《《通信原理》-樊昌信-曹丽娜-编著第六版课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《通信原理》-樊昌信-曹丽娜-编著第六版课件.ppt（984页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、通信原理第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论l1.1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：传递消息中所包含的信息。n消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。n信息：是消息中包含的有效内容。n实现通信的方式和手段：u非电的：如旌旗、消息树、烽火台u电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。第第1章章 绪论绪论n电信发明史u1837年：莫尔斯发明有线电报u1876年：贝尔发明有线电话u1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世u1936年：商业电视广播开播n后面讲述中，“通信”这一术语是指“电通信”，包括光通信，因为光也是
2、一种电磁波。n在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。第第1章章 绪论绪论l1.2通信系统的组成n1.2.1通信系统的一般模型u信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。u发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。u信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。u噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。第第1章章 绪论绪论u接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。u受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。第第1章章 绪论绪论n1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型u模
3、拟信号和数字信号p模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：(a)话音信号 (b)抽样信号图1-2 模拟信号第第1章章 绪论绪论p数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：u通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。(a)二进制信号 (b)2PSK信号图1-3 数字信号第第1章章 绪论绪论u模拟通信系统模型p模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：p两种变换：模拟消息原始电信号（基带信号）基带信号已调信号（带通信号）图1-4 模拟通信系统模型第第1章章 绪论绪论u数字通信系统模型p数字
4、通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统p信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换p信道编码与译码目的：增强抗干扰能力p加密与解密目的：保证所传信息的安全p数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号p同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致图1-5 数字通信系统模型第第1章章 绪论绪论n1.2.3数字通信的特点u优点p抗干扰能力强，且噪声不积累p传输差错可控p便于处理、变换、存储p便于将来自不同信源的信号综合到一起传输p易于集成，使通信设备微型化，重量轻p易于加密处理，且保密性好u缺点：p需要较大的传输带宽p对同步要求高第第1章章 绪论绪论l1.3通信系统分类与通
5、信方式n1.3.1通信系统的分类u按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统u按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。u按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统u按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统u按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信u按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用第第1章章 绪论绪论n1.3.2通信方式u单工、半双工和全双工通信p单工通信：消息只能单方向传输的工作方式p半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式p全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方
6、式第第1章章 绪论绪论u并行传输和串行传输p并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要n 条通信线路，成本高第第1章章 绪论绪论p串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施u其他分类方式：p同步通信和异步通信p专线通信和网通信第第1章章 绪论绪论l1.4 信息及其度量信息及其度量n信息：是消息中包含的有效内容n如何度量离散消息中所含的信息量?u度量信息量的原则p能度量任何消息，并与消息
