信號(hào)與系統(tǒng)講稿

第一講：引言

授課時(shí)數(shù)學(xué)時(shí)

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解信號(hào)的傳遞

學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)、

通信系統(tǒng)的組成

關(guān)鍵點(diǎn)

學(xué)習(xí)模式

視覺模式，聽覺模式

講授過程學(xué)習(xí)講授內(nèi)容體系設(shè)計(jì)預(yù)備知識(shí)引

題材料

移動(dòng)通信技術(shù)可以說從無線電通信發(fā)明之

日就產(chǎn)生了。1897年，M?G?馬可尼所完成

的無線通信試驗(yàn)就是在固定站與一艘拖船

之間進(jìn)行的，距離為18海哩。而現(xiàn)代移動(dòng)

通信技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)20年代，大致

經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段。35年前，誰也無法想

象有一天每個(gè)人身上都有一部電話，被連

接到這個(gè)世界。如今，人們可以通過手機(jī)進(jìn)

行通訊，智能手機(jī)更如同一款隨身攜帶的

小型計(jì)算機(jī)，通過3G等移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

無線網(wǎng)絡(luò)接入后，可以方便的實(shí)現(xiàn)個(gè)人信

息管理及查閱股票、新聞、天氣、交通、商

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品信息、應(yīng)用程序下載、音樂圖片下載等。

下讓我們來回顧一下移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的

發(fā)展簡史。

第一階段從上世紀(jì)20年代至40年代，為早

期發(fā)展階段。

在這期間，首先在短波幾個(gè)頻段上開發(fā)出

專用移動(dòng)通信系統(tǒng)，其代表是美國底特律

市警察使用的車載無線電系統(tǒng)。該系統(tǒng)工

作頻率為2MHz,到40年代提高到30?

40MHz，可以認(rèn)為這個(gè)階段是現(xiàn)代移動(dòng)通信

的起步階段，特點(diǎn)是專用系統(tǒng)開發(fā)，工作

頻率較低。

1946年10月貝爾電話公司啟動(dòng)車載無線電

話服務(wù)

第二分段從上世紀(jì)40年代中期至60年代初

期。

在此期間內(nèi)，公用移動(dòng)通信業(yè)務(wù)開始問世。

1946年，根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的

計(jì)劃，貝爾系統(tǒng)在圣路易斯城建立了世界

上第一個(gè)公用汽車電話網(wǎng)，稱為“城市系

統(tǒng)”，當(dāng)時(shí)使用三個(gè)頻道，間隔為120kHz,

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通信方式為單工，隨后，西德（1950年）、

法國（1956年）、英國（1959年）等國相繼研

制了公用移動(dòng)電話系統(tǒng)。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室完

成了人工交換系統(tǒng)的接續(xù)問題。這一階段的

特點(diǎn)是從專用移動(dòng)網(wǎng)向公月移動(dòng)網(wǎng)過渡，

接續(xù)方式為人工，網(wǎng)的容量較小。

人工交換臺(tái)

第三階段從上世紀(jì)60年代中期至70年代中

期。

在此期間，美國推出了改進(jìn)型移動(dòng)電話系

統(tǒng)（IMTS）,使用150MHz和450MHz頻段，采

用大區(qū)制、中小容量，實(shí)現(xiàn)了無線頻道自

動(dòng)選擇并能夠自動(dòng)接續(xù)到公用電話網(wǎng)。德國

也推出了具有相同技術(shù)水準(zhǔn)的B網(wǎng)。可以說,

這一分段是移動(dòng)通信系統(tǒng)改進(jìn)與完善的階

段，其特點(diǎn)是采用大區(qū)制、中小容量，使用

450MHz頻段，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)選頻與自動(dòng)接續(xù)°

第四階段從上世紀(jì)70年代中期至80年代中

期。這是移動(dòng)通信蓬勃發(fā)展時(shí)期。

1978年底，美國貝爾試驗(yàn)室研制成功先進(jìn)

的移動(dòng)電話系統(tǒng)（AMPS）,建成了蜂窩狀移

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矛盾，第三方面進(jìn)展是隨著大規(guī)模集成電路

的發(fā)展而出現(xiàn)的微處理器技術(shù)日趨成熟以

及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，從而為大型通

信網(wǎng)的管理與控制提供了技術(shù)手段。以AMPS

和TACS為代表的第一代移動(dòng)通信模擬蜂窩

網(wǎng)雖然取得了很大成功，但也暴露了一些

問題，比如容量有限、制式太多、互不兼容、

話音質(zhì)量不高、不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、不能提

供自動(dòng)漫游、頻譜利用率低、移動(dòng)設(shè)備復(fù)雜、

費(fèi)用較貴以及通話易被竊聽等，最主要的

問題是其容量已不能滿足日益增長的移動(dòng)

用戶需求。

第一代移動(dòng)電話

世界上第一臺(tái)手機(jī)摩托羅拉DynaTAC8000X

重2磅，通話時(shí)間半小時(shí)，銷售價(jià)格為

3,995美元，是名副其實(shí)的最貴重的磚頭。

第五階段從上世紀(jì)80年代中期開始。這是

數(shù)碼移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展和成熟時(shí)期。該階

段可以再分為2G、2.5G、3G、4G等。

2G：

2G是第二代手機(jī)通信技術(shù)規(guī)格的簡稱，一

般定義為以數(shù)碼語音傳輸技術(shù)為核心，無

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法直接傳送如電子郵件、軟件等信息；只具

有通話和一些如時(shí)間日期等傳送的手機(jī)通

信技術(shù)規(guī)格。不過手機(jī)短信SMS(Short

messageservice)在2G的某些規(guī)格中能夠

被執(zhí)行。主要采用的是數(shù)碼的時(shí)分多址

(TDMA)技術(shù)和碼分多址(CDMA)技術(shù)，與之

對(duì)應(yīng)的是全球主要有GSM和CDMA兩種體制。

經(jīng)典的2G手機(jī)

2.5G：

2.5G是從2G邁向3G的銜接性技術(shù)，由于

3G是個(gè)相當(dāng)浩大的工程，所2.5G手機(jī)牽扯

的層面多且復(fù)雜，要從目前的2G邁向3G不

可能一下就銜接得上，因此出現(xiàn)了介于2G

和3G之間的2.5G。HSCSD.WAP.EDGE、藍(lán)

牙(Bluetooth)、EPOC等技術(shù)都是2.5G

技術(shù),2.5G功能通常與GPRS技術(shù)有關(guān)，GPRS

技術(shù)是在GSM的基礎(chǔ)上的一種過渡技術(shù)。

GPRS的推出標(biāo)志著人們?cè)贕SM的發(fā)展史上

邁出了意義最重大的一步，GPRS在移動(dòng)用

戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動(dòng)

用戶提供高速無線IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入

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服務(wù)，。較2G服務(wù)，2.5G無線技術(shù)可以提

供更高的速率和更多的功能。

傳統(tǒng)的2.5G手機(jī)

3G

3G是英文3rdGeneration的縮寫，是指支

持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谌苿?dòng)通信技術(shù)。與

從前以模擬技術(shù)為代表的第一代和目前正

在使用的第二代移動(dòng)通信技術(shù)相比，3G將

有更寬的帶寬，其傳輸速度最低為384K,

最高為2M,帶寬可達(dá)5MHz以上。不僅能傳

輸話音，還能傳輸數(shù)據(jù)，從而提供快捷、方

便的無線應(yīng)用,如無線接入Interneto能夠

實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)是第

三代移動(dòng)通信的另一個(gè)主要特點(diǎn)。目前3G

存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000,WCDMA,

TD-SCDMA,WiMAXo第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能

將高速移動(dòng)接入和基于互朕網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)

結(jié)合起來，提高無線頻率利用效率。提供包

括衛(wèi)星在內(nèi)的全球覆蓋并實(shí)現(xiàn)有線和無線

以及不同無線網(wǎng)絡(luò)之間業(yè)務(wù)的無縫連接。滿

足多媒體業(yè)務(wù)的要求，從而為用戶提供更

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經(jīng)濟(jì)、內(nèi)容更豐富的無線通信服務(wù)。

3G智能手機(jī)

相對(duì)第一代模擬制式手機(jī)(1G)和第二代

GSM、TDMA等數(shù)字手機(jī)(2G),第三代手機(jī)

