1、一、绪论 11.模拟信号：是信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。 2.数字信号：是信号参量只能取有限个值的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM 信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。3.通信系统的一般模型信源：是消息的产生地， 其作用是把各种消息转换成原始电信号(基带信号) 。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是
2、模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。 发送设备：是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号( 如调制成已调信号） 。信道：是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间） ，在有线信道中，信道可以是明线、 电缆、波导或光纤。噪声源：是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现。 接收设备：是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。信宿：是信息传输的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。4.按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系
3、统。 模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的系统。分为模拟基带传输系统和模拟调制传输系统。数字通信系统：利用数字信号来传递信息的系统。分为数字基带传输系统和数字调制传输系统5.语音信号为 3003400Hz6.数字通信的优点：（1）抗干扰能力强，可消除噪声积累；（2）差错可控， 可以采用信道编码技术使误码率降低， 提高传输的可靠性； （3）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网；（4） 易于集成化， 从而使通信设备微型化； （5） 易于加密处理， 且保密强度高。数字通信的缺点： (1) 频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例
4、，一路数字电话一般要占据约 2060kHz 的带宽，而一路模拟电话仅占用约 4 kHz 带宽。如果系统传输信 息 源 发 送 设 备 信 息 接 收 设 备 受 信 者噪 声 源发 送 端 接 收 端信 息 源 发 送 设 备 信 道 接 收 设 备 受 信 者噪 声 源发 送 端 接 收 端带宽一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的 515 倍。(2) 需要严格的同步系统。数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求收端和发端保持严格同步。通信系统的分类：1 按通信业务分类通信系统可分为话务通信和非话务通信。 近年来，非话务通信发展迅速，未来的综合业务数字通信网中各种用途的消息都能在一个统
5、一的通信网中传输。 2 按调制方式分类通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。调制方式很多， 表 1-1 列出了一些常见的调制方式。基带传输：将未经调制的信号直接传送。频带传输：对各种信号变换方式后传输。3 按信号特征分类通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。4 按传输媒质分类通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统。5 按工作波段分类通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红外线通信等。 6 按信号复用方式分类传输多路信号主要有三种复用方式：频分复用：是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；FDMA，OFDM时分复用：是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；
6、TDMA码分复用：是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。CDMA通信方式：1 按消息传递的方向与时间关系分对于点与点之间的通信，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。 2 按数字信号排列顺序分通信方式可分为并行传输和串行传输。发 端 信 道 收 端发 端信 道收 端发 端收 端(a)(b)发 端 信 道收 端发 端收 端信 道(c)发送设备接收设备1 0 1(b)发送设备接收设备(a)并行传输：是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设
7、备之间的近距离通信。串行传输：是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。一、绪论 21.信息量 定义式：对消息的统计特性的定量描述，信息量与消息出现的概率之间的对应关系：a=2 时，单位为 bit（比特）a=e 时(应用广泛)，单位为 nit（奈特）a=10 时， 单位为哈特莱 例 1-1 设二进制离散信源（0、1） ，每一符号波形等概率独立发送，求传送二进制波形之一的信息量？Bit 例 1-2 四进制离散信源（0、1、2、3） ，独立等概率发送，求传送每一波形的信息量。 P=1/2 的信息量为 1 比特 P=1/4 的信息量为 2 比特
