通信原理讀書(shū)筆記

1、通信原理課程報(bào)告1.緒論1.1通信的基本概念（常用通信術(shù)語(yǔ)）通信：信息的傳輸與交換，以語(yǔ)言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體,通過(guò)電（光）信號(hào)將信息由一方傳輸?shù)搅硪环健?信息：信息是事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述。（獲取信息一減小或消除不確定性） 通信中對(duì)信息的表達(dá)分為三個(gè)層次：信號(hào)、消息、信息。1.2通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)信息傳輸所需一切設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體模擬通信：信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)。數(shù)字通信：信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)。1.2. 1通信系統(tǒng)的一般模型圖1.21圖1.21通信系統(tǒng)一般模型各功能模塊描述：（1）信息源：消息一原始的電信號(hào)（基帶信號(hào)）（2）發(fā)送設(shè)備：原始的電信號(hào)一已調(diào)（適合

2、于信道傳輸）信號(hào)（3）信道：信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)或通道（4）接收設(shè)備：已調(diào)信號(hào)一 原始的電信號(hào)（5）受信者：原始的電信號(hào)一消息（6）噪聲源：整個(gè)系統(tǒng)中各部分產(chǎn)生的噪聲和干擾的集中體現(xiàn)1.2.2模擬通信與數(shù)字通信系統(tǒng)模型通信傳輸中的兩類(lèi)消息：離散消息：消息的狀態(tài)是可數(shù)的和有限的。 連續(xù)消息：消息的狀態(tài)連續(xù)變化。說(shuō)明：消息被載荷在電信號(hào)的某一參量上，通過(guò)信道進(jìn)行傳輸。對(duì)于連續(xù)消息，該電信號(hào)的參量將連續(xù)取值，這樣的信號(hào)稱為模擬信號(hào)，如圖（a）所示。對(duì)于離散消息，該電信號(hào)的參量將取離散值，這樣的信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)，如圖（b）所示。 TOC o 1-5 h z 信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)稱模擬通信。廣。信道中傳輸?shù)?/p>

3、是數(shù)字信號(hào)稱數(shù)字通信。【模擬信號(hào)：1、原始的電信號(hào)（一般指未調(diào)制過(guò).廠_的信號(hào)）瞬時(shí)值（狀態(tài)）無(wú)限，如正弦信號(hào).語(yǔ) 叫音信號(hào).圖像信號(hào)等。2、已調(diào)信號(hào)（載波一般為m正弦信號(hào)）參數(shù)A（幅度）、F（頻率）、P（相位）的I| |取值（狀態(tài)數(shù)）有無(wú)限多種。如圖1.23所示。品 I I I L I I -J-數(shù)字信號(hào)：1、原始的電信號(hào)的瞬時(shí)值狀態(tài)數(shù)有fII限；如計(jì)算機(jī).電報(bào)機(jī)等輸出的信號(hào)2、已調(diào)信號(hào)：參數(shù)A（幅度）F （頻率）P （相位）狀態(tài)數(shù)有限。如圖1.24所示。圖1.22模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)正弦AMFM正弦AMFM圖1.23模擬信號(hào)模擬通信系統(tǒng)模型如下圖圖1.23模擬信號(hào)模擬通信系統(tǒng)模型如下圖1.2

4、5所示:圖1.24數(shù)字信號(hào)信息源I.發(fā)送設(shè)備IT信 I .接收設(shè)備 受信者 發(fā)端噪聲源J接收端圖1.25模擬通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)分為數(shù)字頻帶傳 輸通信系統(tǒng)和數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)，如下圖1.26及圖1.27所示信息源一發(fā)送設(shè)備一 信道 一接收設(shè)備 f受信者發(fā)送端 III 接收端,|噪聲源,圖1.26數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng) 信源編碼：提高信息有效性完成A/D轉(zhuǎn)換。加密：實(shí)現(xiàn)保密通信。信道編碼：提高抗干擾能力。調(diào)制器：頻率搬移；原始的電信號(hào)一 調(diào)制（頻帶）信號(hào)。 解調(diào)器：反向頻率搬移；調(diào)制（頻帶）信號(hào)一 原始的電信號(hào)。信息源一 發(fā)送設(shè)備*信

5、道*接收設(shè)備發(fā)送端噪聲源接收端基帶信號(hào)接收信息源一 發(fā)送設(shè)備*信道*接收設(shè)備發(fā)送端噪聲源接收端基帶信號(hào)接收H濾波受*1信圖1.27數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)的特點(diǎn)目前，無(wú)論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字通 信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信技術(shù)越來(lái)越高的要求，數(shù)字通信技術(shù)已成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模 擬通信相比，它有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)字信號(hào)可以再生而消除噪聲積累。（2）傳輸差 錯(cuò)可控，改善了傳輸質(zhì)量。（3）易于使用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。（4）易于加密， 可靠性高。（5）易于實(shí)現(xiàn)各種信息的綜合傳輸。缺點(diǎn)：（1）設(shè)備