一般而言，是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)

等多媒體通信結(jié)合的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。

是基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的終端設(shè)備，3G手

機(jī)完全是通信業(yè)和計(jì)算器工業(yè)相融合的產(chǎn)

物，和此前的手機(jī)相比差別實(shí)在是太大了，

因此越來越多的人開始稱呼這類新的移動(dòng)

通信產(chǎn)品為“個(gè)人通信終端”。即使是對(duì)通

信業(yè)最外行的人也可從外形上輕易地判斷

出一臺(tái)手機(jī)是否是“第三代”：第三代手機(jī)

都有一個(gè)超大的彩色顯示屏，往往還是觸

摸式的。3G手機(jī)除了能完成高質(zhì)量的日常通

信外，還能進(jìn)行多媒體通信。用戶可以在3G

手機(jī)妁觸摸顯示屏上直接寫字、繪圖，并將

其傳送給另一臺(tái)手機(jī)，而所需時(shí)間可能不

到一秒。當(dāng)然，也可以將這些信息傳送給一

臺(tái)計(jì)算機(jī)，或從計(jì)算機(jī)中下載某些信息；用

戶可以用3G手機(jī)直接上網(wǎng)，查看電子郵件

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或?yàn)g覽網(wǎng)頁；將有不少型號(hào)的3G手機(jī)自帶

攝像頭，這將使用戶可以利用手機(jī)進(jìn)行計(jì)

算機(jī)會(huì)議，甚至替代數(shù)碼相機(jī)。

4G

4G是第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的簡稱，是

集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻

圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不

相上下的技術(shù)產(chǎn)品。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps

的速度下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳

的速度也能達(dá)到20Mbps,并能夠滿足幾乎

所有用戶對(duì)于無線服務(wù)的要求。而在用戶最

為關(guān)注的價(jià)格方面，4G與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在

價(jià)格方面不相上下，而且計(jì)費(fèi)方式更加靈

活機(jī)動(dòng)，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確

定所需的服務(wù)。此外，4G可以在DSL和有線

電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然

后再擴(kuò)展到整個(gè)地區(qū)。很明顯，4G有著不

可比擬的優(yōu)越性。

使用LTE網(wǎng)絡(luò)播放高清流媒體效果

正當(dāng)LTE（LongTermEvolution,長期演進(jìn)）

和WiMax在全球電信業(yè)大力推進(jìn)時(shí)，前者

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(LTE)也是最強(qiáng)大的4G移動(dòng)通訊主導(dǎo)技術(shù)

IBM數(shù)據(jù)顯示，67%運(yùn)營商正考慮使用LTE,

因?yàn)檫@是他們未來市場(chǎng)的主要來源。上述消

息也證實(shí)了TBM的這一說法。而只有896的運(yùn)

營商考慮使用WiMAX。盡管WiMax可以給其

客戶提供市場(chǎng)上傳輸速度最快的網(wǎng)絡(luò)，但

仍然不是LTE技術(shù)的競(jìng)爭對(duì)手。LTE(Long

TermEvolution,長期演進(jìn))項(xiàng)目是3G的演

進(jìn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，

采用OFDM和MIM0作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯

一標(biāo)準(zhǔn)。主要特點(diǎn)是在20MHz頻譜帶寬下

能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s

的峰值速率，相對(duì)于3G網(wǎng)絡(luò)大大的提高了

小區(qū)的容量，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)延遲大大降低：

內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5ms,控制平面從睡

眠狀態(tài)到啟動(dòng)狀態(tài)遷移時(shí)間低于50ms,從

駐留狀態(tài)到啟動(dòng)狀態(tài)的遷移時(shí)間小于

100ms°

4G是集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質(zhì)

量視頻圖像，它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰

度電視不相上下。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps

的速度下載，比目前的撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍,

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上傳的速度也能達(dá)到20Mbps,并能夠滿足

幾乎所有用戶對(duì)于無線服務(wù)的要求。而在用

戶最為關(guān)注的價(jià)格方面，4G與固定寬帶網(wǎng)

絡(luò)在價(jià)格方面不相上下，而且計(jì)費(fèi)方式更

加靈活機(jī)動(dòng)，用戶完全可以根據(jù)自身的需

求確定所需的服務(wù)。此外，4G可以在DSL

和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部

署，然后再擴(kuò)展到整個(gè)地區(qū)。很明顯，4G

有著不可比擬的優(yōu)越性。

4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)

4G移動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)

層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。物理網(wǎng)絡(luò)層

提供接入和路由選擇功能，它們由無線和

核心網(wǎng)的結(jié)合格式完成。中間環(huán)境層的功能

有QcS映像、地址變換和完全性管理等。物

理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間

的接口是開放的，它使發(fā)展和提供新的應(yīng)

用及服務(wù)變得更為容易，提供無舞高數(shù)據(jù)

率的無線服務(wù)，并運(yùn)行于多個(gè)頻帶。這一服

務(wù)能自適應(yīng)多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端能力，

跨越多個(gè)運(yùn)營者和服務(wù)，提供大范圍服務(wù)。

移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括信道傳輸；抗

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干擾性強(qiáng)的高速接入技術(shù)、調(diào)制和信息傳輸

技術(shù)；高性能、小型化和低成本的自適應(yīng)數(shù)

組智能天線；大容量、低成本的無線接口和

光接口；系統(tǒng)管理資源；軟件無線電、網(wǎng)絡(luò)

結(jié)構(gòu)協(xié)議等。移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以正交頻

分復(fù)用(OFDM)為技術(shù)核心。OFDM技術(shù)的特

點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，具有良好的抗

噪聲性能和抗多信道干擾能力，可以提供

比目前無線數(shù)據(jù)技術(shù)質(zhì)量更高(速率高、時(shí)

延小)的服務(wù)和更好的性能價(jià)格比，能為4G

無線網(wǎng)提供更好的方案。例如無線區(qū)域環(huán)路

(WLL)、數(shù)碼音訊廣播(DAB)等，都將采

用OFDM技術(shù)。4G移動(dòng)通信對(duì)加速增長的廣

帶無線連接的要求提供技術(shù)上的響應(yīng)，對(duì)

跨越公眾的和專用的、室內(nèi)和室外的多種無

線系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)保證提供無縫的服務(wù)。通過對(duì)

最適合的可用網(wǎng)絡(luò)提供用戶所需求的最佳

服務(wù)，能應(yīng)付基于網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)通信所期望的

增長，增添新的頻段，使頻譜資源大擴(kuò)展，

提供不同類型的通信接口，運(yùn)用路由技術(shù)

為主妁網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以傅利葉變換來發(fā)展硬

件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。移動(dòng)通信將向資料

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化，高速化、寬帶化、頻段更高化方向發(fā)展,

移動(dòng)資料、移動(dòng)IP將成為示來移動(dòng)網(wǎng)的主

流業(yè)務(wù)。

4G移動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)

絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。物理網(wǎng)絡(luò)

層提供接入和路由選擇功能，它們由無線和

核心網(wǎng)的結(jié)合格式完成。中間環(huán)境層的功能

有QcS映像、地址變換和完全性管理等。物

理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間

的接口是開放的，它使發(fā)展和提供新的應(yīng)用

及服務(wù)變得更為容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的

無線服務(wù)，并運(yùn)行于多個(gè)頻帶。這一服務(wù)能

自適應(yīng)多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端能力，跨越

多個(gè)運(yùn)營者和服務(wù)，提供大范圍服務(wù)。移動(dòng)

通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括信道傳輸；抗干擾

性強(qiáng)的高速接入技術(shù)、調(diào)制和信息傳輸技

術(shù)；高性能、小型化和低成本的自適應(yīng)數(shù)組

智能天線；大容量、低成木妁無線接口和光

接口；系統(tǒng)管理資源；軟件無線電、網(wǎng)絡(luò)結(jié)

構(gòu)協(xié)議等。移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以正交頻分

復(fù)用(OFDM)為技術(shù)核心。OFDM技術(shù)的特點(diǎn)

