通信原理理論總結

PAGEPAGE1通信原理理論總結通信原理理論總結通信原理學習心得學了通信原理這門課，一開始覺得很難，而且聽學長們也總是告誡我們，通信原理是很難的課程，平時一定要好好學，不然自己復習的日子根本就抓不到要點了。事實上好像也是如此，在周圍，這門主課的掛課率總是算前排的。當然對于我這樣的人，總是上課時算是比較認真的，但是半期的時候還是沒有搞懂它是干什么的，甚至到期末了，也只有零星的一點編碼呀，帶寬呀，調制啦，這樣一些概念，但這些技術在一個通信系統(tǒng)中又是出于什么樣的位置，該怎樣應用這些技術組成一個通信系統(tǒng)，對此我還是一概不知。然而經過期末前的復習，我感覺自己對通信系統(tǒng)總算有個印象了，所以想把那些零碎的名詞做一些解釋，并且用我自己的學習過程以及對通信系統(tǒng)的了解來說明這些技術的應用。上面是我畫的認為比較完整的通信系統(tǒng)的簡單流程圖，對此我做一翻解釋。首先日常生活中的信號總是模擬的，我們把這些信號通過濾波等處理，得到帶限的信號，這里以基帶信號singnal為例子,signal經過采樣保持電路，我們就得到PAM信號，如圖，這樣的信號就是離散信號了。離散信號經過量化歸屬到個檔次的幅度中比如我們有2V,4V,6,V,8V四個檔次的歸類，并且規(guī)定1V~3V之間的PAM離散信號就歸類到2V的檔次中去,一次類推，通過比較給每個PAM信號進行歸類，這就是量化。之后將量化了的信號進行編碼，編碼是一種認為規(guī)定的過程比如我們規(guī)定2V用00表示，4V用01表示，6V用10表示，而8V用11來表示,這樣就把階梯信號和二進制信號有了一種對應關系，順著這種對應關系，我們可以得到剛才量化了的信號的二進制代碼，這就是PCM編碼得到了可以在存儲器中存儲的數字信號。以上從模擬到數字信號的一種轉變就是我們常說的A/D轉換。至于我們平時要求的轉換比特率的求法可以從它的轉換過程得出計算方法。一個PAM信號對應一個檔次，而一個檔次對應幾個比特的數字是在編碼中體現的，例子中就是一個檔次對應兩個比特，假設這種對應關系是1對N個比特，對模擬信號的采樣率是F,也就是1秒鐘有F個PAM信號，這F個PAM信號就要被轉換成F*N個比特，所以比特率就是F*N了。對于完成轉換的數字信號，我們如何處理呢有的是被放進存儲器中存儲了，有的是到CPU中進行計算，加密等處理了。通常為了達到通信目的，我們就要將數字信號傳遞并且轉換成模擬信號，畢竟在生活中模擬信號才是我們可以識別的。所以我們從存儲器中讀取數字信號，這些信號是基帶信號，不容易傳輸，經過數字調制系統(tǒng)就可以轉換成高頻信號而被發(fā)送設備以各種形式比如微波，光信號傳播出去。發(fā)送這些高頻信號的速度關系到發(fā)送的比特率注意與前面的轉換的比特率有不同。假如整個發(fā)送端可以發(fā)送四中波形A,B,C,D，它們可以分別表示發(fā)送了00，01，10，11信號，那么我們就說發(fā)送一個符號（即波形）就是發(fā)送了兩個比特了。由此得到符號率與比特率的關系B=N*D.D是符號率baud/s,B是比特率bit/s,N表示一個符號與N個比特對應。接收設備將這些信號轉換成電信號，通過解調器，就可以還原基帶信號，同樣可以將它們放進存儲器存儲，這可以理解成網絡視頻在我們的電腦上的緩存。緩存中的信號通過解碼器，也就是與編碼器功能相反的器件將數字序列轉換成各種量化的臺階（檔次）信號。最后將臺階信號進行填充恢復，我們就又可以原來的輸入的模擬波形了，由此我們完成一次通信。如果模擬信號不需要數字化，那么我們可以進行模擬調制，同樣可以發(fā)送出去，這個過程要簡單很多。當然，這里所講的只是我們學習中所涉及的一些概念，完整的通信系統(tǒng)還有更多要考慮的，這只是我覺得通信過程的關鍵的骨架問題。還有幾個概念是對它們的理解和總結，希望可以和大家分享。1.二進制比特率與信息量中的比特率。因為我們假定二進制信號是等概率發(fā)生的，也就是P=0.5，而信息量的定義是這樣的I=-log2(p)bit,通過此式，我們可以計算發(fā)送的一個二進制符號的信息量I=-log2(0.5)bit=1bit,所以我們通常說一個0或者1就是一個比特了。2.