PAGEPAGE15《通信原理》課程導學（學習指南）第1章緒論一、重點本章的重點內容包括以下三部分：1.通信系統(tǒng)的組成及其各組成部分的功能點對點通信系統(tǒng)的一般模型由五大部分“信源、發(fā)送設備、信道、接收設備、信宿”組成。根據(jù)不同的傳輸對象和研究內容，有更加具體的通信系統(tǒng)模型。由通信系統(tǒng)模型可知，在實施通信的過程中，將涉及以下關鍵技術：“編碼、解碼、調制、解調、同步”在學習本課程的過程中，應著眼于這些技術的原理、性能和應用。2.信息及其度量通信的目的在于傳輸消息中所包含的信息。對接收者來說，只有消息中不確定的內容才構成信息，而這種不確定程度可以用概率來描述。因此，消息中所含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關，而與消息的種類和重要程度無關。要重點掌握離散消息的信息量、離散信源的平均信息量（熵）和總信息量的計算方法。3.通信系統(tǒng)的性能指標有效性和可靠性是通信系統(tǒng)的兩個主要指標。兩者相互矛盾而又相對統(tǒng)一，且可互換。在模擬通信系統(tǒng)中，有效性可以用帶寬來衡量，可靠性可以用輸出信噪比來衡量。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，有效性用碼元速率、信息速率和頻帶利用率表示，可靠性用誤碼率、誤信率表示。要注意理解每個性能指標的定義、內涵、關系和計算。二、難點及解決方法本章的難點有：模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別；熵的計算；比特率和波特率的關系。解決方法：從它們的定義入手，并借助于教學視頻中的例題講解及課后習題的練習，就不難搞清楚它們的含義和區(qū)別。第2章隨機過程一、重點本章的重點內容包括以下四部分：1.隨機過程的基本概念和統(tǒng)計特性自然界中事物的變化過程可以大致分成為兩類：一類是變化過程具有確定的形式的確定性過程，另一類是沒有確定的變化形式的隨機過程。本節(jié)課程主要從隨機變量和時間函數(shù)兩個方面研究隨機過程：(1)隨機過程的統(tǒng)計特性：概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)；(2)隨機過程的數(shù)字特征：數(shù)學期望、方差、相關函數(shù)。2.平穩(wěn)隨機過程及各態(tài)歷經性平穩(wěn)隨機過程是指它的統(tǒng)計特性不隨時間推移而變化，通信系統(tǒng)中所遇到信號及噪聲大多可視為平穩(wěn)的隨機過程。平穩(wěn)隨機過程有廣義狹義之分，如無特殊說明，均假定隨機過程是廣義平穩(wěn)的。本節(jié)課程重點掌握平穩(wěn)隨機具有各態(tài)歷經性的條件，自相關函數(shù)的性質，平穩(wěn)隨機過程的功率譜密度，其中維納辛欽定理是重點。3.高斯隨機過程高斯過程也稱正態(tài)過程，是通信領域中最重要的一種過程。要理解高斯隨機過程的概念，重點掌握高斯隨機過程的性質以及高斯白噪聲的相關內容，學會使用誤差函數(shù)和互補誤差函數(shù)表示高斯隨機過程的概率分布函數(shù)。4.隨機過程通過線性系統(tǒng)及窄帶隨機過程通信中的信號或噪聲一般都是隨機的，隨機過程通過系統(tǒng)具有什么樣的輸出是必將遇到的問題。我們只考慮平穩(wěn)過程通過線性時不變系統(tǒng)的情況，要學會計算輸出過程的數(shù)學期望、自相關函數(shù)、功率譜密度，知道高斯過程經過線性變換后的過程仍為高斯過程。隨機過程通過窄帶系統(tǒng)的輸出即是是窄帶過程。窄帶隨機過程的同相分量和正交分量的統(tǒng)計特性以及包絡和相位的統(tǒng)計特性要重點理解，掌握關于其統(tǒng)計特性的兩大重要結論。二、難點及解決方法本章的難點有：隨機過程的統(tǒng)計特性，隨機過程自相關函數(shù)和功率譜密度的計算，判斷隨機過程是否具有各態(tài)歷經性，高斯隨機過程的相關性質，隨機過程通過線性系統(tǒng)后輸出過程的數(shù)字特征，窄帶隨機過程的相關統(tǒng)計特性。