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现代通信原理与技术

发布日期:2020-05-21 13:38   来源:未知   阅读:

  •   《现代通信原理与技术(第三版)》张辉 课后思考题答案 第一章 绪论 1-1. 什么是数字信号和模拟信号?两者的区别是什么? 答:数字信号是一种离散的、脉冲有无的组合形式,是负载数字信息的信号; 模拟信号是指信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的。 区别:模拟信号的信号参量的取值连续(不可数,无穷多),而数字信号的信号参量只 可能取有限个值。 1-2. 何谓数字通信?简述数字通信系统的主要优缺点? 答:数字通信是用数字信号作为载体来传输消息,或用数字信号对载波进行数字调制后再传 输的通信方式。它可传输电报、数字数据等数字信号,也可传输经过数字化处理的语声和图 像等模拟信号。 优点:(1)抗干扰能力强,且噪声不积累; (2)差错可控,可以采用信道编码技术使误码率降低,提高传输的可靠性; (3)易于与各种数字终端接口,用现代计算机技术对信号进行处理,加工,变换,存储, 从而形成智能网; (4)易于集成化,从而使通信设备微型化; (5)易于加密处理,且保密强度高。 缺点: (1)占用频带较宽; (2)技术要求复杂,尤其是同步技术要求精度很高; (3)进行模/数转换时会带来量化误差。 1-3. 画出数字通信系统的一般模型,并简述各小方块的主要功能。 答:如下 各小方块主要功能: 信息源:信源(信息源,也称发终端)的作用是把待传输的消息转换成原始电信号,如 电话系统中电话机可看成是信源。 信息源编码器:主要实现信源编码。信源编码的作用之一是提高信息传输的有效性,即 通过某种数据压缩技术来减少冗余度(减少信息码元数目)和降低数字信号的 码元数率。 信道编码器:实现信道编码的功能。信道编码是以提高信息传输的可靠性为目的的编码。 通常通过增加信源的冗余度来实现。采用的一般方法是增大码率或带宽。与 信源编码正好相反。 数字调制器:主要实现数字调制功能。数字调制就是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频带信号。 信道:传输信号的物理媒质。 数字解调器:对频带信号进行相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。 信道译码器:将接收到的符号消息按某种规律如何进行判决。 信源译码器:实现信源编码的逆过程。 受信者:传送信息的目的地,功能与信源相反,即将复原的原始电信号还原成相应的信 息,如扬声器等。 噪声源:不是认为添加的设备,而是信道中的噪声以及通信系统中其他各处噪声的集中 表示。 1-4. 在数字通信系统中,其可靠性和有效性指的是什么?各有哪些重要指标? 答:可靠性:是指接收信息的准确程度,也就是传输的“质量”问题。可靠性指标:用接收 端最终输出信噪比来度量,信噪比越大,可靠性越好。 有效性是指在给定时间内所传输的信息内容的多少,或者说是传输的“速度”问题;有 效性指标:用单位时间传送的信息量来衡量,传送信息量越大,有效性越好。 1-5. 按信号的流向和时间分类,通信方式有哪些? 答:单工:信息只能单向传输的工作方式;如:广播 半双工:指通信双方都能收发信息,但不能同时进行收发的工作方式。如:对讲机 全双工:指通信双方都能同时进行信息收发的工作方式。如:电线. 何谓码元速率和信息速率?他们的关系如何? 答:码元速率(RB):又称为信号速率,它指每秒传送的码元数,单位为“波特”(Baud 也称波特率。 信息速率(Rb):指每秒传送的信息量。单位为“bi 对M进制信号,信息速率和码元速率两者的关系是:Rh=RBlog2M 第二章 随机过程 2-1. 什么是随机过程?它具有哪些基本特征? 答:该过程没有确定的变化形式,也就是说每次对它的测量结果没有一个确定的变化规律, 用数学语言来说,这类事物的变化过程不可能用一个或者几个时间 的确定函数来描述。基本特征:(1)它是一个时间函数,具有时间函数的特点; (2)它在某一个时刻 的一族随机变量,具有随机变量的特点。 