度－頻率特性

和

相位－頻率特性

來表征。通信原理2007年通信原理總復習理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延特性曲線如

圖3-13所示：

圖

3-13理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延-頻率特性通信原理2007年通信原理總復習

由理想的

恒參信道特性

可知：在整個頻率范圍其

幅頻特性

為

常數

(或在信號頻帶范圍之內為常數)；其

相頻特性

為ω的

線性函數(或在信號頻帶范圍之內為ω的線性函數)。如果信道的幅度-頻率特性在信號頻帶范圍之內不是常數，則會使信號產生

幅度-頻率失真

；

如果信道的相位-頻率特性在信號頻帶范圍之內不是

ω

的

線性函數

，則會使信號產生

相位-頻率失真

。通信原理2007年通信原理總復習恒參信道特性對信號傳輸的其它影響非線性畸變：由信道中元器件振幅特性的非線性引起，造成諧波失真及若干寄生頻率等；頻率偏移：由信道中接收端解調載頻與發送端調制載頻之間偏差造成的；相位抖動：由調制

和

解調載頻的不穩定

所造成，相位抖動相當在發送信號上附加一個小指數的調頻。

以上的非線性畸變，一旦產生，均難以消除。通信原理2007年通信原理總復習二、隨參信道特性

(1)對信號的

衰耗

隨時間隨機變化；

(2)

信號

傳輸的時延

隨時間隨機變化；

(3)

多徑傳播

。

由此我們可以得到以下兩個

結論

:

(1)

多徑傳播

使

單一頻率的正弦信號

變成了

包絡

和

相位

受調制的

窄帶信號，這種信號稱為

衰落信號，即

多徑傳播

使信號產生

瑞利型衰落

；

(2)

從頻譜上看，多徑傳播

使

單一譜線

變成了窄帶頻譜，即

多徑傳播

引起了

頻率彌散

。通信原理2007年通信原理總復習

b)

頻率選擇性衰落與相關帶寬

Frequency-selectivefadingandcoherencebandwidth

當發送信號是

具有一定頻帶寬度

的信號

時，多徑傳播

除了會使信號產生

瑞利型衰落

之外，還會產生

頻率選擇性衰落

。我們假設

多徑傳播

的

路徑只有兩條，信道模型如圖3-22所示：通信原理2007年通信原理總復習對于固定的

，信道幅頻特性如

圖3-23(a)

所示

:圖

3-23信道幅頻特性(a)時延差固定(b)時延差隨機變化通信原理2007年通信原理總復習多徑傳播時的相對時延差通常用

最大多徑時延差來表征。設信道

最大多徑時延差

為

，則定義

多徑傳播信道的

相關帶寬

為：(3.3-30)它表示

信道傳輸特性

相鄰兩個零點之間

的

頻率間隔

。

如果信號的頻譜比相關帶寬寬，則將產生嚴重的頻率選擇性衰落。通信原理2007年通信原理總復習為了減小頻率選擇性衰落，就應使信號的頻譜小于相關帶寬。

在工程設計中，為了保證接收信號質量，通常選擇

信號帶寬

為

相關帶寬

的

1/5~1/3

。通信原理2007年通信原理總復習按加性噪聲來源分類人為噪聲：外臺信號、電氣開關合斷、點火系統自然噪聲：天電噪聲來源于雷電、磁暴、宇宙射

線、太陽黑子內部噪聲：系統設備內部本身產生的各種噪聲，電阻器熱噪聲、電子管、半導體管中的電子起伏（散彈噪聲）按隨機噪聲性質分類單頻噪聲：外臺信號脈沖噪聲：電氣開關合斷噪聲、工業電火花起伏噪聲：熱噪聲、散彈噪聲、宇宙噪聲通信原理2007年通信原理總復習信道容量

是指

信道中信息無差錯傳輸的最大速率

。

連續信道的

信道容量(Channelcapacity)

a)

香農公式

帶寬為

B

(Hz)

的連續信道，其

輸入信號的功率

為

S，信道加性高斯白噪聲的功率為

N。可以證明，信道的

信道容量

為：(3.6-19)通信原理2007年通信原理總復習第五章

數字基帶傳輸系統通信原理2007年通信原理總復習

1.單極性不歸零波形這是最簡單、最常用的基帶信號形式。這種信號脈沖的

零電平

和

正電平

分別對應

二進制代碼

0

和

1

特點

是：極性單一，有直流分量，脈沖之間無間隔。另外，位同步信息包含在電平的轉換之中，當出現連

0

序列時，沒有

位同步信息。通信原理2007年通信原理總復習

2．雙極性不歸零波形

脈沖的

正負電平

分別對應于

二進制代碼

1

、0

；由于它是

幅度相等、極性相反

的

雙極性波形

，故當

0、1符號

等概出現

時，無直流分量

。恢復信號的

判決電平

為

零值，因而不受信道特性變化的影響，抗干擾能力也較強。故

雙極性波形有利于在信道中傳輸

。通信原理2007年通信原理總復習

3．單極性歸零波形與

單極性不歸零波形

的區別是：有電脈沖寬度小于

碼元寬度，每個

有電脈沖

在小于

碼元長度內，總要回到零電平，所以稱為

歸零波形

。單極性歸零波形

可以直接提取定時信息，是其它波形提取

位定時信號

時

需采用的一種

過渡波形通信原理2007年通信原理總復習

4．雙極性歸零波形

它是

雙極性波形

的

歸零形式

。每個碼元內，脈沖

都回到

零電平

，即

相鄰脈沖之間

必定留有

零電位的間隔

。它除了具有

雙極性不歸零波形

的

特點

外，還有利于

同步脈沖的提取

。通信原理2007年通信原理總復習5.2.2

基帶信號的頻譜特性通過譜分析，可了解信號需占據的

頻帶寬度，所包含的頻譜分量，有無直流分量，有無定時分量

等。這樣，才能針對信號譜的特點來選擇

相匹配的信道

，以及確定是否可從信號中

提取定時信號

。可見穩態波的功率譜是沖擊強度取決的離散線譜；根據離散譜可以確定隨機序列是否包含直流分量（m=0）和定時分量

(m=1)

