通信原理

作者参照《通信原理第七版》樊昌信版将大体知识点列出。本书主要阐述各种现代模拟通信和数字通信的基本原理、方法及传输性能，在重点论述传统通信技术基本理论的基础上，力求充分反映国内外通信技术的最新发展状况。全书共10章，包括绪论、随机过程、信道、模拟调制系统、模拟信号的数字传输、数字基带传输系统、数字频带传输系统、数字信号的最佳接收、同步原理、差错控制编码。

通信原理

• 第四章 信道
  • 概述
    • 狭义信道
      • 有线信道——明线、电缆、光纤
      • 无线信道——自由空间或大气层
    • 广义信道
      • 调制信道——研究调制/解调问题
      • 编码信道——研究编码/译码问题
  • 无线信道
    • 电磁波的传播方式
      • 地波
        • 频率： < 2 MHz 特性：有绕射能力 距离：数百或数千米 用于：AM广播（地面空气）
      • 天波
        • 频率：2~30 MHz 特性：被电离层反射 距离：< 4000 km（一跳） 用于：远程、短波通信
      • 视线传播
        • 频率： > 30 MHz 特性：直线传播、穿透电离层 用途：卫星和外太空通信 超短波及微波通信 距离：与天线高度有关
          • D 为收发天线间距离 (km)
        • 增大视线传播的其他途径
          • 微波中继（微波接力） 卫星中继（静止卫星、移动卫星） 平流层通信
  • 有线信道
    • 明线
    • 对称电缆
    • 同轴电缆
      • 基带同轴电缆： 50Ω，多用于数字基带传输 速率可达10Mb/s 传输距离<几千米
      • 宽带（射频）同轴电缆： 75Ω，用于传输模拟信号 多用于有线电视（CATV）系统 传输距离可达几十千米
    • 光纤
      • 结构：纤芯、包层
      • 按折射率分类： 阶跃型 梯度型
      • 按模式分类： 多模光纤 单模光纤
  • 信道的数学模型
    • 调制信道模型
      • 模型：叠加有噪声的线性时变/时不变网络
      • 共性
        • 1.有一对（或多对）输入端和输出端 2.大多数信道都满足线性叠加原理 3.对信号有固定或时变的延迟和损耗 4.无信号输入时，仍可能有输出（噪声）
      • • • n（t）为加性噪声/加性干扰
        • f函数
          • C(t)反映信道特性
      • 随参信道：c（t）只能用随机过程表述 恒参信道：c（t）信道特性基本不随时间变化
    • 编码信道模型
      • 模型：可以用转移概率描述
  • 信道特性对信号传输的影响
    • 恒参信道
      • 线性时不变系统----特点：传输特性随时间缓慢变化或不变
      • 传输特性
      • 无失真传输
        • 特性曲线
      • 冲激响应
        • • 若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:
            • 固定的时延td 固定的衰减K----无失真传输
      • 失真
        • 幅频失真
        • 相频失真
          • 群迟延失真:
    • 随参信道
      • 传输特性随时间随机快变的信道
      • 特性
        • 1.衰减随时间变化 2.时延随时间变化 3.多径传播
        • 多径效应
          • • 幅度恒定 频率单一 经过n条路径传播
          • • 复杂信号f（t）
            • 信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。——频率选择性衰落
              • 减小措施：
  • 信道中的噪声
    • 信道中存在的不需要的电信号，它独立于信号始终存在---又称加性干扰
    • 类型
      • 按噪声来源
        • 人为
        • 内部
        • 自然
          • 热噪声
            • 性质：高斯白噪声
            • 电压有效值
            • k = 1.38×10∧-23（J/K）－ 波兹曼常数， T － 热力学温度（ºK） R － 阻值（Ω），B － 带宽（Hz）
      • 按噪声性质
        • 脉冲噪声
        • 窄带/单频噪声
        • 起伏噪声
    • 例子
      • 信道加性噪声n(t) ----代表：起伏噪声（高斯白噪声）
      • n(t) ⤳ BPF ⤳ 窄带高斯噪声
  • 信道容量
    • 指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率
    • 信源发送的平均信息量（熵）
    • 信息传输速率 R —— 信道每秒传输的平均信息量
    • 因信道噪声损失的平均信息量
      • • 条件概率
    • • r ‒信道每秒传输的符号数为（符号速率）
      • 信道容量 Ct ——最大信息传输速率：对一切可能的信源概率分布，求R的最大值：
        • 含义：每个符号能够传输的最大平均信息量
    • 连续信道容量
      • 白噪声背景下的连续信道容量为： （香农公式）
      • 信道容量 C依赖于 B、S 和 n0 1.增大 S 可增加 C，若S ->无穷，则C->无穷； 2.减小 n0 可增加 C，若n0 -> 0，则C->无穷； 3. 增大 B 可增加 C，但不能使 C无限制增大。 当 B->无穷 时，C 将趋向一个定值：1.44S/n0
      • 等价式：
        • S － 信号平均功率（W）；B － 带宽（Hz） n0 －噪声单边功率谱密度；N = n0B －噪声功率（W）
• 第五章 模拟调制系统
  • 调制简介
    • 调制：把消息信号搭载到载波的某个参数上 解调：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号
    • 目的
      • 进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸
      • 实现多路复用，提高信道利用率
      • 改善系统性能（有效性、可靠性）
      • 实现频率分配 ......
