现代通信系统原理全套课件.ppt

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1、现代通信系统原理现代通信系统原理 高等学校电子信息类规划教材高等学校电子信息类规划教材 目目 录录1第第1章章 绪论绪论第第2章章 信道与噪声信道与噪声 第第3章章 模拟调制系统模拟调制系统 第第4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统 第第5章章 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 第第6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 第第7章章 同步系统同步系统 第第8章章 差错控制编码差错控制编码 第第9章章 现代通信系统介绍现代通信系统介绍目目 录录22023/2/44第第1章章 绪绪 论论 1.1 通信的定义通信的定义 1.2 通信系统的组成通信系统的组成 1.3 通信系统分类及通信方

2、式通信系统分类及通信方式 1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 1.1 通信的定义通信的定义 通信的定义：通信的定义：是指由一地向另一地进是指由一地向另一地进行消息的有效传递。行消息的有效传递。通信的目的：通信的目的：就是传递消息。就是传递消息。本书对通信的定义：本书对通信的定义：利用电子等技术利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号）实现从一手段，借助电信号（含光信号）实现从一地向另一地进行消息的有效传递称为通信。地向另一地进行消息的有效传递称为通信。2023/2/451.2 通信系统的组成通信系统的组成2023/2/46图1-1 通信系通信系统的一般的一般模型模型 信源信源

3、（信息源，也称发终端）：把待传（信息源，也称发终端）：把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。电话机可看成是信源。1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型 2023/2/47 发送设备发送设备：将信源和信道匹配起来，即：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。成适合在信道中传输的信号。信道信道：信号传输的通道，可以是有线的，：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。接收设

4、备接收设备：任务是从带有干扰的接收信：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。号中恢复出相应的原始电信号来。信宿信宿：将复原的原始电信号转换成相应：将复原的原始电信号转换成相应的消息。的消息。2023/2/481.2.2 模拟通信系统模拟通信系统 模拟通信系统中两种重要变换：模拟通信系统中两种重要变换：（1）连续消息到电信号相互变换；）连续消息到电信号相互变换；（2）基带信号到调制信号的变换；）基带信号到调制信号的变换；图1-2 模模拟通信系通信系统的模型的模型 2023/2/49已调信号有三个基本特性：已调信号有三个基本特性：（1）携带有消息；）携带有消息；（2）适合在信道中传

5、输）适合在信道中传输 （3）频谱具有带通形式，且中心频率远）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。离零频。2023/2/4101.2.3 数字通信系统数字通信系统 信道中传输数字信号的系统，称为数字信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统，它包括以下三种：通信系统，它包括以下三种：1.数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统 基本特征基本特征：消息或信号具有：消息或信号具有“离散离散”或或“数字数字”的特性，同时强调已调参量与代表的特性，同时强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。消息的数字信号之间的一一对应关系。2023/2/411 数字通信的优势和存在的问题：数字通信的优势和

6、存在的问题：（1）可实现）可实现差错控制编码即信道编码差错控制编码即信道编码；（2）容易）容易实现保密通信；实现保密通信；（3）数字通信中必须有数字通信中必须有“同步同步”。图1-3 数字数字频带传输通信系通信系统的模型的模型2023/2/412 2.数字基带传输通信系统数字基带传输通信系统 基带信号形成器：可能包括编码器、加密基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以及波形变换等；器以及波形变换等；接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。图1-4 数字基数字基带传输系系统模型模型2023/2/413 3.模拟信号数字化传输通信系统模拟信号数字化传输通信系统

7、发端将模拟信号数字化，即进行发端将模拟信号数字化，即进行A/DA/D转换；转换；接收端需进行相反的转换，即接收端需进行相反的转换，即D/AD/A转换。转换。图1-5模模拟信号数字化信号数字化传输系系统模型模型2023/2/4141.2.4 数字通信的主要特点数字通信的主要特点 1.数字通信的主要优点数字通信的主要优点 （1）抗干扰能力强；）抗干扰能力强；（2）差错可控；）差错可控；（3）易加密；）易加密；（4）易于与现代技术相结合。）易于与现代技术相结合。2.亟待解决的问题亟待解决的问题 （1）提高频带利用）提高频带利用；（2）简化系统设备结构。）简化系统设备结构。1.3 通信系统分类及通信方

