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通信原理期末复习资料
依据课件:第 1、3、5、6、7 章(第 2 章确知信号、第 4 章信道、第 10 章信源编码课件未提供,未整理)。标注「补充」者为课件外内容,标注「待核对」者为课件表述不清晰处。
目录
第1章 基础知识
1.1 通信的基本概念
信息、消息、信号
- 信息(Information):消息中所包含的有效内容,是传递的本质。
- 消息(Message):信息具体的表现形式,如语音、文字、音乐、数据、图片。
- 信号(Signal):消息的物理载体,如光信号、电信号。
通信:以语音、文字、图像、数据等为消息形式,通过电或光信号将信息由一方传输到另一方的过程。
通信发展三阶段:古代通信(烽火台、战鼓,光/声信号,无线)→ 近现代通信(1837 莫尔斯电报、1876 贝尔电话、1865 麦克斯韦预言电磁波、1888 赫兹实验证实、1894 波波夫无线电接收机、1901 马可尼跨大西洋、1966 高锟光纤、1946 ENIAC 触发数字通信)→ 当代通信(1G 模拟语音、2G 数字语音/文本、3G 多媒体、4G WLAN、5G 万物互联)。
波长与频率的关系
- :波长,单位 ;:频率,单位 ;:电磁波在自由空间的传播速度。
- 适用条件:电磁波在自由空间(或近似空气)中传播。
- 用途:天线尺寸应与波长可比(波长越短,天线越短),故低频信号需调制到高频才能有效辐射。
1.2 通信系统模型
通信系统一般模型
信息源 → 发送设备 → 信道 → 接收设备 → 受信者,噪声源叠加于信道(集中表示分布于系统各处的噪声)。
- 信息源(信源):把各种消息转换成原始电信号,如麦克风。
- 发送设备:产生适合于在信道中传输的信号(放大、滤波、调制、编码等)。
- 信道:将发送设备的信号传送到接收端的物理媒质,分有线(明线、电缆、光纤)与无线(大气/自由空间)。
- 噪声源:集中表示系统各处的噪声。
- 接收设备:从受到减损的接收信号中正确恢复原始电信号(放大、解调、译码等)。
- 受信者(信宿):把原始电信号还原成消息,如扬声器。
信号的分类
- 模拟信号:电信号的参量取值连续(无穷多取值)。
- 数字信号:电信号的参量取值离散(有限个取值)。
基带信号:频谱从零频附近开始的信号,如语音 。
模拟通信系统模型
模拟信源 → 调制器 → 信道(+噪声)→ 解调器 → 模拟信宿。
- 调制:把基带信号变换成适合在信道中传输的信号(基带信号 → 频带信号),目的是匹配信道通频带、便于天线辐射、实现频分复用。
- 天线尺寸: 或 ,。频率越低,波长越长、天线越大,故低频基带信号不宜直接无线发射,必须先调制到高频。
- 解调:将已调信号中的调制信号恢复出来。
数字通信系统模型
信源 → 信源编码 → 信道编码 → 数字调制 → 信道(+噪声)→ 数字解调 → 信道译码 → 信源译码 → 信宿。
- 信源编码:①模数转换(抽样—时间离散、量化—幅值离散、编码—形成数字信号);②压缩(去除数据冗余、视听冗余、相关性冗余),提高传输效率。
- 信源译码:一定程度上恢复冗余,并实现数模转换。
- 信道编码:针对信道特性,按一定规则加入保护成分、增强规律性,提高抗干扰能力;信道译码按逆规则解码并纠错。
- 数字基带调制:将数字信息变换成电平或脉冲表示的基带信号。
- 数字频带调制:将数字基带信号的频谱搬移到高频处(如 ASK、FSK),形成数字频带信号。
数字通信的优点:①抗干扰、抗噪声性能好(可判决再生,消除噪声积累);②便于检错纠错、便于加密;③便于数据处理和存储;④便于设备集成化、微型化、智能化。
数字通信的缺点:①传输带宽往往较大;②对同步要求高。
1.3 通信系统分类与通信方式
分类
| 分类依据 | 类别 |
|---|---|
| 传输媒介 | 有线通信系统、无线通信系统 |
| 通信业务 | 电报、电话、数据、图像、视频 |
| 调制方式 | 基带传输系统、带通(调制)传输系统 |
| 信号特征 | 模拟通信系统、数字通信系统 |
| 工作波段 | 长波、中波、短波通信等 |
| 复用方式 | 频分复用、时分复用、码分复用 |
按信息传输方向分类
- 单工通信:信息只能单方向传输(广播、无线寻呼)。不能互通。
- 半双工通信:双方都能收发,但不能同时收发(同频对讲机)。优点:节约传输线路、节省频谱资源;缺点:频繁变换信道方向,效率低。根源是双方之间只有一条信道。
- 全双工通信:双方可同时进行双向传输(计算机通信、手机通信)。需要两条信道:上行(用户→基站)、下行(基站→用户)。
全双工的信道划分
- 频分双工(FDD):划分两个独立频道分别用于上行和下行(如上行 、下行 )。优点:原理、技术简单;缺点:频率资源需求大,不对称业务时浪费频率资源。
- 时分双工(TDD):只用一个频道(如 ),划分不同时隙分别用于上行和下行。优点:节约频率资源,适用对称与不对称业务(可按流量调整时隙);缺点:技术复杂,对收发时隙同步要求高(基站不同步会产生干扰)。
TDD 的帧与时隙:时间划分为帧(一般几 ),每帧再划分为若干时隙(每个 ),不同时隙分配给上下行;时隙切换相当于对信号抽样,抽样间隔足够小则信号可无失真恢复,故仍属全双工。
我国 4G 频段():中国移动 TD-LTE 主要有 、、;中国联通、中国电信 FDD-LTE 上行在 段、下行在 段(各运营商具体分配待核对)。TD-LTE 于 2013 年发牌,FDD-LTE 于 2015 年发牌。
1.4 信息及其度量
信息的本质:消除不确定性。信息量的大小等于该信息所消除的不确定性。
信息量的三条公理(香农)
- 单调递减性: 越大, 越小。
- 相加性:若 由相互独立的子消息组成,则
