通信原理

信道特性对信号传输的影响
恒参信道的主要传输特性通常可以用其振幅-频率特性和相位-频率特性来描述。 随参信道存在多径效应。接收端接收信道 R(t)可以表示为
其中，
,
，为接收信号 的包络；
，为接收信号 的相位
接收信号 R(t)可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号。通常将多径效应引起的衰落称为快衰落。长时 间变化引起的衰落称为慢衰落。 对于给定频率的信号，使信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落现象。由于这种衰落和频率有关，故常称为频 率选择性衰落。 为了使信号基本不受多径传播的影响，要求信号的带宽小于多径信道的相关带宽( )。 多径效应会使数字信号的码间串扰增大，为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。 可以将经过信道传输后的数字信号分为三类。第一类称为确知信号，即接收端能够准确知道其码元波形的信号，这 是理想情况。第二类称为随机相位信号，简称随相信号，这种信号的相位由于传输时延的不确定而带有随机性，使 接收码元的相位随机变化。即使经过恒参信道传输， 大多数也属于这种情况；第三类称为起伏信号，这时接收信 号的包络随机起伏、相位也随机变化，通过多径信道传输的信号都具有这种特性。 热噪声又常称为白噪声，由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，故常将热噪声称 为高斯白噪声。 按照性质分类，噪声可以分为脉冲噪声、窄带噪声和起伏噪声三类。
并行传输的优势是节省传输时间，速度快。缺点是需要 n 条通信线路，成本高，一般只适用于设备之间的近距离通 信。 串行传输的优势是只需要一条通信信道，所需线路铺设费用低。缺点是速度慢，需要外加同步措施以解决收、发对 方码组或字符的同步问题。
一、有效性 有效性指传输一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率。 对于模拟通信系统，传输同样的信源信号，所需的带宽越小，频带利用率越高，有效性越好。信号带宽与调制 方式有关。 对于数字通信系统，其频带利用率定义为单位带宽（每赫）内的传输速率，即
将
定义为信号的功率谱密度 P(f)。
确知信号的时域性质
1. 能量信号的自相关函数 能量信号 s(t)的自相关函数的定义为
自相关函数反映了一个信号与延迟 后的同一信号间的相关程度。自相关函数与时间 t 无关，只和时间差 有关。 能量信号的自相关函数的傅里叶变换就是其能力谱密度。
和
构成一对傅里叶变换。
2. 功率信号的自相关函数
第四章 信道
无线信道
在无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸不 小于电磁波波长的 1/10. 根据通信距离，频率和位置的不同，电磁波的传播可分为地波(ground wave)传播、天波(sky wave)传播（或称电离层 反射波）、视线(line of sight)传播三种。 地波：频率较低（约 2MHz 以下）的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。 天波：频率较高（2MHz~30MHz）的电磁波称为高频电磁波，能够被电离层反射。反射高频电磁波的主要是 F 层。 高频信号主要是依靠 F 层作远程通信。 视线：频率高于 30MHz 的电磁波将穿透电离层，不能被反射回来。它沿地面绕射的能力也很小。所以，它只能类 似光波那样作视线传播。为了增大其在地面上的传播距离，最简单的办法就是提升天线的高度从而增大视线距离。 利用人造卫星作为转发站（或称基站）将会大大提高视距，即卫星通信方式。 电磁波在大气层内传播时会受到大气的影响。大气（主要是其中的氧气和水蒸气）及降水都会吸收和散射电磁波， 使频率在 1GHz 以上的电磁波的传播衰减显著增加。电磁波的频率越高，传播衰减越严重。在一些特定的频率范围 内，由于分子谐振现象而使衰减出现峰值。 电磁波还可以经过散射方式传播。散射和反射不同。无线电波的反射特性类似光波的镜面反射特性。而散射则是由 于传播媒体的不均匀性，使电磁波的传播产生向许多方向折射的现象。散射传播分为电离层散射、对流层散射和流
称|S(f)|2 为能量谱密度，它表示在频率 f 处宽度为 df 的频带内的信号能量，或者可以看作是单位频带内的信号 能量。 四、 功率信号的功率谱密度 由于功率信号具有无穷大的能量，不能计算功率信号的能量谱密度。但是，可以求它的功率谱密度。首先将信
号 s(t)截短为长度为 T 的一个截断短信号
。这样， 就成了一个能量信号了。所以我们
(Baud/Hz)
或
(b/(s Hz))
RB 为码元传输速率，定义为单位时间（每秒）传输码元的数目，单位为波特（Baud），又称 RB 为波特率。码元 速率决定了发送信号所需的传输带宽。 设每个码元的长度为 TB(s)，则有
(Baud) Rb 为信息传输速率，又称比特率。它定义为单位时间内传输的平均信息量，单位为比特/秒(b/s)。 因为一个 M 进制码元携带 log2M 比特的信息量，所以码元速率和信息速率有以下确定的关系，即
第一章 绪论
模拟信号—载荷消息的信号参量取值是连续(不可数，无穷多)的。有时也称连续信号，连续是指信号载荷的消息的 参量连续变化，在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。 数字信号—载荷消息的信号参量只有有限个取值。最典型的数字信号只有两种取值的信号，如二电平信号和二相位 信号等。码元表示一个符号（数字或字符串）的电波形，它占用一定的时间和带宽。