    • 分类
      • 调制信号类型
        • 数字调制
        • 模拟调制
      • 载波信号的类型
        • 连续波调制
        • 脉冲调制
      • 已调信号的频谱结构
        • 线性调制
        • 非线性调制
      • 正弦载波的受调参量分
        • 幅度调制
        • 频率调制
        • 相位调制
  • 幅度调制（线性调制）原理
    • 一般模型
      • 边带滤波器h(t)
    • AM
      • • 条件：
      • 波形
      • 特点
        • AM波的包络正比于调制信号m(t)，故可采用包络检波
        • AM传输带宽是调制信号带宽的两倍：
      • 缺点
    • DSB
      • • 条件：
      • 特点
        • 调制效率100，即功率利用率高
        • 缺点：相干解调
    • SSB
      • 滤波法
      • 相移法
        • 希尔伯特变换（幅度不变，相移 π/2 ）
      • 特点
        • 频带利用率高
        • 低功耗
        • 缺点：接收设备复杂，相干解调
    • VSB残边带
  • 线性调制系统的抗噪性能
  • 非线性调制（角度调制）原理
  • 调频系统的抗噪性能
  • 各种模拟调制系统的比较
  • 频分复用
• 主题
• 第三章 随机过程
  • 随机过程基本概念
    • 定义
      • 横向看：随机过程是所有样本函数的集合
      • 概要
      • 纵向看：随机过程是在时间进程中处于不同时刻的随机变量的集合
    • 属性：
    • 特性描述：
    • 随机过程的分布函数
      • 一维
        • 分布函数
        • 概率密度函数
      • 二维
      • n维
    • 数字特征
      • 均值
        • 随机过程的n个样本函数曲线的摆动中心
      • 方差
        • 随机过程在时刻 t 对于均值的偏离程度 。
      • 自相关函数
        • 同一过程的关联程度
      • 互相关函数
        • 两个过程的关联程度
  • 平稳随机过程
    • 狭义平稳
      • 随机过程的统计特性与时间起点无关
        • 一维分布则与时间t 无关 二维分布只与间隔τ有关
    • 广义平稳
      • 均值与时间 t 无关：a(t)=a
      • 相关函数仅与 τ有关:
    • 各态历经性
      • 意义：
      • 含义：
      • 注意：
      • 各态历经性
    • 自相关函数
      • 重要性质
        • ---平均功率
          • 均值定义式
            • 平均功率
              • 平方均值：即平均功率
          • 平均功率
            • 平方均值：即平均功率
        • ---直流功率
        • ---交流功率(方差)
        • ---偶函数
        • ---上 界
    • 功率谱密度
      • 样本：
      • 过程截一段==样本
      • 过程：
    • 平稳过程的功率谱密度与自相关函数是一对傅里叶变换： 维纳-辛钦定理
      • 结论
        • 平稳过程的平均功率
          • 频域角度
        • 非负性
        • 偶函数
  • 高斯随机过程
    • 重要性质
      • （1）若广义平稳，则狭义平稳
      • （2）若互不相关，则统计独立子主题
      • （3）高斯过程→线性变换→高斯过程
    • 一维概率密度函数
      • 记为𝒩(a ，σ2) ，a---分布中心，σ---集中程度
      • 性质
        • 关于直线 x=a 对称
    • 正态分布函数
      • 误差函数
      • 补误差函数
  • 平稳随机过程通过线性系统
  • 窄带随机过程
    • 随机过程谱密度集中在中心频率fc附近相对窄的范围内∆f内
    • 任一个样本：可视为包络缓慢变化的正弦波
      • 表达式
        • 包络相位式
          • 随机包络
          • 随机相位
        • 关系
        • 同相正交式
          • 同相分量
          • 正交分量
      • 统计特性(均值等)
  • 正弦波加窄带高斯噪声
