通信原理簡明教程

通信原理簡明教程演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有206頁\編輯于星期日（優(yōu)選）通信原理簡明教程現(xiàn)在是2頁\一共有206頁\編輯于星期日目錄緒論預(yù)備知識模擬線性調(diào)制模擬角調(diào)制模擬信號的波形編碼數(shù)字信號的基帶傳輸數(shù)字信號的調(diào)制傳輸現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)差錯控制編碼現(xiàn)在是3頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)代通信與信息社會語言文字圖像人力馬力電話、廣播信鴿、郵政電報Email烽火臺電視視頻會議信息社會信號彈現(xiàn)在是4頁\一共有206頁\編輯于星期日1緒論1.1通信和通信系統(tǒng)的一般概念1、通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。2、消息的表達形式：語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等3、實現(xiàn)通信的方式：目前最廣泛的是電通信4、電通信的概念：用電信號攜帶所要傳遞的消息，然后經(jīng)過各種電信道進行傳輸，達到通信的目的。5、電通信的優(yōu)勢：能使消息幾乎在任意的通信距離上實現(xiàn)迅速而又準確的傳遞?，F(xiàn)在是5頁\一共有206頁\編輯于星期日6、按媒質(zhì)的不同，通信方式分為：有線通信：用導(dǎo)線作為傳輸媒質(zhì)：如架空明線、電纜。。。無線通信：利用無線電波在空間的傳播7、通信系統(tǒng)的定義：為完成通信任務(wù)所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)所構(gòu)成的總體。8、通信系統(tǒng)的組成現(xiàn)在是6頁\一共有206頁\編輯于星期日1.2通信系統(tǒng)的分類傳輸方式：基帶傳輸，頻帶傳輸復(fù)用方式：頻分，時分，碼分和空分調(diào)制方式連續(xù)波脈沖調(diào)制ASK，F(xiàn)SK，PSK，QAM線性AM，SSB，VSB非線性FM，PM模擬數(shù)字模擬數(shù)字PAM，PPMPCM，ADPCM，CVSD，△M現(xiàn)在是7頁\一共有206頁\編輯于星期日無線模擬發(fā)送、接收系統(tǒng)方框圖現(xiàn)在是8頁\一共有206頁\編輯于星期日無線數(shù)字頻帶傳輸發(fā)送、接收系統(tǒng)方框圖現(xiàn)在是9頁\一共有206頁\編輯于星期日無線電通信波段現(xiàn)在是10頁\一共有206頁\編輯于星期日1.3通信技術(shù)發(fā)展概況1838莫爾斯有線電報1948晶體管香農(nóng)IT通信統(tǒng)計理論建立1864麥克斯韋爾電磁輻射方程1950時分多路通信應(yīng)用于電話1876貝爾電話1956越洋電話鋪設(shè)1896馬克尼無線電報1957第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射1906真空管1958第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射1918調(diào)幅廣播超外差接收機1960發(fā)明激光1925三路明線載波電話多路通信1961發(fā)明集成電路1936調(diào)頻廣播1962第一顆同步通信衛(wèi)星PCM進入實用1937脈沖編碼調(diào)制1960彩電數(shù)字傳輸理論高速計算機1938電視廣播1970LSI商用衛(wèi)星程控交換光纖通訊1940二戰(zhàn)刺激雷達和微波系統(tǒng)發(fā)展1980SLSI長波光纖通信ISDN3G現(xiàn)在是11頁\一共有206頁\編輯于星期日

塞繆爾·莫爾斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872），作為一名畫家是成功的。莫爾斯曾兩度赴歐洲留學，在肖像畫和歷史繪畫方面成了當時公認的一流畫家。1826年至1842年任美國畫家協(xié)會主席。

在一次遠洋旅途中，莫爾斯結(jié)識了杰克遜。杰克遜是波士頓城的一位醫(yī)生，也是一位電學博士。閑聊中，杰克遜把話題轉(zhuǎn)到電磁感應(yīng)現(xiàn)象上。從此，莫爾斯走上了科學發(fā)明的崎嶇道路。為了維持生活，莫爾斯于1836年不得不重操舊業(yè)，擔任紐約大學藝術(shù)及設(shè)計教授。課余時間，他仍然繼續(xù)從事電報發(fā)明工作。終于在1837年9月4日，莫爾斯制造出了一臺電報機。

1844年5月24日，在華盛頓國會大廈聯(lián)邦最高法院會議廳里，進行電報發(fā)收試驗。年過半百的莫爾斯在預(yù)先約定的時間，興奮地向巴爾的摩發(fā)出人類歷史上的第一份電報。他的助手很快收到那份只有一句話的電報：“上帝創(chuàng)造了何等的奇跡!”現(xiàn)在是12頁\一共有206頁\編輯于星期日1862年31歲，麥克斯韋發(fā)表了第二篇論文《論物理力線》，不但進一步發(fā)展了法拉第的思想，擴充到磁場變化產(chǎn)生電場，而且得到了新的結(jié)果：電場變化產(chǎn)生磁場，由此預(yù)言了電磁波的存在，并證明了這種波的速度等于光速，揭示了光的電磁本質(zhì)。這篇文章包括了麥克斯韋研究電磁理論達到的主要結(jié)果。1864年他的第三篇論文《電磁場的動力學理論》，從幾個基本實驗事實出發(fā)，運用場論的觀點，以演繹法建立了系統(tǒng)的電磁理論。1873年出版的《電學和磁學論》一書是集電磁學大成的劃時代著作，全面地總結(jié)了19世紀中葉以前對電磁現(xiàn)象的研究成果，建立了完整的電磁理論體系。這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》、達爾文的《物種起源》和賴爾的《地質(zhì)學原理》相媲美的里程碑式的著作。麥克斯韋的主要科學貢獻在電磁學方面，同時在天體物理學、氣體分子運動論、熱力學、統(tǒng)計物理學等方面，都作出了卓越的成績。正如量子論的創(chuàng)立者普朗克（MaxPlankl858—1947）指出的：“麥克斯韋的光輝名字將永遠鐫刻在經(jīng)典物理學家的門扉上，永放光芒。從生地來說，他屬于愛丁堡；從個性來說，他屬于劍橋大學；從功績來說，他屬于全世界”。現(xiàn)在是13頁\一共有206頁\編輯于星期日赫茲是一個短命的物理學家。他于1894年逝世時，年僅37歲。1886年29歲發(fā)現(xiàn)電磁波，其后不到6年，意大利的馬可尼、俄國的波波夫分別實現(xiàn)廠無線電傳播，并很快投人實際使用。其他利用電磁波的技術(shù)：無線電報（1894年）、無線電廣播（1906年）、無線電導(dǎo)航（1911年）、無線電話（1916年）、短波通訊（1921年）、無線電傳真（1923年）、電視（1929年）、微波通訊（1933年）、雷達（1935年），以及遙控、遙感、衛(wèi)星通訊、射電天文學……它們使整個世界面貌發(fā)生了深刻的變化。

