通信原理详细笔记

通信原理详细笔记
第一章绪论
1.1 现代通信与信息社会
通信：communication，信息交流；T elecommunication，电信号的处理和传输
信息社会，信息网，通信网
1.2 通信系统的组成
通信系统：通信中所需要的一切技术设备和传输媒质构成的总体。

数字通信的缺点：
占据系统频带宽，因此数字通信的频带利用率不高。

对同步要求高，因而系统设备比较复杂。

不过，随着光纤等的采用和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。

数字通信将占主导地位。

1.3.3按传输媒质分类
按传输媒质分，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。

有线通信：是用导线（如架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等）作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。

无线通信：是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。

1.3.4 按信号复用方式分类
传输多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用和码分复用。

频分复用: 用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；
时分复用: 用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；
码分复用: 用正交的脉冲序列分别携带不同信号；
说明：传统的模拟通信中都采用频分复用，随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用愈来愈广泛，码分复用主要用于空间通信的
扩频通信中。

1.3.5 按通信方式分类
对于点到点之间的通信，按消息传送的方向与时间的关系，通信方式可分为:
单工通信:指消息只能单方向传输的工作方式。

例如遥控、遥测、广播、电视等。

半双工通信:指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式。

例如使用同一载频工作的无线电对讲机。

全双工通信:全双工通信是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。

例如电话。

数字通信中，按照数字信号码元排列方法不同，通信方式可分为: 串行传输:是指数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。

远距离数字通信大多采用串行传输方式。

并行传输:是指将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。

近距离数字通信可采用并行传输方式。

1.4 通信技术发展概况
通信的发展目标---个人通信
目标是实现：个人通信系统 (PCN)
个人通信(PC)：任何人在任何时间与任何地点以任何形式的通信“任何时间” 要求支持运动中通信: 无线通信是前提
“任何人” 要求支持巨大用户量: 频谱资源有限
“任何地点” 要求无缝覆盖: 传输能力有限
“任何形式” 要求多媒体: 处理能力有限
1.5 通信系统的性能度量
通信系统的主要性能指标是有效性和可靠性。

有效性: 指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”。

可靠性: 指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”。

1.5.1模拟通信系统
有效性:用有效传输频带来度量。

可靠性:用接收端最终输出信噪比来度量。

说明：不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。

如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。

1.5.2 数字通信系统
有效性可用传输速率来衡量。

–码元传输速率
–信息码元传输速率
可靠性可用差错率来衡量。

–误码率（码元差错率）
–误信率（信息差错率）
1.传输速率
码元传输速率R
B：
简称传码率，又称符号速率。

表示：单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。

例如: 若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。

数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:
M进制码元速率RBM与二进制码元速率RB2的关系：
R
B2=R
BM
log
2
M (B)
信息传输速率R
b
简称传信率，又称比特率。

表示：单位时间内传递的平均信息量或比特数；单位：比特/秒，可记为bit/s 、 b/s 或bps。

码元速率和信息速率的关系：R
b =R
B
2H (b/s)
说明：H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。

等概传输时，有最大熵log2M，R
b =R
B
log
2
M (b/s)
，频带利用率η
意义：比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。

2.差错率
衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。

误码率（码元差错率）Pe：指码元在传输系统中被传错的概率，即
指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，
误信率（信息差错率）P
b：
第3章模拟线性调制系统
调制的目的：将消息变换为便于传输的形式。

也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和效；提高性能，特别是提高抗干性；有效的利用频带。

调制的概念：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。

其中包括调制映射，傅立叶变换(OFDM)，频率搬移等等。

AM小结
优点：结构简单，实现容易。

缺点：
–功率效率非常低，最大为1/3
–频谱效率也不高，为信号最高频率的2 倍。

应用：中短波段AM广播。

DSB小结
优点：
功率利用率较高（与AM相比）。

缺点：
解调复杂。

DSB信号不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调。

节省了载波功率，但频带与AM信号同，是调制信号带宽的2倍。

应用：
FM立体声中的差信号调制，彩色TV系统中的色差信号调制，以及正交调制等。

说明：
只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称特性，则采用同步解调法解调残留边带信号就能准确地恢复所需的基带信号。

