1、第 1 章 绪论1.1 本章小结本章主要讨论通信系统的组成、分类和主要性能指标，以及信息的度量和信道容量等。通信就是异地间人与人、人与机器、机器与机器进行信息的传递和交换。通信的目的在于信息的传递和交换。信息可理解为消息中所含有的特定内容。通信中信息的传送是通过信号来进行的。信号是消息的载荷者。我们把实现信息传输过程的全部设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统的主要优点是抗干扰性强，无噪声积累，便于加密处理，采用时分复用实现多路通信，设备便于集成化、微型化，数字通信便于利用现代数字信号处理技术对数
2、字信息进行处理。但其缺点是数字信号占用频带较宽。通信系统传输信息的多少用“信息量”来衡量，它与消息出现的概率有关。衡量通信系统性能的指标是有效性和可靠性。模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽来表征，可靠性指标用整个通信系统的输出信噪比来衡量。数字通信系统的有效性指标用传输速率（传输速率 BR和信息传输速率 bR）和频带利用率（码元频带利用率和信息频带利用率）来表征。数字通信系统的可靠性指标用差错率（误码率和误信率）来衡量。信道是信号的传输通道。信道特性将直接影响通信的质量。信道按其参数特性可分为恒参信道和随参信道。恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。因此，其传输特
3、性可以等效为一个线性时不变网络，该线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特性来表征。随参信道的参数随时间随机快变化，所以它的特性比恒参信道要复杂，对传输信号的影响也较为严重。影响信道特性的主要因素是传输媒介。随参信道的传输媒质有以下三个特点：（1）对信号的衰耗随时间而变化。 （2）传输的时延随时间而变。 （3）多径传播。通信系统中的噪声常常被近似地表述成高斯白噪声。在讨论通信系统性能受噪声的影响时，我们主要分析的就是高斯白噪声的影响。信息是通过信道传输的，如果信道受到加性高斯白噪声的干扰，传输信号的功率和带宽又都受到限制，这时信道的传输能力如何？香农公式给出了信道中信息无差错传输的最大
4、信息速率。1.2 重点内容包括通信的基本概念及其系统模型、信息论初步、通信系统的性能指标、高斯白噪声信道的信道容量（香农公式） 。1.3 难点内容随参信道对信号传输的影响；香农公式的物理意义及其对通信系统研究与发展的指导意义。第 2 章 信号与噪声分析2.1 本章小结本章首先对确知信号的分析作概要性的复习，然后重点讨论随机变量和平稳随机过程的统计特性，以及随机过程通过线性系统的基本分析方法。信号的分类方法有多种，可以分为确知信号和随机信号、周期信号和非周期信号、能量信号和功率信号等等。一般地说，能量有限的信号称为能量信号；平均功率有限的信号称为功率信号。功率信号对应的频谱是功率谱，能量信号对应
5、的频谱是能量谱。确知信号可以从频域和时域两方面进行分析。频域分析常采用傅里叶分析法。时域分析主要有自相关函数和互相关函数。能量信号的自相关函数等于信号的能量；而功率信号的自相关函数等于信号的平均功率。互相关函数反映两个信号的相关程度，它和时间无关，只和时间差有关，并且互相关函数和两个信号的前后次序有关。随机信号的统计特性既可由其概率分布和概率密度函数表示，也可由其数字特征来描述。我们定义随时间变化的无数个随机变量的集合为随机过程。随机过程的基本特征是：它是时间 t 的函数，但在任一确定时刻上的取值是不确定的，是一个随机变量；或者，可将它看成是一个事件的全部可能实现构成的总体，其中每个实现都是一
6、个确定的时间函数，而随机性就体现在出现哪一个实现是不确定的。通信过程中的随机信号和噪声均可归纳为依赖于时间 t 的随机过程。通信系统中的信号和噪声都可以看作是随时间变化的随机过程。随机过程的统计特征可通过它的概率分布或数字特征加以表述，其主要的数字特征有：数学期望（均值） 、方差、相关函数和协方差函数。若一个随机过程的统计特性与时间起点无关，则称其为严平稳随机过程（或狭义平稳随机过程） 。若随机过程的均值和方差为常数，而自相关函数与时间的起点无关，仅与时间间隔 有关，则称其为宽平稳随机过程（或广义平稳随机过程） 。严平稳随机过程一定也是宽平稳随机过程。反之，宽平稳随机过程就不一定是严平稳随机过
