現(xiàn)代通信原理教程（第二版）（黃文準(zhǔn)）教案（上）

教案首頁（以2課時(shí)為單元）課序授課日期授課班次授課教師批準(zhǔn)人1課題緒論目的要求了解通信的發(fā)展，掌握通信系統(tǒng)的組成教學(xué)內(nèi)容常用通信術(shù)語模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)的組成重點(diǎn)難點(diǎn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)、碼元速率及信息速率教學(xué)方法手段理論講述為主，結(jié)合舉例進(jìn)行講解教學(xué)步驟回顧與提問課程講解課堂討論小結(jié)布置作業(yè)復(fù)習(xí)提問題作業(yè)題目練習(xí)題一1.預(yù)習(xí)內(nèi)容通信系統(tǒng)的分類、通信方式信息度量課時(shí)分配(以分鐘計(jì)算)教學(xué)環(huán)節(jié)復(fù)習(xí)提問新課講解課堂討論每課小結(jié)布置作業(yè)時(shí)間分配0851041第1章緒論一、通信與通信系統(tǒng)的一般概念1.通信：傳輸與交換消息的過程。2.電通信：用電信號(hào)攜帶所要傳遞的消息，然后經(jīng)過各種電信道進(jìn)行傳輸與交換，以達(dá)到通信的目的。3.通信系統(tǒng)：為完成通信任務(wù)所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)所構(gòu)成的總體。二、通信發(fā)展簡史1838年有線電報(bào)發(fā)明，成為使用電通信的標(biāo)志。1876年有線電話發(fā)明，是現(xiàn)代通信的開端。1878年第一個(gè)人工交換局，21個(gè)用戶。1896年無線電報(bào)發(fā)明，無線通信的開端。1906年電子管的發(fā)明，使有線、無線通信迅速發(fā)展。20世紀(jì)30年代通信理論體系形成。20世紀(jì)50年代晶體管和集成電路問世，模擬通信高速發(fā)展，數(shù)字通信方式形成，計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)密切結(jié)合，人機(jī)通信、機(jī)器與機(jī)器之間的通信逐漸實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代通信網(wǎng)迅速發(fā)展，除傳統(tǒng)的電話網(wǎng)、電報(bào)網(wǎng)以外，其它先進(jìn)的通信網(wǎng)蓬勃發(fā)展，如移動(dòng)通信網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)、智能網(wǎng)、寬帶交換網(wǎng)等。三、通信系統(tǒng)的組成和各部分的作用1.信源：原始信號(hào)的來源，其作用是將消息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。（如電話機(jī)、話筒、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)以及各種數(shù)字終端設(shè)備）2.發(fā)送設(shè)備：對(duì)原始電信號(hào)進(jìn)行各種處理和變換，使它變換成適合于信道中傳輸?shù)男问?。（調(diào)制、放大、濾波及數(shù)字發(fā)送設(shè)備中的編碼功能等）3.信道（傳輸媒介）：發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用于傳輸信號(hào)的媒介（有線和無線兩大類）4.接收設(shè)備：對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理和變換，以便恢復(fù)出對(duì)應(yīng)于發(fā)送端的原始信號(hào)（放大、濾波、解調(diào)及數(shù)字接收設(shè)備中的譯碼等功能）5.信宿（收信者）：原始信號(hào)的最終接收者，其作用是把接收設(shè)備恢復(fù)出來的原始電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息（人、各種終端設(shè)備、計(jì)算機(jī)）噪聲源：是信道中的噪聲和通信系統(tǒng)中其他部分所產(chǎn)生的噪聲的集中表示。四、模擬通信與數(shù)字通信1.模擬信號(hào)：凡信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個(gè)值的，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)2.數(shù)字信號(hào)：凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。3.