傅立葉變換在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

傅立葉變換在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用第1頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)﨔T卷積定理有：一、傅里葉變換形式的系統(tǒng)函數(shù)H(jw)§5.1引言系統(tǒng)的響應(yīng)：第2頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性區(qū)分：時(shí)域系統(tǒng)函數(shù)h(t)

頻域系統(tǒng)函數(shù)H(jw)

復(fù)頻域系統(tǒng)函數(shù)H(s)第3頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二、系統(tǒng)函數(shù)的物理意義系統(tǒng)可以看作是一個(gè)信號處理器激勵(lì)：E(j)響應(yīng)：H(j)·E(j)對信號各頻率分量進(jìn)行加權(quán)系統(tǒng)對信號起濾波的作用，因此又叫濾波器。第4頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月三、利用系統(tǒng)函數(shù)

H(j)求響應(yīng)例5-1-1響應(yīng)第5頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月例5-1-2分析：傅氏分析法激勵(lì)：E(j)

響應(yīng)：()()()wwwjjj=EHR()wj=ssH()wjH=系統(tǒng)：第6頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月解:第7頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月求v2(t)波形及頻譜圖傅氏分析法第8頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月波形及頻譜圖低通濾波器濾波第9頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2無失真?zhèn)鬏斒д鏌o失真?zhèn)鬏敆l件第10頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月一．失真信號經(jīng)系統(tǒng)傳輸，要受到系統(tǒng)函數(shù)的加權(quán)，若輸出波形發(fā)生了變化，與輸入波形不同，則產(chǎn)生失真。二．無失真?zhèn)鬏?、幅度可以比例增加2、可以有時(shí)移波形形狀不變第11頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月●線性系統(tǒng)的失真——幅度，相位變化，不產(chǎn)生新的頻率成分；●非線性系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真——產(chǎn)生新的頻率成分。

對系統(tǒng)的不同用途有不同的要求：●無失真?zhèn)鬏敚弧窭檬д娌ㄐ巫儞Q。線性系統(tǒng)引起信號失真的因素●幅度失真：各頻率分量幅度產(chǎn)生不同程度的衰減；●相位失真：各頻率分量產(chǎn)生的相移不與頻率成正比，使響應(yīng)的各頻率分量在時(shí)間軸上的相對位置產(chǎn)生變化。說明：第12頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二．無失真?zhèn)鬏敆l件頻域描述第13頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的時(shí)、頻域條件●要求幅度為與頻率無關(guān)的常數(shù)K，系統(tǒng)的通頻帶為無限寬?！裣辔惶匦耘c成正比，是一條過原點(diǎn)的負(fù)斜率直線。第14頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月相位特性為什么與頻率成正比關(guān)系？只有相位與頻率成正比，方能保證各諧波有相同的延遲時(shí)間，在延遲后各次諧波疊加方能不失真。延遲時(shí)間t0

是相位特性的斜率：群時(shí)延（色散）或稱群延時(shí)只有當(dāng)系統(tǒng)的群時(shí)延特性為常數(shù)時(shí)，才能使得信號傳輸時(shí)不產(chǎn)生相位失真。見書P271圖5-5第15頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月三．利用失真——波形形成第16頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2小結(jié)系統(tǒng)的無失真?zhèn)鬏敆l件第17頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.4理想低通濾波器理想低通的頻率特性理想低通的沖激響應(yīng)理想低通的階躍響應(yīng)理想低通對矩形脈沖的響應(yīng)第18頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月一．理想低通濾波器的頻率特性●的低頻段內(nèi)，傳輸信號無失真()?！駷榻刂诡l率，稱為理想低通濾波器的頻帶寬度，簡稱頻帶。

