現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理全套課件

現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理

高等學(xué)校電子信息類規(guī)劃教材

目錄1第1章緒論第2章信道與噪聲第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)第5章數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸?shù)?章模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸?shù)?章同步系統(tǒng)第8章差錯(cuò)控制編碼第9章現(xiàn)代通信系統(tǒng)介紹目錄22024/9/204第1章緒論

1.1通信的定義1.2通信系統(tǒng)的組成1.3通信系統(tǒng)分類及通信方式1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.1通信的定義

通信的定義：是指由一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞。通信的目的：就是傳遞消息。

本書對(duì)通信的定義：利用電子等技術(shù)手段，借助電信號(hào)（含光信號(hào)）實(shí)現(xiàn)從一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞稱為通信。2024/9/2051.2通信系統(tǒng)的組成2024/9/206圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

信源（信息源，也稱發(fā)終端）：把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如電話系統(tǒng)中電話機(jī)可看成是信源。

1.2.1

通信系統(tǒng)的一般模型2024/9/207

發(fā)送設(shè)備：將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。

信道：信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無(wú)線的，甚至還可以包含某些設(shè)備。

接收設(shè)備：任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號(hào)來(lái)。

信宿：將復(fù)原的原始電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。2024/9/2081.2.2模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)中兩種重要變換：

（1）連續(xù)消息到電信號(hào)相互變換；（2）基帶信號(hào)到調(diào)制信號(hào)的變換；圖1-2模擬通信系統(tǒng)的模型

2024/9/209已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特性：

（1）攜帶有消息；（2）適合在信道中傳輸（3）頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠(yuǎn)離零頻。2024/9/20101.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)信道中傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，稱為數(shù)字通信系統(tǒng)，它包括以下三種：

1.數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)基本特征：消息或信號(hào)具有“離散”或“數(shù)字”的特性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量與代表消息的數(shù)字信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。2024/9/2011

數(shù)字通信的優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題：（1）可實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制編碼即信道編碼；（2）容易實(shí)現(xiàn)保密通信；

（3）數(shù)字通信中必須有“同步”。圖1-3數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)的模型2024/9/20122.數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)

基帶信號(hào)形成器：可能包括編碼器、加密器以及波形變換等；接收濾波器：可能包括譯碼器、解密器等。圖1-4數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型2024/9/20133.模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)

發(fā)端將模擬信號(hào)數(shù)字化，即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；接收端需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換。圖1-5模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)模型2024/9/20141.2.4數(shù)字通信的主要特點(diǎn)

1.數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）抗干擾能力強(qiáng)；（2）差錯(cuò)可控；（3）易加密；（4）易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。

2.亟待解決的問(wèn)題

（1）提高頻帶利用；（2）簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)。1.3通信系統(tǒng)分類及通信方式1.3.1通信的分類

1.按傳輸媒質(zhì)分：有線通信和無(wú)線通信；

2.按信道中所傳信號(hào)的特征分：模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)；

3.按工作頻段分：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。具體情況見(jiàn)表1-1；

2024/9/20152024/9/20164.按調(diào)制方式分：基帶傳輸和頻帶傳輸；

5.按業(yè)務(wù)的不同分：

6.按收信者是否運(yùn)動(dòng)分：移動(dòng)通信和固定通信。

另外，通信還有其它一些分類方法，如按多地址方式可分為頻分多址通信、時(shí)分多址通信、碼分多址通信等；按用戶類型可分為公用通信和專用通信等。

2024/9/20171.3.2通信方式

1.按消息傳送的方向與時(shí)間分通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。2024/9/20182.按數(shù)字信號(hào)排序分可將通信方式分為串序傳輸和并序傳輸。

2024/9/20193.按通信網(wǎng)絡(luò)形式分通信的網(wǎng)絡(luò)形式通?？煞譃槿N：兩點(diǎn)間直通方式、分支方式和交換方式，

圖1-8按網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式（a）兩點(diǎn)間直通方式；（b）分支方式；（c）交換方式1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.4.1一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面:

有效性、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、保密性標(biāo)準(zhǔn)性、維修性、工藝性等。而本書只研究通信系統(tǒng)的有效性和可靠性。2024/9/20202024/9/2021

對(duì)于模擬通信來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的有效性和可靠性具體可用系統(tǒng)頻帶利用率和輸出信噪比（或均方誤差）來(lái)衡量。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的可靠性和有效性具體可用誤碼率和傳輸速率來(lái)衡量。

2024/9/20221.4.2信息及其度量信息定義：消息中包含的有意義的內(nèi)容。

信息量與消息出現(xiàn)的概率有關(guān)，具體可以描述為如下規(guī)律：

（1）消息中所含信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)；

（2）消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小；2024/9/2023

（3）若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量的和。

信息量I和消息出現(xiàn)概率P(x)的關(guān)系為：信息量的單位取決于對(duì)數(shù)底數(shù)a的取值：

a=2單位為比特（bit，簡(jiǎn)寫為b）；

a=e單位為奈特（nat，簡(jiǎn)寫為n）；

a=10單位為哈特萊。2024/9/2024例1.1設(shè)二進(jìn)制離散信源，數(shù)字0或1以相等的概率出現(xiàn)，試計(jì)算每個(gè)符號(hào)的信息量。

解:二進(jìn)制等概率時(shí)有即二進(jìn)制等概時(shí)，每個(gè)符號(hào)的信息量相等，為1bit。2024/9/2025

當(dāng)各個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率不相等時(shí)，計(jì)算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。

平均信息量定義：每個(gè)符號(hào)所含信息的平均值。用符號(hào)表示。多進(jìn)制時(shí)，設(shè)各符號(hào)出現(xiàn)的概率為：且2024/9/2026則平均信息量（信息源的熵）為：1.4.3有效性指標(biāo)的具體表述

1.碼元傳輸速率定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目；

單位：波特（Baud），用符號(hào)“B”表示；

符號(hào)：Tb為碼元寬度。2024/9/2027

2.信息傳輸速率定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚?/p>

單位：比特/秒(bit/s)，簡(jiǎn)記為b/s或bps；

符號(hào)：,它與N有關(guān)。

3.與之間的互換它們之間在數(shù)值上有如下關(guān)系：

2024/9/2028

4.多進(jìn)制與二進(jìn)制傳輸速率之間的關(guān)系碼元速率不變，二進(jìn)制信息速率與多進(jìn)制信息速率之間的關(guān)系：系統(tǒng)信息速率不變，多進(jìn)制碼元速率與二進(jìn)制碼元速率之間的關(guān)系：

2024/9/20291.4.4可靠性指標(biāo)的具體表述數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是利用差錯(cuò)率來(lái)衡量。差錯(cuò)率通常有兩種表示方法。

1.碼元差錯(cuò)率（誤碼率）發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，也就是說(shuō)，誤碼率就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。2024/9/2030

2.信息差錯(cuò)率（誤信率）發(fā)生差錯(cuò)的信息量在信息傳輸總量中所占的比例，或者說(shuō)，它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。

2024/9/2031第2章信道與噪聲2.1信道的基本概念2.2恒參信道及其對(duì)所傳信號(hào)的影響2.3隨參信道及其對(duì)所傳信號(hào)的影響2.4信道的加性噪聲2.5通信中的常見(jiàn)噪聲2.6信道容量的概念2.1信道的基本概念2.1.1信道的定義信道，通俗地說(shuō)，是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通路。具體地說(shuō)，信道是指由有線或無(wú)線電線路提供的信號(hào)通路。信道的作用是傳輸信號(hào)，它提供一段頻帶讓信號(hào)通過(guò)，同時(shí)又給信號(hào)加以限制和損害。

