通信原理读书笔记.

单工通信:信息只能单方向进行传输的一种通信工作方式,通信的双方只有一个可进行发送,另一个进行接收。说明:只有一方需要发送消息,只用一条消息通道。
半双工通信:通信双方都能收发信息,但不能同时进行收和发的工作方式。
某一时段:A -> B ;另一时段:A <-B ;说明:只有一条消息通道,双方轮流发送消息。全双工通信:通信双方可同时进行收发消息的工作方式
所谓有效性,是指消息传输的“速度”问题,而可靠性主要是指消息传输的“质量”问题。在实际通信系统中,对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的,提高系统的有效性会降低可靠性,反之亦然。因此在设计通信系统时,对两者应统筹考虑。有效性:所传信号的有效传输带宽。可靠性:接收端解调器输出信噪比,是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。信噪比越高,说明噪声对信号的影响越小。显然,信噪比越高,通信质量就越好。输出信噪比一方面与信道内噪声的大小和信号的功率有关,同时又和调制方式有很大关系。调频信号的抗干扰能力比调幅的好。数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来表征。
对于连续消息,该电信号的参量将连续取值,这样的信号称为模拟信号,如图(a所示。对于离散消息,该电信号的参量将取离散值,这样的信号称为数字信号,如图(b所示。信道中传输的是模拟信号称模拟通信。信道中传输的是数字信号称数字通信。
模拟信号:1、原始的电信号(一般指未调制过的信号瞬时值(状态无限,如正弦信号.语音信号.图像信号等。2、已调信号(载波一般为正弦信号参数A(幅度、F(频率、P(相位的取值(状态数有无限多种。如图1.23所示。数字信号:1、原始的电信号的瞬时值状态数有限;如计算机.电报机等输出的信号2、已调信
2.2.1平稳随机过程的定义
若一个随机过程ξ(t的任意有限维分布函数与时间起点无关,也就是说,对于任意的正整数n和所有实数∆,有
121
21212(, , , , ,
,
(, , , , , , n n n
n n
n
f x x x t t t f x x x t t t =+∆+∆+∆ ; ;
则称该随机过程是在严格意义下的平稳随机过程,简称严平稳随机过程。
图1.26数字频带传输通信系统
信源编码:提高信息有效性完成A/D转换。
加密:实现保密通信。
信道编码:提高抗干扰能力。
调制器:频率搬移;原始的电信号->调制(频带信号。
解调器:反向频率搬移;调制(频带信号->原始的电信号。
图1.27数字基带传输通信系统
1.2.3数字通信系统的特点
目前,无论是模拟通信还是数字通信,在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是,数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求,数字通信技术已成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比,它有如下优点:(1抗干扰能力强,数字信号可以再生而消除噪声积累。(2传输差错可控,改善了传输质量。(3易于使用现代数字信号处理技术对数字信号进行处理。(4易于加密,可靠性高。(5易于实现各种信息的综合传输。缺点:(1设备复杂。(2对同步要求高。(3需要更宽的带宽。
(5按工作波段分类:根据通信设备的工作频率或波长不同,分为长波通信、中波通信、短波通信和远红外线通信。
(6按信号复用方式分类:频分复用(FDM :每个信号占用不同的频率范围。
时分复用(TDM :每个信号占用不同的时间区间。
码分复用(CDM :每个信号使用一组正交码字中的一个或多个码字。
通信方式:
(1按信息传输的方向与时间关系划分通信方式:
==⎰
1
211
1221212
(, [( ( ]
(, ; (
R t t E t t x x f x x d x d x R ξξτττ∞∞-∞
-∞
=+=
=⎰⎰
结论:平稳随机过程(1其均值与t无关,为常数a ; (2自相关函数只与时间间隔τ有关。
把同时满足(1和(2的过程定义为广义平稳随机过程。
2.2.2各态历经性
(4接收设备:已调信号->原始的电信号
(5受信者:原始的电信号->消息
(6噪声源:整个系统中各部分产生的噪声和干扰的集中体现1.2.2模拟通信与数字通信系统模型通信传输中的两类消息:
离散消息:消息的状态是可数的和有限的。连续消息:消息的状态连续变化。
说明:消息被载荷在电信号的某一参量上,通过信道进行传输。
调制方式:模拟载波调制:幅度调制(AM,频率调制(FM,相位调制(PM。
数字载波调制:幅度键控(ASK,移频键控(FSK,移相键控(PSK。
脉冲调制:脉冲幅度调制(PAM,脉冲宽度调制(PDM,脉冲位置调制(PPM,脉冲编码调制(PCM。