8、式通信系统分类及通信方式1.3.1 通信的分类通信的分类 1.按传输媒质分：按传输媒质分：有线通信和无线通信；有线通信和无线通信；2.按信道中所传信号的特征分：按信道中所传信号的特征分：模拟通模拟通信系统与数字通信系统；信系统与数字通信系统；3.按按工工作作频频段段分分：长长波波通通信信、中中波波通通信信、短短波波通通信信、微微波波通通信信等等。具具体体情情况况见见表表1-1；2023/2/4152023/2/416 4.按调制方式分：按调制方式分：基带传输和频带传输；基带传输和频带传输；5.按业务的不同分：按业务的不同分：6.按收信者是否运动分：按收信者是否运动分：移动通信和固定移动通信和固

9、定通信。通信。另外，通信还有其它一些分类方法，如另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信、时分多按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等；按用户类型可分址通信、码分多址通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信等。为公用通信和专用通信等。2023/2/4171.3.2 通信方式通信方式 1.按消息传送的方向与时间分按消息传送的方向与时间分 通通信信方方式式可可分分为为单单工工通通信信、半半双双工工通通信信及全双工通信三种。及全双工通信三种。2023/2/418 2.按数字信号排序分按数字信号排序分 可将通信方式分为串序传输和并序传输。可将通信方式分为

10、串序传输和并序传输。2023/2/419 3.按通信网络形式分按通信网络形式分 通信的网络形式通常可分为三种：两点间通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式，直通方式、分支方式和交换方式，图1-8 按网按网络形式划分的通信方形式划分的通信方式式（a）两点）两点间直通方式；（直通方式；（b）分支方式；（分支方式；（c）交）交换方式方式1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标1.4.1 一般通信系统的性能指标一般通信系统的性能指标 一般通信系统的性能指标归纳起来有一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面以下几个方面:有有效效性性、可可靠靠性性、适适应应性性、

11、经经济济性性、保保密密性性标标准准性性、维维修修性性、工工艺艺性性等等。而而本本书书只研究通信系统的只研究通信系统的有效性和可靠性。有效性和可靠性。2023/2/4202023/2/421 对对于于模模拟拟通通信信来来说说，系系统统的的有有效效性性和和可可靠靠性性具具体体可可用用系系统统频频带带利利用用率率和和输输出出信信噪噪比比（或均方误差）来衡量。（或均方误差）来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。2023/2/4221.4.2 信息及其度量信息及其度量 信息定义：信息定义

12、：消息中包含的有意义的内容。消息中包含的有意义的内容。信信息息量量与与消消息息出出现现的的概概率率有有关关，具具体体可可以描述为如下规律：以描述为如下规律：（1）消消息息中中所所含含信信息息量量是是消消息息出出现现概概率率的函数；的函数；（2）消消息息出出现现的的概概率率愈愈小小，它它所所含含信信息息量愈大；反之信息量愈小；量愈大；反之信息量愈小；2023/2/423 （3）若若干干个个互互相相独独立立事事件件构构成成的的消消息息所所含含信息量等于各独立事件信息量的和。信息量等于各独立事件信息量的和。信息量信息量 I 和消息出现概率和消息出现概率P(x)的关系为：的关系为：信息量的单位取决于对

13、数底数信息量的单位取决于对数底数a的取值：的取值：a=2 单位为比特（单位为比特（bit，简写为，简写为b）；）；a=e 单位为奈特（单位为奈特（nat，简写为，简写为n）；）；a=10 单位为哈特莱。单位为哈特莱。2023/2/424例例1.1 设设二二进进制制离离散散信信源源，数数字字0或或1以以相相等等的的概率出现，试计算每个符号的信息量。概率出现，试计算每个符号的信息量。解解:二进制等概率时二进制等概率时 有有 即二进制等概时，每个符号的信息量相即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为等，为1bit。2023/2/425 当各个符号出现的概率不相等时，当各个符号出现的概率不相等时，计算