即第19頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二．理想低通的沖激響應(yīng)第20頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月理想低通的沖激響應(yīng)波形（1）當(dāng)經(jīng)過理想低通時(shí)，以上的頻率成分都衰減為0，所以失真,信號有時(shí)移。系統(tǒng)為全通網(wǎng)絡(luò)，可以無失真?zhèn)鬏敗＃?）理想低通濾波器是個(gè)物理不可實(shí)現(xiàn)的非因果系統(tǒng)第21頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)理想低通濾波器的沖激響應(yīng)與帶寬的關(guān)系第22頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月三．理想低通的階躍響應(yīng)激勵(lì)系統(tǒng)響應(yīng)第23頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月1.下限為0；2.奇偶性：奇函數(shù)。正弦積分3.最大值出現(xiàn)在最小值出現(xiàn)在

第24頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月理想低通的階躍響應(yīng)第25頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月2．階躍響應(yīng)的上升時(shí)間tr

與網(wǎng)絡(luò)的截止頻率B（帶寬）成反比。

B是將角頻率折合為頻率的濾波器帶寬（截止頻率）。討論1．上升時(shí)間：輸出由最小值到最大值所經(jīng)歷的時(shí)間，：

第26頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月四．理想低通對矩形脈沖的響應(yīng)第27頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月吉伯斯現(xiàn)象：跳變點(diǎn)有9%的上沖。改變其他的“窗函數(shù)”有可能消除上沖。（例如：升余弦類型）21．時(shí)，才有如圖示，近似矩形脈沖的響應(yīng)。如果過窄或過小，則響應(yīng)波形上升與下降時(shí)間連在一起完全失去了激勵(lì)信號的脈沖形象。討論第28頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.5系統(tǒng)的物理可實(shí)現(xiàn)性、

佩利－維納準(zhǔn)則一種可實(shí)現(xiàn)的低通佩利－維納準(zhǔn)則第29頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月理想低通濾波器在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的，近似理想低通濾波器的實(shí)例一．一種可實(shí)現(xiàn)的低通第30頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二．佩利－維納準(zhǔn)則物理可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)佩利－維納準(zhǔn)則：佩利、維納證明幅度函數(shù)|H(jω)|滿足一定條件時(shí)系統(tǒng)才是物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。第31頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月說明物理可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng),可以允許H(jω)特性在某些不連續(xù)的頻率點(diǎn)上為零，但不允許在一個(gè)有限頻帶內(nèi)為零。（理想低通、理想高通、理想帶通、理想帶阻等理想濾波器都是不可實(shí)現(xiàn)的）佩利-維納準(zhǔn)則要求可實(shí)現(xiàn)的幅度特性其總的衰減不能過于迅速；佩利-維納準(zhǔn)則是系統(tǒng)物理可實(shí)現(xiàn)的必要條件，而不是充分條件。第32頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月可實(shí)現(xiàn)的低通近似理想低通濾波器的實(shí)例網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)相量法第33頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月波形及頻譜圖響應(yīng)是從t=0開始，是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)。

第35頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.6利用希爾伯特(Hilbert)變換

研究系統(tǒng)的約束特性希爾伯特變換的引入可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)與希爾伯特變換第36頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月由傅里葉變換到希爾伯特變換已知正負(fù)號函數(shù)的傅里葉變換

根據(jù)對稱性得到

則若系統(tǒng)函數(shù)為則沖激響應(yīng)第37頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)框圖:系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)

利用卷積定理具有系統(tǒng)函數(shù)為的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)使相位滯后弧度的寬帶相移全通網(wǎng)絡(luò)。第38頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月同理可得到:若系統(tǒng)沖激響應(yīng)為其網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)函數(shù)為該系統(tǒng)框圖為第39頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月利用卷積定理具有系統(tǒng)函數(shù)為的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)使相位超前