是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，具有良好的抗噪聲

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性能和抗多信道干擾能力，可以提供比目前

無線數(shù)據(jù)技術(shù)質(zhì)量更高（速率高、時(shí)延?。?/p>

的服務(wù)和更好的性能價(jià)格比，能為4G無線

網(wǎng)提供更好的方案。例如無線區(qū)域環(huán)路

（WLL）、數(shù)碼音訊廣播（DAB）等，都將采

用OFDM技術(shù)。4G移動(dòng)通信對(duì)加速增長的廣

帶無線連接的要求提供技術(shù)上的響應(yīng)，對(duì)跨

越公眾的和專用的、室內(nèi)和室外的多種無線

系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)保證提供無縫的服務(wù)。通過對(duì)最

適合的可用網(wǎng)絡(luò)提供用戶所需求的最佳服

務(wù)，能應(yīng)付基于網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)通信所期望的增

長，增添新的頻段，使頻譜資源大擴(kuò)展，提

供不同類型的通信接口，運(yùn)用路由技術(shù)為主

的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以傅利葉變換來發(fā)展硬件架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。移動(dòng)通信將向資料化，高速

化、寬帶化、頻段更高化方向發(fā)展，移動(dòng)資

料、移動(dòng)IP將成為未來移動(dòng)網(wǎng)的主流業(yè)務(wù)。

4G移動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)

層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。物理網(wǎng)絡(luò)層

提供接入和路由選擇功能，它們由無線和核

心網(wǎng)的結(jié)合格式完成。中間環(huán)境層的功能有

QoS映像、地址變換和完全性管理等。物理

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網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的

接口是開放的，它使發(fā)展和提供新的應(yīng)用及

服務(wù)變得更為容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無

線服務(wù)，并運(yùn)行于多個(gè)頻帶。這一服務(wù)能自

適應(yīng)多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端能力，跨越多

個(gè)運(yùn)營者和服務(wù)，提供大范圍服務(wù)。移動(dòng)通

信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括信道傳輸；抗干擾性

強(qiáng)的高速接入技術(shù)、調(diào)制和信息傳輸技術(shù)；

高性能、小型化和低成本的自適應(yīng)數(shù)組智能

天線；大容量、低成本的無線接口和光接口；

系統(tǒng)管理資源；軟件無線電、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)議

等。移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以正交頻分復(fù)用

（OFDM）為技術(shù)核心。OFDM技術(shù)的特點(diǎn)是網(wǎng)

絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，具有良好的抗噪聲性能

和抗多信道干擾能力，可以提供比目前無線

數(shù)據(jù)技術(shù)質(zhì)量更高（速率高、時(shí)延?。┑姆?/p>

務(wù)和更好的性能價(jià)格比，能為4G無線網(wǎng)提

供更好的方案。例如無線區(qū)域環(huán)路（WLL）、

數(shù)碼音訊廣播（DAB）等，都將采用OFDM技

術(shù)。4G移動(dòng)通信對(duì)加速增長的廣帶無線連接

的要求提供技術(shù)上的響應(yīng)，對(duì)跨越公眾的和

專用的、室內(nèi)和室外的多種無線系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)

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保證提供無縫的服務(wù)。通過對(duì)最適合的可用

網(wǎng)絡(luò)提供用戶所需求的最佳服務(wù)，能應(yīng)付基

于網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)通信所期望的增長，增添新的頻

段，使頻譜資源大擴(kuò)展，提供不同類型的通

信接口，運(yùn)用路由技術(shù)為主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以

傅利葉變換來發(fā)展硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

移動(dòng)通信將向資料化，高速化、寬帶化、頻

段更高化方向發(fā)展，移動(dòng)資料、移動(dòng)IP將

成為未來移動(dòng)網(wǎng)的主流業(yè)務(wù)。

講授過程學(xué)習(xí)講授內(nèi)容體系設(shè)計(jì)知識(shí)要點(diǎn)筆

記安排

信號(hào)是數(shù)據(jù)的電磁編碼或電子編碼。和數(shù)據(jù)

一樣，信號(hào)也分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模

信號(hào)：一種物理

量（電、光、聲）

擬信號(hào)是指電信號(hào)的參量是連續(xù)取值的，

的變化。

其特點(diǎn)是幅度連續(xù)。常見的模擬信號(hào)有電

消息：待傳送的

話、傳真和電視信號(hào)等。數(shù)字信號(hào)是離散的，

一種以收發(fā)雙方

事先約定的方式

從一個(gè)值到另一個(gè)值的改變是瞬時(shí)的，就

組成的符號(hào)，如

語言、文字、圖

像開啟和關(guān)閉電源一樣。數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)是

像、數(shù)據(jù)等。

幅度被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。常見的數(shù)字

信號(hào)有電報(bào)符號(hào)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等。信號(hào)是運(yùn)載

消息的工具，是消息的載體。從廣義上講，

它包含光信號(hào)、聲信號(hào)和電信號(hào)等。

信號(hào)指的是數(shù)據(jù)的電磁編碼或電子編碼。信

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號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是指

電信號(hào)的參量是連續(xù)取值的，其特點(diǎn)是幅

度連續(xù)。常見的模擬信號(hào)有電話、傳真和電

視信號(hào)等。數(shù)字信號(hào)是離散妁，從一個(gè)值到

另一個(gè)值的改變是瞬時(shí)的，就像開啟和關(guān)

閉電源一樣。數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)是幅度被限制

在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。常見的數(shù)字信號(hào)有電報(bào)

符號(hào)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等。

例如，古代人利用點(diǎn)燃烽火臺(tái)而產(chǎn)生的滾

滾狼煙，向遠(yuǎn)方軍隊(duì)傳遞敵人入侵的消息，

這屬于光信號(hào)；當(dāng)我們說話時(shí)，聲波傳遞到

他人的耳朵，使他人了解我們的意圖，這

屬于聲信號(hào)；遨游太空的各種無線電波、四

通八達(dá)的電話網(wǎng)中的電流等，都可以用來

向遠(yuǎn)方表達(dá)各種消息，這屬電信號(hào)。人們通

過對(duì)光、聲、電信號(hào)進(jìn)行接收，才知道對(duì)方

要表達(dá)的消息。

模擬信號(hào)是傳播能量的一種形式，它指的

是在時(shí)間上連續(xù)的（不間斷），數(shù)值幅度大

小也是連續(xù)不問斷變化的信號(hào)（傳統(tǒng)的音頻

信號(hào)、視頻信號(hào)）。如聲波使它經(jīng)過的媒體

產(chǎn)生振動(dòng)，可以以頻率（以每秒的周期數(shù)或

17

赫茲（Hz）為單位）測(cè)量聲波。通過將二進(jìn)制

數(shù)表示為電脈沖（其中每個(gè)脈沖是一個(gè)信號(hào)

元素）使數(shù)字信號(hào)通過媒體傳輸。線路上的

電壓在高低狀態(tài)之間變化。例如，可以采用

高電平傳輸二進(jìn)制的1,采用低電平傳輸二

進(jìn)制的0。帶寬是指每秒通過鏈路傳輸位數(shù)

的術(shù)語。

在長距離傳輸時(shí)，信號(hào)由于衰減、噪聲和導(dǎo)

線束中其他導(dǎo)線的干擾而退化。模擬信號(hào)可

以周期性地加以放大，但是如果信號(hào)受到

噪聲破壞，則放大的是失真信號(hào)。相比而

言，由于可以很容易地從噪聲中提取數(shù)字

信號(hào)并重發(fā)，所以長距離傳輸數(shù)字信號(hào)更

可靠，

方案介紹

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸利用PCM數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)信

號(hào)，首先要解決的問題是數(shù)據(jù)信號(hào)如何進(jìn)

入PCM話路的問題。主要通過兩種方式：同

步方式和異步方式。

同步方式利用PCM數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)，如果

數(shù)據(jù)信號(hào)與數(shù)字端局的時(shí)鐘是同步的，這

時(shí)，數(shù)據(jù)終端輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)是受PCM信道

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時(shí)鐘控制的，因此只需對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行多