2-2. 随机过程的期望,方差和自相关函数描述了随机过程的什么性质? 答:描述了随机过程的统计特性。 期望:表示随机过程的n 个样本函数曲线的摆动中心; 方差:表示随机过程在时刻t 对于均值的偏离程度; 自相关函数:衡量随机过程在任意两个时刻获得的随机变量之间的关联程度。 2-3. 什么是宽平稳随机过程?什么是严平稳随机过程? 答:设一个二届随机过程a(t),它的均值为常数,自相关函数仅是时间间隔τ的函数,则称它为 宽平稳随机过程或广义平稳随机过程。 相应的满足 f(x1,,,xn;t1,,,tn)=f(x1,,,xn;t1+h,,,tn+h)定义的过程称为严平稳随机过程或狭义平 稳随机过程。 如果严平稳随机过程只要满足它的均方值有界,那么是广义平稳随机过程,但是反过来不 一定成立。 2-4. 严平稳随机过程的自相关函数有哪些性质?它与功率谱密度关系如何? 答:自相关函数R(T)=E[ξ(t) [方差,ξ(t)的交流功率]。平稳随机过程的功率谱密度P(W)与其自相关函数R(T)是一对傅里叶变换关系: 2-5.高斯过程有哪些性质? 答:定义:如果随机过程 =1,2,...)分布均服从正态分布,则称它为正态过程或高斯过程。 高斯随机过程的重要性质 1、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。 2、广义平稳的高斯过程也是严平稳的。 3、因为,若高斯过程是广义平稳的,即其均值与时间无关,协方差函数只与时间间隔有关, 而与时间起点无关,则它的 维分布也与时间起点无关,故它也是严平稳的。所以,高斯过程若是广义平稳的,则也严平稳。 4、高斯过程经过线性变换后生成的过程仍是高斯过程。也可以说,若线性系统的输入为高 斯过程,则系统输出也是高斯过程。 2-6. 何谓高斯白噪声?他的概率密度函数,功率谱密度函数如何表示? 答:信号在信道中传输时,常会遇到这样一类噪声,它的功率谱密度均匀分布在整个 范围内,即 P(w)=n0/2,这种噪声称为白噪声,如果它又是高斯分布的,那么称之为高斯白 噪声。 2-7. 白噪声的自相关函数在=0 处的值是什么?白噪声通过理想低通或者理想带通滤波器后的 情况如何? 答:白噪声自相关函数为R(τ)= n0/2 2-8.高斯窄带过程的包络和相位分别服从什么分布? 答:高斯窄带过程的包络的一维分布是瑞利分布,相位的一维分布是均匀分布。 2-9. 高斯窄带噪声的同相分量和正交分量的统计特性如何? 答:一个均值为0 的窄带高斯平稳随机过程,它的同相分量和正交分量也是平稳高斯过程,其 均值都为0。并且,在同一时刻上得到的正交分量和同相分量是互不相关的或者是统计独立 2-10.正弦波加窄带高斯噪声的合成包络服从什么分布? 答:包络的密度函数服从广义瑞利分布或者称莱斯密度函数。 当信噪比很小时,接近瑞利分布; 当信噪比很大时,接近高斯分布; 一般情况下是莱斯分布。 2-11.线性系统的输出过程的均值,自相关函数及功率谱与输入平稳过程的关系如何? 答:输出过程的数学期望等于输入工程的数学期望与直流传递函数H(0)的乘积,且与t 无关, ξ(t)的自相关函数只依赖时间间隔T而与时间起点无关,即 输出功率谱密度P0(w)是输入功率谱密度Pi(w)与系统功能传递函数H(w)^2的乘积,即 P0(w)=H(w)^2Pi(w). 第三章 信道与噪声 3-1.什么是狭义通道?什么是广义通道? 答:通道:是指以传输媒质为基础的信号通道; 狭义通道:信道只指信号中的传输媒质,这种信道称为狭义信道;又根据传输媒质的特性 课分为有限信道和无线信道 广义通道:信道不仅是传输媒质,还包括通信系统中的一些转换装置,这种信道称为广义 信道。 3-2. 在广义通道中,什么是调制信道?什么是编码信道? 答:信道一般组成如下图。所谓调制信道,是指从调制器的输出端到解调器的输入端所包含的 发转换装置,媒质和收转换装置三部分。 编码信道包括调制器,调制信道和解调器。 输入 输出 调制信道 编码信道 3-3.如何区分一个信道是恒参信道还是随参信道?通信中常用信道哪些属于恒参信道,哪些属 于随参信道? 