7、的种类无关。p度量方法应该与消息的重要程度无关。p消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例】“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。第第1章章 绪论绪论u度量信息量的方法p事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。p设：P(x)消息发生的概率，I消息中所含的信息量，p则P(x)和I 之间应该有如下关系：I 是P(x)的函数：I I P(x)P(x)，I ；P(x)，I；P(x)=1时，I0；P(x)=0时，I；p满足上述3条件的关系式如下：信息量的定义第第1章章 绪论
8、绪论p上式中对数的底：若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b若a=e，信息量的单位称为奈特(nat)，若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。p通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)p【例例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为p在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特第第1章章 绪论绪论p若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为p若M是2的整幂次，即M=2k，则有当M=4时，即4进制波形，I=2比特，当M=8时，即8进制波形，I=3比特。第第1章章 绪论绪论p对
9、于非等概率情况设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,M)按一定的概率P(xi)独立出现，即且有则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵第第1章章 绪论绪论u【例例1】一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【解解】此消息中，“0”出现23次，“
10、1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量每个符号的算术平均信息量为第第1章章 绪论绪论若用熵的概念来计算：则该消息的信息量以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。第第1章章 绪论绪论n连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为式中，f(x)连续消息出现的概率密度。第第1章章 绪论绪论l1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标n通信系统的主要性能指标：有效
11、性和可靠性u有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。u可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。n模拟通信系统：u有效性：可用有效传输频带来度量。u可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。第第1章章 绪论绪论n数字通信系统u有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。p码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。式中T 码元的持续时间（秒）p信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为b/s，或bps第第1章章 绪论绪论p码元速率和信息速率的关系或对
12、于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200B，则信息速率为3600b/s。第第1章章 绪论绪论p频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即或u可靠性：常用误码率和误信率表示。p误码率p误信率，又称误比特率在二进制中有第第1章章 绪论绪论l1.6 小结小结n通信的目的、电信发明史通信的目的、电信发明史n通信系统的模型通信系统的模型n数字信号、模拟信号，基带信号、已调信号（带通信号、数字信号、模拟信号，基带信号、已调信号（带通信号、频带信号）频带信号）n数字通信特点数字通信特点n通信系统分类通信系统分类 n单工、半
13、双工、全双工通信，并行传输和串行传输单工、半双工、全双工通信，并行传输和串行传输n信息及其度量信息及其度量n通信系统的有效性和可靠性通信系统的有效性和可靠性通信原理第第2章章 确知信号确知信号第第2章章 确知信号确知信号l2.1 确知信号的类型确知信号的类型n按照周期性区分：u周期信号：T0信号的周期，T00u非周期信号n按照能量区分：u能量信号：能量有限，u功率信号：p归一化功率：p平均功率P为有限正值：n能量信号的功率趋于0，功率信号的能量趋于第第2章章 确知信号确知信号l2.2 确知信号的频域性质确知信号的频域性质n2.2.1功率信号的频谱u周期性功率信号频谱（函数）的定义式中，f01/