赫茲關(guān)于電磁波的實驗，為無線電技術(shù)的發(fā)展開拓了新的道路，構(gòu)成了現(xiàn)代文明的骨架，后人為了紀念他，把頻率的單位定為赫茲?，F(xiàn)在是14頁\一共有206頁\編輯于星期日信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)Shannon，1916年生于美國，大學時代在美國密執(zhí)安大學和麻省理工學院學習，修過布爾代數(shù)課，并曾在發(fā)明微分分析儀的數(shù)學家布什的指導(dǎo)下使用微分分析儀，這使他對繼電器電路的分析產(chǎn)生興趣。他認為這些電路的設(shè)計可用符號邏輯來實現(xiàn)，并意識到分析繼電器的有效數(shù)學工具正是布爾代數(shù)。1938年，香農(nóng)發(fā)表了著名的論文《繼電器和開關(guān)電路的符號分析》，首次用布爾代數(shù)進行開關(guān)電路分析，并證明布爾代數(shù)的邏輯運算，可以通過繼電器電路來實現(xiàn)，明確地給出了實現(xiàn)加、減、乘、除等運算的電子電路的設(shè)計方法。這篇論文成為開關(guān)電路理論的開端。后來，香農(nóng)到貝爾實驗室工作，他進一步證明了可以采用能實現(xiàn)布爾代數(shù)運算的繼電器或電子元件來制造計算機，香農(nóng)的理論還為計算機具有邏輯功能奠定了基礎(chǔ)，從而使電子計算機既能用于數(shù)值計算，又具有各種非數(shù)值應(yīng)用功能，使得以后的計算機在幾乎任何領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。無失真變長信源編碼定理(香農(nóng)第一定理)有噪信道編碼定理(香農(nóng)第二定理)保真準則下信源編碼定理(香農(nóng)第三定理)現(xiàn)在是15頁\一共有206頁\編輯于星期日1.4.1信息量1、信息的概念：收信者在收到消息之前對消息的不確定性。注：消息出現(xiàn)的可能性越小，則此消息攜帶的信息越多。2、信息量：衡量信息多少的物理量⑴信息量的大小與消息所描述事件的出現(xiàn)概率有關(guān)⑵信息量應(yīng)該是消息出現(xiàn)概率的單調(diào)遞減函數(shù)⑶當有若干個互相獨立的消息，則信息量還應(yīng)滿足相加性的條件3、信息量的定義：（離散消息的信息量）當對數(shù)以2為底時，信息量的單位為比特（bit）;以e為底時，為奈特（nit）

1.4信息及其度量現(xiàn)在是16頁\一共有206頁\編輯于星期日1.4.2平均信息量1、對以串符號構(gòu)成的消息，設(shè)各符號的出現(xiàn)是相互獨立的，則：2、平均信息量（信息的熵）注意：單位是bit/sym則總信息量為：3、當信源中每種符號出現(xiàn)的概率相等，且各符號的出現(xiàn)為統(tǒng)計獨立時，H(x)最大注：工程上常用比特表示二進制碼的位數(shù)現(xiàn)在是17頁\一共有206頁\編輯于星期日1.5通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標1、包含：有效性、可靠性、適應(yīng)性、標準性、經(jīng)濟性及維護使用等。其中有效性和可靠性最為重要。2、有效性：傳輸一定的信息量所消耗的信道資源（帶寬或時間）可靠性：是接收信息的準確程度注：兩者之間相互矛盾，相互依賴現(xiàn)在是18頁\一共有206頁\編輯于星期日1.5.1模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標1、有效性：用有效傳輸帶寬來度量頻帶寬度越窄，有效性越好2、可靠性：用接收端最終的輸出信噪比來度量信噪比越大，通信質(zhì)量越高注：信噪比是由信號功率和傳輸中引入的噪聲功率決定的。1.5.2數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標1、有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量（1）傳輸速率單位時間傳輸?shù)拇a元數(shù)單位：碼元/秒（baud）單位時間傳輸?shù)男畔⒘繂挝唬篵it/s兩者關(guān)系：注：波特率與碼元進制數(shù)無關(guān)，只與碼元的持續(xù)時間（碼元寬度）有關(guān)?，F(xiàn)在是19頁\一共有206頁\編輯于星期日（2）頻帶利用率：碼元頻帶利用率：信息頻帶利用率：2、可靠性：用差錯率來衡量現(xiàn)在是20頁\一共有206頁\編輯于星期日作業(yè)：1.11.21.41.61.8現(xiàn)在是21頁\一共有206頁\編輯于星期日2預(yù)備知識2.2.3信號的能量譜與功率譜1、能量信號：該積分值為有限時信號為能量信號2、功率信號：若信號能量趨于無窮大，且此積分為大于零的有限值，則為功率信號。注：對于能量信號，可用其頻譜密度函數(shù)及信號的能量譜密度函數(shù)來描述；對于功率信號，常用信號的功率譜來描述功率信號。這是時間信號的另一個重要特征。周期信號時功率信號，非周期信號可以是功率信號，也可以是能量信號。3、巴塞伐爾定理（重要）能量信號周期信號現(xiàn)在是22頁\一共有206頁\編輯于星期日2.2.4波形的互相關(guān)和自相關(guān)（相關(guān)是信號檢測和提取的方法）通常用相關(guān)函數(shù)衡量波形之間關(guān)聯(lián)或相似程度。相關(guān)函數(shù)是描述兩個波形信號（或一個波形信號）在間隔時間的兩點上的信號取值互相依賴程度的函數(shù)，相關(guān)函數(shù)值越大，表明依賴程度越大，相關(guān)性越強。1、互相關(guān)函數(shù)對兩能量信號則對兩功率信號，則對兩周期為T的信號，則現(xiàn)在是23頁\一共有206頁\編輯于星期日2、互相關(guān)函數(shù)的重要特性：①若對所有的t,,則兩個信號為互不相關(guān)②當時，互相關(guān)函數(shù)表達式中與的前后次序不同，結(jié)果不同，即而有③當t=0時，表示在無時差時的相關(guān)性。④（歸一化相關(guān)系數(shù)）3、自相關(guān)函數(shù)（兩信號形式完全相同）4、自相關(guān)函數(shù)的重要特性5、相關(guān)函數(shù)與能量譜密度或功率譜密度之間的確定關(guān)系（維納辛欽關(guān)系）綜上所訴，一個信號的自相關(guān)函數(shù)與其譜密度之間有確定的傅里葉變換關(guān)系。只要變換是存在的，則傅里葉變換的所有運算性質(zhì)都適用于自相關(guān)函數(shù)與譜密度之間?，F(xiàn)在是24頁\一共有206頁\編輯于星期日6、信號帶寬定義的方法①根據(jù)占總能量或總功率的百分數(shù)確定帶寬。②根據(jù)能量譜或功率譜從最大值到下降3dB處所對應(yīng)的頻率間隔定義帶寬。③滿足等式的帶寬稱為等效矩形帶寬現(xiàn)在是25頁\一共有206頁\編輯于星期日2.2.6希爾伯特變換1、希爾伯特變換的定義2、頻域的變換結(jié)論：由和可看出希爾伯特變換等效為一個理想相移器，在域相移，在域相移3、希爾伯特變換的性質(zhì)現(xiàn)在是26頁\一共有206頁\編輯于星期日2.2.7解析信號在通信系統(tǒng)中，常常借助于一種復(fù)信號即解析信號來分析一些頻帶信號（即頻譜集中在某一頻率附近的信號），特別是利用解析信號表示窄帶信號便于對其進行分析。1、解析信號的定義：令有實信號f(t),則稱復(fù)信號為f(t)的解析信號2、解析信號的性質(zhì)3、求出解析信號的方法現(xiàn)在是27頁\一共有206頁\編輯于星期日2.3隨機信號的分析1、概率隨機事件：根據(jù)先前的實驗?zāi)軌虼笾鹿烙嫷绞录欠窨赡馨l(fā)生，卻不能確切預(yù)測什么時候一定發(fā)生，這樣的事件稱為隨機事件。隨機實驗：對隨機事件的觀察概率一個事件的概率是小于或等于1的非負數(shù)⑴對單個實驗的結(jié)果：若包括所有可能發(fā)生的事件，則有⑵幾個實驗同時存在的情況聯(lián)合概率：表示事件A已發(fā)生的條件下，事件B發(fā)生的相對頻率，稱作條件概率現(xiàn)在是28頁\一共有206頁\編輯于星期日2、隨機變量⑴隨機變量的定義：在數(shù)學分析中，將每次實驗的結(jié)果用一個變量來表示，如果變量的取值是隨機的，則這種變量稱為隨機變量。