路化處理即可。這里數(shù)據(jù)終端設(shè)備處于受控

制的從屬地位，因此靈活性差。

如果數(shù)據(jù)信號(hào)與數(shù)據(jù)端局時(shí)鐘是異步的，

這時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)可采用填充方式復(fù)用到

64kbit/s的集合信號(hào)，這就是異步方式。

如上所述，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)借助于電脈沖傳輸。一

一對(duì)應(yīng)使用單脈沖表示一個(gè)位。它的效率是

非常低的，因此已經(jīng)開發(fā)了多種編碼方案

以使用電脈沖更高效地傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。結(jié)果

大大提高了吞吐量。

這與使用旗語發(fā)送消息的情況相類似。比如

說“信號(hào)旗升起”表示1,“信號(hào)旗降下”

表示0。一種更有效的編碼方案是“只在出

現(xiàn)二進(jìn)制1時(shí)升起或降下信號(hào)旗”。例如，如

果信號(hào)旗已經(jīng)舉起，則把它降下來。不管信

號(hào)旗是舉起還是降下，它的運(yùn)動(dòng)才是指示

器。這種方法還需要某種類型的定時(shí)（例如,

每秒發(fā)送一位）。因此，在第一秒，信號(hào)旗

19

升起

圖AM和FM對(duì)數(shù)字信號(hào)的表達(dá)（假設(shè)它原來

是降下的）以表示1。然后再維持升起兩秒鐘

（兩個(gè)為0的位），然后在第四秒降下以表示

改變到為1的位。

對(duì)于數(shù)字設(shè)備，接收器必須具有某種方法

能夠知道數(shù)據(jù)流中字節(jié)的起始和結(jié)束。在異

步通信中，字節(jié)邊界由起始和停止位指示。

在同步通信中，定時(shí)機(jī)制幫助發(fā)送器和接

收器處于同步狀態(tài)。同步信號(hào)可以占有一個(gè)

單獨(dú)妁信道，但更經(jīng)常的是直接集成到信

號(hào)中，

下面介紹幾種信令和編碼方案并以圖S-4說

明。圖中示出的是0100110001位序列。目

的是傳盡可能多的信號(hào)，使用低電平以減

少長距離衰減的影響，并在信號(hào)中直接提

供同步機(jī)制。前幾個(gè)例子表示基木的信號(hào)，

但很少在實(shí)際中應(yīng)用。

單極性單極性碼有電壓表示1,無電壓表

示0。沒有特殊的編碼。單吸性碼會(huì)累積直

流分量。

20

雙極性雙極性碼中正電壓表示1,負(fù)電壓

表示0。該方案降低了功率要求并減小了高

電平衰減。雙極性碼的直流分量則大大減

少，從而有利于傳輸。RZ（歸零制）歸零碼

的電壓狀態(tài)在某個(gè)信號(hào)狀態(tài)后返回到零。歸

零碼的脈沖較窄，根據(jù)脈沖寬度與傳輸頻

帶寬度成反比的關(guān)系，因而歸零碼在信道

上占用的頻帶較寬。

圖數(shù)字信號(hào)編碼方案

NRZI（按1反相不歸零制）NRZI編碼中不論

電平是高還是低，都不代表二進(jìn)制的1和

0o而是電壓變化表示二進(jìn)制的lo如果沒有

電壓變化，則下一位是0;如果有電壓變化,

則下一位是1。不歸零碼在傳輸中難以確定

一位的結(jié)束和另一位的開始，需要用某種

方法使發(fā)送器和接收器之間進(jìn)行定時(shí)或同

步。NRZI用于較慢的RS—232串行通信和硬

盤驅(qū)動(dòng).器上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。在同步鏈路上，

長串的連續(xù)位（可能數(shù)千個(gè)0）會(huì)出現(xiàn)問題。

接收器可能會(huì)失去同步，不能檢測(cè)到連續(xù)

串中0的正確個(gè)數(shù)。另一問題是長串的。表

現(xiàn)為直流，它不能通過某些電氣部件。

21

Manchester編碼和其他方案通過增加時(shí)鐘

信號(hào)解決了這些問題。

Manchester（曼徹斯特）在曼徹斯特編碼

中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳

變既作時(shí)鐘信號(hào)，又作數(shù)據(jù)信號(hào)；從高到低

跳變表示“1"，從低到高跳變表示"0"。這給

接收器提供了可以與之保持同步的定時(shí)信

號(hào)。曼徹斯特編碼常用在LAN上。

折疊編輯本段信號(hào)的特點(diǎn)

信號(hào)是對(duì)事物的替代物，具有以下特點(diǎn)：1.

信號(hào)與其代表的對(duì)應(yīng)物之間有一定的因果

關(guān)系，從這個(gè)意義上說，一切符號(hào)都是信

號(hào)。2.信號(hào)與其表示的事物之間通常有一對(duì)

一的關(guān)系。

折疊編輯本段信號(hào)介紹

信號(hào)是指示列車運(yùn)行及調(diào)車作業(yè)的命令，

有關(guān)行車人員必須嚴(yán)格執(zhí)行。

鐵路信號(hào)分為視覺信號(hào)和聽覺信號(hào)。

視覺信號(hào)又分晝間、夜間及晝夜通用信號(hào)。

視覺信號(hào)的基本顏色:

紅色——停車；

22

黃色一一注意或減低速度；

綠色一一按規(guī)定速度運(yùn)行。

聽覺信號(hào)：號(hào)角、口笛、響墩發(fā)出的音響和

機(jī)車、軌道車的鳴笛聲。

鐵路信號(hào)按信號(hào)機(jī)是否可移動(dòng)又可分為固

定信號(hào)、移動(dòng)信號(hào)和手信號(hào)。

按停車信號(hào)的顯示意義可分為絕對(duì)信號(hào)和

非絕對(duì)信號(hào)（亦稱容許信號(hào)）兩種。絕對(duì)信

號(hào)是指當(dāng)顯示停止運(yùn)行的信號(hào)時(shí)，列車、調(diào)

車必須無條件遵守的信號(hào)顯示。進(jìn)站、出站、

進(jìn)路和通過信號(hào)機(jī)的燈光熄滅、顯示不明或

顯示不正確時(shí)，均視為停車信號(hào)。接近信號(hào)

機(jī)的燈光熄滅、顯示不明或顯示不正確時(shí)，

均視為進(jìn)站信號(hào)機(jī)為關(guān)閉狀態(tài)。裝有容許信

號(hào)的通過信號(hào)機(jī)，顯示停車信號(hào)時(shí)，準(zhǔn)許

鐵路局規(guī)定停車后起動(dòng)困難的貨物列車，

在該信號(hào)機(jī)前不停車，以最高不超過

20km/h,運(yùn)行到次一通過信號(hào)機(jī)，按其顯

示的要求運(yùn)行。

通信系統(tǒng)的組成可以把通信系統(tǒng)概括為

一個(gè)統(tǒng)一的模型。這一模型包括有：信源、

變換器、信道、噪聲源、反變換器和信宿六

23

個(gè)部分。通信網(wǎng)的基本概念通信網(wǎng)是由

一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)（包括終端設(shè)備和交換設(shè)

備）和連接節(jié)點(diǎn)的傳輸鏈路相互有機(jī)地組合

在一起，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)規(guī)定點(diǎn)間信息

傳輸?shù)耐ㄐ朋w系。也就是說，通信網(wǎng)是由相

互依存、相互制約的許多要素組成的有機(jī)整

體，用以完成規(guī)定的功能。通信網(wǎng)的構(gòu)成

要素通信網(wǎng)在硬件設(shè)備方面的構(gòu)成要素

是終端設(shè)備、傳輸鏈路和交換設(shè)備。為了使

全網(wǎng)協(xié)調(diào)合理地工作，還要有各種規(guī)定，

如信令方案、各種協(xié)議、網(wǎng)路結(jié)構(gòu)、路由方

案、編號(hào)方案、資費(fèi)制度與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等，這

些均屬于軟件。終端設(shè)備：是用戶與通信網(wǎng)

之間的接口設(shè)備。

傳輸鏈路：是信息的傳輸通道，是連接網(wǎng)

路節(jié)點(diǎn)的媒介。交換設(shè)備：是構(gòu)成通信網(wǎng)

的核心要素，它的基本功能是完成接入交

換節(jié)點(diǎn)鏈路的匯集、轉(zhuǎn)接接續(xù)和分配。通

信網(wǎng)妁基本結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)主要

有網(wǎng)形、星形、復(fù)合形、總線形、環(huán)形、樹

形和線形通信網(wǎng)的質(zhì)量要求對(duì)通信網(wǎng)一

般提出三個(gè)要求：接通的任意性與快速性；

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信號(hào)傳輸?shù)耐该餍耘c傳輸質(zhì)量的一致