解決方法：本章的大部分內容在前期隨機信號分析的課程中已經學習，在此基礎上借助于教學視頻中的例題講解及課后習題的練習，相信同學們會很快掌握。第3章信道與噪聲一、重點本章的重點內容包括以下三部分：1.信道的定義和數(shù)學模型信道是以傳輸媒質為基礎的信號通道。我們所研究的信道通常指廣義信道，分為調制信道和編碼信道。本節(jié)的重點內容是信道的數(shù)學模型，其中包括調制信道的三種信道模型以及無記憶編碼信道模型。2.恒參信道和隨參信道的傳輸特性信道特性主要由傳輸媒質決定，分為恒參信道和隨參信道。本課程要求了解幾種代表性的恒參信道和隨參信道的例子，重點掌握信道的特性。恒參信道中掌握理想的信道特性以及幅度-頻率失真和相位-頻率失真的概念。隨參信道中掌握幾個概念：多徑衰落與頻率彌散，頻率選擇性衰落與相關帶寬。3.加性噪聲和信道容量加性噪聲與信號相互獨立，并且始終存在。實際中只能減小加性噪聲的影響而不能徹底消除。噪聲有多種分類方式，要求掌握起伏噪聲及其特性。起伏噪聲近似高斯白噪聲，通信系統(tǒng)中當寬帶起伏噪聲通過帶通特性網(wǎng)絡時，輸出為帶通型噪聲，要掌握帶通型噪聲的等效帶寬概念。信道容量是指信道中信息無差錯傳輸?shù)淖畲笏俾省Ｕ{制信道模型用連續(xù)的信道容量來表征，編碼信道用離散的信道容量來表征，本節(jié)只討論連續(xù)信道的信道容量。香農公式是本節(jié)的重點內容，要掌握香農公式的含義及其相關結論。信道容量、信道帶寬和信噪比三者可以互相轉換，信噪比和帶寬的互換性在通信工程中有很大用處。二、難點及解決方法本章的難點有：不同信道模型的數(shù)學描述方法；恒參信道和隨參信道的信道特性；根據(jù)實際信道判斷其屬于哪類信道；起伏噪聲和等效噪聲帶寬的概念；香農公式的含義、結論及其應用。從信道的概念入手，先弄清分類及不同信道的特性，再借助視頻講解并多做練習，就不難掌握這些內容。第4章模擬調制系統(tǒng)一、重點本章的重點內容包括以下三部分：1.幅度調制的原理幅度調制是用調制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調制信號的規(guī)律而變化。它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內的簡單搬移，由于這種搬移是線性的，因此幅度調制又稱為線性調制，主要包括調幅（AM）、雙邊帶（DSB）、單邊帶（SSB）和殘留邊帶（VSB）。注意掌握各種線性調制的時域和頻域表示，時域波形和頻域結構，調制器和解調器原理框圖。2.線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能實際中，任何通信系統(tǒng)都避免不了噪聲的影響。本節(jié)研究的問題是信道存在加性高斯白噪聲時，各種線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能。評價一個模擬通信系統(tǒng)的好壞，最終要看解調器的輸出信噪比；衡量同類調制系統(tǒng)不同解調器對輸入信噪比的影響，可以用調制制度增益。掌握抗噪聲性能的分析模型，注意理解相干解調和包絡檢波法采用不同分析方法的原因，并對分析結果加以討論。3.角調制的原理使高頻載波的頻率或相位按調制信號的規(guī)律變化的調制方式，稱為頻率調制（FM）和相位調制(PM)。由于已調信號頻譜不再是原調制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調制。重點掌握FM和PM的原理及關系，調頻指數(shù)與最大頻偏的定義，卡森公式，了解FM的調制與解調原理及抗噪聲性能。二、難點及解決方法本章的難點有：殘留邊帶濾波器的設計要求；門限效應。除了理論分析，盡量借助各種圖形來解釋相關概念，并指出實際系統(tǒng)中需要注意的問題。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)一、重點本章的重點內容包括以下七部分：1.