2024/9/20322024/9/20332.1.2信道的分類信道可大體分成：狹義信道和廣義信道。

1.狹義信道

狹義信道是指在發(fā)端設(shè)備和收端設(shè)備中間的傳輸媒介，它包括有線信道和無(wú)線信道。

2.廣義信道

廣義信道通常也可分成兩種，調(diào)制信道和編碼信道。

具體情況見(jiàn)p20圖。2024/9/20342.1.3信道的數(shù)學(xué)模型

1.調(diào)制信道模型調(diào)制信道的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端。通常它具有如下性質(zhì)：

（1）有一對(duì)(或多對(duì))輸入端和一對(duì)(或多對(duì))輸出端；（2）絕大部分信道都是線性的，即滿足疊加原理；2024/9/2035

（3）信號(hào)通過(guò)信道會(huì)出現(xiàn)遲延時(shí)間；（4）信道對(duì)信號(hào)有損耗它包括固定損耗或時(shí)變損耗；（5）即使沒(méi)有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出（噪聲）。2024/9/2036

對(duì)于二對(duì)端的信道模型來(lái)說(shuō)，其輸出與輸入之間的關(guān)系式可表示成：將上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化可以寫成：

這樣信道對(duì)信號(hào)的影響可歸納為兩點(diǎn)：一是乘性干擾k(t)，二是加性干擾n(t)。

不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。

2024/9/2037

根據(jù)信道中k(t)的特性不同，可以將信道分為：恒參信道和變參信道。

2.編碼信道模型

從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)可用一個(gè)完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。編碼信道的模型可用數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。2024/9/2038

模型中，把、、、稱為信道轉(zhuǎn)移概率。以為例，其含義是“經(jīng)信道傳輸，把0轉(zhuǎn)移為1的概率”。

2024/9/2039

轉(zhuǎn)移概率由編碼信道的特性決定，一個(gè)特定的編碼信道就會(huì)有相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)移概率。編碼信道可進(jìn)一步分為無(wú)記憶編碼信道和有記憶編碼信道。2.2恒參信道及其對(duì)所傳信號(hào)的影響

由于恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯枪潭ú蛔兊幕蛘呤亲兓瘶O為緩慢的，因而可以等效為一個(gè)非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò)。2.2.1信號(hào)不失真?zhèn)鬏敆l件網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以表示為：

2024/9/20402024/9/2041

要使任意一個(gè)信號(hào)通過(guò)線性網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生波形失真，網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性應(yīng)該具備以下兩個(gè)理想條件：（1）網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性是一個(gè)不隨頻率變化的常數(shù);

（2）網(wǎng)絡(luò)的相頻特性應(yīng)與頻率成負(fù)斜率直線關(guān)系。2024/9/20422.2.2幅度－頻率畸變

圖2-6典型音頻電話信道的相對(duì)衰耗

若傳輸數(shù)字信號(hào)，會(huì)引起相鄰數(shù)字信號(hào)波形之間在時(shí)間上的相互重疊，即碼間串?dāng)_。

2024/9/20432.2.3相位－頻率畸變（群遲延畸變）

圖2-7典型電話信道群遲延-頻率特性對(duì)模擬信號(hào)的影響不太嚴(yán)重，但若傳輸數(shù)字信號(hào)，會(huì)引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_。

2024/9/20442.2.4減小畸變的措施減小幅度-頻率畸變的措施：改善電話信道中的濾波性能，或者再通過(guò)一個(gè)線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦。這后一措施通常稱之為“均衡”。減小相位-頻率畸變的措施：采取相位均衡技術(shù)補(bǔ)償群遲延畸變。除此之外，還存在其它類型影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩亍?.3隨參信道及其對(duì)所傳信號(hào)的影響2.3.1隨參信道傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)典型的傳輸媒質(zhì)：電離層反射、對(duì)流層散射等。特點(diǎn)（1）信號(hào)的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化；（2）信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化；（3）多徑傳播。2024/9/20452024/9/20462.3.2隨參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

1.多徑衰落與頻率彌散設(shè)發(fā)射信號(hào)為，則經(jīng)過(guò)條路徑傳播后的接收信號(hào)可用下式表述。式中，——第i條路徑的接收信號(hào)振幅；

——第i條路徑的傳輸時(shí)延；

——第i條路徑的隨機(jī)相位。

2024/9/2047

經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)際觀察可以得出結(jié)論：、和可看作是緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程。化簡(jiǎn)后接收信號(hào)可用下式表述：其中，是多徑信號(hào)合成后的包絡(luò)；是多徑信號(hào)合成后的相位。包絡(luò)和相位都是緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程。于是，可視為一個(gè)窄帶隨機(jī)過(guò)程。

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圖2-9衰落信號(hào)的波形與頻譜示意圖

（1）從波形上看，多徑傳播的結(jié)果使確定的載頻信號(hào)變成了包絡(luò)和相位都隨機(jī)變化的窄帶信號(hào)，這種信號(hào)稱為衰落信號(hào)；2024/9/2049

（2）從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散（色散），即由單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜；通常將由于電離層濃度變化等因素所引起的信號(hào)衰落稱為慢衰落；而把由于多徑效應(yīng)引起的信號(hào)衰落稱為快衰落。2024/9/20502.頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬當(dāng)發(fā)送的信號(hào)是具有一定頻帶寬度的信號(hào)時(shí)，多徑傳播會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。

下面假定多徑傳播的路徑只有兩條的情況進(jìn)行分析。令發(fā)送信號(hào)為f(t)，其頻譜函數(shù)為F(w)。則到達(dá)接收點(diǎn)的兩路信號(hào)，具有相同的衰減，這樣它們可分別表示為：

2024/9/2051當(dāng)這兩條傳輸路徑的信號(hào)合成后得：相應(yīng)于它的傅氏變換對(duì)為

因此，信道的傳遞函數(shù)為

其幅頻特性為

2024/9/2052

圖2-10兩條路徑傳播時(shí)選擇性衰落特性

當(dāng)一個(gè)傳輸信號(hào)的頻譜寬于1/時(shí)，將致使某些頻率分量被衰落，這種現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落，簡(jiǎn)稱選擇性衰落。

2024/9/2053

上述概念可推廣到一般的多徑傳播中去。多徑傳播時(shí)的相對(duì)時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差來(lái)表征，并用它來(lái)估算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上的位置。設(shè)信道的最大時(shí)延差為，則相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔為：這個(gè)頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的相關(guān)帶寬。2024/9/20542.3.3隨參信道特性的改善對(duì)于慢衰落，主要采取加大發(fā)射功率和在接收機(jī)內(nèi)采用自動(dòng)增益控制等技術(shù)和方法即可。對(duì)于快衰落，通?？刹捎枚喾N措施，例如，各種抗衰落的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)等。其中明顯有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。

2024/9/20551.分集接收的基本思想

基本思想：如果能在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同的合成信號(hào)，并將這些信號(hào)適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號(hào)，將有可能大大減小衰落的影響。

要求：只有被分集的幾個(gè)合成信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，合并后才能使系統(tǒng)性能改善。2024/9/20562.分散得到合成信號(hào)的方式為了獲取互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的合成信號(hào)，大致有如下幾種分集方式。