残留边带滤波器的截止特性具有很大的选择自由度。

但有选择自由度并不意外着对?°陡峭程度?±就没有制约了。

残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间存在着矛盾，在实际中，需要恰当处理。

3.5.6 思考
为什么双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高？
双边带信号DSB调制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解调把
噪声中的正交分量抑制掉，从而使噪声功率减半的缘故。

双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带调制的更好？
不能。

只是双边带信号所需的传输带宽是单边带的２倍。

实际上，双边带和单边的抗噪性能是相同的。

第4章模拟角度调制系统
什么是角调制
角调制是载波相角随调制信号做变化的过程，由于调制过程并非基带信号频谱的简单平移或线性变换，故称为非线性调制。

第 5 章模拟信号的数字传输
模拟信号转化为数字信号又称为A/D变换传输到接收端在转换为模拟信号称为D/A变换。

5.1 脉冲编码调制(PCM)基本原理
脉冲编码调制(PCM)：用一组二进制代码来代替连续信号的抽样值的通信方式（将模拟信号的抽样量化值变换成代码）。

抽样：按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号。

量化：把幅度上仍连续的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。

编码：用二进制码组表示量化后的M个样值脉冲。

编码器送出来的是串行二进制码，是典型的数字信号，经变换调制后（基带或频带传输）在信道上传输，接收端再还原为二进制代码。

5.2 抽样定理
理想低通信号的抽样定理
定理：一个频带限制在(0，fH)内的连续信号x(t),如果抽样频率fS 大于或等于2fH,则可以由抽样序列{x(nTS)}无失真地重建恢复原始信号x(t)。

意义：若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身,可以只传输按抽样定理得到的抽样值。

因此，抽样定理为模拟信号的数字传输奠定了理论基础。

由于δ
T (t)是周期性函数，其频谱δ
T
(ω) 必然是离散的：
δ
T
(ω)= δ(ω-nω
s
),
ω
s
=2πf
s
= 2π/T
s
5.2.3 带通抽样定理
思考：对于带通型信号，如果按fs≥2f
H
抽样，虽然能满足频谱不混叠的要求。

但这样选择fs太高
了，它会使0~f
L
一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道的利用率。

为了提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频谱不混叠，那么fs到底怎样选择呢？
高频窄带信号，f
H 大而B小，f
L
当然也大。

因此带通信号通常可按2B速率抽样。

当 f
S
> 2B(1+M/N) 时可能出现频谱混叠现象（这一点是与低频现象不同的）
带通抽样定理在频分多路信号的编码以及语音信号的子带编码器中有很重要的应用
定义：抽样后的脉冲幅度（顶部）随被抽样信号变化，或者说保持了抽样信号的变化规律。

定义：抽样后信号中的脉冲均具有相同的形状－顶部平坦的矩形脉冲。

在实际应用中，恢复信号的低通滤波器也不可能是理想的，因此考虑到实际滤波器可能实现的特选的大一些，一般f s=（2.5~3）f H。

例如语音信号频率一般为 300~3400 Hz，性，抽样速率fs要比2f H
抽样速率f s一般取8000 Hz。

以上按自然抽样和平顶抽样均能构成PAM通信系统，也就是说可以在信道中直接传输抽样后的信号，但由于它们抗干扰能力差，目前很少实用。

它已被性能良好的脉冲编码调制(PCM)所取代。

量化信噪比随量化电平数M的增加而提高。

均匀量化器广泛应用于线性A/D变换接口，例如在计算机的A/D 变换中，常用的有 8位、12位、 16位等不同精度。

在遥测遥控系统、仪表、图像信号的数字化接口等中，也都使用均匀量化器。

在语音信号数字化中，均匀量化有一个明显的不足：量化信噪比随信号电平的减小而下降。

5.5.2 非均匀量化
定义：非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。

信号幅度越小，量化间隔Δv 也小；反之亦反。

优点：
–首先，当输入信号具有非均匀分布的概率密度(实际中常常是这样)时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信噪比；
–其次，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。