- 非负性:
由三条件导出信息量公式
满足"自变量相乘 = 函数相加"的函数为对数函数。取底 时 单调递增,故取负号(或取倒数)以满足单调递减:
验证: 时 ; 时 ; 时 ,三条件均满足。香农证明了该形式是唯一同时满足三条件的函数形式。
信息量公式(重要)
- :消息 发生的概率,无量纲,;:信息量,单位 (比特)。
- 适用条件:离散信源,各符号统计独立。
- 底为 时单位为 ;底为 时单位为 (奈特)(补充:底为 10 时单位为 Hartley)。
- 存储容量换算:,。
例: 时 ; 时 ; 时 。
平均信息量(信源熵,重要)
设离散信源由 个符号 组成,各符号独立出现,概率为 ,则
- :信源熵(平均信息量),单位 ;:符号数;:第 个符号的出现概率,。
- 适用条件:离散无记忆信源(各符号独立)。
- 物理意义:信源的平均不确定性;熵是信息量的统计(概率加权)平均,不是算术平均。
最大熵:等概率时熵最大,
- 最随机(各符号等概)时熵最大,概率有倾向时熵减小;二进制等概时 。
某段消息的总信息量与平均信息量
- :第 个符号在该消息中出现的次数;:消息总符号数;:平均每符号信息量,单位 。
例(课件例题3):信源符号 概率分别为 ,消息中分别出现 次,共 个符号。
信源熵
算术平均 与统计平均 的误差随符号数增加而减小;消息序列较长时用熵计算更方便。
1.5 通信系统主要性能指标
两大指标:有效性(传输"速度",占用信道资源多少)与可靠性(传输"质量",接收准确程度)。二者相互矛盾,设计时折中。
模拟通信系统
- 有效性:用有效传输频带 度量。语音信号:SSB ,DSB ,FM (DSB 带宽是 SSB 的两倍)。
- 可靠性:用接收端最终输出信噪比度量。
数字通信系统——有效性
- :码元宽度,单位 ;:码元传输速率(波特率),单位 (简记 );:进制数(每码元携带 比特);:信息传输速率(比特率),单位 ;:传输带宽,单位 ;:频带利用率,单位 ;:比特频带利用率,单位 。
- 适用条件: 进制等概传输。
- 二进制 :;四进制:;八进制:。
- 只取决于码元宽度 ,与进制数 无关。
数字通信系统——可靠性
- :误码率(误符号率);:误信率(误比特率),均无量纲。
- 二进制时 ; 进制时一个码元错不必每比特都错,故 。
1.6 易错点与常考题型
易错点
- 信息量公式的负号:, 越小信息量越大; 时 ,不是 。
- 熵是概率加权平均 ,不是 (等概时才相同)。
- : 单位 Baud, 单位 b/s,二者仅在二进制时数值相等。
- 频带利用率 与 单位不同,别混用;比较不同系统的有效性看 ,不能只看 或 。
- 半双工"不能同时收发"的根源是只有一条信道;全双工必须两条信道(FDD 两个频段或 TDD 两个时隙方向)。
- 有效性↔带宽/速率,可靠性↔信噪比/误码率,不要互换。
常考题型
- 给概率求单符号信息量、消息总信息量、平均信息量(熵)。
- 给 、、 求 、、。
- 判断单工/半双工/全双工及 FDD/TDD 的优缺点。
- 画/填通信系统模型方框图并说明各框作用。
第3章 随机过程
3.1 随机过程的基本概念
定义:随机过程是一类随时间作随机变化的过程,不能用确切的时间函数描述。
- 角度1:随机过程是对应不同随机试验结果的样本函数的时间过程的集合,
- 角度2:随机过程是随机变量概念的延伸,任意时刻的取值是一个随机变量,
一维分布函数与概率密度
二维分布函数与概率密度
维分布函数与概率密度
数字特征
均值(一维):
方差(一维):
自相关函数(二维):
协方差函数(二维):
- 各量单位: 与 同单位;、、 为 单位的平方(若 为电压 ,则为 )。
- 适用条件:各积分存在(绝对可积)。
- 各数字特征都是确知函数:均值、方差由一维分布决定,自相关、协方差由二维分布决定。
3.2 平稳随机过程
严平稳随机过程:若对任意 和任意 ,有
则称 为严平稳随机过程。其统计特性不随时间推移而改变。
一维:。
二维:,其中 。
广义平稳随机过程:若同时满足
则称 为广义平稳(宽平稳)随机过程。
关系:严平稳必定是广义平稳;广义平稳不一定是严平稳。通信中的信号与噪声大多数可视为广义平稳。
各态历经性
随机过程的任一次实现都经历了随机过程的所有可能状态。此时可用一次实现的"时间平均"代替"统计平均":
- :任一样本函数;:平均时间,单位 ;:时间平均均值;:时间平均自相关函数。
- 关系:具有各态历经性的随机过程一定是广义平稳的,反之不一定成立。通信中的随机信号与噪声一般满足各态历经条件。
例3-1:,、 为常数, 在 内均匀分布。判断是否广义平稳、是否各态历经。
(1)统计平均:
均值是常数、自相关函数只与 有关,故 广义平稳。
(2)时间平均:
故随机相位余弦波是各态历经的。
课件思考题(补充解答):, 以 概率取 、以 概率取 ,求 与 。
,,故
此过程均值随时间变化,不是平稳过程。
自相关函数的性质(重要)
(1),即平均功率。
(2)偶函数:
证明:,令 ,则 ,
(3)有界性:
证明:对任意 ,
即 ,故 ;结合偶函数得 。
(4)( 与 相互独立时)。
(5),即方差 = 平均功率 − 直流功率。
功率谱密度
确知信号:
随机过程(统计平均):
- :截断信号 的频谱;:功率谱密度,单位 (若 为电压,则 )。
- 性质:实偶性、非负性。
维纳—辛钦关系(重要)
即自相关函数与功率谱密度是一对傅里叶变换,是联系时域与频域分析的基本关系式。仅对平稳随机过程成立(广义平稳即可)。
平均功率
例3-2:随机相位正弦波 ( 均匀分布)。由例3-1,,故
即在 处各有一根离散谱线,平均功率 。
课件思考题(补充解答):, 平稳且
在 均匀分布且与 独立,求 、。
由 为三角波,,故
3.3 高斯随机过程
