第1章通信概述通信概述信息度量與信號(hào)分析隨機(jī)過(guò)程和噪聲特性模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)模擬信號(hào)的數(shù)字化數(shù)字基帶傳輸數(shù)字頻帶傳輸時(shí)分復(fù)用和同步技術(shù)信道編碼技術(shù)全套可編輯PPT課件通信技術(shù)的發(fā)展歷程中國(guó)通信的創(chuàng)新與成就通信系統(tǒng)的基本組成通信的頻譜劃分1235目錄CONTENTS通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)4通信技術(shù)的發(fā)展歷程1概述古代通信發(fā)展歷程本章將系統(tǒng)地介紹通信技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)，通過(guò)回顧通信技術(shù)的發(fā)展歷程、探討中國(guó)在通信領(lǐng)域的創(chuàng)新與成就、分析通信系統(tǒng)的基本組成、解讀頻譜的劃分原則以及展望通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，幫助讀者全面理解通信技術(shù)的核心概念與發(fā)展脈絡(luò)，從而為后續(xù)深入學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的背景知識(shí)。

2700多年前（周朝）:烽火傳訊

春秋時(shí)期（2000多年前）:風(fēng)箏傳訊（公輸般、墨子）

三國(guó)時(shí)期:孔明燈（天燈）

周朝:信件傳遞（驛站出現(xiàn)）1通信技術(shù)的發(fā)展歷程近現(xiàn)代通信的起始與發(fā)展19世紀(jì)

1973年:摩托羅拉公司發(fā)明便攜式蜂窩電話（大哥大）

1835年:莫爾斯發(fā)明電磁式電報(bào)機(jī)，提出莫爾斯電碼。

1844年:世界上第一份電報(bào)發(fā)出。

1875年:貝爾發(fā)明電話機(jī)，并在300公里內(nèi)完成首次長(zhǎng)途電話實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)上半葉

1901年:馬可尼成功使用火花隙無(wú)線電報(bào)跨越大西洋。

1930年:超短波通信發(fā)明。

1946年:中國(guó)開(kāi)通超短波中繼電路。20世紀(jì)后半葉

1962年:首顆地球同步衛(wèi)星成功發(fā)射。

1967年:大規(guī)模集成電路誕生。

1972年:光纖發(fā)明。1通信技術(shù)的發(fā)展歷程近現(xiàn)代通信的起始與發(fā)展20世紀(jì)后半葉

1982年:第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)誕生（GSM等標(biāo)準(zhǔn)）。

1989年:萬(wàn)維網(wǎng)（WWW）發(fā)明。

1990年:GSM標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，成為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)商標(biāo)。當(dāng)代通信（21世紀(jì)）

2000年:第三代多媒體蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提出（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA）。

2007年:第一代iPhone發(fā)布，智能手機(jī)時(shí)代開(kāi)啟。

2019年:中國(guó)發(fā)放5G商用牌照，進(jìn)入5G元年。未來(lái)通信趨勢(shì)

6G研發(fā):全球范圍內(nèi)研究6G技術(shù)，推動(dòng)通信技術(shù)的創(chuàng)新。

衛(wèi)星通信:低軌衛(wèi)星提供全球?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)（SpaceX、OneWeb等）。

量子通信:具備高安全性和效率，成為未來(lái)通信重要技術(shù)方向。1通信技術(shù)的發(fā)展歷程中國(guó)通信的創(chuàng)新與成就22中國(guó)通信的創(chuàng)新與成就技術(shù)創(chuàng)新的璀璨篇章5G引領(lǐng)未來(lái)

華為、烽火等通信巨頭引領(lǐng)5G研發(fā)。

華為掌握大量核心專利，推動(dòng)全球5G普及。

“5G不是簡(jiǎn)單的4G+1G，而是面向未來(lái)的技術(shù)?！薄握橇孔油ㄐ诺耐黄?/p>

市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)：2023年達(dá)14.05億元，預(yù)計(jì)2024年突破16億元。

國(guó)內(nèi)企業(yè)（國(guó)盾量子、問(wèn)天量子等）推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化與實(shí)用化。

量子通信具備高安全性與高傳輸效率。2中國(guó)通信的創(chuàng)新與成就標(biāo)準(zhǔn)制定的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)從跟隨到引領(lǐng)

中國(guó)從通信標(biāo)準(zhǔn)使用者轉(zhuǎn)變?yōu)橹贫ㄕ摺?/p>

積極參與國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)組織（如3GPP）的工作：

o華為、中興貢獻(xiàn)創(chuàng)新方案。

中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）推動(dòng)全球標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。意義

提升國(guó)際地位，彰顯技術(shù)實(shí)力與責(zé)任擔(dān)當(dāng)。2中國(guó)通信的創(chuàng)新與成就網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)的堅(jiān)實(shí)基石全球最大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)光纖寬帶與4G/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)?？s小數(shù)字鴻溝，讓偏遠(yuǎn)地區(qū)享受高質(zhì)量通信服務(wù)。新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。支持各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提高傳輸效率和安全性。2中國(guó)通信的創(chuàng)新與成就自主衛(wèi)星系統(tǒng)的嶄新高度北斗系統(tǒng)成就全球服務(wù)：精準(zhǔn)導(dǎo)航與定位，應(yīng)用于交通、農(nóng)業(yè)、物流等多個(gè)領(lǐng)域。標(biāo)志：中國(guó)航天通信技術(shù)的新高度。貢獻(xiàn)者:北斗系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊長(zhǎng)風(fēng)等人推動(dòng)技術(shù)突破?？偨Y(jié)與展望

技術(shù)創(chuàng)新:5G全球推廣，量子通信探索。

國(guó)際合作:通信標(biāo)準(zhǔn)的制定與引領(lǐng)。

基礎(chǔ)建設(shè):網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)的完善與應(yīng)用。

未來(lái)愿景:開(kāi)放合作，共贏發(fā)展。通信系統(tǒng)的基本組成33通信系統(tǒng)的基本組成通信的頻譜劃分44通信的頻譜劃分頻段名稱頻率范圍主要用途低頻（LF）30-300KHz長(zhǎng)波廣播、導(dǎo)航通信中頻（MF）300KHz-3MHz中波廣播高頻（HF）3-30MHz短波廣播、電臺(tái)通信甚高頻（VHF）30-300MHz調(diào)頻廣播、航空通信超高頻（UHF）300MHz-3GHz電視廣播、移動(dòng)通信、雷達(dá)微波（Microwave）3-30GHz衛(wèi)星通信、微波通信毫米波（MillimeterWave）30-300GHz5G通信、高清影像傳輸163通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)55通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)5G和6G技術(shù)的快速發(fā)展現(xiàn)狀與成就5G商用:全球部署，帶來(lái)高速度與低延遲。中國(guó)領(lǐng)軍：2019年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模5G商用。未來(lái)趨勢(shì)6G技術(shù):速度達(dá)1Tb/s，比5G快100倍。應(yīng)用場(chǎng)景：物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛超遠(yuǎn)程手術(shù)智慧城市5通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)人工智能在通信中的應(yīng)用現(xiàn)狀與案例網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化:AI動(dòng)態(tài)調(diào)整基站功率，提高效率，減少擁塞。智能客服:電話機(jī)器人和AI助手，自動(dòng)響應(yīng)用戶問(wèn)題。未來(lái)趨勢(shì)智能化發(fā)展:自動(dòng)診斷與修復(fù)網(wǎng)絡(luò)故障。提升通信系統(tǒng)的智能性和穩(wěn)定性。5通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)量子通信技術(shù)的突破現(xiàn)狀與成就