14、计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。消息的信息量，常用到平均信息量的概念。平均信息量定义：每个符号所含信息的平均信息量定义：每个符号所含信息的平均值。用符号平均值。用符号 表示。表示。多进制时，设各符号出现的概率为：多进制时，设各符号出现的概率为：且且 2023/2/426则平均信息量（信息源的熵）为：则平均信息量（信息源的熵）为：1.4.3 有效性指标的具体表述有效性指标的具体表述 1.码元传输速率码元传输速率 定义：定义：单位时间内传输码元的数目；单位时间内传输码元的数目；单位：单位：波特（波特（Baud），用符号），用符号“B”表表示；示；符号：符号：Tb为码元宽度。为码元宽度。2

15、023/2/427 2.信息传输速率信息传输速率 定义：定义：单位时间内传输的信息量；单位时间内传输的信息量；单位：单位：比特比特/秒秒(bit/s)，简记为，简记为b/s或或bps；符号：符号：,它它与与N有关。有关。3.与与 之间的互换之间的互换 它们之间在数值上有如下关系：它们之间在数值上有如下关系：2023/2/428 4.多进制与二进制传输速率之间的关系多进制与二进制传输速率之间的关系 码码元元速速率率不不变变，二二进进制制信信息息速速率率与与多多进进制信息速率之间的关系：制信息速率之间的关系：系统信息速率不变，多进制码元速率与系统信息速率不变，多进制码元速率与二进制码元速率之间的关

16、系：二进制码元速率之间的关系：2023/2/4291.4.4 可靠性指标的具体表述可靠性指标的具体表述 数数字字通通信信系系统统可可靠靠性性的的指指标标是是利利用用差差错错率率来衡量。差错率通常有两种表示方法。来衡量。差错率通常有两种表示方法。1.码元差错率（码元差错率（误码率误码率）发发生生差差错错的的码码元元数数在在传传输输总总码码元元数数中中所所占占的的比比例例，也也就就是是说说，误误码码率率就就是是码码元元在在传传输输系统中被传错的概率。系统中被传错的概率。2023/2/430 2.信息差错率（信息差错率（误信率误信率）发生差错的信息量在信息传输总量中所发生差错的信息量在信息传输总量中

17、所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率输系统中被丢失的概率。2023/2/431第第2章章 信道与噪声信道与噪声 2.1 信道的基本概念信道的基本概念 2.2 恒参信道及其对所传信号的影响恒参信道及其对所传信号的影响 2.3 随参信道及其对所传信号的影响随参信道及其对所传信号的影响 2.4 信道的加性噪声信道的加性噪声 2.5 通信中的常见噪声通信中的常见噪声2.6 信道容量的概念信道容量的概念 2.1 信道的基本概念信道的基本概念2.1.1 信道的定义信道的定义 信道，通俗地说，是指以传输媒质为信道，通俗地说，是指以传输媒质为基础的

18、信号通路。具体地说，信道是指由基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。号通过，同时又给信号加以限制和损害。2023/2/4322023/2/4332.1.2 信道的分类信道的分类 信道可大体分成：狭义信道和广义信道。信道可大体分成：狭义信道和广义信道。1.狭义信道狭义信道 狭义信道是指在发端设备和收端设备中狭义信道是指在发端设备和收端设备中间的传输媒介间的传输媒介，它包括有线信道和无线信道。它包括有线信道和无线信道。2.

19、广义信道广义信道 广义信道通常也可分成两种，调制信道广义信道通常也可分成两种，调制信道和编码信道。和编码信道。具体情况见具体情况见p20图。图。2023/2/4342.1.3 信道的数学模型信道的数学模型 1.调制信道模型调制信道模型 调制信道的范围是从调制器输出端到解调制信道的范围是从调制器输出端到解调器输入端。通常它具有如下性质：调器输入端。通常它具有如下性质：（1）有有一一对对(或或多多对对)输输入入端端和和一一对对(或或多多对对)输出端；输出端；（2）绝绝大大部部分分信信道道都都是是线线性性的的，即即满满足足叠加原理；叠加原理；2023/2/435 （3）信号通过信道会出现迟延时间；）

