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通信原理 2015.1.12 10:00-11:40
3–1 何谓随机过程？它具有什么特点？
答：随机过程是一类随时间作随机变化的过程，它不能用确切的时间函数描述。
随机过程是所有样本函数的集合或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。
3–4 平稳过程的自相关函数有哪些性质？它与功率谱密度的关系如何？
答：平稳过程的自相关函数R(t)的性质：
R(t) 是时间差t的函数；当t = 0时，R(0)等于平稳过程的平均功率；R(t)是t 的偶函数；R(t)在t = 0时有最大值；当t = ∞ 时，R(∞) 等于平稳过程的直流功率；R(0 )－ R(∞) = s2 等于平稳过程的交流功率。当均值为0时，有R(0) = s2。
即： —x(t)的平均功率； —t的偶函数； —R(t)的上界；
—x(t)的直流功率； —x(t)的交流功率。
平稳过程的自相关函数R(t) 与其功率谱密度Px ( f )是一对付里叶变换。
3–5 什么是高斯过程？其主要性质有哪些？
答：如果随机过程(t)的任意n维分布服从正态分布，则成为高斯过程。
高斯过程的主要性质有：
⑴ 高斯过程的n维分布只依赖各个随机变量的均值、方差和归一化协方差。
⑵ 广义平稳的高斯过程也是严平稳的。
⑶ 如果高斯过程在不同时刻的取值是不相关的，那么它们也是统计独立的。
⑷ 高斯过程经过线性变换后生成的过程仍是高斯过程。
3–7 随机过程通过线性系统时，输出与输入功率谱密度的关系如何？如何求输出过程的均值、自相关函数？
答：随机过程通过线性系统时，输出过程的功率谱密度是输入过程的功率谱密度乘以系统频率响应模值的平方。即P0 (f)＝H* (f)﹒H (f)﹒Pi (f) ＝︱H (f)︱2﹒Pi (f)
输出过程的均值等于输入过程的均值乘以H(0)。
输出过程的自相关函数等于输出过程的功率谱密度的傅里叶逆变换。
4–2 地波传播距离能达到多远？它适用在什么频段？
答：地波传播在数百米到数千千米，应用与低频和甚低频，大约2MHZ
4–3天波传播距离能达到多远？它适用在什么频段？
答：天波传播能达到一万千米以上，应用于高频，2MHZ-30MHZ
4–4 视距传播距离和天线高度有什么关系？
答：天线高度越高，视距传播的距离越远，其具体关系为H=D^2/50 其中H 为天线高度，单位为米，D为视距传播距离，单位为千米
4–6 何谓多径效应？
答：多径传播对信号的影响称为多径效应
4–8 何谓恒参信道？何谓随参信道？它们分别对信号传输有哪些主要影响？
答：信道的特性基本上不随时间变化或变化极慢极小，这种信道称为恒定参量信道，简称恒参信道。
信道的特性随机变化，这种信道称为随机参量信道，简称随参信道。
恒参信道对信号传输的主要影响有：频率失真、相位失真、非线性失真、频率偏移和相位抖动等。
随参信道对信号传输的主要影响有：衰减随时间变化；时延随时间变化；多径效应。
4–9 何谓加性干扰？何谓乘性干扰？
答：信道中的噪声n(t) 是叠加在信号上的，而无论有无信号，噪声n(t)是始终存在的，该n(t)称加性干扰。
信道的作用相当于对输入信号乘一个系数k(t)，该k(t)可看作是对信号的一种干扰，称为乘性干扰。
5–1 何谓调制？调制在通信系统中的作用是什么？
答：调制是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。
调制在通信系统中的作用有三个方面：
① 提高无线通信时的天线辐射效率。
② 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。
③ 扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。
5–2 什么是线性调制？常见的线性调制方式有哪些？
答：已调信号的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移，这样的调制方式称为线性调制。
常见的线性调制方式有：调幅、双边带调制、单边带调制和残留边带调制。
5-3 AM信号的波形和频谱有哪些特点？
答：AM波的包络与调制信号的形状完全一样；AM信号的频谱有载频分量、上边带下边带三部分组成。上边带的频谱结构和原调制信号的频率结构相同，下边带是上边带的镜像。
5–6 SSB信号的产生方法有哪些？各有何技术难点？
答：SSB信号的产生方法有：滤波法和相移法两种。
滤波法的技术难点：滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性。
相移法的技术难点：宽带相移网络难用硬件实现。
5–10 什么是频率调制？什么是相位调制？两者关系如何？
答：所谓频率调制是指瞬时频率偏移随调制信号成比例变化。
所谓相位调制是指瞬时相位偏移随调制信号作线性变化。
由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以FM与PM之间可以互换。若将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波；若将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波。
