通信原理复习大纲

第1章 绪论
一、 本章知识点
1、概念
本章有许多基本概念，可作为填空、选择题。

2、计算
1) 信息量和熵的计算。

2) 码元速率、信息速率、频带利用率、误码率的计算。

二、 本章小结
1. 通信的最初含义是指由一地向另一地传递消息，现已扩展到包含交换、网络等。

本课程
主要研究传输。

消息是指信源所产生的信息的物理表现。

信息是指消息中所包含的对受信者有意义的内容。

2. 信号是指消息的物理载体。

通信系统中的信号常指电信号。

根据原来承载消息的信号参
量是连续取值还是离散取值，信号可分为模拟信号和数字信号。

3. 根据信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可分为模拟通信系统和数字通信系统。

与
模拟通信系统相比，数字通信系统优点突出，因而得到广泛应用。

4. 本章介绍的通信系统模型均属点对点通信模型。

在这些模型中，主要完成两种变换：非
电量↔电量，基带信号↔频带信号。

前者把各种非电信号变换为电信号，从而利用电通信系统进行传输；后者利用调制技术进行频谱搬移，以适应在带通型信道中传输。

此外，亦存在有直接以基带信号进行传输的系统−基带通信系统；它无需载波调制，只适用于低通型信道。

在数字通信系统中，常采用各种编码技术来达到特定目的。

5. 信息量是对消息源发出的消息所包含的信息进行度量的重要参数。

若消息x 出现的概率
为P （x ），则它所包含的信息量I=)(log X P a -，通常a=2，则I 的单位为bit 。

对于由M 个离散独立等概率消息（符号）组成的消息源，它发送的每个消息（符号）所包含的信息量为M 2log （bit ）。

对于离散独立非等概率消息（符号）组成的消息源，则采用
平均信息量−每个符号所包含的信息量的统计平均值（称为熵）来描述
∑∑===-=M i M
i i i i i x I x P x P x P x H 112)()()(log )()( （bit/符号）
等概时具最大熵M x H 2log )(= （bit/符号）
6. 有效性和可靠性是通信系统的两个重要的性能指标。

在模拟通信系统中，有效性用带宽
（B ）表示，可靠性用信噪比（SNR ）表示。

在数字通信系统中，有效性用传输速率表示，可靠性用差错率表示。

传输速率包括码元速率（B R ）和信息速率（b R ），两者之间的关系是b R =B R H 。

在等概条件下，2b R =2B R （二进制等概时两速率数值上相等），
bM R =M R BM 2log （M 进制等概时，两速率相差M 2log 倍）。

差错率包括误码率和误比特率。

7. 频带利用率)(b B ηη的定义是单位频带（1Hz ）能提供的码元（信息）传输速率。

B R B B /=η
Bd/Hz ，B R b b /=η bit/(s·Hz)。

它能更全面地衡量传输的有效性。

三、思考题
1. 数字通信有哪些特点？
答：相对模拟通信，数字通信具有以下特点：
① 其所传输的信号是离散或数字的；
② 抗干扰能力强，数字信号可以再生，从而消除噪声积累；
③ 传输差错可以控制；
④ 便于使用现代数字信号处理技术对数字信号进行处理；
⑤ 便于加密，可靠性高；
⑥ 便于实现各种信息的综合传输。

2. 按调制方式，通信系统如何分类？
答：根据是否使用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。

基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对各种信号调制后传输的总称。

3. 按传输信号的特征，通信系统如何分类？
答：按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。

4. 按传送信号的复用方式，通信系统如何分类？
答：传送多路信号有三种复用方式：频分复用（FDM ）、时分复用（TDM ）和码分复用（CDM ）。

5. 通信系统的主要性能指标是什么？
答：通信系统的性能指标涉及其可靠性、有效性、适应性、标准性、经济性等，主要性能指标有两个：传输速率和差错率，传输速率可以用码元速率或信息速率来表征，可靠性可以用误码率或误信率来表征。

