2018-08-08

作者: 快乐的大脚aaa | 来源:发表于2018-08-08 19:04 被阅读0次

通信原理（学习笔记）

第一章绪论

通信和计算机更加有机地结合起来

1.1 通信系统的基本概念和组成

通信系统：传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统
Communication is the activity of conveying meaningful information
信息的传输与交换
通信系统的组成：
- 1、信息源和收信者
  - 根据信息源输出信号的性质不同可分为：模拟信号和数字信号
    - 模拟信号：特征量 的取值连续的信号（幅度、频率或相位）
    - 数字信号：特征量的取值离散的信号
- 2、发送设备
  - 发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来
  - 对于数字系统来说发送设备又可分为 信道编码与信源编码
    - 信源编码：把连续消息变换为数字信号
    - 信道编码：使数字信号与传输媒介匹配，提高传输的可靠性或有效性
  - 变换、放大、滤波、编码、调制等过程
  - 对于多路传输，还包括多路复用器
- 3、传输媒介
  - 从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，可以是无线的，也可以是有线的
- 4、接收设备
  - 基本功能是完成发送设备的反变换
通信系统的组成（同步）
- 模拟通信系统的组成
  - 信源，发送设备（调制，混频放大），传输媒介（噪音），接收设备（混频放大，解调），信宿
- 数字通信系统的组成
  - 信源，信源编码，加密，信道编码，调制，传输信道，解调，信道译码，解密，信源解码，信宿
    - 信源编码：提高信息传输的有效性，压缩信源中的信息冗余度，
    - 信道编码：提高信息传输的可靠性，发端按特定的规则加入保护码元，收端进行相应的译码，以纠正传输过程中引入的错误
    - 调制：基带信号，信号的频谱搬移到合适的频谱（频段与信道有关系），适应信道传输的需求
    - 同步：载波同步，位同步，群同步和网同步
信息系统的层次结构
- 信息利用-系统层次
- 信息传递-逻辑层次
- 信号传输-物理层次
通信网络的三类主要设备
- 传输
- 交换
- 终端
网络中所有设备按照通信协议的规定而协调工作
通信的发展
- 量子通信
- 认知网络
- 生物启发的网络

1.2 通信系统的分类和通信方式

通信系统的分类
- 按照通信业务和用途分类
  - 常规通信
    - 话务通信
    - 非话务通信
  - 控制通信
    - 遥控，遥测，指令通信等
- 按照调制方式分类
  - 基带传输
    - 将为调制的信号传输
  - 调制传输
    - 将信号变换之后传输（载波调制，脉冲调制），目的便于信息的传输，抗干扰
    - 模拟调制，数字调制，脉冲调制
- 按照传输媒介分类
  - 有线通信
  - 无线通信
- 按照传输信号复用方式分类
  - 频分复用
  - 时分复用
  - 码分复用
  - 波分复用
- 按照传送信号的多址方式分类（用户接入方式）
  - 频分多址
  - 时分多址
  - 码分多址
- 按照通信频段分类
  - 按照频带利用方式，无线电通信可分为
    - 定频窄带通信，跳频通信，扩频通信等系统
      - 跳频通信：收发双方按照伪随机规律快速改变发射和接收频率，以躲避敌方干扰的无线通信技术
      - 扩频通信：用速率比信息码高得多的伪随机扩频码改造发送信号，使发射信号频谱大大展宽，在接收端经过相应的解扩处理恢复原始信息，同时抑制干扰信号的通信技术
通信方式
- 按照消息传送的方向与时间
  - 单工通信（广播，遥控，无线寻呼）
  - 半双工通信
  - 全双工通信
- 按照消息数据代码排列的方式分
  - 并行传输（速度快，但多个并行信道成本高）
    - 基带传输，频带传输（正交频分复用）
  - 串行传输

1.3 信息的度量和通信系统的性能指标

信息
- 我们可以用是否来回答某个特定问题
- 信息需要一定的载体承载
- 信息是消息中包含的某种意义的抽象的东西（内涵）
消息
- 消息是一组有序符号序列（文字，语音和图像）（内涵的载体）
信号
- 信号是消息的具体表现形式（声，光，点等信号）（载体的载体）
信息及其度量
- 1、消息中包含的信息量是出现该消息的概率的函数，即：
  $I = I[P(x)]$
- 2、消息出现的概率越小,它所含的信息量越大;反之信息量越小,切当 $P(x) = 1$ 时， $I = 0$
- 3、若干个相互独立的事件构成的消息,所含的信息量等于各独立事件信息量的和,即： $I[P(x_1)P(x_2)...] = I[P(x_1)]+I[P(x_2)]+...$
- 基于上述考虑,哈特莱(Hartley)首先提出消息定量化的初步设想,香农给出了信息的统计描述 $I= \log_a\frac{1}{P(x)} = -\log_aP(x)$
  $I$ : 消息 $x$ 所携带的信息量
  $P(x)$ ：该消息发生的概率
- 信息量的单位：
  - 对数的底2,比特（bit）
  - 对数的底e，奈特(nat)
  - 对数的底10，哈特莱(Hartley)
- 信源X中每个符号所包含信息量的统计平均值即平均信息量为：
  $\bar{I} = P(x_1)[-\log_2P(x_1)]+P(x_2)[-\log_2P(x_2)]+...+P(x_n)[-\log_2P(x_n)]$
  $=-\sum_{i = 1}^nP(x_i)\log_2P(x_i)$
  $\bar{I}$ 与热力学中的熵的形式相似,故通常又称为信息源的熵，也称为“香农信息熵”,记作 $H(x)$ ,单位为bit/符号
- 对于离散信源,当各信源符号等概率分布时,信源的熵最大
通信系统的主要性能指标
- 通信系统性能指标涉及要素
  - 有效性（时间资源，带宽资源，）
  - 可靠性（通信传输质量）
  - 安全性(保密，抗窃听，抗截获)
  - 适应性
  - 经济性
  - 标准性
  - 维修性
  - 工艺性
- 有效性指标
  - 模拟通信
    - 频带利用率:传输同样的信源信号,所需的传输带宽越小,频带利用率越高,有效性越高
  - 数字通信
    - 速率
      - $R_B$ 码元传输速率(波特率)单位：波特 B
      - $R_b$ 信息传输速率(信息速率，比特速率)单位比特/秒 bps,bit/s
      - 二进制传输时 $R_B = R_b$
      - M进制码元传输时, $R_b = R_B\cdot\log_2M$ (M为2的整数次幂)
        
        传输速率决定传输信道带宽
    - 频带利用率
      - 单位频带的传输速率
        $\eta = \frac{\text{符号传输速率}}{\text{频带宽度}}(B/Hz)$
        $\eta_b = \frac{\text{符号传输速率}}{\text{频带宽度}}(bit/s/Hz)$
- 可靠性指标
  - 模拟通信系统
    - 波形失真(接收端最终输出信噪比)
  - 数字通信系统
    - 误码率
      $P_e = \lim_{N\to+\infty}\frac{\text{错误码元数n}}{\text{传输的总码元数N}}$
    - 误信率
      $P_b = \lim_{N_b\to+\infty}\frac{\text{错误比特数$n_b$}}{\text{传输的总比特数$N_b$}}$
      -二进制数字通信系统 $P_e = P_b$