5-16 FM系统产生的门限效应的主要原因是什么？
答：主要是非线性的解调作用。
6–1 数字基带传输系统的基本结构及各部分的功能如何？
答：数字基带传输系统的基本结构如下图：
信道
发送
滤波器
接收
滤波器
抽样
判决器
滤波器
输入
噪声
基带脉冲
基带脉冲
输出
同步
提取
滤波器
各部分的功能：
发送滤波器（信道信号形成器）：压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。
信道：信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。另外信道还会引入噪 声（假设是均值为零的高斯白噪声）。
接收滤波器：用来接收信号，滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。
抽样判决器：对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
同步提取：用同步提取电路从接收信号中提取定时脉冲。
6–4构成AMI码和HDB3码的规则是什么？它们各有什么优缺点？
答：AMI的编码规则：将消息代码0（空号）仍然变换成传输码0，而把1（传码）交替的变换为传输码的+1，-1„。因此AMI码为三电平序列，三元码，伪三进制，1B/1T码。
HDB3的编码规则：
先把消息代码变换AMI码，然后去检查AMI码的连零情况，没有四个或者四个以上的连零串时，这时的AMI码就是HDB3码；
当出现四个或者四个以上的连零串时，将四个连零小段的第四个0变换于迁移非0符号同极性的符号，称为V符号（破坏码）。
当相邻V符号之间有偶数个非零符号时，再将该小段的第一个0变成+B或者-B（平衡码），B符号的极性与前一非零符号的极性相反，并让后面的非0符号从V符号开始再交替变化。
AMI码的优点：没有直流成分，高、低频分量少，编译码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是AMI-RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性RZ波形，从中可以提取位定时分量。
AMI码的缺点：当原信码出现长连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。
HDB3 码保持了AMI码的优点，克服了AMI码的连“0”码问题。HDB3码的编码虽然比较复杂，但译码却比较简单。
6–6 什么是码间串扰？它是如何产生的？它对通信质量有什么影响？
答：所谓码间串扰是由于系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变，并使前面波形出现很长的拖尾，从而对当前码元的判决造成干扰。
码间干扰的产生是因为在第k个抽样时刻理想状态时抽样时刻所得的是仅有第k个波形在此时刻被取值，但在实际系统中，会有除了第k个波形以外的波形可能再抽样时刻被取值。
它对通信质量的影响：码间串扰严重时，会造成错误判决。
6–7 为了消除码间串扰，基带传输系统的传输函数应满足什么条件？其相应的冲激响应应具有什么特点？
答：为消除码间串扰，基带传输系统的传输函数应满足：
即满足无码间串扰频域条件。
其相应的冲激响应应具有：
即具有无码间串扰时域条件。
6–13 什么是眼图？它有什么用处？由眼图模型可以说明基带传输系统的哪些性能？具有升余弦脉冲波形的HDB3码的眼图应是什么样的图形？
答：眼图是指通过用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法。
眼图的用处：眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小，眼图还可以用来指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰，改善系统性能。
由眼图模型可以说明以下一些基带传输系统的性能：
① 最佳抽样时刻是“眼睛”张开最大的时刻；
② 定时误差灵敏度是眼图斜边的斜率。斜率越大，对位定时误差越敏感；
③ 图的阴影区的垂直高度表示抽样时刻上信号受噪声干扰的畸变程度；
④ 图中央的横轴位置对应于判决门限电平；
⑤ 抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为噪声容限，若噪声瞬时值超过它就可能发生错判；
⑥ 图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围，即过零点畸变，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响。
具有升余弦脉冲波形的HDB3码的眼图中间会出现一根代表连“0”的水平线。
7–1什么是数字调制？它和模拟调制有哪些异同点？
答：数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征传送的信息，在接收端对载波信号的离散调制参量进行检测。
和模拟调制一样，数字调制也有调幅，调频和调相三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。在原理上二者并没有什么区别。只不过模拟调制是对载波信号的参量进行离散调制，在接收端也只需对载波信号的离散调制参量估值。
7–2数字调制的基本方式有哪些？其时间波形上各有什么特点？