14、T0，n为整数，-n+。双边谱，复振幅(2.24)|Cn|振幅，n相位第第2章章 确知信号确知信号u周期性功率信号频谱的性质p对于物理可实现的实信号，由式(2.21)有正频率部分和负频率部分间存在复数共轭关系，即Cn的模偶对称Cn的相位奇对称n102345-2-1-3-4-5|Cn|(a)振幅谱102345-2-1-3-4-5nn(b)相位谱第第2章章 确知信号确知信号将式(2.25)代入式(2.22)，得到式中式(2.28)表明：1.实信号可以表示成包含直流分量C0、基波(n=1时)和各次谐波(n=1,2,3,)。2.实信号s(t)的各次谐波的振幅等于3.实信号s(t)的各次谐波的相位等于4
15、.频谱函数Cn又称为双边谱，|Cn|的值是单边谱的振幅之半。称为单边谱。第第2章章 确知信号确知信号p若s(t)是实偶信号，则Cn为实函数。因为而所以Cn为实函数。第第2章章 确知信号确知信号u【例2.1】试求图2-2(a)所示周期性方波的频谱。由式(2.2-1)：0T-TtVs(t)Cn第第2章章 确知信号确知信号u【例2.2】试求图2-3所示周期性方波的频谱。由式(2.2-1)：因为此信号不是偶函数，其频谱Cn是复函数。T-Tt0Vs(t)第第2章章 确知信号确知信号u【例2.3】试求图2-4中周期波形的频谱。由式(2.2-1)：由于此波形为偶函数，故其频谱为实函数。t1s(t)第第2章章
16、 确知信号确知信号n2.2.2能量信号的频谱密度u频谱密度的定义：能量信号s(t)的傅里叶变换：uS(f)的逆傅里叶变换为原信号：uS(f)和Cn的主要区别：pS(f)是连续谱，Cn是离散谱；pS(f)的单位是V/Hz，而Cn的单位是V。u注意：在针对能量信号讨论问题时，也常把频谱密度简称为频谱。u实能量信号：负频谱和正频谱的模偶对称，相位奇对称，即复数共轭，因u【例2.4】试求一个矩形脉冲的频谱密度。设它的傅里叶变换为矩形脉冲的带宽等于其脉冲持续时间的倒数，在这里它等于(1/)Hz。第第2章章 确知信号确知信号1(b)Ga(f)t0(a)ga(t)Ga(f)ga(t)f1/2/-2/-1/0
17、图2-5单位门函数 单位门函数第第2章章 确知信号确知信号u【例2.5】试求单位冲激函数(函数)的频谱密度。p函数的定义：p函数的频谱密度：p函数的物理意义：一个高度为无穷大、宽度为无穷小、面积为1的脉冲。第第2章章 确知信号确知信号p函数的性质1：函数可以用抽样函数的极限表示：因为，可以证明式中k越大、振幅越大、波形零点的间隔越小、波形振荡的衰减越快，但积分等于1。（见左图）和下式比较：(2.2-26)可见(2.2-28)即抽样函数的极限就是函数。ttt第第2章章 确知信号确知信号p函数的性质2：单位冲激函数(t)的频谱密度f(f)10t(t)0第第2章章 确知信号确知信号p函数的性质3：(
18、2.2-30)【证】因为物理意义：可以看作是用函数在t=t0时刻对f(t)抽样。由于单位冲激函数是偶函数，即有(t)=(-t)，所以式(2.2-30)可以改写成：(2.2-31)p函数的性质4：函数也可以看作是单位阶跃函数的导数。单位阶跃函数的定义：即u(t)=(t)p用函数可以表示功率信号的频谱密度，见下例。10t图2-8单位阶跃函数第第2章章 确知信号确知信号第第2章章 确知信号确知信号p【例2.6】试求无限长余弦波的频谱密度。设一个余弦波的表示式为s(t)=cos2f0t，则其频谱密度S(f)按式(2.2-21)计算，可以写为参照式(2.2-28)，上式可以改写为引用了冲激函数就能把频谱
19、密度的概念推广到功率信号上。f0f00(b)频谱密度t(a)波形第第2章章 确知信号确知信号n2.2.3能量信号的能量谱密度u定义：由巴塞伐尔(Parseval)定理(2.2-37)将|S(f)|2定义为能量谱密度。式(2.2-37)可以改写为(2.2-38)式中G(f)=|S(f)|2能量谱密度u由于信号s(t)是一个实函数，所以|S(f)|是一个偶函数,因此上式可以改写成(2.2-40)第第2章章 确知信号确知信号u【例2.7】试求例2.4中矩形脉冲的能量谱密度在例2.4中，已经求出其频谱密度：故由式(2.2-39)得出第第2章章 确知信号确知信号n2.2.4功率信号的功率谱密度u定义：首
20、先将信号s(t)截短为sT(t)，-T/2t2时，第第3章章 随机过程随机过程p用Q函数表示正态分布函数：Q函数定义：Q函数和erfc函数的关系：Q函数和分布函数F(x)的关系：Q函数值也可以从查表得到。第第3章章 随机过程随机过程l3.4 平稳随机过程通过线性系统平稳随机过程通过线性系统n确知信号通过线性系统（复习）：式中vi 输入信号，vo输出信号对应的傅里叶变换关系：n随机信号通过线性系统：u假设：i(t)是平稳的输入随机过程，a均值，Ri()自相关函数，Pi()功率谱密度；求输出过程o(t)的统计特性，即它的均值、自相关函数、功率谱以及概率分布。第第3章章 随机过程随机过程u输出过程o
21、(t)的均值对下式两边取统计平均：得到设输入过程是平稳的，则有式中，H(0)是线性系统在f=0处的频率响应，因此输出过程的均值是一个常数。第第3章章 随机过程随机过程u输出过程o(t)的自相关函数：根据自相关函数的定义根据输入过程的平稳性，有于是上式表明,输出过程的自相关函数仅是时间间隔 的函数。由上两式可知，若线性系统的输入是平稳的，则输出也是平稳的。第第3章章 随机过程随机过程u输出过程o(t)的功率谱密度对下式进行傅里叶变换：得出令=+-，代入上式，得到即结论：输出过程的功率谱密度是输入过程的功率谱密度乘以系统频率响应模值的平方。应用：由Po(f)的反傅里叶变换求Ro()第第3章章 随机
22、过程随机过程u输出过程o(t)的概率分布p如果线性系统的输入过程是高斯型的，则系统的输出过程也是高斯型的。因为从积分原理看，可以表示为：由于已假设i(t)是高斯型的，所以上式右端的每一项在任一时刻上都是一个高斯随机变量。因此，输出过程在任一时刻上得到的随机变量就是无限多个高斯随机变量之和。由概率论理论得知，这个“和”也是高斯随机变量，因而输出过程也为高斯过程。注意，与输入高斯过程相比，输出过程的数字特征已经改变了。第第3章章 随机过程随机过程l3.5 窄带随机过程窄带随机过程 n什么是窄带随机过程？若随机过程(t)的谱密度集中在中心频率fc附近相对窄的频带范围f 内，即满足ffc的条件，且fc
