通信原理简明教程课件.ppt

1、目录目录 绪论绪论 预备知识预备知识 模拟线性调制模拟线性调制 模拟角调制模拟角调制 模拟信号的波形编码模拟信号的波形编码 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 数字信号的调制传输数字信号的调制传输 现代数字调制技术现代数字调制技术 差错控制编码差错控制编码现代通信与信息社会现代通信与信息社会语言语言文字文字图像图像人力人力马力马力电话、广播电话、广播信鸽、邮政信鸽、邮政电报电报Email烽火台烽火台电视电视 视频会议视频会议信息社会信息社会信号弹信号弹1 绪论绪论1.1 1.1 通信和通信系统的一般概念通信和通信系统的一般概念1、通信的目的：传递消息中所包含的信息。2、消息的表达形式：语言、

2、文字、图像、数据等3、实现通信的方式：目前最广泛的是电通信4、电通信的概念：用电信号携带所要传递的消息，然后经过各种电信道进行传输，达到通信的目的。5、电通信的优势：能使消息几乎在任意的通信距离上实现迅速而又准确的传递。6、按媒质的不同，通信方式分为：有线通信：用导线作为传输媒质：如架空明线、电缆。无线通信：利用 无线电波在空间的传播7、通信系统的定义：为完成通信任务所需要的一切技术设备和传输媒质所构成的总体。8、通信系统的组成受 信 者输 入 变 换 器发 送 设 备信 道接 收 设 备输 出 变 换 器噪 声 源信 息 源1.2 1.2 通信系统的分类通信系统的分类传输方式：基带传输，频带

3、传输传输方式：基带传输，频带传输复用方式：频分，时分，码分和空分复用方式：频分，时分，码分和空分调制方式调制方式连续波连续波脉冲调制脉冲调制ASK，FSK，PSK，QAM线性线性 AM，SSB，VSB非线性非线性 FM，PM模拟模拟数字数字模拟模拟数字数字PAM，PPMPCM，ADPCM，CVSD，M音 频 或视 频 信 号音 频 或视 频 放 大调 制高 频功 放高 频放 大混 频中 频放 大解 调音 频 或视 频 功 放本 地振 荡高 频 放 大倍 频高 频振 荡无线模拟发送、接收系统方框图音频或视频信号音频或视频放大信源编码信道编码高频放大倍 频高频振荡调制高频功放高频放大混频中频放大解

4、调音频或视频功放本地振荡信道译码信源译码无线数字频带传输发送、接收系统方框图无线电通信波段无线电通信波段1.3 1.3 通信技术发展概况通信技术发展概况18381838莫尔斯莫尔斯 有线电报有线电报19481948晶体管晶体管 香农香农IT IT 通信统计理论建立通信统计理论建立18641864麦克斯韦尔麦克斯韦尔 电磁辐射方程电磁辐射方程19501950时分多路通信时分多路通信 应用于电话应用于电话18761876贝尔贝尔 电话电话19561956越洋电话铺设越洋电话铺设18961896马克尼马克尼 无线电报无线电报19571957第一颗人造卫星发射第一颗人造卫星发射19061906真空管真

5、空管19581958第一颗通信卫星发射第一颗通信卫星发射19181918调幅广播调幅广播 超外差接收机超外差接收机19601960发明激光发明激光19251925三路明线载波电话三路明线载波电话 多路通信多路通信19611961发明集成电路发明集成电路19361936调频广播调频广播19621962第一颗同步通信卫星第一颗同步通信卫星 PCMPCM进入实用进入实用19371937脉冲编码调制脉冲编码调制19601960彩电彩电 数字传输理论数字传输理论 高速计算机高速计算机19381938电视广播电视广播19701970LSI LSI 商用卫星商用卫星 程控交换程控交换 光纤通讯光纤通讯194