性；網(wǎng)路的可靠性與經(jīng)濟(jì)合理性。

對(duì)電話通信網(wǎng)是從以下三個(gè)方面提出的要

求接續(xù)質(zhì)量：電話通信網(wǎng)的接續(xù)質(zhì)量是指

用戶通話被接續(xù)的速度和難易程度，通常

用接續(xù)損失（呼損）和接續(xù)時(shí)延來度量。

傳輸質(zhì)量：用戶接收到的話音信號(hào)的清楚

逼真程度，可以用響度、清淅度和逼真度來

衡量。穩(wěn)定質(zhì)量：通信網(wǎng)的可靠性，其指

標(biāo)主要有：失效率（設(shè)備或系統(tǒng)投入工作

后，單位時(shí)間發(fā)生故障的概率）、平均故障

間隔時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間（發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行

修復(fù)妁平均時(shí)長）等等?，F(xiàn)代通信網(wǎng)的構(gòu)

成一個(gè)完整的現(xiàn)代通信網(wǎng)，除了有傳遞

各種用戶信息的業(yè)務(wù)網(wǎng)之外，還需要有若

干支撐網(wǎng)，以使網(wǎng)絡(luò)更好地運(yùn)行。

業(yè)務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)也就是用戶信息網(wǎng)，它是現(xiàn)

代通信網(wǎng)的主休，是向用戶提供諸如電話、

電報(bào)、傳真、數(shù)據(jù)、圖像等各種電信業(yè)務(wù)的

網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)網(wǎng)按其功能又可分為用戶接入

網(wǎng)、交換網(wǎng)和傳輸網(wǎng)三個(gè)部分。

支撐網(wǎng)

25

支撐網(wǎng)是使業(yè)務(wù)網(wǎng)正常運(yùn)行，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功

能，提供全網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量以滿足用戶要求的

網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)代通信網(wǎng)的發(fā)展未來的通信網(wǎng)

正向著數(shù)字化、綜合化、智能化、個(gè)人化的

方向發(fā)展。

講授過程學(xué)習(xí)講授內(nèi)容體系設(shè)計(jì)隨堂檢測(cè)預(yù)

留作業(yè)

總結(jié)通信的概念思考信

號(hào)與系

統(tǒng)的關(guān)

系

學(xué)習(xí)小結(jié)

了解什么是信號(hào)，通信系統(tǒng)的構(gòu)成

教學(xué)反思

課后小結(jié)

26

第二講：第二學(xué)時(shí)

章連續(xù)時(shí)間信

號(hào)的時(shí)域分析

授課時(shí)數(shù)

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解信號(hào)的分類、運(yùn)算及分解

學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)、信號(hào)的分解、運(yùn)算

關(guān)鍵點(diǎn)

學(xué)習(xí)模式

視覺模式+聽覺模式

講授過程學(xué)習(xí)講授內(nèi)容體系設(shè)計(jì)預(yù)備知識(shí)引

題材料

信號(hào)是數(shù)據(jù)的電磁編碼或電子編碼。和數(shù)據(jù)

一樣，信號(hào)也分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào).模

擬信號(hào)是指電信號(hào)的參量是連續(xù)取值的，

其特點(diǎn)是幅度連續(xù)。常見的模擬信號(hào)有電

話、傳真和電視信號(hào)等。數(shù)字信號(hào)是離散的，

從一個(gè)值到另一個(gè)值的改變是瞬時(shí)的，就

像開啟和關(guān)閉電源一樣。數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)是

幅度被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。常見的數(shù)字

信號(hào)有電報(bào)符號(hào)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等。信號(hào)是運(yùn)載

消息的工具，是消息的載體。從廣義上講，

它包含光信號(hào)、聲信號(hào)和電信號(hào)等。

例如，古代人利用點(diǎn)燃烽火臺(tái)而產(chǎn)生的滾

滾狼煙，向遠(yuǎn)方軍隊(duì)傳遞敵人入侵的消息，

這屬于光信號(hào)；當(dāng)我們說話時(shí)，聲波傳遞到

他人的耳朵，使他人了解我們的意圖，這

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屬于聲信號(hào)；遨游太空的各種無線電波、四

通八達(dá)的電話網(wǎng)中的電流等，都可以用來

向遠(yuǎn)方表達(dá)各種消息，這屬電信號(hào)。人們通

過對(duì)光、聲、電信號(hào)進(jìn)行接收，才知道對(duì)方

要表達(dá)的消息。

模擬信號(hào)是傳播能量的一種形式，它指的

是在時(shí)間上連續(xù)的（不間斷），數(shù)值幅度大

小也是連續(xù)不問斷變化的信號(hào)（傳統(tǒng)的音頻

信號(hào)、視頻信號(hào)）。如聲波使它經(jīng)過的媒體

產(chǎn)生振動(dòng)，可以以頻率（以每秒的周期數(shù)或

赫茲（Hz）為單位）測(cè)量聲波。通過將二進(jìn)制

數(shù)表示為電脈沖（其中每個(gè)脈沖是一個(gè)信號(hào)

元素）使數(shù)字信號(hào)通過媒體傳輸。線路上的

電壓在高低狀態(tài)之間變化。例如，可以采用

高電平傳輸二進(jìn)制的1,采用低電平傳輸二

進(jìn)制的0。帶寬是指每秒通過鏈路傳輸位數(shù)

的術(shù)語。

在長距離傳輸時(shí)，信號(hào)由于衰減、噪聲和導(dǎo)

線束中其他導(dǎo)線的干擾而退化。模擬信號(hào)可

以周期性地加以放大，但是如果信號(hào)受到

噪聲破壞，則放大的是失真信號(hào)。相比而

言，由于可以很容易地從噪聲中提取數(shù)字

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信號(hào)并重發(fā)，所以長距離傳輸數(shù)字信號(hào)更

可靠，

在長距離傳輸時(shí)，信號(hào)由于衰減、噪聲和導(dǎo)

線束中其他導(dǎo)線的干擾而退化。模擬信號(hào)可

以周期性地加以放大，但是如果信號(hào)受到噪

聲破壞，則放大的是失真信號(hào)。相比而言，

由于可以很容易地從噪聲中提取數(shù)字信號(hào)

并重發(fā)，所以長距離傳輸數(shù)字信號(hào)更可靠。

講授過程學(xué)習(xí)講授內(nèi)容體系設(shè)計(jì)知識(shí)要點(diǎn)筆

記安排

2.1信號(hào)的分類

信號(hào)種類很多，從不同角度可以有不同分

類方法。

按分布性質(zhì)不同，信號(hào)可以區(qū)分為確

定性信號(hào)(deterministicsignal)和隨機(jī)

信號(hào)(randomsipci)。對(duì)于給定的某一時(shí)刻,

有確定的函數(shù)值與之對(duì)應(yīng)，這種信號(hào)稱為

確定性信號(hào)或規(guī)則信號(hào)。例如，正弦信號(hào)就

是確定性信號(hào)。然而，實(shí)際傳輸?shù)男盘?hào)往往

具有不可預(yù)知的不確定性，這種信號(hào)稱為

隨機(jī)信號(hào)或不確定信號(hào)。語音信號(hào)就是一種

隨機(jī)信號(hào)，空中傳來的噪聲、電路元件中的

熱噪聲電流都是隨機(jī)信號(hào)。通機(jī)信號(hào)在每一

29

確定時(shí)刻上的取值難于確定，只能通過大

量實(shí)驗(yàn)測(cè)出取某些值可能性的分布(概率

分布本書只討論確定性信號(hào)。

按函數(shù)自變量取值是否具有連續(xù)性，信號(hào)可

以區(qū)分為連續(xù)時(shí)間信號(hào)(umtnuousdmesigh)

和離散時(shí)間信號(hào)(iscretetimesigal)o如

果對(duì)于所討論的時(shí)間范圍內(nèi)，在任意時(shí)刻點(diǎn)

