樊昌信通信原理第7版课后习题答案详解与课程笔记(含考研真题).pdf
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2.3名校考研真题详解.38第3章随机过程403l复习笔记.403.2课后习题详解5233名校考研真题详解63第4章信道.724.1复习笔记42课后习题详解.76724.3名校考研真题详解第5章模拟调制系统.:
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8.1复习笔记1978.2课后习题详解20383名校考研真题详解.207第9章数字信号的最佳接收.210:
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第13章同步原理.354:
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雷13.3名校考研真题详解.377第1章绪论1.1复习笔记一、通信的基本概念1.通信通信是指发送者(人或机器)和接收者之间通过某种媒体进行的信息传递。
2.消息、信息与信号(见表1-1-1)表1-1-1消息、信息与信号要点主要内容消息是指诵信系统传输的对象,它是信息的载体,分为连续消息(语音、温度数据)和离散消息(符号、文字、数字数据)1兰口,自心、是指消息中所包含的有效内容信号是指消息的传输载体,分为模拟信号(电话机送出的语音信号)和数字信号(计算机输出的信号)消息是信息的物理形式;关系信息是消息的有效内容;信号是消息的传输载体二、通信系统模型l通信系统一般模型(见表1-1-2)表1-1-2通信系统一般模型要点主要内容系统模型见图1-1-1信息源把待传输的消息转换成原始电信号,分为模拟信洒(话筒、摄像机)和数字信洒(电传机、计算机)将信洒和信道匹配起来,即将信洒产生的原始电信发送设备号变换成适合在信道中传输的信号。
例如,变换器、放大器、滤波器、编码器、调制器以及多路传输系统中的多路复用器等系统模块信道是指种将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。
可以是无线的,也可以是有线的噪声涌是指信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示,非人为加入接收设备从受到城损的接收信号中正确恢复出原始电信号信宿把原始电信号还原成相应的消息,如扬声器等,又称受信者、收终端信源发送设备信道接收设备信宿(发送端)噪声源图1-1-1通信系统一般模型2.模拟通信系统模型(见表1-1-3)(接收端)表1-1-3模拟通信系统模型要点主要内容系统模型见图1-1-2模拟信洒把连续消息变换成原始电信号,即基带信号系统模块调制器把基带信号变换成适合在信道中传输的信号将信道中传输的已调信号变换为基带信号鲜调器信宿模拟信宿将基带信号变换为连续消息注:
基带信号是从信洒发出或送达信宿的信号的基本频带信号。
频诸涌常从零频附近开始。
已调信号是经过调制的信号。
其频谐诵常具有带涌形式,又称带诵信号模拟信源调制器信道噪声源图1-1-2模拟通信系统模型3.数字通信系统模型(见表1-1-4)解调器信宿要点系统模型表1-1-4数字通信系统模型主要内容见图1-1-3G)信洒编码的作用信源编码:
a.通过城少传输码元,降低码元速率从而增加传输的有效性;:
b可以实现模拟向数字的转换与译码飞3信擁译码的作用信源译码和编码是相反的过程,是数字向模拟的转换信道编码作用是进行差错控制,信道编码器对传输的信息码元桉定的信道编码规则加入保护成分(监督码元),组成“抗干扰编码”与译码信道译码是指信道译码器按相应的逆规则进行解码,从中发现或纠正错误以提高诵信系统的可靠性加密的定义是指人为地将披传输的数字序列扰乱加上密码以保证传输信系统模块加密息的安全的处理过程与解密解密的定义数字调制与解调是指接收端与发送端处理过程相反的,用来恢复原来信息的处理过程数字调制把数字基带信号的频谱搬移到高频处,形成适合在信道中传输的带诵信号。