⑵概率分布函數(shù)：⑶概率分布函數(shù)的特性⑷概率密度函數(shù)⑸概率密度函數(shù)的性質(zhì)推廣到二維及多個隨機變量的概率描述聯(lián)合概率密度和邊緣概率密度函數(shù)以及條件概率密度函數(shù)現(xiàn)在是29頁\一共有206頁\編輯于星期日3、隨機變量的數(shù)字特征⑴數(shù)學期望反映了X取值的集中位置?，F(xiàn)在是30頁\一共有206頁\編輯于星期日⑵方差方差表示隨機變量X的取值相對于數(shù)學期望E[X]的離散程度。⑶協(xié)方差：描述X和Y之間相關(guān)性強弱的數(shù)字特征注：獨立一定不相關(guān)，不相關(guān)不一定獨立（高斯過程里兩者等價），正交一定不相關(guān)，不相關(guān)不一定正交現(xiàn)在是31頁\一共有206頁\編輯于星期日2.3.2隨機過程和它的統(tǒng)計特性1、隨機過程的概念現(xiàn)在是32頁\一共有206頁\編輯于星期日2、隨機過程的統(tǒng)計特性⑴隨機過程的數(shù)學期望a(t)反映了隨機過程瞬時值的數(shù)學期望隨時間而變化的規(guī)律，它實際上就是隨機過程各個樣本的統(tǒng)計平均函數(shù)?，F(xiàn)在是33頁\一共有206頁\編輯于星期日⑵方差描述隨機過程X（t）在任意瞬間t偏離其數(shù)學期望的程度⑶隨機過程的自協(xié)方差函數(shù)和相關(guān)函數(shù)現(xiàn)在是34頁\一共有206頁\編輯于星期日2.3.3平穩(wěn)隨機過程1、若則稱X(t)為平穩(wěn)隨機過程此定義為狹義平穩(wěn)隨機過程平穩(wěn)隨機過程的二維概率密度函數(shù)只和時間間隔有關(guān)，而和時間起點無關(guān)即：平穩(wěn)隨機過程的數(shù)字特征滿足上述關(guān)系稱為廣義平穩(wěn)隨機過程。2、平穩(wěn)隨機過程的自相關(guān)函數(shù)描述了平穩(wěn)隨機過程在相距的兩個瞬間的相關(guān)程度現(xiàn)在是35頁\一共有206頁\編輯于星期日3、各態(tài)歷經(jīng)性與時間平均值具有左邊所述性質(zhì)的平穩(wěn)隨機過程稱為具有各態(tài)歷經(jīng)性的隨機過程“各態(tài)歷經(jīng)”的含義是說這種隨機過程的任一樣本函數(shù)都經(jīng)歷了隨機過程所有可能的狀態(tài)。因此，對它的任何一個樣本函數(shù)取時間平均值就相當于同時對所有的樣本函數(shù)取統(tǒng)計平均。滿足上式則該隨機過程就具有各態(tài)歷經(jīng)性。4、平穩(wěn)隨機過程的功率譜密度現(xiàn)在是36頁\一共有206頁\編輯于星期日2.4高斯隨機過程2.4.1高斯隨機過程的定義和性質(zhì)由于高斯噪聲始終存在于任何一種信道之中，因此對它的研究具有特別重要的實際意義。高斯過程又稱為正態(tài)隨機過程所謂高斯過程，是指n維分布都服從高斯分布的隨機過程。注意：高斯過程的重要性質(zhì)2.4.2一維高斯分布若隨機變量X(t)概率密度函數(shù)可表示為：則稱X(t)為服從一維高斯分布的隨機變量?，F(xiàn)在是37頁\一共有206頁\編輯于星期日在通信系統(tǒng)的性能分析中，通常要計算高斯隨機變量X大于某常數(shù)C的概率P(X>C)經(jīng)變量置換后可得注意：Q函數(shù)與誤差函數(shù)間的關(guān)系現(xiàn)在是38頁\一共有206頁\編輯于星期日2.4.3高斯白噪聲白噪聲：若噪聲的功率譜密度在的整個頻率范圍內(nèi)都是均勻分布的就稱為白噪聲。不符合上述條件的噪聲就稱為帶限噪聲或有色噪聲。高斯白噪聲：概率密度函數(shù)服從高斯分布而功率譜密度又是均勻分布的噪聲。在信號的傳輸中，高斯白噪聲與信號是疊加的關(guān)系，所以稱這種噪聲為加性高斯白噪聲?，F(xiàn)在是39頁\一共有206頁\編輯于星期日2.5平穩(wěn)隨機過程通過系統(tǒng)的分析2.5.1平穩(wěn)隨機過程通過線性系統(tǒng)1、輸出隨機過程的數(shù)學期望物理意義：因為平穩(wěn)隨機過程的數(shù)學期望就是該過程的直流分量，當它通過線性系統(tǒng)時，系統(tǒng)輸出的直流分量就等于輸入的直流分量乘以系統(tǒng)的直流增益。2、輸出隨機過程的自相關(guān)函數(shù)當輸入隨機過程是廣義平穩(wěn)時，輸出隨機過程Y(t)也是廣義平穩(wěn)的3、輸出隨機過程的功率譜密度物理意義：輸出隨機過程Y(t)的功率譜密度等于輸入隨機過程的功率譜密度與系統(tǒng)傳遞函數(shù)模值平方的乘積?，F(xiàn)在是40頁\一共有206頁\編輯于星期日2.5.2平穩(wěn)隨機過程通過乘法器Y(t)為非平穩(wěn)隨機過程現(xiàn)在是41頁\一共有206頁\編輯于星期日2.6窄帶隨機過程“窄帶”的含義：頻譜被限制在載波或某中心頻率附近的一個較窄的頻帶上，而這個中心頻率離開零頻率又相當遠。結(jié)論：一個均值為零的窄帶平穩(wěn)高斯過程，它的同相分量和正交分量同樣是平穩(wěn)高斯過程，而且均值為零，方差也相同?，F(xiàn)在是42頁\一共有206頁\編輯于星期日2.7信道2.7.1信道的定義和分類現(xiàn)在是43頁\一共有206頁\編輯于星期日2.7.2信道數(shù)學模型1、調(diào)制信道模型信道的不同特性反映在信道模型上僅為k(t)及n(t)不同而已現(xiàn)在是44頁\一共有206頁\編輯于星期日2、編碼信道模型現(xiàn)在是45頁\一共有206頁\編輯于星期日2.7.3恒參信道和隨參信道1、恒參信道：參數(shù)不隨時間變化而變化的信道，是一個非時變線性網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可用幅度-頻率特性及相位-頻率特性表示。為了改善信道中的傳輸特性，通常通過一個線性補償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦。這一措施通常稱之為均衡。（主要針對幅度-頻率畸變），相位失真也可以用一個線性網(wǎng)絡(luò)進行補償。除此之外非線性畸變一旦發(fā)生，均難以消除。2、隨參信道：參數(shù)隨時間變化而變化的信道。隨參信道的傳輸媒質(zhì)具有的共同特性是：①對信號的衰耗隨時間變化而變化；②傳輸?shù)臅r延隨時間變化而變化；③存在多徑傳播現(xiàn)象。（注意）所謂多徑傳播是指由發(fā)射點發(fā)出去的信號可能經(jīng)過多條路徑到達接收點，由于每條路徑對信號的衰減和時延都是隨機變化的，所以接收信號將是衰減和時延隨時間變化的各路徑信號的合成。現(xiàn)在是46頁\一共有206頁\編輯于星期日左圖是以短波電離層反射為例現(xiàn)在是47頁\一共有206頁\編輯于星期日2.7.4信道容量香農(nóng)公式時信道容量的極限值為：上式說明，即使信道帶寬無限大，信道容量仍然是有限的香農(nóng)公式給出了通信系統(tǒng)所能達到的極限信息傳輸速率。能達到極限信息速率并且差錯率為零的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng)?，F(xiàn)在是48頁\一共有206頁\編輯于星期日作業(yè)：2.4、2.5、2.13現(xiàn)在是49頁\一共有206頁\編輯于星期日3模擬線性調(diào)制調(diào)制是通信原理中一個十分重要的概念，是一種信號處理技術(shù)。無論在模擬通信、數(shù)字通信還是數(shù)據(jù)通信中都扮演著重要角色。