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成與數(shù)字基帶信號模型基帶傳輸系統(tǒng)主要由信道信號形成器、信道、接收濾濾器和抽樣判決器組成。各部分的原理是理解數(shù)字基帶系統(tǒng)的關鍵。數(shù)字基帶信號是信源輸出的數(shù)字代碼對應的電波形，一般常用的單極性不歸零波形、雙極性不歸零波形、單極性歸零波形、雙極性歸零波形、差分波形和多電平波形等6種。數(shù)字基帶信號是進行數(shù)字基帶系統(tǒng)分析的基礎。2.數(shù)字基帶信號功率譜密度研究基帶信號的頻譜結構是十分必要的，通過譜分析，我們可以了解信號需要占據(jù)的頻帶寬度，所包含的頻譜分量，有無直流分量，有無定時分量等。=++功率譜密度的推導是進一步熟悉通信信號，掌握功率譜密度的概念和意義，以及熟練使用的重要手段。3.基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型對傳輸用的基帶信號主要有兩個方面的要求：（1）對代碼的要求，原始消息代碼必須編成適合于傳輸用的碼型；（2）對所選碼型的電波形要求，電波形應適合于基帶系統(tǒng)的傳輸。前者屬于傳輸碼型的選擇，后者是基帶脈沖的選擇。傳輸碼的選擇原則：相應的基帶信號無直流分量，且低頻分量少；便于從信號中提取定時信息；信號中高頻分量盡量少，以節(jié)省傳輸頻帶并減少碼間串擾；不受信息源統(tǒng)計特性的影響，即能適應于信息源的變化；具有內在的檢錯能力;編譯碼設備要盡可能簡單。常用的傳輸碼有：AMI碼、HDB3碼、PST碼、數(shù)字雙向碼等；這些的碼編譯碼原理及其主要特點是熟悉線路編碼的關鍵，也是碼型選擇原則在實際系統(tǒng)的具體應用。4、基帶脈沖傳輸與碼間干擾利用基帶系統(tǒng)的信號傳輸模型，推導接收端抽樣信號中所包含的各個分量。了解碼間干擾的產生原理，以及如何消除碼間干擾的原理。消除碼間干擾的時域條件，由時域條件推導出頻域條件，即奈奎斯特第一準則，利用奈奎斯特第一準則可以進行有無碼間干擾的判定。5、無碼間干擾的基帶傳輸特性無碼間干擾的基帶傳輸特性包括：理想低通濾波器形式，滾降濾波器形式和升余弦濾波器形式。根據(jù)系統(tǒng)傳輸函數(shù)的形式，通過分析可以獲得頻帶利用率，滾降系數(shù)，最高無碼間干擾傳輸速率等參數(shù)。無碼間干擾的基帶傳輸函數(shù)形式也是進一步深入理解無碼間干擾傳輸條件與應用的基礎。6、無碼間干擾的基帶系統(tǒng)的抗噪性能在無碼間干擾的條件下，基帶系統(tǒng)的抽樣信號僅受噪聲的影響，利用噪聲的統(tǒng)計特性，可以推導出單極性基帶信號波形和雙極性基帶信號波形的誤碼率公式。誤碼率公式的推導是進一步理解通信系統(tǒng)性能指標的基礎。7、眼圖和均衡眼圖是有效觀察系統(tǒng)碼間干擾和噪聲的實驗手段，眼圖的模型可以給出在無碼間干擾的條件下，基帶系統(tǒng)定時、判決、噪聲容限和畸變等方面的信息。均衡是減小碼間干擾的重要手段，均衡可分為頻域均衡和時域均衡。所謂頻域均衡，是從校正系統(tǒng)的頻率特性出發(fā)，使包括均衡器在內的基帶系統(tǒng)的總特性滿足無失真?zhèn)鬏敆l件；所謂時域均衡，是利用均衡器產生的時間波形去直接校正已畸變的波形，使包括均衡器在內的整個系統(tǒng)的沖擊響應滿足無碼間串擾條件。有限長時域均衡器可減小碼間干擾，衡量均衡器效果的峰值畸變準則的均方畸變準則，利用均方畸變準則可以獲得使碼間干擾最小的抽頭系數(shù)確定方法—迫零算法。均衡器有手動均衡和自動均衡。均衡器是提高基帶傳輸系統(tǒng)性能的有效技術手段。二、難點及解決方法本章的難點有：基帶信號功率譜密度，HDB3碼編譯碼原理及特點；奈奎斯特第一準則和應用；升余弦滾降特性，頻帶利用率；時域均衡的原理和均衡效果的衡量準則。解決方法：(1)從它們的定義入手，進行必要的推導，掌握數(shù)學上的處理技巧，從物理意義上去理解與分析；掌握其概念和推導過程；（2）借助于教學視頻中的例題講解及課后習題的練習，搞清楚它們的含義和區(qū)別。