20、信号通过信道会出现迟延时间；（4）信信道道对对信信号号有有损损耗耗它它包包括括固固定定损损耗耗或时变损耗；或时变损耗；（5）即使没有信号输入，在信道的输出）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。端仍可能有一定的功率输出（噪声）。2023/2/436 对于二对端的信道模型来说，其输出与对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间的关系式可表示成：输入之间的关系式可表示成：将上式进一步简化可以写成：将上式进一步简化可以写成：这样信道对信号的影响可归纳为两点：这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰，二是加性干扰n(t)。不同特性的信道

21、，仅反映信道模型有不不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的同的k(t)及及n(t)。2023/2/437 根据根据信道中信道中k(t)的特性不同，可以将信的特性不同，可以将信道分为道分为：恒参信道和变参信道。：恒参信道和变参信道。2.编码信道模型编码信道模型 从编码器输出端到译码器输入端的所有从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。换的方框加以概括，此方框称为编码信道。编码信道的模型可用数字信号的转移概编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。率来描述。2023/2/438 模型中，把

22、模型中，把 、称为信道转称为信道转移概率。以移概率。以 为例，其含义是为例，其含义是“经信道传输，经信道传输，把把0 0转移为转移为1 1的概率的概率”。2023/2/439 转移概率由编码信道的特性决定，一个转移概率由编码信道的特性决定，一个特定的编码信道就会有相应确定的转移概率。特定的编码信道就会有相应确定的转移概率。编码信道可进一步分为无记忆编码信道编码信道可进一步分为无记忆编码信道和有记忆编码信道。和有记忆编码信道。2.2 恒参信道及其对所传信号的影响恒参信道及其对所传信号的影响 由于恒参信道对信号传输的影响是固由于恒参信道对信号传输的影响是固定不变的或者是变化极为缓慢的，因而可定不变

23、的或者是变化极为缓慢的，因而可以等效为一个非时变的线性网络。以等效为一个非时变的线性网络。2.2.1 信号不失真传输条件信号不失真传输条件 网络的传输特性可以表示为：网络的传输特性可以表示为：2023/2/4402023/2/441 要要使使任任意意一一个个信信号号通通过过线线性性网网络络不不产产生生波波形形失失真真，网网络络的的传传输输特特性性应应该该具具备备以以下下两两个个理想条件：理想条件：（1）网络的幅频特性网络的幅频特性 是一个不随频率是一个不随频率变化的常数变化的常数;（2）网络的相频特性网络的相频特性 应与频率成负斜应与频率成负斜率直线关系。率直线关系。2023/2/4422.2

24、.2 幅度频率畸变幅度频率畸变 图2-6 典型音典型音频电话信道的相信道的相对衰耗衰耗 若传输数字信号，会引起相邻数字信号若传输数字信号，会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，即码间串扰。波形之间在时间上的相互重叠，即码间串扰。2023/2/4432.2.3 相位频率畸变（群迟延畸变）相位频率畸变（群迟延畸变）图2-7 典型典型电话信道群信道群迟延延-频率特性率特性 对模拟信号的影响不太严重，但若传输对模拟信号的影响不太严重，但若传输数字信号，会引起严重的码间串扰。数字信号，会引起严重的码间串扰。2023/2/4442.2.4 减小畸变的措施减小畸变的措施 减小幅度减小幅度-频率畸变的

25、措施：改善电话信频率畸变的措施：改善电话信道中的滤波性能，或者再通过一个线性补偿道中的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为施通常称之为“均衡均衡”。减小相位减小相位-频率畸变的措施：采取相位均频率畸变的措施：采取相位均衡技术补偿群迟延畸变。衡技术补偿群迟延畸变。除此之外，还存在其它类型影响信号传除此之外，还存在其它类型影响信号传输的因素。输的因素。2.3 随参信道及其对所传信号的影响随参信道及其对所传信号的影响2.3.1 随参信道传输媒质的特点随参信道传输媒质的特点 典型的传输媒质：典型的传输媒质：电离层反射、

26、对流电离层反射、对流层散射等。层散射等。特点特点 （1）信号的衰耗随时间随机变化；）信号的衰耗随时间随机变化；（2）信号传输的时延随时间随机变化；）信号传输的时延随时间随机变化；（3）多径传播。）多径传播。2023/2/4452023/2/4462.3.2 随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响 1.多径衰落与频率弥散多径衰落与频率弥散 设发射信号为设发射信号为 ，则经过条路径传播，则经过条路径传播后的接收信号可用下式表述。后的接收信号可用下式表述。式中，式中，第第i条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅；第第i条路径的传输时延；条路径的传输时延；第第i条路径的随机相位。条路径的