6、01940二战刺激二战刺激 雷达和微波系统发展雷达和微波系统发展19801980SLSI SLSI 长波光纤通信长波光纤通信 ISDN 3GISDN 3G 塞缪尔塞缪尔莫尔斯（莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872），作为一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留），作为一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留学，在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家。学，在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家。1826年至年至1842年任美国画家协会主席。年任美国画家协会主席。在在一一次次远洋远洋旅途中，莫尔斯结识了杰克逊。杰克逊是旅途中，莫尔斯结识了杰克逊。

7、杰克逊是波士顿城的一位医生，也是一位电学博士。闲聊中，杰克波士顿城的一位医生，也是一位电学博士。闲聊中，杰克逊把话题转到电磁感应现象上。逊把话题转到电磁感应现象上。从此，莫尔斯走上了科学发明的崎岖道路。为了维持生活，莫尔斯于从此，莫尔斯走上了科学发明的崎岖道路。为了维持生活，莫尔斯于1836年不得不重操旧业，担任纽约大学艺术及设计教授。课余时间，他仍年不得不重操旧业，担任纽约大学艺术及设计教授。课余时间，他仍然继续从事电报发明工作。终于在然继续从事电报发明工作。终于在1837年年9月月4日，莫尔斯制造出了一台电日，莫尔斯制造出了一台电报机。报机。1844年年5月月24日，在华盛顿国会大厦联邦最

8、高法院会议厅里，进行电报日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人类历史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：类历史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：“上帝上帝创造了何等的奇迹创造了何等的奇迹!”1862年年31岁，麦克斯韦发表了第二篇论文岁，麦克斯韦发表了第二篇论文论论物理力线物理力线，不但进一步发展了法拉第的思想，不但进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结扩充到磁场变化产生电场，而且得到了

9、新的结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。究电磁理论达到的主要结果。1864年他的第三年他的第三篇论文篇论文电磁场的动力学理论电磁场的动力学理论，从几个基本，从几个基本实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论。立了系统的电磁理论。1873年出版的年出版的电学和电学和磁学论磁学论一书是集电磁学大成的划时代著作，一

10、书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的部可以同牛顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理、达、达尔文的尔文的物种起源物种起源和赖尔的和赖尔的地质学原理地质学原理相媲美的里程碑式的著作。相媲美的里程碑式的著作。麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立动论、热力学、统计物理学等方面

11、，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克（者普朗克（Max Plank l8581947）指出的：）指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。赫兹是一个短命的物理学家。赫兹是一个短命的物理学家。他于他于1894年逝世时，年仅年逝世时，年仅37岁。岁。1886年年29岁发现电磁波，其后岁发现电磁波，其后不到不到6年，意大利的马可尼、俄国年，意

12、大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术：无线电报（电磁波的技术：无线电报（1894年）、无线电广播（年）、无线电广播（1906年）、年）、无线电导航（无线电导航（1911年）、无线电年）、无线电话（话（1916年）、短波通讯（年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（年）、无线电传真（1923年）、年）、电视（电视（1929年）、微波通讯年）、微波通讯（1933年）、雷达（年）、雷达（1935年），年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学电天文学它们使整个世

13、界面它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。貌发生了深刻的变化。赫兹关于电磁波的实验，为赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了新的道无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，后路，构成了现代文明的骨架，后人为了纪念他，把频率的单位定人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。为赫兹。信息论的创始人香农信息论的创始人香农Shannon，1916年生于美国，大年生于美国，大学时代在美国密执安大学和麻省理工学院学习，修过学时代在美国密执安大学和麻省理工学院学习，修过布尔代数课，并曾在发明微分分析仪的数学家布什的布尔代数课，并曾在发明微分分析仪的数学家布什的指导下使用微分分析仪，这使他对继电器

14、电路的分析指导下使用微分分析仪，这使他对继电器电路的分析产生兴趣。他认为这些电路的设计可用符号逻辑来实产生兴趣。他认为这些电路的设计可用符号逻辑来实现，并意识到分析继电器的有效数学工具正是布尔代现，并意识到分析继电器的有效数学工具正是布尔代数。数。1938年，香农发表了著名的论文年，香农发表了著名的论文继电器和开关继电器和开关电路的符号分析电路的符号分析，首次用布尔代数进行开关电路分，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算