因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化
信噪比。

压缩特性的近似实现
早期的A律和μ律压扩特性是用非线性模拟电路实现的。

电路实现这样的函数规律是相当复杂的，因而精度和稳定度都受到限制。

随着数字电路特别是大规模集成电路的发展，另一种压扩技术——数字压扩，日益获得广泛的应用。

它是利用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性。

?在实际中常采用的方法
（1）13折线近似A律压缩特性（2）15折线近似μ律压缩特性
我国的PCM30/32 路基群也采用A律13折线压缩特性。

CCITT 建议G.711规定在国际间数字系统相互连接时，要以A律为标准。

因此这里重点介绍A律13折线。

13折线来历
其中第1，2段斜率相同(均为16)，因此可视为一条直线段，故实际上只有7根斜率不同的折线。

?对于双极性语音信号，在第三象限也有对称的一组折线，也是7根，但其中靠近零点的1、2段斜率也都等于16，与正方向的第1、2段斜率相同，又可以合并为一根，因此，正、负双向共有23(8-1)-1=13 折，故称其为13折线。

5.5 PCM编码原理
将模拟信号的经过抽样、量化变换为数字信号，然后再变换成代码传输，这种方式称为脉冲编码调制(PCM)。

5.5.2 PCM编码规则
码位数：码位数决定了量化分层的数量。

在信号变化范围一定时，用的码位数越多，量化分层越细，量化误差就越小，通信质量当然就更好。

但码位数越多，设备越复杂，同时还会使总的传码率增加，传输带宽加大。

在A律13折线PCM 编码中，采用8位二进制码，对应有M=28=256个量化级。

这需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的8个段落被划分成8316=128个不均匀的量化级。

特点：
段内的16个量化级均匀划分，段落长度不等，属于非均匀的量化级。

小信号时，段落短，量化间隔小。

大信号时，段落长，量化间隔大。

第一、二段最短，只有归一化的1/128，再将它等分16小段，每一小段长度为最小的量化级间隔Δ ，它是输入信号归一化值的1/2048，代表一个量化单位。

第八段最长，它是归一化值的1/2，将它等分16小段后，每一小段归一化长度为 1/32 ，包含64个最小量化间隔，记为64Δ。

5.5.3 PCM的译码
译码的作用：把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号，即进行D/A变换。

7/12变换关系
在译码器中都有一个加Δ
/2电路（在有效码后加1），等效于将量化电平移到量化间隔的中间，
i
/2。

因此其最大量化误差一定不会超过Δ
i
如上例中，I
位于第8段的序号为3的量化级，7位幅度码1110011对应的分层电平为1216Δ，则译
s
码输出为1216+Δi/2=1216+64/2=1248Δ，量化误差为1260-1248=12Δ＜64Δ/2 ，不是44Δ。

即量化误差小于量化间隔的一半。

第 6 章自适应差分脉码调制
6.1 概述 PCM的缺点
虽然PCM编码已得到了广泛应用，但PCM信号占用频带要比模拟通信系统中的一个标准话路带宽（3.1kHz）宽的多，这样对于大容量的长途传输系统，尤其是卫星通信，采用PCM的经济性很难与模拟通信相比。

语音压缩编码技术：以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求的目标。

通常，人们把话路速率低于64kb/s的语音编码方法，称为语音压缩编码技术。

自适应差分脉冲编码调制ADPCM是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，可在32kb/s的速率上达到64kb/s的PCM数字电话质量，已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。