中國(guó)首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”：

量子密鑰分發(fā)。量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。未來(lái)趨勢(shì)

全球量子通信網(wǎng)絡(luò):

理論絕對(duì)安全性。

改變高敏感信息傳輸方式。5通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)與智能設(shè)備互聯(lián)現(xiàn)狀與應(yīng)用

智能家居：

GoogleNest、亞馬遜Alexa廣泛應(yīng)用。

自動(dòng)駕駛：依賴高速通信網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。未來(lái)趨勢(shì)智慧城市與工業(yè)4.0:

深化設(shè)備互聯(lián)。

實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)環(huán)境分析與自動(dòng)化控制。5通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合現(xiàn)狀與案例

AR/VR在通信中的應(yīng)用：

視頻會(huì)議與遠(yuǎn)程協(xié)作（操作三維模型）。

主流設(shè)備：微軟HoloLens、FacebookOculus。未來(lái)趨勢(shì)

沉浸式通信體驗(yàn):

虛擬現(xiàn)實(shí)中的面對(duì)面交談。

遠(yuǎn)程體驗(yàn)展覽與會(huì)議。5通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)與智能設(shè)備互聯(lián)總結(jié)與展望

未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展方向：更快:從5G到6G。更智能:AI推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)智能化。更安全:量子通信突破。更互聯(lián):深化物聯(lián)網(wǎng)與智慧設(shè)備。更沉浸:AR/VR引領(lǐng)互動(dòng)革新。

謝謝第2章信息度量與信號(hào)分析信息速率信號(hào)的帶寬1236目錄信號(hào)的頻域分析4信息與其度量差錯(cuò)率5習(xí)

題信息與其度量11信息與其度量

數(shù)學(xué)上，消息中所含的信息量I與消息出現(xiàn)的概率p（x）之間的關(guān)系可表達(dá)如下：信息量是概率的函數(shù)： I=f[p(x)]信息量和概率之間量的關(guān)系是，當(dāng)消息出現(xiàn)的概率p（x）越小，信息量I越大；反之，當(dāng)p(x)=1（即事件完全確定）時(shí)，信息量I為0。當(dāng)事件不可能發(fā)生（概率為0）時(shí)，信息量趨于無(wú)窮大。若離散消息xi出現(xiàn)的概率為p(xi)，則該消息攜帶的信息量可以定義為：

I(xi）=-log2（xi）

2-1例已知某離散信源只有三個(gè)符號(hào)A、B、C，它們出現(xiàn)的概率分別為P(A)=1/2，P(B)=1/3，P(C)=1/6。求每個(gè)符號(hào)的信息量。解：1信息與其度量信息速率22信息速率1、碼元傳輸速率RB?碼元傳輸速率RB（傳碼率或符號(hào)率）是指每秒傳送的碼元數(shù)（或脈沖數(shù)），單位為波特（Baud）。它是評(píng)估數(shù)字通信系統(tǒng)有效性的重要指標(biāo)之一。例如，某系統(tǒng)每秒傳送1200個(gè)碼元，則其傳碼率為1200波特。若一個(gè)碼元（或脈沖）的寬度用Ts表示，則傳碼率的計(jì)算公式為：其中，單位用大寫(xiě)的“B”表示波特。需要注意的是，數(shù)字信號(hào)可以是二進(jìn)制或多進(jìn)制的，但碼元傳輸速率與信號(hào)的進(jìn)制無(wú)關(guān)，只與碼元的持續(xù)時(shí)間Ts有關(guān)。對(duì)于M進(jìn)制信號(hào)，傳碼率的計(jì)算公式為：這表明，碼元傳輸速率的提升可以通過(guò)減小碼元寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.信息傳輸速率Rb?信息傳輸速率Rb（傳信率或比特率）是指單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)男畔⒘?，單位為b/s（比特/秒）。例如，某通信系統(tǒng)的信息速率為1200b/s，這意味著每秒可傳送1200bit的信息量。在同一信道上，信息速率越高，系統(tǒng)的有效性越好。在碼元速率不變的前提下，若要提高信息速率，可以采用多進(jìn)制傳輸。對(duì)于M進(jìn)制信號(hào)，由于每個(gè)碼元攜帶?比特的信息量，因此其傳信率的計(jì)算公式為：

在此公式中，M表示傳輸信號(hào)采用M進(jìn)制，RB

表示傳碼率。通過(guò)這個(gè)公式可以看出，信息量與進(jìn)制有關(guān)，因此傳信率也隨之變化。2信息速率差錯(cuò)率33差錯(cuò)率1.誤碼率PB誤碼率PB，又稱為誤符號(hào)率，是指在傳送的總碼元數(shù)中錯(cuò)誤接收的碼元所占的比例。計(jì)算公式為：

2.誤信率Pb誤信率Pb，也稱為誤比特率，是指錯(cuò)誤接收的比特?cái)?shù)與傳輸消息的總比特?cái)?shù)之比。其計(jì)算公式為：

例2-4

碼率的計(jì)算已知某八進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率為6000b/s，在接收端10分鐘內(nèi)共檢測(cè)出24個(gè)錯(cuò)誤碼元，求該系統(tǒng)的誤碼率。解：根據(jù)題意可得，該系統(tǒng)的信息速率為Rb=6000b/s。因?yàn)橄到y(tǒng)采用八進(jìn)制，所以每個(gè)碼元攜帶log28=3比特信息，因此碼元速率RB

可計(jì)算為：在接收端10分鐘（即600秒）內(nèi)共傳輸?shù)拇a元總數(shù)為：總碼元數(shù)=RB=×600=2000×600=1，200，000已知10分鐘內(nèi)出現(xiàn)了24個(gè)錯(cuò)誤碼元，因此誤碼率PB