23、远离零频率，则称该(t)为窄带随机过程。第第3章章 随机过程随机过程n典型的窄带随机过程的谱密度和样本函数第第3章章 随机过程随机过程n窄带随机过程的表示式式中，a(t)随机包络，(t)随机相位c中心角频率显然，a(t)和(t)的变化相对于载波cosct的变化要缓慢得多。第第3章章 随机过程随机过程n窄带随机过程表示式展开可以展开为式中(t)的同相分量(t)的正交分量可以看出：(t)的统计特性由a(t)和(t)或c(t)和s(t)的统计特性确定。若(t)的统计特性已知，则a(t)和(t)或c(t)和s(t)的统计特性也随之确定。第第3章章 随机过程随机过程n3.5.1c(t)和s(t)的统计特
24、性p数学期望：对下式求数学期望：得到因为(t)平稳且均值为零，故对于任意的时间t，都有E(t)=0，所以第第3章章 随机过程随机过程p(t)的自相关函数：由自相关函数的定义式式中因为(t)是平稳的，故有这就要求上式的右端与时间t无关，而仅与有关。因此，若令t=0，上式仍应成立，它变为第第3章章 随机过程随机过程因与时间t无关，以下二式自然成立所以，上式变为再令t=/2c，同理可以求得由以上分析可知，若窄带过程(t)是平稳的，则c(t)和s(t)也必然是平稳的。第第3章章 随机过程随机过程p进一步分析，下两式应同时成立，故有上式表明，同相分量c(t)和正交分量s(t)具有相同的自相关函数。根据互
25、相关函数的性质，应有代入上式，得到上式表明Rsc()是 的奇函数，所以同理可证第第3章章 随机过程随机过程将代入下两式得到即上式表明(t)、c(t)和s(t)具有相同的平均功率或方差。第第3章章 随机过程随机过程p根据平稳性，过程的特性与变量t无关，故由式得到因为(t)是高斯过程，所以，c(t1)，s(t2)一定是高斯随机变量，从而c(t)、s(t)也是高斯过程。p根据可知，c(t)与s(t)在=0处互不相关，又由于它们是高斯型的，因此c(t)与s(t)也是统计独立的。第第3章章 随机过程随机过程u结论结论：一个均值为零的窄带平稳高斯过程(t)，它的同相分量c(t)和正交分量s(t)同样是平稳
26、高斯过程，而且均值为零，方差也相同。此外，在同一时刻上得到的c和s是互不相关的或统计独立的。第第3章章 随机过程随机过程n3.5.2a(t)和(t)的统计特性u联合概率密度函数f(a,)根据概率论知识有由可以求得第第3章章 随机过程随机过程于是有式中a0,=(02)第第3章章 随机过程随机过程ua的一维概率密度函数可见，a服从瑞利(Rayleigh)分布。第第3章章 随机过程随机过程u的一维概率密度函数可见，服从均匀分布。第第3章章 随机过程随机过程u结论一个均值为零，方差为2的窄带平稳高斯过程(t)，其包络a(t)的一维分布是瑞利分布，相位(t)的一维分布是均匀分布，并且就一维分布而言，a(
27、t)与(t)是统计独立的，即有第第3章章 随机过程随机过程l3.6 正弦波加窄带高斯噪声正弦波加窄带高斯噪声n正弦波加窄带高斯噪声的表示式式中窄带高斯噪声正弦波的随机相位，均匀分布在02间 A和c确知振幅和角频率于是有式中第第3章章 随机过程随机过程n正弦波加窄带高斯噪声的包络和相位表示式包络：相位：第第3章章 随机过程随机过程n正弦波加窄带高斯噪声的包络的统计特性u包络的概率密度函数f(z)利用上一节的结果，如果值已给定，则zc、zs是相互独立的高斯随机变量，且有所以，在给定相位 的条件下的zc和zs的联合概率密度函数为第第3章章 随机过程随机过程利用与上一节分析a和相似的方法，根据zc，z
28、s与z，之间的随机变量关系可以求得在给定相位 的条件下的z与的联合概率密度函数然后求给定条件下的边际分布，即第第3章章 随机过程随机过程由于故有式中I0(x)第一类零阶修正贝塞尔函数因此由上式可见，f(,z)与无关，故的包络z的概率密度函数为称为广义瑞利分布，又称莱斯（Rice）分布。第第3章章 随机过程随机过程u讨论p当信号很小时，即A0时，上式中(Az/n2)很小，I0(Az/n2)1，上式的莱斯分布退化为瑞利分布。p当(Az/n2)很大时，有这时上式近似为高斯分布，即第第3章章 随机过程随机过程p包络概率密度函数f(z)曲线第第3章章 随机过程随机过程n正弦波加窄带高斯噪声的相位的统计特
29、性F()第第3章章 随机过程随机过程l3.7 高斯白噪声和带限白噪声高斯白噪声和带限白噪声n白噪声n(t)u定义：功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声，即双边功率谱密度或单边功率谱密度式中n0正常数u白噪声的自相关函数：对双边功率谱密度取傅里叶反变换，得到相关函数：第第3章章 随机过程随机过程u白噪声和其自相关函数的曲线：第第3章章 随机过程随机过程u白噪声的功率由于白噪声的带宽无限，其平均功率为无穷大，即或p因此，真正“白”的噪声是不存在的，它只是构造的一种理想化的噪声形式。p实际中，只要噪声的功率谱均匀分布的频率范围远远大于通信系统的工作频带，我们就可以把它视为白噪声。p如果白噪声取值的概
30、率分布服从高斯分布，则称之为高斯白噪声。p高斯白噪声在任意两个不同时刻上的随机变量之间，不仅是互不相关的，而且还是统计独立的。第第3章章 随机过程随机过程n低通白噪声低通白噪声u定义：如果白噪声通过理想矩形的低通滤波器或理想低通信道，则输出的噪声称为低通白噪声。u功率谱密度p由上式可见，白噪声的功率谱密度被限制在|f|fH内，通常把这样的噪声也称为带限白噪声。u自相关函数第第3章章 随机过程随机过程u功率谱密度和自相关函数曲线p由曲线看出，这种带限白噪声只有在上得到的随机变量才不相关。第第3章章 随机过程随机过程n带通白噪声带通白噪声u定义：如果白噪声通过理想矩形的带通滤波器或理想带通信道，则
31、其输出的噪声称为带通白噪声。u功率谱密度设理想带通滤波器的传输特性为式中fc中心频率，B通带宽度则其输出噪声的功率谱密度为第第3章章 随机过程随机过程u自相关函数第第3章章 随机过程随机过程u带通白噪声的功率谱和自相关函数曲线第第3章章 随机过程随机过程n窄带高斯白噪声窄带高斯白噪声u通常，带通滤波器的Bfc，因此称窄带滤波器，相应地把带通白高斯噪声称为窄带高斯白噪声。u窄带高斯白噪声的表达式和统计特性见3.5节。u平均功率通信原理通信原理第第4章章 信信 道道第第4章章 信信 道道l信道分类：信道分类：n无线信道电磁波（含光波）n有线信道电线、光纤l信道中的干扰：信道中的干扰：n有源干扰噪声