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別：模擬（連續(xù)）信號(hào)不一定在時(shí)間上也連續(xù)；數(shù)字（離散）信號(hào)不一定在時(shí)間上也離散4.數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1）抗噪聲性能好；（2）數(shù)字接力通信（中繼）時(shí)可以消除噪聲的積累；（3）可以采用信道編碼降低誤碼率，提高通信質(zhì)量；（4）便于加密，實(shí)現(xiàn)保密通信；（5）便于處理、存儲(chǔ)、交換；（6）便于和計(jì)算機(jī)等連接，綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)功能增強(qiáng)。5.數(shù)字通信的主要缺點(diǎn)：它比模擬通信占據(jù)數(shù)倍甚至數(shù)十倍寬的系統(tǒng)頻帶。（以電話為例，一路模擬電話通常占據(jù)4KHz的帶寬，但一路數(shù)字電路所要占據(jù)20KHz～60KHz的帶寬，因此在頻帶時(shí)分緊張而對(duì)通信質(zhì)量沒有特殊要求的場合，仍將沿用模擬通信。其優(yōu)點(diǎn)是以占據(jù)更多系統(tǒng)頻帶為代價(jià)的。）[問題1]語音信號(hào)為模擬信號(hào)，所以傳輸語音信號(hào)的系統(tǒng)一定是模擬通信系統(tǒng)，此說法正確嗎？為何？答：不對(duì)。因?yàn)檎Z音信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。[問題2]數(shù)字電話與模擬電話有什么區(qū)別？答：區(qū)別在于數(shù)字電話是數(shù)字通信系統(tǒng)，語音信號(hào)在信道中已經(jīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；而模擬電話是模擬通信系統(tǒng)，語音信號(hào)在信道中仍然為模擬信號(hào)。

教案首頁（以2課時(shí)為單元）課序授課日期授課班次授課教師批準(zhǔn)人2課題緒論目的要求通信系統(tǒng)的組成、分類及通信方式；理解信息的定義及其度量，了解通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)的組成和分類及通信方式數(shù)字通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)碼元速率、信息速率、頻帶利用率以及誤碼率重點(diǎn)難點(diǎn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)、碼元速率及信息速率教學(xué)方法手段理論講述為主，結(jié)合舉例進(jìn)行講解教學(xué)步驟回顧與提問課程講解課堂討論小結(jié)布置作業(yè)復(fù)習(xí)提問題作業(yè)題目練習(xí)題一2、4、5、6預(yù)習(xí)內(nèi)容信道定義信道模型課時(shí)分配(以分鐘計(jì)算)教學(xué)環(huán)節(jié)復(fù)習(xí)提問新課講解課堂討論每課小結(jié)布置作業(yè)時(shí)間分配08510411.3、通信系統(tǒng)的分類1、按消息的物理特征分類（業(yè)務(wù)）如電報(bào)、電話、數(shù)據(jù)、圖像通信系統(tǒng)2、按調(diào)制方式分類基帶傳輸：未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳輸（音頻和數(shù)字基帶）調(diào)制傳輸：對(duì)各種信號(hào)變換方式后進(jìn)行傳輸?shù)目偡Q。3、按信號(hào)特征分類最常用分為模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類4、按信號(hào)復(fù)用方式分類頻分復(fù)用：用頻譜搬移使不用信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍（主要用于模擬通信）時(shí)分復(fù)用：用脈沖調(diào)制使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間（主要用于數(shù)字通信）碼分復(fù)用：用一組正交的脈沖序列分別攜帶不同的信號(hào)（主要用于擴(kuò)頻通信）5、按傳輸媒介分類最常用分為有線（包括光纖）與無線通信方式1、按消息傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間關(guān)系分單工：單方向傳輸（一點(diǎn)發(fā)、一點(diǎn)收）.例如遙控。半雙工：通信雙方（兩點(diǎn)）均能收發(fā)消息但不能同時(shí)收發(fā)。例如無線對(duì)講機(jī)。全雙工：通信雙方（兩點(diǎn)）能同時(shí)收發(fā)信號(hào)。例如電話。