為：結(jié)果：該系統(tǒng)的誤碼率為2×10-5，即在傳輸?shù)?,200,000個(gè)碼元中，平均每50,000個(gè)碼元會(huì)出現(xiàn)1個(gè)錯(cuò)誤。3差錯(cuò)率信號(hào)的帶寬44信號(hào)的帶寬1.帶寬的定義一個(gè)信號(hào)的帶寬通常是指其頻譜的寬度，即頻譜中非零頻率成分所占的范圍。2.信號(hào)帶寬與傳輸速率的關(guān)系在通信系統(tǒng)中，信號(hào)帶寬與傳輸速率之間存在直接關(guān)系。根據(jù)香農(nóng)（shannon）公式，信道的最大信息傳輸速率C受信道帶寬和信噪比的限制：其中：C表示最大傳輸速率（單位為b/s），B為信道帶寬（單位為Hz），SNR為信噪比。該公式表明，信道的最大傳輸速率隨帶寬和信噪比的增大而提高。因此，要提升通信系統(tǒng)的傳輸速率，一方面可以增大帶寬，另一方面可以通過(guò)提高信噪比來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.模擬信號(hào)的帶寬模擬信號(hào)的帶寬通常根據(jù)信號(hào)的頻率范圍來(lái)定義。例如，在電話系統(tǒng)中，語(yǔ)音信號(hào)的頻率范圍一般集中在300Hz到3400Hz之間，因此電話信號(hào)的帶寬約為3.1KHz。4.數(shù)字基帶信號(hào)的帶寬這里僅指不歸零矩形信號(hào)（即在一個(gè)碼元周期內(nèi)電平不變），根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，理想帶寬約等于信號(hào)傳輸速率的一半，因此帶寬B與傳輸速率R的關(guān)系可表示為：

即一個(gè)每秒傳輸R比特的二進(jìn)制信號(hào)所需的帶寬約為R/2Hz。5.帶寬與系統(tǒng)性能

頻帶利用率（Efficiency），它定義為單位帶寬（每赫茲）內(nèi)的傳輸速率，計(jì)算公式為：4信號(hào)的帶寬6.不同類型的帶寬（1）半功率帶寬（3dB帶寬）半功率帶寬（也稱為3dB帶寬）指的是信號(hào)在頻率域上功率下降到峰值功率一半（即-3dB）時(shí)的頻率范圍。對(duì)于模擬信號(hào)，功率在頻率范圍內(nèi)的衰減不均勻，因此，半功率帶寬可以較好地表示信號(hào)在頻率上的主能量分布。B3db=f2-f1（2）零功率帶寬定義：零功率帶寬是信號(hào)從最低頻率到最高頻率之間的范圍，定義為整個(gè)頻譜中信號(hào)的延展。（3）有效帶寬（等效帶寬）定義：有效帶寬是指包含信號(hào)總功率的絕大部分（如90%或99%）的頻譜范圍。（4）信道帶寬定義：信道帶寬是指通信信道可以傳輸信號(hào)的頻率范圍（最高頻率和最低頻率之差）。圖2-1半功率帶寬示意圖4信號(hào)的帶寬信號(hào)的頻域分析55信號(hào)的頻域分析知識(shí)拓展——線性時(shí)不變（LTI）系統(tǒng)LTI系統(tǒng)的兩個(gè)主要特性為“線性”和“時(shí)不變”。1.線性（Linear）線性特性指的是系統(tǒng)遵循“疊加原理”，即對(duì)多個(gè)輸入的響應(yīng)是其各自響應(yīng)的加權(quán)和。如果輸入x1（t）產(chǎn)生輸出y1(t)，輸入x2(t)產(chǎn)生輸出y2(t)，那么對(duì)于輸入a×x1(t)+b×x2(t)（其中a和b是常數(shù)），輸出為a×y1(t)+b×y2(t)。2.時(shí)不變（Time-Invariant）時(shí)不變性意味著系統(tǒng)特性不隨時(shí)間變化。若輸入x（t）產(chǎn)生輸出y(t)，則延遲輸入x（t?τ）也將產(chǎn)生延遲輸出y(t?τ)。這表明輸出只依賴于輸入的形狀，而與輸入何時(shí)施加無(wú)關(guān)。RC濾波器、RL濾波器、運(yùn)算放大器電路和電壓分壓器等構(gòu)成的電路系統(tǒng)都是LTI系統(tǒng)的實(shí)例。2.5.1什么要進(jìn)行頻域分析？頻域分析是一種觀察信號(hào)頻率特性的方式。在時(shí)間域（時(shí)域）上，我們通常用時(shí)間的橫軸來(lái)記錄信號(hào)隨時(shí)間的變化，描述信號(hào)的形狀和波動(dòng)，非常直觀，易于理解。與之不同，在頻域中，信號(hào)被表示為不同頻率成分的疊加情況。圖2-2

頻譜分析5信號(hào)的頻域分析2.5.2周期信號(hào)的頻譜分析

1.傅里葉級(jí)數(shù)的基本概念

對(duì)于一個(gè)周期信號(hào)x(t)，周期為T(mén)，傅里葉級(jí)數(shù)的表達(dá)式為：式中，a0表示信號(hào)的直流分量，即信號(hào)的平均值，而an和bn

則是信號(hào)在各個(gè)諧波頻率上的幅度。通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)，我們可以更清晰地觀察周期信號(hào)的頻譜特性。5信號(hào)的頻域分析圖2-3

周期信號(hào)的頻譜示意2.周期信號(hào)的頻譜圖圖2-4方波頻譜圖演進(jìn)的過(guò)程

對(duì)于一個(gè)周期為T(mén)的方波x(t)，其幅值為A，則方波的傅里葉級(jí)數(shù)可以表示為：

其中，求和只包括奇數(shù)次諧波（即n=1,3,5...），因?yàn)榕紨?shù)次諧波在方波中為零。這表明，方波是由基頻和其奇數(shù)次諧波組成，且諧波的幅度隨著諧波次數(shù)的增加而逐漸減小。5信號(hào)的頻域分析3.非周期信號(hào)的頻譜分析圖2-5非周期方波信號(hào)和其頻譜

非周期信號(hào)的頻譜通常是連續(xù)的，表示了信號(hào)在各個(gè)頻率上能量相對(duì)大小的分布。

例如，對(duì)于一個(gè)沖擊信號(hào)（單位脈沖），其頻譜在所有頻率上均勻分布，說(shuō)明其頻率成分包含所有頻率。相比于周期信號(hào)的離散譜線，非周期信號(hào)的頻譜圖更加平滑且連續(xù)。5信號(hào)的頻域分析4、方波周期信號(hào)的頻譜

圖2-6方波周期信號(hào)傅里葉變換

5信號(hào)的頻域分析實(shí)驗(yàn)1觀察模擬信號(hào)源實(shí)驗(yàn)七、實(shí)訓(xùn)的答疑解惑1.同步正弦波和非同步正弦波的主要區(qū)別，為什么本實(shí)訓(xùn)要選用兩種正弦波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？2.思考周期性波形（如三角波、方波等）的頻率和相同頻率的正弦波的關(guān)系，理解周期性函數(shù)的傅里葉變換的實(shí)際意義。習(xí)題6一、選擇題1.在信號(hào)處理中，信號(hào)的帶寬通常是指信號(hào)的（

）A.