6、復(fù)雜。（2）對(duì)同步要求高。（3）需要 更寬的帶寬。1.2.4通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式通信系統(tǒng)的分類(lèi)：（1）按通信業(yè)務(wù)類(lèi)型分類(lèi)：根據(jù)通信業(yè)務(wù)類(lèi)型的不同，通信系統(tǒng)可分為電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和圖像通信系統(tǒng)等。（2）按調(diào)制方式分類(lèi)：基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)?；鶐鬏斒菍](méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào) 直接傳送，如音頻市內(nèi)電話；頻帶傳輸是對(duì)基帶信號(hào)調(diào)制后再送到信道中傳輸。調(diào)制方式：模擬載波調(diào)制：幅度調(diào)制（AM），頻率調(diào)制（FM），相位調(diào)制（PM）。數(shù)字載波調(diào)制：幅度鍵控（ASK）,移頻鍵控（FSK）,移相鍵控（PSK）。脈沖調(diào)制：脈沖幅度調(diào)制（PAM），脈沖寬度調(diào)制（PDM），脈沖位

7、置調(diào)制（PPM）,脈沖編碼調(diào)制（PCM）。（3）按信號(hào)特征分類(lèi)：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。（4）按傳輸煤質(zhì)分類(lèi)：有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)。（5）按工作波段分類(lèi)：根據(jù)通信設(shè)備的工作頻率或波長(zhǎng)不同，分為長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通 信和遠(yuǎn)紅外線通信。（6）按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)：頻分復(fù)用（FDM）：每個(gè)信號(hào)占用不同的頻率范圍。時(shí)分復(fù)用（TDM）：每個(gè)信號(hào)占用不同的時(shí)間區(qū)間。碼分復(fù)用（CDM）：每個(gè)信號(hào)使用一組正交碼字中的一個(gè)或多個(gè)碼字。通信方式：（1）按信息傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間關(guān)系劃分通信方式：?jiǎn)喂ねㄐ牛盒畔⒅荒軉畏较蜻M(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信工作方式，通信的雙方只有一個(gè)可進(jìn)行發(fā)送，另一 個(gè)進(jìn)行接收。說(shuō)明：只有

8、一方需要發(fā)送消息，只用一條消息通道。半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)信息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。某一時(shí)段：A - B ；另一時(shí)段：A - B ；說(shuō)明：只有一條消息通道，雙方輪流發(fā)送消息。全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式說(shuō)明：同時(shí)有兩條消息通道，任何時(shí)刻雙方輪流發(fā)送消息（2）按數(shù)字信號(hào)碼元排列方式不同劃分：可將通信方式分為串行傳輸和并行傳輸。并行傳輸：有n條信號(hào)線，每次傳輸n個(gè)比特。串行傳輸：只有一條信號(hào)線，每次傳輸一個(gè)比特。1.2.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)，往往要涉及到許多性能指標(biāo)，如系統(tǒng)的有效性、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng) 濟(jì)性及使用維護(hù)方便性等。這些指標(biāo)

9、可從各個(gè)方面評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)的性能，但從研究信息傳輸方面考 慮，通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標(biāo)。所謂有效性，是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題，而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。在實(shí)際通 信系統(tǒng)中，對(duì)有效性和可靠性這兩個(gè)指標(biāo)的要求經(jīng)常是矛盾的，提高系統(tǒng)的有效性會(huì)降低可靠性， 反之亦然。因此在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時(shí)，對(duì)兩者應(yīng)統(tǒng)籌考慮。有效性：所傳信號(hào)的有效傳輸帶寬?？煽啃裕航邮斩私庹{(diào)器輸出信噪比，是信號(hào)的平均功率S與噪聲的平均功率N之比。信噪比越高， 說(shuō)明噪聲對(duì)信號(hào)的影響越小。顯然，信噪比越高，通信質(zhì)量就越好。輸出信噪比一方面與信道內(nèi)噪 聲的大小和信號(hào)的功率有關(guān)，同時(shí)又和調(diào)制方式有很大關(guān)系。

10、調(diào)頻信號(hào)的抗干擾能力比調(diào)幅的好。數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)表征。碼元傳輸速率RB：?jiǎn)挝粫r(shí)間傳送碼元的數(shù)目，單位為波特(Baud)，記為B信息傳輸速率Rb (傳信率或比特率)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，簡(jiǎn) 記為b/s或bps。頻帶利用率：比較不同通信系統(tǒng)的有效性時(shí)，單看他們的信息傳輸率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳 輸速率下所占信道的頻帶寬度，定義為單位帶寬內(nèi)的傳輸速率：門(mén)=b (B / Hz)或門(mén)=、b / (s - Hz )BB數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性用差錯(cuò)率來(lái)衡量。差錯(cuò)率常用誤碼率和誤信率來(lái)表示。誤碼率Pe：是指錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的