15、的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论的开端。的开端。后来，香农到后来，香农到贝尔贝尔实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑数运算的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用。应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中

16、都得到了广泛的应用。无失真变长信源编码定理无失真变长信源编码定理(香农第一定理香农第一定理)有噪信道编码定理有噪信道编码定理(香农第二香农第二定理定理)保真准则下信源编码定理保真准则下信源编码定理(香农第三定理香农第三定理)1.4.1 1.4.1 信息量信息量1、信息的概念：收信者在收到消息之前对消息的不确定性。注：消息出现的可能性越小，则此消息携带的信息越多。2、信息量：衡量信息多少的物理量 信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关信息量应该是消息出现概率的单调递减函数当有若干个互相独立的消息，则信息量还应满足相加性的条件3、信息量的定义：（离散消息的信息量）当对数以2为底时，信息量的单位

17、为比特（bit）;以e为底时，为奈特 （nit）1.41.4信息及其度量信息及其度量1()loglog()()iiiI xP xP x 1.4.2 1.4.2 平均信息量平均信息量1、对以串符号构成的消息，设各符号的出现是相互独立的，则：1log()NiiiInP x 2、平均信息量（信息的熵）1()()log()NiiiH xP xP x 注意：单位是bit/sym则总信息量为：()IH xn3、当信源中每种符号出现的概率相等，且各符号的出现为统计独立时，H(x)最大max111()loglogNiH xNNN 注：工程上常用比特表示二进制码的位数1.5 1.5 通信系统的质量指标通信系统的

18、质量指标1、包含：有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等。其中有效性和可靠性最为重要。2、有效性：传输一定的信息量所消耗的信道资源（带宽或时间）可靠性：是接收信息的准确程度注：两者之间相互矛盾，相互依赖1.5.1 1.5.1 模拟通信系统的质量指标模拟通信系统的质量指标1、有效性：用有效传输带宽来度量 频带宽度越窄，有效性越好2、可靠性：用接收端最终的输出信噪比来度量 信噪比越大，通信质量越高注：信噪比是由信号功率和传输中引入的噪声功率决定的。1.5.2 数字通信系统的质量指标1、有效性：用传输速率和频带利用率来衡量（1）传输速率sR单位时间传输的码元数 单位：码元/秒（baud）

19、bR单位时间传输的信息量 单位：bit/s两者关系：22log (bit/s)(Baud)logbsbsRRMRRM注：波特率与码元进制数无关，只与码元的持续时间（码元宽度）有关。（2）频带利用率：码元频带利用率：(/)ssRbaudHzB信息频带利用率：(/()bbRbits HzB2、可靠性：用差错率来衡量bsPP错误比特数误比特率传输总比特数错误码元数误码元率传输的总码元数作业：1.1 1.2 1.4 1.6 1.82 预备知识2.2.3 2.2.3 信号的能量谱与功率谱信号的能量谱与功率谱1、能量信号：2()Eft dt该积分值为有限时信号为能量信号2、功率信号：/22/21lim()

20、TTTPft dtT若信号能量趋于无穷大，且此积分为大于零的有限值，则为功率信号。注：对于能量信号，可用其频谱密度函数及信号的能量谱密度函数来描述；对于功率信号，常用信号的功率谱来描述功率信号。这是时间信号的另一个重要特征。周期信号时功率信号，非周期信号可以是功率信号，也可以是能量信号。3、巴塞伐尔定理（重要）221()()2ft dtFd221()nft dtnTF能量信号能量信号周期信号周期信号()E()P2.2.4 波形的互相关和自相关 （相关是信号检测和提取的方法）通常用相关函数衡量波形之间关联或相似程度。相关函数是描述两个波形信号（或一个波形信号）在间隔时间 的两点上的信号取值互相依