時(shí)間持續(xù)B.

幅度范圍C.

頻率范圍D.

編碼方式2.信道容量C的單位是：（

）A.

波特B.

赫茲C.

比特/秒D.

碼元/秒3.Shannon定理主要涉及：（

）A.

信號(hào)處理B.信息量計(jì)算C.信道容量D.碼率控制4.若某信息源的熵為1比特，則該信息源每次輸出的符號(hào)數(shù)為：（

）A.

1B.

2C.

4D.

85.在AM調(diào)制中，M代表：（

）A.信道數(shù)B.信號(hào)幅度C.可用符號(hào)數(shù)D.數(shù)據(jù)速率

6習(xí)題6.對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，信息量計(jì)算公式為：（

）A.C=B×log2(1+S/N)B.C=B×SC.C=B/ND.C=S－N7.在通信系統(tǒng)中，噪聲的影響通常是：（

）A.增加信號(hào)的強(qiáng)度B.降低信號(hào)的質(zhì)量C.提高傳輸速率D.增強(qiáng)數(shù)據(jù)的完整性8.當(dāng)信號(hào)被抽樣時(shí)，采樣頻率應(yīng)至少為信號(hào)帶寬的：

A.

1倍B.

2倍C.

3倍D.

4倍9.為了提高系統(tǒng)的可靠性，通常采用：（

）

A.

單一信道B.

糾錯(cuò)編碼C.

頻率跳變D.

直接序列擴(kuò)頻10.帶寬為BHz

的信號(hào)，其最大傳輸速率為：（

）

A.

1Bb/sB.

B2b/sC.

3Bb/sD.

4Bb/s6習(xí)題

11.若信息源的每個(gè)符號(hào)的概率均相等，則其熵：（

）A.最大

B.最小

C.等于0

D.無(wú)法確定12.數(shù)據(jù)壓縮的主要目的是：（

）A.

提高傳輸速率

B.降低信道的噪聲

C.降低存儲(chǔ)成本

D.降低數(shù)據(jù)的冗余二、填空題1.

通信系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量通常用__________來(lái)評(píng)估。2.

信道的最大傳輸能力由__________定理確定。3.

理想信道的傳輸速率由公式__________計(jì)算。4.

在數(shù)字通信中，常用的調(diào)制方式包括__________和__________。5.

誤碼率（BER）的計(jì)算公式是__________。6.

在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，通常需要考慮信號(hào)的__________和__________。6習(xí)題7.

當(dāng)信息源的符號(hào)概率分布均勻時(shí)，其熵達(dá)到最大值，稱為_(kāi)_________熵。8.通信系統(tǒng)中的噪聲通常會(huì)導(dǎo)致__________。9.信道容量的單位是__________10.Shannon定理的主要內(nèi)容是__________。11.在信號(hào)處理中，濾波器的作用是__________。12.為了提高通信的可靠性，通常會(huì)采用__________技術(shù)。13.數(shù)據(jù)的冗余性可以通過(guò)__________來(lái)降低。

6習(xí)題三、判斷題1.

信息的熵越大，表示不確定性越小。（）2.

Shannon定理表明，信道的最大傳輸能力與信號(hào)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。（）3.

信道容量可以通過(guò)增加信號(hào)功率來(lái)提高。（）4.

誤碼率越高，系統(tǒng)的可靠性越差。（）5.

在信息論中，信息的量化與信源的概率分布無(wú)關(guān)。（）6.

傳輸過(guò)程中的噪聲對(duì)信號(hào)的影響是不可避免的。（）7.

線性調(diào)制的帶寬與信號(hào)的調(diào)制速率成正比。（）8.

數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸。（）9.

隨著信道帶寬的增加，信道容量也會(huì)增加。（）6習(xí)題10.

在信號(hào)處理中，信號(hào)的幅度不影響其信息量。（）11.

碼元是數(shù)字通信中傳輸信息的最小單位。（）12.

增加信道帶寬通?？梢蕴岣邆鬏斔俾?。（）13.

在離散信號(hào)中，每個(gè)符號(hào)的概率越均勻，其熵越大。（）14.

數(shù)據(jù)壓縮只適用于文本數(shù)據(jù)。（）15.

調(diào)制技術(shù)可以提高信號(hào)的抗干擾能力。（）16.

對(duì)于均勻分布的信息源，其熵總是高于其他分布的信息源。（）6習(xí)題四、計(jì)算題1.

在一條信道中，信號(hào)功率S=10mW，噪聲功率N=2mW，計(jì)算信道的信噪比（SNR）。2.

假設(shè)一個(gè)數(shù)字信號(hào)的誤碼率為0.01，計(jì)算該信號(hào)在1000個(gè)比特傳輸中的預(yù)計(jì)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)。3.

假設(shè)一個(gè)信號(hào)的帶寬為2000Hz，計(jì)算該信號(hào)的最大傳輸速率（考慮Shannon定理）。4.

如果信道的容量為10Mb/s，傳輸?shù)男盘?hào)帶寬為3KHz，計(jì)算信號(hào)的信噪比。5.

已知英文字母A、B、C出現(xiàn)的概率分別為0.15、0.20、0.25，試分別求A、B的信息量。6習(xí)題6.

某信源符號(hào)集由A、B、C和D組成，設(shè)每一符號(hào)獨(dú)立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別1/4，1/8，1/8和1/2，試求該信息源符號(hào)的平均信息量，7.

對(duì)于二電平數(shù)字信號(hào)，每秒鐘傳輸300個(gè)碼元，問(wèn)此傳碼率RB

等于多少？若該數(shù)字信號(hào)0和1出現(xiàn)是獨(dú)立等概的，那么傳信率Rb

等于多少？8.

設(shè)一數(shù)字通信系統(tǒng)傳送碼元的速率為1200Baud，當(dāng)碼元為二進(jìn)制時(shí)，求該系統(tǒng)的信息速率。當(dāng)碼元為十六進(jìn)制時(shí)，求該系統(tǒng)的信息速率。6習(xí)題謝謝第3章

隨機(jī)過(guò)程和噪聲特性隨機(jī)過(guò)程的基本概念時(shí)域分析和頻譜特性隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的特征1235目錄CONTENTS噪聲及分類實(shí)驗(yàn)2接收濾波放大器

467習(xí)

題隨機(jī)過(guò)程的基本概念11隨機(jī)過(guò)程的基本概念假設(shè)我們有n臺(tái)性能完全相同的接收機(jī)，在相同的工作環(huán)境和測(cè)試條件下，記錄各臺(tái)接收機(jī)的輸出噪聲波形xi(t)（這可以視作對(duì)一臺(tái)接收機(jī)在不同時(shí)間的n次觀測(cè)）。隨機(jī)過(guò)程的時(shí)域分析和頻譜特性22隨機(jī)過(guò)程的時(shí)域分析和頻譜特性