答:在实际的物理信道中,根据传输函数 C(w)的时变性的不同可以分为两大类:一类是 基本不随时间变化,即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的,这类信道称为恒定参量信道,简称恒参信道;。通常将架空明线、电缆、光纤、超短波及微波视距传输、卫星中继 等视为恒参信道。 另一类信道是传输函数 C(w)随时间随机变化,这类信道称为随机参量信道,简称随参信道。 短波电离层反射信道、各种散射信道、超短波移动通信信道等为随参信道。 3-4.什么是线性失真,什么是非线性失真?信号在恒参信道中传输时主要有哪些失真?属于哪一 类失真? 答:线性失真:输出信号中不产生输入信号中所没有的新的频率分量; 非线性失真:非线性失真又称波形失真,非线性畸变,表现为输出信号与输入信号不成线 性关系,是输出信号中产生新的谐波成分,改变了原信号频率, 包括谐波失真,瞬态互调失 真,互调失真等; 主要有幅频失真,相频失真,群延迟失真; 属于线.什么是理想信道?理想信道的传输函数具有什么特点? 答:理想信道就是理想的无失真的传输信道,其等效的线.群延迟频率特性是如何定义的?它与相位频率特性有何关系?答:所谓全延迟频率特性就是相位频率特性的导数,可以表示为 为时间延迟)3-7. 随参信道的主要特点是什么?信号在随参信道中传输时 会产生哪些衰落现象? 答:主要特点1 对信号的衰耗随时间随机变化; 多径传播。会产生瑞利衰落,频率选择性衰落。 3-8. 产生幅度衰落和频率弥漫的原因是什么? 答:多径传播。 3-9. 什么是相关带宽,相关带宽对于随参信道信号传输具有什么意义? 相关带宽:信道传输特性相邻俩个零点之间的频率间隔。相关宽带可作为信号频谱的参考标准,保证接受信号的质量。 3-10. 根据噪声的性质分类,噪声可以分为哪几类?各有什么特性? 根据噪声的性质分类,噪声可以分为单频噪声,脉冲噪声,起伏噪声。特性:1,单频,一种连续波干扰; 2,脉冲,以突发脉冲形式出现,干扰持续时间短,脉冲幅度大,周期是随机的且相 邻突发脉冲之间有较大的安静时间; 3,起伏,具有很宽的频带,并且始终存在。 3-11. 信道中常见的起伏噪声有哪些,起伏噪声的功率谱密度和概率分布有什么特性? 有热噪声,散弹噪声,宇宙噪声。起伏噪声的功率谱密度和概率分布服从高斯分布。 3-12. 信道容量是如何定义的? 答:指信道中信息无差错传输的最大速率。 3-13. 香农公式有何意义?信道宽带和信噪比是如何实现互换的? 答:公式:C=B*lb(1+ 为信道容量,B为频带限制,N 为信道噪声功率,S 为输入信号功率,一个连续信道的 信道容量受“三要素“——B,n,s 的限制。只要这三个要素确定,则信道容量也就随之确定。) 意义:表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时,在具有一定频带宽度 的信道上,理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量,则总可以找到一种信道编码方式,实现无差错传输;若传输速率大于信道容量,则不可 能实现无差错传输。 第三章 模拟调制系统 4-1. 调制在通信系统中的主要作用有哪些? 答:(1)将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号; (2)实现信道的多路复用,提高信道利用率; (3)减小干扰,提高系统的抗干扰能力; (4)实现传输宽带和信噪比之间的互换。 4-2. 什么是线性调制?线性调制有哪些方式?已调信号的时域和频域表示式怎么表示?波形和 频谱有哪些特点? 答:在幅度调制中,幅度已调信号的幅度随基带信号变化而成正比的变化;在频谱结构上,它 的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移,由于这种搬移是线性的,因此,幅 度调制又称为线性调制。 调幅AM,抑制载波相干带调制DSB-SC,单边带调制SSB,残留边带调制 VSB 4-3. SSB 信号的产生方法有哪些? 答:滤波法和相移法。 4-4. VSB 滤波器的传输特性应满足什么条件?