    • • 关心---z(t) 的统计特性:
      • 标注
    • 结论
  • 高斯白噪声和带限白噪声
    • 白噪声
      • 其功率谱密度均匀分布在整个频率范围内： n0 ---常数 (W/Hz)
        • （因为τ=0有值）
      • 高斯白噪声
        • 概率分布服从高斯分布的白噪声
        • 高斯白噪声在任意两个不同时刻上的取值之间， 不仅是互不相关的，而且还是统计独立的
    • 带限白噪声
      • 白噪声通过带宽有限的信道或滤波器的情形
      • • 低通白噪声
        • 带通白噪声
          • 若 B << fc== 窄带高斯白噪声 注
• 第二章 确知信号
  • 确知信号类型
    • 定义：在定义域内的任何时刻都有确定的函数值
      • 否则，为随机信号或不确知信号
    • 分类
      • 是否具有周期重复性
        • 非周期信号
        • 周期信号
      • 按照能量是否有限
        • 功率信号
          • 功率：
          • 0<P<∞和E→∞
        • 能量信号
          • 能量：
          • 0<E<∞和P→0
  • 确知信号的频域性质
    • 功率信号频谱
      • 周期性功率信号频谱
        • 傅里叶级数
        • • • 基波分量W0=2πf=2π/T
          • 当 n＝0 时，有
            • 它表示信号的时间平均值，即直流分量。
        • • 幅度谱： |Cn|---频率（nf0）
          • 相位谱： θn ---频率（nf0）
        • 物理可实现的实信号
          • • 正频率部分和负频率部分：复数共轭（实部相同、虚部相反）
          • 正频率部分和负频率部分：复数共轭
            • Cn的模偶对称
            • Cn的相位奇对称
          • 三角形式的傅里叶级数：
            • ① 实周期信号可分解为直流分量C0、基波(n = 1时)和各次谐波(n = 1, 2, 3, …)分量的线性叠加；
            • ② 实信号s(t)的各次谐波的振幅
            • 单边谱
            • ③ 实信号s(t)的各次谐波的相位
            • ④ 频谱函数Cn又称为双边谱， |Cn|的值是单边谱的振幅之半（平分到两侧）。
          • 实信号：偶Cn实，奇Cn虚
    • 能量信号的频谱密度
      • 傅里叶变换
      • 定义：能量信号s(t) 的傅里叶变换：
        • 正变换：
        • 反变换：
      • S（f）与Cn的区别
        • S连续谱，C离散谱
        • S单位为V/HZ，C单位为V
      • 实能量信号频谱密度和实功率信号频谱的共同特性： 负频谱和正频谱的模偶对称，相位奇对称，即复数共轭
    • 能量信号的能量谱密度
      • 用来描述信号的能量在频域上的分布情况
      • 能量谱密度G(f)，G(f ) = |S(f )|2
      • 帕萨瓦尔定理
    • 功率信号的功率谱密度
      • 用来描述信号的功率在频域上的分布情况
      • • 式中，ST(f) 为截断信号 sT(t) 的傅里叶变换
        • 截断信号=能量信号，对时间平均->功率谱
      • 功率信号，帕萨瓦尔：
      • 周期信号，帕萨瓦尔：
        • 周期信号也是功率信号，截断的长度恰好取：一个周期，
  • 确知信号的时域性质
    • 可由自相关函数或互相关函数来描述
    • 能量信号的自相关函数
      • 性质
        • 自相关函数 R(τ) 和时间 t 无关，只和时间差τ 有关
        • 当τ = 0 时，R(0) 等于信号的能量：
        • R(τ)是τ的偶函数：
        • 自相关函数R(τ) 和其能量谱密度 |S(f)|2 是一对傅里叶变换：
          • 求解能量谱密度
    • 功率信号的自相关函数
      • • 周期功率信号：
      • 性质
        • 当τ= 0 时，R(0) 等于信号的平均功率：
          • 能量平均=平均功率
        • R(τ)是τ的偶函数
        • R(τ) 和 功率谱密度 P(f ) 是一对傅里叶变换：
    • 能量信号的互相关函数
      • 定义：S1、S2
      • 性质
        • R12(τ)和时间 t 无关，只和时间差τ有关
