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1、第一章绪论 1 1通信技术及发展史 通信 克服距离上的障碍 进行信息的传递与交换的过程 通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似的再现另一点所选择的消息 按照社会发展进程中通信方式的不同 人类的文明史可分为 原始通信时代邮政通信时代电气通信时代信息时代 以语音为主以文字发明为标志电报 电话信息多样化 方式多样化 与计算机相结合 1 2通信系统 通信系统的一般简化模型 信息 是指消息中所包含的对受信者有意义的内容 或有效内容 不同形式表现 汉字 符号 图形等 的同一消息 载有相同的信息 消息 通信系统所传输的对象 如语音 文字 图形 图像等 是指信源所产生的信息的物理表现 信号 是指消息的物理载
2、体 是传输消息的手段 消息必须转换成信号 才能在通信系统中传输 表现形式取决于媒体 消息与信号一一对应 可分为模拟信号和数字信号 通信系统模型 信道 发送端 接收端 信源 发送设备 接收设备 信宿 噪声 信号 模拟信源 连续信源 输出的消息状态是连续变化的 数字信源 离散信源 输出的消息状态是离散的 可数的 模拟信号 信号参量的取值是连续的 数字信号 携带信息的参量仅可取有限个数值 模拟通信系统 信道中传送的是模拟信号 数字通信系统 信道中传送的是数字信号 数字通信系统模型 数字通信的主要优点 可作信源编码 压缩冗余度 提高信道利用率 可采用数字加密技术 保密性好 可采用纠错和检错技术 差错可
3、控制 便于存储和处理 可综合传输各种模拟和数字输入消息 便于复用 易于设计 制造 体积更小 重量更轻 抗干扰能力强 可中继再生 数字通信的主要优点 数字通信的主要缺点 占用带宽大设备复杂同步要求高 宽带通信 压缩编码VLSI SOC ASIC信号处理技术 应用实例 数字传输技术 电话 电视 计算机数据等信号的远距离传输 模拟传输技术 有线电话环路 无线电广播 电视广播等 通信系统的分类 按信号特征分类数字通信电话 电视 计算机数据等信号的远距离传输 模拟通信有线电话环路 无线电广播 电视广播等 按数字信号码元排列次序 串行远程并行近程 高速 按调制方式分类 按信号复用方式分类 频分复用 FDM
4、 FrequencyDivisionMultiplexing模拟通信的基本形式时分复用 TDM TimeDivisionMultiplexing数字通信的基本形式波分复用 WDM WaveDivisionMultiplexing光纤通信的基本形式码分复用 CDM CodeDivisionMultiplexing扩频通信 移动通信的基本形式 按用途分 按通信者是否运动分 按传输媒质分 按工作频率分 通信方式 单工半双工全双工 如何度量信息 度量信息量的方法 必须满足 能度量任何消息与消息的类型无关消息的重要程度无关 与内容无关抽象的用数学方式描述与形式无关文字声音图像与接收者无关重要性是相对的
5、香农将信息定义为Uncertainty不确定性的减少 信息量的大小与消息出现的概率有关 消息出现的概率越小 所包含的信息量就越大 信息论将以模糊的信息概念用数学概念加以定义 用数学方法加以定量化 是通信学发展的一项重要理论基础 信息量的定义 信息量是消息出现概率的函数 消息出现的概率越小 所包含的信息量就越大 若某消息由若干个独立消息所组成 则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和 确定性事件的信息量等于零 信息量的定义 若消息出现的概率为 则所含信息量I可定义为 信息量的单位 则为比特 bit 最常用 则为奈特 nat 则为哈特莱 hartley 当M 2时 则I 1bit 工程上