（3）借助于計算機仿真的手段，對于數(shù)字基帶信號功率譜密度、奈奎斯特第一準則與應用、眼圖和均衡進行仿真驗證，進一步理解本章所講述的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的理論和技術。第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)[說明：第6、7章的講課順序交換，這與教學日歷和教學視頻的順序一致，模塊對應]一、重點本章的重點內容包括以下四部分：1.二進制數(shù)字調制原理內容包括2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK信號的表示式、時域波形、調制器/解調器原理框圖及各點波形，頻譜和傳輸帶寬。在學習過程，應注意這幾種調制方式的共性和個性的對比。2.二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析評價數(shù)字通信系統(tǒng)的抗噪聲性能指標是誤碼率。首先建立各種調制解調系統(tǒng)的抗噪聲分析模型，關鍵要得到識別點處（抽判前端）合成波（信號+噪聲）的統(tǒng)計特性，就不難推出誤碼率表達式。注意探討誤碼率與哪些因素有關。通過誤碼率的推導，學會分析問題的方法和技巧。3.二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較比較二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的有效性、可靠性、對信道參數(shù)變化的敏感性、設備復雜度等的主要目的，是為了了解各種調制方式的優(yōu)勢、劣勢及其適用場合；4.多進制數(shù)字調制采用多進制數(shù)字調制的目的是為了提高有效性、付出的代價是可靠性能下降、設備復雜；要注意借助二進制數(shù)字調制的概念來理解多進制數(shù)字調制原理，尤其是四相制信號的相位關系、矢量圖、時間波形及調制解調方法。二、難點及解決方法本章的難點有：2PSK存在的問題與解決方案；2DPSK信號的調制解調原理包檢2ASK系統(tǒng)和2DPSK相干+碼反變換系統(tǒng)的抗噪聲性能分析。解決方法：借助于演示波形，結合物理概念詮釋的方法，多演練、多畫圖，并要善于借用前面第5章的分析方法和結論。第6章模擬信號的數(shù)字傳輸一、重點本章的重點內容包括以下三部分：1.量化利用預先規(guī)定的有限個電平來表示模擬信號抽樣值的過程稱為量化。根據(jù)量化間隔是否相等，量化分為均勻量化和非均勻量化。掌握量化噪聲和量化信噪比的定義；重點掌握均勻量化和非均勻量化的原理和優(yōu)缺點及A律13折線。2.脈沖編碼調制脈沖編碼調制(PCM)簡稱脈碼調制，它是一種用一組二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值，從而實現(xiàn)通信的方式。PCM是一種最典型的語音信號數(shù)字化的波形編碼方式。掌握PCM的編譯碼原理和抗噪聲性能；PCM信號的碼元速率和傳輸帶寬的計算公式。3.增量調制增量調制簡稱或DM，它是繼PCM后出現(xiàn)的又一種模擬信號數(shù)字傳輸?shù)姆椒?。在中，它用一位編碼表示相鄰樣值的相對大小，從而反映抽樣時刻波形的變化趨勢，而與樣值本身的大小無關。掌握ΔM的編譯碼原理；ΔM的過載特性和編碼動態(tài)范圍；定性了解ΔM系統(tǒng)的抗噪聲性能。二、難點及解決方法本章的難點有：逐次比較型編碼器的編碼原理；PCM的譯碼原理。解決方法：編碼原理通過天平稱重的實例及例題幫助學生理解逐次比較、步步逼近的過程；譯碼原理通過收端譯碼器和本地譯碼器的比較，了解兩者的關系與區(qū)別。第8章數(shù)字信號的最佳接收最佳接收，就是研究在噪聲干擾中如何有效地檢測出信號，利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法研究信號檢測的問題。