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1、通信原理通信原理BPrinciples of Communications通信原理通信原理BPrinciples of Communications姓姓 名：魏名：魏 飞飞email：微微 信：信：feiwei_nupt电电 话：话：13515116681课程介绍课程介绍课程性质课程性质n通信原理通信原理课程是通信、电子、信息领域中最重要课程是通信、电子、信息领域中最重要的的专业基础课专业基础课之一，讨论信息传输与交换的基本原理之一，讨论信息传输与交换的基本原理。n 涉及通信系统的涉及通信系统的模型模型、基本原理基本原理和和性能分析性能分析。n分为模拟通信系统和数字通信系统，并以数字通信系分为
2、模拟通信系统和数字通信系统，并以数字通信系统为主统为主。先修课程先修课程n高等数学高等数学n线性代数线性代数n概率论与随机过程概率论与随机过程n信号与系统（傅里叶变换）信号与系统（傅里叶变换）课程介绍课程介绍课程特点课程特点n内容多（内容多（11章），课时短（章），课时短（64学时）学时）n理论推导烦杂，内容偏抽象枯燥理论推导烦杂，内容偏抽象枯燥n通过率通过率偏低偏低课程介绍课程介绍关于课程学习关于课程学习n多来听课多来听课n多上自习多上自习n多做作业多做作业关于答疑关于答疑多问，早问，时间地点不限多问，早问，时间地点不限关于考核方法关于考核方法70*闭卷考试闭卷考试+30*平时成绩（作业、实
3、验、到课）平时成绩（作业、实验、到课）n考试：教考分离考试：教考分离n作业：准备两本作业本，学号姓名作业：准备两本作业本，学号姓名n实验：实验完成情况实验：实验完成情况+实验报告实验报告n到课：随机点名到课：随机点名理解参数物理意义理解参数物理意义清楚数学推导过程清楚数学推导过程自己动手，独立完成自己动手，独立完成课程介绍课程介绍学习内容学习内容n第第1章章 绪论绪论n第第2章章 确知信号确知信号n第第3章章 随机过程随机过程n第第4章章 信道与噪声信道与噪声n第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n第第6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统n第第7章章 数字带通传输系统数字带通传输系统n第第
4、8章章 新型数字带通传输系统新型数字带通传输系统n第第9章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输n第第11章章 差错控制编码差错控制编码n第第12章章 同步原理同步原理第第1 1章章 绪论绪论主要内容主要内容n通信的基本概念通信的基本概念n通信系统的模型（一般、模拟、数字）通信系统的模型（一般、模拟、数字）*n通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式 n信息及其度量信息及其度量*n通信系统主要性能指标（有效性和可靠性）通信系统主要性能指标（有效性和可靠性）*第第1 1章章 绪论绪论1.1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：传递通信的目的：传递消息消息中所包含的中所包含的信息信息。
5、u消息消息：用于表达客观物质状态或主观精神状态的：用于表达客观物质状态或主观精神状态的文字、文字、语言、图片、视频、数据等语言、图片、视频、数据等u信息信息：是消息中包含的：是消息中包含的有效内容有效内容。n实现通信的方式和手段：实现通信的方式和手段：u非电的：如语言、手势、书信非电的：如语言、手势、书信 u电的：如电话、广播、电视、遥控、因特网和计算机电的：如电话、广播、电视、遥控、因特网和计算机通信等。通信等。本课程中，本课程中，“通信通信”这一术语是指这一术语是指“电通信电通信”。n电通信目的：通过在通信系统中传输电通信目的：通过在通信系统中传输电信号电信号来实现来实现消息消息（信息）（
6、信息）的传递。的传递。第第1 1章章 绪论绪论n电通信发明史电通信发明史u1837年：莫尔斯发明有线电报年：莫尔斯发明有线电报u1876年：贝尔发明有线电话年：贝尔发明有线电话 u1918年：调幅无线电广播年：调幅无线电广播u1936年：商业电视广播开播年：商业电视广播开播 u今天：英特网、今天：英特网、3G/4G移动通信系统等移动通信系统等第第1 1章章 绪论绪论第第1 1章章 绪论绪论1.2 通信系统的组成通信系统的组成n1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型u信息源信息源（信源）：把各种消息转换成原始电信号，如（信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为麦克风。信