27、随机相位。2023/2/447 经经过过理理论论分分析析和和实实际际观观察察可可以以得得出出结结论论：、和和 可可看看作作是是缓缓慢慢变变化化的的随随机机过过程程。化化简简后接收信号可用下式表述：后接收信号可用下式表述：其中，其中，是多径信号合成后的包络；是多径信号合成后的包络；是多径信号合成后的相位。是多径信号合成后的相位。包络包络 和相位和相位 都是缓慢变化的随机过程。都是缓慢变化的随机过程。于是，于是，可视为一个窄带随机过程。可视为一个窄带随机过程。2023/2/448 图2-9 2-9 衰落信号的波形与衰落信号的波形与频谱示意示意图 （1）从从波波形形上上看看，多多径径传传播播的的结结

28、果果使使确确定定的的载载频频信信号号变变成成了了包包络络和和相相位位都都随随机机变变化化的的窄带信号，这种信号称为衰落信号；窄带信号，这种信号称为衰落信号；2023/2/449 （2）从从频频谱谱上上看看，多多径径传传播播引引起起了了频频率率弥弥散散（色色散散），即即由由单单个个频频率率变变成成了了一一个个窄窄带频谱；带频谱；通通常常将将由由于于电电离离层层浓浓度度变变化化等等因因素素所所引引起起的的信信号号衰衰落落称称为为慢慢衰衰落落；而而把把由由于于多多径径效效应引起的信号衰落称为快衰落。应引起的信号衰落称为快衰落。2023/2/4502.频率选择性衰落与相关带宽频率选择性衰落与相关带宽

29、当发送的信号是具有一定频带宽度的信当发送的信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播会产生频率选择性衰落。号时，多径传播会产生频率选择性衰落。下面下面假定多径传播的路径只有两条的情假定多径传播的路径只有两条的情况进行分析。况进行分析。令发送信号为令发送信号为f(t)，其频谱函数为，其频谱函数为F(w)。则到达接收点的两路信号，具有相同的衰减，则到达接收点的两路信号，具有相同的衰减，这样它们可分别表示为：这样它们可分别表示为：2023/2/451当这两条传输路径的信号合成后得当这两条传输路径的信号合成后得：相应于它的傅氏变换对为相应于它的傅氏变换对为 因此，信道的传递函数为因此，信道的传递函数为

30、其幅频特性为其幅频特性为 2023/2/452 图2-10 两条路径两条路径传播播时选择性衰落性衰落特性特性 当一个传输信号的频谱宽于当一个传输信号的频谱宽于1/时，时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率选择性衰落，简称选择性衰落。频率选择性衰落，简称选择性衰落。2023/2/453 上述概念可推广到一般的上述概念可推广到一般的多径传播中去。多径传播中去。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差延差 来表征，并用它来估算传输零极来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。点在频率轴上的位置。设信道的最大时

31、延差为设信道的最大时延差为 ，则相，则相邻两个零点之间的频率间隔为：邻两个零点之间的频率间隔为：这个频率间隔通常称为多径传播信道的这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关带宽。相关带宽。2023/2/4542.3.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善 对于慢衰落，主要采取加大发射功率和对于慢衰落，主要采取加大发射功率和在接收机内采用自动增益控制等技术和方法在接收机内采用自动增益控制等技术和方法即可。即可。对于快衰落，通常可采用多种措施，例对于快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制如，各种抗衰落的调制/解调技术、抗衰落接解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中明显有效且常用收技术

32、及扩频技术等。其中明显有效且常用的抗衰落措施是的抗衰落措施是分集接收技术分集接收技术。2023/2/455 1.分集接收的基本思想分集接收的基本思想 基本思想基本思想：如果能在接收端同时获得几：如果能在接收端同时获得几个不同的合成信号，并将这些信号适当合并个不同的合成信号，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。的影响。要求要求：只有被分集的几个合成信号之间：只有被分集的几个合成信号之间是统计独立的，合并后才能使系统性能改善。是统计独立的，合并后才能使系统性能改善。2023/2/456 2.分散得到合成信号的方式分散得到合成信号的