弧度的寬帶相移全通網(wǎng)絡(luò)。

第40頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月一、希爾伯特變換對希爾伯特正變換希爾波特反變換HilbertTransform第41頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二、可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)與希爾伯特變換可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)是因果系統(tǒng)，其沖激響應(yīng)即:其傅里葉變換又則第42頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)實(shí)部與實(shí)部相等，虛部與虛部相等，得因果系統(tǒng)系統(tǒng)函數(shù)的實(shí)部與虛部滿足希爾伯特變換約束關(guān)系。第43頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月三．常用希爾伯特變換對對于任意因果函數(shù)，傅里葉變換的實(shí)部與虛部都滿足希爾伯特變換的約束關(guān)系，希爾伯特變換作為一種數(shù)學(xué)工具在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。第44頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月例5-6-1方法1:方法2：

用三種方法求解此題：第45頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月方法3：

直接用希爾伯特變換定義式即：則希爾伯特變換的頻譜函數(shù)為第46頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月例5-6-2[]伯特變換的約束關(guān)系。的實(shí)部與虛部滿足希爾，證明已知)()()(thFtuethta-=因?yàn)榧聪到y(tǒng)函數(shù)式中實(shí)部虛部第47頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在求的希爾伯特變換可求出各分式系數(shù)則第48頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月例5-6-3試分析下面系統(tǒng)可以產(chǎn)生單邊帶信號已知信號是帶限信號，其頻譜函數(shù)為圖中系統(tǒng)函數(shù)載頻第50頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月由調(diào)制定理可知為帶通信號其頻譜函數(shù)是的希爾伯特變換信號其頻譜則解：第51頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月其頻譜函數(shù)即輸出信號其頻譜為第52頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月頻譜圖是帶通信號（上邊帶調(diào)幅信號）的頻譜。第53頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.7調(diào)制與解調(diào)信號調(diào)制原理信號解調(diào)原理第54頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月在通信系統(tǒng)中，信號從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?，為?shí)現(xiàn)信號的傳輸，往往要進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)：高頻信號容易以電磁波形式輻射出去多路信號的傳輸——頻分復(fù)用相關(guān)課程中講解“調(diào)制與解調(diào)”的側(cè)重點(diǎn)不同：“信號與系統(tǒng)”——應(yīng)用傅里葉變換的性質(zhì)說明搬移信號頻譜的原理；“通信原理”

——研究不同的調(diào)制方式對系統(tǒng)性能的影響；“高頻電路”——調(diào)制／解調(diào)電路的分析。一．調(diào)制原理第55頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月1．調(diào)制調(diào)制：將信號的頻譜搬移到任何所需的較高頻段上的過程。調(diào)制的分類 按載波 正弦型信號作為載波 脈沖串或一組數(shù)字信號作為載波 連續(xù)性 模擬（連續(xù)）調(diào)制 數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制是數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。高頻電路通信原理第56頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月幅度調(diào)制第57頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月分析頻移性質(zhì)第58頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制頻譜第59頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月2．解調(diào)將已調(diào)信號恢復(fù)成原來的調(diào)制信號的過程。本地載波，與發(fā)送端載波同頻同相第60頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月解調(diào)頻譜理想低通截止頻率：))第61頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二．調(diào)幅、抑制載波調(diào)幅及其解調(diào)波形調(diào)制信號載波信號抑制載波調(diào)幅（需本地載波）調(diào)幅（不需本地載波）解調(diào)（包絡(luò)檢波）第62頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.9從抽樣信號恢復(fù)

