通信原理教学课件电子教案全书课件.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,北京邮电大学出版社,课件系列,单击此处编辑母版标题样式,走信息路 读北邮书,本书的封面,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,本书的封面,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,课程名称,课件,第,1,章 通信系统概述,第,2,章 信号分析,第,3,章,信道与噪声,第,4,章,模拟调制,第,5,章,模拟信号的数字传输,第,6,章,数字基带传输,通信原理,课件,走信息路 读北邮书,第,7,章,数字调制,第,8,章,差错控制编码,第,9,章,同步原理,课程名称,课件,第,1,章 通信系统概述,第,2,章 信号分析,第,3,章,信道与噪声,第,4,章,模拟调制,第,5,章,模拟信号的数字传输,第,6,章,数字基带传输,通信原理,课件,走信息路 读北邮书,第,7,章,数字调制,第,8,章,差错控制编码,第,9,章,同步原理,1.1,通信的基本概念,1.2,通信系统的组成,1.3,信息及其度量,1.4,通信系统的分类及通信方式,1.5,通信系统主要性能指标,通信的基本概念,1.1,通信（,communication,），就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。,利用“电”来传递消息的通信方法称为,电信,(Telecommunication),，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。,1,消息,我国,古代,就把客观世界的变化，把它们的发生、发展和结局，把它们的枯荣、聚散、沉浮、升降、兴衰、动静、得失等等变化中的事实称之为“消息”。只是到了,近代,才逐渐成为一种固定的新闻载体，所以“消息”又叫新闻。,在日常生活中，,把关于人或事物的报道称为消息,。通信的目的是传输含有信息的消息。在通信系统中传输的是各种各样的消息，而这些被传送的消息有着各种不同的形式。例如：,文字、符号、数据、语言、音符、图片、图像,等。,2,信息,1948,年，美国数学家、信息论的创始人,仙农,在题为“通讯的数学理论”的论文中指出：“信息是用来消除随机不定性的东西”。,1948,年，美国著名数学家、控制论的创始人,维纳,在,控制论,一书中，指出：“信息就是信息，既非物质，也非能量。”,信息是指消息中包含的有意义的内容,，它是通过消息来表达的，消息是信息的载体。,3,信号,信号是消息的物理载体,。在通信系统中信号,以电（或光）的形式进行处理和传输。,信号基本上可分为两大类：,模拟信号,和,数字,信号,。,如果信号的幅度随时间作连续的、随机的变,化，称为模拟信号。,如果信号的幅度随时间的变化只具有离散的。,有限的状态，称为数字信号。,4,电信,ITU,对电信的定义是：利用有线、无线、光或者其他电磁系统传输、发射或接收符号、文字、图像、声音或其它任何形式的信息。,通信系统的组成,1.2,1.2.2,模拟通信系统的模型,1.2.1,通信系统的模型,1.2.3,数字通信系统的模型,通信系统的模型,1.2.1,1,信源,信源是指信息源，信息的发送者。,2,发送设备,发送设备是许多电路与系统的总称，其作用是将信,源输出的信号进行处理，变换成适合在信道上传送,的信号，送往信道。,3,信道和噪声源,信道是信号传输的通路，其作用是将来自发,送端的信号发送到接收端。,噪声来源于三个方面：,一是通信设备内部由于电子作不规则运动而产生的,热噪声,；,二是来自,外部的噪声,；,三是由于,信道特性,（幅频和相频特性）不理想，使得传输的信号变形失真而产生的干扰。,4,接收设备,接收设备的功能正好与发送设备相反，它将从收到的含噪信号中恢复提取出有用的原始信号。,5,信宿,信宿与信源相对应，是信息的接收者。其作用是将由接收设备复原的原始信号转换成相应的消息，,模拟通信系统的模型,1.2.2,模拟通信系统传输连续的,模拟信号,，,占用带宽窄,，如每路语音信号带宽仅为,4kHz,。在信号的传输过程中，噪声叠加于信号之上，并随传输距离的增加而加强，在接收端很难将信号和噪声分离，,系统的抗干扰能力较弱且不适于长距离信号传输,。,数字通信系统的模型,1.2.3,1,信源编码器与信源译码器,信源编码器,是将信源送出的信号进行适当处理，产生周期性符号序列，使其变成合适的数字编码信号。