为什么? 答:在载频(wc)处具有互补对称奇对称特性; 因为只有这样,在接收端采用相干解调法就能够从中回复原来的基带信号。 4-5. 如何比较两个模拟通信系统的抗噪声性能? 答:通过比较器输出信噪比实现。 4-6. DSB SSB调制系统的抗噪声性能是否相同?为什么? 答:相同。 虽然 DSB 解调器的调制制度增益是 SSB 的二倍,但是因为 DSB 信号所需带宽为 SSB 倍,因而在输入噪声功率谱密度相同的情况下,DSB解调器的输入噪声功率将是 SSB 倍。不难看出,如果解调器的输入噪声功率谱密度相同,输入信号的功率也相等,在相同的噪声背景和相同的输入信号功率条件下,DSB 和SSB 在解调器输出端的信噪比是相等的。 这就是说,从抗噪声的观点,SSB 制式和DSB 制式是相同的。但SSB 制式所占有的频带仅 为DSB 的一半。 4-7. 什么是频率调制,什么是相位调制,俩者关系如何? 答:频率调制是使高频载波的频率按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式是 FM ,满足 (),即瞬时相位偏移随调制信号作线性变化;相位调制是使高频载波的相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式是PM, 满足 (),即瞬时频率偏移随调制信号作线性变化。调频和调相统称为角度调制。 4-8. 简述窄带调频和宽带调频的区别,特点和应用。 答:窄带调频较宽带调频占据带宽较窄,抗噪声性能不能充分发挥,不能用于高质量的通信, 例如微波,卫星通信,调频立体声广播,电视伴音都是用宽带调频的,而不能用窄带调频。 4-9. 试比较调幅系统和调频系统的抗噪声性能。 答:因为在调幅制中,由于信号宽带是固定的,无法进行信号宽带与信噪比的互换,导致其抗 噪声性能低于调频系统。 4-10.为什么调频系统可进行带宽和信噪比的互换,而调幅不能? 答:调频以增加带宽以改善抗噪声性能,而调幅中,由于信号宽带是固定的,所以无法进行信 号宽带与信噪比的互换。 4-11. 什么叫门限效应,为什么相干解调不存在门限效应,而非相干解调有门限效应? 答:当输入信噪比( 急剧下降,这种现象就是门限效应。 门限效应是包络解调(非相干解调)独有的特点,是由包络检波器的非线性解调作用引起 相干解调仅适用于窄带调频信号,非相干解调适用于窄带和宽带调频。FM系统实 际上是以带宽换信噪比(这点通过与 AM 系统比较看出)。随着带宽增加,输入噪声功率 会随之增大,在输入信号功率不变的条件下,输入信噪比下降。在小信噪比情况下,调制 信号无法与噪声分开,而且有用信号淹没在噪声之中,此时检波器输出信噪比不是按比例 地随着输入信噪比下降,而是急剧恶化,也就是出现了门限效应。 第四章 数字基带传输系统 5-1. 数字基带传输系统的基本组成以及各部分的功能如何? 数字基带信号 信道信号形成器: 信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带 信号。 信道:它是允许基带信号通过的媒质。接收滤波器:滤除带外噪声,对信道特性均衡,使 输出的基带波形有利于抽样判决。 抽样判决器:在规定时刻(由位定时脉冲控制)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。 5-2. 什么是基带信号?数字基带信号有哪些常用的形式?他们各有什么特点? 答:数字基带信号,就是消息代码的电波型。 常见的有:矩形脉冲,三角波,高斯脉冲,余弦脉冲,矩形脉冲; 特点:易于形成和变换。 5-3. 研究数字基带信号功率谱的目的是什么?信号带宽怎么确定? 答:针对信号谱的特点来选择相匹配的信道,以及确定是否可以从信号中提取定时信号。 根据它的连续谱来确定信号带宽。 5-4. 构成 AMI HDB3码的规则是什么?他们各有什么优缺点? 答:AMI:将二进制消息代码“1”交替的变换为传输码的“+1”和“-1”,而“0”保持不变。 AMI 码无直流成分;编译码电路简单;具有内在检错能力;传输效率高。