7、程。但对于高斯随机过程两者是等价的。在通信系统理论中讨论的大都是宽平稳随机过程，简称平稳随机过程。平稳随机过程一般具有各态历经性。平稳随机过程的自相关函数与其功率谱密度之间互为傅里叶变换的关系。平稳随机过程通过线性系统后其输出过程仍然是平稳的。高斯过程通过线性系统后仍为高斯过程，但其数字特征发生了变化。平稳随机过程通过乘法器后其输出过程是非平稳随机过程。一个均值为零的窄带平稳高斯噪声，它的同相分量 )(tnc和正交分量 )(tns同样是平稳高斯过程，而且均值都为零，方差也相同。另外，同一时刻上得到的 c及 S是不相关的或统计独立的。窄带高斯噪声的包络服从瑞利分布，随机相位服从均匀分布。正弦波加
8、窄带高斯噪声时的合成波包络服从广义瑞利分布（莱斯分布） 。2.2 重点内容掌握平稳过程的判定，自相关函数和功率谱密度的计算；通过线性系统的分析。熟悉高斯过程、窄带过程的相关结论及其在通信系统分析中的应用。2.3 难点内容平稳随机过程通过线性系统的分析；窄带过程的统计特性在噪声分析中的应用。第 3 章 模拟调制系统3.1 本章小结本章主要研究模拟调制系统的调制和解调原理以及抗噪性能分析。所谓调制就是使基带信号（调制信号）控制载波的某个（或几个）参数，使这个参数按照基带信号的规律而变化的过程。经过调制后的已调信号应该具有两个基本特征：一是仍然携带有信息；二是适合于信道传输。调制信号为模拟信号时的调
9、制称为模拟调制，它分为两大类：线性调制和非线性调制。线性调制是指输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。线性调制的已调信号种类有幅度调制（AM） 、抑制载波双边带调幅（DSB） 、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等。AM 调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，信号带宽较宽，频带利用率不高。因此，AM 调制方式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB 调制的优点是功率利用率高，但带宽与 AM 相同，频带利用率不高，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信及低带宽信号多路复用系统。SSB 调制的优点是功率利用
10、率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于 AM，而带宽只有 AM 的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB 调制方式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。VSB 调制性能与 SSB 相当，它在数据传输、商用电视广播等领域得到广泛使用。非线性调制又称角度调制。其已调信号的频谱和调制信号的频谱结构有很大的不同，除了频谱搬移外，还增加了许多新的频率成分。角度调制的已调信号种类包括调频（FM）和调相（PM）两大类。角度调制中的调频和调相在实质上并没有区别，单从已调信号波形来看不能区分两者，只是调制信号和已调信号之间的关系不同而已。从传输频带的利用率来
11、讲非线性调制是不经济的，但它具有较好的抗噪声性能，在不增加信号发送功率的前提下，可以用增加带宽的方法来换取输出信噪比的提高，且传输带宽越宽，抗噪声性能越好。3.2 重点内容掌握调幅方式的频谱、带宽和信噪比的计算。掌握调角方式的原理、带宽以及单音调制时信噪比的计算。3.3 难点内容考虑信道的衰减来计算调制系统的信噪比；角度调制的原理。第 4 章 模拟信号的数字传输4.1 本章小结本章讨论了模拟信号数字化的原理和方法。脉冲编码调制(PCM)对模拟信号的处理具体包括抽样、量化和编码三个步骤。它的功能是完成模/数变换，实现模拟信号的数字化。 PCM 通信系统由三部分组成：发送端的模/数变换，包括抽样、
12、量化、编码； 信道；接收端的数 /模变换，包括解码和低通滤波。抽样是将幅度和时间连续的模拟信号变成时间离散幅度连续的样值序列。对于频率受限于 Hf的低通信号的抽样频率应为 Hsf2。带通信号的抽样频率为 nfnfLsH21，其中 n 是一个不超过 /BfL的最大整数。抽样频率的选择应保证抽样信号的周期性频谱无混叠现象。量化是把模拟信号样值变换到最接近的量化电平的过程，它将幅度连续信号变换成幅度离散信号。量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化是指大、小信号的量化间隔相等。它的缺点是在量化级数大小适当时，小信号的量化信噪比太小，不满足要求；而大信号的量化信噪较大，远远地满足要求。为了这个问题，解决