,信源译码器,实现信源编码的逆过程，即解压缩和数,/,模转换。,2,加密器与解密器,加密器,主要用于需要保密的通信系统。加密处理的过程是采用复杂的密码序列，对信源编码输出的数码序列进行人为“扰乱”。,解密器,实现的是加密器的逆过程，即从加密的信息中恢复出原始信息。,3,信道编码器与信道译码器,信道编码,是为了提高数字传输的可靠性，对传输中产生的差错采用的差错控制技术，也称为差错控制编码。,信道译码器,完成信道编码器的逆过程，即从编码的信息中恢复出原始信息。,4,数字调制器与数字解调器,数字调制器,将数字基带信号变换成适合于信道传输的频带信号。,数字解调器,完成数字调制器的逆过程，即将收到的频带信号还原为数字基带信号。,数字通信系统优点,（,1,）抗干扰、抗噪声能力强，无噪声积累。,（,2,）便于加密处理，保密性强。,（,3,）差错可控。,（,4,）利用现代技术，便于对信息进行处理、存储和交换。,（,5,）便于集成化，使通信设备微型化。,数字通信系统缺点,（,1,）数字信号占用的频带宽。,（,2,）对同步要求高，系统设备比较复杂。,1,信息量定义,传输信息的多少用“信息量”来衡量。,概率论告诉我们，事件的不确定程度，可以用,其出现的,概率,来描述。即事件出现的可能性越,小，则概率就越小，反之，则概率就越大。,信息及其度量,1.3,设信源是由,q,个离散符号（事件）组,成的集合。每个符号的发生是相互独立的，第,i,个符号 出现的概率是 ，且 满足非,负、归一性，即 ，则第,i,个 符号 含有的信息量为,几点说明：,1,、信息量是消息的不确定程度,2,、信息具有可加性,3,、信息量的单位与对数的底数有关（比特,bit,）,4,、等概率的数字信号的信息量,2,熵的概念,若各符号的出现统计独立，即信源是无记忆,的，则平均每符号的信息量为,熵的性质：,1,、熵是每符号的平均信息量,2,、熵是非负的,3,、信源符号等概率发生时，熵具有最大值,4,、信源符号不等概率时，,H,（,S,）,H,max,（,S,）,【,例,1.3.1】,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。试求某信息,1022,，,0102,，,0130,，,2130,，,2120,3210,1003,2101,0023,1020,0201,0312,0321,0012,0210,的信息量。,0,：,23,次，,1,：,15,次，,2,：,15,次，,3,：,7,次,方法,2,：,方法,1,：,练习,某信源符号集由,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,组成，设每个符号独立出现，其概率分别为,1/4,、,1/4,、,1/16,、,1/8,、,1/16,、,1/4,，试求该信息源输出符号的平均信息量。,通信系统的分类及通信方式,1.4,1.4.2,通信方式,1.4.1,通信系统的分类,通信系统的分类,1.4.1,1,按信号特征分类,模拟通信系统和数字通信系统,2,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、图像通信系统等,3,按调制方式分类,基带传输系统和频带传输系统,4,按传输媒介分类,有线通信系统和无线通信系统,5,按信号复用方式分类,频分复用（,FDM,）、时分复用（,TDM,）、码分复用（,CDM,）和波分复用（,WDM,）。,通信方式是指信息在信道上传送所采取的方式。,如按信息码元传输的顺序可以分为,并行传输,和,串行传输,；,如按信息传输的同步方式可分为,同步传输,和,异步传输,；,如按信息传输的流向和时间关系可分为,单工,、,半双工,和,全双工,传输。,通信方式,1.4.2,1,并行传输与串行传输,（,1,）并行传输,并行传输指的是信息码元以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。,并行传输的主要优点是,：,系统采用多个信道并行传输，一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符同步问题，不需要额外的措施来实现收、发双方的字符同步。,传输速度快，一位（比特）时间内可传输一个字符。,并行传输的主要缺点是,：,通信成本高。每位传输要求一个单独的信道支持，因此，如果一个字符包含,8,个二进制位，则并行传输要求,8,个独立的信道的支持。,不支持长距离传输。