2、按數(shù)字信號(hào)碼元的排列方式分串序傳輸：將數(shù)字信號(hào)按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)的傳輸,它占用一條通路。適合遠(yuǎn)距離。并序傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成多路同時(shí)傳輸，適合近距離。七、通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)(1)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)主要有：有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)使用等。其中最主要的是有效性和可靠性，它們二者是對(duì)立統(tǒng)一的。(2)模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)1．有效性有效性可用單位時(shí)間內(nèi)傳送的信息量來衡量。模擬通信的有效性是指傳輸一定的信息量所消耗的信道資源數(shù)（帶寬或時(shí)間），通常用有效傳輸帶寬來衡量。同樣的消息采用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。頻帶寬度越窄，則有效性越好。2．可靠性可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，模擬通信用均方差來衡量發(fā)送的模擬信號(hào)與接收端恢復(fù)的模擬信號(hào)之間的誤差程度。在實(shí)際的模擬通信系統(tǒng)中，其可靠性是用接收終端的輸出信噪比來度量的，這是因?yàn)樵谛诺朗抢硐氲那闆r下，誤差是由信號(hào)傳輸時(shí)的加性噪聲產(chǎn)生的，而加性噪聲一般用信噪比衡量。信噪比越大，通信質(zhì)量越高。(3)數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)1．有效性數(shù)字通信的有效性用傳輸速率來衡量。（1）碼元速率（傳碼率） 碼元及碼元長（寬）度：在數(shù)字通信中常用時(shí)間間隔相同的符號(hào)來表示一位N進(jìn)制信號(hào)，此時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)稱為N進(jìn)制碼元，時(shí)間間隔的長度稱為碼元長度。碼元速率：指單位時(shí)間傳輸?shù)拇a元數(shù)，以表示，單位：baud（波特，簡記Bd）。，為碼元長度。碼元速率與數(shù)字信號(hào)進(jìn)制沒有關(guān)系，只與碼元長度有關(guān)。（2）信息速率（傳信率） 單位時(shí)間傳輸?shù)男畔⒘繛樾畔⑺俾?，以表示，單位bit/s（比特/秒）。對(duì)于一個(gè)M進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，。所以，信息速率與進(jìn)制有關(guān)。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，，有時(shí)簡稱它們?yōu)閿?shù)碼率。（3）頻帶利用率，其中B為傳輸帶寬[例題]某消息用十六元碼序列傳送時(shí)，碼元速率是300baud，問：其信息速率為多少？若改用二元碼序列傳送該消息，試求信息速率為多少？ 2．可靠性數(shù)字通信的可靠性用差錯(cuò)率來衡量。（1）誤碼率 （2）誤信率 作業(yè)：一個(gè)四進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)，碼元速率為1kBd，連續(xù)工作1小時(shí)后，接收端收到的錯(cuò)碼為10個(gè)，（1）求誤碼率；（2）四個(gè)符號(hào)獨(dú)立等概且錯(cuò)一個(gè)碼元時(shí)發(fā)生1bit信息錯(cuò)誤，求誤信率。

教案首頁（以2課時(shí)為單元）課序授課日期授課班次授課教師批準(zhǔn)人3課題第二章信道目的要求理解信道定義及數(shù)學(xué)模型教學(xué)內(nèi)容狹義信道和廣義信道的定義掌握調(diào)制信道和編碼信道的定義重點(diǎn)難點(diǎn)調(diào)制信道和編碼信道的定義教學(xué)方法手段理論講述為主，結(jié)合舉例進(jìn)行講解教學(xué)步驟回顧與提問課程講解課堂討論小結(jié)布置作業(yè)復(fù)習(xí)提問題作業(yè)題目練習(xí)題一1預(yù)習(xí)內(nèi)容信道的傳輸特性信道容量課時(shí)分配(以分鐘計(jì)算)教學(xué)環(huán)節(jié)復(fù)習(xí)提問新課講解課堂討論每課小結(jié)布置作業(yè)時(shí)間分配0851041第2章信道一、信道（1）信道的定義信道：以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道廣義信道：除傳輸媒質(zhì)外，還包括有關(guān)發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、天線、Modem等。（2）調(diào)制信道模型（連續(xù)系統(tǒng)）共性:1)有一對(duì)(或多對(duì))輸入、輸出端2)線性的3)對(duì)信號(hào)有延遲、損耗4)