32、n无源干扰传输特性不良l本章重点：本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。第第4章章 信信 道道l4.1 无线信道无线信道n无线信道电磁波的频率受天线尺寸限制n地球大气层的结构u对流层：地面上010kmu平流层：约1060kmu电离层：约60400km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 kmn电离层对于传播的影响u反射u散射n大气层对于传播的影响u散射u吸收频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率图4-6大气衰减第第4章章 信信 道道传播路径地面图4-1地波
33、传播地面信号传播路径图4-2天波传播第第4章章 信信 道道n电磁波的分类：u地波p频率2MHzp有绕射能力p距离：数百或数千千米u天波p频率：230MHzp特点：被电离层反射p一次反射距离：30MHzp距离:和天线高度有关(4.1-3)式中，D收发天线间距离(km)。例若要求D=50km，则由式(4.1-3)p增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图4-3视线传播图4-4无线电中继第第4章章 信信 道道m图4-7对流层散射通信地球有效散射区域第第4章章 信信 道道u散射传播p电离层散射机理由电离层不均匀性引起频率30
34、60MHz距离1000km以上p对流层散射机理由对流层不均匀性（湍流）引起频率1004000MHz最大距离mf+1以上的边频幅度均小于0.1。p被保留的上、下边频数共有2n=2(mf+1)个，相邻边频之间的频率间隔为fm，所以调频波的有效带宽为它称为卡森（Carson）公式。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p当mf1时，上式可以近似为这就是宽带调频的带宽。p当任意限带信号调制时，上式中fm是调制信号的最高频率，mf是最大频偏f 与fm之比。p例如，调频广播中规定的最大频偏f为75kHz，最高调制频率fm为15kHz，故调频指数mf 5，由上式可计算出此FM信号的频带宽度为180kHz。第第
35、5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调频信号的功率分配p调频信号的平均功率为p由帕塞瓦尔定理可知p利用贝塞尔函数的性质得到p上式说明，调频信号的平均功率等于未调载波的平均功率，即调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.3.4调频信号的产生与解调u调频信号的产生p直接调频法：用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。压控振荡器：每个压控振荡器(VCO)自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即方框图LC振荡器：用变容二极管实现直接调频。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统直接调频法
36、的主要优缺点：优点：可以获得较大的频偏。缺点：频率稳定度不高改进途径：采用如下锁相环（PLL）调制器第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p间接法调频阿姆斯特朗（Armstrong）法原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频(NBFM)信号，再经n次倍频器得到宽带调频(WBFM)信。方框图第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统间接法产生窄带调频信号由窄带调频公式可知，窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成的。所以可以用下图产生窄带调频信号：第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统倍频：目的：为提高调频指数，从而获得宽带调频。方法：倍频器可以用非线性器件实现。原理：以理想平方
37、律器件为例，其输出-输入特性为当输入信号为调频信号时，有由上式可知，滤除直流成分后，可得到一个新的调频信号，其载频和相位偏移均增为2倍，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数也必然增为2倍。同理，经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统典型实例：调频广播发射机载频：f1=200kHz调制信号最高频率fm=15kHz间接法产生的最大频偏 f1=25Hz调频广播要求的最终频偏 f=75kHz，发射载频在88-108MHz频段内，所以需要经过次的倍频，以满足最终频偏=75kHz的要求。但是，倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高了，倍频后新的载波频率
38、(nf1)高达600MHz，不符合fc=88-108MHz的要求，因此需用混频器进行下变频来解决这个问题。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统具体方案 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统【例例5-1】在上述宽带调频方案中，设调制信号是fm=15kHz的单频余弦信号，NBFM信号的载频f1=200kHz，最大频偏f1=25Hz；混频器参考频率f2=10.9MHz，选择倍频次数n1=64，n2=48。(1)求NBFM信号的调频指数；(2)求调频发射信号（即WBFM信号）的载频、最大频偏和调频指数。【解】（1）NBFM信号的调频指数为（2）调频发射信号的载频为第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统(