那么為什么要對信號進行調(diào)制處理？什么是調(diào)制呢？我們先看看下面的例子。現(xiàn)在是50頁\一共有206頁\編輯于星期日我們知道，通信的目的是為了把信息向遠處傳遞（傳播）,那么在傳播人聲時，我們可以用話筒把人聲變成電信號，通過擴音機放大后再用喇叭（揚聲器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此聲音可以傳得比較遠（見擴音示意圖）。但如果我們還想將聲音再傳得更遠一些，比如幾十千米、幾百千米，那該怎么辦？大家自然會想到用電纜或無線電進行傳輸，但會出現(xiàn)兩個問題，一是鋪設(shè)一條幾十千米甚至上百千米的電纜只傳一路聲音信號，其傳輸成本之高、線路利用率之低，人們是無法接受的；二是利用無線電通信時，需滿足一個基本條件，即欲發(fā)射信號的波長（兩個相鄰波峰或波谷之間的距離）必須能與發(fā)射天線的幾何尺寸可比擬，該信號才能通過天線有效地發(fā)射出去（通常認為天線尺寸應(yīng)大于波長的十分之一）。而音頻信號的頻率范圍是20Hz～20kHz，最小的波長為現(xiàn)在是51頁\一共有206頁\編輯于星期日可見，要將音頻信號直接用天線發(fā)射出去，其天線幾何尺寸即便按波長的百分之一取也要150米高（不包括天線底座或塔座）。因此，要想把音頻信號通過可接受的天線尺寸發(fā)射出去，就需要想辦法提高欲發(fā)射信號的頻率（頻率越高波長越短）?，F(xiàn)在是52頁\一共有206頁\編輯于星期日第一個問題的解決方法是在一個物理信道中對多路信號進行頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplex）；第二個問題的解決方法是把欲發(fā)射的低頻信號“搬”到高頻載波上去（或者說把低頻信號“變”成高頻信號）。兩個方法有一個共同點就是要對信號進行調(diào)制處理。對于調(diào)制，我們給出一個概括性的定義：讓載波的某個參數(shù)（或幾個）隨調(diào)制信號（原始信號）的變化而變化的過程或方式稱為調(diào)制。而載波通常是一種用來搭載原始信號（信息）的高頻信號，它本身不含有任何有用信息。有了調(diào)制的概念，我們就會關(guān)心下一個問題：如何對信號進行調(diào)制呢？在傅里葉變換中我們知道，若一個信號f(t)與一個正弦型信號cosωct相乘，從頻譜上看，相當于把f(t)的頻譜搬移到ωc處。設(shè)f(t)的傅里葉變換（也可稱為頻譜）為F(ω)，則有現(xiàn)在是53頁\一共有206頁\編輯于星期日這稱為調(diào)制定理，是調(diào)制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。式中f(t)稱為調(diào)制信號或基帶信號（原始信號），cosωcf稱為載波，sm(t)稱為已調(diào)信號。通常載波頻率比調(diào)制信號的最高頻率要高得多。比如中波收音機頻段的最低頻率（載波頻率）為535kHz，比音頻最高頻率20kHz高25余倍。注意，所謂正弦型信號是正弦信號（sinωt）和余弦信號（cosωt）的統(tǒng)稱?，F(xiàn)在是54頁\一共有206頁\編輯于星期日3.1雙邊帶調(diào)幅3.1.1常規(guī)調(diào)幅常規(guī)調(diào)幅信號的時域表達式正常調(diào)幅，用包絡(luò)檢波的方法解調(diào)過調(diào)幅，無法用包絡(luò)檢波的方法現(xiàn)在是55頁\一共有206頁\編輯于星期日調(diào)幅信號表達式：是調(diào)幅指數(shù)也稱調(diào)制度。其取值分別對應(yīng)了正常調(diào)幅、滿調(diào)幅、過調(diào)幅這是常規(guī)調(diào)幅信號的重要特征?，F(xiàn)在是56頁\一共有206頁\編輯于星期日常規(guī)調(diào)幅信號的頻域特性常規(guī)調(diào)幅信號的帶寬是基帶信號帶寬的2倍?，F(xiàn)在是57頁\一共有206頁\編輯于星期日常規(guī)調(diào)幅信號的平均功率：由于載波分量不攜帶信息卻占據(jù)了大部分功率，因此造成了常規(guī)調(diào)幅信號的調(diào)制效率很低。現(xiàn)在是58頁\一共有206頁\編輯于星期日3.1.2抑制載波雙邊帶調(diào)幅現(xiàn)在是59頁\一共有206頁\編輯于星期日3.1.3調(diào)制與解調(diào)1、調(diào)制現(xiàn)在是60頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是61頁\一共有206頁\編輯于星期日2、解調(diào)（1）相干解調(diào)相干解調(diào)的關(guān)鍵是必須產(chǎn)生一個同頻同相的載波，如果這個條件得不到保證，將會對原始信號的恢復(fù)產(chǎn)生不利的影響?，F(xiàn)在是62頁\一共有206頁\編輯于星期日（2）非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）現(xiàn)在是63頁\一共有206頁\編輯于星期日3.2單邊帶調(diào)制3.2.1用濾波法形成單邊帶信號現(xiàn)在是64頁\一共有206頁\編輯于星期日3.2.2用相移法形成單邊帶信號3.2.3單邊帶信號的解調(diào)現(xiàn)在是65頁\一共有206頁\編輯于星期日3.3殘留邊帶調(diào)制3.3.1殘留邊帶信號的產(chǎn)生上面說過，低通型調(diào)制信號由于上下邊帶的頻譜靠得很近甚至連在一起，因此用濾波器很難干凈徹底地分離出單邊帶信號，甚至得不到單邊帶信號。而在現(xiàn)實生活中，有很多情況需要傳送低通型調(diào)制信號，比如電視的圖像信號（頻帶為0～6MHz）。那么如何解決SSB中濾波器的難度問題和DSB的頻帶利用率低的矛盾呢？人們想了一個折衷的方法，既不用DSB那么寬的頻帶，也不用SSB那么窄的頻帶傳輸調(diào)制信號，而在它們之間取一個中間值，使得傳輸頻帶既包含一個完整的邊帶（上邊帶或下邊帶）,又有另一個邊帶的一部分，從而形成一種新的調(diào)制方法——殘留邊帶調(diào)制。殘留邊帶調(diào)制在原理上可以采用移相法或濾波法，通常多采用濾波法?，F(xiàn)在是66頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是67頁\一共有206頁\編輯于星期日3.3.2殘留邊帶信號的解調(diào)從上圖可看出VSB和SSB在原理上差不多。但為了接收端能夠無失真地恢復(fù)出調(diào)制信號，對殘留邊帶濾波器有一個要求，即殘留邊帶濾波器的傳輸函數(shù)在載頻附近必須具有互補對稱特性?，F(xiàn)在是68頁\一共有206頁\編輯于星期日設(shè)低通濾波器的輸出（解調(diào)信號）為，如果能選擇合適截止頻率的低通濾波器將上式中第二個中括號項濾除掉，則有可見，要想使解調(diào)信號無失真地重現(xiàn)調(diào)制信號，就需要與F(ω)成比例，即要求現(xiàn)在是69頁\一共有206頁\編輯于星期日以低通濾波器為例圖解了上式的幾何意義。也就是說，在HVSB(ω+ωc)與HVSB(ω-ωc)的交界處,兩個曲線互補，使得曲線在交界處為水平直線。圖中是一個傳輸函數(shù)過渡帶的上半部分和另一個傳輸函數(shù)過渡帶的下半部分互補，實際上也就是一個傳輸函數(shù)過渡帶的上、下部分互補對稱。濾波器衰減特性又稱滾降特性，衰減特性的曲線形狀又稱滾降形狀。滿足互補對稱特性的滾降形狀常用的有：直線滾降和余弦滾降?