7、源可分为模拟信源模拟信源和和数字信源数字信源。u发送设备发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。：产生适合于在信道中传输的信号。u信道信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为质。分为有线信道有线信道和和无线信道无线信道两大类。两大类。u噪声源噪声源：集中表示信道中以及分布于通信系统中各处：集中表示信道中以及分布于通信系统中各处的噪声。的噪声。-ch.4u接收设备接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。电信号。u受信者（信宿）受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，：把原始电信号还原
8、成相应的消息，如扬声器等。如扬声器等。第第1 1章章 绪论绪论第第1 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模拟通信系统模型和数字通信系统模型 按照信道中传输的是按照信道中传输的是模拟信号模拟信号还是还是数字信号数字信号，相应，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。u模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号p模拟信号：信号参量取值连续。如麦克风输出电压模拟信号：信号参量取值连续。如麦克风输出电压信号。信号。(a)话音信号话音信号 (b)抽样信号抽样信号图1-2 模拟信号vv连续信号在各个离散时间连续信号在各个离散时间点
9、的取值点的取值p数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如计算机输入输出信号：如计算机输入输出信号：第第1 1章章 绪论绪论 (a)二进制信号二进制信号 (b)2PSK信号信号图1-3 数字信号sin tsin(t+)u模拟通信系统模型模拟通信系统模型p模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：统：p信息源信息源/受信者：受信者：模拟消息模拟消息 原始原始电电信号信号 原始原始电电信号又称信号又称为为基基带带信号信号 基基带带信号信号-信号的信号的频谱频谱从零从零频频率附近开始率附近开始 例如：例
10、如：语语音音300hz-3400hz 图图像像0-6Mhz 第第1 1章章 绪论绪论图1-4 模拟通信系统模型第第1 1章章 绪论绪论语音信号的时域波形及其频谱调调制器制器/解解调调器：器：原始原始电电信号信号已已调调信号信号 调调制目的：制目的：形成形成适合在信道中传输适合在信道中传输的的携带有信息携带有信息的信号的信号 调调制方法：通制方法：通过过基基带带信号改信号改变变（正弦）（正弦）载载波的参波的参量，如幅度、量，如幅度、频频率、相位等率、相位等-ch.5 原始原始电电信号又称信号又称为为调调制信号制信号，已，已调调信号又称信号又称为为频频带带信号信号，带带通信号通信号第第1 1章章
11、绪论绪论图1-4 模拟通信系统模型原始电信号原始电信号已调信号已调信号已调信号已调信号原始电信号原始电信号u数字通信系统模型数字通信系统模型p数字通信系统是利用数字通信系统是利用（二进制）数字信号（二进制）数字信号来传递信来传递信息的通信系统息的通信系统 p信源编码与译码：信源编码与译码：对模拟电信号完成模对模拟电信号完成模/数转换数转换 ch.9 通过抽样、量化与编码完成通过抽样、量化与编码完成提高信息传输的有效性提高信息传输的有效性-压缩编码压缩编码 利用数据压缩技术设法减少码元数目，降低信源输出的利用数据压缩技术设法减少码元数目，降低信源输出的码元速率。码元速率。第第1 1章章 绪论绪论
12、图1-5 数字通信系统模型p加密与解密：保证所传信息的安全加密与解密：保证所传信息的安全-密码学密码学 按一定规则将被传输的数字序列扰乱；在接收端恢复扰乱按一定规则将被传输的数字序列扰乱；在接收端恢复扰乱的序列的序列p信道编码与译码：增强抗干扰能力信道编码与译码：增强抗干扰能力-ch.11 在待发送的信息码元中按一定的规则（人为的）加入一些在待发送的信息码元中按一定的规则（人为的）加入一些必要的（监督）码元；在接收端利用逆规则，发现和纠正差必要的（监督）码元；在接收端利用逆规则，发现和纠正差错，以提高信息码元传输的可靠性。错，以提高信息码元传输的可靠性。图1-5 数字通信系统模型第第1 1章章
13、 绪论绪论p数字调制与解调：形成适合在信道中传输的带通信数字调制与解调：形成适合在信道中传输的带通信号号-ch.7&ch.8 数字基带传输：不使用调制解调直接传输数字信号数字基带传输：不使用调制解调直接传输数字信号-ch.6p同步：使收发两端的信号在时间上保持步调一致同步：使收发两端的信号在时间上保持步调一致-ch.12第第1 1章章 绪论绪论图1-5 数字通信系统模型n1.2.3 数字通信的特点数字通信的特点u优点优点p抗干扰能力强，且噪声不累积抗干扰能力强，且噪声不累积p传输差错可控传输差错可控p便于将来自不同信源的信号综合到一起传输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