分为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、绝对相移键控(iPSK)、相对(差分)相移键控(DPSK)数字解调从数字带诵信号中还原出数字基带信号。
分为相干解调、非相干解调使收发两端的信号在时间上保持步调致,保证数字诵信系统同步1的有序、准确和可靠。
按照同步的功用不同,分为载波同步、位同步、群(帧)同步和网同步信源信源编码加密信道编码调制信道解调解密信源译码信宿噪声源.,图1-1-3数字通信系统模型4.数字通信的特点(见表1-1-5)表1-1-5数字通信的特点要点主要内容抗干扰熊力强,且噪声不积婴传输差错可控;优点便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储;易于集成,城轻诵信设备的重量;易于加密处理,保密性好缺点占用的传输带宽较大;对同步要求高,系统设备复杂三、通信系统分类与通信方式1.通信系统的分类(见表1-1-6)表1-1-6通信系统的分类分类方式主要内容桉诵信业务分类电报通信系统、电话通信系统、数据诵信系统、图像诵信系统按调制方式分类基带传输系统(将未经调制的信号直接传送)和带诵传输系统桉信号特征分类模拟诵信系统(系统信逜中所传输的信号为模拟信号)和数字通信系统按传输媒质分类有线通信系统(导线作为传输媒质完成诵信)和无线通信系统(依靠电锐波在空间传措完成通信)桉工作波段分类长波通信、中波通信、短波诵信、远红外线通信等按信号复用方式分类分为频分复用、时分复用、码分复用、波分复用、空分复用等2.通信方式(见表1-1-7)表1-1-7通信方式要点主要内容定义是指诵信双方之间的工作方式或信号传输方式是指诵信双方中只有一个可以进行发送,另单工诵信一个只有老接收的单方向传辅的工作方式。
例工作方式分类如广措、遥测、遥控、无线寻呼等(桉消息传递是指诵信双方都殿收发消息,但不熊同时进方向与时间的半双工诵信行收和发的工作方式,例如使用同一载频的关系)昔诵对讲机,间询及检索等全双工诵信是指诵信双方可同时收发消息的工作方式。
例如电话等诵信方式分类具休见表1-1-8表1-1-8通信传输方式的分类按数据码元传输方式定义优点缺点示意图应用不同分类并行传输是指将代表信息的般只用于数字码元设备之间的序列以成节雀传需多条通C刚观b近距离诵并行传输组的方式输时间,信信道,成!
信,例如计在两条或速度快本高算机和打印两条以上机之间的数的并行信据传输道上同时传输串行传输是指将数速度慢,需,口、带而字码元序外加同步cb信次赏这二条诵信1111列以串行措施以解,一,应用于远距饺送方。
(II,01100100;:
擅f串行传输方式个信道,所决收、发双离数字传输需线路。
码元接方码组或I诵信个码元地铺设费字符的同芦?
申转Iii横并暑行用低在一条信步间题道上传输四、信息及其度量(见表1-1-9)表1-1-9信息及其度量要点主要内容假设P(x)表示消息发生的概率,I表示消息中所含的信息量,定义,则消息x所含的信息量为单位计算1I=loga=-logP(x)P(x)信息量单位和对数的底a有关比特单位若a=2,则信息董的单位为比特(bit),简记为b,诵常广泛使用的单位为比特,有1I=log2=-log2P(x)(b)P(x)奈特单位若a=e,则信息量的单位为奈特(nat)哈特莱单位若a=lO,则信息量的单位为哈特莱(Hart.ley)见表1-1-10要点表1-1-10信息量的计算主要内容对于离散信洒,M个波形等概率(P=l/M)发送,且每一个波形的出等:
现是独立的,即信源是无记忆的,则传送M进制波形之一的信息量为概率11I=fog2=log2=log2M,(b)P1/M离散信号信息源的嫡的定义设离散信源是一个由M个符号组成的集合,其中每个符号Xi(i=1,2,寸卡,3,M)桉定的概率p(Xi)独立出现。