6. 什么是误码率？什么是误信率？它们之间的关系如何？
答：误码率e P 是码元在传输系统中被传错的概率。

误信率b P 是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例。

一般地，M 进制中，误信率比误码率更底，二进制中，误信率和误码率在数值上相等。

7. 什么是码元速率？什么是信息速率？它们之间的关系如何？
答：码元速率B R 定义为每秒传输码元的数目，单位是波特（Baud ）。

信息传输速率b R 又称为信息速率或传信率，单位是比特/秒（bit/s ）。

由于码元速率并未限定码元的进制，不同的进制中，表示一个码元的比特数不同。

在二进制中，码元速率与信息速率在数值上相等，只是单位不同。

在M 进制中，设信息速率为b R bit/s ，码元速率为M R B Baud ，则有
b R =M R M 2log B
8. 未来通信技术的发展趋势如何？
答：相对模拟通信系统，数字通信系统具有诸多优点，尤其可以方便的实现加密解密，可靠性高，易于实现各种信息的综合传输，未来通信技术将必然以数字通信技术为主，各种类型的信息都在统一的通信网中传送。

9. 什么是信源符号的信息量？什么是离散信源的信源熵？
答：信息符号中所包含的有用信息的多少就是信源符号的信息量。

信源符号所含的信息量I 与该信息符号出现的概率有关，信息符号出现的概率越小，其所包含的信息量就越大，反之信息量就越小。

离散信号所有符号所包含的信息量的平均值就是离散信号的信源熵。

当离散信源的所有符号独立等概出现时，其信源熵的值达到最大。

第3章 随机过程
一、 本章知识点
基本概念：
平稳随机过程、高斯过程、白噪声通过线性系统。

二、 本章小结
1． 通信系统的任务是传输信号，但又不可避免地存在噪声。

信号和噪声都是随机的，同
称随机过程。

信号的随机性，即不可预测性，实是它所携带的信息，因而是有用的。

噪声的随机性是有害的（对接收信号的损伤）。

这样，通信系统的分析就必须用概率统计方法来进行。

2． 高斯过程是指：任意n 维分布均服从高斯（正态）分布的过程。

通信系统的噪声常为
高斯型。

3． 白噪声是指功率谱密度在整个频域内均为均匀分布的噪声。

根据需要，定义了双边谱密度+∞<<∞-=ωωξ，2
)(0n P 和单边谱密度+∞<≤=ωωξ0)(0，n P 。

理想白噪声并不存在。

实际上，只要功率谱均匀分布的范围远大于通信系统的工作频带，即可视为白噪声。

4． 高斯白噪声是常见的通信系统的信道噪声。

“高斯”是指：概率密度为高斯分布；“白”
是指：功率谱密度为均匀（在所研究的频率范围内）。

高斯白噪声的任意两个不同时刻的样值之间均统计独立。

信道中的高斯白噪声在经由接收机输入端的带通滤波器后就成
为高斯窄带噪声。

若白噪声的单边谱密度为0n ，带通滤波器的带宽为B ，并设信道和带通滤波器无损耗，则带通滤波器输出端（解调器输入端）的噪声功率N i =n 0B 。

5． 窄带随机过程是指满足窄带（0>><<c c f f B ，）条件的随机过程。

第4章 信道
一、 本章知识点
除了概念题，计算题主要集中在下列几点：
（1）恒参信道中的不失真传输条件：
幅频条件
相频条件
或群迟延特性
（2）信道容量 C=Blog 2(1+S/N)
二、 本章小结
1． 信道是通信系统中的重要环节，它具有两大特点：一是不可缺少（用于传输信息）；二
是它是通信中噪声的主要来源。