（1）空間分集；（2）頻率分集；（3）角度分集；（4）極化分集。2024/9/20573.集中合成信號(hào)的方式對(duì)各分散的合成信號(hào)進(jìn)行合并的方法有多種，最常用的有：（1）最佳選擇式；（2）等增益相加式；（3）最大比值相加式。以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益相加方式次之，最佳選擇方式最差。2.4信道的加性噪聲

根據(jù)信道中加性噪聲的來(lái)源不同，可以粗略地分為以下四類：（1）無(wú)線電噪聲；（2）工業(yè)噪聲；（3）天電噪聲；（4）內(nèi)部噪聲。2024/9/20582024/9/2059從噪聲性質(zhì)來(lái)區(qū)分可有：

（1）單頻噪聲;

（2）脈沖干擾;

（3）起伏噪聲。其中影響最大的是起伏噪聲，它是通信系統(tǒng)最基本的噪聲源。而起伏噪聲主要包括：信道內(nèi)所有的熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲等。

2.5通信中的常見(jiàn)噪聲2.5.1白噪聲定義：白噪聲是指它的功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。白噪聲的功率譜密度函數(shù)為：雙邊譜密度：?jiǎn)芜呑V密度：2024/9/20602024/9/2061

功率信號(hào)的功率譜密度與其自相關(guān)函數(shù)互為傅氏變換對(duì)：圖2-11白噪聲的功率譜密度與自相關(guān)函數(shù)

2024/9/20622.5.2高斯噪聲定義：高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。其一維概率密度函數(shù)可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：

a為噪聲的數(shù)學(xué)期望值，也就是均值；為噪聲的方差。2024/9/2063

在噪聲均值為零時(shí)，噪聲的平均功率等于噪聲的方差。在通信系統(tǒng)的性能分析中，常常通過(guò)求自相關(guān)函數(shù)或方差的方法來(lái)計(jì)算噪聲的功率。2024/9/2064高斯概率密度函數(shù)的進(jìn)一步討論：

圖2-12正態(tài)分布的概率密度函數(shù)

（1）對(duì)稱于直線，即有2024/9/2065

（2）在內(nèi)單調(diào)上升，在內(nèi)單調(diào)下降，且在a點(diǎn)處達(dá)到極大值;

（3）

（4）a表示分布中心，表示集中的程度。

（5）當(dāng)，時(shí)，相應(yīng)的正態(tài)分布稱為標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布，這時(shí)有

2024/9/2066

已知概率密度函數(shù)的前提下，正態(tài)概率分布函數(shù)可以表示為：

與正態(tài)分布相關(guān)的還有誤差函數(shù)和互補(bǔ)誤差函數(shù)，它們的定義式分別為：2024/9/2067

可以證明，利用誤差函數(shù)的概念，正態(tài)分布函數(shù)可表示為：為了方便以后分析，在此給出誤差函數(shù)和互補(bǔ)誤差函數(shù)的主要性質(zhì)：

2024/9/2068

（1）誤差函數(shù)是遞增函數(shù)，它具有如下性質(zhì)：（2）互補(bǔ)誤差函數(shù)是遞減函數(shù)，它具有如下性質(zhì)：

2024/9/20692.5.3高斯型白噪聲定義：高斯型白噪聲也稱高斯白噪聲，是指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。2.5.4窄帶高斯噪聲

1.窄帶高斯噪聲的定義與表達(dá)式定義：當(dāng)高斯噪聲通過(guò)以為中心角頻率的窄帶系統(tǒng)時(shí)，就可形成窄帶高斯噪聲。

2024/9/2070窄帶高斯噪聲可表示為：

式中，為噪聲的隨機(jī)包絡(luò)；為噪聲的隨機(jī)相位，相對(duì)于載波的變化而言，它們的變化要緩慢的多。

2024/9/2071窄帶高斯噪聲的另外一種表達(dá)形式：其中

式中及分別稱為的同相分量和正交分量，其變化相對(duì)于載波要緩慢的多。

2024/9/2072

2.統(tǒng)計(jì)特性

（1）一個(gè)均值為零，方差為的窄帶高斯噪聲，假定它是平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，則它的同相分量、正交分量同樣是平穩(wěn)高斯噪聲，且均值都為零，方差也相同。即

2024/9/2073

（2）該窄帶高斯噪聲其隨機(jī)包絡(luò)服從瑞利分布，相位服從均勻分布。即2024/9/20742.5.5正弦信號(hào)加窄帶高斯噪聲正弦信號(hào)加窄帶高斯噪聲后的合成信號(hào)可以表示為：

2024/9/2075

可以證明，正弦信號(hào)加窄帶高斯噪聲所形成的合成信號(hào)具有如下統(tǒng)計(jì)特性：

（1）隨機(jī)包絡(luò)服從廣義瑞利分布（也稱萊斯（Rice）分布）。（2）隨機(jī)相位分布與信道中的信噪比有關(guān)，不再是均勻分布了。當(dāng)信噪比很小時(shí)，它接近于均勻分布。

2.6信道容量的概念

1.信道容量的定義

在信息論中，稱信道無(wú)差錯(cuò)傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記之為C。信道可以分為：離散信道（編碼信道）和連續(xù)信道（調(diào)制信道）。2024/9/20762024/9/20772.山農(nóng)公式

假設(shè)連續(xù)信道的加性高斯白噪聲功率為N（W），信道的帶寬為B（Hz），信號(hào)功率為S（W），則該信道的信道容量為:

當(dāng)信道特性（B、S和n0）給定以后，上式表示理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。2024/9/20783.關(guān)于山農(nóng)公式的幾點(diǎn)討論（1）在給定B、S/B的情況下，信道的極限傳輸能力為C，而且此時(shí)能夠做到無(wú)差錯(cuò)傳輸（即差錯(cuò)率為零）。

（2）提高信噪比，可提高信道容量。

（3）增加信道帶寬，也可有限的增加信道的容量。（4）信道容量可以通過(guò)系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。

2024/9/2079第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)3.1幅度調(diào)制的原理3.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗操聲性能3.3角度調(diào)制（非線性調(diào)制）的原理及抗噪聲性能3.4各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較3.5頻分復(fù)用（FDM）2024/9/2080

調(diào)制的定義：是按原始電信號(hào)的變化規(guī)律去改變載波某些參量的過(guò)程。

調(diào)制的方式：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制；正弦波和脈沖調(diào)制。調(diào)制的目的：進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上，從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。調(diào)制的種類：AM、DSB-SC、SSB、VSB、FM和PM。1.1幅度調(diào)制的原理

3.1.1幅度調(diào)制的一般模型

定義：用調(diào)制信號(hào)去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過(guò)程。

2024/9/20812024/9/20823.1.2常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）

1.AM信號(hào)的表達(dá)式、頻譜及帶寬若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)：為了保證包絡(luò)檢波時(shí)不發(fā)生失真，必須滿足2024/9/2083AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬為基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即2024/9/20842.AM信號(hào)的功率分配及調(diào)制效率已調(diào)信號(hào)功率為：調(diào)制效率：顯然，AM信號(hào)的調(diào)制效率總是小于1。例題2024/9/20853.AM信號(hào)的解調(diào)調(diào)制的逆過(guò)程叫做解調(diào)。AM信號(hào)的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)檢波解調(diào)。

（1）相干解調(diào)用一個(gè)低通濾波器，就無(wú)失真的恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)：