，F(xiàn)在是70頁\一共有206頁\編輯于星期日3.4線性調(diào)制和解調(diào)的一般模型3.4.1線性調(diào)制信號產(chǎn)生的一般模型現(xiàn)在是71頁\一共有206頁\編輯于星期日3.4.2線性調(diào)制信號解調(diào)的一般模型插入載波的包絡(luò)解調(diào)法現(xiàn)在是72頁\一共有206頁\編輯于星期日3.5線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能3.5.1通信系統(tǒng)抗噪聲性能的分析模型噪聲只對已調(diào)信號的接收產(chǎn)生影響，通信系統(tǒng)的抗噪聲性能可以用解調(diào)器的抗噪聲性能來衡量噪聲分類乘性加性脈沖干擾起伏干擾來源于閃電各種工業(yè)火花電器開關(guān)來源于電阻熱噪聲天體輻射電子運動現(xiàn)在是73頁\一共有206頁\編輯于星期日為了使已調(diào)信號能無失真地進入解調(diào)器，而同時又最大限度地抑制噪聲，帶寬B應(yīng)等于已調(diào)信號的頻帶寬度。模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能評估指標信噪比增益：對通信系統(tǒng)來說，影響輸出信噪比的因素是調(diào)制方式和解調(diào)方式。在調(diào)制信號帶寬、已調(diào)信號功率和信道條件都相同的條件下，輸出信噪比反映了通信系統(tǒng)的抗噪聲性能。但進行比較時必須在相同的輸入功率條件下?，F(xiàn)在是74頁\一共有206頁\編輯于星期日3.5.2線性調(diào)制相干解調(diào)的抗噪聲性能1、雙邊帶調(diào)制相干解調(diào)解調(diào)輸出2、單邊帶調(diào)制相干解調(diào)解調(diào)輸出結(jié)論：DSB和SSB的抗噪聲性能是相同的，但DSB的傳輸帶寬是單邊帶的2倍?，F(xiàn)在是75頁\一共有206頁\編輯于星期日3.5.3常規(guī)調(diào)幅包絡(luò)檢波的抗噪聲性能由于常規(guī)條幅的包絡(luò)輸出與信號和噪聲之間存在非線性關(guān)系，信號和噪聲無法完全分開，因此計算信噪比時分兩種特殊情況：（1）大信噪比情況（指輸入信號幅度遠大于噪聲幅度）上式說明，常規(guī)調(diào)幅信號的信噪比增益與信號中直流分量有關(guān)。對于正常的調(diào)幅信號，此增益總是小于1.說明解調(diào)對輸入信噪比沒有改善，而是惡化了。（2）小信噪比情況這種情況下，無法通過包絡(luò)檢波器恢復(fù)出原來的調(diào)制信號，因為調(diào)制信號已被噪聲所擾亂?，F(xiàn)在是76頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是77頁\一共有206頁\編輯于星期日4模擬角調(diào)制角調(diào)制與線性調(diào)制不同，角調(diào)制中的已調(diào)信號的頻譜與調(diào)制信號的頻譜之間不存在線性對應(yīng)關(guān)系，而是產(chǎn)生出與頻譜搬移不同的新的頻率分量，因而呈現(xiàn)出非線性的特性，故稱為非線性調(diào)制。角調(diào)制可分為調(diào)頻（FM）和相位調(diào)制(PM)，鑒于頻率調(diào)制和相位調(diào)制之間存在的內(nèi)在關(guān)系，在實際應(yīng)用中廣泛應(yīng)用頻率調(diào)制。4.1角調(diào)制的基本概念角度調(diào)制信號：瞬時頻率：瞬時相位：現(xiàn)在是78頁\一共有206頁\編輯于星期日相位調(diào)制：當幅度A和角頻率保持不變，而瞬時相位偏移是調(diào)制信號的線性函數(shù)時，這種調(diào)制方式稱為相位調(diào)制。此時瞬時相位偏移為：稱為相移常數(shù)，代表調(diào)相器的靈敏度，單位rad/V，其含義是調(diào)制信號單位幅度引起調(diào)相信號的相位偏移量。頻率調(diào)制：如果載波的瞬時角頻率偏移是調(diào)制信號的線性函數(shù)，則這種調(diào)制方式稱為頻率調(diào)制。為頻偏常數(shù)，代表調(diào)頻器的靈敏度，單位為rad/(V.s),其含義是調(diào)制信號單位幅度引起調(diào)頻信號的角頻率偏移量?，F(xiàn)在是79頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是80頁\一共有206頁\編輯于星期日間接調(diào)相與間接調(diào)頻現(xiàn)在是81頁\一共有206頁\編輯于星期日4.2窄帶角調(diào)制4.2.1窄帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻信號的頻域表達式注意區(qū)分窄帶調(diào)頻和常規(guī)調(diào)幅信號的相同與不同處?，F(xiàn)在是82頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是83頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是84頁\一共有206頁\編輯于星期日4.3寬帶調(diào)頻此種調(diào)頻由于調(diào)制信號對載波進行頻率調(diào)制將產(chǎn)生較大的頻偏，所以已調(diào)信號在傳輸時要占用較寬的頻帶，這就形成了寬帶調(diào)頻信號。4.3.1單頻信號的寬帶調(diào)頻利用貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)可得：結(jié)論：調(diào)制信號雖是單頻的，但已調(diào)信號的頻譜中含有無窮多個頻率分量。調(diào)頻信號的頻譜不再是調(diào)制信號頻譜的線性搬移，這就說明了頻率調(diào)制的非線性性質(zhì)?，F(xiàn)在是85頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是86頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是87頁\一共有206頁\編輯于星期日1、調(diào)頻信號的帶寬單頻寬帶調(diào)頻的頻譜包含有載波、各次邊帶諧波及各種交叉調(diào)制諧波，它形成一個無限寬的頻譜結(jié)構(gòu)且頻譜對稱分布于載頻兩側(cè)；盡管寬帶調(diào)頻信號的頻譜為無限寬，但其頻譜的主要成分集中于載頻附近的有限帶寬內(nèi)。所以，單頻寬帶調(diào)頻同樣具有有限的帶寬，計算公式為上式說明調(diào)頻信號的帶寬取決于最大頻偏和調(diào)制信號的頻率，稱為卡森公式2、調(diào)頻信號的功率分配對于調(diào)頻信號來說，已調(diào)信號和未調(diào)制載波的幅度是相同的，所以已調(diào)信號的總功率等于未調(diào)制載波的功率，其總功率與調(diào)制過程及調(diào)頻指數(shù)無關(guān)。調(diào)頻信號的功率分布與調(diào)頻指數(shù)有關(guān)。而調(diào)頻指數(shù)的大小與調(diào)制信號的幅度及頻率有關(guān)，這說明調(diào)制信號不提供功率，但它可以控制功率的分布?，F(xiàn)在是88頁\一共有206頁\編輯于星期日4.4寬帶調(diào)相與寬帶調(diào)頻相比，調(diào)相信號的頻譜僅在于各變頻分量的相移不同，所以調(diào)相信號的頻帶寬度也可用卡森公式。但調(diào)相信號的帶寬隨調(diào)制信號頻率的變化而變化，這對于充分利用傳輸信道的頻帶是很不利的?，F(xiàn)在是89頁\一共有206頁\編輯于星期日4.5調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)1、產(chǎn)生調(diào)頻信號一般有兩種方法，一種是直接調(diào)頻法，另一種是間接調(diào)頻法。