21、赖程度的函数，相关函数值越大，表明依赖程度越大，相关性越强。1、互相关函数12()Rt对两能量信号12()()f tf t、则1212()()()Rtff td对两功率信号，则/21212/21()lim()()TTTRtff tdT对两周期为T的信号，则/21212/21()()()TTRtff tdT2、互相关函数的重要特性：若对所有的t,则两个信号为互不相关当 时，互相关函数表达式中 与 的前后次序不同，结果不同，即 而有12()0Rt 0t 1()f t2()f t1221()()RtRt1221()()RtRt当t=0时，12(0)R表示12()()f tf t、在无时差时的相关性。

22、12（归一化相关系数）1213、自相关函数()R t（两信号形式完全相同）4、自相关函数的重要特性5、相关函数与能量谱密度或功率谱密度之间的确定关系12212()()()()()(t)()()()(t)E()RtFFRFFFR能量信号互能量谱密度(t)P()R（功率信号）（维纳辛钦关系）综上所诉，一个信号的自相关函数与其谱密度之间有确定的傅里叶变换关系。只要变换是存在的，则傅里叶变换的所有运算性质都适用于自相关函数与谱密度之间。6、信号带宽定义的方法 根据占总能量或总功率的百分数确定带宽。20202()90%(95%,99%)2lim()90%(95%,99%)BBTF fdfEFfdfP或或

23、或根据能量谱或功率谱从最大值到下降3dB处所对应的频率间隔定义带宽。满足等式()P()2(0)2(0)E f dff dfBBEP或的带宽称为等效矩形带宽2.2.6 希尔伯特变换1、希尔伯特变换的定义11()()()()()1()()()ff tH f tdtf tf tf tf tHf tdt 和称为希尔伯特变换对1()()*f tf tt2、频域的变换11()(),0()sgn,0h tHttjHjj 结论：由2jej 和2jej可看出希尔伯特变换等效为一个理想相移器，在0域相移2，在0域相移23、希尔伯特变换的性质2.2.7 2.2.7 解析信号解析信号在通信系统中，常常借助于一种复信号

24、即解析信号来分析一些频带信号（即频谱集中在某一频率附近的信号），特别是利用解析信号表示窄带信号便于对其进行分析。1、解析信号的定义：令有实信号f(t),则称复信号()()()z tf tj f t为f(t)的解析信号2、解析信号的性质3、求出解析信号的方法2.3 2.3 随机信号的分析随机信号的分析1、概率随机事件：根据先前的实验能够大致估计到事件是否可能发生，却不能确切预测什么时候一定发生，这样的事件称为随机事件。随机实验：对随机事件的观察概率lim()()AAnnPn概率度量了随机事件发生的可能性的大小一个事件的概率是小于或等于1的非负数对单个实验的结果：若包括所有可能发生的事件，则有1(

25、)1NkkP A几个实验同时存在的情况联合概率：(,)limABnnP A Bn1ABAnn表示事件A已发生的条件下，事件B发生的相对频率，称作条件概率()lim()ABnAnP B An(,)()()(,)()()(,)()()P A BP B AP AP A BP B A P AP A BP A B P B乘法定理()()()()P A B P BP B AP A贝叶斯准则2、随机变量随机变量的定义：在数学分析中，将每次实验的结果用一个变量来表示，如果变量的取值是随机的，则这种变量称为随机变量。概率分布函数：()=()-xXFxP Xx 概率分布函数的特性概率密度函数0()()limXXx

26、dFxP xXxxpxdxx（）=概率密度函数的性质推广到二维及多个随机变量的概率描述联合概率密度和边缘概率密度函数以及条件概率密度函数3、随机变量的数字特征数学期望()XXaE Xxpx dx反映了X取值的集中位置。()()()XE g Xg x px dx方差22()()()XXXD XE XaXapx dx方差表示随机变量X的取值相对于数学期望EX的离散程度。协方差：描述X和Y之间相关性强弱的数字特征()()C XYE XE XYE Y注：独立一定不相关，不相关不一定独立（高斯过程里两者等价），正交一定不相关，不相关不一定正交2.3.2 随机过程和它的统计特性1、随机过程的概念2、随机过