则平均信息量为等概率.H(x)=P(x1)-log2P(x1)+P(x2)-log2P(x2)+P(切)log2P(切)M=-LP(xi)log2P(x;)(bI符号)i=l信息洒的嫡的性质当P(xi)=1/M(每个符号等概率独立出现)时,信源的嫡有最大值假设f(x)为连续消息出现的概率密度,则连续消息的平均信息量为连续俨CJ口亏H(x)=J:
/(x)logaf(x)dr-五、通信系统主要性能指标1有效性(见表1-1-11)表1-1-11有效性要点定义1是指传输定信皂董所占用的频:
尸即频带利用率勹厂厂勹振信号,所需的传输带宽越小,频带利用率越高,度量信系统有效性越好频带利用率n是指单位带宽(每Hz)内的传输速率,即n硒(Baud/Hz)或Tb=RblB(b/(sHz)码元传输速率际是指单位时间(每秒)传输码元的数目,单位为被特(Baud),简称传码率,即数字诵际1庙(Baud)信系统注:
M进制码元速率RBM与二进制码元速率阳2的关系为阳2=R卧dog2M信息传输速率氐是指单位时间内传输的平均信息量,单位为比特秒(b/s),简称传信率,即邸Rb/lo驴M(Baud)汪:
码元速率和传输速率的关系:
氐邸H(计算题常用到)2.可靠性(见表1-1-12)表1-1-12可靠性要点主要内容定义是指传输信息的准确程度通常用接收端输出信号与噪声功率比(SIN)来模拟诵信系统度董,它反映了信号经传输后的“保真”程度和抗噪声能力O误码率Pe是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占度量的比例,即数字诵信系统凡错误码元数传输总码元数误信率Pib是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例,又称误比特率,即Pb错误比特数传输,总比特数1.2课后习题详解思考题1-1以无线广播和电视为例,说明教材图1-3模型中信源、信宿及信道包含的具体内容是什么?
答:
(1)在无线电广播中O信源:
从声音等各种消息转换而成的原始电信号;信宿:
从复原的原始电信号转换成对应的声音;信道:
载有声音和影像的无线电波,以某种方式表示原始电信号。
(2)在无线电视系统中0信源:
从声音、影像等消息转换而成的原始电信号;信宿:
从复原的原始电信号转换成的声音、影像等;信道:
载有声音和影像的无线电波,以某种方式表示原始电信号。
1-2何谓数字信号?
何谓模拟信号?
两者的根本区别是什么?
答:
(1)数字信号是指载荷消息的信号参批仅有有限个取值的信号;模拟信号是指载荷消息的信号参撇取值为连续(不可数、无穷多)的信号;
(2)两者的根本区别在千载荷消息信号参址的取值是连续的还是离散可数的。
时间域上的连续与否不能作为区分模拟信号和数字信号的标准。
1-3何谓数字通信?
数字通信有哪些优缺点?
答:
(1)利用数字信号来传递信息的通信系统称为数字通信系统。
其中主要有信源编码与译码、数字调制与解调、同步以及加密与解密等组成部分;
(2)数字通信的优缺点:
O优点:
a.抗干扰能力强,且噪声不积累。
数字通信特有的抽样判决再生的接收方式使得其拥有较强的抗干扰能力;b.传输差错可控。
在数字通信系统中,可通过信道编码技术进行检错与纠错,降低误码率,提高传输质瑟;c.易千加密处理,且保密性好;d.便千存储、处理和交换;数字通信的信号形式和计算机所用的信号一致,都是二进制代码,因此便于与计算机联网,也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换,可使通信网的管理和维护实现自动化、智能化;e.易千集成,使通信设备微型化,重量减轻;f.便千构成综合数字网和综合业务数字网。
采用数字传输方式,可以通过程控数字交换设备进行数字交换,以实现传输和交换的综合。
缺点:
a.可能需要较大的传输带宽;b.对同步要求高,系统设备复杂。
1-4数字通信系统的一般模型中各组成部分的主要功能是什么?