直接調(diào)頻法是利用壓控振蕩器(VCO，VoltageControlledOscillator）作為調(diào)制器，調(diào)制信號直接作用于壓控振蕩器使其輸出頻率隨調(diào)制信號變化而變化的等幅振蕩信號，即調(diào)頻信號。直接調(diào)頻法的優(yōu)點是容易實現(xiàn)，且可以得到很大的頻偏。但這種方法產(chǎn)生的載頻會發(fā)生漂移，因此還需要附加穩(wěn)頻電路。現(xiàn)在是90頁\一共有206頁\編輯于星期日2、倍頻法倍頻法指的是先產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號，然后用倍頻和混頻的方法變換為寬帶調(diào)頻信號。使用倍頻法提高了調(diào)頻指數(shù)，但也提高了載波頻率，這有可能使載頻過高而不符合要求，且頻率過高也給電路技術(shù)提出了較高要求。為了解決這個矛盾，往往在使用倍頻器的同時使用混頻器，用以控制載波的頻率?，F(xiàn)在是91頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是92頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是93頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是94頁\一共有206頁\編輯于星期日4.5.2調(diào)頻信號的解調(diào)1、非相干解調(diào)現(xiàn)在是95頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是96頁\一共有206頁\編輯于星期日調(diào)頻信號的相干解調(diào)現(xiàn)在是97頁\一共有206頁\編輯于星期日4.6調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能4.6.1非相干解調(diào)的抗噪聲性能現(xiàn)在是98頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是99頁\一共有206頁\編輯于星期日對于單頻調(diào)制說明，在大信噪比時寬帶調(diào)頻的信噪比增益是很高的。寬帶調(diào)頻信號的抗噪聲性能明顯優(yōu)于常規(guī)調(diào)幅信號，這一優(yōu)越性是用增加傳輸頻率獲得的。這意味著對于調(diào)頻系統(tǒng)，增加傳輸帶寬可以改善輸出信噪比，即改善抗噪聲性能。這種以帶寬換取信噪比的特性是非常重要的。而線性調(diào)制系統(tǒng)的帶寬是固定的，無法進行帶寬與信噪比的互換。這也正是在抗噪聲性能方面調(diào)頻系統(tǒng)優(yōu)于線性調(diào)制系統(tǒng)的重要原因?，F(xiàn)在是100頁\一共有206頁\編輯于星期日4.6.2調(diào)頻系統(tǒng)中的門限效應(yīng)現(xiàn)在是101頁\一共有206頁\編輯于星期日4.6.3相干解調(diào)的抗噪聲性能窄帶調(diào)頻相干解調(diào)與寬帶調(diào)頻非相干解調(diào)相比，其信噪比增益很低，但采用相干解調(diào)時不存在門限效應(yīng)?，F(xiàn)在是102頁\一共有206頁\編輯于星期日4.7采用預(yù)加重和去加重改善信噪比在調(diào)頻廣播中所傳送的語音和音樂信號大部分能量集中在低頻端，噪聲功率譜密度與頻率成正比，因而在信號功率譜密度最小的頻率范圍內(nèi)噪聲功率密度卻很大，這對解調(diào)顯然是不利的。如果在發(fā)送端調(diào)制之前，提升輸入信號的高頻分量，而在接收端解調(diào)之后做反變換，壓低高頻分量，使信號頻譜恢復(fù)原始形狀，就能減小在提升信號高頻分量后所引入的噪聲功率。也即在發(fā)送和接收端分別加入預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)和去加重網(wǎng)絡(luò)。預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)---高通濾波器現(xiàn)在是103頁\一共有206頁\編輯于星期日去加重網(wǎng)絡(luò)---低通濾波器例子：調(diào)頻廣播，fm=15kHz，f1=2.1kHz，采用加重和去加重的信噪比改善約為13dB。衰減因子調(diào)頻廣播，fm=15kHz，f1=2.1kHz，K為-7dB。采用加重和去加重得到的實際信噪比改善約為6dB?，F(xiàn)在是104頁\一共有206頁\編輯于星期日4.8頻分復(fù)用頻分復(fù)用是按頻率分割多路信號的方法，即將信道的可用頻帶分成若干互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其中的一個頻段。在接收端用適當?shù)臑V波器將多路信號分開，分別進行解調(diào)和終端處理。4.8.1頻分復(fù)用原理頻分復(fù)用示意圖現(xiàn)在是105頁\一共有206頁\編輯于星期日頻分復(fù)用頻譜示意圖現(xiàn)在是106頁\一共有206頁\編輯于星期日我們生活中最熟悉的頻分復(fù)用實例是無線電廣播。普通中波段收音機的接收頻段是535～1605kHz，該頻段可以看成是一個物理傳輸信道。各地廣播電臺將各自的廣播節(jié)目（音頻信號）以AM方式調(diào)制到不同頻率的載波（頻分復(fù)用）上，發(fā)射出去供聽眾接收。聽眾通過旋轉(zhuǎn)調(diào)臺旋鈕（或電子調(diào)臺按鈕）改變收音機內(nèi)的帶通濾波器的中心頻率，使得濾波曲線在535～1605kHz范圍內(nèi)來回移動，當帶通濾波器的中心頻率與聽眾欲接收的廣播節(jié)目的載頻相同時，就可將該節(jié)目信號選擇出來，再通過電壓放大、解調(diào)、功率放大等處理就可還原成音頻信號由揚聲器（喇叭）播放出來。另一個典型實例是有線電視系統(tǒng)（CATV），有線電視臺將多套電視節(jié)目頻分復(fù)用在一條同軸電纜上傳送（目前部分主干線采用光纖傳輸）給用戶，用戶利用遙控器就可通過電視機內(nèi)部的調(diào)諧電路（與收音機類似）選出所喜愛的節(jié)目?，F(xiàn)在是107頁\一共有206頁\編輯于星期日4.9模擬通信系統(tǒng)的應(yīng)用舉例4.9.1載波電話系統(tǒng)現(xiàn)在是108頁\一共有206頁\編輯于星期日4.9.2調(diào)幅和調(diào)頻廣播調(diào)幅廣播是一種常見的模擬通信應(yīng)用，采用的是常規(guī)調(diào)幅方式。使用的波段有兩個，535kHz~1605kHz的中波段和3.9MHz~18MHz的短波段。中波段波長較長，易于沿著地表傳播，稱為地波傳播方式，一般用于地區(qū)性廣播。而短波段則是通過大氣中的電離層反射直線傳播，稱為天波傳播，因此其傳輸距離可達數(shù)千千米。調(diào)幅廣播中，調(diào)制信號f(t)的最高頻率fm=4.5kHz,故其調(diào)制信號帶寬為9kHz.現(xiàn)在是109頁\一共有206頁\編輯于星期日調(diào)頻廣播現(xiàn)在是110頁\一共有206頁\編輯于星期日4.9.6通信衛(wèi)星的頻分多址方式多路復(fù)用是指在同一信道上傳輸多路信號的技術(shù)，通常在中頻或基帶實現(xiàn)。多址通信是指處于不同地址的多個用戶共享信道資源，實現(xiàn)各用戶之間相互通信的方式，通常在射頻實現(xiàn)?