設(shè)x（t）表示一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，那么在任意時(shí)刻t1的值x（t1）是一個(gè)隨機(jī)變量，其統(tǒng)計(jì)特性可以用分布函數(shù)或概率密度函數(shù)來(lái)描述。以高斯白噪聲為例，假設(shè)在時(shí)刻t?，噪聲的概率密度函數(shù)為：

·x是噪聲的瞬時(shí)值?！う淌蔷担▽?duì)于白噪聲，通常假設(shè)為0，表示沒(méi)有直流分量）?！う沂菢?biāo)準(zhǔn)差，表示噪聲的離散程度或強(qiáng)度?！な菤w一化因子，確保整個(gè)概率密度函數(shù)的積分為1?！な侵笖?shù)函數(shù)部分，描述了噪聲值x相對(duì)于均值μ的偏離程度。2隨機(jī)過(guò)程的時(shí)域分析和頻譜特性這個(gè)公式表示噪聲在不同幅值下的概率密度。例如，當(dāng)x?=0μV時(shí)，噪聲正好為0μV的概率密度最大；當(dāng)x?遠(yuǎn)離0時(shí)，比如x?=3μV，概率密度迅速減小。這表明噪聲接近0的值出現(xiàn)的概率最大，而偏離0的值（如x?=3或x?=-3）出現(xiàn)的概率較小。定義分布函數(shù)P（a<x）為幅值在a，b之間的總概率。其分布函數(shù)P（x?）表示噪聲值小于等于x?的概率。例如，P(1.0）表示噪聲在時(shí)刻t?小于或等于1.0μV的概率，這個(gè)值約為0.84（根據(jù)正態(tài)分布的累積概率）。隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征33隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征1.均值均值（或稱數(shù)學(xué)期望）是隨機(jī)過(guò)程的平均值，用來(lái)表示隨機(jī)變量的值大致集中在哪個(gè)范圍。它的定義如下：E[x(t)]表示隨機(jī)變量x(t)的均值。f是隨機(jī)變量x(t)的概率密度函數(shù)，描述了隨機(jī)變量取某一特定值的概率分布。積分的范圍是從負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮，計(jì)算的是所有可能取值的加權(quán)平均值。3教學(xué)隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征2.方差方差描述了隨機(jī)變量取值相對(duì)于其均值的偏離程度。隨機(jī)變量x（t）的方差定義為隨機(jī)變量與其均值之差的平方的期望值，即：D[x(t)]表示隨機(jī)變量x(t)的方差。E[x(t)]是隨機(jī)變量x(t)的均值（期望值）。x(t)?E[x(t)]表示隨機(jī)變量x(t)與其均值之間的偏差。E[(x(t)?E[x(t)])2]表示所有可能取值偏差的平方的平均值。

方差反映了隨機(jī)過(guò)程波動(dòng)的大小，數(shù)值越大，說(shuō)明波動(dòng)越大，反之則波動(dòng)較小。方差常記為σ2(t)。

其噪聲的均值μ=0，方差為σ2。這個(gè)分布函數(shù)可以用來(lái)描述噪聲信號(hào)在不同時(shí)間點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)特性，幫助預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)噪聲對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。描述噪聲的單位通常為伏特（V）或微伏（μV），在功率噪聲的情況下，單位則是瓦特（W）或分貝毫瓦（dBm）。平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的特征44平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的特征

1.均值和方差不隨時(shí)間變化

例如，高斯白噪聲的均值為零，方差為一個(gè)常數(shù)。2.自相關(guān)性不隨時(shí)間變化這意味著，對(duì)于任意的t1和t2，其自相關(guān)性只與它們之間的時(shí)間間隔有關(guān)，而與它們的

絕對(duì)時(shí)間位置無(wú)關(guān)。自相關(guān)函數(shù)可以用以下形式表示：

R[X(t1,t2)]=R[X(τ)]功率譜密度P(f)用于描述噪聲信號(hào)在不同頻率下的能量分布，它是自相關(guān)函數(shù)R(τ)的傅里葉變換。3.遍歷性：

遍歷性是指平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的時(shí)間平均值與統(tǒng)計(jì)平均值相等。。4平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的特征知識(shí)拓展——功率譜密度的概念：對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程X(t)，功率譜密度Px（f）是指在單位頻率范圍內(nèi)，信號(hào)所攜帶的功率能量，如圖3-3所示，橫軸代表頻率，單位赫茲（Hz），縱軸代表功率譜密度，單位瓦/赫茲（W/Hz）。它通常定義為信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。自相關(guān)函數(shù)Rx（τ）描述了信號(hào)在不同時(shí)間延遲下的相關(guān)性，而功率譜密度則是該相關(guān)性在頻域中的表現(xiàn)。噪聲及分類55噪聲及分類分類1.按來(lái)源分類根據(jù)噪聲的來(lái)源，噪聲可以分為人為噪聲和自然噪聲兩類。2.按性質(zhì)分類根據(jù)噪聲的特性，可以將噪聲分為脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲三類。在通信系統(tǒng)中，常見(jiàn)的熱噪聲通常表現(xiàn)為白噪聲，并且其取值符合高斯分布。因此，分析通信系統(tǒng)的抗噪性能時(shí)，通常使用高斯白噪聲作為噪聲模型。根據(jù)頻率范圍的不同，帶限噪聲可以分為：低通白噪聲：頻率集中在較低頻率范圍內(nèi)。帶通白噪聲：頻率集中在特定的帶通范圍內(nèi)。這些噪聲模型為分析通信系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸質(zhì)量和抗噪能力提供了基礎(chǔ)。5噪聲及分類高斯白噪聲如果噪聲的功率譜密度在所有頻率上均為一常數(shù)，即雙邊帶功率譜

或單邊帶功率則稱該噪聲為白噪聲，其中ｎ0

為正常數(shù)，如果白噪聲又是高斯分布的，則稱之為高斯白噪聲，我們常用它作為通信信道中的噪聲模型，在實(shí)際中，只要噪聲的功率譜均勻分布的頻率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通信系統(tǒng)的工作頻帶，我們就可以把它視為白噪聲，它有以下幾個(gè)重要的統(tǒng)計(jì)特性：

均值為零，這意味著在平均意義上，高斯白噪聲的正負(fù)波動(dòng)相互抵消，使其中心值為零。

方差為常數(shù)：高斯白噪聲的方差σ2是一個(gè)常數(shù)，表示其能量的強(qiáng)度或信號(hào)的“功率”大小。無(wú)論時(shí)間如何變化，方差保持不變。