8、P=1/8 的信息量为 3 比特 P=1/M 的信息量为 log2 M(bit) 若 M 是 2 的整幂次，2.平均信息量设离散信源是一个由 n 个符号组成的符号集， 其中每个符号 xi(i=1, 2, 3, , n)出现的概率为 P(xi)，概率和为 1xi 所包含的信息量：平均信息量（信源中每个符号所含信息量的统计平均值）为：由于 H 同热力学中的熵形式一样， 故通常又称它为信息源的熵，其单位为 bit/符号。当离散信源中每个符号等概出现且各符号出现为统计独立时,该信源的熵有最大值，此时，若信源中有 N 个符号，则信息源的最大熵为 :3.平均信息量的另一种算法对于由一串符号构成的消息，假设
9、各符号的出现是相互独立的，根据信息量相加的概念，整个消息的信息量为各独立事件所含信息量之和：例 1-4：一离散信源由 0、1、 2、3 四个符号组成，它们出现的概率分别为：3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的，求下面此消息的信息量？201020130213001203210100321010023102002010312032100120210解：0 出现 23 次，1 出现 14 次，2 出现 13 次，3 出现 7 次。共 57 个符号解法一：该消息的信息量：每个符号的算术平均量log(logxPxIaaK=2log()iPx- 21()()log()NiiiHxPx
10、max221loglNi21l()iiInPx222221 11log()log4llogl08()84NiiInPx bit08.9bit/57I（ 符 号 ）符 号 数2221()logllog1()Ipx=4bit解法二：若用熵的概念计算平均信息量：则该消息的信息量为：I=符号数熵=57 1、906=108.64（bit）4.通信系统的质量标准有效性：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”问题；可靠性：接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。5.模拟通信系统的主要技术指标有效性：用有效传输频带来度量。信号本身频带宽度越窄，有效性越好，传输的速度越快。同样的消息用
11、不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性：用接收端最终输出信噪比来度量。信噪比越大，通信质量越高，可靠性越好。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。 6.数字通信系统的主要技术指标1.有效性：传输速率和频带利用率码元传输速率 RS 简称码元速率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud） ，记为 B。信息传输速率 Rb 简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为 bit/s ，或 b/s ，或 bps。每个码元或符号通常都含有一定 bit 数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，
12、即当等概率传输时，熵有最大值 log2M，信息速率也达到最大，则：（M 为符号的进制数）二进制的码元速率和信息速率在数量上相等频带利用率 ：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。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即数字信号的传输带宽 B 取决于码元速率 RS，而码元速率和信息速率 Rb 有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率， 又可定义频带利用率为2.可靠性：差错率误码率（码元差错率）Ps 是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即 误
13、信率（信息差错率）Pb 是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例， 即显然在二进制中有 Pb=Ps22222311()()log()logllogl1.906(/)8448NiiiHxPx bit符 号1()SRT(/)bSRHs (/)SRBHz(/)bRsHzsP错 误 码 元 数传 输 总 码 元 数bP错 误 比 特 数传 输 总 比 特 数第二章1.信道的定义所谓信道就是信号传输的途径。根据通信的概念，信号必须依靠传输介质传输，所以传输介质被定义为狭义信道。另一方面，信号还必须经过很多设备(发送机、接收机、调制器、解调器、放大器等 )进行各种处理，这些设备显然也是信号经过的途径
14、，因此，把传输介质(狭义信道) 和信号必须经过的各种通信设备统称为广义信道。 2.噪声的分类概括地讲，不携带有用信息的信号就是噪声。显然，噪声是相对于有用信号而言的，一种信号在某种场合是有用信号，而在另一种场合就有可能是噪声若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为三类:人为噪声、自然噪声、内部噪声；根据噪声的波形是否可以预测，噪声可以分为可预测噪声:电源哼声，自激振荡，各种内部的谐波干扰等等，虽然消除这些噪声不一定很容易，但至少可以在原理上消除或基本消除:和随机噪声根据噪声的性质分类，噪声可以分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。这三种噪声都是随机噪声。3.高斯白噪声 高斯随机过程如下特征： a.