由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低，因此较少使用。适于在一些设备之间的距离较近时采用，例如，计算机和打印机之间的数据传送。,（,2,）串行传输,串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流以串行的方式在一条信道上传输。,（,1,）需外加同步措施。,（,2,）串行传输只需要一条传输信道，易于实现，是目前主要采用的远距离传输时一种传输方式。,2,同步传输与异步传输,（,1,）异步传输,异步传输方式一般以,字符,为单位传输，发送每一个字符代码时，都要在前面加上一个,起始位,，长度为,1,个码元长度，极性为“,0”,，表示一个字符的开始；后面加上一个,终止位,，长度为,1,、,1.5,或,2,个码元长度。,异步传输的优点是实现字符同步比较简单，收、发双方的时钟信号,不需要严格同步,。缺点是对每个字符都需加入起始位和终止位（即增加,2bit3bit,），,降低了传输效率,。,（,2,）同步传输,同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行信息流中，各信号码元之间的相对位置是固定的（即同步）。,两种同步方式，即,字符同步,和,帧同步,。,同步传输方式与异步传输方式相比，由于它发送每一个字符时不需要对每个字符单独加起始位和终止位，只是在一串字符的前后加上标志序列，故具有,较高的传输效率,，但,实现起来比较复杂,。,3,单工、半双工和全双工传输,通信系统主要性能指标,1.5,1.5.2,数字通信系统的主要性能指标,1.5.1,模拟通信系统的主要性能指标,1,有效性指标,对于模拟通信系统来说，信号传输的有效性通常可用,有效传输频带,来衡量，即在指定信道内所允许同时传输的最大通路数。,2,可靠性指标,模拟通信系统中信号传输的可靠性通常采用,接收端输出信噪比（,S/N,）,来衡量。,模拟通信系统的主要性能指标,1.5.1,1,有效性指标,（,1,）码元传输速率（,R,B,）,定义,：每秒传输信号码元的数目，又称调制速率、符号速率、波特率。单位：波特（,Baud,），简写为,B,或,Bd,，用符号,R,B,表示。,如果信号码元持续时间（时间长度）为,T,（单位为,s,），那么，码元传输速率公式为：,数字通信系统的主要性能指标,1.5.2,（,2,）信息传输速率（,R,b,）,定义,：每秒传输的信息量。单位：比特,/,秒（,bit/s,），用符号,R,b,表示。,（,3,）频带利用率（）,【,例,1.5.1】,某二进制系统,1,分钟传送了,18000bit,信息。问：,（,1,）其码元传输速率和信息传输速率各为多少？,（,2,）若改用八进制传输，则码元传输速率和信息传输速率各为多少？,练习,某一数字传输系统传输二进制码元的速率为,2400B,，该系统的信息传输速率是多少？若改为十六进制信号传输，码元传输速率不变，则此时的信息传输速率是多少？,2,可靠性指标,（,1,）误码率（,P,e,）,定义,：通信过程中系统传错的码元数目与所传输的总码元数目之比，即传错码元的概率。记为：,（,2,）误比特率（,P,b,）,定义,：通信过程中系统传错的信息比特数目与所传输的总信息比特数之比，即传错信息比特的概率，也称误信率。记为：,（,3,）误字符率或误码组率,定义,：通信过程中系统传错的字符（码组）数与所传输的总字符（码组）数之比，即传错字符（码组）的概率。记为：,【,例,1.5.2】,在强干扰环境下，某电台在,5min,内共接收到正确信息量,355kbit,，假设系统信息传输速率为,1200bit/s,。问：,（,1,）系统的误信率 是多少？,（,2,）若具体指出系统所传数字为四进制信号，其误信率 是否改变？为什么？,练习,已知某四进制数字传输系统的信息传输速率为,2400bit/s,，接收端在半小时内共收到,216,个错误码元，试计算该系统的误码率。,谢,谢！,通信系统概述,第,2,章 信号分析,第,3,章,信道与噪声,第,4,章,模拟调制,第,5,章,模拟信号的数字传输,第,6,章,数字基带传输,通信原理,课件,第,7,章,数字调制,第,8,章,差错控制编码,第,9,章,同步原理,课程名称,课件,第,1,章 通信系统概述,第,2,章 信号分析,第,3,章,信道与噪声,第,4,章,模拟调制,第,5,章,模拟信号的数字传输,第,6,章,数字基带传输,通信原理,课件,第,7,章,数字调制,第,8,章,差错控制编码,第,9,章,同步原理,2.1,信号概述,2.2,确知信号分析,2.3,随机信号分析,信号概述,2.1,2.1.1,信号的概念,2.1.2,信号的分类,2.1.3,几种常见信号,2.1.4,信号的时域分析和频域分析,“,信号”来源于拉丁文“,signum(,记号,)”,一词，其含意甚广。