連續(xù)時(shí)間信號由理想抽樣信號恢復(fù)原信號零階抽樣保持第63頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月濾除高頻成分，即可恢復(fù)原信號理想低通濾波器一．由理想抽樣信號恢復(fù)原信號第64頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)域運(yùn)算以理想抽樣為例理想低通濾波器：信號恢復(fù)第65頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月卷積包絡(luò)由理想抽樣信號恢復(fù)原連續(xù)信號相乘1/Ts第66頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二．零階抽樣保持在實(shí)際電路與系統(tǒng)中，要產(chǎn)生和傳輸接近δ函數(shù)的時(shí)寬窄且幅度大的脈沖信號比較困難。為此，在數(shù)字通信系統(tǒng)中經(jīng)常采用其他抽樣方式，如零階抽樣保持。零階抽樣保持f(t)p(t)fs0(t)第67頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月h0(t)零階抽樣保持器第68頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月要研究的問題：零階抽樣保持后信號fs0(t)的頻譜怎樣？零階抽樣保持后怎樣無失真的恢復(fù)原連續(xù)信號的頻譜？第69頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月一、fs0(t)的頻譜第70頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月波形及頻譜圖ωs=2ωmO()th0t1sTOO()tft1O()tfst1O()tf0st1wsT()w0Hsπ2TOw()wFmw-mwOw()wsFmw-mwLLsw-sw1s1TOw()w0sFmw-mw1LLsTsT頻域有失真第71頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月方法：加補(bǔ)償?shù)屯V波器Fs0(ω)相對于F(ω)有誤差，需要補(bǔ)償二、信號的恢復(fù)補(bǔ)償濾波器的頻響特性第72頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月信號恢復(fù)時(shí)頻譜的變化補(bǔ)償?shù)屯V波器目前，在數(shù)字通信系統(tǒng)中廣泛采用零階抽樣保持來產(chǎn)生和傳輸信號，在收端利用補(bǔ)償濾波器恢復(fù)原連續(xù)時(shí)間信號。第73頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.10脈沖編碼調(diào)制(PCM)PCM通信系統(tǒng)簡化框圖量化編碼原理示意圖PCM的優(yōu)缺點(diǎn)第74頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月引言利用脈沖序列對連續(xù)信號進(jìn)行抽樣產(chǎn)生的信號成為脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號，這一過程的實(shí)質(zhì)是把連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為脈沖序列，而每個(gè)脈沖的幅度與各抽樣點(diǎn)信號的幅度成正比。在實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)中，除直接傳送PAM信號之外，還有多種傳輸方式，其中應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)制方式稱為脈沖編碼調(diào)制（PCM）。在PCM通信系統(tǒng)中，把連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字（編碼）信號進(jìn)行傳輸或處理，在轉(zhuǎn)換過程中需要利用PAM信號。第75頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月PCM通信系統(tǒng)簡化框圖第76頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月量化量化的過程是將信號轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間離散幅度的多電平信號。第77頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月編碼原理示意圖數(shù)字二進(jìn)制等效數(shù)字脈沖編碼波形00000100012001030011401005010160110701118100091001101010111011121100131101141110151111第78頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月PCM的優(yōu)缺點(diǎn)提高了信噪比：模擬通信系統(tǒng)——中繼器——噪聲累加；PCM——數(shù)字通信系統(tǒng)——再生器——噪聲不會累加；合理設(shè)計(jì)A/D,D/A變換器可將量化噪聲限制在相當(dāng)微弱的范圍內(nèi)。組合多種新源傳輸時(shí)具有靈活性；便于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理功能。缺點(diǎn)：PCM信號傳輸時(shí)占用頻帶加寬，例如語音信號300~3400Hz4kHz抽樣率8kHz8位脈沖編碼64kHz第79頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.11頻分復(fù)用與時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用防止碼間串?dāng)_的方法第80頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月一．頻分復(fù)用復(fù)用：在一個(gè)信道上傳輸多路信號。 頻分復(fù)用 （FDM） 時(shí)分復(fù)用 （TDM） 碼分復(fù)用（碼分多址） （CDMA） 波分復(fù)用 （WDM）頻分復(fù)用：就是以頻段分割的方法在一個(gè)信道內(nèi)實(shí)現(xiàn)多路通信的傳輸體制。(frequencydivisionmultiply)第81頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)用發(fā)信端調(diào)制，將各信號搬移到不同的頻率范圍。第82頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)用收信端收信端：帶通濾波器，