15、f（x）对称于 x=a 这条直线。 b. c. a 表示分布中心， 表示集中程度，f（x）图形将随着 的减小而变高和变窄。当 a=0,=1 时，称为标准正态分布的密度函数如果白噪声又是高斯分布的，我们就称之为高斯白噪声。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。 我们所定义的这种白噪声在实际中是不存在的。但是，如果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，就可以把它视为白噪声。4.信道容量（香农公式）信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率，记为 C：30dB S/N=1000，20 dB S/N=100，10 dB S/N=10例 22
16、 若一帧电视图像的信息量为 99600bit，电视的帧频为 30Hz，为使接收端能收到良好的图像，要求信道的信噪比 S/N=30dB,求信道的带宽 B。解：若信息的传输速率为 V=9960030=29.9106b/s 2log(1)(/)sbsN，则信道的容量 C 至少应等于 V，有C=9960030=29.9106b/s由香农公式可得即信道带宽约为 3MHz。 第三章1.调制的概念: 让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。而载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。2.调制的功能：（1）.频率变换把低频信号变换成高
17、频信号以利于无线发送或在信道中传输。关于无线发送前面已经讲过,在信道中传输主要指有线通信中的高频对称电缆要求传输信号的频率为12252kHz，显然，频率为 0.33.4kHz 的话音信号（考虑保护带，通常将带宽定义为4kHz）不能直接在其中传输，必须经过调制。（2）.信道复用 信号必须通过信道才能传输，而每一种物理信道的频率特性一般都比所传的基带信号带宽要大很多（比如同轴电缆的带宽约为 0400MHz，若只传送一路普通话音信号，则显得非常浪费！） ，但若对信号不加处理，直接传输多路话音信号又会造成相互干扰，致使接收端无法分清各路信号，因此必须用调制技术使得多路信号在同一个信道中同时传输，以实现
18、信道多路复用。（3）.改善系统性能 从香农公式中可知，当一个通信系统的信道容量一定时，其信道带宽和信噪比可以互换，即为了某种需要可以降低信噪比而提高带宽，也可以降低带宽而提高信噪比。这种互换可以通过不同的调制方式来实现。比如当信噪比较低时，可选择宽带调频方式增加信号的带宽以提高系统的抗干扰能力（提高信息传输的可靠性） 。 3.调制的分类（1）按调制信号的种类分为模拟调制调制信号为模拟信号，比如正弦型信号。数字调制调制信号为数字信号，比如二进制序列。（2）按载波的种类分为连续波调制载波为连续信号，比如正弦型信号。脉冲调制载波为脉冲信号，比如矩形脉冲序列。（3）按调制参数的种类分为幅度调制载波的幅
19、值随调制信号的变化而变化。频率调制载波的频率随调制信号的变化而变化。相位调制载波的相位随调制信号的变化而变化。（4）按调制器传输函数的种类分为线性调制所谓线性调制是指已调信号的频谱与调制信号的频谱之间满足线性关系的调制。线性调制的特点是已调信号的频谱与调制信号的频谱相比，在形状上没有变化，即不改变调制信号的频谱结构，但在频谱的幅值上差一个倍数（一般来说，该倍数小于 1，若调制器具有放大作用，则倍数大于 1） 。另外，线性调制过程在数学上可以用调制信号与载波直接相乘得到。非线性调制不满足线性调制条件的调制就是非线性调制。非线性调制的已调信号的频谱已不再是调制信号的频谱的形状，也不能只用一个常数描
20、述频谱之间的关系。非线性调6629.103.()BHzSIbIN制在数学上不能用调制信号与载波直接相乘进行描述。在实际工程应用中，还经常将几种调制结合起来使用，即所谓复合调制方式，比如多进制数字调制中的调幅调相法（也就是调制定义中将信号调制在载波的几个参量上） 。4. 幅度调制（属线性调制）：载波的幅度随基带信号成比例变化。从频谱上说，已调信号的频谱是基带信号频谱的平移，故也称线性调制。例如：常规调幅（AM） ，双边带调制（DSB） ，单边带调制（ SSB） ，残留边带调制（VSB ） 。5角度调制（属非线性调制）：载波的频率或相位随基带信号成比例变化。已调信号的频谱不再保持原来基带信号频谱的
21、结构，而产生新的频谱分量，故也称非线性调制。例如：调频（FM ）和调相（ PM） 。双边带调幅和单边带调幅在书上 P4965第四章1.卡森公式： 当 ，有： 。这就是 NBFM 的带宽。 当 ，有： 。 若 保持不变而改变 ，即改变 ，此时，调频信号的带宽将随 的增加而加宽；如果保持 不变而改变 ，那么随着 变大， 将变小。此时，边频数目虽有增加，但间距却变小，因此有效带宽基本保持不变。 调频信号的解调有相干与非相干解调两种方法。相干解调适合于窄带调频，而非相干解调既适合于窄带调频，也适合于宽带调频。2.各种模拟调制方式的性能3.频分复用若干路独立的信号在同一信道中传送称为复用。由于在一个信道
22、传输多路信号而互不干扰，因此可以提高信道的利用率。按复用方式的不同复用可分为频分复用（FDM）和时分复用（TDM）两类。频分复用：按频率分割多路信号的方法，即将信道的可用频带分成若干互不交叠的频段，每路信号占据其中的一个频段。在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。时分复用：按时间分割多路信号的分法，即将信道的可用时间分成若干顺序排列的时隙，每路信号占据其中的一个时隙。在接收端用时序电路将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。4.频分复用匹马分、 、FMFm2(1)Bfmax2faM)(Dmf axfFMFMmFmf第五章1.利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤（