無信號(hào)輸入時(shí)，仍有噪聲輸出時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)模型為：如果網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)變換關(guān)系定義為，網(wǎng)絡(luò)的輸入為則網(wǎng)絡(luò)的輸出注：乘性干擾。恒參信道：=常數(shù)隨參信道：常數(shù)加性干擾。二、白噪聲（1）白噪聲的定義功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)都是均勻分布的噪聲，稱之為白噪聲，即式中，n0是一個(gè)常數(shù)，單位為“瓦/赫茲”（W/Hz）。白噪聲的自相關(guān)函數(shù)為如果白噪聲服從高斯分布，則稱之為高斯白噪聲。高斯白噪聲在任意兩個(gè)不同的時(shí)刻的取值不僅是不相關(guān)的，而且還是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。高斯白噪聲的功率譜密度式中，n0為單邊功率譜密度；n0/2為雙邊功率譜密度。(2)帶限白噪聲如果白噪聲被限制在（-f0，f0）之內(nèi)，則這樣的白噪聲稱之為帶限白噪聲（理想低通白噪聲），即其自相關(guān)函數(shù)為白噪聲、理想低通白噪聲和理想帶通白噪聲的功率譜及其自相關(guān)函數(shù)如圖所示。[例題]設(shè)信道噪聲是一個(gè)均值為0，雙邊功率譜密度為n0/2的高斯白噪聲，接收機(jī)輸入端的收濾波器是一個(gè)中心角頻率為、帶寬為B的理想低通濾波器，且fc>>B:（1）求收濾波器輸出噪聲時(shí)域表達(dá)式和雙邊功率譜密度；（2）求收濾波器輸出噪聲的自相關(guān)函數(shù)；（3）求收濾波器輸出噪聲功率；（4）寫出收濾波器輸出噪聲的一維概率密度函數(shù)。教案首頁（以2課時(shí)為單元）課序授課日期授課班次授課教師批準(zhǔn)人4課題第二章信道目的要求理解信道的傳輸特性，掌握信道容量計(jì)算教學(xué)內(nèi)容信道的加性噪聲

信道容量的概念重點(diǎn)難點(diǎn)信道容量的計(jì)算教學(xué)方法手段理論講述為主，結(jié)合舉例進(jìn)行講解教學(xué)步驟回顧與提問課程講解課堂討論小結(jié)布置作業(yè)復(fù)習(xí)提問題作業(yè)題目練習(xí)題1、3、5預(yù)習(xí)內(nèi)容第三章3.1線性調(diào)制課時(shí)分配(以分鐘計(jì)算)教學(xué)環(huán)節(jié)復(fù)習(xí)提問新課講解課堂討論每課小結(jié)布置作業(yè)時(shí)間分配0851041三、信息及其度量（1）信息量若xi出現(xiàn)的概率為，則其信息量為：（2）平均信息量（信源熵）設(shè)N種信息源中第i種信息出現(xiàn)ni次，且其出現(xiàn)的概率為，則整個(gè)消息的信息量為：統(tǒng)計(jì)平均信息量為：通過平均信息量計(jì)算總信息量，利用下式：信息源中各種符號(hào)等概出現(xiàn)信息量最大，即：[例題]一個(gè)由字母A，B，C，D組成的字，對(duì)于傳輸?shù)拿總€(gè)字母用二進(jìn)制脈沖編碼，00，01，10，11分別代表A，B，C，D。每個(gè)脈沖寬度為5ms。1)各字母等概出現(xiàn)，求平均信息傳輸速率。2)每字母出現(xiàn)可能性分別為，求傳輸平均信息速率。解1）每字母傳輸時(shí)間為10ms，所以2)每字母平均信息量

教案首頁（以2課時(shí)為單元）課序授課日期授課班次授課教師批準(zhǔn)人5課題第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)目的要求熟練掌握調(diào)制的意義

，了解線形調(diào)制的一般模型教學(xué)內(nèi)容掌握幅度調(diào)制的原理（調(diào)制和解調(diào)，時(shí)域和頻域特性）及其抗噪聲性能，AM調(diào)制、DSB調(diào)制、SSB調(diào)制重點(diǎn)難點(diǎn)幾種典型的調(diào)制方式教學(xué)方法手段理論講述為主，結(jié)合舉例進(jìn)行講解教學(xué)步驟回顧與提問課程講解課堂討論小結(jié)布置作業(yè)復(fù)習(xí)提問題作業(yè)題目練習(xí)題1、3預(yù)習(xí)內(nèi)容第三章3.2非線性調(diào)制課時(shí)分配(以分鐘計(jì)算)教學(xué)環(huán)節(jié)復(fù)習(xí)提問新課講解課堂討論每課小結(jié)布置作業(yè)時(shí)間分配0851041第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)本章教學(xué)要求：1、掌握幅度調(diào)制的原理（調(diào)制和解調(diào)，時(shí)域和頻域特性）及其抗噪聲性能。