14、设备微型化，重量轻易于集成，使通信设备微型化，重量轻p易于加密处理，且保密性好易于加密处理，且保密性好u缺点：缺点：p需要较大的传输带宽需要较大的传输带宽p对同步要求高对同步要求高第第1 1章章 绪论绪论1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式n1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类u按按通信业务通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统据通信系统、图像通信系统 u按按调制方式调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统系统 u按按信号特征信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统
15、分类：模拟通信系统和数字通信系统u按按传输媒介传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统分类：有线通信系统和无线通信系统 u按按工作波段工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信分类：长波通信、中波通信、短波通信 第第1 1章章 绪论绪论u按按信号复用方式信号复用方式分类：分类：频分复用频分复用、时分复用时分复用、码分复码分复用用等等 复用（复用（Multiplexing）又称为多路复用，表示在一又称为多路复用，表示在一条信道上传输多路信号或数据流的过程和技术条信道上传输多路信号或数据流的过程和技术p频分复用频分复用 FDM/FDMA：通过频谱搬移使各路不同：通过频谱搬移使各路不同信号占据不同的
16、频率范围信号占据不同的频率范围p时分复用时分复用 TDM/TDMA：通过脉冲调制使各路不同：通过脉冲调制使各路不同信号占用不同的时间区间信号占用不同的时间区间p码分复用码分复用 CDM/CDMA：通过一组包含互相正交的：通过一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号码字的码组携带多路信号 第第1 1章章 绪论绪论n1.3.2 通信方式通信方式 u单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信 对于点与点之间的通信，按信号传送的方向与时对于点与点之间的通信，按信号传送的方向与时间关系，通信方式可分为间关系，通信方式可分为单工通信单工通信、半双工通信半双工通信及及全全双工通信双工通信。p单工单工通
17、信：消息只能单方向传输的工作方式。如广通信：消息只能单方向传输的工作方式。如广播、电视、遥控等。播、电视、遥控等。p半双工半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式。如对讲机。收发的工作方式。如对讲机。第第1 1章章 绪论绪论p全双工全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式方式。如手机。如手机。第第1 1章章 绪论绪论u并行传输和串行传输并行传输和串行传输p并行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在多条并行信道上同时传输的方式在多条并行信道上
18、同时传输。如打印机并口。如打印机并口连接线。连接线。优点：节省传输时间，速度快；不需要字符同步措优点：节省传输时间，速度快；不需要字符同步措施施缺点：需要多条通信线路，成本高缺点：需要多条通信线路，成本高 第第1 1章章 绪论绪论p串行传输串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码：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。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缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施第第1 1章章 绪论绪论u其他分类方式：其他分类方式：p
19、同步通信和异步通信同步通信和异步通信 同步通信同步通信:需要使用同步脉冲使得发送端与接收端需要使用同步脉冲使得发送端与接收端 保持同步保持同步 异步通信异步通信:不需要同步脉冲不需要同步脉冲p专线通信和网通信专线通信和网通信 专线通信：点到点通信专线通信：点到点通信 网通信：多点到多点通信，以点到点通信为基础网通信：多点到多点通信，以点到点通信为基础第第1 1章章 绪论绪论1.4 信息及其度量信息及其度量 信息指的是消息中包含的信息指的是消息中包含的有效内容有效内容预先不知而待知预先不知而待知的内容的内容。n如何度量消息中所含的信息量如何度量消息中所含的信息量?u信息量与消息的种类无关信息量与