定义:若随机过程 的任意 维分布都服从正态分布,则称为高斯随机过程。其 维概率密度为
其中
- :归一化协方差矩阵的行列式;:其代数余子式;:归一化协方差(相关系数),无量纲; 单位同 , 为 单位平方。
性质
- 高斯过程的 维分布只依赖各随机变量的均值、方差和归一化协方差,故只需研究其数字特征。
- 若高斯过程在不同时刻取值互不相关(),则它们统计独立。此时 退化为单位阵、,代回定义式即得
- 高斯过程经线性变换后仍是高斯过程(输出为无限多个高斯随机变量之和)。
- 广义平稳的高斯过程也是严平稳的(均值与时间无关、协方差只与时间间隔有关 ⇒ 维分布与时间起点无关)。
一维高斯分布(重要)
- :均值,单位同 ;:方差,:标准差,单位同 。
误差函数与互补误差函数
- :误差函数,无量纲;:互补误差函数,无量纲; 无量纲。
- 性质:,,;。
用误差函数表示正态分布函数
令 ,得
大参数近似:当 时,
补充:高斯分布的右尾常用 函数表示,
3.4 平稳随机过程通过线性系统
回顾(确知信号)
输入输出的关系:设 为平稳随机过程, 为线性时不变系统冲激响应,
(1)输出均值
结论:输出均值 = 输入均值 × 系统直流增益 ,为常数。
(2)输出自相关函数
结论:输出自相关函数只与时间间隔 有关,故输出仍为平稳随机过程。
(3)输出功率谱密度
括号内为 ,故
三个结论(重要)
- :系统传输函数;:直流增益;、、:输入均值、自相关函数、功率谱密度。
- 适用条件:线性时不变系统,输入为平稳(广义平稳)随机过程。
3.5 窄带随机过程
定义:若随机过程 的频谱集中在中心频率 附近、带宽为 ,且
则称为窄带随机过程。时域上其波形是频率接近 、包络和相位缓慢变化的准正弦波:
- :包络,非负;:相位;:载波角频率。
同相分量与正交分量
其中
为同相分量, 为正交分量。
同相、正交分量的统计特性(重要结论)
设 为均值为零、方差为 的平稳高斯窄带过程,则:
- 、 同样是平稳高斯过程;
- ;
- 方差相同:
- 自相关函数相同:
- 同一时刻的 与 互不相关(),且统计独立。
推导要点:展开 ,得含 、、、 四项的式子。取 得
取 得
比较两式即得 、,再由 得同一时刻互不相关。
包络与相位的分布(重要)
由 、,反变换为
雅可比行列式为 ,故
代入两个独立高斯密度 ,得
对 积分()得包络的一维分布——瑞利分布:
对 积分()得相位的一维分布——均匀分布:
且 ,即就一维分布而言包络与相位统计独立。
结论:均值为零、方差为 的平稳高斯窄带过程,其包络一维分布为瑞利分布,相位一维分布为均匀分布,二者统计独立。
3.6 白噪声
定义:功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声。
双边功率谱:
单边功率谱:
- :单边功率谱密度,单位 (电压情形 );:双边功率谱密度。
自相关函数(维纳—辛钦)
说明白噪声在任意两个不同时刻的随机变量互不相关。
平均功率
白噪声带宽无限,平均功率无穷大,是理想化模型。实际中只要噪声功率谱均匀分布的频率范围远大于系统工作频带,即可视为白噪声。
高斯白噪声:取值服从高斯分布的白噪声。其在任意两个不同时刻的随机变量不仅互不相关,而且统计独立。
低通白噪声:白噪声通过理想矩形低通滤波器(或理想低通信道)后的输出。
- :低通滤波器的截止频率,单位 ;。
- 在 处过零,相邻零点间隔 (与抽样定理联系)。
带通白噪声:白噪声通过理想矩形带通滤波器后的输出。
- :带通中心频率,单位 ;:带宽,单位 。
- 当 时称窄带滤波器,输出为窄带高斯白噪声:
3.7 易错点与常考题型
易错点
- 严平稳 ⇒ 广义平稳,反之不成立(高斯过程例外:广义平稳 ⇔ 严平稳);各态历经 ⇒ 广义平稳,反之不成立。
- 是平均功率(含直流), 才是交流功率。
- 是偶函数,,但 不一定单调。
- 维纳—辛钦变换对中,正变换取 ,反变换取 ,指数符号别写反。
- 白噪声 ,只有 相关;其平均功率为无穷大。
- 窄带过程包络服从瑞利分布、相位服从均匀分布,前提是均值为零、平稳、高斯。
- 通过线性系统:,不是 ;均值乘 而不是 。
- 双边谱 与单边谱 差 2 倍,代公式前先确认用的是哪一种。
常考题型
- 判断随机过程是否广义平稳/各态历经(随机相位正弦波是标准题型)。
- 由 求 、平均功率、方差;或反之。
- 证明 、。
- 白噪声通过理想低通/带通滤波器,求 、、。
- 窄带高斯噪声的 、、包络、相位的分布与数字特征。
第5章 模拟调制系统
基本概念
- 调制信号:来自信源的基带信号 。
- 载波:未受调制的周期性振荡信号,一般为正弦波
- 载波调制:用调制信号控制载波的幅度、频率或相位。
- 已调信号:载波受调制后的信号,携带基带信息且适合信道传输。
- 幅度调制(线性调制):,频谱为基带频谱的线性搬移。
- 角度调制(非线性调制):控制频率或相位,频谱不再是线性搬移。
5.1 幅度调制(线性调制)原理
5.1.1 双边带(DSB)调制
时域
频域
带宽
- :调制信号(基带),带宽 ,单位 ;:载波角频率;:基带最高频率。
- 频谱含上边带、下边带,无载频分量;在 过零点处已调波反相(反相点)。
相干解调(同步检波)
接收端提供与已调载波严格同频同相的本地载波 :
经低通滤波器滤除 分量,得
- 适用条件:必须同频同相,否则产生失真;DSB 不能包络检波(包络不是 )。
5.1.2 调幅(AM)
时域
- :外加直流分量,单位同 ,须满足 ,否则出现过调制(包络失真)。
频域
带宽
功率与调制效率(重要)
- :载波功率;:边带功率;:调制信号平均功率,单位 (或 )。
- 只有边带功率携带信息,载波分量不携带信息,故 AM 效率低。单频 调制时 ,,。