27、程的统计特性随机过程的数学期望1()()(;)a tE X txp x t dxa(t)反映了随机过程瞬时值的数学期望随时间而变化的规律，它实际上就是随机过程各个样本的统计平均函数。方差22221()()()()()()(;)D X tEX tE X tE X ta txa tp x t dx描述随机过程X（t）在任意瞬间t偏离其数学期望的程度随机过程的自协方差函数和相关函数121122(,)()()()()XCt tEX ta tX ta t1212(,)()()XRt tE X t X t2.3.3平稳随机过程12121212(,.,;,.,)(,.,;,.,)nnnnnnpx xx t

28、ttpx xx ttt1、若则称X(t)为平稳随机过程 此定义为狭义平稳随机过程平稳随机过程的二维概率密度函数只和时间间隔21tt有关，而和时间起点无关即：1212121020(,;,)(,;,)p x x t tp x x tt平稳随机过程的数字特征1122212211212122121212122()()(;)()()()()()()(;)()()(,)()(),(,;,),a tE X txp x t dxxp x dxatD X tEX tE X txa tp x t dxxap x dxR t tE X t X tx x px x t t dx dxx x p 1212(,;)()x

29、 xdx dxR满足上述关系称为广义平稳随机过程。2、平稳随机过程的自相关函数()()()RE X t X t描述了平稳随机过程在相距的两个瞬间的相关程度3、各态历经性与时间平均值22()()aaRR具有左边所述性质的平稳随机过程平稳随机过程称为具有各态历经性的随机过程“各态历经”的含义是说这种随机过程的任一样本函数都经历了随机过程所有可能的状态。因此，对它的任何一个样本函数取时间平均值就相当于同时对所有的样本函数取统计平均。/2/21lim()TTTRdT 满足上式则该随机过程就具有各态历经性。4、平稳随机过程的功率谱密度2.4 高斯随机过程2.4.1 高斯随机过程的定义和性质由于高斯噪声始

30、终存在于任何一种信道之中，因此对它的研究具有特别重要的实际意义。高斯过程又称为正态随机过程所谓高斯过程，是指n维分布都服从高斯分布的随机过程。注意：高斯过程的重要性质2.4.2 一维高斯分布若随机变量X(t)概率密度函数可表示为：221()()exp22xap x则称X(t)为服从一维高斯分布的随机变量。在通信系统的性能分析中，通常要计算高斯随机变量X大于某常数C的概率P(XC)221()()exp22CxaP XCdx经变量置换后可得()()CaP XCQ注意：Q函数与误差函数间的关系2.4.3 高斯白噪声白噪声：若噪声()n t的功率谱密度()nP在(,)的整个频率范围内都是均匀分布的就称

31、为白噪声。不符合上述条件的噪声就称为带限噪声或有色噪声。高斯白噪声：概率密度函数服从高斯分布而功率谱密度又是均匀分布的噪声。在信号的传输中，高斯白噪声与信号是叠加的关系，所以称这种噪声为加性高斯白噪声。2.5 平稳随机过程通过系统的分析2.5.1 平稳随机过程通过线性系统()()()Y thX td1、输出随机过程的数学期望()()(0)(0)XE Y tE X tHaH物理意义：因为平稳随机过程的数学期望就是该过程的直流分量，当它通过线性系统时，系统输出的直流分量就等于输入的直流分量乘以系统的直流增益。2、输出随机过程的自相关函数12(,)()()()()YXYR t th u h v Ru

32、v dudvR 当输入随机过程是广义平稳时，输出随机过程Y(t)也是广义平稳的3、输出随机过程的功率谱密度2*()()()()()()YXXPHHPHP物理意义：输出随机过程Y(t)的功率谱密度等于输入随机过程的功率谱密度与系统传递函数模值平方的乘积。2.5.2 平稳随机过程通过乘法器Y(t)为非平稳随机过程2()()()4YXcXcAPPP2.6 窄带随机过程“窄带”的含义：频谱被限制在载波或某中心频率附近的一个较窄的频带上，而这个中心频率离开零频率又相当远。cff()()cos()XcXX tAttt结论：一个均值为零的窄带平稳高斯过程，它的同相分量和正交分量同样是平稳高斯过程，而且均值为