对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。

可以在量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。

这种利用差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM）。

基本思想
利用相邻抽样值之间的相关性。

具体的方法是用前面若干时刻传输的抽样值来预测当前要传输的样值，然后对预测的误差而不是样值本身进行编码、传输。

在接收端再用接收的预测误差来修正当前的预测值。

6.2 DPCM的基本原理
对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。

可以在量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。

这种利用差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM）。

基本思想：利用相邻抽样值之间的相关性。

具体的方法是用前面若干时刻传输的抽样值来预测当前要传输的样值，然后对预测的误差而不是样值本身进行编码、传输。

在接收端再用接收的预测误差来修正当前的预测值。

说明
总的量化信噪比(S/N)q：把差值序列作为信号时量化器的量化信噪比，与PCM系统考虑量化误差时所得信噪比相当。

Gp：为DPCM系统相对于PCM系统而言的信噪比增益，称为预测增益。

如果能够选择合理的预测规律，差值功率E［e2n］就能远小于信号功率E［x2n］，Gp就会大于1，该系统就能获得增益。

对DPCM 系统的研究就是围绕着如何使Gp和(S/N)q 这两个参数取最大值而逐步完善起来的。

通常Gp约为6-11 dB。

Note：DPCM系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。

因此, 要求DPCM系统达到与PCM系统相同的信噪比，则可降低对量化器信噪比的要求，即可减小量化级数，从而减少码位数，降低比特率。

6.3 自适应预测
定义：预测器系数随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到高预测增益。

预测的基本的方法是线性预测。

如果能够选择合理的预测规律，就能获得增益。

对DPCM系统的研究就是围绕着如何使Gp和(S/N)q 这两个参数取最大值而逐步完善起来的。

自适应预测的常见方法有：前向自适应预测、后向序贯自适应预测、梯度符号算法等。

6.4 自适应量化
在DPCM基础上，用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测发展了ADPCM。

在维持相同的话音质量下，ADPCM允许用32kb/s比特率编码，是标准64kb/s的PCM的一半，在长途传输系统中，有远大的前景。

第7章增量调制
增量调制简称ΔM,它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化方法。

增量调制获得应用的主要原因:在比待率较低时,增量调制的量化信噪比高于PCM;增量调制的抗误码性能好。

能工作于误比待率为的信道,而PCM则要求误比特率为；增量调制的编译码器比PCM简单。

7.1 简单增量调制原理
定义:用相邻样值的相对大小（增量）同样能反映信号的变化规律,将增量编码传输的方式称为ΔM。

基本思想:用一个阶梯波去逼近一个
模拟信号
作用:对差值e(t)的极性进行识别和判决，以便在抽样时刻输出数码（增量码）c(t)，即如果在给定抽样时刻ti上有e(ti)=m(ti)-m1(ti)<0，则判决器输出“1”码；如有 e(ti)=m(ti)-m1(ti)>0 ，则输出“0”码。

与DPCM的关系
由于ΔM前后两个样值的差值的量化编码, 所以ΔM实际上是最简单的一种DPCM方案，预测值仅用前一个样值来代替，即当DPCM系统的预测器是一个延迟单元。

量化电平取为2时，该DPCM系统就是一个简单ΔM系统。

增量调制的过载特性：当信号频率过高时,本地译码信号会出现跟不上信号变化的现象,称为“过载” 。

最大跟踪斜率：在给定量化间隔(也称量阶)Δ的情况下, Ts为抽样周期，Δ／Ts称为临界过载情况下最大跟踪斜率。

简单ΔM的信噪比与成三次方关系。

即抽样频率每提高一倍,量化信噪比提高9dB。

通常记作9dB ／倍频程。

因此,一般ΔM的抽样频率至少在16kHz以上才能使量化信噪比达到15dB以上。

32kHz 时,量化信噪比约为26dB,只能满足一般通信质量的要求。

量化信噪比与信号频率的平方成反比。

即信号每提高一倍频率,量化信噪比下降6dB。

记作-6dB／倍频程。

因此简单ΔM时语音高频段的量化信噪比下降。

7.2 数字压扩自适应增量调制
简单增量调制的缺点：简单增量调制量化噪声功率是不变的, 因而在信号功率S下降时,量化信噪比也随之下降,如式
与简单ΔM比较：差别在于增加了连“1”连“0”数字检测电路和音节平滑电路,脉冲幅度调制器代替了固定幅度的脉冲发生器。