33、方式 为了获取互相独立或基本独立的合成信为了获取互相独立或基本独立的合成信号，大致有如下几种分集方式。号，大致有如下几种分集方式。（1）空间分集；）空间分集；（2）频率分集；）频率分集；（3）角度分集；）角度分集；（4）极化分集。）极化分集。2023/2/457 3.集中合成信号的方式集中合成信号的方式 对各分散的合成信号进行合并的方法有对各分散的合成信号进行合并的方法有多种，最常用的有：多种，最常用的有：（1）最佳选择式；）最佳选择式；（2）等增益相加式；）等增益相加式；（3）最大比值相加式。）最大比值相加式。以上合并方式中最大比值合并方式性能以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益相

34、加方式次之，最佳选择方式最好，等增益相加方式次之，最佳选择方式最差。最差。2.4 信道的加性噪声信道的加性噪声 根据信道中加性噪声的来源不同，可根据信道中加性噪声的来源不同，可以粗略地分为以下四类：以粗略地分为以下四类：（1）无线电噪声；）无线电噪声；（2）工业噪声；）工业噪声；（3）天电噪声；）天电噪声；（4）内部噪声。）内部噪声。2023/2/4582023/2/459从噪声性质来区分可有：从噪声性质来区分可有：（1）单频噪声）单频噪声;（2）脉冲干扰）脉冲干扰;（3）起伏噪声。）起伏噪声。其中影响最大的是起伏噪声，它是通信其中影响最大的是起伏噪声，它是通信系统最基本的噪声源。系统最基本的

35、噪声源。而起伏噪声主要包括：而起伏噪声主要包括：信道内所有的热信道内所有的热噪声、散弹噪声和宇宙噪声等。噪声、散弹噪声和宇宙噪声等。2.5 通信中的常见噪声通信中的常见噪声2.5.1 白噪声白噪声 定义：定义：白噪声是指它的功率谱密度函白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从均匀分布。数在整个频域内是常数，即服从均匀分布。白噪声的功率谱密度函数为：白噪声的功率谱密度函数为：双边谱密度：双边谱密度：单边谱密度：单边谱密度：2023/2/4602023/2/461 功率信号的功率谱密度与其自相关函数功率信号的功率谱密度与其自相关函数互为傅氏变换对：互为傅氏变换对：图2-11 白噪声的

36、功率白噪声的功率谱密度与自相密度与自相关函数关函数 2023/2/4622.5.2 高斯噪声高斯噪声 定义：定义：高斯噪声是指它的概率密度函数高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。其一维概率密度函数可用数学表达式表示为：其一维概率密度函数可用数学表达式表示为：a为噪声的数学期望值，也就是均值；为噪声的数学期望值，也就是均值；为噪声的方差。为噪声的方差。2023/2/463 在噪声均值为零时，噪声的平均功率等在噪声均值为零时，噪声的平均功率等于噪声的方差。于噪声的方差。在通信系统的性能分析中，常常通过求在通信系统的性能分析中，常常

37、通过求自相关函数或方差的方法来计算噪声的功率。自相关函数或方差的方法来计算噪声的功率。2023/2/464高斯概率密度函数的进一步讨论：高斯概率密度函数的进一步讨论：图2-12 正正态分布的概率密度函数分布的概率密度函数 （1）对称于直线对称于直线 ，即有即有 2023/2/465 （2）在在 内单调上升，在内单调上升，在 内单内单调下降，且在调下降，且在a点处达到极大值点处达到极大值 ;（3）（4）a表示分布中心，表示分布中心，表示集中的程度。表示集中的程度。（5）当）当 ，时，相应的正态分布称为时，相应的正态分布称为标准化正态分布，这时有标准化正态分布，这时有 2023/2/466 已知概

38、率密度函数的前提下，正态概率已知概率密度函数的前提下，正态概率分布函数可以表示为：分布函数可以表示为：与正态分布相关的还有误差函数与正态分布相关的还有误差函数 和互和互补误差函数补误差函数 ，它们的定义式分别为：，它们的定义式分别为：2023/2/467 可以证明，利用误差函数的概念，正态可以证明，利用误差函数的概念，正态分布函数可表示为：分布函数可表示为：为了方便以后分析，在此给出误差函数为了方便以后分析，在此给出误差函数和互补误差函数的主要性质：和互补误差函数的主要性质：2023/2/468 （1）误差函数是递增函数，它具有如下）误差函数是递增函数，它具有如下性质：性质：（2）互互补补误误