13、的办法是采用非均匀量化。非均匀量化的特点是：小信号的量化间隔小，大信号的量化间隔大。非均匀量化是在量化级数 M不变的前提下，利用适度降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比，使大、小信号的量化信噪比都满足要求。实现非均匀量化的方法有模拟压扩法和直接非均匀编解码法。编码是用二进制码元来表示有限个量化电平。常用的二进制码型主要有自然二进码和折叠二进码。 A律 13折线是 律压缩特性的近似曲线，此时 A=87.6。各段的起始电平及其量化间隔详见表 4.5。 律 折线编码是一种直接非均匀编码法，它通过非均匀量化间隔的划分，直接对瞬时样值进行折叠二进码的编码。为了满足通信质量的要求，二进制编码位数
14、 8l，其中 1C为极性码， 42C为段落码， 85C为段内码。 律 13折线编码器的作用是把样值编成 PCM 码字。编码器输出的码字所对应的电平称为编码电平，对应于量化级的起始电平。编码电平和样值的差值称为编码误差。 A律 折线解码器的作用是把接收到的 PCM 码字还原成解码电平（即量化电平） ，它对应于量化级的中间电平。解码电平和样值的差值称为解码误差（即量化误差） 。PCM 系统的二进制码元速率 ssBflMR2log波特，对应的信息速率ssbflMR2log/bit。其中 为对抽样值进行量化的量化级数， Ml2og表示每个抽样值编码的二进制码元位数。PCM 系统中噪声主要有信道噪声和量
15、化噪声两类。两种噪声产生机理不同，可以认为它们是统计独立的。单路语音信号的抽样频率通常采用 Hz80，PCM 编码的二进制编码位数 8l，其信息速率为 kbit/s64。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。常见的有差值脉冲编码调制（DPCM ） 、自适应差值脉冲编码调制（ADPCM） 、增量调制（DM 或M） 、自适应增量调制（ADM） 、参量编码、子带编码（SBC）等。与一般的 PCM 相比，压缩编码能在相同的信息速率的条件下达到了更高的通信质量要求。DPCM 对“预测值与样值的差值”进行 l位二进制编码，DPCM 系统的DPCMN)S(q取决于qNS)(和 pG
16、两个参数。ADPCM 是在 DPCM 的基础上增加了自适应量化和自适应预测。增量调制可以看作是 DPCM 的一个特例。它只用一位编码对相邻样值的差值的极性（符号）编码。提高抽样频率 sf将能明显地提高 M 系统的量化信噪比。常用的图像压缩编码方法有预测编码、变换编码和熵编码等方法。4.2 重点内容抽样定理；A 律 13 折线编码方法、编码电平和解码电平的计算；PCM 信号的带宽和码元速率的计算。4.3 难点内容量化信噪比的计算；A 律 13 折线编码，非线性码与线性码的变换。第 5 章 数字信号的基带传输5.1 本章小结本章主要讨论数字基带信号码型选择和波形形成；同时简述均衡器和部分响应系统，
17、并介绍最佳基带传输系统的概念及基本分析方法。将基带信号直接在信道中传输的方式称为基带传输方式。对传输用的基带信号的主要要求有两点：（1）对各种码型的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；（2）对所选码型的电波形要求，期望电波形适宜于在信道中传输。数字基带信号的码型类型有很多，但并不是所有的码型都适合在信道中传输，往往是根据实际需要进行选择。常见的传输码型有 AMI 码、HDB3 码、双相码、密勒码、CMI 码等。适合于信道中传输的波形一般应为变化较平滑的脉冲波形，如升余弦波形。研究随机脉冲序列的功率谱是十分有意义的。一方面可以根据它的连续谱来确定序列的带宽，另一方面利用它的离散谱是
18、否存在这一特点，可以明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量和采取怎样的方法可以从序列中获得所需的离散分量。数字基带传输系统设计中需要考虑的最重要问题之一就是如何消除或降低码间串扰。在理论上可以证明，数字基带系统的传输特性若满足奈奎斯特第一准则的要求就可以消除码间串扰，并且通过学习奈奎斯特第一准则，我们认识到在信道带宽受限和无码间串扰的条件下，可传送的最高码元速率数值上等于信道带宽的两倍；通常用误码率来度量系统抗加性噪声的能力。通过对无码间串扰数字基带传输系统性能（误码率）的分析，得出了误码率只与信噪比有关的结论，信噪比越大，误码率越小。因此要想减小误码率必须设法提高信噪比。在接收机输入信噪比相同