2024/9/2086（2）包絡(luò)檢波法

電路由二極管D、電阻R和電容C組成。RC滿足條件：這時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出與輸入信號(hào)的包絡(luò)十分相近，即：

2024/9/20873.1.3抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）

1.DSB信號(hào)的表達(dá)式、頻譜及帶寬2024/9/2088DSB信號(hào)不能進(jìn)行包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)；除不含有載頻分量離散譜外，DSB信號(hào)的頻譜由上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成。故DSB信號(hào)是不帶載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬為基帶信號(hào)帶寬的兩倍。2.DSB信號(hào)的功率分配及調(diào)制效率顯然，DSB信號(hào)的調(diào)制效率為100%。

2024/9/20893.DSB信號(hào)的解調(diào)

DSB信號(hào)只能采用相干解調(diào)，則乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波器濾除高次項(xiàng)，得

2024/9/20903.1.4單邊帶調(diào)制（SSB）

由于DSB信號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱的，皆攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此，從信息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)考慮，僅傳輸其中一個(gè)邊帶就夠了。

1.SSB信號(hào)的產(chǎn)生

（1）率波法2024/9/20912024/9/2092（2）用相移法形成SSB信號(hào)可以證明，SSB信號(hào)的時(shí)域表示式為：式中，“－”對(duì)應(yīng)上邊帶信號(hào)，“+”對(duì)應(yīng)下邊帶信號(hào)；

是的希爾伯特變換。2024/9/20932.SSB信號(hào)帶寬、功率和調(diào)制效率3.SSB信號(hào)的解調(diào)

SSB信號(hào)的解調(diào)也不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)，2024/9/2094乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波后的解調(diào)輸出為2024/9/20953.1.5殘留邊帶調(diào)制（VSB）1.殘留邊帶信號(hào)的產(chǎn)生殘留邊帶調(diào)制是介于單邊帶調(diào)制與雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式，它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的問(wèn)題，又解決了單邊帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)的難題。在殘留邊帶調(diào)制中，除了傳送一個(gè)邊帶外，還保留了另外一個(gè)邊帶的一部分。2024/9/20962024/9/20972.殘留邊帶信號(hào)的解調(diào)3.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗操聲性能

本節(jié)將要研究的問(wèn)題是，信道存在加性高斯白噪聲時(shí)各種線性系統(tǒng)的抗噪性能。3.2.1通信系統(tǒng)抗噪性能分析模型2024/9/20982024/9/2099

為窄帶高斯噪聲，可以表示為：其功率為：

2024/9/20100輸出信噪比定義為輸入信噪比人們常用信噪比增益作為不同調(diào)制方式下解調(diào)器抗噪性能的度量。它可以定義為：2024/9/201013.2.2線性調(diào)制相干解調(diào)的抗噪聲性能

1.DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能（1）輸出信號(hào)的功率

2024/9/20102（2）輸出噪聲的功率

解調(diào)器最終的輸出噪聲為2024/9/20103（3）輸出信號(hào)的功率解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為

解調(diào)器的輸入和輸出信噪比為

因而調(diào)制制度增益為2024/9/201042.SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能（1）輸出信號(hào)的功率

與相干載波相乘，并經(jīng)低通濾波器濾除高頻成分后，得解調(diào)器輸出信號(hào)和功率為：（2）輸出噪聲的功率

2024/9/20105（3）輸出信號(hào)的功率解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為解調(diào)器的輸出信噪比和調(diào)制制度增益為2024/9/20106DSB解調(diào)器的調(diào)制制度增益是SSB的二倍。但不能因此就說(shuō)，雙邊帶系統(tǒng)的抗噪性能優(yōu)于單邊帶系統(tǒng)。具體分析如下：2024/9/201073.VSB調(diào)制系統(tǒng)的性能

VSB調(diào)制系統(tǒng)抗噪性能的分析方法與上面類似。但是，由于所采用的殘留邊帶濾波器的頻率特性形狀可能不同，所以難以確定抗噪性能的一般計(jì)算公式。

3.2.3常規(guī)調(diào)幅包絡(luò)檢波的抗噪聲性能

AM信號(hào)可采用相干解調(diào)或包絡(luò)檢波，具體原理見(jiàn)圖。2024/9/20108解調(diào)器輸入信號(hào)為：輸入噪聲為：輸入的信號(hào)功率、噪聲功率和信噪比：

2024/9/20109解調(diào)器輸入的信號(hào)加噪聲的合成波形是：其中合成包絡(luò)：為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們考慮兩種特殊情況。

（1）大信噪比情況

2024/9/20110輸出信號(hào)功率、噪聲功率和信噪比：調(diào)制制度增益：對(duì)于100％調(diào)制（即），且又是單音頻正弦信號(hào)時(shí)：

2024/9/20111（2）小信噪比情況

此時(shí)噪聲幅度遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)幅度，即得如下結(jié)論：在大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器的性能幾乎與同步檢測(cè)器相同；但隨著信噪比的減小，包絡(luò)檢波器將在一個(gè)特定輸入信噪比值上出現(xiàn)門限效應(yīng)。一旦出現(xiàn)門限效應(yīng)，解調(diào)器的輸出信噪比將急劇變壞。

3.3角度調(diào)制（非線性調(diào)制）的原理及抗噪聲性能

線性調(diào)制不同，已調(diào)信號(hào)頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。角調(diào)制可分為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）。即載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號(hào)變化。

2024/9/201122024/9/201133.3.1角度調(diào)制的基本概念角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為瞬時(shí)相位；瞬時(shí)相位偏移；瞬時(shí)頻率；瞬時(shí)頻偏。所謂相位調(diào)制，是指2024/9/20114調(diào)相信號(hào)可表示為：所謂頻率調(diào)制，是指瞬時(shí)頻率偏移隨基帶信號(hào)而線性變化，即則可得調(diào)頻信號(hào)為

可見(jiàn)，F(xiàn)M和PM非常相似，如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)的具體形式，則無(wú)法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)頻信號(hào)還是調(diào)相信號(hào)。2024/9/20115

如果將調(diào)制信號(hào)先微分，再進(jìn)行調(diào)頻，則可得到調(diào)相信號(hào)；如果將調(diào)制信號(hào)先積分，再進(jìn)行調(diào)相，則可得到調(diào)頻信號(hào)。從以上分析可見(jiàn)，調(diào)頻與調(diào)相并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，兩者之間可以互換。

2024/9/201163.3.2窄帶調(diào)頻與寬帶調(diào)頻

根據(jù)調(diào)制后載波瞬時(shí)相位偏移的大小，可將頻率調(diào)制分為寬帶調(diào)頻（WBFM）與窄帶調(diào)頻（NBFM）。當(dāng)

時(shí)，稱為窄帶調(diào)頻。否則，稱為寬帶調(diào)頻。

1.窄帶調(diào)頻（NBFM）2024/9/20117經(jīng)推導(dǎo)可得NBFM信號(hào)的頻域表達(dá)式：將上式與AM信號(hào)的頻譜比較很相似進(jìn)行比較，它們的帶寬相同，即

2024/9/20118

對(duì)于單頻調(diào)制的特殊情況，可以得到頻譜如下。

2024/9/201192.寬帶調(diào)頻（WBFM）為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，我們先研究單音調(diào)制的情況，然后把分析的結(jié)果推廣到多音情況。（1）單頻調(diào)制時(shí)寬帶調(diào)頻信號(hào)的頻域表達(dá)設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)為則單音調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