在某一準則下，使得系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。最佳接收是相對的概念。一、重點本章的重點內容包括以下三部分：1.匹配濾波器匹配濾波器是使得輸出信噪比在某一特定時刻達到最大的最佳線性濾波器。匹配濾波器的傳輸函數(shù)，濾波器所能達到的輸出信噪比的最大值。匹配濾波器的單位沖激響應，對于因果系統(tǒng)，匹配濾波器的單位沖激響應應滿足若輸入信號在時刻結束，則對物理可實現(xiàn)的匹配濾波器，。重點理解以下關于匹配濾波器的描述：匹配濾波器的傳輸函數(shù)和輸入信號有關，信號不同，則匹配濾波器也不同。匹配濾波器的輸出信號和輸入信號之間有嚴重的波形失真，因此只能用于數(shù)字信號的接收，不能用于模擬信號的接收和濾波。匹配濾波器的最大輸出信噪比等于2E/n0，與輸入信號形式無關。提高輸入信號幅度或者增加信號作用時間都可以提高輸出信噪比2.最小差錯概率準則、似然比準則在數(shù)字通信系統(tǒng)中，最直觀且最合理的準則是“最小差錯概率”準則。為了達到最小差錯概率，可以按以下規(guī)則進行判決以上判決規(guī)則稱為似然比準則。在加性高斯白噪聲條件下，似然比準則和最小差錯概率準則是等價的。當和的發(fā)送概率相等時，即時，則有，稱為最大似然準則?？梢酝茝V到多進制數(shù)字通信系統(tǒng)中，對于個可能發(fā)送的信號，在先驗概率相等時的最大似然準則為3.確知信號的最佳接收機根據(jù)似然比準則，在確知信號接收機的假定條件下，推導出最佳接收機的數(shù)學描述：，其中可以得到最佳接收機的結構其中比較器是比較抽樣時刻時上下兩個支路樣值的大小。這種最佳接收機的結構是按比較觀察波形與和的相關性而構成的，因而稱為相關接收機。其中相乘器與積分器構成相關器。匹配濾波器在抽樣時刻時的輸出樣值與最佳接收機中相關器在時的輸出樣值相等。因此，可以用匹配濾波器代替相關器構成最佳接收機。定義和之間的互相關系數(shù)為則誤碼率可以表示為：，它與信噪比及發(fā)送信號之間的互相關系數(shù)有關。的取值范圍為，當取最小值時，誤碼率將達到最小，此時誤碼率為：即為發(fā)送信號先驗概率相等時二進制確知信號最佳接收機所能達到的最小誤碼率。當發(fā)送二進制信號和之間的互相關系數(shù)時的波形就稱為是最佳波形。3.隨相信號的最佳接收機最大似然準則判決規(guī)則簡化為：二進制隨相信號最佳接收機結構可以采用匹配濾波器對二進制隨相信號最佳接收機結構進行簡化。二、難點及解決方法本章的難點有：匹配濾波器的傳輸特性和沖激響應，似然比準則的應用，二進制確知信號最佳接收機的原理及抗噪聲性能，二進制確知信號的最佳形式；二進制隨相信號最佳接收機原理，接收機結構。解決方法：可以通過觀察信號波形加深對接收信號特征的直觀認識。在完成課后習題的過程中，多思考，自己畫出信號各點時間波形，并且利用matlab軟件編寫程序，將輸出波形與自己的波形進行比較，了解波形特征，了解各點輸出的特點。第11章同步原理一、重點同步是通信系統(tǒng)中一個重要的實際問題。本章的重點內容包括以下三部分：1.載波同步當采用同步解調或相干檢測時，接收端需要提供一個與接收信號載波同頻同相的相干載波，這個載波的獲取就稱為載波提取或稱為載波同步。載波同步的實現(xiàn)方法有兩種：插入導頻法和直接法。插入導頻方法一般在信號頻譜的零點處插入導頻，而且，插入的導頻不是調制載波，而是將該載波移相90度后的“正交載波”，而插入“正交載波”的原因：如果插入的是調制載波，則從接收端乘法器的輸出可以發(fā)現(xiàn)，除了調制信號，還有直流分量，這個直流分量將通過低通濾波器對數(shù)字信號的判決產生影響。直接法進行載波同步則是在接收端對已調信號進行某種非線性變換，如平方，得到載波的倍頻分量，在經過分頻就可得到載波同步信號。重點掌握平方變換和平方環(huán)法。另外，了解載波同步性能指標的含義及載波相位誤差對解調性能的影響。2.位同步在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收端需要對收到的碼元進行判決，而確定最佳判決時刻的方法就是位同步。