(3按信号特征分类:模拟通信系统和数字通信系统。
(4按传输煤质分类:有线通信系统和无线通信系统。
1.2通信系统的组成
通信系统:实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体
模拟通信:信道中传输的是模拟信号。数字通信:信道中传输的是数字信号。1.2.1通信系统的一般模型
图1.21通信系统一般模型
各功能模块描述:
(1信息源:消息->原始的电信号(基带信号
(2发送设备:原始的电信号->已调(适合于信道传输信号(3信道:信号传输的媒质或通道
号:参数A(幅度F (频率P (相位状态数有限。
如图1.24所示。图1.22模拟信号和数字信号
正弦:
AM :
FM :
二进制代码二进制基带信号t t
t
2ASK
2FSK
图1.23模拟信号图1.24数字信号
模拟通信系统模型如下图1.25所示:
图1.25模拟通信系统模型
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统和数字基带传输通信系统,如下图1.26及图1.27所示
2.1.1随机过程的数字特征
在大多数情况下,用随机过程的数字特征来部分地描述对机过程的主要特性: (1均值(数学期望
在任意给定时刻t1的取值ξ (t1是一个随机变量,其均值
[]111111
( (, E t x f x t dx ξ∞
-∞
=
⎰
式中f (x1,t1 (t1ξ-的概率密度函数,由于t1是任取的,所以可以把t1直接写为t , x1改为x ,
平稳过程在满足一定的条件下具有一个有趣而又非常有用的特性,称为“各态历经性” (又称“遍历性”。具有各态历经性的过程,其数字特征(均为统计平均完全可由随机过程中的任一实现的时间平均值来代替。
“各态历经”的含义是:随机过程中的任一次实现都经历了随机过程的所有可能状态。因此,在求解各种统计平均(均值或自相关函数等时,无需作无限多次的考察,只要获得一次考察,用一次实现的“时间平均”值代替过程的“统计平均”值即可,从而使测量和计算的问题大为简化。
(/
B R B Hz B
η=
或(
/b R b s Hz B
η=
⋅
数字通信系统的可靠性用差错率来衡量。差错率常用误码率和误信率来表示。误码率Pe :是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例
P e =
接收的错误码元数传输总码元数
误信率Pb :又叫误比特率,是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例
码元传输速率RB :单位时间传送码元的数目,单位为波特(Baud,记为B
信息传输速率Rb (传信率或比特率:单位时间内传送的平均信息量或比特数,单位为比特/秒,简记为b/s或bps。
频带利用率:比较不同通信系统的有效性时,单看他们的信息传输率是不够的,还应看在这样的传输速率下所占信道的频带宽度,定义为单位带宽内的传输速率:
-∞
=--=
--⎰⎰
式中a( t1 a( t2 -在t1和t2时刻得到的ξ (t的均值f2 (x1, x2; t1, t2 - ξ (t的二维概率密度函数。
(5互相关函数1212(, [( (]R t t E t t ξηξη=
式中ξ(t和η(t分别表示两个随机过程。因此, R(t1, t2又称为自相关函数。2.2平稳随机过程
(, ; , R t t E t t x x f x x t t d x d x ξξ∞-∞
-∞
==
⎰⎰
式中, ξ (t1和ξ (t2分别是在t1和t2时刻观测得到的随机变量。可以看出, R(t1, t2是两个变
量t1和t2的确定函数。
(4协方差函数
{}
12112211222121212
(, [( (][( ( ][(][(](, ; , B t t E t a t t a t x a t x a t f x x t t dx dx ξξ∞∞-∞
1.2.4通信系统的分类及通信方式
通信系统的分类:
(1按通信业务类型分类:根据通信业务类型的不同,通信系统可分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等。
(2按调制方式分类:基带传输系统和频带(调制传输系统。基带传输是将没有经过调制的信号直接传送,如音频市内电话;频带传输是对基带信号调制后再送到信道中传输。
这样上式就变为[]1( (, E t x f x t d x
ξ∞-∞
=
⎰
(2方差}{2[( ][( ( ]D t E t a t ξξ=-
方差常记为σ 2( t。方差等于均方值与均值平方之差,它表示随机过程在时刻t对于均值a ( t
的偏离程度。
(3相关函数
1
212
122121212
(, [( ( ]
具有各态历经的随机过程一定是平稳过程,反之不一定成立。在通信系统中所遇到的随机信号和噪声,一般均能满足各态历经条件。2.2.3平稳过程的功率谱密度