2024/9/20120調(diào)頻指數(shù)為：

傅氏變換即為頻譜：從上式可以看到調(diào)頻信號(hào)的頻譜中含有無(wú)窮多個(gè)頻率分量。

（2）單頻調(diào)制時(shí)的頻帶寬度一個(gè)廣泛用來(lái)計(jì)算調(diào)頻波頻帶寬度的公式為：

2024/9/20121（3）單頻調(diào)制時(shí)的功率分配因?yàn)?，調(diào)頻信號(hào)雖然頻率在不停地變化，但振幅不變是個(gè)等幅波，而功率僅由幅度決定，與頻率無(wú)關(guān)，故它的功率即為：（4）任意限帶信號(hào)調(diào)制時(shí)寬帶調(diào)頻信號(hào)的帶寬頻偏比；最大頻率偏移2024/9/201223.3.3調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

1.調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生（1）直接法

就是利用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性變化。振蕩頻率由外部電壓控制的振蕩器叫做壓控振蕩器（VCO），它的輸出頻率正比于所加的控制電壓，即2024/9/20123（2）間接法

經(jīng)N次倍頻后可以使調(diào)頻信號(hào)的載頻和調(diào)制指數(shù)增為N倍。2024/9/201242.調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)

（1）非相干解調(diào)

最簡(jiǎn)單的解調(diào)器是具有頻率-電壓轉(zhuǎn)換作用的鑒頻器。

2024/9/20125

理想鑒頻器可看成是微分器與包絡(luò)檢波器的級(jí)聯(lián)。則微分器輸出

用包絡(luò)檢波器取出其包絡(luò)，并濾去直流后輸出：

Kd稱為鑒頻器靈敏度。

（2）相干解調(diào)

2024/9/20126設(shè)窄帶調(diào)頻信號(hào)為：相干載波：

則乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得再經(jīng)微分，得輸出信號(hào)2024/9/201273.3.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能調(diào)頻系統(tǒng)抗噪性能分析與解調(diào)方法有關(guān)，這里只討論非相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪性能。1.輸入信噪比設(shè)輸入調(diào)頻信號(hào)為：2024/9/20128輸入信號(hào)功率：輸入噪聲功率：輸入信噪比：2.輸出信噪比及調(diào)制制度增益（1）大信噪比情況經(jīng)推導(dǎo)可以得到：寬帶調(diào)頻系統(tǒng)制度增益為：2024/9/20129

下面考慮單頻調(diào)制時(shí)的情況，設(shè)調(diào)制信號(hào)為：，則這時(shí)的調(diào)頻信號(hào)為：式中解調(diào)器輸出信噪比：解調(diào)器制度增益：寬帶調(diào)頻時(shí)，信號(hào)帶寬為：2024/9/20130所以，上式還可以寫成：（2）小信噪比情況與門限效應(yīng)

3.4各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較各種模擬調(diào)制方式總結(jié)（見(jiàn)表3-1）各種模擬調(diào)制方式性能比較

抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM與AM接近。頻帶利用率，SSB最好，VSB與SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。

2024/9/201312024/9/201323.各種模擬調(diào)制方式的特點(diǎn)與應(yīng)用3.5頻分復(fù)用（FDM）

“復(fù)用”是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)，合并為一個(gè)可在同一信道上同時(shí)傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)的方法。

有三種基本的多路復(fù)用方式：頻分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）與碼分復(fù)用（CDM）。

2024/9/201332024/9/20134單邊帶信號(hào)的總頻帶寬度為：

2024/9/20135

頻分復(fù)用系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是信道復(fù)用率高，容許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便。因此，它成為目前模擬通信中最主要的一種復(fù)用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。

2024/9/20136第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)4.1數(shù)字基帶信號(hào)碼型4.2基帶系統(tǒng)的脈沖傳輸與碼間干擾4.3無(wú)碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)4.4無(wú)碼間串?dāng)_基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能4.5眼圖4.6時(shí)域均衡原理*4.7部分響應(yīng)系統(tǒng)*4.1數(shù)字基帶信號(hào)碼型基帶信號(hào)的要求主要有兩點(diǎn)：（1）對(duì)各種代碼的要求，期望將原始信息符號(hào)編制成適合于傳輸用的碼型；（2）對(duì)所選的碼型的電波形的要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸。

本節(jié)討論前一問(wèn)題。

2024/9/201372024/9/20138在設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號(hào)碼型時(shí)應(yīng)考慮以下原則：

（1）碼型中應(yīng)不含直流或低頻分量盡量少

;（2）碼型中高頻分量盡量少

;（3）碼型中應(yīng)包含定時(shí)信息

;（4）碼型具有一定檢錯(cuò)能力

;（5）編碼方案對(duì)發(fā)送消息類型不應(yīng)有任何限制，即能適用于信源變化

;（6）低誤碼增殖;（7）高的編碼效率；（8）編譯碼設(shè)備應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。

2024/9/201394.1.2數(shù)字基帶信號(hào)的常用碼型2024/9/201401.單極性非歸零（NRZ）碼

二進(jìn)制符號(hào)“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正電平和零電平，在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間電平保持不變。單極性NRZ碼的主要特點(diǎn)：

（1）有直流分量，無(wú)法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備；

（2）不能直接提取位同步信息；

（3）抗噪性能差；

（4）傳輸時(shí)需一端接地。

2024/9/201412.雙極性不歸零（NRZ）碼

“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)電平，其特點(diǎn)為：（1）直流分量小。當(dāng)二進(jìn)制符號(hào)“1”、“0”等可能出現(xiàn)時(shí)，無(wú)直流成分；（2）接收端判決門限為0，容易設(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強(qiáng)；（3）可以在電纜等無(wú)接地線上傳輸。2024/9/201423.單極性歸零（RZ）碼歸零碼是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個(gè)脈沖都回到零電平。優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號(hào)，它是其它碼型提取同步信號(hào)需采用的一個(gè)過(guò)渡碼型。

4.雙極性歸零（RZ）碼

雙極性歸零碼具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強(qiáng)及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。2024/9/201435.差分碼

在差分碼中，“1”、“0”分別用電平跳變或不變來(lái)表示。編碼：遇到“1”狀態(tài)反轉(zhuǎn)、“0”狀態(tài)不變；譯碼：有變化為“1”，沒(méi)變化為“0”。特點(diǎn)：即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能正確地進(jìn)行判決。2024/9/201446.AMI碼這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆?hào)序列，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無(wú)直流成分，對(duì)具有變壓器或其它交流隅合的傳輸信道來(lái)說(shuō)，不易受隔直特性的影響。（2）若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端的完全相反，也能正確判決。（3）便于觀察誤碼情況。2024/9/201457.HDB3碼

AMI碼有一個(gè)重要缺點(diǎn)，即它可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連0串，會(huì)造成提取定時(shí)信號(hào)的困難。

HDB3碼的編碼規(guī)則為：

（1）先把消息代碼變成AMI碼；

（2）當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)或4個(gè)以上連0碼時(shí)進(jìn)行處理，即引入破壞碼V和補(bǔ)信碼；而原來(lái)的二進(jìn)制碼元序列中所有的“1”碼稱為信碼，用符號(hào)B表示。2024/9/20146