答:
数字通信系统的一般模型中各组成部分的主要功能是:
(1)信源编码与译码功能是提高信息传输的有效性和进行模数转换;
(2)信道编码和译码功能是进行差错控制,从而增强数字信号的抗干扰能力;(3)加密与解密的功能是保证信息的安全传输;(4)数字调制和解调功能是把数字基带信号搬移到高频处以便在信道中传输;(5)同步的功能是在首发双方时间上保待一致,保证数字通信系统的有序、准确和可靠的工作。
1-5按调制方式,通信系统如何分类?
答:
按调制方式,通信系统分为:
(1)基带传输系统。
基带传输系统是将未经调制的信号直接传送,如市内电话、有线广播,一般的无线传输很少用到基带传输系统;
(2)带通传输系统。
带通传输是对各种信号调制后输出的信号。
带通传输系统的应用非常广泛,无线传输领域基本上都是利用带通传输系统。
1-6按传输信号的特征,通信系统如何分类?
答:
按传输信号的特征,通信系统分为:
(1)模拟通信系统。
模拟通信系统是指系统信道中所传输的信号为模拟信号的通信系统;
(2)数字通信系统。
数字通信系统是指系统信道中所传输的信号为数字信号的通信系统。
1-7按复用方式,通信系统如何分类?
答:
按复用方式,通信系统分为:
(1)频分复用。
频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围;
(2)时分复用。
时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间;(3)码分复用。
码分复用是用正交的编码分别携带不同的信号;(4)波分复用。
波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号经复用器汇合在一起并耦合到光线路中同一根光纤中进行传输;(5)空分复用。
空分复用是指让同一个频段在不同的空间内得到重复利用。
1-8单工、半双工及全双工通信方式是按什么标准分类的?
解释它们的工作方式并举例说明。
答:
(1)单工、半双工及全双工通信方式是按照消息传递的方向与时间关系分类的;
(2)工作方式:
0单工通信是指消息只能单向传输的工作方式,通信双方只有一个进行发送,另一个只能接受,如广播,遥测,无线寻呼等;半双工通信是指通信双方都能进行收发信息,但是不能同时进行收发的工作方式,如使用同一载频的普通对讲机、间询及检索等;等。
全双工通信是指通信双方能同时进行收发消息的工作方式,如电话和计算机之间的高速数据通信1-9并行传输和串行传输的适用场合及特点?
答:
(l)并行传输和串行传输的适用场合分别为:
并行传输一般适用千设备之间的近距离通信。
比如一般的计算机内部通信;串行传输一般适用千远距离传输。
普通的通信系统都是采用串行传输。
(2)并行传输和串行传输的特点分别为:
O并行传输a.优点:
传输速度快,节省时间,无衙附加设备就能实现收发双方字符同步;b.缺点:
需要多条通信线路,成本高。
串行传输a.优点:
只需一条通信线路,成本低;b.缺点:
传输速度慢,需要外加同步措施解决收发双方码组或字符同步。
1-10通信系统的主要性能指标是什么?
答:
通信系统的主要性能指标是有效性和可靠性。
有效性是指信息传输的效率问题,在模拟通信系统中,用有效传输频宽表示,数字通信中用信息传输速率来衡盎;可靠性是指系统接收消息的准确程度,即质域的好坏。
1-11衡量数字通信系统有效性和可靠性的性能指标有哪些?
答:
(1)衡量数字通信系统的有效性的性能指标:
码元传输速率和频带利用率。
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,有效性越好;传输同样的信源信号,所需的时间越少,即码元传输速率越大,则有效性越高;
(2)衡量数字通信系统的可靠性的性能指标:
差错概率。
差错概率常用误码率和误信率表示。
误码率是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例,更确切地说,误码率是码元在传输过程中被传错的概率;误信率又称误比特率,是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例。
1-12何谓码元速率和信息速率?
它们之间的关系如何?
答:
(1)码元速率(RB)是指每秒钟传送码元的数目,单位为波特;信息速率(凡)是指每秒钟传送的平均信息矗,单位是bit/s;
(2)码元速率与信息速率的关系为:
Rb=Ralog2M(M进制码元携带log2M比特的信息最)。
信息速率总是码元速率的整数倍。
1-13何谓误码率和误信率?