        • • 注意下标
        • 互相关函数R12(τ) 和互能量谱密度S12(f)是一对傅里叶变换：
      • 互能量谱密度的定义:
    • 功率信号的互相关函数
      • 性质
        • R12(τ)和时间 t 无关，只和时间差τ有关
        • • 注意下标
        • 若两个周期性功率信号的周期相同，则其互相关函数可以写为:
        • R12(τ)和其互功率谱C12之间也有傅里叶变换关系：
      • 互功率谱定义：
• 第一章 绪论
  • 通信的基本概念
    • 通信的发展
    • 消息、信息与信号
      • 消息：信息的载体，通信系统传输的对象
        • 连续消息
        • 离散消息
      • 信号：消息的传输载体
        • 模拟信号
          • 信号参量取值连续
        • 数字信号
          • 信号参量取值离散
      • 信息：消息中所包含的有效内容
  • 通信系统模型
    • 通信系统一般模型
      • 通信的目的：传输信息
      • • 信息源：把各种消息转换为原始电信号
        • 发送设备：产生适合在信道中传输的信号
        • 信道：物理媒质，将自发送设备的信号传送到接收端
        • 接收设备
          • 子主题
          • 子主题
        • 新宿
    • 模拟通信系统模型
      • • 两种重要变换： 模拟消息 ~ 原始电信号（基带） 基带信号 ~ 已调信号（带通）
    • 数字通信系统模型
      • • 信源编码
          • 提高信息传输的有效性
          • 完成模数A/D转换
        • 信道编码与译码
          • 进行差错控制，提高通信系统的可靠性
        • 加密与解密
        • 数字调制与解调
        • 同步
          • 使收发两端在时间上保持步调一致
      • 特点
        • 优点： 1.抗干扰能力强，且噪声不积累； 2.传输差错可控； 3.便于处理、变换、存储； 4.便于将来自不同信源的信号综合传输； 5.易于集成；易于加密。
        • 缺点： 1.可能需要较大的传输带宽； 2.对同步要求高。
  • 通信系统分类与通信方式
    • 通信系统的分类
      • 通信业务
      • 调制方式
        • 连续波
          • 模拟调制
            • AM
            • DSB
            • SSB
            • VSB（残边带）
            • FM
            • PM
          • 数字调制
            • ASK
            • FSK
            • PSK、DPSK、QPSK
            • QAM、MSK
        • 脉冲序列
          • 脉冲模拟调制
          • 脉冲数字调制
      • 信号特征
        • 模拟通信系统
        • 数字通信系统
      • 传输煤质
        • 有线
        • 无线
      • 工作波段
        • 长波通信
        • 中波
        • 短波
        • 远红外
        • 等
      • 复用方式
        • 频分
        • 时分
        • 码分
    • 通信方式
      • 单工、半双工、全双工
      • 并行传输、串行传输
  • 信息及其度量
    • 消息
      • 信息量的度量：
      • 消息中所含信息量和不可预测性或不确定性有关
      • 消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大
    • 熵
      • 信源等概分布时，熵最大:
  • 通信系统主要性能指标
    • 有效性
      • 模拟通信
        • 传输带宽
      • 数字通信
        • 码元速率
        • 信息速率
      • 性能指标
        • （Ts为码元长度）
        • 二者关系
        • 频带利用率：单位带宽内的传输速率（B表示带宽）
    • 可靠性
      • 模拟通信
        • 输出信噪比
          • 功率比S/N
      • 数字通信
        • 误码率Pe
        • 误信率Pb
• 主题