統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性：在高斯白噪聲中，不同時(shí)刻的噪聲值是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，這意味著在任意兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)t1和t2處，噪聲值之間沒(méi)有相關(guān)性，即τ≠0，則R[X(τ)]=0。平坦的功率譜密度：高斯白噪聲的功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)是平坦的，即這使得它包含了所有頻率分量，類似于一種“全頻段”噪聲。5噪聲及分類限帶高斯白噪聲1.低通白噪聲在通信系統(tǒng)中，高斯白噪聲在通過(guò)濾波器后會(huì)形成低通白噪聲或帶通白噪聲，分別用于不同頻率范圍的信號(hào)傳輸需求。低通白噪聲指的是白噪聲通過(guò)理想的低通濾波器或低通信道后得到的噪聲信號(hào)。假設(shè)理想低通濾波器的傳輸特性是模為1、截止頻率為f≤fH

的矩形濾波器，那么低通白噪聲的功率譜密度如圖3-4所示：由于噪聲頻率被限制在f≤fH的范圍內(nèi)，低通白噪聲的輸出總功率P為P=n0×fH（功率與頻帶寬度成正比）。5噪聲及分類2.帶通白噪聲帶通白噪聲是白噪聲通過(guò)理想的帶通濾波器或帶通信道后得到的噪聲信號(hào)。假設(shè)帶通濾波器的中心頻率為fc，通帶寬度為B，那么帶通白噪聲的功率譜密度如圖3-5所示：這些模型幫助我們更好地理解在不同頻段內(nèi)的噪聲特性，便于在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有效分析和處理噪聲影響。6實(shí)驗(yàn)2接收濾波放大器6實(shí)驗(yàn)2接收濾波放大器實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)答疑1.半功率帶寬的帶寬的定義是什么，為什么低通濾波器的截止頻率就是信號(hào)的半功率帶寬。2.實(shí)訓(xùn)中的濾波器為低通濾波器，其帶寬就是截止頻率，如果是帶通濾波器，怎樣定義其帶寬和中心頻率。3.低通白噪聲和帶通白噪聲的帶寬和噪聲功率是怎樣定義的？請(qǐng)結(jié)合本實(shí)訓(xùn)回答其意義。

7習(xí)題一、選擇題1.隨機(jī)過(guò)程的定義主要是基于：A.信號(hào)的頻率 B,信號(hào)的幅度C.信號(hào)在時(shí)間上的不確定性D.信號(hào)的相位2.在通信系統(tǒng)中，典型的噪聲模型是：A.脈沖噪聲

B.高斯白噪聲

C.窄帶噪聲

D.起伏噪聲3.自相關(guān)函數(shù)R(τ)的重要性質(zhì)是：A.關(guān)于時(shí)間差τ不對(duì)稱

B.在τ=0處達(dá)到最小值C.描述信號(hào)在頻域中的能量分布

D.描述隨機(jī)過(guò)程在時(shí)間上的依賴性4.隨機(jī)過(guò)程的均值反映的是：A.隨機(jī)過(guò)程的波動(dòng)程度B.隨機(jī)變量的取值集中位置C.隨機(jī)過(guò)程的相關(guān)性

D.隨機(jī)過(guò)程的頻譜特性5.高斯分布的概率密度函數(shù)的形狀是：A.直線B.橢圓C.鐘形曲線D.隨機(jī)曲線7習(xí)題6.白噪聲通常被視為：A.平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程B.非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程C.周期性信號(hào)D.確定性信號(hào)7.自相關(guān)函數(shù)的平均功率是在以下哪種情況下計(jì)算的：A.τ=0.B.τ=∞.C.τ=1D.τ=-18.以下哪種噪聲是由自然現(xiàn)象引起的：A.電鉆產(chǎn)生的噪聲B.汽車點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲C.閃電產(chǎn)生的噪聲D.家電產(chǎn)生的電磁波輻射9.隨機(jī)過(guò)程的方差用于描述：A.信號(hào)的頻率B.信號(hào)的波動(dòng)大小C.信號(hào)的幅度D.信號(hào)的相位10.脈沖噪聲的特征是：A.持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，幅度小

B.持續(xù)時(shí)間短，幅度大C.頻譜集中于低頻D.持續(xù)存在于時(shí)域中7習(xí)題二、填空題1.隨機(jī)過(guò)程的樣本空間由__________構(gòu)成。2.高斯白噪聲的概率密度函數(shù)的均值通常為_(kāi)_________。3.自相關(guān)函數(shù)R(τ)描述了隨機(jī)過(guò)程在__________上的相關(guān)性。4.隨機(jī)變量的方差常記為_(kāi)_________。5.信號(hào)的__________表示了隨機(jī)變量的取值集中在什么位置。6.熱噪聲又稱為_(kāi)_________，因其統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布。7.在通信中，噪聲可視為_(kāi)_________干擾。8.平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性不隨__________變化。9.概率密度函數(shù)用于描述隨機(jī)變量在某一取值上的__________。10.隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征包括均值和__________。7習(xí)題三、計(jì)算題1.如果一個(gè)隨機(jī)過(guò)程的均值為5，方差為4，求其標(biāo)準(zhǔn)差。2.給定一高斯白噪聲，其概率密度函數(shù)為其中μ=0，σ2=1，計(jì)算噪聲在x=0處的概率密度值。3.若某通信系統(tǒng)中噪聲的自相關(guān)函數(shù)為求R(0)。4.假設(shè)一隨機(jī)變量服從正態(tài)分布，均值為2，標(biāo)準(zhǔn)差為1，求隨機(jī)變量小于1的概率（可使用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表）。7習(xí)題謝謝第4章：模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制的基本原理習(xí)題線性調(diào)制的噪聲影響調(diào)幅調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)景1235目錄CONTENTS角度調(diào)制原理

模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較467調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)幅度調(diào)制的基本原理1調(diào)幅

調(diào)幅(ＡＭ)信號(hào)的調(diào)制原理框圖如4-1所示，圖中m(t)為消息信號(hào)，s（t）為已調(diào)信號(hào)，ωc是載波的角頻率。

AM（AmplitudeModulation，調(diào)幅）信號(hào)的時(shí)域和頻譜波形分別反映了調(diào)幅信號(hào)的瞬時(shí)振幅變化及其頻率分布。

1幅度調(diào)制的基本原理圖4－1

ＡＭ調(diào)制原理1幅度調(diào)制的基本原理1.時(shí)域波形圖4－2ＡＭ

信號(hào)的時(shí)域和頻譜波形SAM（t=[A0+m(t)]cos(ωct)A0是載波的幅度；m（t）是消息信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）；ωc是載波的角頻率，與頻率fc的關(guān)系為ωc=2πfc。如圖4-2（a）所示，