刻點(diǎn)上(除若干不連續(xù)點(diǎn)外)函數(shù)都有確定

的值與之對(duì)應(yīng)，這種信號(hào)就稱為連續(xù)時(shí)間信

號(hào),例如，圖2.1-t(a)所示的正弦信號(hào)和圖

2.1-t(b)所示的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間信號(hào)。

而離散時(shí)間信號(hào)，在時(shí)間上是離散的，它只

在某些時(shí)間的離散點(diǎn)上給定函數(shù)值，而在其

他時(shí)間上都沒有定義。圖二L2所示的信

號(hào)，就是離散時(shí)間信號(hào)。

確知信號(hào)：確知信號(hào)(deterministic

signal)或稱確定性信號(hào)，是指可用一個(gè)確

定的時(shí)間函數(shù)表示，即對(duì)于指定的某一時(shí)

刻，具有一個(gè)確定的相應(yīng)函數(shù)值的信號(hào)。又

稱規(guī)則信號(hào)。其取值在任何時(shí)間都是確定的

和可預(yù)知的；例如，振幅、頻率和相位都是

確定的一段正弦波，它就是一個(gè)確知信號(hào)。

30

其中包括周期信號(hào)與非周期信號(hào)，連續(xù)時(shí)

間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)等。

按照是否具有周期重復(fù)性，確知信號(hào)可以

分為周期信號(hào)(periodicsignal)和非周

期信號(hào)(nonperiodicsignal)。周期信號(hào)的

典型實(shí)例有正弦信號(hào)，其表達(dá)式為

f(t)二Ksin(3t+。)，式中K是振幅，3是

角頻率，。稱為初相位。

非周期信號(hào)的典型實(shí)例有指數(shù)信號(hào)，其表

達(dá)式為f(t)=Ke,式中a為實(shí)數(shù)。若a>0,則

信號(hào)將隨時(shí)間按指數(shù)律增長，若a<0,信號(hào)

將隨時(shí)間按指數(shù)律衰減。在a=0的特殊情況

下，信號(hào)不隨時(shí)間而變。常數(shù)K表示指數(shù)信

號(hào)在t二0時(shí)的初始值。以上兩例均屬連續(xù)時(shí)

間信號(hào)。

離散時(shí)間信號(hào)在時(shí)間上是離散的，只在某

些不連續(xù)的規(guī)定瞬時(shí)有確定的函數(shù)值，在

其它時(shí)間沒有定義u一般以x(n)表示，其中

n為整數(shù)，即規(guī)定的時(shí)間瞬時(shí)。離散時(shí)間信

號(hào)中也有周期信號(hào)與非周期信號(hào)之分。

確知信號(hào)的分類編輯

周期信號(hào)：

31

其中TO即為信號(hào)的周期，T0>0,將1/To

稱為基頻fo,且TO為一常數(shù)，則稱此信號(hào)

為周期信號(hào)，否則為非周期信號(hào)。

非周期信號(hào)：沒有最小正周期的信號(hào)，即

稱為非周期信號(hào)。單個(gè)矩形脈沖、沖激信號(hào)

就是非周期信號(hào)。

能量信號(hào)：按照能量是否有限來與功率信號(hào)

進(jìn)行區(qū)分，若信號(hào)的能量有限，為一個(gè)有

限正值，則將其稱為能量信號(hào)，即滿足下

式即為能量信號(hào)。其特征是：信號(hào)的振幅和

持續(xù)時(shí)間均有限，非周期性。例如，單個(gè)矩

形脈沖。

功率信號(hào)：在通信理論中，通常把信號(hào)功率

定義為電流在單位電阻(1Q)上消耗的功率，

即歸一化(normalized)功率Po.

式中：V為電壓(V)；I為電流(A)。

能量信號(hào)的功率趨于0,功率信號(hào)的能量趨

于正無窮，但功率信號(hào)的平均功率P等于一

個(gè)有限正值。功率信號(hào)的持續(xù)時(shí)間無限。例

如：直流信號(hào)、周期信號(hào)。

確知信號(hào)在頻域(frequencydomain)中的

性質(zhì)，即頻率特性，由其各個(gè)頻率分量的

32

分布表示，可以用頻譜、頻譜密度、能量譜

密度和功率譜密度來描述，通過運(yùn)用傅里

葉(Fourier)級(jí)數(shù)和傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)。傅

里葉級(jí)數(shù)適用于周期信號(hào)，而傅里葉變換

則對(duì)周期信號(hào)和非周期信號(hào)都適用。

1周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)

設(shè)s(t)是一個(gè)周期為To的周期功率信號(hào)。

若它滿足狄利克雷(Dirichlet)條件,則可

展開成如圖2的指數(shù)型傅里葉級(jí)數(shù)。

圖2

s(t)=￡

/I=-00

圖2

其中，傅立葉級(jí)數(shù)的系數(shù)為如圖3：

式中，fO=l/TO稱為信號(hào)的基頻，基頻的n

倍(n為整數(shù)，-8<n<+oo)稱為幾次諧波

頻率，

2周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)

圖3

C.=C(nf0)=:廣$(，)eK<h

圖3

一個(gè)非周期確知信號(hào)s(t)的傅里葉變換和

33

反變換關(guān)系式如圖4

S(w)=「sQ)ef1

J??

'⑴=21「.S(3)Lk

S(1)=S(&)

圖4

上述傅里葉變換積分的充分條件是：s(t)在

-8和+8間絕對(duì)可積，以及S(t)的任意間

斷點(diǎn)為有窮值。

總結(jié)編輯

確知信號(hào)按照其強(qiáng)度可以分為能量信號(hào)和

功率信號(hào)。功率信號(hào)按照其有無周期性劃

分，又可以分為周期性信號(hào)和非周期性信

號(hào)。能量信號(hào)的振幅和持續(xù)時(shí)間都是有限

的，箕能量有限，(在無限長的時(shí)間上)平

均功率為零。功率信號(hào)的持續(xù)時(shí)間無限，故

其能量為無窮大。確知信號(hào)的性質(zhì)可以從頻

域和時(shí)域兩方面研究。確知信號(hào)在頻域中的

性質(zhì)有四種，即頻譜、頻譜密度、能量譜密

度和功率譜密度。周期性功率信號(hào)的波形可

以用傅里葉級(jí)數(shù)表示，級(jí)數(shù)的各項(xiàng)構(gòu)成信

號(hào)的離散頻譜，其單位是Vo能量信號(hào)的波

形可以用傅里葉變換表示，波形變換得出

的函數(shù)是信號(hào)的頻譜密度，其單位是v/nz。

34

只要引入沖激函數(shù)，我們同樣可以對(duì)于一

個(gè)功率信號(hào)求出其頻譜密度。能量譜密度是

能量信號(hào)的能量在頻域中的分布，其單位

是J/Hz。功率譜密度則是功率信號(hào)的功率

在頻域中的分布，其單位是W/Hz。周期性信

號(hào)的功率譜密度是由離散譜線組成的，這

些譜線就是信號(hào)在各次諧波上的功率分量I

Cn12,稱為功率譜，其單位為Wo但是，若

用6函數(shù)表示此譜線，則可以寫成功率譜密

度IC(f)12為(f-氓)的形式。確知信號(hào)在

時(shí)域中的特性主要有自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)

函數(shù)，自相關(guān)函數(shù)反映一個(gè)信號(hào)在不同時(shí)間

上取值的關(guān)聯(lián)程度。能量信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)

R(0)等于信號(hào)的能量；而功率信號(hào)的自相關(guān)

函數(shù)R(0)等于信號(hào)的平均功率?；ハ嚓P(guān)函數(shù)

反映兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)程度，它和時(shí)間無關(guān)，

只和時(shí)間差有關(guān)。并且，互相關(guān)函數(shù)和兩個(gè)

信號(hào)相乘的前后次序有關(guān)。能量信號(hào)的自相

關(guān)函數(shù)和其能量譜密度構(gòu)成一對(duì)傅里葉變

換。周期性功率信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和其功率

譜密度構(gòu)成一對(duì)傅里葉變換。

隨機(jī)信號(hào)：隨機(jī)信號(hào)(randomsignal),幅

35

度未可預(yù)知但又服從一定統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)，

又稱不確定信號(hào)。

一般通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)都具有一定的

不確定性，因此都屬于隨機(jī)信號(hào)，否則就

不可能傳遞任何新的信息，也就失去了通

信的意義。

另外，在信號(hào)傳輸過程中，不可避免地會(huì)