,“信号”这一术语不仅出现于科学技术领域之中，而且在,日常生活,之中每时每刻几乎都与信号打交道，人们对信号并不陌生。,上课的铃声就是一种信号，火车、船舶的汽笛声，汽车的喇叭声也都是一种信号，这些都是,声信号,。,信号的概念,2.1.1,道路交叉路口和铁路轨道旁设置的红绿灯光是一种信号，发射信号弹的闪烁亮光也是一 种信号，这些都是,光信号,。,收音机和电视机天线从天空中接收到的电磁波是信号，它们每一级电路的输入、输出电压,(voltage),或电流,(current),也是信号，这都是,电信号,。,除此之外，还有,电视机和计算机显示器屏幕上的图像文字信号,，,交警指挥的手势信号,，,军舰使用的旗语信号,等等。,所有这些五花八门的信号，虽然它们的物理表现形式各不相同，但是它们却存在两个共同特点：,（,1,）无论是声信号、光信号、电信号，还是其它形式的信号，其本身都是一种变化着的物理量；,（,2,）另一个特点则表现为，信号都包含有一定意义。,信号,就是用于描述、记录或传输的消息,(,或者说信息,),的任何对象的物理状态随时间的变化过程。简单而言，信号就是载有一定信息,(,或消息,),的一种变化着的物理量。也可说，信号就是载有一定信息的一种物理体现。,人们用来传递信息的信号主要是电信号。电信号传播速度快，日常许多非电的物理量如压力、流速、声音、图像等都可以,利用转换器变换为电信号进行处理、传输,。,上课电铃声的这种声信号和指挥交通的红绿灯这种光信号，都是由电信号控制和推动而得到的。,作为声信号的语言通过话筒变换成电信号，放大之后推动扬声器又将其复原成语言信号，使之在较远处也能听到。,景物图像的光信号通过电视摄像机变成电信号，电视发射台加工处理之后以电磁波形式辐射到空间，远处的电视接收机收到辐射的电磁波后再一次加工处理使之在电视机屏幕上显示原景物的图像信号。,所谓,电信号,(,以后简称为信号,),，一般指载有信息的随时间而变化的电压或电流，也可以是电容上电荷、线圈中的磁通及空间中的电磁波等电量。,1,确知信号和随机信号,确知信号是指能够表示为确定的时间函数,的信号，也称确定性信号。,确知信号分为周,期信号和非周期信号,。,随机信号不是时间,t,的确定函数，它在每一,个确定时刻的分布值是不确定的，只能通过,大量试验测出它在某些确定时刻上取某些值,的可能性的分布,(,概率分布,),，也称不确定性信,号。,信号的分类,2.1.2,信号的分类,确知信号的分析是随机信号分析的基础，,本书重点分析确知信号的特性。,（,1,）周期信号,周期信号是指经过一定时间间隔周而复始重复出现，无始无终的信号，可表达为,（,2,）非周期信号,非周期信号是指时域上不周期重复，但仍能用数学表达式表达的确定性信号。,2,连续（时间）信号和离散（时间）信号,连续信号是指对每个实数,t,（有限个间断点,除外）都有定义的函数，连续信号的幅值可,以是连续的，也可以是离散的。,离散信号是指仅在某些不连续的时刻有定义,的信号，,其幅值可以是连续的也可以是离散的,。,离散时间信号,数字信号,抽样信号,3,能量信号和功率信号,在一个周期内，,R,消耗的能量,平均功率可表示为,设,i,(,t,),为流过电阻,R,的电流，,v,(,t,),为,R,上的电压,瞬时功率为,讨论上述两个式子，只可能出现两种情况：,(,有限值,),(,有限值,),满足,式的称为,能量信号,，满足,式称,功率信号,。,定义：,一般说来，能量总是与某一物理量的平方成正比,。,令,R,=1,，则在整个时间域内，实信号,f,(,t,),的,平均功率,能量,一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。,一般持续时间无限的信号都属于功率信号,:,1,正弦信号,几种常见信号,2.1.3,正弦信号的三要素：,A,为振幅，,为,角频率（弧度,/,秒），,为初始相角（弧度）,2,矩形脉冲信号,3,抽样信号,Sa,（,t,）,4,单位阶跃信号,例,1,：,E,t,所以，矩形脉冲,G,(,t,),可表示为,因为,E,t,t,E,5,单位冲激信号,用极限定义单位冲激信号,(,t,),t,(1),t,例如：,用矩形脉冲取极限定义,单位冲激信号的性质,筛选特性,是偶函数,与单位阶跃信号的关系,冲激函数可以把冲激所在位置处的函数值抽取（筛选）出来。