方波的帶寬問題。由上圖我們可以注意到，一個持續(xù)時間為T的方波，它的頻譜是一個SINC函數，零點帶寬是1/T，即時間的倒數。當然，方波的帶寬是無限大的，因此這樣的波形在現實中是很難實現的，我們只能給方波提供一定的帶寬，就是說得到的肯定只能是經過了過濾的波形。在這里我們可以聯系到吉布斯現象。我們可以這樣理解：頻率越大，就說明變化越快，而方波的轉折點處就是一個極快的變化也就是有頻帶的高頻部分構成，而經過帶限的濾波之后，高頻被濾去，得到的波形在轉折點處就變化慢下來，于是在需要變化快的地方（如方波的轉折點）變化慢，由此產生吉布斯現象。3.升余弦滾降濾波器。我們知道升余弦滾降濾波器是防止碼間串擾而設計的。碼間串擾是指各個時間點上發(fā)送的符號并非準確的方波，而是在規(guī)定的時間內仍有余波，于是對下一個時刻發(fā)送的符號產生影響，最后可能因為影響的疊加效果而使后果嚴重，得到相反的采樣結果。注意我們這里講的碼間串擾都是發(fā)生在基帶頻率上的。因此升余弦滾降濾波器也是在基帶上的應用。下圖是升余弦滾降濾波器的原理圖，上半部分是濾波器的頻譜相應圖，下半部分是濾波結果在時間域上的波形圖。我們可以這樣思考，發(fā)送的基帶波形是在一定的帶限內的，假如說要求發(fā)送的符號率是D，那么圖下半部分中可知1/2f0=1/D，所以f0=1/(2*D),或者說D=2*f0,由下半圖我們可以看出我們發(fā)送的符號的頻率是2*f0，這串符號在頻譜上的表示（上半圖）是個帶寬為f0的信號，這個就是采樣定理中說的當波形用SINC函數來表示時，符號率是該波形的帶寬的兩倍，也就是升余弦滾降濾波器在r=0的時候的特性。當然，我們這里表示的只是發(fā)送一個符號的波形的帶寬，但是我們可以這樣想象，一個系統(tǒng)在任何時候發(fā)送符號是使用的帶寬f0都是固定的，在1時間段內發(fā)送的波形的帶寬在f0以內，那么我們完全有理由相信在2時間段內發(fā)送的波形的帶寬必然在f0以內，所以這樣可以理解多個符號組成的波形的帶寬是在f0以內的。從下半圖我們可以看到，隨著r的增加，符號波形在一個周期段以外的衰減就會加快，這里我們就可以看到它對碼間串擾的影響會減小，這個就是升余弦滾降濾波器的作用，但是我們必須清楚的看到，符號率是不變的2*f0,而系統(tǒng)的絕對帶寬在增加。根據升余弦滾降濾波器的定義我們得到這樣一個關系D=2*f0/(1+r)。從以上的分析過程我們可以認為1/2*f0就是發(fā)送的數字信號的周期，也就是對于同樣周期的信號我們需要不同的帶寬，這個帶寬就是發(fā)送的數字信號的帶寬，而與原始的模擬波的帶寬無關。4.調制的一些想法。在學習調制的過程中，我一直搞不清什么是調制信號，什么是載波。最后總算明白，原來（一般來講）調制就是將低頻信號（調制信號）攜帶的信息在另外一個高頻的信號（載波）上表現出來，表現的方法可以是改變載波的幅度或者相位或者頻率等。當我們看到調制完成的波形是，發(fā)現它與載波有不同的幅度或者相位或者頻率，從這里的變化我們極可以判斷處調制信號有那些信息。載波就是用來攜帶低頻信號要表達的意思的高頻信號。之所以用高頻是因為在一般情況下高頻信號便于傳輸。以上是我在學習通信原理中覺得關鍵要明白的只是點，這樣知識才可以融會貫通。擴展閱讀：通信原理總結華北水利水電學院NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower結課論文課程：通信原理題目：感知通信掌控未來院系：信息工程學院專業(yè)：計算機科學與技術學號：201*XXXX姓名：銀河戰(zhàn)艦指導教師：王玲20XX年X月X日通信原理總結題目：感知通信引領未來“通信原理”是一門主要研究如何傳輸信息的學科。而信息傳輸的最基本的問題：簡單基本的信道特征、信號在信道上的傳輸方法。在這門課程中，主要使用的研究方法數學模型，特別是概率模型。在這門課程中，主要講解了通信基本概念，確定信號和隨機信號分析，模擬調制系統(tǒng)，數字基帶傳輸系統(tǒng)，正弦載波數字調制系統(tǒng)，數字信號的最佳接收，模擬信號的數字傳輸等內容。那么，什么是通信呢通俗點講，就是傳遞消息。而通信的目的則是傳遞消息中所包含的信息。