6、 常常不考虑是否为等概率的消息 总认为一个二进制波形 或码元 等于1bit 即通常把一个二进制码元称做1bit 若采用一个M进制的波形 来传送M个独立的等概离散消息之一 则每一码元的信息量为 b 熵 熵是一个系统的不确定性或无序的程度 系统的紊乱程度越高 熵就越大 系统越有序 熵就越小 一个系统的熵就是它的无组织程度的度量 维纳所有自然过程都增加熵 克劳修斯任何信息都增加系统的负熵 布里渊 对于离散独立非等概消息组成的消息源 采用平均 统计平均 信息量 熵来描述 熵的单位为 bit 符号 对于M个离散独立等概消息组成的消息源 它发送的每个消息所包含的信息量为 等概时具最大熵 1 5通信系统的性
7、能指标 有效性可靠性 速度指标质量指标 数字通信系统性能 有效性传码率 单位时间传输的码元个数baud传信率 单位时间传输的平均信息量bps 数字通信系统性能 可靠性误码率 信息码元在传输过程中被误传的概率误信率 信息量在传输过程中被丢失的概率 误差 模拟通信系统中 误差是源信号与接收信号之间的均方误差来表示 衰减系数 传输时延若信道为平稳信道 为常数若误差为信道引人的加性干扰引起 为接收端噪声功率 信噪比 与噪声的功率比 用分贝表示 信号功率噪声功率 有效值方差 1 6连续信道的信道容量 香农公式假设信道的带宽为B Hz 信道输出的功率为加性高斯白噪声功率为 则该信道的信道容量为 C 信道容
8、量 信道的最大无失真信息传输速率仅当传信率不超过C时 才有可能实现无误码传输 也可表示可能达到的最大的频谱利用率带宽B是指正频率范围 不包括负频率范围 信道为理想带通信道 B的范围并不要求一个连续的频带 可以允许由若干不相邻的频段组成 只要求噪声谱密度在信号带宽内为常数 不考虑信号频带外的噪声特性 当噪声为非高斯时 该式不适用 达到信道容量时 信道的输入也应该是高斯过程 提高可靠性 B固定 增加信噪比SNR固定 增大带宽B SNR固定 降低通信速度 无限增大信号功率 或无噪声时 信道容量无穷大 无限增大信道带宽 不能无限增大信道容量 第2章信道 通信系统模型 信道 发送端 接收端 信源 发送设
9、备 接收设备 信宿 噪声 信号 信道 信道 信号传输的通道 媒介 信道狭义信道 传输媒介广义信道 传输媒介及有关的设备 狭义信道 有线信道无线信道 狭义信道 有线信道无线信道 广义信道 广义信道 调制信道 调制器输出端到解调器输入端的所有设备和媒介 研究调制和解调时 常用调制信道 连续信道 模拟信道 编码信道 编码器输出端到译码器输入端的所有设备和媒介 研究编码时 常用编码信道 离散信道 数字信道 连续信道 信道输入 输出的信号取值是连续的 离散信道 信道输入 输出的信号取值是离散的 信道 信号通道 信号的传输媒质 媒质及有关变换装置 3 2调制信道模型 输入端和输出端 信号通过信道具有一定的
10、延迟时间 而且还会受到 固定或时变的 损耗 绝大多数的信道都是线性的 即满足叠加定理 即使没有信号输入 在信道输出端仍有一定的功率输出 调制信道模型 依赖于网络的特性 反映网络特性对的作用 n t 加性干扰k t 乘性干扰 干扰 加性干扰 本地噪声乘性干扰 非理理想信道 始终存在与信号共存 乘性加性 恒参信道信道的参数不随时间 空间的变化而变化或缓慢变化 可等效为一个线性时不变网络来分析 随参信道信道的参数随时间 空间的变化快速 随机的变化 乘性干扰 3 3信道传输特性 理想信道传输特性 无失真传输 1 对信号在幅度上产生固定的衰减 2 对信号在时间上产生固定的迟延 幅频特性为常数相频特性是线
11、性群延迟特性固定 只对ei t 的不同频率成份进行相同的幅度衰减和时延 实际中 传输特性可能偏离理想信道特性 产生失真 如果信道的幅度 频率特性在信号频带范围之内不是常数 则会使信号产生幅度 频率失真 如果信道的相位 频率特性在信号频带范围之内不是 的线性函数 则会使信号产生相位 频率失真 幅度 频率畸变 产生原因 发射机 换能器 信道 传感器 接收机的幅度 频率特性不理想所引起的 又称为频率失真 一般典型音频电话信道的幅度 频率特性曲线近似表示 相位 频率畸变 是指信道的相位 频率特性偏离线性关系所引起的畸变 常采用群延迟 频率特性来衡量 克服措施 改善信道中的滤波性能 使幅频特性在信道有效