信碼B與破壞符號(hào)V的正負(fù)必須滿足如下兩個(gè)條件：①B碼和V碼各自都應(yīng)始終保持極性交替變化的規(guī)律，以便確保編好的碼中沒(méi)有直流成分；②V碼必須與前一個(gè)碼（信碼B）同極性，以便和正常的AMI碼區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果這個(gè)條件得不到滿足，那么應(yīng)該在四個(gè)連“0”碼的第一個(gè)“0”碼位置上加一個(gè)與V碼同極性的補(bǔ)信碼，用符號(hào)表示，并做調(diào)整。2024/9/20147例如：(a)代碼：010000110000010 1(b)AMI碼：0+10000-1+100000-10+1(c)加V：0+1000V+-1+1000V+0-10+1(d)加補(bǔ)信碼0+1000V+-1+10 0V-0+10-1(e)HDB3：0+1000+1–1+1-10 0-10+10–1HDB3碼的譯碼卻比較簡(jiǎn)單，同時(shí)它對(duì)定時(shí)信號(hào)的恢復(fù)是極為有利的。HDB3是CCITT推薦使用的碼之一。2024/9/201488.Manchester碼該碼又稱為數(shù)字雙相碼或分相碼。其特點(diǎn)是每個(gè)碼元用兩個(gè)連續(xù)極性相反的脈沖來(lái)表示。如“1”碼用正、負(fù)脈沖表示，“0”碼用負(fù)、正脈沖表示，以太網(wǎng)采用分相碼作為線路傳輸碼。

9.CMI碼其編碼規(guī)則為：“1”碼交替用“00”和“11”表示；“0”碼用“01”表示。

10.多進(jìn)制碼（具體情況見(jiàn)書p89）2024/9/201494.1.3數(shù)字基帶信號(hào)功率譜

不同形式的數(shù)字基帶信號(hào)具有不同的頻譜結(jié)構(gòu)，分析數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜特性，以便合理地設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號(hào)?？梢宰C明，隨機(jī)脈沖序列雙邊功率譜為：2024/9/20150結(jié)論：

（1）隨機(jī)脈沖序列功率譜包括兩部分：連續(xù)譜（第一項(xiàng)）和離散譜（第二項(xiàng)）。

（2）當(dāng)、、p及給定后，隨機(jī)脈沖序列功率譜就確定了。

下面，以矩形脈沖構(gòu)成的基帶信號(hào)為例，通過(guò)幾個(gè)有代表性的特例對(duì)式（4-3）的應(yīng)用及意義做進(jìn)一步的說(shuō)明。p914.2基帶系統(tǒng)的脈沖傳輸與碼間干擾

4.2.1數(shù)字基帶系統(tǒng)的工作原理2024/9/201512024/9/201522024/9/201534.2.2基帶傳輸系統(tǒng)的碼間串?dāng)_傳輸過(guò)程中第4個(gè)碼元發(fā)生了誤碼，產(chǎn)生該誤碼的原因就是信道加性噪聲和頻率特性?；鶐鬏斚到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖所示：發(fā)送濾波器輸入信號(hào)可以表示為：

2024/9/20154

發(fā)送濾波器至接收濾波器總的傳輸特性為：則由圖可得抽樣判決器的輸入信號(hào)為：為了判定第j個(gè)碼元aj的值，應(yīng)在瞬間對(duì)y(t)抽樣。顯然，此抽樣值為：2024/9/201554.2.3碼間串?dāng)_的消除從數(shù)學(xué)表示式看，只要即可消除碼間干擾，但ak是隨機(jī)變化的，要想通過(guò)各項(xiàng)互相抵消使碼間串?dāng)_為0是不可能的。只能依靠系統(tǒng)沖激響應(yīng)在采樣點(diǎn)處為零。

2024/9/20156

考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，定時(shí)判決時(shí)刻不一定非常準(zhǔn)確，這樣的尾巴拖得太長(zhǎng)，當(dāng)定時(shí)不準(zhǔn)時(shí)，任一個(gè)碼元都要對(duì)后面好幾個(gè)碼元產(chǎn)生串?dāng)_，或者說(shuō)后面任一個(gè)碼元都要受到前面幾個(gè)碼元的串?dāng)_。因此對(duì)系統(tǒng)還要求適當(dāng)衰減快一些，即尾巴不要拖得太長(zhǎng)。4.3無(wú)碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)

無(wú)碼間串?dāng)_對(duì)基帶傳輸系統(tǒng)沖激響應(yīng)的要求概括如下：

（1）基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后在抽樣點(diǎn)上無(wú)碼間串?dāng)_，也即瞬時(shí)抽樣值應(yīng)滿足

（2）尾部衰減要快。

2024/9/201572024/9/20158

經(jīng)整理后無(wú)碼間串?dāng)_的條件為：可以找到很多能滿足這個(gè)要求的系統(tǒng)，例如

2024/9/20159

4.3.1理想基帶傳輸系統(tǒng)理想基帶傳輸系統(tǒng)的傳輸特性具有理想低通特性，其傳輸函數(shù)為：

相應(yīng)的時(shí)域表達(dá)式為：

2024/9/20160

如果信號(hào)經(jīng)傳輸后整個(gè)波形發(fā)生變化，但只要其特定點(diǎn)的抽樣值保持不變，那么用再次抽樣的方法，仍然可以準(zhǔn)確無(wú)誤地恢復(fù)原始信碼。這就是奈奎斯特第一準(zhǔn)則的本質(zhì)。2024/9/20161

輸入序列若以的碼元速率1/Tb進(jìn)行無(wú)碼間串?dāng)_傳輸時(shí)，所需的最小傳輸帶寬為1/2Tb

（Hz）,通常稱1/2Tb為奈奎斯特帶寬。

頻帶利用率是指碼元速率和帶寬的比值：顯然，理想低通傳輸函數(shù)具有最大的頻帶利用率，其值為2Baud/Hz。但是，理想基帶傳輸系統(tǒng)實(shí)際上不可能得到應(yīng)用。這是因?yàn)槭紫任锢聿豢蓪?shí)現(xiàn)的；其次，拖尾很大。2024/9/20162

4.3.2無(wú)碼間串?dāng)_的等效特性經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到：

要滿足無(wú)碼間串?dāng)_，則要求

2024/9/20163

4.3.3實(shí)用的無(wú)碼間串?dāng)_基帶傳輸特性

理想沖激響應(yīng)的尾巴衰減很慢的原因是系統(tǒng)的頻率特性截止過(guò)于陡峭，進(jìn)行“圓滑”處理可以減小拖尾，通常被稱為“滾降”。而滾降系數(shù)定義為：

2024/9/20164

滾降系數(shù)的不同可以得出結(jié)論：

（1）當(dāng)時(shí)，為理想基帶傳輸系統(tǒng)，h(t)的“尾巴”按1/t的規(guī)律衰減。當(dāng)時(shí)，“尾巴”的衰減速率比1/t

大。（2）輸出信號(hào)頻譜所占據(jù)的帶寬為：一般情況下，=0～1時(shí)，，頻帶利用率為2～1Baud/Hz?？梢钥闯鲈酱?，“尾部”衰減越快，但帶寬越寬，頻帶利用率越低。4.4無(wú)碼間串?dāng)_基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能