它们之间的关系如何?
答:
(1)误码率和误信率的定义分别为:
0误码率是指码元在传输系统中被传错的概率,即错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例,pe错误码元数传输总码元数;误信率是指码元在传输系统中被丢失的概率,即错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例,凡错误比特数传输总比特数;
(2)误码率和误信率的关系:
它们是描述差错率的两种不同表述。
在二进制中,二者数值相等。
1-14消息中包含的信息量与以下哪些因素有关?
(1)消息出现的概率;
(2)消息的种类;(3)消息的重要程度。
答:
由信息论以及概率论可知,信息量的度噩为:
H(X)=ElP(x)=E-logP(x)n=-LP(x)logP(x)i=l这种度掀消息中信息量的方式必须能够用来度撇任何消息,而与消息的种类无关。
同时,这种度僅方法也应该与消息的重要程度无关。
因此消息中包含的信息矗与
(1)有关。
习题1-1已知英文字母e出现的概率为0.105,X出现的概率为0.002,试求e和x的信息量。
解:
e的信息量为:
Ic=log2(1/P(e)=log2P(e)=log20.105=3.25(bit)x的信息矗为:
lx=log2(1/P(x)=-og2P(x)=-og20.002=8.97(bit)1-2设有四个符号,其中前三个符号的出现概率分别为1/4,1/8,l/8,且各符号的出现是相互独立的。
试计算该符号集的平均信息量。
解:
因为各符号的概率之和等千l,所以第四个符号的概率为1/2,故该符号集的平均信息霾为:
llllllH=-2x-log2-log2-=1.75(b符号)4log2488221-3某信源符号集由字母A、B,C,D组成,若传输每一个字母用二进制码元编码,“00”代替A,01代替B,10代替C,11代替D,每个二进制码元宽度为Sms。
(1)不同的字母是等可能出现时,试计算传输的平均信息速率;
(2)若每个字母出现的可能性分别为PA=l/5,Ps=l/4,Pc=l/4,Po=3/10,试计算传输的平均信息速率。
解:
(l)由千每个二进制码元宽度为5ms,又一个字母由两个二进制码元组成,所以一个字母的持续时间为:
兀2X5ms则传送字母的符号速率为:
R尸l几1/(2X5Xl0一3)=100(Baud)故不同字母等可能出现时,传输的平均信息速率为:
凡Ralog2M=Ralog24=200(b/s)
(2)该信号源符号集的平均信息盘为:
111310H=log25+-:
-log24+-:
-log24+log2=l.985(b符号)544103故传输的平均信息速率为:
Rb=R8H=lOOX1.985=198.5(b/s)1-4一部电话机键盘上有10个数字键(0,-,9)。
设发送数字1的概率为0.3,发送数字3和8的概率分别为0.14,发送数字2,4,5,6,7,9和0的概率分别为0.06,试求:
(1)每键的平均信息量(墒);
(2)如果按键速率为2个s,试计算传送的信息速率。
解:
(1)每键的平均信息量为:
LOH=-IP(xi)log2P(xi)i=I=0.3log20.32x0.14log20.147x0.06log20.06=-3.32x(0.3lgO.3+2xO.14lgO.14+7xO.06lgO.06)豆02(b键)
(2)由题可知,RB=2个Is,故传送的信息速率为:
Rb=R8H=2X3.02=6.04(b/s)1-5设某信源的输出由128个不同的符号组成。
其中16个出现的概率为1/32,其余112个的出现概率为1/224。
信源每秒发出1000个符号,且每个符号彼此独立。
试计算该信源的平均信息速率。
解:
每个符号的平均信息量为:
llH=l6xlog232+112x-log2224=6.405(b符号)32224又已知符号速率R8=1OOOBaud,故平均信息速率为:
Ri,=RaH=lOOOX6.405=6.405X103(b/s)1-6设二进制数字传输系统每隔0.4ms发送一个码元。
试求:
(1)该系统的信息速率;
(2)若改为传送十六进制信号码元,发送码元间隔不变,则系统的信息速率变为多少?