11、比例D 接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)P =。 傳輸總碼元數(shù)誤信率Pb:又叫誤比特率，是指錯(cuò)誤接收的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例D 接收的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)P =b 傳輸總比特?cái)?shù)隨機(jī)過(guò)程2.1隨機(jī)過(guò)程的基本概念隨機(jī)過(guò)程是一類(lèi)隨時(shí)間作隨機(jī)變化的過(guò)程，它不能用確切的時(shí)間函數(shù)描述?？蓮膬煞N不同角度看： 角度1：對(duì)應(yīng)不同隨機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的時(shí)間過(guò)程的集合。角度2：隨機(jī)過(guò)程是隨機(jī)變量概念的延伸。隨機(jī)過(guò)程在任意時(shí)刻的值是一個(gè)隨機(jī)變量。因此，我們又可以把隨機(jī)過(guò)程看作是在時(shí)間進(jìn)程中處 于不同時(shí)刻的隨機(jī)變量的集合。1隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征在大多數(shù)情況下，用隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征來(lái)部分地描述對(duì)機(jī)過(guò)程的主要特性：均值(數(shù)學(xué)期望)在任意給定時(shí)刻t1

12、的取值g (t1)是一個(gè)隨機(jī)變量，其均值E g (t ) =xf (x , t )dx1 -g 11111式中f(x1,t1)g(t1)的概率密度函數(shù)，由于t1是任取的，所以可以把t1直接寫(xiě)為t，X1改為X，這樣上式就變?yōu)镋 g (t )= xf (x, t )dx-g 1 方差Dg(t) = E g(t)-a(t)2 )方差常記為b 2( t )。方差等于均方值與均值平方之差，它表示隨機(jī)過(guò)程在時(shí)刻t對(duì)于均值a ( t )的 偏離程度。R(t, t) = eE (t )E (t)(3)相關(guān)函數(shù)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)分別是在t1和t2時(shí)刻觀測(cè)得到的隨機(jī)變量?？梢钥闯?，R(t1, t2)是兩個(gè)變 量t1和t2的確定函數(shù)。(4)協(xié)方差函數(shù)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時(shí)刻得到的E (t)的均值 f2 (x1, x2; t1, t2) E (t )的二維概率密度函數(shù)。(5)互相關(guān)函數(shù)R (t, t ) = EE (t 川(t )E門(mén) 1 212式中E(t)和n(t)分別表示

14、兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程。因此，R(t1, t2)又稱為自相關(guān)函數(shù)。2.2平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程2.2.1平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的定義若一個(gè)隨機(jī)過(guò)程E(t)的任意有限維分布函數(shù)與時(shí)間起點(diǎn)無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，對(duì)于任意的正整數(shù)n和所有實(shí)數(shù)，有f (X ,X，,X ； t ,t，,t ) n 12n12n=f (X , X，X ； t +, t +, t +) n 12n12n則稱該隨機(jī)過(guò)程是在嚴(yán)格意義下的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，簡(jiǎn)稱嚴(yán)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。性質(zhì)：平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間的推移而改變，即它的一維分布函數(shù)與時(shí)間t無(wú)關(guān):而二維分布函數(shù)只與時(shí)間間隔T = t2 - t1有關(guān)：f(X , X ; t , t ) = f(X , X具) T

15、OC o 1-5 h z 212 12212數(shù)字特征:E e (t)=技 x f (x )dX = a數(shù)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結(jié)論：平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程(1)其均值與t無(wú)關(guān)，為常數(shù)a ； (2)自相關(guān)函數(shù)只與時(shí)間間隔t有關(guān)。 把同時(shí)滿足(1)和(2)的過(guò)程定義為廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。2.2.2各態(tài)歷經(jīng)性平穩(wěn)過(guò)程在滿足一定的條件下具有一個(gè)有趣而又非常有用的特性，稱為，各態(tài)歷經(jīng)性”(又稱“遍歷 性