碼間串?dāng)_和噪聲是影響接收端正確判決，從而造成誤碼的因素。本節(jié)來(lái)討論噪聲引起的誤碼率。

2024/9/201652024/9/20166

若二進(jìn)制基帶信號(hào)為雙極性，則在抽樣時(shí)刻x(t)的取值為：

2024/9/20167

設(shè)判決門限為Vd，則

，判為“1”碼，判為“0”碼

可能出現(xiàn)兩種判決錯(cuò)誤：原“1”錯(cuò)判成“0”或原“0”錯(cuò)判成“1”，圖中帶“×”的碼元就是錯(cuò)碼。下面分析由于信道加性噪聲引起這種誤碼的概率，即誤碼率。

設(shè)信道加性噪聲為均值為0的高斯白噪聲，而接收濾波器又是一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，故判決電路輸入噪聲也是均值為0的高斯噪聲。2024/9/20168nR(t)的功率譜密度為：

方差（噪聲平均功率）為：nR(t)瞬時(shí)值的一維概率密度函數(shù)可表述為：發(fā)送“1”時(shí)均值為A，其一維概率密度函數(shù)為：

2024/9/20169發(fā)送“0”時(shí)均值為-A，其概率密度函數(shù)為：它們相應(yīng)的曲線如圖所示：

2024/9/20170

噪聲會(huì)引起兩種誤碼概率：

（1）發(fā)“1”錯(cuò)判為“0”的概率P(0/1)；

（2）發(fā)“0”錯(cuò)判為“1”的概率P(1/0)；

2024/9/20171基帶傳輸系統(tǒng)總的誤碼率可表示為：

在A和一定的條件下，可以找到一個(gè)使誤碼率最小的判決門限電平，這個(gè)門限電平稱為最佳門限電平。令當(dāng)P(1)=P(0)=1/2時(shí)2024/9/20172這時(shí)，基帶信號(hào)系統(tǒng)總的誤碼率為：

這就是雙極性、等概發(fā)送“1”碼和“0”碼、且在最佳判決門限電平下，基帶傳輸系統(tǒng)總的誤碼率表示式。對(duì)于單極性信號(hào)，最佳門限電平為：當(dāng)P(1)=P(0)=1/2時(shí)：2024/9/20173基帶信號(hào)系統(tǒng)總的誤碼率為：比較雙極性信號(hào)與單極性信號(hào)可知：

（1）在基帶信號(hào)峰值相等、噪聲均方根值也相同時(shí)，單極性基帶系統(tǒng)的抗噪性能不如雙極性基帶系統(tǒng)。（2）在誤碼率相同條件下，單極性基帶系統(tǒng)需要的信噪功率比要比雙極性高3dB。

2024/9/20174

（3）在發(fā)送“1”、“0”碼等概情況下，單極性基帶系統(tǒng)的最佳判決門限電平隨心到特性發(fā)生變化。因此，數(shù)字基帶系統(tǒng)多采用雙極性信號(hào)進(jìn)行傳輸。

4.5眼圖

眼圖就是用的實(shí)驗(yàn)方法宏觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。

4.5.1眼圖的概念眼圖是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改善（通過(guò)調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時(shí)在示波器上觀察到的一種圖形。從“眼圖”上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度。2024/9/201752024/9/201764.5.2眼圖形成原理及模型

1.無(wú)噪聲時(shí)的眼圖2024/9/20177

眼圖的“眼睛”張開(kāi)的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。“眼睛”張的越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越?。环粗硎敬a間串?dāng)_越大。

2.存在噪聲時(shí)的眼圖當(dāng)存在噪聲時(shí)，觀察到的眼圖的線跡會(huì)變得模糊不清。若同時(shí)存在碼間串?dāng)_，“眼睛”將張開(kāi)得更小。與無(wú)碼間串?dāng)_時(shí)的眼圖相比，原來(lái)清晰端正的細(xì)線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正。2024/9/201783.眼圖的模型2024/9/20179（1）最佳抽樣時(shí)刻在“眼睛”張最大的時(shí)刻。（2）對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。

（3）在抽樣時(shí)刻上，眼圖上下兩分支陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號(hào)畸變。（4）眼圖中橫軸位置應(yīng)對(duì)應(yīng)判決門限電平。（5）各相應(yīng)電平的噪聲容限。（6）傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小，表示零點(diǎn)位置的變動(dòng)范圍。2024/9/20180第5章數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸5.1二進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制5.2二進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制5.3二進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制5.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較5.1二進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制

調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)，這種調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，載波的幅度、頻率或相位只有兩種變化狀態(tài)。5.1.1一般原理與實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)字幅度調(diào)制又稱幅度鍵控（ASK），二進(jìn)制幅度鍵控記作2ASK。

2024/9/201812024/9/201822ASK信號(hào)可表示為：

s(t)為單極性NRZ矩形脈沖序列：

2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）

2024/9/201832ASK信號(hào)解調(diào)的常用方法主要有兩種：包絡(luò)檢波法和相干檢測(cè)法。2024/9/201845.1.22ASK信號(hào)的功率譜及帶寬一個(gè)2ASK信號(hào)可以表示成：設(shè)：調(diào)制信號(hào)的功率譜為Ps(f)，則已調(diào)信號(hào)的功率譜為Pe(f)：帶寬為：頻帶利用率為：

2024/9/201852024/9/201865.1.32ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能假定信道噪聲為加性高斯白噪聲，其均值為0、方差為；接收的信號(hào)為：

1.包絡(luò)檢測(cè)時(shí)2ASK系統(tǒng)的誤碼率其接收帶通濾波器BPF的輸出為：

2024/9/20187經(jīng)包絡(luò)檢波器檢測(cè)，輸出包絡(luò)信號(hào)：發(fā)“1”時(shí)，BPF輸出包絡(luò)的抽樣值的一維概率密度函數(shù)服從萊斯分布；而發(fā)“0”時(shí)，BPF輸出包絡(luò)的抽樣值的一維概率密度函數(shù)服從瑞利分布。

2024/9/20188

存在兩種錯(cuò)判的可能性：一是發(fā)送的碼元為“1”時(shí)，錯(cuò)判為“0”，其概率記為；二是發(fā)送的碼元為“0”時(shí)，錯(cuò)判為“l(fā)”，其概率記為。

2024/9/20189

則系統(tǒng)的總誤碼率為：不難看出，當(dāng)時(shí)，該陰影面積之和最小，即誤碼率最低。稱此使誤碼率獲最小值的門限為最佳門限，其值為。系統(tǒng)的誤碼率近似為：其中表示信噪比。2024/9/201902.相干解調(diào)時(shí)2ASK系統(tǒng)的誤碼率其接收帶通濾波器BPF的輸出為：取本地載波，則乘法器輸出，在抽樣判決器輸入端得到：

2024/9/20191

x(t)值的一維概率密度為：

2024/9/20192

不難看出，最佳判決門限為：

可以證明，這時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為：當(dāng)信噪比遠(yuǎn)大于1時(shí)，上式近似為：

在大信噪比情況下，2ASK信號(hào)相干解調(diào)時(shí)的誤碼率總是低于包絡(luò)檢波時(shí)的誤碼率，即相干解調(diào)2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)系統(tǒng)。注意例題。

5.2二進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制

5.2.1調(diào)制原理與實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來(lái)傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。

2024/9/201932024/9/20194

根據(jù)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生原理，已調(diào)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式可以表示為：其中：初相位可以是不連續(xù)，也可以是連續(xù)的；2024/9/201952024/9/201965.2.22FSK信號(hào)的解調(diào)數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法很多，如鑒頻法、相干檢測(cè)法、包絡(luò)檢波法、過(guò)零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法等。包絡(luò)檢波法