2． 信道的含义有狭义和广义两种。

狭义信道是指信号的传输媒质。

按照传输方式，狭义
信道可分为有线和无线信道两种。

狭义信道可分为恒参信道和随参信道两种。

恒参信道是指信道传输参数恒定（时不变）的信道。

随参信道是指信道传输参数随时间随机变化的信道。

3． 广义信道有调制信道和编码信道两种。

调制信道范围是从调制器输出端到解调器输入
端，其内部传输的是已调信号；它是一种模拟信道恒参信道，可等效为线性时变网络。

编码信道范围是从编码器输出端到译码器输入端，其内部传输的是已编码信号，它是一种数字信道，可用转移概率描述。

4．恒参信道是指：传输参数恒定（或变化缓慢）的信道，它可以等效为线性时不变网络。

在理想的恒参信道中，其幅频特性应是水平直线，相频特性应是直线（或群迟延特性为水平直线）。

“理想”是指不会引起任何线性失真。

在通信系统设计时，可采用精心设计或均衡技术来减少线性失真。

5．随参信道是指：传输参数随时间变化（且是随机变化）的信道。

由于传输参数时变，从而导致传输信号振幅（由于衰耗）时变，传输信号相位（由于时延）时变，从而包络衰落，频率弥散。

在进一步考虑多径效应后，又会出现频率选择性衰落。

在随参信道中，可采用分集技术来对抗衰落。

分集技术的核心是“分散接收，集中利用”。

6．加性噪声是以相加方式（与信号相加）出现的噪声。

起伏噪声是加性噪声的典型代表，其一般特点是：在时域、频域均普遍存在，且不可避免。

起伏噪声包括热噪声、散弹噪声和宇宙噪声，它们均是高斯白噪声。

7．信道容量是信道得以无差错传输时的信息速率的最大值。

需注意三点：一是条件：无差错传输；二是信道容量是指信息速率，因为单位是bit/s；三是它是最大值，从而是理论极限，或是理想指标，实际系统不能超过。

香农公式C=Blog2(1+S/N)是连续信道的信道容量，其条件是：信号为高斯分布，噪声为加性高斯白噪声。

香农公式指出了理论极限的存在，未能指明实现途径（具体方式），但人们可把它作为努力的方向，另外可以“带宽换信噪比”。

第5章模拟调制系统
一、本章知识点
基本概念：AM、DSB、SSB、FM、PM的表达式、功率、带宽、产生和解调的方法。

二、本章小结
1．调制即按调制（基带）信号的变化规律去改变载波某一（些）参数的过程。

调制信号可以是模拟信号、数字信号，载波可以是连续波、脉冲，于是就有四种调制方式。

2．模拟连续波调制即调制信号是模拟信号、载波为连续波的一种调制方式，简称为模拟调制，为本章的内容。

3． 模拟调制包括幅度调制和角度调制。

幅度调制就是载波幅度随调制信号线性变化的调
制方式。

它是一种线性调制，其“线性”的含义是调制过程仅是频谱的平移（频谱内部相对结构不变），是线性变换。

线性变换的含义是边带的变换服从叠加原理。

角度调制就是载波相角随调制信号而变化的调制方式，是一种非线性调制。

4． 幅度调制原理：
AM 信号的特点是其振幅（包络）变化正比与调制信号幅值。

DSB 信号就是在AM 信号中去除载频分量。

SSB 信号是DSB 信号中只保留一个边带。

VSB 信号是DSB 信号中保留一个边带大部分（或全部）以及另一个边带的小部分。

从波形看，只有AM 信号才保留调幅的原始含义，其振幅变换规律与调制信号幅值相一致。

其余信号（DSB 、SSB 、VSB ）已不再有此规律。

5． 角度调制原理：
包括调频（FM ）和调相（PM ）两种。

FM 信号的频偏)(t ω∆与调制信号幅值m(t)成正比，PM 信号的相移)(t ϕ与调制信号幅值m(t)成正比，这是区别FM 和PM 的准则。

6． 模拟调制系统性能小结
● 在带宽节省方面：SSB 最好，AM/DSB 次之，FM 最差；
● 在信噪比改善方面：FM 最好，SSB/DSB 次之，AM 最差；
● 在功率利用率方面：FM 最好，SSB/DSB 次之，AM 最差；
● 在设备复杂性方面：AM 最好，FM/DSB 次之，SSB 最差。