19、的情况下，若所设计的接收机输出的信噪比最大，则我们能够最佳地判断所出现的信号，从而可以得到最小的误码率，这就是最大输出信噪比准则。在这一准则下获得的最佳线性滤波器叫做匹配滤波器（MF ） 。实际中，码间干扰和噪声是同时存在的。因此最佳基带传输系统可认为是既能消除码间串扰而抗噪声性能又最理想（错误概率最小）的系统。匹配滤波器是在最大输出信噪比准则下设计出的最佳接收机。实际应用的基带系统，其传输性能不可能完全符合理想情况，有时会相距甚远。因而计算由于这些因素所引起的误码率非常困难。为了衡量数字基带传输系统性能的优劣，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图
20、分析法。同时，为改善数字基带传输系统的性能，一方面我们可以在接收端采用时域均衡技术有效地减小码间串扰的影响，提高系统的可靠性。另一方面我们也可以采用部分响应技术以提高系统频带利用率。5.2 重点内容常用码型，特别是 AMI、HDB3、CMI 等码型；无码间干扰基带传输特性及相关参数（码元速率、频带利用率）的计算；数字基带系统的抗噪声性能；匹配滤波器的单位冲激响应、传输函数、输出信号等的计算。5.3 难点内容HDB3 码型；基带信号的频谱分析；奈奎斯特第一准则的理解和应用；匹配滤波器在最佳系统的应用。第 6 章 数字信号的载波传输6.1 本章小结本章重点讨论二进制数字调制系统的原理及其抗噪声性能
21、。另外，我们也将简单介绍多进制数字调制系统基本原理及相关知识。实际通信中大多数信道都具有带通传输特性，不能直接传送基带信号，必须借助载波调制进行频率搬移，将数字基带信号变成适于信道传输的数字频带信号。另外，提高载波频率在理论就可以增加传输带宽，通常也就可以提供大的信息传输容量。因此，数字通信系统总是倾向于采用高频载波传输，这样便可以增加带宽或者提高信息传输容量。根据已调信号参数改变类型的不同，数字调制可以分为幅移键控（ASK） 、频移键控（FSK）和相移键控（PSK） 。其中幅移键控属于线性调制，而频移键控属于非线性调制。在选择调制解调方式时，如果把系统的抗噪声性能放在首位，可选用 2PSK
22、系统，但由于 2PSK 信号存在相位不确定性，在实用中常以性能略差一些的 2DPSK 代替它；如果要求较高的频带利用率，则应选择相干 2PSK 和 2DPSK，而 2FSK 最不可取；但在随参信道传输中，由于接收信号的幅度和相位受信道传输特性的变化影响很大，2FSK 信号就显出具有较强的抗衰落能力，故在随参信道中，常采用 2FSK 调制方式。各种键控信号的解调方法可以分为两大类，即相干解调和非相干解调。相干解调的误码率比非相干解调低。但是，相干解调需要在接收端从信号中提取出相干载波，故设备相对较复杂。另外，在衰落信道中，若接收信号存在相位起伏，不利于提取相干载波，就不宜采用相干解调。对同一种调
23、制方式，在接收机输入信噪比 r 较小时，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率；在 1r时，由于指数项起主要作用，相干解调与非相干解调的误码率几乎相等。为提高传输效率，可采用多进制数字键控，包括 MASK, MFSK, MPSK, MDPSK 等。多进制键控的一个码元中包含更多的信息量。但是，为了得到相同的误码率，多进制信号需要占用更宽的频带或使用更大的功率作为代价。6.2 重点内容二进制数字调制系统的波形、频谱、带宽和误码率性能的掌握；四进制 PSK、DPSK 波形。6.3 难点内容PSK 和 DPSK 的波形、解调方法的差别和联系。四进制 PSK 和 DPSK 的矢量图和调制、解调原理图之
24、间的对应关系。第 7 章 多路复用7.1 本章小结本章介绍了多路复用的相关理论知识。多路复用是指在一个信道上同时传输多路信号的技术。常用的多路复用方式：频分复用（FDM） 、时分复用（TDM）和码分复用（CDM） 。频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。为了 n 路信号频谱不重叠，对载频间隔提出了要求。时分复用是利用各信号的抽样值在时间上占有各自的时隙来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法。TDM-PCM 系统的二进制代码的传码率为 sBflnR（波特） ，其中n表示复用路数， l表示每个抽样值编码的二进制码元位数， sf表示一路信号的抽样频