数字压扩ΔM与简单ΔM相比,编码器能正常工作的动态范围有很大的改进。

数字压扩自适应增量调制就是为了克服简单增量调制上述缺点的一种方案。

增量总和调制(Δ-∑调制)是针对简单ΔM的过载电压幅度随信号频
率提高而下降这一缺点而提出的又一调制方式。

7.3 增量总和调制
将输入信号先进行积分,使信号高频分量幅度下降,然后再进行ΔM 调制。

在接收端必然要进行一次微分,以补偿发端积分后引起的频率失真。

若积分器与微分器是互补的,则接收端积分器与微分器均可省去,使电路得到简化。

最大量化信噪比与信号频率无关。

应用：由于实际语音的高频分量较小,一般电话机内都有项加重网络,加强高频分量以提高清晰度,因此电话机输出语音频谱具有较平坦的特性,而Δ-∑调制的频率响应能较好地与电话机输出频谱相匹配。

PCM与△M的性能比较
1.PCM系统（N>4）的量化信噪比高于ΔM系统
2.ΔM系统的误码信噪比(即抗信道噪声能力)高于PCM系统；
3.当Pe<10－6时，可忽略PCM系统的误码噪声；
4.当Pe>10－6时，可忽略ΔM系统的误码噪声；
5.应用：PCM常用在光纤通信、微波通信等信道噪声较小的通信系统中，ΔM则用于卫星通信、
军对专用通信网等信道噪声比较大的通信系统中。

第9章数字信号的基带传输
基带传输的研究意义：基带传输不如频带传输应用广泛但对基带传输的研究仍有意义，因为：
频带传输里也同样存在基带传输问题，即，基带传输中包含频带传输的基本问题。

线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统。

基带传输方式在迅速发展。

目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输。

9.1 数字基带信号的码型
码型：数字信号的电脉冲结构称为码型。

码型变换：数字信息的电脉冲表示过程中传输代码之间的变换称为码型变换。

码型变换的选择：与传输信道相匹配。

有利于提取同步时钟。

提
高抗误码能力。

数字基带信号码型的分类
根据码型所包含的电平幅度取值区分：
二元码：
NRZ RZ 差分码数字分相码 CMI码 5B6B码
三元码
信号交替反转码 HDBn码 HDB3码
多元码
M进制码 2B1Q码 ISDN所应用的144kbps
9.1.2二元
单极性非归零码
— Not Return Zero code在整个码元期间电平保持不变.
—零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1.
双极性非归零码
_正电平和负电平分别表示“1”和“0”。

_整个码元期间电平保持不变。

Note：这种码型中不存在零电平。

单极性归零码
—零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1.
—发送“l”时在整个码元期间高电平只持续一段时间,的其余时间内则返回到零电平。

三者的特点
具有丰富的低频分量和直流分量。

不能用于采用交流耦合的信道传输。

如果出现长“1”或“0”序列，没有跳变，不利于接收端时钟信号的提取。

不具有检测错误的能力，相邻码之间不存在相关制约的关系
差分码编码规则:“1”与“0”分别用电平跳变或者不变表示。

电平变表示1，不变表示0，也可以反过来。

特点:差分码称为相对码,用差分波形传送代码可以消除设备初始状
态的影响，在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。

数字双相码表示:用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。

一种编码规则: “0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示，例如：
代码：1 1 0 0 1 0 1
双相码： 10 10 01 01 10 01 10
特点：因为双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富含位定时信息。

因为这种码的正、负电平各半，所以无直流分量, 编码过程也简单。

带宽比原信码大1倍。

传号反转码编码规则：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示，如1 1 0 0 1 0 1。

特点:(1).有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。

(2).可用来宏观检错。

由于10为禁用码组，不会出现3个以上的连码。

(3). CMI码易于实现，是CCITT推荐的PCM高次群采用的接口码型，在速率低于8.448 Mb/s的光纤传输系统中有时也用作线路传输码型。

5B6B码编码规则：将5位二元输入码编成6位二元输出码。

特点：定时提取容易，低频分量小，迅速同步。

5位输入码编成6位输出码存在冗余。

在变换时尽可能让“1”“0”元等概出现。

应用在高速数字光纤系统中。

三元码的特点：信号码流中具有三种电平：＋A，0，－A。

实现时并非输入码和输出码电平一一对应，三种电平实际上代替了两种输入码元，因此将这种三元码称为伪三元码或者准三元码。

传号交替反转码编码规则:将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0” (空号)保持不变。

例如：消息代码：
1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 …
AMI码：。