7． 非相干解调（包络检波）时存在门限效应。

因而要求输入信噪比高于门限（如10dB ）
才能正常工作。

门限效应应缘于包络检波器解调的非线性。

相干解调不存在门限效应。

第6章 数字基带传输系统
一、 本章知识点
除了概念题外，本章的考点大致如下：
1. 6种基带信号波形和频谱特性
2. 基带传输码型的编译及其特点
3. 码间串扰和奈奎斯特第一准则
4. 理想低通传输特性和奈奎斯特带宽
5. 眼图和均衡的概念
二、 本章小结
1. 有四种最基本的数字基带码波形：单极性NRZ ，双极性NRZ ，单极性RZ ，双极性RZ 。

单极性码波形有直流，且接收端判决电平不固定，因而应用受限。

双极性码波形等概时无直流，且接收端判决电平固定（为零），因而应用广泛。

与NRZ 相比，RZ 码波形的主要缺点是带宽大，主要优点是位与位之间易于分清，尤其是单极性RZ 波形存在f s 离散分量，可用于位定时。

2. 数字通信系统的一个重要特点是：在接收端有抽样判决器（用于再生数字基带信号），
抽样判决器需要位定时（同步）脉冲进行抽样，因而位定时信息的提取—位同步就成为一个值得关注的课题。

本章的码型编码亦具有此功能。

经码型编码后，1B2B 码具有丰富的位定时信息；其中，数字双相码的最长连码（连0、连1）个数为2，CMI 码为3，密勒码为4。

AMI 码、HDB3码以及双极性RZ 码波形中无位定时信息，此时只需先将它们整流成为单极性RZ 码，就可提取位同步信息。

3. 码型编码解决传输码型选择（设计）问题，以满足易于提取位同步信息0、1均衡，具
内在检错能力等要求。

其代价是牺牲了有效性，例如1B2B 是1位二进制（有两种状态）变为2位二进制（有四种状态）。

码型编码是从后者的四种状态中选择出某两种状态（称为许用码组），来与前者的两种状态一一对应，而舍弃另两种状态（称为禁用码组）。

以双相码作为例子：编码后的2位共有00、01、10、11四种状态，今取10表示1，01表示0（亦可相反）作为许用码组，而舍弃00、11不用（禁用码组），就牺牲了有效性。

其他，如1B1T 码、nBmB （m=n+1）、4B3T 码等均属此。

4. 无码间干扰问题。

在不考虑信道噪声的条件下，把发送滤波器、信道、接收滤波器合成
一个网络统一考虑，该网络满足无无码间干扰需满足的条件为：
时域条件0
00)(≠=⎩⎨⎧=k k C kT h s
频域条件s s n T C T n H πωπω≤=+
∑)2(
有三类消除码间干扰的系统：理想低通系统、滚降系统、部分响应系统。

三、思考题
1. 数字基带信号有哪些常见的形式？它们各有哪些特点？
答：数字基带信号的常见形式有：单极性码、双极性码、单极性归零码、双极性归零码、差分码及多元码。

单极性码的特点：基带信号的0电位及正电位分别与二进制符号0及1一一对应，信号在一个码元时间内，不是有电压，就是无电压，电脉冲之间无间隔，极性单一。

该波形经常在近距离传输时（比如印刷制板内或相近印刷制板之间传输时）被采用。

双极性码的特点：二进制符号0、1分别与正、负电位相对应，电脉冲之间无间隔。

但是当0、1符号可能出现时，将无直流成分。

该波形常在CCITT 的V 系列接口标准或RS-232C 中使用。

单极性归零码的特点：它的有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电位。

该波形常在近距离内实现波形变换时使用。

双极性归零码的特点：此时相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。

差分码的特点：把信息符号0和1反映在相邻码元的相对变化上。

它所代表的信息符号与码元本身电位无关，而仅与相邻码元的电位变换相关。

差分码波形常在相位调制系统的码变换器中使用。

多元码的特点：波形的一个脉冲可以代替多个二进制符号，在高数据速率传输系统中，经常采用这种信号形式。

2. 什么是HDB 3码、差分双相码和AMI 码？有哪些主要特点？
答：HDB 3码是三阶高密度双极性码，它的编码原则是：先把消息代码变换成AMI 码，然后去检查AMI 码的连零情况，没有4个或4个以上的连零串时，这时的AMI 码就是HDB 3码；当出现4个或4个以上的连零串时，将每4个连零小段的第4个0变换成与前面非0符号同极性的符号，称为V 符号（破坏符号）。