消息是物質或精神狀態(tài)的一種反映，如有待于傳輸的文字、符號、數據或者語音、活動圖片等。消息是信息的載體。信息是消息中包含的有效（有意義）內容。實現通信的方式和手段主要有兩種：非電的，如旌旗、消息樹、烽火臺等；電的：如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網和計算機通信等。在自然科學領域涉及“通信”這一術語時，一般均是指“電通信”，包括光通信，因為光也是一種電磁波。信號是消息的承載者，信號常常由消息變換而來，是與消息對應的某種物理量，通常是時間的函數，例如隨著時間變化的電壓(電流)。通信系統(tǒng)中傳送的是信號。信號主要分為模擬信號和數字信號。模擬信號代表消息的信號參量取值連續(xù)，數字信號代表消息的信號參量取值為有限個。通常，按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，相應地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。在學習這門課程的過程中，也是主要分成這兩個體系進行分別研究。在當今社會，數字化似乎已經成為信息的代名詞。數字通信的主要優(yōu)點：(1)抗干擾、抗噪聲性能好，且噪聲不積累；(2)差錯可控；(3)易于與現代技術相結合；(4)易加密，保密性好。當然，它也有一些缺點：(1)頻帶利用率不高；(2)需要嚴格的同步系統(tǒng)。下面我從機子學習本課程一學期的經驗對這門課程的一些知識點總結一下：1.分集接收：分散接收，集中處理。在不同位置用多個接收端接收同一信號①空間分集：多副天線接收同一天線發(fā)送的信息，分集天線數（分集重數）越多，性能改善越好。接收天線之間的間距d≥3λ。②頻率分集：載頻間隔大于相關帶寬移動通信9001800。③角度分集：天線指向。④極化分集：水平垂直相互獨立與地磁有關。2.起伏噪聲：是遍布在時域和頻域內的隨機噪聲，包括熱噪聲、電子管內產生的散彈噪聲和宇宙噪聲等都屬于起伏噪聲。3.各態(tài)歷經性：隨機過程中的任意一次實現都經歷了隨機過程的所有可能狀態(tài)。因此，關于各態(tài)歷經性的一個直接結論是，在求解各種統(tǒng)計平均（均值或自相關函數等）是，無需做無限多次的考察，只要獲得一次考察，用一次實現的“時間平均”值代替過程的“統(tǒng)計平均”值即可，從而使測量和計算的問題大為簡化。部分相應系統(tǒng)：人為地、有規(guī)律地在碼元的抽樣時刻引入碼間串擾，并在接收端判決前加以消除，從而可以達到改善頻譜特性，壓縮傳輸頻帶，是頻帶利用率提高到理論上的最大值，并加速傳輸波形尾巴的衰減和降低對定時精度要求的目的。通常把這種波形稱為部分相應波形。以用部分相應波形傳輸的基帶系統(tǒng)成為部分相應系統(tǒng)。多電平調制、意義：為了提高頻帶利用率，可以采用多電平波形或多值波形。由于多電平波形的一個脈沖對應多個二進制碼，在波特率相同（傳輸帶寬相同）的條件下，比特率提高了，因此多電平波形在頻帶受限的高速數據傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛應用。MQAM：多進制鍵控體制中，相位鍵控的帶寬和功率占用方面都具有優(yōu)勢，即帶寬占用小和比特信噪比要求低。因此MPSK和MDPSK體制為人們所喜用。但是MPSK體制中隨著M的增大，相鄰相位的距離逐漸減小，使噪聲容縣隨之減小，誤碼率難于保證。為了改善在M大時的噪聲容限，發(fā)展出了QAM體制。在QAM體制中，信號的振幅和相位作為作為兩個獨立的參量同時受到調制。這種信號的一個碼元可以表示為：Sk(t)Akcos(0tk)，kTt(k1)T，式中：k=整數；Ak和k分別可以取多個離散值。（解決MPSK隨著M增加性能急劇下降）4.相位不連續(xù)的影響：頻帶會擴展；包絡產生失真。5.相干解調與非相干解調：相干解調：也叫同步檢波，解調與調制的實質一樣，均是頻譜搬移。調制是把基帶信號頻譜搬到了載頻位置，這一過程可以通過一個乘法器與載波相乘來實現。解調則是調制的反過程，即把載頻位置的已調信號的頻譜搬回到原始基帶位置，因此同樣可以用乘法器與載波相乘來實現。