受到各種干擾和噪聲的影響，這些干擾與

噪聲也都具有隨機(jī)特性，屬于隨機(jī)噪聲。隨

機(jī)噪聲也是隨機(jī)信號(hào)的一種，只是不攜帶

信息。在數(shù)字濾波器和快速傅里葉變換的計(jì)

算中，由于運(yùn)算字長的限制，產(chǎn)生有限字

長效應(yīng)。這種效應(yīng)無論采用截尾或舍入方

式，均產(chǎn)生噪聲，均可視為隨機(jī)噪聲。

一般這類信號(hào)的頻域是連續(xù)的，而函數(shù)信

號(hào)為斷續(xù)的隨機(jī)信號(hào)是不能用確定的數(shù)學(xué)

關(guān)系式來描述的，不能預(yù)測(cè)其未來任何瞬

時(shí)值，任何一次觀測(cè)只代表其在變動(dòng)范圍

中可能產(chǎn)生的結(jié)果之一，其值的變動(dòng)服從

統(tǒng)計(jì)規(guī)律。它不是時(shí)間的確定函數(shù)，其在定

義域內(nèi)的任意時(shí)刻沒有確定的函數(shù)值。

隨機(jī)信號(hào)

36

隨機(jī)信號(hào)分為平穩(wěn)和非平穩(wěn)兩大類。

②平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)一其均值和相關(guān)不隨時(shí)間

變化，平穩(wěn)隨機(jī)過程在時(shí)間上是無始無終

的，即它的能量是無限的，只能用功率譜

密度函數(shù)來描述隨機(jī)信號(hào)的頻域特性。

平穩(wěn)旗機(jī)信號(hào)又分為各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷

經(jīng)。

①各態(tài)歷經(jīng)信號(hào)一指無限個(gè)樣本在某時(shí)刻

所歷經(jīng)的狀態(tài)，等同于某個(gè)樣本在無限時(shí)

間里所經(jīng)歷的狀態(tài)的信號(hào)。

各態(tài)歷經(jīng)信號(hào)一定是平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，反之

不然，

工程上的隨機(jī)信號(hào)一般均按各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)

隨機(jī)過程來處理。

隨機(jī)信號(hào)又可以分為離散隨機(jī)信號(hào)和連續(xù)

隨機(jī)信號(hào)兩類。

①一僅在離散時(shí)間點(diǎn)上給已定義的隨機(jī)信

號(hào)稱為離散時(shí)間隨機(jī)信號(hào)，即隨機(jī)信號(hào)序

列。

②一在時(shí)間軸上連續(xù)變化的信號(hào)成為連續(xù)

隨機(jī)信號(hào)。

隨機(jī)信號(hào)不能用確定的時(shí)間函數(shù)來表達(dá)，

37

只能通過其隨時(shí)間或其幅度取值的統(tǒng)計(jì)特

征來表達(dá)。這些統(tǒng)計(jì)特征值有：

①數(shù)學(xué)期望值，描述隨機(jī)信號(hào)的平均值。

②方差值，描述隨機(jī)信號(hào)幅度變化的強(qiáng)度。

③概率密度函數(shù)，是描述信號(hào)振幅數(shù)值的

概率。

④相關(guān)函數(shù)，描述隨機(jī)信號(hào)的每兩個(gè)具有

一定時(shí)間間隔的幅度值之間的聯(lián)系程度的

數(shù)值，它是時(shí)間間隔的一個(gè)函數(shù)。

⑤功率譜密度，描述隨機(jī)信號(hào)在平均意義

上的功率譜特性。

以上這些統(tǒng)計(jì)特征是描述隨機(jī)信號(hào)的主要

數(shù)字特征。研究隨機(jī)信號(hào)的數(shù)學(xué)方法是隨機(jī)

過程理論。

隨機(jī)信號(hào)的幅度、相位均隨時(shí)間做無規(guī)律

的、未知的、隨機(jī)的變化。這次測(cè)出的是這

種波形，下次測(cè)出的可能會(huì)是另外一種波

形。無法用確定的時(shí)間函數(shù)來面熟，無法準(zhǔn)

確地預(yù)測(cè)它未來的變化。但是，隨機(jī)信號(hào)的

統(tǒng)計(jì)規(guī)律是確定的，因此，人們用統(tǒng)計(jì)學(xué)

方法建立了隨機(jī)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型一隨機(jī)過

程。

38

隨機(jī)過程（StochasticProcess）是一連串隨

機(jī)事件動(dòng)態(tài)關(guān)系的定量描述。

在這里我們主要研究平穩(wěn)隨機(jī)過程。

平穩(wěn)隨機(jī)過程：

狹義平穩(wěn)概念：所謂平穩(wěn)隨機(jī)過程，是指它

的任何n維分布函數(shù)或概率密度函數(shù)與時(shí)間

起點(diǎn)無關(guān)。也就是說，如果對(duì)于任意的n和

T,隨機(jī)過程自（t）的n維概率密度函數(shù)滿

足圖L圖1

工》（和與,…，/,…G）

■?45?①…?r,t2?.???￡.「）

2/2

圖1

圖1

則稱昌（t）是平穩(wěn)隨機(jī)過程。該平穩(wěn)稱為嚴(yán)

格平穩(wěn)，狹義平穩(wěn)或嚴(yán)平穩(wěn)。

廣義平穩(wěn)概念：

若一個(gè)隨機(jī)過程的數(shù)學(xué)期望及方差與時(shí)間

無關(guān)，而其相關(guān)函數(shù)僅與T有關(guān)，則稱這

個(gè)隨機(jī)過程為廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程。

各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程：

對(duì)于一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，如果統(tǒng)計(jì)平均二

時(shí)間平均，這個(gè)隨機(jī)過程就叫做各態(tài)歷經(jīng)

39

的平穩(wěn)隨機(jī)過程。

隨機(jī)信號(hào)的數(shù)字特征如果本身也是隨較長

的時(shí)間變化而變化的話，那么這種隨機(jī)信

號(hào)屬于非平穩(wěn)隨機(jī)過程。否則均屬于平穩(wěn)隨

機(jī)過程。平穩(wěn)隨機(jī)過程的分析比較成熟，也

相對(duì)容易一些。而非平穩(wěn)的逋機(jī)過程，比較

不容易計(jì)算。對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)過程，由于其統(tǒng)

計(jì)數(shù)字特征不隨時(shí)間變化，因此許多分析

方法與研究非隨機(jī)過程的方法相似，傅里

葉變換方法仍是主要的分析工具。

3.連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)

如果在所討論的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)于任

意時(shí)間值（除若干不連續(xù)點(diǎn)外），都可給出

確定的函數(shù)值，這樣的信號(hào)稱為連續(xù)時(shí)間

信號(hào)，

在時(shí)間的離散點(diǎn)上信號(hào)才有值與之對(duì)

應(yīng)，其它時(shí)間無定義，這樣的信號(hào)稱為離

散時(shí)間信號(hào)。

4.因果信號(hào)與非因果信號(hào)

將口接入系統(tǒng)的信號(hào)（即在□時(shí)

為零的信號(hào)），稱為因果信號(hào)。反之，若口

時(shí)不等于零的信號(hào)，則稱為非因果信號(hào)。

40

41

2.正弦信號(hào)

正弦信號(hào)和余弦信號(hào)二者僅在相

位上相差，統(tǒng)稱為正弦信號(hào)，一般寫作

/(0=Asin(Q+e)

2.2常用連續(xù)時(shí)間信號(hào)

定義

連續(xù)時(shí)間信號(hào)是指時(shí)間自變量t和表示信號(hào)

的函數(shù)值x都是連續(xù)變化的信號(hào)。

特點(diǎn)：

時(shí)間是連續(xù)的，幅值可以是連續(xù)的也可以

是離散化的。

5sin。/t>0

r<0

其波形如下圖所示：

42

3.Sa(t)函數(shù)(抽樣函數(shù))

所謂抽樣函數(shù)是指sint與t之

比構(gòu)成的函數(shù)，以符號(hào)

Sa(t)表示

5/、sin?