39、差差函函数数是是递递减减函函数数，它它具具有有如下性质：如下性质：2023/2/4692.5.3 高斯型白噪声高斯型白噪声 定义：定义：高斯型白噪声也称高斯白噪声，高斯型白噪声也称高斯白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。类噪声。2.5.4 窄带高斯噪声窄带高斯噪声 1.窄带高斯噪声的定义与表达式窄带高斯噪声的定义与表达式 定义：定义：当高斯噪声通过以当高斯噪声通过以 为中心角频为中心角频率的窄带系统时，就可形成窄带高斯噪声。率的窄带系统时，就可形成窄带高斯噪声。2

40、023/2/470窄带高斯噪声可表示为：窄带高斯噪声可表示为：式式中中，为为噪噪声声的的随随机机包包络络；为为噪噪声声的的随随机机相相位位，相相对对于于载载波波的的变变化化而而言言，它它们们的的变变化化要缓慢的多。要缓慢的多。2023/2/471窄带高斯噪声的另外一种表达形式：窄带高斯噪声的另外一种表达形式：其中其中 式中式中 及及 分别称为的同相分量和正交分别称为的同相分量和正交分量，其变化相对于载波要缓慢的多。分量，其变化相对于载波要缓慢的多。2023/2/472 2.统计特性统计特性 （1）一个均值为零，方差为一个均值为零，方差为 的窄带高的窄带高斯噪声，假定它是平稳随机过程，则它的同斯

41、噪声，假定它是平稳随机过程，则它的同相分量相分量 、正交分量、正交分量 同样是同样是平稳高斯噪声，平稳高斯噪声，且均值都为零，方差也相同。即且均值都为零，方差也相同。即 2023/2/473 （2）该）该窄带高斯噪声其随机包络服从瑞窄带高斯噪声其随机包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。即利分布，相位服从均匀分布。即2023/2/4742.5.5 正弦信号加窄带高斯噪声正弦信号加窄带高斯噪声 正弦信号加窄带高斯噪声后的合成信号正弦信号加窄带高斯噪声后的合成信号可以表示为：可以表示为：2023/2/475 可以证明，正弦信号加窄带高斯噪声所可以证明，正弦信号加窄带高斯噪声所形成的合成信号具有如下统

42、计特性：形成的合成信号具有如下统计特性：（1）随机包络服从广义瑞利分布（也称随机包络服从广义瑞利分布（也称莱斯（莱斯（Rice）分布）分布）。（2）随机相位分布与信道中的信噪比有）随机相位分布与信道中的信噪比有关，不再是均匀分布了。当信噪比很小时，关，不再是均匀分布了。当信噪比很小时，它接近于均匀分布它接近于均匀分布。2.6 信道容量的概念信道容量的概念 1.信道容量的定义信道容量的定义 在信息论中，称信道无差错传输信息在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率为信道容量，记之为的最大信息速率为信道容量，记之为C。信道可以分为：离散信道（编码信道）信道可以分为：离散信道（编码信道）和连续信

43、道（调制信道）。和连续信道（调制信道）。2023/2/4762023/2/477 2.山农公式山农公式 假设连续信道的加性高斯白噪声功率为假设连续信道的加性高斯白噪声功率为N（W），信道的带宽为），信道的带宽为B（Hz），信号功率），信号功率为为S（W），则该信道的信道容量为），则该信道的信道容量为:当信道特性（当信道特性（B、S和和n0）给定以后，）给定以后，上式表示理论上单位时间内可能传输的信息上式表示理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。量的极限数值。2023/2/478 3.关于山农公式的几点讨论关于山农公式的几点讨论 （1）在给定）在给定B、S/B的情况下，信道的极的情况下，信