2、理解角度調(diào)制的抗噪聲性能和原理。理解各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較。理解頻分復(fù)用（FDM）的概念。3、了解調(diào)制的定義和分類?！?.1引言一、什么是調(diào)制？把基帶信號(hào)攜帶的信息轉(zhuǎn)載到高頻信號(hào)上的處理過程叫調(diào)制?；鶐盘?hào)：信源產(chǎn)生的未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)。如話音信號(hào)，300--3400赫茲。高頻信號(hào)：不含信息的等幅單頻的高頻電波。如電磁波，300千赫茲以上。二、為什么要調(diào)制？1、適合信道的需要。2、多路復(fù)用。3、改善信噪比。三、怎樣調(diào)制？基帶信號(hào)為:m(t);線性調(diào)制原理----本節(jié)將學(xué)習(xí)幅度調(diào)制和解調(diào)原理----一、常規(guī)調(diào)幅(AM)：AmplitudeModulation1、調(diào)制方法：(1)抬高基帶信號(hào)m(t)的電平，使m(t)+A恒為正,即要求A3|m(t)|max5、解調(diào)原理：從已調(diào)的高頻波中恢復(fù)原信號(hào)的過程叫解調(diào)。(1）包絡(luò)檢波（二極管單向通導(dǎo)性）（2）低通濾波（除去高頻成分）Zc=1/jwC（3）隔斷直流（恢復(fù)基帶波形）過調(diào)制的解調(diào)產(chǎn)生失真：二、雙邊帶調(diào)幅(DSB)：DoubleSideBandAM方式效率太低,原因在于直流成分A引起的載波成分在調(diào)制信號(hào)中所占比例太高。調(diào)制方法：不加直流電壓，直接調(diào)制。除了沒有沖擊譜線之外，與AM完全相同。雙邊帶調(diào)制信號(hào)帶寬仍然B=2fm4、解調(diào)方法：現(xiàn)在采用另一種解調(diào)方法-----相干解調(diào)。*思考：現(xiàn)在能不能仍采用包絡(luò)檢波法解調(diào)？（1）提取同步信息，在接收端產(chǎn)生本地載波，要求與發(fā)端同頻同相：c`(t)=cos(wct+j);（2）用本地載波乘以接收的調(diào)制波：相干解調(diào)的波形圖如下圖。其中，最左邊為輸入的雙邊帶調(diào)制信號(hào)，中上和右上為相干解調(diào)的波形圖；中下和右下為包絡(luò)檢波的波形圖。三、單邊帶調(diào)幅(SSB)：SingleSideBand雙邊帶與AM調(diào)制相比,帶寬相同,效率大大提高了。實(shí)際上帶寬也是大有潛力可利用的。因?yàn)樯?、下邊帶是?duì)稱的，只傳輸一邊就夠了。1、單邊帶信號(hào)的產(chǎn)生和頻域表示：在DSB調(diào)制的基礎(chǔ)上，用理想低通濾波器截取下邊帶；或用理想高通濾波器截取上邊帶；濾波法生成單邊帶信號(hào)的示意圖單邊帶信號(hào)的時(shí)域表達(dá)表明希爾伯特變換的結(jié)果是將信號(hào)頻譜正負(fù)兩半分別相移±90。上兩項(xiàng)相加、減，便得分別到下、上邊帶調(diào)制信號(hào)：單邊帶信號(hào)的相干解調(diào)原理框圖相干解調(diào)的頻域解釋：從頻域看，調(diào)制時(shí)乘以余弦就是頻譜搬移±wc解調(diào)時(shí)再乘以余弦，頻譜又被搬回來了。三、殘留邊帶調(diào)幅：VestigialSideBand產(chǎn)生單邊帶信號(hào)需要理想濾波器，這在實(shí)際電路中難以實(shí)現(xiàn)。殘留邊帶(VSB)濾波器容易設(shè)計(jì)，同時(shí)又能使上下邊帶頻譜巧妙地互補(bǔ)，解調(diào)后得到完整信號(hào)。原信號(hào)即可復(fù)原。(a)殘留部分下邊帶的濾波器特性;(b)殘留部分上邊帶的濾波器特性[例]雙音信號(hào)頻率分別為0.5kHz和1.5kHz，進(jìn)行VSB調(diào)制。所用斜截式濾波器的斜邊位于9kHz~11kHz。用圖解法求調(diào)制信號(hào)的時(shí)域表達(dá)。教案首頁（以2課時(shí)為單元）課序授課日期授課班次授課教師批準(zhǔn)人6課題第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)目的要求熟練掌握調(diào)制的意義

，了解非線形調(diào)制的一般模型教學(xué)內(nèi)容掌握幅度調(diào)制的原理（調(diào)制和解調(diào)，時(shí)域和頻域特性）及其抗噪聲性能，AM調(diào)制、DSB調(diào)制、SSB調(diào)制重點(diǎn)難點(diǎn)幾