33、零，方差也相同。2.7 信道2.7.1 信道的定义和分类 狭义信道：仅涉及传输媒质广义信道：范围扩大了的信道（包括除传输媒质以外的部件和电路）2.7.2 信道数学模型1、调制信道模型()()()oie tf e tn t()()()()oie tk t e tn t信道的不同特性反映在信道模型上仅为k(t)及n(t)不同而已2、编码信道模型2.7.3 恒参信道和随参信道1、恒参信道：参数不随时间变化而变化的信道，是一个非时变线性网络，该网络的传输特性可用幅度-频率特性及相位-频率特性表示。为了改善信道中的传输特性，通常通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这一措施通常称之为均衡。（主要

34、针对幅度均衡。（主要针对幅度-频率畸变），频率畸变），相位失真也可以用一个线性网络进行补偿。除此之外非线性畸变一旦发生，均难以消除。2、随参信道：参数随时间变化而变化的信道。随参信道的传输媒质具有的共同特性是：对信号的衰耗随时间变化而变化；传输的时延随时间变化而变化；存在多径传播现象。（注意）所谓多径传播是指由发射点发出去的信号可能经过多条路径到达接收点，由于每条路径对信号的衰减和时延都是随机变化的，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。左图是以短波电离层反射为例2.7.4 信道容量2log(1)(/)SCBbit sN香农公式B 时信道容量的极限值为：200limlimlo

35、g(1)1.44BBSSCBn Bn上式说明，即使信道带宽无限大，信道容量仍然是有限的香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率。能达到极限信息速率并且差错率为零的通信系统称为理想通信系统。作业：2.4、2.5、2.133 模拟线性调制 调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。那么为什么要对信号进行调制处理？什么是调制呢？我们先看看下面的例子。我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）,那么在传播人声时，我们可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因

36、此声音可以传得比较远（见扩音示意图）。但如果我们还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题，一是铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用率之低，人们是无法接受的；二是利用无线电通信时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。而音频信号的频率范围是20Hz20kHz，最小的波长为话筒扩音机扬声器8433 101.5 10()20 10cmf可见，要将音

37、频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多路信号进行频分复用（FDM，Frequency Division Multiplex）；第二个问题的解决方法是把欲发射的低频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号“变”成高频信号）。两个方法有一个共同点就是要对信号进行调制处理。对于调制，我们给出一个概括性的定义：让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。而

38、载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。有了调制的概念，我们就会关心下一个问题：如何对信号进行调制呢？在傅里叶变换中我们知道，若一个信号f(t)与一个正弦型信号cosct相乘，从频谱上看，相当于把f(t)的频谱搬移到c处。设f(t)的傅里叶变换（也可称为频谱）为F()，则有()()cos()()1()()cos()()2cccmcccf tFtstf ttFF 这称为调制定理，是调制技术的理论基础。式中f(t)称为调制信号或基带信号（原始信号），coscf称为载波，sm(t)称为已调信号。通常载波频率比调制信号的最高频率要高得多。比如中波收音机频段的最低频率

39、（载波频率）为535kHz，比音频最高频率20kHz高25余倍。注意，所谓正弦型信号是正弦信号（sint）和余弦信号（cost）的统称。3.1 双边带调幅3.1.1 常规调幅 常规调幅信号的时域表达式0()()cos()AMccstAf tt正常调幅，用包络检波的方法解调过调幅，无法用包络检波的方法0max()Af t0max()Af t调幅信号表达式：00()cos()cos()1cos()cos()AMmmmccAMmmccstAAttAttAM是调幅指数也称调制度。其取值分别对应了正常调幅、满调幅、过调幅这是常规调幅信号的重要特征。常规调幅信号的频域特性2AMBW常规调幅信号的带宽是基带