，F(xiàn)在是111頁\一共有206頁\編輯于星期日5模擬信號的波形編碼現(xiàn)在是112頁\一共有206頁\編輯于星期日5.1脈沖編碼調(diào)制5.1.1脈沖編碼調(diào)制的基本原理脈沖編碼調(diào)制的概念是1937年，由法國工程師AlecReeres最早出來的。1946年美國Bell實驗室實現(xiàn)了第一臺PCM數(shù)字電話終端機；1962年，晶體管PCM終端機大量應(yīng)用于市話網(wǎng)中局間中繼線，使市話電纜傳輸電話路數(shù)擴大24－30倍；70年代后期，超大規(guī)模集成電路的PCM編、解碼器的出現(xiàn)，使光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信獲得了更廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在是113頁\一共有206頁\編輯于星期日PCM包括：抽樣、量化、編碼三個過程抽樣：時間離散化量化：幅度離散化編碼：轉(zhuǎn)換為二進制碼現(xiàn)在是114頁\一共有206頁\編輯于星期日5.1.2抽樣將時間上連續(xù)的模擬信號變?yōu)闀r間上離散樣值的過程稱為抽樣。1、低通抽樣定理信號：最高頻率，限帶(0，)描述無失真恢復(fù)條件：滿足Nyquist抽樣定理抽樣脈沖信號：時域抽樣信號現(xiàn)在是115頁\一共有206頁\編輯于星期日頻域信號恢復(fù)：內(nèi)插(理想低通濾波)理想低通濾波器重建信號：核函數(shù)現(xiàn)在是116頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是117頁\一共有206頁\編輯于星期日2、帶通抽樣定理抽樣率：0

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1，fs：在2B~4B之間變化，常用4倍采樣?，F(xiàn)在是118頁\一共有206頁\編輯于星期日3、自然抽樣抽樣脈沖：傅立葉展開抽樣信號抽樣信號頻譜現(xiàn)在是119頁\一共有206頁\編輯于星期日4、實際抽樣---平頂抽樣時域表達頻域表達現(xiàn)在是120頁\一共有206頁\編輯于星期日5.1.3量化對幅度進行離散化處理的過程稱為量化，實現(xiàn)量化的器件稱為量化器?，F(xiàn)在是121頁\一共有206頁\編輯于星期日中升型中平型均勻量化現(xiàn)在是122頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是123頁\一共有206頁\編輯于星期日量化誤差和量化噪聲量化誤差定義量化噪聲：量化均方誤差q的規(guī)律由x的取值規(guī)律決定。對于確定信號q是一個確定性函數(shù)。反之為隨機變量。增加量化位數(shù)能夠把噪聲降到無法察覺的程度?，F(xiàn)在是124頁\一共有206頁\編輯于星期日5.1.4均勻量化和線性PCM編碼在量化范圍內(nèi)，量化誤差的絕對值現(xiàn)在是125頁\一共有206頁\編輯于星期日線性PCM編碼信號：對均勻量化的量化間隔或量化電平用n位碼表示，得到的數(shù)字編碼信號。均勻量化條件下，不過載噪聲的功率為：從上式可知均勻量化不過載量化噪聲功率與信號的統(tǒng)計特性無關(guān)，而只與量化間隔有關(guān)?，F(xiàn)在是126頁\一共有206頁\編輯于星期日量化信噪比1、正弦信號令歸一化有效值,其物理意義是信號有效值與量化器最大量化電平之比。滿載正弦波的SNR為正弦波所能得到的最大信噪比現(xiàn)在是127頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是128頁\一共有206頁\編輯于星期日2、語音信號語音信號幅度的概率密度可近似地用拉普拉斯分布來表示：現(xiàn)在是129頁\一共有206頁\編輯于星期日總量化噪聲平均功率為：當D<0.2時，不過載量化噪聲功率是主要的；當信號的有效值很大時，過載噪聲功率是主要?，F(xiàn)在是130頁\一共有206頁\編輯于星期日在數(shù)字通信中，使用均勻量化的不足：1、電話信號的動態(tài)范圍很大。2、人們對電話信號要求的信噪比值應(yīng)大于25dB。這樣往往導(dǎo)致編碼位數(shù)多。3、語音信號取小信號的概率大，而在均勻量化時小信號的信噪比明線低于打信號。基于上述原因擬采用非均勻量化?，F(xiàn)在是131頁\一共有206頁\編輯于星期日5.1.6對數(shù)量化及其折線近似1、A律對數(shù)壓縮特性X為信號的歸一化值，A為壓縮系數(shù)，A=1時無壓縮，A愈大壓縮效果愈明顯?，F(xiàn)在是132頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是133頁\一共有206頁\編輯于星期日對數(shù)壓縮特性的折線近似思想：采用折線法逼近A律。壓縮特性采用13折線近似。除第1段和第2段以外，組成折線的各線段斜率逐段遞減1/2，相應(yīng)的信噪比改善值逐段下降6dB。由此可看出A律量化對小信號的信噪比有很大改善?，F(xiàn)在是134頁\一共有206頁\編輯于星期日5.1.7A律PCM編碼原理PCM編碼采用折疊碼現(xiàn)在是135頁\一共有206頁\編輯于星期日2、A律PCM編碼規(guī)則將歸一化值1分成4096份，每份對應(yīng)的電平稱歸一化電平。為使編碼造成的量化誤差小于量化間隔的一般，在解碼時要加上該層量化間隔的一半，即解碼輸出為：現(xiàn)在是136頁\一共有206頁\編輯于星期日3、PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能分析影響PCM系統(tǒng)性能的噪聲有兩種，即傳輸中引入的信道噪聲和量化中引入的量化噪聲。兩者是統(tǒng)計獨立的。PCM系統(tǒng)的總信噪比定義為：分析思路：首先分別考慮信道噪聲和量化噪聲的影響，再分析它們共同存在時系統(tǒng)的性能。平均誤碼噪聲功率：均勻量化器不過載時量化噪聲功率：小信噪比條件：大信噪比條件：現(xiàn)在是137頁\一共有206頁\編輯于星期日5.1.8PCM信號的碼元速率和帶寬抽樣周期每個二進制碼元的寬度即碼元周期：二進制PCM編碼信號的碼元速率為：PCM信號的第一零點帶寬為：現(xiàn)在是138頁\一共有206頁\編輯于星期日5.2差分脈碼調(diào)制由于PCM信號占用頻帶較模擬話路信號要寬很多，因此需要一種在相同質(zhì)量指標下數(shù)碼率較低的語音壓縮編碼技術(shù)。通常把數(shù)碼率低于64kbit/s的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術(shù)。其中自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM）是語音壓縮中復(fù)雜度較低的一種編碼方法。其數(shù)碼率為32kbit/s。近年來已作為長途傳輸中一種新型的國際通用的語音編碼方法。ADPCM是在差分脈碼調(diào)制（DPCM）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。DPCM的原理是基于模擬信號的相關(guān)性。差分脈碼調(diào)制就是利用樣值之間的關(guān)聯(lián)進行高效率波形編碼的一種典型方法。這種DPCM系統(tǒng)中，總量化誤差只和差值信號的量化誤差有關(guān)?，F(xiàn)在是139頁\一共有206頁\編輯于星期日對DPCM系統(tǒng)的研究就是圍繞著如何使和這兩個參數(shù)取最大值而逐步完善起來的。由于語音信號在較大的動態(tài)范圍內(nèi)變化，所以只有采用自適應(yīng)系統(tǒng)，才能得到最佳的性能。