当相邻V 符号之间有偶数个非零
符号时，再将该小段的第1个0变换成+B或-B（平衡符号），B符号的极性同前一非零符号的极性相反，并让后面的非0符号从V符号开始再交替变化。

它的主要特点是：HDB3码保持了AMI码的优点，还增加了使连零串减少到至多3个，对于定时信号的恢复是十分有利的。

HDB3码是CCITT推荐使用的码型之一，是一、二、三次群的接口码型。

差分双相码是先把输入的NRZ波形变换成差分波形，用差分波形实现绝对双相码编码，即对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去代替。

此时的输出相对于输入NRZ波形，称之为差分双相码。

它的主要特点是：提供定时分量，无直流漂移，编码过程简单。

但是码的带宽要宽些。

该码在本地局域网中经常被使用。

AMI码是将消息代码0（空号）仍变换成传输码的0，而把1（传号）交替地变换成传输码的+1，-1。

它的主要特点是：
优点：①0、1不等概时也无直流；②零频附近的低频分量小；③整流后即为RZ码；
④编译码电路简单且便于观察误码情况。

缺点：连0码多时，AMI整流后的RZ码连0也多，不利于提取高质量的位同步信号（位同步抖动大）。

AMI码是一种基本的线路码，在高密度信息流的数据传输中，得到广泛采用。

第7章数字带通传输系统
二、本章知识点
除了概念题外，本章的考点大致如下：
1．二进制数字调制原理和调制解调器；数字调制的基本类型；
2．2ASK、2FSK、2PSK 和2DPSK信号的表达式和时域波形；
3．2ASK、2FSK、2PSK 和2DPSK信号的频谱特性和传输带宽；
4．最佳判决门限的概念、物理意义和计算方法；
5．二进制数字调制系统的性能比较
二、 本章小结
1. 基本概念
数字信号的传输
① 数字基带传输（第6章）——适用于低通信道。

② 数字频带传输（本章）——适用于带通信道。

数字频带传输：对数字基带信号先进行调制（数字调制），变成已调信号后再进行传输。

⎩⎨⎧—正弦波
—载波—数字信号—调制信号数字调制，故又称数字连续波调制，正弦载波数字调制。

与模拟调制（第5章）相比：
相同点——载波相同。

① 都是以正弦波进行调制；
② 调制的目的都是频谱搬移：把基带信号频谱搬移到正弦载波频率（f c ）附近，以便与信
道频率特性相匹配；
③ 由于正弦波有振幅、频率、相位三个参量，因而相应地都有振幅调制AM （ASK ）、频
率调制FM （FSK ）、相位调制PM （PSK ）三种调制方式。

不同点——调制信号不同。

模拟调制：调制信号是模拟信号（连续取值），调制过程是以调制信号对载波参量作连续调制，解调过程是对已调载波的参量作连续估值。

数字调制：调制信号是数字信号（离散取值），调制过程是以载波参量的离散状态来表征数字信息，解调过程是对已调载波的离散参量进行检测。

数字调制是指：调制信号是数字信号，载波是正弦波的调制。

由于数字信号可视作模拟信号的特例（取值离散），因而数字调制亦可视作模拟调制的特例。

2. 二进制数字调制原理
① 2ASK 数字信号控制载波振幅
掌握：
表达式和波形
产生方法：模拟调制法（相乘法）和键控法。

解调方法：非相干解调（包络检波）和相干解调
② 2FSK 数字信号控制载波频率
掌握：
表达式和波形
产生方法：模拟调频法和键控法。

解调方法：非相干解调（包络检波）和相干解调
③ 2PSK 数字信号控制载波相位
掌握：
表达式和波形
产生方法：模拟调制法（相乘法）和键控法。

解调方法：相干解调
有相位模糊——倒π现象，故2PSK 不实用，而采用2DPSK 。

④ 2DPSK 数字信号控制载波相对相位
掌握：
表达式和波形
产生方法：模拟调制法（相乘法）和键控法。

解调方法：相干解调（极性比较法）和差分相干解调（延迟相干解调，相位比较法）
2DPSK 信号与2PSK 信号的差异仅在于差分编码，它们信号的表达式、功率谱、带宽相同。