答：数字调制技术有两种方法：一是利用模拟调制方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当成模拟信号的特殊情况处理。二是利用数字信号的离散取值的特点通过开关键控载波，从而实现数字调制，这种调制方式通常有幅度键控、频率键控和相位键控。其时间波形上来说，有可能是不连续的。
7–3 什么是振幅键控？OOK信号的产生和解调方法有哪些？
答：振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。
OOK信号的产生方法有：模拟调制法（相乘器法）和键控法。
OOK信号的解调方法有：非相干解调法（包络检波法）和相干解调法（同步检测法）。
7–4 2ASK信号传输带宽与波特率或基带信号的带宽有什么关系？
答：2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍或基带信号带宽的两倍。
7–5 什么是频移键控？2FSK信号产生和解调方法有哪些？
答：频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。
2FSK信号产生方法：模拟调频法和键控法。解调方法：非相干解调法（包络检波法）和相干解调法。
7–8 什么是绝对相移？什么是相对相移？他们有何区别？
答：以载波的不同相位直接去表示相应数字信号的调制方式称为绝对相移键控。
利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息的调制方式称为相对相移键控。
相对移相信号可以看做是把数字信息序列绝对码变换成相对码，然后根据相对码进行绝对移相而成。在绝对相移中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的，而相对相移是以前一相邻码元的相位为参考基准的。
9–3 对于低通模拟信号而言，为了能无失真恢复，理论上对于抽样频率有什么要求？
答：理论上为了使抽样频率能恢复到原来的模拟信号，需要采样频率大于等于信号最高频率的两倍
9–4 试说明什么是奈奎斯特抽样速率和奈奎斯特抽样间隔？
答：为了从抽样信号中恢复原信号m(t)，抽样频率fs应不小于m(t)最高频率fH的两倍，这一最低抽样速率2fH称为奈奎斯特抽样速率，与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特抽样间隔。
1.2.1 通信系统的一般模型
1.2.3 数字通信的特点
(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，将来自不同信源的信号综合到一起传输
(4) 易于集成，使通信设备微型化，重量轻
(5) 易于加密处理，且保密性好
1.3.1 通信系统的分类
u 按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统 。调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。
u 按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统
u 按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统
3.1.2 随机过程的数字特征
均值（数学期望）：
方差：
相关函数
3.2.1 平稳随机过程的定义
（1）其均值与t 无关，为常数a ；
（2）自相关函数只与时间间隔t 有关。
把同时满足（1）和（2）的过程定义为广义平稳随机过程。
3.2.2 各态历经性
如果平稳过程使下式成立
则称该平稳过程具有各态历经性。
3.2.4 平稳过程的功率谱密度
非周期的功率型确知信号的自相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换。这种关系对平稳随机过程同样成立，即有
3.4 平稳随机过程通过线性系统
输出过程xo(t)的均值:
输出过程xo(t)的自相关函数：
输出过程xo(t)的功率谱密度:
u 若线性系统的输入是平稳的，则输出也是平稳的。
u 如果线性系统的输入过程是高斯型的，则系统的输出过程也是高斯型的。
3.3.2 重要性质
u 广义平稳的高斯过程也是严平稳的。
u 高斯过程经过线性变换后生成的过程仍是高斯过程。
3.3.3 高斯随机变量
（1）f (x)对称于直线 x = a，即
（2）
3.5 窄带随机过程
若随机过程x(t)的谱密度集中在中心频率fc附近相对窄的频带范围Df 内，即满足Df << fc的条件，且 fc 远离零频率，则称该x(t)为窄带随机过程。
3.7 高斯白噪声和带限白噪声
白噪声n (t) 定义：功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声
－ 双边功率谱密度
－ 单边功率谱密度
4.1 无线信道
电磁波的分类：
u 地波：频率 < 2 MHz；距离：数百或数千千米
u 天波：频率：2 ~ 30 MHz；一次反射距离：< 4000 km
u 视线传播：频率 > 30 MHz；距离: 和天线高度有关m
4.3.2 编码信道模型
P(0 / 0)和P(1 / 1) － 正确转移概率，P(1/ 0)和P(0 / 1) － 错误转移概率