44、道的极限传输能力为限传输能力为C，而且此时能够做到无差错，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。传输（即差错率为零）。（2）提高信噪比，可提高信道容量。）提高信噪比，可提高信道容量。（3）增加信道带宽，也可有限的增加信）增加信道带宽，也可有限的增加信道的容量。道的容量。（4）信道容量可以通过系统带宽与信噪）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。比的互换而保持不变。2023/2/479第第3章章 模拟调制系统模拟调制系统 3.1 幅度调制的原理幅度调制的原理 3.2 线性调制系统的抗操声性能线性调制系统的抗操声性能 3.3 角度调制（非线性调制）的原理角度调制（非线性调制）的原

45、理及抗噪声性能及抗噪声性能 3.4 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较3.5 频分复用（频分复用（FDM）2023/2/480 调制的定义调制的定义：是按原始电信号的变化规律：是按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的过程。去改变载波某些参量的过程。调制的方式调制的方式：模拟调制和数字调制模拟调制和数字调制；正正弦波和脉冲调制弦波和脉冲调制。调制的目的：调制的目的：进行频谱搬移，把调制信号进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。信息传输的有效性和可靠性。调制的种类：调制的种类：AM、DSB-S

46、C、SSB、VSB、FM和和PM。1.1 幅度调制的原理幅度调制的原理 3.1.1 幅度调制的一般模型幅度调制的一般模型 定义：定义：用调制信号去用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变使其按调制信号的规律变化的过程。化的过程。2023/2/4812023/2/4823.1.2 常规双边带调幅（常规双边带调幅（AM）1.AM信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 若假设滤波器为全通网络：若假设滤波器为全通网络：为了保证包络检波时不发生失真，必须满足为了保证包络检波时不发生失真，必须满足 2023/2/483 AM信信号号是是带带有有载载波波的

47、的双双边边带带信信号号，它它的的带带宽为基带信号带宽的两倍，即宽为基带信号带宽的两倍，即2023/2/484 2.AM信号的功率分配及调制效率信号的功率分配及调制效率 已调信号功率为：已调信号功率为：调制效率：调制效率：显然，显然，AM信号的调制效率总是小于信号的调制效率总是小于1。例题例题2023/2/485 3.AM信号的解调信号的解调 调制的逆过程叫做解调。调制的逆过程叫做解调。AM信号的解调信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。方法有两种：相干解调和包络检波解调。（1）相干解相干解调 用一个低通滤波器，就无失真的恢复出用一个低通滤波器，就无失真的恢复出原始的调制信号：原始的调制

48、信号：2023/2/486（2）包包络检波法波法 电电路路由由二二极极管管D、电电阻阻R和和电电容容C组组成成。RC满足条件：满足条件：这这时时，包包络络检检波波器器的的输输出出与与输输入入信信号号的的包包络十分相近，即：络十分相近，即：2023/2/4873.1.3 抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）1.DSB信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 2023/2/488 DSB信号不能进行包络检波，需采用相干信号不能进行包络检波，需采用相干解调；除不含有载频分量离散谱外，解调；除不含有载频分量离散谱外，DSB信信号的频谱由上下对称的两个边带组成。故号的频谱由

49、上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带信号是不带载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍。宽为基带信号带宽的两倍。2.DSB信号的功率分配及调制效率信号的功率分配及调制效率 显然，显然，DSB信号的调制效率为信号的调制效率为100%。2023/2/4893.DSB信号的解调信号的解调 DSB信号只能采用相干解调，则乘法器输信号只能采用相干解调，则乘法器输出为：出为：经低通滤波器滤除高次项，得经低通滤波器滤除高次项，得 2023/2/4903.1.4 单边带调制（单边带调制（SSB）由于由于DSB信号的上、下两个边带是完全信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带

50、了调制信号的全部信息，因对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。一个边带就够了。1.SSB信号的产生信号的产生 （1）率波法）率波法2023/2/4912023/2/492（2）用相移法形成用相移法形成SSB信号信号 可以证明，可以证明，SSB信号的时域表示式为：信号的时域表示式为：式中，式中，“”对应上边带信号，对应上边带信号，“+”对应下对应下边带信号；边带信号；是是 的希尔的希尔伯特变换。伯特变换。2023/2/4932.SSB信号带宽、功率和调制效率信号带宽、功率和调制效率3.SSB信号的解调信号