分量的模相加，就等于物理上实信号的频谱的模。 二、 能量信号的频谱密度
能量信号的傅里叶变换 S(f)定义为它的频谱密度，而 S(f)的逆傅里叶变换就是原信号。 能量信号的频谱密度 S(f)和周期性功率信号的频谱 Cn 的主要区别有两点：第一，S(f)是连续谱，Cn 是离散谱； 第二，S(f)的单位是伏/赫(V/Hz)，而 Cn 的单位是伏(V)。 能量信号的能力有限，并分布在连续频率轴上，所以在每个频率点 f 上信号的幅度是无穷小；只有在一小段频 率间隔 df 上才有确定的非零振幅。功率信号的功率有限，但能量无限，它在无限多的离散频率点上有确定的非 零振幅。 三、 能量信号的能量谱密度 信号 s(t)的能量为
模拟通信系统模型
利用模拟信号来传递信息的通信系统。包含两种重要变换。在发送端把连续消息变换成原始电信号，在接收端进行 相反的变换。原始电信号通常称为基带信号，基带的含义是基本频带，即从信源发出或送达信宿的信号的频带，它 的频谱通常从零频附近开始。有些信道可以直接传输基带信号，有些不可以。就需要第二种变换，把基带信号变换 成适合在信道中传输的信号，并在接收端进行反变换，即调制和解调。
星余迹散射三种。 目前民用无线电通信中应用最广的是蜂窝网和卫星通信。蜂窝网工作在特高频(UHF，0.3G~3G)频段，卫星通信则工 作在特高频和超高频(SHF, 3G~30G)频段。
有线信道
明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。传输损耗低，对噪声干扰比较敏感。 对称电缆是由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制造成的。传输损耗较明线大，性能较稳定。 同轴电缆则是由内外同心圆柱形导体构成的，在这两根导体间用绝缘体隔离开。
其能量等于一个有限正值，但平均功率为零。 2. 功率信号
其平均功率等于一个有限正值，但能量为无穷大。
确知信号的频域性质
即频率特性，由其各个频率分量的分布表示。 一、 功率信号的频谱
周期性的功率信号展开成傅里叶级数，系数 Cn 即频谱函数。频谱函数 Cn 一般是一个复数。双边谱中的负频谱 仅在数学上有意义；在物理上，并不存在负频率。可以认为，若将数学上频谱函数的负频率分量的模和正频率
平稳过程的功率谱密度 平稳过程的功率谱密度函数与其自相关函数也是一对傅里叶变换（维纳-辛钦定理），是联系频域和时域两种分析方 法的基本关系式。 如果随机过程 的任意 n 维(n=1,2,…)分布均服从正态分布，则称它为正态过程或高斯过程。若线性系统的输入过 程是平稳的，那么输出过程也是平稳的；若线性系统的输入为高斯过程，则系统输出也是高斯过程。 若 随 机 过 程 的 谱 密 度 集 中 在 中 心 频 率 fc 附 近 相 对 窄 的 频 带 范 围 内 ， 即 满 足
条件，且 远离零频率，则称该 为窄带随机过程。 一个均值为零的窄带平稳随机过程 ，它的同相分量 和正交分量 同样是平稳随机过程，且均值为零，方 差也相同。此外，在同一时刻得到的 和 是互不相关的或统计独立的。 正弦波加窄带高斯噪声的包络分布 f(z)与信噪比有关。小信噪比时，f(z)接近于瑞利分布；大信噪比时，f(z)接近于高 斯分布；一般情况下，f(z)才是莱斯分布（广义瑞利分布）。 如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则成为高斯白噪声。
或
假设每个二进制码元的持续时间为 Tb，则 Tb 与 TB 有如下关系：
一般情况下比特率大于波特率 二、可靠性
模拟通信系统的可靠性通常用接收端输出信号与噪声功率比(S/N)来度量，它反映了信号经过传输后的“保真” 成都和抗噪声能力。S/N 与调制方式有关，比如调频信号的 S/N 比调幅的高，即抗噪能力强。但是，调频信号 所需的传输带宽比调幅的宽。可见，有效性和可靠性是一对矛盾。 数字通信系统的可靠性可用差错概率来衡量。差错概率常用误码率和误信率表示。 误码率
数字通信系统模型
利用数字信号来传递信息的通信系统。 1. 信源编码与译码
一是提高信息传输的有效性，即通过某种压缩编码技术设法减少码元数目以降低码元速率。二是完成模/数转 换，即当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器将其转换成数字信号。 2. 信道编码与译码 进行差错控制 3. 加密与解密 4. 数字调制与解调 把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。基本的数字调制方式有振幅键控 ASK， 频移键控 FSK，相对相移键控 DPSK。在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。 5. 同步 使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。按照同步 的作用不同，分为载波同步，位同步，群同步和网同步。 数字通信的缺点是可能需要较大的传输带宽，同步要求高。 根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统和带通传输系统。 传输多路信号有三种基本复用方式：频分复用，时分复用，码分复用。码分复用是用正交的编码分布携带不同信号。 此外，还有波分复用，空分复用。