P(0 / 0) = 1 – P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 – P(0 / 1)
5.1.6 相干解调与包络检波
相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。
5.3.2 窄带调频（NBFM）
如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件
则称为窄带调频；反之，称为宽带调频。
5.3.3 宽带调频
调频波的有效带宽为：
调频广播中规定的最大频偏Df为75kHz，最高调制频率fm为15kHz，故调频指数mf ＝ 5，由上式可计算出此FM信号的频带宽度为180kHz。
5.4.3 小信噪比时的门限效应
当(Si /Ni)低于一定数值时，解调器的输出信噪比(So /No)急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。
5.5 各种模拟调制系统的比较
带宽：BAM=BDSB=2fm BSSB=fm VSB略大于fm FM带宽为
WBFM抗噪声性能最好， DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。
第6章 数字基带传输系统
数字基带信号 － 未经调制的数字信号，它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。
数字基带传输系统 －不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统。
6.2.1 传输码的码型选择原则
（1） 不含直流，且低频分量尽量少；
（2） 应含有丰富的定时信息，以便于从接收码流中提取定时信号；
（3） 功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带；
（4） 不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；
（5） 具有内在的检错能力，即码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测。
（6） 编译码简单，以降低通信延时和成本。
6.3.2 数字基带信号传输的定量分析
为了确定第k个码元 ak 的取值，首先应在t = kTs + t0 时刻上对r(t)进行抽样，以确定r(t)在该样点上的值。由上式得
第一项ak h(t0)是第k个接收码元波形的抽样值，它是确定ak 的依据；第二项（S项）是除第k个码元以外的其它码元波形在第k个抽样时刻上的总和（代数和），码间串扰值。第三项nR(kTS + t0)是输出噪声在抽样瞬间的值。
6.4.2 无码间串扰的条件
在无码间串扰时域条件的要求下，我们得到无码间串扰时的基带传输特性应满足
或
上条件称为奈奎斯特(Nyquist)第一准则。
第7章 数字带通传输系统
u 数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。
u 数字带通传输系统：通常把包括调制和解调过程的数字传输系统。
u 2FSK信号的解调方法：非相干解调、相干解调。其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。
u 2FSK信号的带宽，则其带宽近似为：
其中，fs = 1/Ts为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。
u 2PSK 方式的“倒π”现象或“反相工作”。
u 若信噪比r一定，2PSK系统的误码率低于2FSK系统，2FSK系统的误码率低于2ASK系统。
u 在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。
第9章 模拟信号的数字传输
u 数字化3步骤：抽样、量化和编码。
u 抽样定理：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率 < fH，则以间隔时间为T £ 1/2fH的周期性冲激脉冲对它抽样时，m(t)将被这些抽样值所完全确定。
u 恢复原信号的条件是：
即抽样频率fs应不小于fH的两倍。这一最低抽样速率2fH称为奈奎斯特速率。与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特间隔。
u 折叠码的优点：
(1) 这种码用最高位表示电压的极性正负，而用其他位来表示电压的绝对值。
(2) 折叠码的另一个优点是误码对于小电压的影响较小。
9.7.1 增量调制原理
u 增量调制(DM)可以看成是一种最简单的DPCM。当DPCM系统中量化器的量化电平数取为2时，DPCM系统就成为增量调制系统。
u 由于编译码时用阶梯波形去近似表示模拟信号波形，由阶梯本身的电压突跳产生失真。这是增量调制的基本量化噪声，又称一般量化噪声。它伴随着信号永远存在，即只要有信号，就有这种噪声。
u 信号变化过快引起失真；这种失真称为过载量化噪声。
u 复接：将低次群合并成高次群的过程。
u 分接：将高次群分解为低次群的过程称为分接。
2012信息工程1班
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