振幅隨消息信號(hào)m（t）的變化而改變，形成包絡(luò)線，與消息信號(hào)的波形相同，所以又叫信號(hào)包絡(luò)。2.頻譜波形1幅度調(diào)制的基本原理AM信號(hào)的頻譜由載波頻率和兩個(gè)邊帶組成。假設(shè)m（t）為頻率ωm的單一正弦信號(hào)，則調(diào)幅信號(hào)的頻譜包含以下成分：載波頻率ωc?；上邊帶，頻率為ωc+ωm；下邊帶，頻率為ωc?ωm。因此，AM信號(hào)的頻譜波形在ωc處出現(xiàn)一個(gè)主峰，在ωc+ωm和ωc?ωm處出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱的邊帶頻率峰，邊帶是兩個(gè)離散譜。如果m（t）對(duì)應(yīng)頻譜函數(shù)M（ω）是一個(gè)連續(xù)譜，如圖4-2（b）所示，則已調(diào)波形的頻譜是上下邊帶就是對(duì)稱的連續(xù)譜波形。由圖4－2可見(jiàn)，ＡＭ

調(diào)制有以下特點(diǎn):信號(hào)包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成正比：當(dāng)調(diào)制信號(hào)的最大值m(t)max≤A0時(shí)，已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成正比，可以通過(guò)包絡(luò)檢波器解調(diào)信號(hào)。頻譜對(duì)稱性：AM信號(hào)的頻譜由載波和上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成，其帶寬為調(diào)制信號(hào)最高頻率的兩倍，即BAM=2ωH,或者BAM=2fH

式中ωＨ

為調(diào)制信號(hào)

ｍ（t）的最高角頻率，BAM為已調(diào)信號(hào)的帶寬。ＡＭ

由于載波不攜帶信息，卻占據(jù)了傳輸信號(hào)中的大部分能量，因此功效比較低。1幅度調(diào)制的基本原理圖4－3DSB調(diào)制器模型雙邊帶調(diào)制（DSB）在

ＡＭ

信號(hào)中，載波分量并不攜帶信息，信息完全由邊帶傳送，因此，如果將載波抑制，也就是在圖4－1中將直流

Ａ０

去掉，則變成圖4－3所示模型，這種傳輸方式稱為雙邊帶抑制載波(DoubleSideBand-SuppressedCarrier或者DSB-SC)調(diào)制，簡(jiǎn)稱DSB調(diào)制，其時(shí)域和頻域波形如圖4-4所示。1幅度調(diào)制的基本原理DSB調(diào)制有如下特點(diǎn)：1.DSB（t）波形包絡(luò)不再與m（t）的形狀相同，而是按照∣m(t)∣的規(guī)律變化，這意味著不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，必須采用相干解調(diào)，2.除了不再含有載波分量外，DSB信號(hào)的頻譜與AM信號(hào)的頻譜完全相同，仍由上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成，因此DSB信號(hào)的帶寬與AM信號(hào)的帶寬相同，即BDSB=2ωＨ

或者BDSB=2fH

式中，ωＨ為調(diào)制信號(hào)m（t）的最高角頻率。圖4－4DSB信號(hào)的時(shí)域和頻譜波形1幅度調(diào)制的基本原理單邊帶調(diào)制（SSB）圖4－5SSB信號(hào)的頻譜1幅度調(diào)制的基本原理DSB信號(hào)兩個(gè)邊帶中的任意一個(gè)都包含了調(diào)制信號(hào)頻譜

Ｍ(w)的所有頻譜成分，因此

僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可，這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調(diào)制

。

產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法有很多，其中常見(jiàn)的方法有濾波法。

由于單邊帶信號(hào)只傳送雙邊帶信號(hào)的一個(gè)邊帶，因此產(chǎn)生單邊帶信號(hào)的最直觀的方法就是將雙邊帶信號(hào)通過(guò)一個(gè)單邊帶濾波器，保留所需要的一個(gè)邊帶，濾除不要的邊帶，如圖4-5所示

。SSB調(diào)制有以下特點(diǎn):1.節(jié)省了發(fā)射功率這個(gè)重要的資源，因?yàn)橹话l(fā)射一個(gè)邊帶，相比其他幅度調(diào)制，節(jié)約了發(fā)射功率，2.減少了占用的信道帶寬，SSB信號(hào)的帶寬BSSB=ωH或者BSSB=fH，即與調(diào)制信號(hào)的最高頻率相同，它比

ＡＭ

和DSB信號(hào)的帶寬減少了一半，1幅度調(diào)制的基本原理圖4－5SSB信號(hào)的頻譜圖4－7殘留邊帶濾波器特性圖

圖4－6DSB、SSB和VSB信號(hào)的頻譜殘留邊帶調(diào)制VSB1幅度調(diào)制的基本原理

殘留邊帶調(diào)制

（VestigialSideBand）是介于SSB與DSB之間的一種調(diào)制方式，它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB信號(hào)實(shí)現(xiàn)上的難題，在VSB中，不是完全抑制一個(gè)邊帶，而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如圖4－6所示

。

用濾波法實(shí)現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制的原理框圖與SSB濾波法相同，其殘留邊帶濾波器傳輸特性

ＨVSB(ω)有所不同，

必須遵循的一定的條件，即在載波ωｃ

附近必須滿足互補(bǔ)對(duì)稱特性。

滿足該條件的可能形式有兩種:圖4－7(ａ)所示的低通濾波器，圖4－7(b)為高通濾波器。

以低通濾波器為例，其傳輸特性如圖4-8（a）所示，在-ωＨ

?ω?ωＨ范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)（b）和（c）的平移后，然后疊加如（d）所示，ＨVSB(ω)應(yīng)為常數(shù)

。1幅度調(diào)制的基本原理圖4－8殘留邊帶濾波器的幾何解釋VSB調(diào)制有以下特點(diǎn):1.VSB調(diào)制既克服了DSB占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB實(shí)現(xiàn)困難的缺點(diǎn)。2.VSB信號(hào)的帶寬介于SSB和DSB之間，即ωＨ<ＢVSB<２ωＨ

，一般典型值為ＢVSB=1.25ＢSSB

調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)2圖4－9相干解調(diào)的一般模型2調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)調(diào)幅信號(hào)的相干解調(diào)相干解調(diào)也叫同步檢波，相干解調(diào)器的一般模型如圖4－9所示，它由相乘器和低通濾波器組成，其中，Sｍ(ｔ)為接收到的已調(diào)信號(hào)，ｃ(ｔ)＝cosωｃｔ

為接收機(jī)提供的本地相干載波，它與接收信號(hào)中的載波必須同頻同相，Sp（t）為已解調(diào)信號(hào)，S0（t）為輸出信號(hào)，相干解調(diào)適用于所有線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。調(diào)幅信號(hào)(AM)的非相干解調(diào)2調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)