,（,3,）,（,1,）,t,0,1,t,0,u,(,t,),计算,(1)co,st,(,t,),；,(2)(,t,-1),(,t,),；,解,(1)co,st,(,t,)=,(,t,),，因为,co,s,0=1,。,(2)(,t,-1),(,t,)=-,(,t,),，因为,(,t,-1)|,t,=0,=-1,。,练习,信号的时域分析和频域分析,2.1.4,表,2-1,信号的时域描述与频域描述,定义：,时域分析：描述信号的幅值随时间的变化规律，可直接检测或记录到的信号。,频域分析,：以频率作为独立变量的方式，也就是信号的频谱分析。,特点：,直观、可以反映信号随时间变化过程，但不能揭示信号的频率结构特征。,可以反映信号的各频率成分的幅值和相位特征。,确知信号分析,2.2,2.2.2,非周期信号及其频谱,2.2.1,周期信号及其频谱,1,信号分解为正交函数,周期信号及其频谱,2.2.1,正交函数和正交函数集,若满足,则称,和,在区间（,t,1,t,2,）内,正交,。,正交函数集,如有,n,个函数,构成一个函数集，当这些函数在区间（,t,1,t,2,）内满足,三角函数集在区间（,t,0,，,t,0,+T,）组成正交函数集。,傅里叶,1768,年生于法国,1807,年提出“任何周期信号都可用正弦函数级数表示”,1829,年狄里赫利第一个给出收敛条件,拉格朗日反对发表,1822,年首次发表在“热的分析理论”一书中,1830,年去世,傅立叶的两个最主要的贡献,“,周期信号都可表示为谐波关系的正弦信号的加权和”,傅里叶的第一个主要论点,“非周期信号都可用正弦信号的加权积分表示”,傅里叶的第二个主要论点,2,傅里叶级数,（,1,）傅里叶级数的三角函数展开式,基波角频率,n,次谐波角频率,直流分量幅度,余弦分量幅度,正弦分量幅度,令,则,称为,n,次谐波，,是,n,次谐波的振幅，,是其初相角。,周期信号可以分解为各次谐波分量。,【,例,2.2.1】,将图,2-12,所示的正弦周期的方波信号展开为傅里叶级数。,解：,（,2,）傅里叶级数的指数形式,3,周期信号的频谱,（,1,）周期信号的频谱,为了直观地表示出信号所含分量的振幅，以频率（或角频率）为横坐标，以各谐波的振幅 或虚指数函数的幅度 为纵坐标，可画出如图,2-14,所示的线图，称为幅度（或振幅）频谱，简称,幅度谱,。图中每条竖线代表该频率分量的幅度，称为谱线。,类似地，也可画出各谐波初相角 与频率,（或角频率）的线图，如图,2-14,（,c,）、（,d,）所示，称为相位频谱，简称,相位谱,。,幅度频谱,：以频率,f,（或角频率,w,）为横坐标，,A,n,或,Fn,为纵坐标。,相位频谱,：以频率,f,（或角频率,w,）为横坐标，为纵坐标。,（,2,）周期矩形脉冲的频谱,单边和双边幅度频谱和相位频谱,脉冲宽度与频谱的关系,当周期,T,不变，脉宽,减小,时，谱线间隔,不变,，零点位置,右移,，频宽,B,增大,，频谱幅度相应,减小,信号的频宽与脉宽,成反比,。,周期与频谱的关系,当,脉宽 不变，周期,T,增大,时，谱线间隔,减小,，谱线变密，零点位置,不变,，谐波分量,增加,，谐波幅度相应,减小,。,当,T=2,5,10,时周期矩形波的频谱,周期信号频谱具有以下几个特点：,第一为,离散性,，此频谱由不连续的谱线组成，每一条谱线代表一个正弦分量，所以此频谱称为不连续谱或离散谱。,第二为,谐波性,，此频谱的每一条谱线只能出现在基波频率,的整数倍频率上，即含有,的各次谐波分量，而决不含有非,的谐波分量。,第三为,收敛性,，此频谱的各次谐波分量的振幅虽然随,n,的变化有起伏变化，但总的趋势是随着,n,的增大而逐渐减小。当,n,时，,|,F,n,|0,。,非周期信号及其频谱,2.2.2,非周期信号,是指在时域上不按周期重复出现，但仍可用准确的解析数学关系表达的信号。,非周期信号包括,准周期信号,和,瞬变非周期信号,两类。,（,1,）,准周期信号,若各正,(,余,),弦信号的频率比不是有理数，正,(,余,),弦信号间找不到公共的周期，它们在合成后不可能经过某一周期重复，所以,合成后不可能是一个周期信号,，但是这样的一种信号,在频域表达上却是离散频谱,，这种信号称之为准周期信号。,（,2,）,瞬变非周期信号,瞬变非周期信号是指除准周期信号以外的非周期信号。,图,2-19,瞬变非周期信号,1,傅里叶变换,从傅里叶级数到傅里叶变换,若将非周期信号看作是周期信号,T,的极限情况，非周期信号就可以表示为,以,周期矩形脉冲,为例，当,T,时，周期信号就变成单脉冲信号的非周期信号。