39、3)最大频偏为(4)调频指数为第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调频信号的解调p非相干解调：调频信号的一般表达式为解调器的输出应为完成这种频率-电压转换关系的器件是频率检波器，简称鉴频器。鉴频器的种类很多，例如振幅鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器、正交鉴频器、斜率鉴频器、频率负反馈解调器、锁相环(PLL)鉴频器等。下面以振幅鉴频器为例介绍：第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统振幅鉴频器方框图图中，微分电路和包络检波器构成了具有近似理想鉴频特性的鉴频器。限幅器的作用是消除信道中噪声等引起的调频波的幅度起伏第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统微分器的作用是把幅度恒定的调频波sFM(t)变成幅度和
40、频率都随调制信号m(t)变化的调幅调频波sd(t)，即包络检波器则将其幅度变化检出并滤去直流，再经低通滤波后即得解调输出式中Kd为鉴频器灵敏度，单位为V/rad/s第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p相干解调：相干解调仅适用于NBFM信号由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如下图所示。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统设窄带调频信号并设相干载波则相乘器的输出为经低通滤波器取出其低频分量再经微分器，即得解调输出可见，相干解调可以恢复原调制信号。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.4调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能n重点讨
41、论FM非相干解调时的抗噪声性能n分析模型图中n(t)均值为零，单边功率谱密度为n0的高斯白噪声第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.1输入信噪比设输入调频信号为故其输入信号功率为输入噪声功率为式中，BFM调频信号的带宽，即带通滤波器的带宽因此输入信噪比为第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.2大信噪比时的解调增益u在输入信噪比足够大的条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来计算。u计算输出信号平均功率输入噪声为0时，解调输出信号为故输出信号平均功率为第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u计算输出噪声平均功率假设调制信号m(t)=0，则加到解调器输入端的是
42、未调载波与窄带高斯噪声之和，即式中包络相位偏移第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统在大信噪比时，即Anc(t)和Ans(t)时，相位偏移可近似为当x1时有近似式上式结果表明，在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。例如，调频广播中常取mf，则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调频系统与调幅系统比较在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的输出信噪比为若设AM信号为100%调制。且m(t)为单频余弦波信号，则m(t)的平均功率为因而式中，B为AM信号的带宽，它是基带信号带宽的两倍，即B=2
43、fm，故有将两者相比，得到第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p讨论在大信噪比情况下，若系统接收端的输入A和n0相同，则宽带调频系统解调器的输出信噪比是调幅系统的3mf2倍。例如，mf=5时，宽带调频的S0/N0是调幅时的75倍。调频系统的这一优越性是以增加其传输带宽来换取的。因为，对于AM信号而言，传输带宽是2fm，而对WBFM信号而言，相应于mf=5时的传输带宽为12fm，是前者的6倍。WBFM信号的传输带宽BFM与AM信号的传输带宽BAM之间的一般关系为第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统当mf1时，上式可近似为故有在上述条件下，变为可见，宽带调频输出信噪比相对于调幅的改善与它们带宽比的
44、平方成正比。调频是以带宽换取信噪比的改善。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统结论：在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能将比调幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。但是，FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。随着传输带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功率不变的条件下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将急剧恶化。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.3小信噪比时的门限效应u当(Si/Ni)低于一定数值时，解调器的输出信噪比(So/No)急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。u门限值出现门限效应时所对应的输入信噪比