12、传输带宽内平坦 增加线性补偿网络 使整个系统衰耗特性曲线变得平坦 均衡器分集接收 空间分集 频率分集 角度分集 极化分集 第4章模拟调制系统 模拟调制是数字调制的基础 什么是调制 为什么要调制 如何调制 通信系统模型 信道 发送端 接收端 信源 发送设备 接收设备 信宿 噪声 信号 模拟通信系统模型 信道 模拟信源 调制器 解调器 信宿 噪声 调制的概念 将载有有用信息的频谱搬移到高频段的过程 频谱 从频域定义高频 从低频到高频搬移 线性或非线性 调制的概念 按调制信号 基带信号 的变化规律去改变载波某些参数的过程 基带信号 调制信号 信息信号 未经调制的原始信号 与已调信号相对 从时域定义使
13、用载波映射过程 调制的目的和意义 便于传输便于实现简化设计 充分利用信道 提高有效性 以较小的天线尺寸 实现有效的辐射减小相对带宽 改善传输的均匀性 提高可靠性 载波信号 有可调参量便于传输便于区分便于实现常用载波 正弦载波和脉冲串 正弦载波 幅度 载波频率 相位 幅度调制原理 正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程 m 0 5 m 1 m 1 5 m t m t max m调制指数m 1 AM信号的接收 包络检波 全载波调幅 频域 m t s t M f C f c t A A t fm f0 f0 2fm 2fm f f f t t 幅度调制 幅度调制是线性调制 非线性变换 任何调制过程
14、都是非线性过程 波形上 幅度与基带信号成正比频谱上 是基带信号频谱简单的搬移 平移 频谱结构不变 幅度调制的实现 调制方式 根据滤波器特性可分为 带通带通理想低通或高通非理想低通 AM调幅DSB双边带SSB单边带VSB残留单边带 单边带信号的频谱 相干解调 相干解调 单边带信号的解调 非线性调制 角度调制 频率调制相位调制 恒定振幅 瞬时频率的概念 瞬时相位瞬时相位偏移 相位调制 PM 瞬时相位偏移随基带信号成比例变化的调制 频率调制 FM 瞬时频率偏移随基带信号成比例变化的调制 频分复用 复用 将多个彼此独立的信号合并在一起 并在一个信道上传输的方法 频分复用 将多个独立的基带信号的频谱调制
15、到不同的频段 使之可在同一信道上传输 频分复用的实现 频分复用的实现 频分复用的实现 第5章数字基带传输系统 1 引言 基带信号 没有经过调制的信号数字基带信号 未经载波调制的原始数字信号 原始消息的电信号形式 代码的电波形 基带传输系统 频带传输系统 不使用调制解调装置而直接传送基带信号的系统 包括调制解调过程的传输系统 基带传输系统与频带传输系统 基带传输的意义 基带传输是基础频带传输也同样存在基带传输的问题 等效性任何一个采用线性调制的频带传输系统可用一个等效的基带传输代替 理论上 技术自身的发展基带传输也可以实现高速通信 数字基带信号及其频谱特性 1 单极性码 010010010 特点
16、脉冲之间无间隔有直流数据总线 双极性码 010010010 特点脉冲之间无间隔无直流RS232 单极性归零码 010010010 特点每个脉冲都回零电位脉冲宽度比码元宽度窄有直流 双极性归零码 010010010 特点每个脉冲都回零电位相邻脉冲之间有零电位间隔无直流 差分码 010010010 011011011 单极性波形 双极性波形 单极性归零 双极性归零 差分波形 多值波形 01101001110 基带信号的通用表达式 基带信号频谱特性 稳态波的功率谱有什么特点 为什么 交变波的功率谱有什么特点 g1 t 和g2 t 应如何选择 提取波形的离散谱和消除离散谱 对波形设计的要求 基带信号的功率谱带宽取决于什么 基带传输的常用码型 基带信号 数字基带信号 数字基带信号传输时要满足以下两方面的要求 未经调制的原始信号 代码的电波形 传输码型 线路码 的设计原则 无直流分量 低频分量小 含有码元的定时信息 与信源的统计特性无关 传输效率高 最好有一定的检错能力 功耗同步稳健有效性可靠性 AMI码 传号交替反转码 编码规则 1 传号 交替 0 空号 0例 消息码 010110001AMI码