随着,T,的增大，离散谱线间隔,就变窄；当,T,，,0,时，,离散谱就变成了连续谱。,2,傅里叶变换与非周期信号的频谱,非周期信号的频谱具有两大特点：,连续性,密度性,图,2-20,非周期信号的幅值谱密度,【,例,2.2.1】,求图,2-21,（,a,）所示的单个矩形脉冲的频谱，其中,(,a,),门函数；,(b),门函数的频谱；,(c),幅度谱；,(d),相位谱,F,(,j,w,),w,t,2,p,t,4,p,t,2,p,t,4,p,t,(,b,),o,g,t,(,t,),t,2,2,1,(,a,),F,(,w,),w,t,2,p,t,4,p,t,(,c,),2,p,t,4,p,t,o,(,w,),w,p,2,p,t,4,p,t,(,d,),2,p,t,4,p,t,o,p,j,o,3,傅,里,叶,变,换,的,性,质,3,傅里叶变换的性质,（,1,）,线性叠加,（,2,）,对称性,（,3,）脉冲展缩与频带变化（尺度变换）,时域压缩，频域展宽；时域展宽，频域压缩。,（,4,）信号的延时与相位移动（时移特性）,即信号时延后，其幅度谱不变，各分量相位变化。,（,5,）信号的调制与频谱搬移（调制定理）,（,6,）时域卷积定理,（,7,）频域卷积定理,例如,则,应用：,系统响应的频谱,即系统响应的频谱等于输入信号频谱,F,(,),与系统频率特性,H,(,),的乘积。,时域内的卷积对应为频谱的相乘,h,(,t,),H,(,),f,(,t,),y,(,t,)=,f,(,t,),h,(,t,),F,(,),Y,(,)=,F,(,),H,(,),4,几种典型信号的频谱,（,1,）单位阶跃信号的频谱,（,2,）单位冲激信号的频谱,（,3,）正（余）弦函数的频谱,（,4,）矩形脉冲的频谱函数,（,a,）矩形脉冲波形,（,b,）矩形脉冲的频谱,（,5,）门函数频谱函数的傅氏反变换,（,a,）矩形脉冲波形,（,b,）矩形脉冲的频谱,5,傅里叶变换应用于通信系统,（,1,）滤波,无失真传输,无失真传输系统的幅频特性及相频特性,图,2-26,无失真传输系统的幅频特性及相频特性,滤波器,改变信号中各个频率分量的相对大小，或者抑制，甚至全部滤除某些频率分量的过程称为滤波，,完成滤波功能的系统称为滤波器,。,根据滤波器通、阻带所处的不同位置，可分为,低通滤波器,、,高通滤波器,和,带通滤波器,等基本滤波器。,理想低通滤波器,理想低通滤波器的冲激响应,（,2,）调制,所谓调制，就是用一个信号（,基带信号,也称,调制信号,）去控制另一个信号（,载波信号,）的某个参量，从而产生,已调制信号,。,调幅,，使载波的幅度随着调制信号的大小变化而变化的调制方式。,调频,，使载波的瞬时频率随着调制信号的大小变化而变化的调制方式。,调相,，使载波的相位随着调制信号的大小变化而变化的调制方式。,以模拟调幅中的抑制载波的双边带调制为例,（,3,）抽样,通常称为抽样角频率。,随机信号分析,2.3,2.3.2,随机过程的统计参数,2.3.1,基本概念,2.3.4,功率谱分析,2.3.3,相关分析,1,随机过程,基本概念,2.3.1,随机过程的基本特性可以从幅值域、时差域和频率域进行数学描述。主要的统计参数有均值、方差、均方值、概率密度函数、自相关函数、互相关函数、功率谱密度函数和互谱密度函数等。,2,平稳随机过程,平稳随机过程就是统计特征参数不随时间变,化而改变的随机过程。,3,各态历经随机过程,若从平稳随机过程中任取一样本函数，如果,该单一样本在长时间内的平均统计参数,(,时间平,均,),和所有样本函数在某一时刻的平均统计参数,(,几何平均,),是一致的，则称这样的平稳随机过程为各态历经随机过程。,1,均值、方差、均方值,随机过程的统计参数,2.3.2,2,概率密度函数,1,相关,相关分析,2.3.3,相关系数,2,自相关函数,3,互相关函数,1,功率谱密度函数,功率谱分析,2.3.4,2,互谱密度函数,课程名称,课件,第,1,章 通信系统概述,第,2,章 信号分析,第,3,章,信道与噪声,第,4,章,模拟调制,第,5,章,模拟信号的数字传输,第,6,章,数字基带传输,通信原理,课件,第,7,章,数字调制,第,8,章,差错控制编码,第,9,章,同步原理,3.1,信道概念及分类,3.2,信道容量,3.3,信道中的噪声,信道概念及分类,3.1,3.1.2,信道分类,3.1.1,信道概念,信道概念,通俗地说，信道指以传输介质为基础的信号通路。,具体地说，信道一般指由有线或无线电线路提供的信号通路。