2024/9/201972.相干檢測(cè)法2024/9/201983.過(guò)零檢測(cè)法2024/9/201994.差分檢測(cè)法角頻率頻移有兩種取值，乘法器輸出為：合理的選取延遲，使得2024/9/20200此時(shí)輸出電壓與角頻偏呈線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)近似線性的頻幅轉(zhuǎn)換特性，這正是鑒頻特性所要求的。針對(duì)的兩種取值，經(jīng)抽樣判決器可檢測(cè)出“1”和“0”。2024/9/202015.2.32FSK信號(hào)的功率譜及帶寬

2FSK信號(hào)可視為兩個(gè)2ASK信號(hào)的合成：則2FSK信號(hào)功率譜為兩個(gè)2ASK功率譜之和。2024/9/20202分析上圖可見(jiàn)：（1）2FSK信號(hào)的功率譜與2ASK信號(hào)的功率譜相似，由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。

（2）連續(xù)譜的形狀隨著的大小而異。出現(xiàn)雙峰；出現(xiàn)單峰。

（3）2FSK信號(hào)的頻帶寬度為

2024/9/202035.2.42FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

1.同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能2024/9/20204發(fā)送端產(chǎn)生的2FSK信號(hào)可表示為：

接收機(jī)收入端合成波形為：接收端上、下支路兩個(gè)帶通濾波器BPF1、BPF2的輸出波形分別為：

2024/9/20205

考慮到這里的噪聲為窄帶高斯噪聲則：發(fā)送“1”符號(hào)，則上下支路低通濾波器輸出分別為：2024/9/20206

將造成發(fā)送“1”碼而錯(cuò)判為“0”碼，錯(cuò)誤概率為：其一維概率密度函數(shù)可表示為：

2024/9/20207

同理可得，發(fā)送“0”符號(hào)而錯(cuò)判為“1”符號(hào)的概率為

于是可得2FSK信號(hào)采用同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為：在大信噪比條件下，上式可近似表示為

2024/9/202082.包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能

發(fā)送“1”符號(hào)2024/9/20209

經(jīng)計(jì)算2FSK信號(hào)采用包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為：

（1）在輸入信號(hào)信噪比一定時(shí)，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；當(dāng)系統(tǒng)的誤碼率一定時(shí)，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對(duì)輸入信號(hào)的信噪比要求低。

（2）相干解調(diào)時(shí)，需要插入兩個(gè)相干載波，電路較為復(fù)雜。見(jiàn)例題5.25.3二進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制

根據(jù)載波相位表示數(shù)字信息的方式不同，數(shù)字調(diào)相分為絕對(duì)相移（PSK）和相對(duì)相移（DPSK）兩種。5.3.1二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）

1.一般原理及實(shí)現(xiàn)方法2024/9/202102024/9/20211

2PSK信號(hào)的典型波形如圖所示：

2PSK信號(hào)的調(diào)制方框圖如圖所示：

2024/9/20212

2PSK信號(hào)的解調(diào)：不考慮噪聲時(shí)，帶通濾波器輸出可表示為：

2024/9/20213

2PSK接收系統(tǒng)各點(diǎn)波形如圖所示：

2024/9/20214

2.2PSK信號(hào)的頻譜和帶寬

2PSK信號(hào)的功率譜密度可以寫成：對(duì)于雙極性NRZ碼，由于不存在直流成分，因此，2PSK信號(hào)功率譜示意圖如圖5-21所示：2024/9/20215

因此，2PSK信號(hào)的帶寬、頻帶利用率也與2ASK信號(hào)的相同。在數(shù)字調(diào)相中，由于表征信息的相位變化只有有限的離散取值，因此，可以把相位變化歸結(jié)為幅度變化。為此可以把數(shù)字調(diào)相信號(hào)當(dāng)作線性調(diào)制信號(hào)來(lái)處理了。

2024/9/202163.2PSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

2PSK信號(hào)相干解調(diào)系統(tǒng)模型如圖所示：經(jīng)信道傳輸，接收端輸入信號(hào)為：2024/9/20217

經(jīng)帶通濾波器輸出：與本地載波相乘后，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，在抽樣判決器輸入端得到：

2024/9/202182024/9/202192PSK系統(tǒng)的最佳判決門限電平為：在最佳門限時(shí)，2PSK系統(tǒng)的誤碼率為：在大信噪比下，上式成為：

2024/9/202205.3.2二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）

1.一般原理及實(shí)現(xiàn)方法它不是利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用本碼元與前一碼元相位之差來(lái)傳送數(shù)字信息的。

2024/9/20221

相對(duì)移相信號(hào)可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對(duì)碼）變換成相對(duì)碼，然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)移相而形成。絕對(duì)碼和相對(duì)碼是可以互相轉(zhuǎn)換的，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：編碼器譯碼器2024/9/20222

相對(duì)相移本質(zhì)上就是對(duì)差分碼信號(hào)的絕對(duì)相移。即實(shí)現(xiàn)相對(duì)調(diào)相的最常用方法如圖所示。2024/9/202232DPSK的解調(diào)有兩種，一種是差分相干解調(diào)，另一種是相干解調(diào)-碼變換法。（1）相干解調(diào)-碼變換法。

（2）差分相干解調(diào)法。它是直接比較前后碼元的相位差而構(gòu)成的，這種方法不需要碼變換器，也不需要專門的相干載波發(fā)生器，因此設(shè)備比較簡(jiǎn)單、實(shí)用。

2024/9/202242024/9/202252.2DPSK信號(hào)的頻譜和帶寬無(wú)論是2PSK還是2DPSK信號(hào)，就波形本身而言，它們都可以等效成雙極性信號(hào)作用下的調(diào)幅信號(hào)，無(wú)非是一對(duì)倒相信號(hào)的序列。有以下結(jié)論：（1）2DPSK與2PSK有相同的功率譜；（2）它們的帶寬和頻帶利用率均相同。2024/9/202263.2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

（1）極性比較-碼變換法解調(diào)時(shí)2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能為了分析碼反變換器對(duì)誤碼的影響，以序列0110111001為例，可以得到下圖：2024/9/202272024/9/20228以這方式解調(diào)時(shí)的誤碼率為：當(dāng)誤碼率很小時(shí)：由此可見(jiàn)，碼反變換器器總是使系統(tǒng)誤碼率增加，通常認(rèn)為增加一倍。（2）差分相干解調(diào)時(shí)2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能2024/9/202294.2PSK與2DPSK系統(tǒng)的比較（1）檢測(cè)這兩種信號(hào)時(shí)判決器均可工作在最佳門限電平（零電平）。（2）2DPSK抗噪聲性能不及2PSK。（3）2PSK系統(tǒng)存在“反向工作”問(wèn)題，而2DPSK系統(tǒng)不存在“反向工作”問(wèn)題。因此在實(shí)際應(yīng)用中，真正作為傳輸用的數(shù)字調(diào)相信號(hào)幾乎都是DPSK信號(hào)。見(jiàn)例題5.3。5.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

1.誤碼率（見(jiàn)表5-1

）

對(duì)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能做如下兩個(gè)方面的比較：

（1）同一調(diào)制方式不同檢測(cè)方法的比較

對(duì)于同一調(diào)制方式不同檢測(cè)方法，相干檢測(cè)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測(cè)。

2024/9/202302024/9/20231

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