解调
- 相干解调:乘 后低通,再隔直流,。
- 包络检波:二极管+RC(充电快、放电慢)取出上包络,再低通、隔直流。结构简单,AM 几乎都采用包络检波;条件是 。
5.1.3 单边带(SSB)调制
滤波法:先产生 DSB,再用理想(陡峭)带通滤波器取出一个边带,
技术难点:滤波器难以做到陡峭截止;调制信号含直流及特低频分量时滤波法不适用。
相移法:设单频 ,
保留上边带:
保留下边带:
推广到一般 ,引入希尔伯特变换 (每个频率分量相移 ,幅度不变):
(""取上边带,""取下边带)
带宽
- 优点:节省发射功率,带宽比 AM、DSB 减少一半;缺点:实现复杂(相移网络/希尔伯特变换器难做)。
- 解调:只能相干解调。
5.1.4 残留边带(VSB)调制
介于 SSB 与 DSB 之间的折中:不完全抑制一个边带,而是逐渐切割、残留一小部分。
相干解调后低通,得
无失真条件(重要)
即残留边带滤波器在载频两侧必须互补对称(滚降段中心频率处呈奇对称)。
带宽
- :残留边带滤波器传输函数;:常数;。
5.2 线性调制系统的抗噪声性能
分析模型:已调信号 与窄带高斯白噪声 经带通滤波器后进入解调器,输出 、。
制度增益(重要)
- :解调器输入信噪比;:解调器输出信噪比;:制度增益(无量纲)。
5.2.1 DSB 的抗噪声性能
输入信号功率:
输入噪声功率():
相干解调后:
故
5.2.2 SSB 的抗噪声性能
(希尔伯特变换不改变平均功率:)
相干解调后
DSB 与 SSB 比较(重要结论)
在相同输入信号功率、相同输入噪声功率谱密度、相同基带信号条件下(此时 SSB 信号幅度需相应提高 倍),二者输出信噪比相等:
若按课件中 的原始幅度()计算,则 SSB 的 ,DSB 的 ,差异仅源于两者输入信号功率不同,并非抗噪能力不同。
二者抗噪声性能相同;但 SSB 带宽仅为 DSB 的一半,故 SSB 得到普遍应用。
5.2.3 AM 的抗噪声性能
相干解调
包络检波(大信噪比)
输入为信号加噪声:
包络:
当 时,
利用 (),隔直流后
单频 100% 调制:,,,
小信噪比与门限效应
当 时,令 、,
信号被噪声"淹没",输出信噪比急剧下降,出现门限效应。门限效应由包络检波器的非线性解调引起;相干解调时信号与噪声可分别解调,不存在门限效应。
三种线性调制汇总(重要)
调制方式 DSB SSB AM(100%单频)
5.3 角度调制(非线性调制)原理
一般表达式
瞬时角频率:
- :恒定振幅;:载频;:瞬时相偏;:瞬时角频偏。
调相(PM)
- :调相灵敏度,单位 ( 为电压时)。
调频(FM)
- :调频灵敏度,单位 (或 的 倍)。
间接调制:间接调频——先将 积分再调相(积分器+调相器);间接调相——先将 微分再调频(微分器+调频器)。二者本质相同,但调相占用频带不稳定,故调频应用更广。
最大频偏与调频指数(重要)
- :最大频偏,单位 ;:调制信号最高频率,单位 ;:调频指数,无量纲。
单频调制
窄带调频(NBFM)
条件:最大瞬时相偏很小,
展开并近似(,):
频谱:
与 AM 带宽相同,但 NBFM 的边带与载波有 相位关系(正交),故抗干扰性能优于 AM。具体区别:NBFM 边带受 加权而频谱失真,下边带与 AM 反相(奇对称);高质量通信(调频立体声广播、电视伴音)采用宽带调频。
宽带调频(WBFM)
单频调制时,先展开两个因子(傅里叶级数,单边形式):
代入 ,再用积化和差,得
其中 为第一类 阶贝塞尔函数,。
频谱由载频 和无穷多对边频 组成,不是基带频谱的线性搬移。
卡森公式(重要)
有效带宽取幅度大于未调载波 10% 的边频(); 时共约 个,故
- 例(课件):调频广播 、 → 、;此时 ,FM/AM 信噪比为 75 倍、带宽为 6 倍。
功率
调频前后总功率不变,信息加载到频率上,振幅不变。
5.4 调频系统的抗噪声性能
输入
大信噪比下的解调
鉴频器输入为
当 时,合成波
鉴频器输出( 为鉴频灵敏度,单位 ):
噪声功率谱
经带宽 的低通:
输出信噪比与制度增益(重要)
单频调制时 、:
与 AM 比较
即 FM 以带宽换取信噪比:带宽扩大到 倍,输出信噪比改善 倍。
门限效应
小信噪比时解调器输出信噪比随输入信噪比急剧下降,出现门限效应;门限值与 有关, 越大门限越高,且门限以上改善越明显、门限以下下降越快。门限值以上:
5.5 各种模拟调制系统的比较
表达式与带宽
| 调制方式 | 时域表达式 | 带宽 | 设备复杂度 |
|---|---|---|---|
| DSB | 中等 | ||
| AM | 简单 | ||
| SSB | 复杂 | ||
| VSB | 复杂 | ||
| FM | 中等 | ||
| PM | 由 变化率决定(待核对) | 中等 |
抗噪声性能()与制度增益
比较条件:各系统接收端 相同、噪声双边谱密度相同、 为单频正弦、AM 为 100% 调制。
| 调制方式 | ||
|---|---|---|
| DSB(相干) | ||
| SSB(相干) | ||
| AM(100%单频,包络检波) | ||
| FM(大信噪比) |
主要应用
- AM:中短波电台广播。
- DSB:应用较少。
- SSB:短波电台广播、话音频分复用、载波通信、数据传输。
- VSB:电视广播、数据传输。
- FM:超短波小功率电台(窄带 FM)、卫星通信、调频立体声广播、超短波电台(宽带 FM)。
选择原则:抗噪声性能优先选 FM(宽带);频带利用率优先选 SSB;实现简单优先选 AM。综合看,有效性 SSB 最好、FM 最差;可靠性 FM 最好、AM 最差。
5.6 易错点与常考题型
易错点
- AM 的频谱含载频冲激 ,DSB/SSB 不含;含载频是包络检波可行的原因,也是效率低的原因。