当原码出现 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:当信码的连“0”个数不超过3 时,仍按 AMI 码规则编码当出现4 个以上连0 变为与前一非零符号(+1或-1)同极性的符号,该符号称为破坏符号, 用符号 符号之间有偶数个非0符号时,此时应将后一连0 小段的 信道信号 形成器 信道 接收滤 符号,B符号的极性与前一非0 符号的极性相反。并让后面的非 符号从V符号开始交替。 优点:无直流成分,低频分量小;具有内在检错能力;传输效率高,性能与信息源的统计特 性基本无关;译码设备简单;将连“0”码限制在3 个以内,有利于定时信号的提取。 缺点:编码设备复杂。 5-5. 什么是码间串扰?他是怎样产生的?会带来什么不好影响?应该怎么样消除或者减小? 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、展宽,并使前面波形出现很长的拖尾,蔓延到当前码元的抽样时刻上,从而对当前码元的判决造成干扰。 不好影响:误码率提高 应该最大限度减小码间串扰和随机噪声的影响。 5-6. 为了消除码间串扰,基带传输系统函数应满足什么条件?其相应的冲击响应具有有什么特 是随机的,想要通过各项相互抵消使码间串扰为 是不行的,这就要对h(t)波形提出要求,所以只要让它在 等后面码元抽样判决时刻上正好为0,就能消除码间串扰。系统冲击响应应满足下式: 为其它整数特点:无码间串扰传输系统冲击响应除t=0 时刻取值不为 抽样值均为0。5-7. 基带传输系统中传输特性的宽带是怎样定义的?与信号宽带的定义有什么不同? 答:基带传输系统中传输特性的宽带: 信号宽带的定义:B=fH-fL 5-8. 什么叫奈奎斯特速率和奈奎斯特带宽?此时的频带利用率有多大? 答:奈奎斯特带宽:最小传输宽带 发送序列的时间间隔)奈奎斯特速率:系统无码间串扰的最高传输速率2 波特频带利用率: 波特/赫兹5-9. 什么是最佳判决门限电平? 答:最佳判决门限电平:一个使误码率最小的判决门限电平。 5-10. 时,传送单极性基带波形和双极性基带波形的最佳判决门限电平各位多少?为什么? 答:传送单极性基带波形:A/2; 双极性基带波形:0. 5-11.无码间串扰时,基带系统的误码率与哪些因素有关?如何降低系统的误码率? 答:基带系统的误码率与信号峰值A,门限 Vd 以及噪声均方根值有关; 由下式 )可得可以通过等概率发送,增大A 值,降低噪声均方值 以达到降低误码率的目的。5-12. 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 码的眼图应是什么图形? 眼图:指利用实验手段方便地估计和改善系统性能时在示波器上观察到的一种图形。用处:可以用来指示接受滤波器的调整,以减少码间串扰,改善系统性能。 哪些性能:可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小。 5-13. 时域均衡器的均衡效果是如何衡量的?什么是峰值失真准则?什么是均方失真准则? 答:一般采用所谓峰值失真准则和均方失线. 频域均衡和时域均衡的基本思想是什么?横向滤波器为什么能实现时域均衡? 答:频域均衡的思想是把信号变换到频域去做处理,然后再反变换; 时域均衡的思想是直接在时域进行卷积。也即过滤波器; 横向滤波器的函数与信道卷积为冲激响应,则可使整个系统传输无失线.部分响应技术解决了什么问题?第 IV 类部分响应的特点是什么? 答:使频带利用率达到理论上的最大值,又可形成“尾巴”衰减大,收敛快的传输波形,从而 降低对定时取样精度的要求。 特点:无直流分量,且低频分量少,抽样电平数少。 第五章 模拟信号的数字传输 6-1.简述低通抽样定理。它是在什么前提下提出的? 答:抽样是把时间上连续的模拟信号编程时间上是离散的的抽样值的过程。 低通抽样定理:一个频带限制在(0,f 间隔对它进行等间距(均匀)抽样,则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。6-2. 对载波基群60~108khz 的模拟信号,其抽样频率应选择在什么范围内?抽样频率等于多少? 答:因为B=108-60=48