40、信号带宽的2倍。常规调幅信号的平均功率：由于载波分量不携带信息却占据了大部分功率，因此造成了常规调幅信号的调制效率很低。3.1.2 抑制载波双边带调幅tttcF()C()cHHcc000Sm()sm(t)c(t)f(t)f(t)c(t)(a)载波(b)调制信号(c)已调信号(d)载波频谱(e)调制信号频谱(f)已调信号频谱2H0003.1.3 调制与解调1、调制2、解调（1）相干解调相干解调的关键是必须产生一个同频同相的载波，如果这个条件得不到保证，将会对原始信号的恢复产生不利的影响。（2）非相干解调（包络检波）3.2 单边带调制3.2.1 用滤波法形成单边带信号3.2.2 用相移法形成单边带

41、信号3.2.3 单边带信号的解调3.3 残留边带调制3.3.1 残留边带信号的产生上面说过，低通型调制信号由于上下边带的频谱靠得很近甚至连在一起，因此用滤波器很难干净彻底地分离出单边带信号，甚至得不到单边带信号。而在现实生活中，有很多情况需要传送低通型调制信号，比如电视的图像信号（频带为06MHz）。那么如何解决SSB中滤波器的难度问题和DSB的频带利用率低的矛盾呢？人们想了一个折衷的方法，既不用DSB那么宽的频带，也不用SSB那么窄的频带传输调制信号，而在它们之间取一个中间值，使得传输频带既包含一个完整的边带（上边带或下边带）,又有另一个边带的一部分，从而形成一种新的调制方法残留边带调制。残

42、留边带调制在原理上可以采用移相法或滤波法，通常多采用滤波法。f(t)sDSB(t)c(t)cosct残留边带滤波器HVSB()sVSB(t)0ccSDSB()0000cccccccc(a)(b)(c)(d)(e)HVSB()HVSB()HVSB()SVSB()10.53.3.2 残留边带信号的解调从上图可看出VSB和SSB在原理上差不多。但为了接收端能够无失真地恢复出调制信号，对残留边带滤波器有一个要求，即残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有互补对称特性。1()()()()2VSBccVSBSFFH1()()()2pVSBcVSBcSSS1()()(2)()41()(2)()41()()

43、()41()(2)()(2)4pcVSBccVSBcVSBcVSBcVSBccVSBccSFFHFFHFHHHFHF设低通滤波器的输出（解调信号）为 ，如果能选择合适截止频率的低通滤波器将上式中第二个中括号项滤除掉，则有()dS1()()()()4dVSBcVSBcMFHH()dS()dS可见，要想使解调信号 无失真地重现调制信号，就需要 与F()成比例，即要求()()VSBcVSBcHHC以低通滤波器为例图解了上式的几何意义。也就是说，在HVSB(+c)与HVSB(-c)的交界处,两个曲线互补，使得曲线在交界处为水平直线。图中是一个传输函数过渡带的上半部分和另一个传输函数过渡带的下半部分互补

44、，实际上也就是一个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。HVSB()0cc0cc0cc0ccHVSB(c)HVSB(c)HVSB(c)HVSB(c)滤波器衰减特性又称滚降特性，衰减特性的曲线形状又称滚降形状。满足互补对称特性的滚降形状常用的有：直线滚降和余弦滚降。3.4 线性调制和解调的一般模型3.4.1 线性调制信号产生的一般模型()1,()0 ()1,()()()1,()IQIQHIQHHHHHHH双边带调制单边带调制正交滤波器的传递函数 残留边带调制3.4.2线性调制信号解调的一般模型相干解调非相干解调载波插入法解调s(t)sa(t)cd(t)Adcosct包络检波sd(t)插入载波的包络

45、解调法3.5 线性调制系统的抗噪声性能3.5.1 通信系统抗噪声性能的分析模型)(tS 解调器 BPF)(tn)(tSi)(tni)(tno)(tSo 噪声只对已调信号的接收产生影响，通信系统的抗噪声性能可以用解调器的抗噪声性能来衡量噪声分类噪声分类乘性乘性加性加性 脉冲干扰脉冲干扰起伏干扰起伏干扰来源于闪电来源于闪电 各种工业火花各种工业火花 电器开关电器开关来源于电阻热噪声来源于电阻热噪声 天体辐射天体辐射 电子运动电子运动0002220()()()cost+(t)=()cost()sint()()()0()()()iiIQiQIiIQin tn tV tn tntn tntn tE n