- 过调制条件: 时包络检波失真; 调制是 ,此时单频 、。
- 只说明制度增益,二者输出信噪比相同;不能据此说 DSB 抗噪更好。
- SSB 的 (不是 ),因两项各占 。
- 窄带调频条件是对最大瞬时相偏 ,不是对频偏。
- 卡森公式 : 时 ; 时 。
- FM 调频前后总功率不变(),增加带宽改善的是信噪比,不是功率。
- 门限效应:AM 包络检波、FM 鉴频都有;线性调制的相干解调没有。
常考题型
- 画 DSB/AM/SSB 波形与频谱,求带宽。
- 求 AM 的 、、边带功率、载波功率。
- 求 DSB/SSB/AM/FM 的 、、 并比较。
- 给 、、 求 、、。
- 判断是否过调制、是否存在门限效应。
- 写出 SSB 相移法表达式并用希尔伯特变换表示。
第6章 数字基带传输系统
基本概念
- 数字基带信号:未经载波调制的数字信号,频谱从零频或很低频率开始。
- 数字基带传输系统:不经载波调制直接传输数字基带信号,常用于传输距离不太远的场合。
- 数字带通传输系统:包括载波调制和解调过程的传输系统。
6.1 数字基带信号基本波形
| 波形 | 电平 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 单极性 NRZ | 、 | 极性单一,易于产生 | 有直流,不适远距离;连 0/连 1 不易提取定时 |
| 双极性 NRZ | 、 | 无直流,易于传输;判决门限恒为 | 连 0/连 1 不易提取定时 |
| 单极性 RZ | 、(脉宽 ) | 连 1 时易提取定时 | 有直流,不适远距离 |
| 双极性 RZ | 、(脉宽 ) | 无直流;易提取定时;门限为 | 占空比小,带宽大 |
| 差分波形 | 用相邻码元电平是否跳变表示信息 | 消除极性反转影响(无绝对状态) | 需差分编解码 |
| 多电平波形 | 如 | 每码元携带多比特,频带利用率高 | 抗噪能力下降 |
- :基本电平幅度,单位 ;:码元宽度,单位 ;:脉冲宽度,单位 ;占空比 。
- 差分波形规则: → 电平跳变, → 电平不跳变。
6.2 数字基带信号的时域表达与频谱特性
时域表达
设二进制随机脉冲序列,每个码元为两个单脉冲之一:
分解为稳态波与交变波:。
稳态波(周期为 的确定信号):
交变波:
且 ,。
稳态波的功率谱
是周期信号,展为傅里叶级数,系数
交变波的功率谱
由 、 得
总功率谱密度(重要)
- :码元速率,单位 ;、:、 的频谱;:发 的概率。
- 第一项为连续谱(交变波,始终存在,决定带宽);第二项为离散谱(稳态波,含直流与定时分量)。
- 若 且 ,则 ,离散谱消失。
例1:单极性矩形脉冲序列(,)
NRZ(,):
RZ(,):
- NRZ 的 ,离散谱只剩直流,无 定时分量;RZ 的 在 处不为零,含 定时分量。
例2:双极性矩形脉冲序列(,)
时离散谱为零:
NRZ:;RZ:。
结论
- 二进制基带信号的带宽主要取决于时间波形的占空比;占空比越小,占用频带越宽。
- "0"、"1"等概的双极性信号没有离散谱,即没有直流分量和定时分量。
- 谱零点带宽(第一零点):NRZ ,50% 占空比 RZ 。
6.3 基带传输的常用码型
码型选择原则:①不含直流分量(适应远距离传输);②电平跳变频繁(易于提取定时信息);③具有一定规律性(具备内在检错能力);④功率谱主瓣宽度窄(节省传输频谱);⑤编译码简单(降低延时和成本);⑥不受信源特性影响(适应性强)。
按电平数分:AMI、HDB3 为三元码(),双相码、差分双相码为二元码。
AMI 码(传号交替反转码)
规则: 码保持 ; 码交替编为 、(正负电平交替)。
优点:无直流;有规律(非零电平必正负交替,违反即错);编译码简单。缺点:长连 时仍无跳变,定时提取困难。
HDB3 码(三阶高密度双极性码)
码规则同 AMI(交替反转);针对 4 个连 作替换:
- 每 4 个连 编为 ;
- 码(破坏码)与前一个非 码同极性,且与前一个 码极性交替(后者优先保证);
- 码(调节码)用于使 同时满足上述两条件:需调节时编为 或 (与前一个非 码交替),不需调节时保持 (即编为 )。
特点:最多 3 个码元的连 0 电平,必定随后跳变(破坏原连 0 结构),便于定时提取,且有内在检错能力;无直流。译码:凡与前一个非 码同极性者即为 ,将含 的 4 位恢复为连 ,其余按 码/散 恢复。广泛用于数字电话系统与计算机局域网。
双相码(曼彻斯特码)
规则: → , → (每码元中间必跳变)。
优点:无直流;电平跳变频繁,易提取定时;规律为电平最大宽度一个码元。缺点:带宽较大;受极性反转影响。
差分双相码
规则:每码元中间必跳变(便于提取定时);码元开始处 → 跳变, → 不跳变。
优点:消除极性反转影响(消除绝对状态)。
6.4 数字基带信号传输过程与码间串扰
传输模型
→ 信道信号形成器 → 信道 → 接收滤波器 → 抽样判决器 → ,噪声 加于信道。
- 信道信号形成器:压缩频带、变换波形;信道:引入失真并叠加白噪声;接收滤波器:滤除带外噪声、均衡波形;同步提取:给出抽样定时。
总传输特性:
各点波形
在 抽样:
- :第 个码元的有用值;:码间串扰值;:噪声。
- :抽样时刻偏移,单位 。
码间串扰产生原因:系统传输总特性不理想,使前后码元波形畸变展宽、出现很长拖尾,其他码元的拖尾蔓延到当前码元的抽样时刻,对判决造成干扰。
6.5 无码间串扰的基带传输特性
时域条件(重要)
要消除码间串扰,需
由于 随机,只能要求
即
取 简写为
物理意义: 在抽样时刻 处只有本码元有值,其余时刻均为零。
频域条件(奈奎斯特第一准则)的推导
令 ,并把积分区间按每段长 分段求和:
作变量代换 ,:
另一方面,把 看成某个以 为周期的函数 的傅里叶级数,其系数为 ,即
由无码间串扰的时域条件 、,得 ,故
奈奎斯特第一准则:基带系统的总特性 只要满足上式,均能消除码间串扰。
物理意义:把 按间隔 分段平移叠加到 内,若叠加结果为常数(等效理想矩形低通),则无码间串扰。
理想低通型
奈奎斯特带宽与最高频带利用率(重要)
- :奈奎斯特带宽;:无码间串扰时的最高码元速率;:最高频带利用率。
- 理想低通 的拖尾按 衰减,抽样定时误差敏感,且物理不可实现,故实际采用滚降。
- 例: 为以 为中心的矩形时,可无码间串扰传输的最大速率 (按 平移叠加验证)。
余弦滚降型
在理想低通特性上叠加滚降段,滚降段中心频率处呈奇对称即可满足奈奎斯特第一准则。
- :滚降带宽,单位 ;:滚降系数,无量纲。
- 频带利用率范围:; 为理想低通(), 为升余弦()。
- 滚降越大,拖尾衰减越快、越易实现,但频带利用率越低。
6.6 基带传输系统的抗噪声性能
噪声模型
信道噪声 为均值为零的高斯白噪声,经接收滤波器后
抽样值为高斯随机变量:
- :输出噪声功率(方差),单位 ;:单边功率谱密度。
误码率计算(重要)
设发"1"时抽样值为 、发"0"时为 ,判决门限 。
发"1"错判为"0":
发"0"错判为"1":
总误码率(全概率公式):
最佳判决门限
令 :
两边取对数:
解得
- :两种码元的抽样电平,单位 ;:先验概率;:噪声功率。
- 等概 时
双极性基带系统(,等概)
单极性基带系统(,等概)
结论:等概条件下,双极性系统的误码率低于单极性系统(相同峰值 时,双极性判决距离为 ,单极性为 )。
6.7 易错点与常考题型
易错点
- 单极性信号一定含直流;双极性等概时无直流、无离散谱(也无定时分量)。
- 占空比越小,带宽越宽(RZ 带宽是 NRZ 的 2 倍)。
- 功率谱连续谱由交变波决定,离散谱由稳态波决定; 时连续谱为零。
- 双极性等概时离散谱为零,故不能从离散谱提取定时;定时信息靠电平跳变。
- HDB3 中 与前一个非零码同极性(破坏 AMI 交替规律), 只是调节码,可能为 0。
- 奈奎斯特准则中的 是常数,不是 ;理想低通时 才有 。
- 是无码间串扰的最高速率;超过它必产生串扰。
- 滚降系数 越大,带宽越大、频带利用率越低()。
- 单极性最佳门限 ,双极性为 ;误码率公式中单极性分母多一个因子 。
常考题型
- 画 NRZ/RZ、单/双极性、差分波形,判断优缺点。
- 由 、 求功率谱(连续谱+离散谱),判断有无直流/定时分量。
- AMI、HDB3 编码与译码(重点,常给序列要求写出码型)。
- 判断给定 是否满足无码间串扰(画 是否为常数)。
- 求理想低通/滚降系统的 、、。
- 求最佳门限与误码率(单/双极性)。
第7章 数字带通传输系统
基本概念
- 数字调制:用数字基带信号控制载波,把数字基带信号变换为数字带通信号。
- 数字解调:把数字带通信号还原成数字基带信号。
- 实现方法:①模拟调制法(把数字基带信号当作模拟信号的特例);②键控法(利用数字信号离散取值特点开关键控载波)。
- 载波:
7.1 二进制数字调制原理
7.1.1 2ASK(振幅键控)
时域
频谱
为单极性非归零矩形脉冲序列,其功率谱为 ,则
带宽
- :码元速率( 数值上与 相同);:载频。
- 产生:模拟相乘法()、数字键控法(开关电路)。
- 解调:包络检波法(全波整流+低通+抽样判决)、相干解调法(乘 +低通+抽样判决)。
- 特点:设备简单、频带利用率较高;抗噪声性能差,对信道特性变化敏感。
7.1.2 2FSK(频移键控)
时域
等价的通断叠加形式:
- 、:两个载频;: 的反码。
- 相位连续/相位不连续两种;键控法产生的 2FSK 一般相位不连续。
频谱
带宽
解调:①包络检波法(两个带通滤波器分别取出 、 支路,各自包络检波,抽样后比较判决);②相干解调法;③过零检测法(单位时间内过零点数反映频率高低:放大限幅→微分→整流→脉冲展宽→低通,频率转换为幅度)。
特点:抗干扰能力较强,不受信道参数变化影响,适合衰落信道;占用频带较宽。ITU 建议数据速率低于 时采用 2FSK。
7.1.3 2PSK(相移键控)与 2DPSK
2PSK(绝对相移键控)
其中 为双极性不归零码。
频谱与带宽
解调:只能相干解调(乘同频同相载波→低通→抽样判决,门限为 0)。
相位模糊问题:同步提取的载波可能为 ,也可能为 ,导致解调结果整体倒置(反码现象),故 2PSK 难以实际应用。
2DPSK(相对相移键控)
用前后相邻码元的载波相对相位差传递信息:
差分编码(遇 1 跳变,遇 0 不变):
差分译码:
- :绝对码;:相对码;:前一码元;初始参考位可任取 0 或 1(取反则得到另一组同样正确的相对码)。
2DPSK 解调
- 方法一(相干解调+差分译码):2PSK 相干解调得到 ,再差分译码得 。
- 方法二(差分相干解调):已调信号延时 后与自身相乘,经低通、抽样判决直接得 (无需恢复载波,故无相位模糊问题)。
7.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能
假设:信道为恒参信道,在信号频带内具有理想矩形传输特性;信道噪声为加性高斯白噪声,且只对接收端产生影响。
信噪比定义(重要)
- :信号幅度(2ASK 中为"1"码幅度,2FSK/2PSK 中为载波幅度),单位 ;:解调器输入端窄带噪声方差,单位 ;:解调器输入端信噪比,无量纲。
7.2.1 2ASK 的抗噪声性能
相干解调
最佳门限 ,故
大信噪比近似:
包络检波
发"1"时抽样值服从广义瑞利分布,发"0"时服从瑞利分布:
- :零阶修正贝塞尔函数;:Marcum 函数;:归一化门限。
- 最佳归一化门限: 时 (即 ); 时 。