有自適應(yīng)系統(tǒng)的DPCM稱為自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制，記作ADPCM。自適應(yīng)可包括自適應(yīng)預(yù)測或自適應(yīng)量化，也可以兩者均包括?，F(xiàn)在是140頁\一共有206頁\編輯于星期日5.3增量調(diào)制5.3.1簡單增量調(diào)制思想：仍然利用樣值之間的關(guān)聯(lián)程度，使用一位編碼表示抽樣時刻波形的變化趨勢?，F(xiàn)在是141頁\一共有206頁\編輯于星期日當x(t)變化的斜率太大時，預(yù)測信號將跟不上信號的變化，使差值信號e(t)明線增大，這種現(xiàn)象稱為斜率過載現(xiàn)象。為避免應(yīng)滿足：現(xiàn)在是142頁\一共有206頁\編輯于星期日經(jīng)過計算可知增量調(diào)制系統(tǒng)的量化信噪比為：現(xiàn)在是143頁\一共有206頁\編輯于星期日5.4時分復(fù)用5.4.1時分復(fù)用原理注意區(qū)分TDM和FDM現(xiàn)在是144頁\一共有206頁\編輯于星期日5.4.2數(shù)字復(fù)接系列采用TDM制的PCM數(shù)字電話系統(tǒng)，在國際上已逐步建立起標準，稱為數(shù)字復(fù)接系列，記作DH?，F(xiàn)在是145頁\一共有206頁\編輯于星期日A律PCM基群也稱為30/32路系統(tǒng)現(xiàn)在是146頁\一共有206頁\編輯于星期日當比特率更高時，需要采用同步數(shù)字序列，即SDH?，F(xiàn)在是147頁\一共有206頁\編輯于星期日6數(shù)字信號的基帶傳輸現(xiàn)在是148頁\一共有206頁\編輯于星期日6.1數(shù)字基帶信號的碼型數(shù)字信息在一般情況下可以表示為一個數(shù)字序列：簡記為是數(shù)字序列的基本單元，稱為碼元。6.1.1數(shù)字基帶信號的碼型設(shè)計原則數(shù)字基帶信號是數(shù)字信息的電脈沖表示，電脈沖的形式稱為碼型。通常把數(shù)字信息的電脈沖表示過程稱為碼型編碼或碼型變換，在有線信道中傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號又稱為線路傳輸碼型。由碼型還原為數(shù)字信息稱為碼型譯碼。碼型選擇原則：1、對于傳輸頻帶低端受限的信道，線路傳輸碼型的頻譜中應(yīng)不含有直流分量。2、信號的抗噪聲能力強。3、便于從信號中提取定時信息。4、盡量減少基帶信號頻譜中的高頻分量，以節(jié)省傳輸頻帶并減小串擾。5、編譯碼的設(shè)備應(yīng)盡量簡單。現(xiàn)在是149頁\一共有206頁\編輯于星期日6.1.2二元碼NRZ碼RZ碼單極性歸零碼可以直接提取位定時信號，是其他碼型提取位定時信號時需要采用的一種過渡碼型?，F(xiàn)在是150頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是151頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是152頁\一共有206頁\編輯于星期日6.1.3三元碼三元碼指的是用信號幅度的三種取值表示二進制碼，三種幅度的取值為：+A,0，-A,或記作+1,0，-1.這種表示方法通常不是由二進制到三進制的轉(zhuǎn)換，而是某種特定取代關(guān)系，所以三元碼又稱為準三元碼或偽三元碼。三元碼被廣泛地用做脈沖編碼調(diào)制的線路傳輸碼型。1、傳號交替反轉(zhuǎn)碼（AMI碼）2、n階高密度雙極性碼是AMI碼的一種改進型。這種碼型也無直流分量?，F(xiàn)在是153頁\一共有206頁\編輯于星期日6.2數(shù)字基帶信號的功率譜在實際通信中，被傳送的信息是收信者事先未知的，因此數(shù)字基帶信號是隨機的脈沖序列。由于隨機信號不能用確定的時間函數(shù)表示，也就沒有確定的頻譜函數(shù)，所以只能用功率譜來描述它的頻域特性。一種比較簡單的方法是從隨機過程功率譜的原始定義出發(fā)，求出簡單碼型的功率譜公式?，F(xiàn)在是154頁\一共有206頁\編輯于星期日隨機過程表示為：現(xiàn)在是155頁\一共有206頁\編輯于星期日則：由此可知，二進制隨機脈沖序列的功率譜可能包含連續(xù)譜和離散譜兩部分。離散譜是否存在又是至關(guān)重要的，因為它關(guān)系著是否能從脈沖序列中直接提取位定時信號。如果做不到這一點，則要設(shè)法變換基帶信號的波形，以利于位定時信號的提取?，F(xiàn)在是156頁\一共有206頁\編輯于星期日6.3無碼間串擾的傳輸波形由于實際的信道頻帶寬度受限，導(dǎo)致前后碼元的波形產(chǎn)生畸變和展寬。進而造成碼元之間的相互干擾，稱為碼間串擾。現(xiàn)在是157頁\一共有206頁\編輯于星期日6.3.1無碼間串擾的傳輸條件在數(shù)字信號的傳輸中，碼元波形是按一定間隔發(fā)送的，其信息攜帶在幅度上。接收端經(jīng)抽樣判決如能準確地恢復(fù)出幅度信息，原始信碼就能無誤地得到傳送。為此，只需要研究特定時刻的樣值無串擾，而波形是否在時間上延伸是無關(guān)緊要的。因此抽樣判決又稱再生判決。抽樣值無串擾的充要條件是：僅在本碼元的抽樣時刻上有最大值，而對其他碼元的抽樣時刻信號值無影響，即在抽樣點上不存在碼間串擾。無碼間串擾的時域條件現(xiàn)在是158頁\一共有206頁\編輯于星期日滿足無碼間串擾的頻域條件：又稱為奈奎斯特第一準則。現(xiàn)在是159頁\一共有206頁\編輯于星期日6.3.2無碼間串擾的傳輸波形1、理想低通信號這種傳輸條件實際上不可能達到。但它給出了基帶傳輸系統(tǒng)傳輸能力的極限值。奈奎斯特帶寬?，F(xiàn)在是160頁\一共有206頁\編輯于星期日2、升余弦滾降信號現(xiàn)在是161頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是162頁\一共有206頁\編輯于星期日6.4部分響應(yīng)基帶傳輸系統(tǒng)奈奎斯特第二準則指出，利用認為的、有規(guī)律的串擾可達到壓縮傳輸頻帶的目的。這種系統(tǒng)通常稱為部分響應(yīng)基帶傳輸系統(tǒng)。6.4.1第I類部分響應(yīng)波形對相鄰碼元的取樣時刻產(chǎn)生同極性串擾的波形，稱為第I類部分響應(yīng)波形。現(xiàn)在是163頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是164頁\一共有206頁\編輯于星期日利用p(t)作為傳輸信號的波形，在抽樣時刻上，發(fā)送碼元的樣值將受到前一個發(fā)送碼元的串擾，而對其他碼元不會產(chǎn)生串擾。P(t)的形成過程可分為兩步，首先形成相鄰碼元的串擾，然后再經(jīng)過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)形成所需的波形?，F(xiàn)在是165頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是166頁\一共有206頁\編輯于星期日接收端：現(xiàn)在是167頁\一共有206頁\編輯于星期日為解決差錯擴散問題，可在發(fā)送端相關(guān)編碼之前進行預(yù)編碼。現(xiàn)在是168頁\一共有206頁\編輯于星期日現(xiàn)在是169頁\一共有206頁\編輯于星期日6.5數(shù)字信號基帶傳輸?shù)牟铄e率本節(jié)討論在無碼間串擾的情況下信道噪聲對基帶系統(tǒng)性能的影響。假設(shè)信道噪聲是均值為0的加性高斯白噪聲。6.5.1