23、1） 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D ） ； （2） 进行数字方式传输；（3） 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A ） 。2.模拟信号数字化的方法波形编码：直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在 16 kb/s64 kb/s 范围内，接收端重建信号的质量好。 参量编码：利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量， 再变换成数字代码，其比特率在 16 kb/s 以下，但接收端重建(恢复) 信号的质量不够好。这里只介绍波形编码。 3.模拟信号的数字传输 4.将模拟信号经过抽样、量化、编码三个步骤变成数字信号的 A/D 转换方式成为脉冲编码调制（PCM ，Pulse Code
24、Modulation ）抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。能否由此样值序列重建原信号，是抽样定理要回答的问题。 抽样定理的大意是，如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。 根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分均匀抽样和非均匀抽样；根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，又可分理想抽样
25、和实际抽样。 5.低通抽样定理 一个频带限制在(0, fH)赫内的时间连续信号 x(t)，如果以 Ts1/(2fH) 秒的间隔对它进行等间隔（均匀）抽样，则 x(t)将被所得到的抽样值完全确定。 6. 带通抽样定理 （书上 P137139）设带通信号有 ，N 为不超过 的最大正整数，则只要满足 ， BfL 就可用带通滤波器不失真地恢复被采样信号。 7.脉冲振幅调制(PAM)模 拟信 息 源 抽 样 、 量 化和 编 码 数 字通 信 系 统 译 码 和 低 通滤 波m(t) sk sk m(t)模 拟 随 机 信 号 数 字 随 机 序 列 数 字 随 机 序 列 模 拟 随 机 信 号HLH
26、/BfMfB， H/fBs21f第 4 章中讨论的连续波调制是以连续振荡的正弦信号作为载波。然而，正弦信号并非是惟一的载波形式，时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波。脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带信号 x(t)去控制脉冲串的某参数， 使其按 x(t)的规律变化的调制方式。通常，按基带信号改变脉冲参量（幅度、宽度和位置）的不同，把脉冲调制又分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PDM) 和脉位调制(PPM)，脉冲振幅调制(PAM)是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。 若脉冲载波是冲激脉冲序列，则前面讨论的抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。也就是说，按抽样定理进行抽样得到
27、的信号 xs(t)就是一个 PAM 信号。 但是，用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想抽样的情况， 是不可能实现的。因为冲击序列在实际中是不能获得的，即使能获得，由于抽样后信号的频谱为无穷大， 对有限带宽的信道而言也无法传递。因此，在实际中通常采用脉冲宽度相对于抽样周期很窄的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列，从而实现脉冲振幅调制。这里我们介绍用窄脉冲序列进行实际抽样的两种脉冲振幅调制方式：自然抽样的脉冲调幅和平顶抽样的脉冲调幅。自然抽样又称曲顶抽样，它是指抽样后的脉冲幅度（顶部）随被抽样信号 x(t)变化，或者说保持了 x(t)的变化规律。平顶抽样又叫瞬时抽样，它与自然抽样的不同之处在于它的抽样后信
28、号中的脉冲均具有相同的形状顶部平坦的矩形脉冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值 8.量化利用预先规定的有限个电平表示模拟信号抽样值的过程即为量化。量化器的输入输出关系可表示为： 其中， 为量化电平， 为分层电平， 为量化间隔。9. 语音信号不能用线性 PCM 编码的原因：一、电话信号的动态范围很大。 （40dB50dB） 在打电话时，由于不同发话人的音量不同以及发话人的情绪的影响，造成电话信号的变化范围约 30 dB。另外，电话机与市话交换机的距离不同，最大线路损耗可达 25 1,2,kkkyQxL， ， 1kkxdB30 dB，以上两因素决定了电话信号的动态范围一般在 40 dB 50 dB；动
29、态范围：满足一定信噪比要求的信号取值范围，通常用 dB 值表示，其表达式：二、人们对电话信号要求的信噪比值应大于 25 dB。如果对电话信号采用均匀量化，为了满足在 40 dB 50 dB 的动态范围内SNR dB 均大于 25dB，必须采用 n=12 位的均匀量化器。三、语音信号取小信号的概率大。10.例 5-1 对频率范围为 30Hz300Hz 的模拟信号进行线性 PCM 编码。（1）求最低抽样频率 fs。（2） 若量化电平数 L=64，求 PCM 信号的信息速率 Rb。解：(1) 由模拟信号的频率范围可知，该信号应作为低通信号处理。最低抽样频率为 Fs=2fH=2*300=600(HZ)(2) 由量化电平 L 可求出编码位数 n，即 PCM 信号的信息速率为均匀量化和非均匀量化（对数形式）在书上 P145150A 律对数压缩特性 值越大，压缩效果越明显，一般当 =100 时，压缩效果就比较理想了，在国际标准中取 =255。 A 律 PCM 编码原理（ P154 P155 表）把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码，其逆过程称为解码或译码64logl22Lbs603 0(bit/s)Rf为 压 缩 系 数AxAln)x(f110无 压 缩 效 果101x)(f