相干解調時，為了無失真地恢復原基帶信號，接收端必須提供一個與接收的已調載波嚴格同步（同頻同相）的本地載波（成為相干載波），他與接收的已調信號相乘后，經低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調制信號。相干解調適用于所有現行調制信號的解調。相干解調的關鍵是接收端要提供一個與載波信號嚴格同步的相干載波。否則，相干借條后將會使原始基帶信號減弱，甚至帶來嚴重失真，這在傳輸數字信號時尤為嚴重。非相干解調：包絡檢波屬于非相干解調，。絡檢波器通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成。它屬于非相干解調，因此不需要相干載波，一個二極管峰值包絡檢波器由二極管VD和RC低通濾波器組成。包絡檢波器就是直接從已調波的幅度中提取原調制信號。其結構簡單，且解調輸出時相干解調輸出的2倍。4PSK只能用相干解調，其他的即可用相干解調，也可用非相干解調。6.電話信號非均勻量化的原因：P268非均勻量化的實現方法通常是在進行量化之前，現將信號抽樣值壓縮，在進行均勻量化。這里的壓縮是用一個非線性電路將輸入電壓x變換成輸出電壓y。輸入電壓x越小，量化間隔也就越小。也就是說，小信號的量化誤差也小，從而使信號量噪比有可能不致變壞。為了對不同的信號強度保持信號量噪比恒定，當輸入電壓x減小時，應當使量化間隔Δx按比例地減小，即要求：Δx∝x。為了對不同的信號強度保持信號量噪比恒定，在理論上要求壓縮特性具有對數特性。（小信號發(fā)生概率大，均勻量化時，小信號信噪比差。）7.A律13折線：P269ITU國際電信聯盟制定了兩種建議：即A壓縮率和μ壓縮率，以及相應的近似算法13折線法和15折線法。我國大陸、歐洲各國以及國際間互聯時采用A壓縮率及相應的13折線法，北美、日本和韓國等少數國家和地區(qū)采用μ壓縮率及15折線法。A壓縮率是指符合下式的對數壓縮規(guī)律：式中：x為壓縮器歸一化輸入電壓；y為壓縮器歸一化輸出電壓；A為常數，它決定壓縮程度。Ax1lnAy1lnAx1lnA0x1A1Ax1A律表示式是一條連續(xù)的平滑曲線，用電子線路很難準確地實現?，F在由于數字電路技術的發(fā)展，這種特性很容易用數字電路來近似實現。13折線特性就是近似于A律的特性。因為話音信號為交流信號，及輸入電壓x有正負極性。這就是說在坐標系的第三象限還有對原點奇對稱的另一半曲線。第一象限中的第一和第二段折線斜率相同，所以構成一條直線。同樣，在第三象限中的第一和第二段折線斜率也相同，并且和第一象限中的斜率相同。所以，這四段折線構成了一條直線。一次，在這正負兩個象限中的完整壓縮曲線共有13段折線，故稱13折線壓縮特性。8.增量調制ΔM過載怎樣用圖標表示：譯碼器恢復的信號時階梯型電壓經過低通濾波器平滑后的解調電壓。它與編碼器輸入模擬信號的波形近似，但是存在失真。將這種失真稱為量化噪聲。這種量化噪聲產生的原因有兩個。第一個原因是由于編碼、譯碼是用接替波形去近似表示模擬信號波形，有階梯波形本身的電壓突跳產生失真。這是增量調制的基本量化噪聲，又稱一般量化噪聲。它伴隨著信號永遠存在，即只要有信號，就有這種噪聲。第二個原因是信號變化過快引起的失真；這種失真成為過載量化噪聲。它發(fā)生在輸入信號斜率的絕對值過大時。由于當抽樣頻率和量化臺階一定時，階梯波的最大可能斜率是一定的。若信號上升的斜率超過階梯波的最大可能斜率，則階梯波的上升速度趕不上信號的上升速度，就發(fā)生了過載量化噪聲。9.分接與復接：P289復用的目的是為了擴大通信鏈路的容量，在一條鏈路上傳輸多路獨立的信號，即實現多路通信。與頻分復用相比，時分復用的主要優(yōu)點是：便于實現數字通信、易于制造、適于采用集成電路實現、成本較低。時分復用的基本原理中的機械旋轉開關，在實際電路中是用抽樣脈沖取代的。因此，各路抽樣脈沖的頻率必須嚴格相同，而且相位也需要有確定的關系，使各路抽樣脈沖保持等間隔的距離。在一個多路復用設備中使各路抽樣脈沖嚴格保持這種關系并不難，因為可以有同一時鐘提供各種抽樣脈沖。但是隨著通信網的發(fā)展，時分復用的設備的各路輸入信號不再只是單路模擬信號。在通信網同往往有多次復用，有若干鏈路來