45、值称为门限值，记为(Si/Ni)b。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u右图画出了单音调制时在不同调制指数下，调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。u由此图可见p门限值与调制指数mf 有关。mf 越大，门限值越高。不过不同mf 时，门限值的变化不大，大约在811dB的范围内变化，一般认为门限值为10dB左右。p在门限值以上时，(So/No)FM与(Si/Ni)FM呈线性关系，且mf 越大，输出信噪比的改善越明显。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p在门限值以下时，(So/No)FM将随(Si/Ni)FM的下降而急剧下降。且mf越大，(So/No)FM下降越快。p门限效应是FM系统存
46、在的一个实际问题。尤其在采用调频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调频接收机的门限效应十分关注，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。p降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以采用锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门限比一般鉴频器的门限电平低610dB。p还可以采用“预加重”和“去加重”技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门限。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.4预加重和去加重u目的：p鉴频器输出噪声功率谱随f呈抛物线形状增大。但在调频广播中所传送的语音和音乐信号的能量却主要分布在低频端，且其功率谱密度随频率的增高而下降。因此，在调制频率高频端的信号谱密
47、度最小，而噪声谱密度却是最大，致使高频端的输出信噪比明显下降，这对解调信号质量会带来很大的影响。p为了进一步改善调频解调器的输出信噪比，针对鉴频器输出噪声谱呈抛物线形状这一特点，在调频系统中广泛采用了加重技术，包括“预加重和“去加重”措施。“预加重”和“去加重”的设计思想是保持输出信号不变，有效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比的目的。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u原理所谓“去加重”就是在解调器输出端接一个传输特性随频率增加而滚降的线性网络Hd(f)，将调制频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。但是，由于去加重网络的加入，在有效地减弱输出噪声的同时，必将使传输信号产生频率失真。因此
48、，必须在调制器前加入一个预加重网络Hp(f)，人为地提升调制信号的高频分量，以抵消去加重网络的影响。显然，为了使传输信号不失真，应该有这是保证输出信号不变的必要条件。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u方框图：加有预加重和去加重的调频系统u性能由于采用预加重/去加重系统的输出信号功率与没有采用预加重/去加重系统的功率相同，所以调频解调器的输出信噪比的改善程度可用加重前的输出噪声功率与加重后的输出噪声功率的比值确定，即上式进一步说明，输出信噪比的改善程度取决于去加重网络的特性。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u实用电路：下图给出了一种实际中常采用的预加重和去加重电路，它在保持信号传输带宽不
49、变的条件下，可使输出信噪比提高6dB左右。预加重网络与网络特性去加重网络与网络特性调制方式传输带宽设备复杂程度主要应用AM2fm简单中短波无线电广播DSB2fm中等应用较少SSBfm复杂短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输VSB略大于fm 近似SSB复杂电视广播、数据传输FM中等超短波小功率电台（窄带FM）；调频立体声广播等高质量通信（宽带FM）第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n抗噪声性能uWBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。u右图画出了各种模
50、拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。u门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf=6）的信噪比比AM高22dB。u当输入信噪比较高时，FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n频带利用率SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。可以说，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此，mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用WBFM，mf值选大些。对于一般通