20、消息的种类无关 表述同一事件的不同消息，所含信息量应相同。表述同一事件的不同消息，所含信息量应相同。u信息量与消息的重要程度无关信息量与消息的重要程度无关 重要程度是主观概念。重要程度是主观概念。u信息量只与消息所表述事件的信息量只与消息所表述事件的不确定程度不确定程度有关有关p确定事件的信息量为确定事件的信息量为0，只有不确定事件才具有信，只有不确定事件才具有信息量。息量。p不确定事件越不可能发生，其信息量越大不确定事件越不可能发生，其信息量越大第第1 1章章 绪论绪论n消息的信息量度量消息的信息量度量 事件发生（消息出现）的事件发生（消息出现）的不确定程度不确定程度不确定程度不确定程度可以
21、用可以用概率概率概率概率来描述，因而信息量与消息出现的概率相关。来描述，因而信息量与消息出现的概率相关。u信息量的定义信息量的定义 设：设：P(x)消息出现的概率消息出现的概率 I 消息中所含的信息量消息中所含的信息量 则信息量可定义为：则信息量可定义为：第第1 1章章 绪论绪论a为大于为大于1的的常数常数p概率概率P(x)0,1和信息量和信息量I之间需满足如下关系：之间需满足如下关系：非负性非负性非负性非负性 信息量信息量 I 永远非负永远非负，即即 I=I P(x)0。单减性单减性单减性单减性 P(x)减小，减小，I 增大增大；P(x)=1时，时，I=0；P(x)0时，时，I 。可加性可加
22、性可加性可加性 若干独立事件构成的消息所含信息量等于各独立若干独立事件构成的消息所含信息量等于各独立事件所含信息量之和。事件所含信息量之和。第第1 1章章 绪论绪论p信息量的单位：信息量的单位：一般一般a a=2=2，信息量单位称为，信息量单位称为比特比特比特比特(bit)(bit)，简记为，简记为b b 若若a=e，信息量的单位称为奈特，信息量的单位称为奈特(nat)若若a=10，信息量的单位称为哈特莱，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)p【例例】二进制等概码元的信息量二进制等概码元的信息量 设二进制码元设二进制码元“0 0”或或“1 1”出现的概率相等且是出现的概率相等且是独立的，则
23、每个二进制码元的信息量为独立的，则每个二进制码元的信息量为第第1 1章章 绪论绪论binary digitnatural digitp【例例】M进制等概码元的信息量进制等概码元的信息量 每个每个M进制码元的出现概率相等（进制码元的出现概率相等（P=1/M）且）且是独立的，则传送是独立的，则传送M进制码元之一的信息量为进制码元之一的信息量为 若若M是是2的整幂次，即的整幂次，即 M=2k，则有，则有当当M=4时，即时，即4进制码元，进制码元，I=2比特比特当当M=8时，即时，即8进制码元，进制码元，I=3比特比特第第1 1章章 绪论绪论n离散信源的信息量度量离散信源的信息量度量u离散信源：产生有
24、限种离散消息（符号）的信源离散信源：产生有限种离散消息（符号）的信源 如：掷硬币、色子，天气预报如：掷硬币、色子，天气预报 第第1 1章章 绪论绪论离散信源离散信源离散消息（符号）离散消息（符号）硬币硬币正面、反面正面、反面色子色子1点、点、2点、点、6点点天气预报天气预报晴、雨、阴、云晴、雨、阴、云u设：一个离散信源是由设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个个符号组成的集合，其中每个符号符号xi(i=1,2,3,M)按一定的概率按一定的概率P(xi)独立出现，独立出现，则则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为 则则每个符号每个符号每个符号每个符号所含所含
25、平均信息量平均信息量平均信息量平均信息量为为 即即由于由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称信息源的同热力学中的熵形式相似，故称信息源的平平平平均信息量均信息量均信息量均信息量为为熵（熵（熵（熵（entropyentropy）。第第1 1章章 绪论绪论单位：单位：b/符号符号u【例例】二进制信源的熵二进制信源的熵p设发送设发送“1”的概率的概率P(1)=，则发送，则发送“0”的概率的概率P(0)1-。则信源的熵则信源的熵H()可表示为：可表示为：当当 0或或1时，不确定性消失，信源熵为时，不确定性消失，信源熵为0；当当 1/2时，两个符号的出现概率相等，不确定时，两个符号的出现概率相等，不确
26、定性最大，信源熵达到最大值。性最大，信源熵达到最大值。第第1 1章章 绪论绪论二进制信源的熵曲线二进制信源的熵曲线H()u【例例】一离散信源由一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四四个符号组成，它们出现的概率分别为个符号组成，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（且每个符号的出现都是独立的。试求（1 1）每个符号的平均信息量；）每个符号的平均信息量；（2 2）消息）消息20102013021300120 3210100321010023102002010312032100120210的信息量。的信息量。【解解】（1 1）每个符号的平均信息量