定义：对于任意的确定功率信号f (t，它的功率谱密度定义为对于任意的确定功率信号Pf ( f = lim T →∞ FT ( f T 2式中，FT ( f是f (t的截短函数f T (t所对应的频谱函数。的截短函数功率谱密度的计算：维纳-辛钦关系辛钦关系非周期的功率型确知信号的自相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换。这种关系对平稳随机过非周期的功率型确知信号的自相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换这种关系对平稳随机过P (ω = ∫ R(τ e− jωτ dτ ξ −∞ ∞程同样成立，即有：R(τ = 1 2π ∫ ∞ −∞ Pξ (ω e jωτ d ω简记为R(τ ⇔ P ( f ξ以上关系称为维纳-辛钦关系。以上关系称为它在平稳随机过程的理论和应用中是一个非常重要的工具，它是联系频域和时域两种分析方法的基本关系式它是联系频域和时域两种分析方法的基本关系式。2.3高斯白噪声和带限白噪声（1）白噪声n (t，定义：功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声，即n Pn (f = 0 ( −∞ < f < +∞－双边功率谱密度2 Pn ( f = n0 (0 < f < +∞－单边功率谱密度边功率谱密度白噪声的自相关函数：对双边功率谱密度取傅里叶反变换对双边功率谱密度取傅里叶反变换，得到相关函数：n R (τ = 0 δ (τ 2白噪声和其自相关函数的曲线：：由于白噪声的带宽无限，其平均功率为无穷大其平均功率为无穷大，即∞ n n 0 R (0 = ∫ df = ∞或R (0 = 0 δ (0 = ∞ −∞ 2 2因此，真正“白”的噪声是不存在的的噪声是不存在的，它只是构造的一种理想化的噪声形式。实际中，只要噪声的功率谱均匀分布的频率范围远远大于通信系统的工作频带，我们就可以把它视只要噪声的功率谱均匀分布的频率范围远远大于通信系统的工作频带，为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称之为高斯白噪声。高斯白噪声在任意两个不同时刻上的随机变量之间，不仅是互不相关的，而且还是统计独立的高斯白噪声在任意两个不同时刻上的随机变量之间而且还是统计独立的。（2）低通白噪声定义：如果白噪声通过理想矩形的低通滤波器或理想低通通道则输出的噪声称为低通白噪声。如果白噪声通过理想矩形的低通滤波器或理想低通通道，则输出的噪声称为低通白噪声n0 f ≤ fH功率谱密度Pn ( f = 2 0其它
P b =
接收的错误比特数传输总比特数
2. .随机过程
2.1随机过程的基本概念
随机过程是一类随时间作随机变化的过程,它不能用确切的时间函数描述。可从两种不同角度看:角度1:对应不同随机试验结果的时间过程的集合。角度2:随机过程是随机变量概念的延伸。随机过程在任意时刻的值是一个随机变量。因此,我们又可以把随机过程看作是在时间进程中处于不同时刻的随机变量的集合。
说明:同时有两条消息通道,任何时刻双方轮流发送消息
(2按数字信号码元排列方式不同划分:可将通信方式分为串行传输和并行传输。
并行传输:有n条信号线,每次传输n个比特。串行传输:只有一条信号线,每次传输一个比特。1.2.5通信系统的主要性能指标
设计和评价一个通信系统,往往要涉及到许多性能指标,如系统的有效性、可靠性、适应性、经济性及使用维护方便性等。这些指标可从各个方面评价通信系统的性能,但从研究信息传输方面考虑,通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。
性质:平稳随机过程的统计特性不随时间的推移而改变,即它的一维分布函数与时间t无关:
11111(, (
f x t f x =
而二维分布函数只与时间间隔τ = t2 – t1有关: 21212212(, ; , (, ; f x x t t f x x τ=
数字特征: []111
1( ( E t x f x d x a ξ∞-∞
数字基带信号可以直接传输大多数信道如各种无线信道和光信道则是带通型的数字基带信号必须经过载波调制如各种无线信道和光信道数字基带信号必须经过载波调制频谱搬移到高载处才能在信道中传输我们把这种传输称为数字频带调制或载波频谱搬移到高载处才能在信道中传输调制或载波传输
通信原理课程报告
1.绪论
1.1通信的基本概念(常用通信术语通信:信息的传输与交换,以语言、图像、数据为媒体,通过电(光信号将信息由一方传输到另一方。信息:信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。(获取信息->减小或消除不确定性通信中对信息的表达分为三个层次:信号、消息、信息。