(设各码元独立等概率出现)解:
(1)由题可知,码元宽度兀0.4ms,则码元速率R8=lff8=2500Baud。
又二进制系统的信息速率等千码元速率,故该系统的信息速率为:
Rt,=Ralog丑2500(b/s)
(2)由千码元间隔(码元宽度)不变,则码元速率也不变,仍为2500Baud,故传送十六进制码元时,系统的信息速率为:
凡R8log216=2500X4=10000(bis)1习某信源符号集由A,B,C,D和E组成,设每一符号独立出现,其出现概率分别为1/4,1/8,1/8,3/16和5/16。
若每秒传输1000个符号,试求:
(1)该信源符号的平均信息朵;
(2)lh内传送的平均信息量;(3)若信源等概率发送每个符号,求lh传送的信息量。
解:
(1)该信源符号的平均信息量(嫡)为:
MH(x)=-IP(xi)log2P(xi)i=Illllll3355=-ilog五飞log飞飞log飞飞log飞飞log飞=2.23(b符号)
(2)已知凡lOOOBaud,所以该信源符号的平均信息速率为:
凡R8H=lOOOX2.23=2.23X103(b/s)则lh传送的平均信息扯为:
l=Rbt=2.23X103X3600=8.028X106(bit)(3)等概率发送时的信源墒为:
比x=log2M=log25=3.32lg5=2.33b符号此时平均信息速率最大,故lh传送的信息盘为:
I=Rbnnxt=(Ra比QX)t=l000X2.33X3600=8.352Xl06(bit)1-8设某四进制数字传输系统的信息速率为2400b/s,接收端在0.5h内共收到216个错误码元,试计算该系统的误码率Pe解:
已知信息速率Rb=2400b/s,则码元速率为:
Ra=Rb/log2M=2400/log24=1200(Baud)所以0.5h(1800s)内传送的码元个数为:
N=R8t=1200X1800=2.16X106(个)又错误码元数Ne=216个,所以误码率Pe为:
Pe=NefN=216/(2.16X10勺10-41.3名校考研真题详解一、填空题1.通信系统中,发出待传送信息的主体称为信源,该信息的接受者称为信宿,而传送信息的通道称为。
北科2011研【答案】信道【解析】通信系统主要由信源、信道、信宿组成,信源的作用是把将各种可能的消息转换成原始电信号,信道负责传送由原始电信号转换而来的信号,信宿则将原始电信号转换成相应的消息。
2.信源编码是降低信号中的编码,目的是提高通信系统的;信道编码是增加信号中的编码,目的是提高通信系统的。
南京大学2010研【答案】信息冗余度;有效性;信息冗余度;可靠性【解析】信源中存在一些不必要传送的信息,因此信源也就存在进一步压缩其信息速率的可能性,信源编码是降低信号中的信息冗余度,提高系统的有效性;由千实际信道存在噪声和干扰的影响,使得信息在传送过程中出现差错,信道编码是依靠增加信息冗余度,提高系统的可靠性。
3.一离散信源输出二进制符号,在条件下,每个二进制符号携带l比特信息痲;在条件下,每个二进制符号携带的信息盆小于1比特。
北科2010研【答案】等概;不等概【解析】离散信源的嫡H(X)=-IP(x/.)logP(x;)。
若X为离散二进制信源,且等概时,信源i=l的墒H(X)达到最大值为一log2(1/2)=1;当信源X不等概率时,信息嫡H1(X)1。
4.若离散信源输出16进制独立等概随机序列,则此信源输出的每个符号所包含的平均信息量。
若16进制符号不是等概出现,则此信源输出的每个符号所包含的平均信息量。
北科2010研J【答案】等千4比特;小于4比特【解析】M进制的独立等概离散随机信源的墒凡(X)=log2
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