27、为）每个符号的平均信息量为（2 2）此消息中，）此消息中，“0”出现出现23次，次，“1”出现出现14次，次，“2”出现出现13次，次，“3”出现出现7次，共有次，共有57个符号，故该消息的信息量个符号，故该消息的信息量 第第1 1章章 绪论绪论n连续消息的信息量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，连续消息的以证明，连续消息的平均信息量（差分熵）平均信息量（差分熵）为为式中，式中，f(x)连续消息出现的概率密度。连续消息出现的概率密度。第第1 1章章 绪论绪论1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标n通
28、信系统的主要性能指标：通信系统的主要性能指标：有效性有效性有效性有效性和和可靠性可靠性可靠性可靠性u u有效性（传输速度）有效性（传输速度）有效性（传输速度）有效性（传输速度）：给定信道资源（频带宽度和时：给定信道资源（频带宽度和时间长短）所能传输的信息量大小。间长短）所能传输的信息量大小。u u可靠性（传输质量）可靠性（传输质量）可靠性（传输质量）可靠性（传输质量）：指接收端接收信息的准确程度：指接收端接收信息的准确程度u有效性与可靠性的关系：对立与统一有效性与可靠性的关系：对立与统一u性能指标按模拟与通信系统可分为两大类性能指标按模拟与通信系统可分为两大类n模拟通信系统：模拟通信系统：u有
29、效性：可用有效性：可用有效传输频带有效传输频带有效传输频带有效传输频带来度量。来度量。p有效传输频带：传输给定的信号所需要的频带宽度有效传输频带：传输给定的信号所需要的频带宽度 有效传输频带越有效传输频带越窄窄窄窄，则系统的传输有效性就越，则系统的传输有效性就越高高高高。第第1 1章章 绪论绪论u可靠性：可用接收端可靠性：可用接收端输出信噪比输出信噪比输出信噪比输出信噪比来度量。来度量。p信噪比（信噪比（signal-to-noise ratio:SNR）：信号与噪声）：信号与噪声功率的比值，其定义为功率的比值，其定义为 输出信噪比越输出信噪比越高高高高，噪声对信号的减损越小，通信质，噪声对信
30、号的减损越小，通信质量就越量就越好好好好。第第1 1章章 绪论绪论信号功率信号功率噪声功率噪声功率n数字通信系统数字通信系统u有效性：用有效性：用传输速率传输速率和和频带利用率频带利用率来衡量。来衡量。p传输速率又分为传输速率又分为码元传输速率码元传输速率与与信息传输速率信息传输速率 码元传输速率、码元速率、传码率码元传输速率、码元速率、传码率 RB：单位时间（每秒）传送码元的数目。：单位时间（每秒）传送码元的数目。单位：波特（单位：波特（Baud），简记为），简记为B。T 码元宽度码元宽度码元宽度码元宽度（秒），单个码元的持续时间（秒），单个码元的持续时间第第1 1章章 绪论绪论单位是单位是
31、B，不是，不是B/s信息传输速率、信息速率、传信率信息传输速率、信息速率、传信率 Rb：定义为单位时间内传递的比特数。：定义为单位时间内传递的比特数。单位：比特单位：比特/秒，简记秒，简记b/s，或，或bps(bit per second)p信息速率与码元速率的关系信息速率与码元速率的关系隐藏假设：码元等概出现隐藏假设：码元等概出现【例例】对于二进制数字信号：对于二进制数字信号：M=2，Rb=RB【例例】对于码元速率为对于码元速率为1200B的八进制数字系统，其的八进制数字系统，其信息传输速率为信息传输速率为 第第1 1章章 绪论绪论M：进制数：进制数log2M：单个码元：单个码元的平均信息量
32、的平均信息量p频带利用率：定义为频带利用率：定义为单位带宽单位带宽单位带宽单位带宽（1赫兹）内的赫兹）内的传输传输传输传输速率速率速率速率，即，即或或u可靠性：用差错率衡量，误码率、误信率。可靠性：用差错率衡量，误码率、误信率。p误码率误码率p误信率，又称误比特率误信率，又称误比特率在二进制中有在二进制中有第第1 1章章 绪论绪论p【例例】已知某已知某四进制四进制数字信号传输系统的数字信号传输系统的信息速率信息速率为为2400 b/s，接收端在半小时之内共收到，接收端在半小时之内共收到216个错误个错误码元，试计算该系统的码元，试计算该系统的误码率误码率的近似值。的近似值。【解解】已知该系统的
33、信息速率为已知该系统的信息速率为 Rb2400 b/s 对于四进制数字信号，则其码元速率为对于四进制数字信号，则其码元速率为 RB=Rb/log24=1200 Baud 可知半小时内共收到码元为可知半小时内共收到码元为 IB RB 36000.5=2.16 106 个个 则该系统的误码率近似值为：则该系统的误码率近似值为：Pe216/(2.16 106)=10-4第第1 1章章 绪论绪论作业作业n教材教材p.15第第2、4、8、9、10题题第第1 1章章 绪论绪论0 t0原始电信号原始电信号（调制信号、基带信号）（调制信号、基带信号）t0载波载波0t已调信号已调信号（带通信号、频带信号）（带通信号、频带信号）时域波形时域波形频谱频谱模拟幅度调制（模拟幅度调制（DSB）时域与频域示意图）时域与频域示意图0 c-c频率频率 c