。

交變波

的功率譜

是

連續譜

，它與g1(t)

和

g2(t)的頻譜

以及

出現概率P

有關

。通信原理2007年通信原理總復習二進制基帶信號的功率譜密度

單極性半占空歸零信號的帶寬為：單極性

不歸零

信號

在離散譜線中

只有

直流分量單極性歸零信號有直流分量，也有定時分量，且帶寬

大于不歸零碼通信原理2007年通信原理總復習

從以上兩例可以看出:

(1)

隨機序列的帶寬取

G1(f)

和

G2(f)

之中

較大帶寬的一個作為序列帶寬

。時間波形的占空比越小

，頻帶

越寬

。

矩形脈沖脈寬為τ，則

。

(2)

單極性基帶信號是否存在離散線譜取決于矩形脈沖

的

占空比；

單極性

歸零

信號

中

有定時分量；

單極性

不歸零

信號

中

無定時分量；

0、1等概

的

雙極性

信號沒有離散譜。通信原理2007年通信原理總復習5.3

基帶傳輸的常用碼型圖5-6AMI碼和HDB3碼的功率譜通信原理2007年通信原理總復習二、HDB3

碼

HDB3

碼的全稱是3

階

高密度

雙極性碼，它是AMI

碼

的

一種

改進型

。

其編碼規則如下：

(1)

當信碼的

連“0”個數

不超過

3

時，仍按AMI碼的規則編

，即傳號極性交替；

(

2)

當連“0”個數超過3

時，則將第

4

個“0”

改為非“0”

脈沖，記為+V

或–V

，稱之為破壞脈沖

。為了便于識別，V

碼

的

極性應與其前一個

非“0”脈沖

的

極性相同。破壞了

AMI

碼

的

極性

交替

規則，所以稱為破壞碼通信原理2007年通信原理總復習

(3)相鄰V碼

的

極性

必須交替

出現，以確保編好的碼中無直流；否則，將

四連“0”的第一個“0”

更改為與該破壞脈沖相同極性

的脈沖，并記為+B

或–B；

(4)

破壞脈沖之后的傳號碼極性

也要

交替。

例如：

代碼：100001000011000

0l1

AMI碼：-10000+10000-1+10000-1+1

HDB3碼：-1000-V+1000+V-1+1–B00–V+l-1相鄰V碼之間，有奇數個

非0碼時，就能保證它們極性

交替與前一個非

0碼極性相反通信原理2007年通信原理總復習

下面，研究如何設計

基帶傳輸特性

H(ω)

，以形成在抽樣時刻上

無碼間串擾的沖擊響應波形h(t)。

根據上面的分析，假設延遲t0

=0，無碼間串擾的基帶系統沖擊響應應滿足下式無碼間干擾的時域條件說明：無碼間串擾的基帶系統沖擊響應，

t=0時

取值不為零，其它抽樣時刻t=

kTs

的抽樣值

均為零

.(5.5-1)通信原理2007年通信原理總復習無碼間干擾的頻域條件將

無碼間串擾

時域條件

(5.5-1)

帶入上式，便可得無碼間串擾時，基帶傳輸特性應滿足的頻域條件或寫成該條件

稱為

奈奎斯特

第一準則

。它為我們提供了

檢驗

一個給定系統

特性

H

(ω)是否產生

碼間串擾

的

方法

。通信原理2007年通信原理總復習同時還可看出，如果該系統用

高于

甚至是

低于

1/Ts

波特的碼元速率傳送時，將存在碼間干擾

。考慮到系統的頻率寬度為1/2Ts

，而最高碼元速率為1/Ts

，故這時的系統最高頻帶利用率為2B/Hz

。

通常把1/2Ts

稱為奈奎斯特帶寬，即系統的最小傳輸帶寬，記為

W1

；則該系統無碼間干擾時最高的傳輸速率為2W1

波特，這個傳輸速率通常被稱為奈奎斯特速率。

理想低通傳輸特性的基帶系統有

最大的頻帶利用率。但是，理想低通系統

在實際應用中

存在

兩個問題：通信原理2007年通信原理總復習

對于單極性信號，電平取值為+A(

對應“1”碼

)或0（對應“0”碼），因此，在發“0”

碼時，只需將圖

5-16中f

0

(x)

曲線的分布中心由–

A

移到0

即可

。

則最佳門限電平為：通信原理2007年通信原理總復習

若二進制

基帶信號為雙極性，設它在抽樣時刻的電平取值為+

A

或–

A

(

分別對應于信碼的“1”

或“0”

)，則x(t)在抽樣時刻的取值為：

發送“1”碼發送“0”碼則可求得最佳門限電平：當P(1)=P(0)=1/2時通信原理2007年通信原理總復習圖

5-18眼圖的模型

}信號失真斜邊

過零點失真噪聲容限最佳判決門限電平

最佳判決時刻

通信原理2007年通信原理總復習第七章數字頻帶傳輸系統通信原理2007年通信原理總復習一、二進制振幅鍵控（2ASK）

二、

二進制移頻鍵控（2FSK）三、

二進制移相鍵控（2PSK）通信原理2007年通信原理總復習延遲

Ts圖

7-182DPSK信號差分相干解調器原理圖差分相干解調方式

=