Sa(z)=------

t

波形如圖：

|Sa(/)

-5n-4R-3n-2K-n0n2n3n4JI5n

Sa⑴函數(shù)的性質(zhì)：

(1)Sa(t)是偶函數(shù)，在t正負(fù)兩方向

振幅都逐漸衰減。

(2)「8冗

LSa?)df=-

JSaQ)df=7i

43

4.復(fù)指數(shù)信號(hào)

如果指數(shù)信號(hào)的指數(shù)因子為復(fù)數(shù)，

則稱為復(fù)指數(shù)信號(hào)，其表達(dá)式為

□復(fù)指數(shù)信號(hào)概括了多種情況，

可以利用復(fù)指數(shù)信號(hào)來描述各種基本信號(hào)，

如直流信號(hào)(b=o，Q=。)、

指數(shù)信號(hào)(“030)

、正弦或余弦信號(hào)口，以及增長或衰減

的正弦與余弦信號(hào)口。

5.單位斜變信號(hào)

斜變信號(hào)指的是從某一時(shí)刻開始隨時(shí)

間正比例增長的信號(hào)。其表達(dá)式為

RQ)=t,(t>0)

—Zo)=%—，o，(Z>Zo)

在信號(hào)與系統(tǒng)分析中，經(jīng)常要遇到函數(shù)本

身有不連續(xù)點(diǎn)或其導(dǎo)數(shù)與積分有不連續(xù)點(diǎn)

44

的情況，這類函數(shù)統(tǒng)稱為奇異函數(shù)或奇異

信號(hào)，

1.單位階躍信號(hào)

⑺V：晨;

I

工程中會(huì)不會(huì)出現(xiàn)u(t)呢？請(qǐng)看下例:

例：圖中假設(shè)S、E、C都是理想元件(內(nèi)阻

為0),當(dāng)t=0時(shí)S閉合，求電容C上的

電壓，

45

解：由于S、E、C都是理想元件，所以，回

路無內(nèi)阻，當(dāng)S閉合后，C上的電壓會(huì)產(chǎn)生

跳變，從而形成階躍電壓。即：

匕⑴二,

如果開關(guān)S在t二to時(shí)閉合，

則電容上的電壓為u(t-to)o

u(t-tO)波形如下圖所示：

u⑴與R(t)的關(guān)系:

R(t)=Iw(r)dr

u(t)的性質(zhì):單邊特性，即:

0t<0

7(0

某些脈沖信號(hào)可以用階躍信號(hào)來

表示°

小)

二_［一二

TTA

-21?

［刖=加嗚,

f對(duì)二EuQ-j,

乙

所以，矩形脈沖6(t)可表示為

G(f)=/(。-加)=E[u[t+-)-u(t--)]

22

講授過程學(xué)習(xí)講授內(nèi)容體系設(shè)計(jì)隨堂檢測(cè)預(yù)

留作業(yè)

講解課后習(xí)題習(xí)題1/2/3

學(xué)習(xí)小結(jié)

教學(xué)反思

課后小結(jié)本次課主要講解常見時(shí)間連續(xù)信號(hào)

47

第三講：第二章信號(hào)的運(yùn)算、分解

授課時(shí)數(shù)學(xué)時(shí)

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解信號(hào)的運(yùn)算、分解、信號(hào)的微分與積分

學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)、

信號(hào)的分解、信號(hào)的運(yùn)算、奇異信號(hào)

關(guān)鍵點(diǎn)

學(xué)習(xí)模式

講授法

講授過程預(yù)備知識(shí)引

學(xué)習(xí)講授內(nèi)容體系設(shè)計(jì)

題材料

正弦信號(hào)

復(fù)習(xí)上節(jié)課知識(shí)點(diǎn)，引入新課內(nèi)容

講授過程知識(shí)要點(diǎn)筆

學(xué)習(xí)講授內(nèi)容體系設(shè)計(jì)

記安排

2.4信號(hào)的運(yùn)算

3.信號(hào)的反褶、時(shí)移、尺度變換

(1)反褶運(yùn)算

f(0-f(-o

以t二0為軸反褶

48

1

(2)時(shí)移運(yùn)算

t0>0時(shí)，f(t)在t軸上整為右移

t(KO時(shí)，f(t)在t軸上整體左移

加)一/(-0)

1

------------?

八1+

fg。

廠I

------------?

0tnh+1f

49

(3)尺度變換運(yùn)算

壓縮擴(kuò)展

/(0.fQt)

八才)一八4)

pft4—q

-10

?)[

-1/201/2t

例2.47(4)：信號(hào)如下圖所示，求

f(-2t+3),并畫出波形。

50

51

52

人于、Q)

解：f(t)=tLu(t)-u(t-l)J

⑵積分運(yùn)

廣D?)…

5.信號(hào)的卷積積分

卷積積分定義為

?00

和)*1(/)=]⑺加

-8

,尸—D(0=2心⑺一〃Q-1)]+2次?—1)

—2tli(t)—2(?—V)u{t—1)

"⑺*/")=/(，)卷積積分的物理

意義、圖解法計(jì)算及性質(zhì)將在4.6節(jié)和4.7

節(jié)中介紹。

1.偶分量與奇分量

3?-0)*/(力=)?-0)

偶分量定義為

兀3=fe(T)奇分量定義為

任意信號(hào)可分解為偶分量與奇分量之和，

53

即

=—JCX—

/⑺=/(，)+/"(1)

2.5信號(hào)的分解

2.脈沖分量

任意信號(hào)f(t)可以用一系列矩形脈沖

相疊加的階梯信號(hào)來近似表示。這種分割方

法稱為縱向分割。

八必____=r-^T

^1-1~1=

/(O)二...

-------——————————----------------?t

O4,2~+

當(dāng)t=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的矩形脈沖為

/(())口?)—，"△，)]

1U11L_1/

△，一。Az

=lim/'(O)d>(/)AZ

△IfO?

.z<，)

/?<AC>-----------..-j^22222—口T1

.Z<<?^p]__

-IIIIII_I_?

<>C>AC<Ar+I>Z^Z，z

/(O)出。)一〃?一△r)]

當(dāng)t=o時(shí)，對(duì)應(yīng)的矩形脈沖為

lim八3)她Z絲上但竺的11加

ATo,Ar

八必，)3(，-&，)-u\t一(4+1)7]}

54

kbt

將上述無窮多個(gè)矩形脈沖迭加，就得到

f(t)的表達(dá)式,即

OP

/(Z)=lim>一左△，)△，

AZ—>0'

^=—oo

=lim于(kNt)B@—kbt)Nt

o

8

/?)=limZf(kAt)5(t-kNt)At

ATO

K=-00

型—00寸,

OO8

△1fdz?，左△，f/，】im>ff

Ar—>0J一8

K="0O

A/⑺

0'A；2A/~~屆(1+1)加~i

3.正交函數(shù)分量

如果用正交函數(shù)集表示一個(gè)信號(hào)，那

么，組成信號(hào)的各分量就是相互正交的。

例如，各次諧波的正弦與余弦信號(hào)構(gòu)

成的三角函數(shù)集就是正交函數(shù)集。任何周期

55

信號(hào)f(t)只要滿足狄里赫利條件，就可以

由這些三角函數(shù)的線性組合來表示，稱為

f(t)的三角形式的傅里葉級(jí)數(shù)。同理，

f(t)還可以展開成指數(shù)形式的傅里葉級(jí)數(shù)。

2.6MATLAB的操作界面及連續(xù)信號(hào)的表示

1.MATLAB的操作界面

2.MATLAB的編輯界面

文件名：filel.m

文件名：不能出現(xiàn)漢字，連字符，否

則解釋系統(tǒng)不人，就是說文件不能運(yùn)行。

「oo

/(0=f/(rW-r)dr

J—oo

實(shí)驗(yàn)三信號(hào)的基本運(yùn)算實(shí)驗(yàn)

方波信號(hào)的分解與合成實(shí)驗(yàn)

L實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

2.3(1)了解各基本運(yùn)算亙?cè)臉?gòu)成

(2)掌握信號(hào)時(shí)域運(yùn)算的運(yùn)算法則

2.7(1)了解方波的傅里葉變換和頻譜特性

?2)掌握方波信號(hào)在一余上進(jìn)行分解

與合成的方法

(3)掌握方波諧波分量的幅值和相位對(duì)

信號(hào)合