3. 二进制调制系统比较
4. 与二进制数字调制相比，多进制数字调制的优点是：可以提高频带利用率b η。

这样，
在传输带宽B 相同时，可提高信息传输速率R b ；或在信息传输速率R b 相同时，可减少传输带宽B 。

两者均表明：提高了有效性。

对于MASK 、MPSK （含MDPSK ）、MQAM ，其b η是2ASK 、2PSK 的M 2log 倍。

另一方面，其代价是降低了可靠性。

三、思考题
1. 什么是数字调制？它和模拟调制有哪些异同？
答：数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也是只要对载波信号的离散调制参量进行检测。

数字调制和模拟调制在原理上并没有什么区别，只不过模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端则对载波信号的调制参量连续地进行估值，而数字调制只是对载
波信号的参量进行离散调制，在接收端则也只需对载波信号的调制参量减小估值。

2. 什么是振幅键控？2ASK 信号的波形有什么特点？
答：振幅键控：通过用载波幅度的有无来表征所传送的信息。

就象通过开关电路控制一样。

2ASK 信号的波形的特点：信息二进制符号“1”由有载波来表征，二进制符号“0”对应没有载波。

3. OOK 信号的产生及解调方法如何？
答：OOK 信号的产生方法有两种：一种是一般的模拟幅度调制方法，如图6-1（a ）所示，如图6-1（b ）所示是一种键控方法，这里的开关电路受s(t)控制。

6-1（a ） 图6-1（b ）
OOK 信号有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。

4. 什么是频移键控？2FSK 信号的波形有什么特点？
答：频移键控是指不同的载波频率来表征所传送的数字信息。

2FSK 信号的波形的特点：信息二进制符号“0”对应于载频1ϖ，而二进制符号“1”对应于载频2ϖ，且1ϖ与2ϖ之间的改变是瞬时完成。

5. 什么是绝对移相？什么是相对移相？它们有何区别？
答：绝对移相就是用载波的相位直接表示码元；相对移相就是用前后相邻码元的相对载波相位值表示数字信息。

相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对值）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而成。

第9章 模拟信号的数字传输
一、 本章知识点
1、概念
本章有许多基本概念，可作为填空、选择题、是非题。

2、计算
1) 抽样：
① 已抽样信号频谱特点、画法，混叠概念，尤其是H s f f 2 的条件。

② 带通信号抽样定理，已抽样信号频谱画法。

③ 自然抽样、瞬时（平顶）抽样概念，已抽样信号在时域、频域的特点。

2) 量化：量化特性
3) 编码：编码信号码率、带宽。

4) A 律13折线编、译码方法，译码结果、译码输出、量化误差。

二、 本章小结
1. 模拟信号的数字传输是指：把模拟信号先变换为数字信号后，再进行传输。

由于与模拟
传输（相比），数字传输（通信）有着众多的优点，此变换成为A/D 变换。

变换是把模拟基带信号变换为数字基带信号，尽管后者的带宽会比前者大得多，但本质上仍属于基带信号。

此一传输可直接采用基带传输，或经数字调制后再作频带传输。

2. A/D 变换包括抽样、量化、编码三个步骤，如图7-1所示。

图7-1 A/D 变换三个步骤
图中，抽样完成时间离散化过程，所得m(kTs)为PAM 信号（仍是模拟信号）；量化完成幅值离散化过程，所得)(s q kT m 为多电平PAM 信号（属数字信号）；编码完成多进制（电平）到二进制（电平）的变换过程，所得s(t)是二进制编码信号（数字信号）。