- 采用最佳门限时:
- 大信噪比:
7.2.2 2FSK 的抗噪声性能
相干解调
两路输出抽样值之差 ,发"1"时 、:
包络检波
7.2.3 2PSK 与 2DPSK 的抗噪声性能
2PSK 相干解调
等概时最佳门限 :
2DPSK 相干解调+差分译码
设 2PSK 解调误码率为 ,差分译码使误码率变为
- 时 ; 时 。差分译码总使误码率增加,增加系数在 之间。
- 故
2DPSK 差分相干解调
设当前码元与其前一码元同相(判为"0")。两路抽样值分别为
相乘并低通:
判为"1"(错判)的概率
其中
服从广义瑞利分布、 服从瑞利分布:
积分得
由对称性 ,故
二进制系统误码率汇总(重要)
调制方式 相干解调 非相干解调 2ASK 2FSK 2PSK — 2DPSK (相干+差分译码) (差分相干)
7.3 二进制数字调制系统的性能比较
误码率比较
- 相干解调:;2PSK 比 2FSK 好 ,2FSK 比 2ASK 好 。
- 非相干解调:;相邻两者相差约 。
- 相干解调比非相干解调约好 (2DPSK 差分相干与 2PSK 相干也约差 )。
频带宽度
2FSK 带宽最宽,频带利用率最低。
判决门限与信道适应能力
- 2ASK:等概时最佳门限 ,与接收信号幅度有关,随信道特性变化而变,需自适应设置。
- 2FSK:等概时最佳门限为 (比较判决),不需人为设置门限,对信道变化不敏感。
- 2PSK/2DPSK:等概时门限为 ,但 2PSK 存在相位模糊。
选择原则
- 抗噪声性能优先:相干 2PSK、2DPSK;2ASK 最不可取。
- 频带利用率优先:相干 2PSK、2DPSK、2ASK;2FSK 最不可取。
- 功率利用率优先:相干 2PSK、2DPSK;2ASK 最不可取。
- 随参信道(衰落):2FSK 适应能力最好。
综合评价:ASK 设备简单,但抽样判决器不易工作在最佳状态;PSK/DPSK 传输效率高、抗噪性能优于 ASK/FSK,其中绝对 2PSK 因相位模糊少用,MDPSK 应用更广。
7.4 多进制数字调制原理
目的:一个码元传输多个比特,提高频带利用率。 进制每码元携带 比特。
7.4.1 MASK(多进制振幅键控)
- 对应 个电平(多电平调制)。
- 带宽与 2ASK 相同:
- 基带信号频带利用率最高 ;2ASK 最高 ;MASK 可超过 。
- 解调:相干解调(多电平判决)。
7.4.2 MFSK(多进制频移键控)
用 个不同频率分别表示 个码元。
- 解调:非相干包络检波( 个带通滤波器+包络检波+抽样比较判决)。
- 缺点:占用频带宽,频带利用率低;优点:抗干扰能力强,适合衰落信道。
7.4.3 MPSK(多进制相移键控)
可分解为两路 MASK 之和:
故带宽与 MASK 相同。
QPSK(4PSK):每码元 2 比特,4 种相位。两种相位编排:
- A 方式:、、、;
- B 方式:、、、。
采用格雷码(相邻相位只差 1 位),错判到相邻相位时只错 1 比特,降低总误比特率。
QPSK 产生:①相乘电路法(串/并变换 → 双极性码 → 两路相乘 → 相加);②选择法(串/并变换 → 相位选择 → 带通滤波)。
QPSK 解调:相干解调(载波提取、两路相乘、低通、抽样判决、并/串变换)。
7.4.4 MDPSK(多进制差分相移键控)
- 用相对相位差 表示信息;QDPSK 的 A 方式 取 ,B 方式取 。
- QDPSK:相邻码元相位差为 、。
- 产生:串/并变换 → 码变换(绝对码→相对码)→ 相乘/选择法。
- 解调:①极性比较法(QPSK 相干解调 + 逆码变换);②相位比较法(延时 差分相干,两个支路)。
7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能
MASK(相干解调)
MFSK
包络检波:
相干解调:
- 课件注明: 时两者区别可忽略,误码率上界均可近似用 表示( 的确切含义课件未写明,待核对)。
- 比特信噪比:
MPSK(相干解调)
MDPSK(相干解调)
- :符号信噪比;:比特信噪比;:进制数;:每码元比特数。
- 规律: 增大时频带利用率提高,但相同 下误码率增大(抗噪性能下降)。
7.6 易错点与常考题型
易错点
- 2FSK 的带宽是 ,不是 ;2ASK/2PSK/2DPSK 才是 。
- 2PSK 的"0"对应相位 0、"1"对应 (课件约定);2DPSK 的 对应相位差 。
- 差分编码是"遇 1 跳变、遇 0 不变",即 ;差分译码 ,不要与编码混淆。
- 2PSK 相干解调存在相位模糊(反码现象),2DPSK 差分相干可避免。
- 2DPSK 相干+差分译码的误码率 ,比 2PSK 差(约 2 倍),但工程上仍常用。
- 各误码率公式中的 均为解调器输入端信噪比 ,不是输出信噪比,也不是 。
- 2ASK 包络检波最佳门限随 变化(大信噪比 ),2FSK 用比较判决无需门限。
- QPSK 的 A 方式以 为参考、B 方式以 为参考;格雷码排列顺序别混。
- MPSK/MDPSK 误码率中 与 的区别;MDPSK 根号内多因子 。
常考题型
- 画 2ASK/2FSK/2PSK/2DPSK 波形与调制/解调方框图、写表达式、求带宽。
- 2DPSK 差分编码/译码(给绝对码写相对码,或反之)。
- 比较各二进制系统误码率(谁最好、差几 )。
- 给 求 ,或给 反求 。
- 多进制:求 、、频带利用率、误码率。
- QPSK/QDPSK 相位表与格雷码编码。
- 推导类:2ASK 最佳门限、2FSK 比较判决时 的分布、2DPSK 差分相干 。
附录 物理量与公式大总结
表中 为基带最高频率, 为码元速率, 为传输带宽, 为解调器输入端信噪比, 为进制数。表中竖线用 表示绝对值。