25、率。PCM 信号可以是直接的基带传输，也可以是频带传输，带宽与其传输方式有关。在码分复用中，各路信号码元在频谱上和时间上都是混叠的，但是代表每路信号码元的码字是正交的，也可以是准正交或超正交的。沃尔什码是应用广泛的一种正交码。7.2 重点内容频分复用系统的带宽；时分复用系统的码元速率和带宽；PCM30/32 路系统的帧结构。7.3 难点内容将第 4、5、6、7 章的相关内容融合在一起来分析通信系统的性能。第 8 章 现代数字调制技术8.1 本章小结本章我们主要介绍目前实际通信系统中常使用的几种现代数字调制技术。其中，偏移四相相移键控（OQPSK） 、 /4四相相移键控（ /4-QPSK） 、最
26、小频移键控（MSK）和高斯型最小频移键控（GMSK）为恒包络调制；正交幅度调制（QAM ）为不恒定包络调制；正交频分复用（OFDM）为多载波调制；扩频调制是一种宽带调制技术。OQPSK 是在 QPSK 基础上发展起来的。为了减小包络起伏，在对 QPSK 做正交调制时，将正交支路的基带信号相对于同相支路的基带信号延迟半个码元间隔 /2sT。/4-QPSK 信号是在 QPSK 和 OQPSK 基础上发展起来的。与 QPSK 和 OQPSK 相比，它具有以下优点：在四进制码元转换时刻，当前码元的相位相对于前一码元的相位改变 05或 013；可以使用非相干解调，避免 QPSK 信号相干解调中的“倒 现
27、象” 。MSK 是一种特殊的 2FSK 信号，它是二进制连续相位频移键控 CPFSK 的一种特殊情况。它以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；在给定同样的频带内， MSK 能比 2PSK 的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比 2PSK 衰减的快。GMSK 是在 MSK 的基础发展起来的：在 MSK 调制之前用一个高斯型低通滤波器对基带信号进行预滤波，它通过滤出高频分量，给出比较紧凑的功率谱，从而提高谱利用率。GMSK 的功率谱比 MSK 更为集中。正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相位联合键控（APK）的调制方式。它可以提高系统可靠性，且能获得较高的频带利用率。QAM 是用两路独立的基
28、带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。多载波调制技术是一种并行体制，它将高速率的数据序列经串/并变换后分割为若干路低速数据流，然后每路低速数据采用一个独立的载波调制叠加在一起构成发送信号，在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串变换得到原来的高速信号。正交频分复用（OFDM）作为一种多载波传输技术，要求各子载波保持相互正交。OFDM 信号由 N 个子信号叠加而成，相邻信号频谱之间有 1/2 重叠。与串行体制相比，频带利用率提高了近一倍。OFDM 信号的产生可以
29、基于快速离散傅立叶变换实现。在发送端对串并变换的数据序列进行 IDFT，将结果经信道发送至接收端，然后对接收到的信号再作DFT，取其实部，就可以不失真地恢复出原始的数据。它降低了 OFDM 系统的复杂度和成本，从而使得 OFDM 技术更趋于实用化。扩频调制技术利用增加频带可以降低接收的信噪比门限值。在发送端，待发送的数据序列在发射到信道之前，通过和扩频码相乘，其频带被扩大若干倍（扩频） ；而在接收端，通过采用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调（解扩） ，使得接收信号的频带被缩小相同倍数，恢复出原数据信息。扩频码通常采用伪噪声（PN）信号，它的均值和自相关特性必须满足一定要求。扩频通信系统的工作方式主要有直接序列扩频、跳变频率扩频和跳时扩频。扩频调制的主要优点是抗干扰能力强和信号隐蔽。8.2 重点内容最小频移键控（MSK） 、高斯型最小频移键控（GMSK） 、正交幅度调制（QAM ） 。