16、”)。具有各態(tài)歷經(jīng)性的過(guò)程，其數(shù)字特征(均為統(tǒng)計(jì)平均)完全可由隨機(jī)過(guò)程中的任一實(shí)現(xiàn)的時(shí) 間平均值來(lái)代替?！案鲬B(tài)歷經(jīng)”的含義是：隨機(jī)過(guò)程中的任一次實(shí)現(xiàn)都經(jīng)歷了隨機(jī)過(guò)程的所有可能狀態(tài)。因此，在求解各種統(tǒng)計(jì)平均(均值或自相關(guān)函數(shù)等)時(shí)，無(wú)需作無(wú)限多次的考察，只要獲得一次考察，用一次 實(shí)現(xiàn)的“時(shí)間平均”值代替過(guò)程的“統(tǒng)計(jì)平均”值即可，從而使測(cè)量和計(jì)算的問(wèn)題大為簡(jiǎn)化。具有各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過(guò)程一定是平穩(wěn)過(guò)程，反之不一定成立。在通信系統(tǒng)中所遇到的隨機(jī)信號(hào)和 噪聲，一般均能滿足各態(tài)歷經(jīng)條件。2.2.3平穩(wěn)過(guò)程的功率譜密度定義：對(duì)于任意的確定功率信號(hào)f (t),它的功率譜密度定義為廠上(f )2Pf(f)= M

17、T T3式中，|FTCf)是f的截短函數(shù)fT(t)所對(duì)應(yīng)的頻譜函數(shù)。功率譜密度的計(jì)算：維納-辛欽關(guān)系非周期的功率型確知信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與其功率譜密度是一對(duì)傅里葉變換。這種關(guān)系對(duì)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程同樣成立，即有:P程同樣成立，即有:P (= R(t ) e-加t dT&-3R(t ) = J3 P ()egd2 兀-3 &簡(jiǎn)記為 R(t )=%(f)以上關(guān)系稱為維納-辛欽關(guān)系。它在平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的理論和應(yīng)用中是一個(gè) 非常重要的工具，它是聯(lián)系頻域和時(shí)域兩種分析方法的基本關(guān)系式。2.3高斯白噪聲和帶限白噪聲(1)白噪聲n (t),定義：功率譜密度在所有頻率上均為常數(shù)的噪聲，即P (f) = % (-3 f

18、+3)-雙邊功率譜密度-2P( f) = n0(0 f +3)單邊功率譜密度白噪聲的自相關(guān)函數(shù)：對(duì)雙邊功率譜密度取傅里葉反變換，得到相關(guān)函數(shù)：R(t ) = no 8 (T )2白噪聲和其自相關(guān)函數(shù)的曲線:由于白噪聲的帶寬無(wú)限，其平均功率為無(wú)窮大，即白噪聲和其自相關(guān)函數(shù)的曲線:由于白噪聲的帶寬無(wú)限，其平均功率為無(wú)窮大，即R(0) = J 3 氏df =3 或R(0) = no8 (0) = 3-3 22因此，真正“白”的噪聲是不存在的，它只是構(gòu)造的一種理想化的噪聲形式。實(shí)際中，只要噪聲的功率譜均勻分布的頻率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通信系統(tǒng)的工作頻帶，我們就可以把它視 為白噪聲。如果白噪聲取值的概率分布服從

19、高斯分布，則稱之為高斯白噪聲。高斯白噪聲在任意兩個(gè)不同時(shí)刻上的隨機(jī)變量之間，不僅是互不相關(guān)的，而且還是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。(2)低通白噪聲功率譜密度n0功率譜密度n020If I fH其它由上式可見(jiàn)，白噪聲的功率譜密度被限制在|f |fH內(nèi)，通常把這樣的噪聲也稱為帶限白噪聲。自相關(guān)函數(shù)sin 2k f t2sin 2k f t2兀fj，=W* 通=27 女上自柏K：由裁（3）帶通白噪聲定義：如果白噪聲通過(guò)矩形的帶通濾波器或理想帶通信道，則其輸出的噪聲稱為帶通白噪聲。n f _Bf f iB功率譜密度：P （f） = ） 2 f 2 f 1 f 2n其它f通常，帶通濾波器的B fc，因此稱窄帶濾波器，相應(yīng)地把帶通白高斯噪聲稱為窄帶高斯白噪聲。窄帶高斯白噪聲的表達(dá)式和統(tǒng)計(jì)特性:n(t) = n (t)cos t 一 n (t)sin t窄帶高斯白噪聲的表達(dá)式和統(tǒng)計(jì)特性:珥 n珥 n (t)=En (t) = En (t) = 0csb 2 =b2 =b2n c s平均功率：N = nB3.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)3.1數(shù)字基帶傳輸概述對(duì)于一通信系統(tǒng)而言，傳輸過(guò)程中有兩個(gè)變換：消息3基帶信號(hào)；基帶信號(hào)3信道信號(hào)只有前一個(gè)變換稱為基帶傳輸系統(tǒng)；包含兩個(gè)變換稱為頻帶傳輸系統(tǒng)。來(lái)自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號(hào)，如計(jì)算機(jī)輸出的二進(jìn)制序列等。這些信號(hào)往往包含豐富的低頻分 量，甚至直流分量，因而稱之為數(shù)字基