,抽象地说，信道实质是一段频带，允许信号通过，同时又给信号以限制和损害。,3.1.1,信道特性的好坏直接影响通信系统的总特性,信道特点,信道的特点包括以下两个方面：,（,1,）通信系统重要的传输环节；,（,2,）通信系统中噪声的主要来源。,信道分类,根据信道的定义，如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为,狭义信道,；如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为,广义信道,。,3.1.2,信道的分类,信道分类,狭义信道,1,广义信道,2,3.1.2,狭义信道,有线信道包括,架空明线、对称电缆、同轴电缆,及,光纤,等。,无线信道包括,短波、地面微波接力、卫星通信,等。,狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。,有线信道,明线,双绞线（对称电缆）,同轴电缆,光导纤维,明线,概念,：架空明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。,优点,：传输损耗低,缺点,：易受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感。明线现已逐步淘汰。,双绞线,概念,：双绞线由两根彼此绝缘的铜线组成，这两根线按照规则的螺线状绞合在一起（也称为对称电缆）。,绞合目的,：将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串扰，且相邻线对通常具有不同的绞合长度。,双绞线实物及内部结构图,双绞线,双绞线又分为非屏蔽双绞线,UTP,和屏蔽双绞线,STP,。,除某些特殊场合,(,如受电磁辐射严重、对传输质量要求较高等,),在布线中使用,STP,外，一般情况下我们都采用,UTP,。,UTP,与,STP,UTP,STP,UTP,分类,3,类：,3,类,UTP,用于传统电话线，另外还用于,10Mbps,以太网，是早期网络中重要的传输介质,4,类：,4,类,UTP,因标准的推出比,3,类晚，而传输性能与,3,类,UTP,相比并没有提高多少，所以一般较少使用,5,类：五类,UTP,因价廉质优而成为快速以太网,(100Mbps),的首选介质,超,5,类：超五类,UTP,的用武之地是千兆位以太网,(1000Mbps),。,各类非屏蔽双绞线电气特性,电缆类型,数据速率,（,Mbit/s,）,用 途,1,类,UTP,2.4,模拟电话线,/,数字电话线,2,类,UTP,4,数字电话线,/ISDN,和,T1,线路,3,类,UTP,16,4Mbit/s,令牌环网、,10BAST-T,以太网数据传输、,ISDN,数字话音线路,4,类,UTP,20,16Mbit/s,令牌环网和,10BAST-T,以太网,5,类,UTP,100,16Mbit/s,以上令牌环网、,10,100Mbit/s,以太网数据传输,6,类,UTP,550,16Mbit/s,以上令牌环网、,100Mbit/s,以太网数据传输、,600Mbit/s,以上的全息图像,7,类,UTP,1000,吉比特以太网数据传输,8,类,UTP,1000,吉比特以太网数据传输,9,类,UTP,10000,10,吉比特以太网数据传输,双绞线优缺点,优点,：由于其结构上的双绞特点，与外界间相互干扰小（抗电磁干扰）；带宽较宽，传输特性比较稳定。,缺点,：双绞线的传输损耗比明线大得多。,同轴电缆,概念,：同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导体是金属线（芯线）。,同轴电缆分类,50,欧姆的细缆,：细缆（基带同轴电缆）用于基带信号传输，主要用于数字信号传输系统。,75,欧姆的粗缆,：粗缆（宽带同轴电缆）用于宽带信号传输，可以用于数字,/,模拟信号传输系统，如,CATV,有线电视信号传输，能够同时传输几百套电视节目。,同轴电缆实物,同轴电缆优缺点,优点,：,与外界间相互干扰小（外导体接地，屏蔽作用）；带宽大。,缺点,：,成本较高（与双绞线比较）。,光纤,概念,：光导纤维,(,简称光纤,),是光纤通信系统的传输介质。是一种纤细（,2125m,）柔韧能够传导光线的介质（光导纤维），以光波作为载波的信道。,结构,：光纤呈圆柱形，由纤芯、包层和护套三部分组成。,光纤实物内部结构图,光纤优缺点,优点,：,低传输损耗（长距离无中继），高带宽（容量大），抗干扰能力强等。