| 物理量名称 | 符号 | 单位 | 对应公式 | 适用条件 | 所在章节 |
|---|---|---|---|---|---|
| 波长 | 自由空间传播 | 1.1 | |||
| 信息量 | 离散信源、符号独立 | 1.4 | |||
| 信源熵 | 离散无记忆信源 | 1.4 | |||
| 最大熵 | 各符号等概 | 1.4 | |||
| 码元速率 | 任意数字系统 | 1.5 | |||
| 信息速率 | 进制等概 | 1.5 | |||
| 频带利用率 | 任意数字系统 | 1.5 | |||
| 比特频带利用率 | 任意数字系统 | 1.5 | |||
| 误码率 | 无量纲 | 统计意义 | 1.5 | ||
| 信噪比 | 无量纲 | 模拟系统可靠性 | 1.5 | ||
| 均值 | 同 | 一维分布存在 | 3.1 | ||
| 方差 | 同 | 一维分布存在 | 3.1 | ||
| 自相关函数 | 同 | 广义平稳 | 3.2 | ||
| 协方差函数 | 同 | 任意随机过程 | 3.1 | ||
| 功率谱密度 | 平稳过程 | 3.2 | |||
| 平均功率 | 平稳过程 | 3.2 | |||
| 维纳—辛钦关系 | — | — | 平稳过程 | 3.2 | |
| 高斯概率密度 | 一维高斯 | 3.3 | |||
| 误差函数 | 无量纲 | — | 3.3 | ||
| 互补误差函数 | 无量纲 | — | 3.3 | ||
| 白噪声功率谱 | 全频段恒定 | 3.6 | |||
| 白噪声自相关 | 白噪声 | 3.6 | |||
| 线性系统输出功率谱 | 平稳过程 | 3.4 | |||
| 低通白噪声自相关 | 理想低通 | 3.6 | |||
| 带通白噪声功率 | 理想带通 | 3.6 | |||
| 窄带包络分布 | 零均值平稳高斯窄带 | 3.5 | |||
| 窄带相位分布 | 同上 | 3.5 | |||
| 载波 | 正弦载波 | 5.0 | |||
| DSB 信号 | 线性调制 | 5.1 | |||
| DSB 带宽 | 带宽 | 5.1 | |||
| AM 信号 | 5.1 | ||||
| AM 功率 | AM | 5.1 | |||
| AM 调制效率 | 无量纲 | AM | 5.1 | ||
| SSB 信号 | 相移法 | 5.1 | |||
| SSB 带宽 | SSB | 5.1 | |||
| VSB 无失真条件 | — | — | 5.1 | ||
| 制度增益 | 无量纲 | 解调器 | 5.2 | ||
| DSB 输出信噪比 | 无量纲 | 相干解调 | 5.2 | ||
| SSB 输出信噪比 | 无量纲 | 相干解调 | 5.2 | ||
| 瞬时角频率 | 角度调制 | 5.3 | |||
| FM 信号 | FM | 5.3 | |||
| 最大频偏 | FM | 5.3 | |||
| 调频指数 | 无量纲 | FM | 5.3 | ||
| 卡森带宽 | 单频调制 | 5.3 | |||
| FM 输出信噪比 | 无量纲 | 大信噪比、单频 | 5.4 | ||
| FM 制度增益 | 无量纲 | 大信噪比 | 5.4 | ||
| FM 信号功率 | 任意 | 5.3 | |||
| FM/AM 信噪比 | — | 无量纲 | 大信噪比、AM 100% | 5.4 | |
| 基带信号功率谱 | 二进制随机序列 | 6.2 | |||
| 无码间串扰时域条件 | — | — | ; | 基带系统 | 6.5 |
| 奈奎斯特第一准则 | — | — | , | 无码间串扰 | 6.5 |
| 奈奎斯特带宽 | 理想低通 | 6.5 | |||
| 最高码元速率 | 理想低通 | 6.5 | |||
| 滚降带宽 | 余弦滚降 | 6.5 | |||
| 滚降频带利用率 | 余弦滚降 | 6.5 | |||
| 最高频带利用率 | 理想低通、无 ISI | 6.5 | |||
| 基带第一零点带宽 | NRZ ;RZ | 矩形脉冲 | 6.2 | ||
| 最佳判决门限 | 高斯噪声 | 6.6 | |||
| 双极性误码率 | 无量纲 | 等概、门限 0 | 6.6 | ||
| 单极性误码率 | 无量纲 | 等概、门限 | 6.6 | ||
| 输入信噪比 | 无量纲 | 二进制数字调制 | 7.2 | ||
| 2ASK 相干误码率 | 无量纲 | 相干解调 | 7.2 | ||
| 2ASK 包络误码率 | 无量纲 | 大信噪比 | 7.2 | ||
| 2FSK 相干误码率 | 无量纲 | 相干解调 | 7.2 | ||
| 2FSK 包络误码率 | 无量纲 | 包络检波 | 7.2 | ||
| 2PSK 误码率 | 无量纲 | 相干解调 | 7.2 | ||
| 2DPSK 误码率(相干) | 无量纲 | 相干+差分译码 | 7.2 | ||
| 2DPSK 误码率(差分相干) | 无量纲 | 差分相干 | 7.2 | ||
| MASK 误码率 | 无量纲 | 相干解调 | 7.5 | ||
| MFSK 误码率 | 无量纲 | 包络检波 | 7.5 | ||
| MPSK 误码率 | 无量纲 | 相干解调 | 7.5 | ||
| MDPSK 误码率 | 无量纲 | 相干解调 | 7.5 | ||
| 2ASK/2PSK/2DPSK 带宽 | 二进制 | 7.1 | |||
| 2FSK 带宽 | 二进制 | 7.1 | |||
| MASK 带宽 | 进制 | 7.4 | |||
| MFSK 带宽 | 进制 | 7.4 | |||
| 比特信噪比 | 无量纲 | 进制 | 7.5 |