46、tE n tE ntNn B高斯窄带噪声为了使已调信号能无失真地进入解调器，而同时又最大限度地抑制噪声，带宽为了使已调信号能无失真地进入解调器，而同时又最大限度地抑制噪声，带宽B B应等于已调信号的频带宽度。应等于已调信号的频带宽度。模拟调制系统的性能评估指标模拟调制系统的性能评估指标信噪比增益：信噪比增益：00/iiSNGSN对通信系统来说，影响输出信噪比的因素是调制方式和解调方式。在调制对通信系统来说，影响输出信噪比的因素是调制方式和解调方式。在调制信号带宽、已调信号功率和信道条件都相同的条件下，输出信噪比反映了信号带宽、已调信号功率和信道条件都相同的条件下，输出信噪比反映了通信系统的抗噪

47、声性能。但进行比较时必须在相同的输入功率条件下。通信系统的抗噪声性能。但进行比较时必须在相同的输入功率条件下。3.5.2 线性调制相干解调的抗噪声性能)(tS LPF BPF)(tn)(tSi)(tni)(tno)(tSo)(costwc 1、双边带调制相干解调解调输出0011()()()()22Is tn tf tn t00/2/DSBiiSNGSN2、单边带调制相干解调解调输出00111()()()()cos()()sin()422IQs tn tf tn tWtntWt00/1/SSBiiSNGSN结论：结论：DSBDSB和和SSBSSB的抗噪声性能是相同的，但的抗噪声性能是相同的，但D

48、SBDSB的传输带宽是单边的传输带宽是单边带的带的2 2倍。倍。3.5.3 常规调幅包络检波的抗噪声性能由于常规条幅的包络输出与信号和噪声之间存在非线性关系，信号和噪声无法完全分开，因此计算信噪比时分两种特殊情况：（1）大信噪比情况（指输入信号幅度远大于噪声幅度）220()()()IQAf tn tnt200220/2()/()AMiiSNE ftGSNAE ft上式说明上式说明，常规调幅信号的信噪比增益与信号中直流分量有关。对于正常的调幅，常规调幅信号的信噪比增益与信号中直流分量有关。对于正常的调幅信号，此增益总是小于信号，此增益总是小于1.说明解调对输入信噪比没有改善，而是恶化了。说明解调

49、对输入信噪比没有改善，而是恶化了。（2）小信噪比情况220()()()IQAf tn tnt这种情况下，无法通过包络检波器恢复出原来的调制信号，因为调制信号已被这种情况下，无法通过包络检波器恢复出原来的调制信号，因为调制信号已被噪声所扰乱。噪声所扰乱。4 4 模拟角调制模拟角调制 角调制与线性调制不同，角调制中的已调信号的频谱与调制信号的频角调制与线性调制不同，角调制中的已调信号的频谱与调制信号的频谱之间不存在线性对应关系，而是产生出与频谱搬移不同的新的频率分量，谱之间不存在线性对应关系，而是产生出与频谱搬移不同的新的频率分量，因而呈现出非线性的特性，故称为非线性调制。因而呈现出非线性的特性，

50、故称为非线性调制。角调制可分为调频（角调制可分为调频（FMFM）和相位调制）和相位调制(PM)(PM)，鉴于频率调制和相位调制，鉴于频率调制和相位调制之间存在的内在关系，在实际应用中广泛应用频率调制。之间存在的内在关系，在实际应用中广泛应用频率调制。4.1 角调制的基本概念角调制的基本概念角度调制信号：角度调制信号：()cos()c tAt瞬时频率：瞬时频率：()()dttdt瞬时相位：瞬时相位：()()tt dt相位调制：当幅度相位调制：当幅度A A和角频率和角频率c保持不变，而瞬时相位偏移是调制信号保持不变，而瞬时相位偏移是调制信号()f t的线性函数时，这种调制方式称为相位调制。此时瞬时