,缺点,：,成本较高（完整系统），部分器件技术问题尚需解决。,无线信道,无线信道主要由,无线电波,和,光波,作为传输载体。,光波,：在光波中，红外线、激光是常用的信号载体,。,短距离：红外线。如电视机遥控器。,远距离：光波。可用于建筑物之间的局域网连接。,无线电波,：绝大多数无线通信都采用无线电波作为信号传输的载体,。,无线电波频率资源划分表,几种主要无线信道,短波,地面微波接力,卫星通信,短波,短波是指频率为,3,30MHz,的无线电波。,短波的基本传播途径有两个：一个是,地波,，一个是,天波,。短波的主要传播途径是天波,。,地球大气层的结构,对流层：地面上,0 10 km,平流层：约,10,60 km,电离层：约,60,600 km,地 面,对流层,平流层,电离层,10 km,60 km,0 km,对流层,地球,010 km,电离层,60600 km,平流层,电磁波传播：地波、天波、视距传播,多径传播,多径传播,：电波经由不同的路径到达接收点。,多径传播有以下几种形式,:,(1),电波从电离层的一次反射和多次反射；,(2),电离层反射区高度所形成的细多径；,(3),地球磁场引起的寻常波和非寻常波；,(4),电离层不均匀性引起的散射现象。,图,3-16,多径形式示意图,(a),一次反射和两次反射；,(b),反射区高度不同；,(c),寻常波与非寻常波；,(d),散射现象,短波优缺点、应用,优点,：,抗毁能力和自主通信能力强；,在山区、戈壁、海洋等地区，主要依靠短波；,运行成本低。,缺点,：,稳定性较差，噪声较大。,应用,：,广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面。,地面微波接力,概念,：由于微波是按照近似直线的方式进行传播的，如果两个站点间相距太远，那么地球本身就会阻碍电磁的传输，因此在中间每隔一段距离就需要安装一个中继器来使电磁波传输得更远。,中继距离,：中继器间的距离大约与站高的平方根成正比，如果站高为,100m,，则中继器之间的距离可以约为,80km,（距离一般在,50,100km,之间）。,地面微波接力传输,地面微波接力优缺点,优点,：,容量大；,质量高；,投资小。,缺点,：,容易失真。,易受环境因素影响。,安全性差。,维护难度大。,应用,：,传输电话、电报、图像、数据等信息。,卫星通信,人造卫星中继信道可视为无线电中继信道的一种特殊形式。,卫星中继信道由,通信卫星、地球站、上行线路及下行线路,构成。,同步卫星离地面高度为,35860km,。,卫星通信系统,卫星通信优缺点、应用,优点,：,传输距离远；,覆盖地域广；,传播稳定可靠；,传输容量大。,缺点,：,技术要求高；,一次性投入大。,应用,：,目前广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。,缺点,卫星发射和控制技术复杂,地球两极地区为通信盲区，地球高纬度地区通信效果不好,存在星蚀和日凌中断,卫星使用寿命短，可靠性要求高,传输延迟大，回波干扰,往返传播延迟约为,0.54,s,星蚀和日凌中断,地球,太阳,地球,太阳,当地球处于卫星与太阳之间时，地球把阳光遮挡，此时卫星的太阳能电池不能正常工作，星载电池只能维持卫星自转而不能支持转发器正常工作，这种现象造成的通讯中断称为,星蚀,。,每年春分、秋分时，地球、卫星、太阳在同一直线上。当卫星在地球与太阳之间时，地球上的小站在接收卫星信号的同时，受到太阳辐射的影响，使通讯中断，此现象称为,日凌,。,常用传输介质的比较,广义信道,通信系统中，凡信号经过的一切通道统称为广义信道。,广义信道不但包括传输媒介，还包括馈线、天线、调制,/,解调器、编码,/,译码器等各种形式的转换、耦合等设备。广义信道主要用于通信系统性能分析。,广义信道从消息传输的观点分析问题，把信道范围扩大了。其意义在于仅关注传输结果，不关心传输过程，,使通信系统模型及其分析大为简化,。,广义信道分类,广义信道通常可分为,调制信道和编码信道,两大类。,调制信道,概念,：,调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的所有电路设备和传输介质，调制信道主要用来研究模拟通信系统的调制、解调问题，故调制信道又可称为连续（信号）信道。,调制信道中传输的是已调信号，为,模拟信道,。,编码信道,概念,：,编码信道的范围是从编码器输出端至译码器输入端，编码器的输出和译码器的输入都是数字序列，故编码信道又称为离散信道。主要用于研究数字通信系统。,编码信道中传输的是已编信号，为,数字