非相干解調(diào)一般只適合

ＡＭ

調(diào)制，當(dāng)調(diào)幅信號(hào)中的

ＡＭ

信號(hào)在不發(fā)生過(guò)調(diào)制時(shí)，可采用包絡(luò)檢波，其原理框圖如圖4－10(ａ)所示，這是一種非相干解調(diào)，在解調(diào)過(guò)程中不需要本地相干載波。圖4－１0(ｂ)為包絡(luò)檢波器的電路設(shè)計(jì)，相對(duì)于相干解調(diào)，包絡(luò)檢波器電路簡(jiǎn)單，效率高，包絡(luò)檢波器的輸出基本上與輸入信號(hào)的包絡(luò)變化呈線性關(guān)系，隔去直流后就得到原信號(hào)m(t)。圖4-10包絡(luò)解調(diào)包絡(luò)解調(diào)通常是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的包絡(luò)線來(lái)提取調(diào)制信息，因此，這種解調(diào)方式適用于幅度調(diào)制（AM）信號(hào)。如圖4-11所示，已調(diào)信號(hào)SAM(t)波形

在示波器的一個(gè)通道顯示，經(jīng)過(guò)包絡(luò)解調(diào)后，輸出波形在另外一個(gè)通道顯示，即原始正弦波信號(hào)。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了包絡(luò)解調(diào)的效果。圖4-11示波器顯示包絡(luò)解調(diào)后的輸出波形2調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)線性調(diào)制的噪聲影響33線性調(diào)制的噪聲影響

比較以上四種線性調(diào)制方式，在加性高斯白噪聲背景下，其抗噪聲性能從差到優(yōu)排序?yàn)椋篈M<DSB<VSB<SSB

其中，單邊帶調(diào)制（SSB）

由于只傳輸一個(gè)邊帶，帶寬利用效率最高，抗噪聲性能最好；而

調(diào)幅（AM）

系統(tǒng)由于載波和兩邊帶都被傳輸，噪聲容易對(duì)其產(chǎn)生干擾，因此抗噪聲性能較差。殘留邊帶調(diào)制（VSB）

在帶寬與信號(hào)保真度之間取得了折中，常用于電視信號(hào)傳輸。調(diào)幅調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)景4幅度調(diào)制（AM）是一種經(jīng)典的調(diào)幅方式，常用于模擬廣播通信，尤其是在中波廣播和短波無(wú)線電通信中。與AM相比，抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB）在功率效率上有了顯著提升。例如軍事通信和低成本的音頻傳輸場(chǎng)景。然而，DSB的缺點(diǎn)在于接收端需要進(jìn)行載波同步，解調(diào)的復(fù)雜度因此增加，技術(shù)門(mén)檻較高。單邊帶調(diào)制（SSB）則在頻譜利用和功率節(jié)省上表現(xiàn)得尤為出色。使其在短波通信、衛(wèi)星通信及無(wú)線電廣播等遠(yuǎn)距離通信中廣受歡迎。尤其是在頻譜資源有限或需要高效長(zhǎng)距離傳輸?shù)膱?chǎng)合，SSB成為理想的選擇。最后，殘留邊帶調(diào)制（VSB）主要用于電視廣播中。在模擬電視信號(hào)傳輸時(shí)，VSB通過(guò)傳輸一個(gè)完整的邊帶和部分的另一個(gè)邊帶，成功實(shí)現(xiàn)了帶寬的節(jié)省，同時(shí)保留了足夠的調(diào)制信息以保持信號(hào)的完整性。4調(diào)幅調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)景角度調(diào)制原理55角度調(diào)制原理

任何一個(gè)正弦時(shí)間函數(shù)，如果它的幅度不變，則可表示為ｃ(ｔ)＝Ａｃｏｓθ(ｔ)式中，θ(ｔ)稱為正弦波的瞬時(shí)相位角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為ｓｍ(ｔ)＝Ａｃｏｓ[ωｃｔ

＋φ(ｔ)]式中，Ａ

是載波的恒定振幅，[ωｃｔ

＋φ(ｔ)]是信號(hào)的瞬時(shí)相位θ(ｔ)，而φ(ｔ)稱為相對(duì)于載波相位ωｃｔ

的瞬時(shí)相位偏移。角度調(diào)制：圖4-12PM和FM信號(hào)波形圖FM和PM信號(hào)波形如圖4-12所示，由圖可見(jiàn)，F(xiàn)M波形實(shí)際是一個(gè)疏密在變化的等幅波，其疏密變化反映了調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，而PM也是一個(gè)疏密變化的等幅波，但它的疏密變化不直接反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，而是反映了導(dǎo)數(shù)dm(t)/dt的變化規(guī)律。

調(diào)頻信號(hào)是通過(guò)調(diào)制信號(hào)控制瞬時(shí)頻率的變化，調(diào)相信號(hào)則是通過(guò)調(diào)制信號(hào)控制瞬時(shí)相位的變化。由于頻率和相位之間存在微分和積分的關(guān)系，調(diào)頻FM與調(diào)相PM有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。FM和PM非常相似，均為幅度恒定的正弦波，如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)m(t)的具體形式，則無(wú)法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)相信號(hào)還是調(diào)頻信號(hào)

。圖4-12PM和FM信號(hào)波形圖5角度調(diào)制原理調(diào)頻信號(hào)的頻譜與帶寬5角度調(diào)制原理調(diào)頻波的帶寬為Ｂ

ＦＭ

=２(ｍｆ

+１)ｆｍ

=２(Δｆ＋ｆｍ)(4-1)式(4-1)稱為卡森(Ｃａｒｓｏｎ)公式，它說(shuō)明調(diào)頻信號(hào)的帶寬取決于最大頻偏和調(diào)制信號(hào)的頻率，當(dāng)

ｍｆ?１

時(shí)，稱為窄帶調(diào)頻，上式可以近似為Ｂ

ＦＭ=２(ｍｆ+１)ｆｍ≈２ｆｍ

(4-2)這就是窄帶調(diào)頻的帶寬，當(dāng)

ｍｆ?１

時(shí)，稱為寬帶調(diào)頻，上式可以近似為Ｂ

ＦＭ

≈２Δｆ

這時(shí)，帶寬由最大頻偏Δｆ決定，而與調(diào)制頻率

ｆｍ

無(wú)關(guān)，

以上討論的是單音調(diào)頻情況，對(duì)于多音或者其他任意調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)，由于調(diào)頻是一種非線性過(guò)程，其頻譜分析更加復(fù)雜，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于任意帶限信號(hào)調(diào)制時(shí)的調(diào)頻信號(hào)帶寬仍可

用卡森公式來(lái)估算，即

Ｂ

ＦＭ

=２(ｍｆ

+１)ｆｍ=２(Δｆ＋ｆｍ

)但是，這里的

ｆｍ

是調(diào)制信號(hào)的最高頻率，ｍｆ

是最大頻偏Δｆ與

ｆｍ

的比值.例4-1頻率調(diào)制的帶寬估計(jì)已知某調(diào)頻廣播系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)最大頻率為15KHz，頻率偏移為75KHz，求該調(diào)頻系統(tǒng)的帶寬。根據(jù)卡森帶寬公式：BFM?=2(Δf+fm?)其中，Δf為頻率偏移，fm為調(diào)制信號(hào)的最大頻率。代入數(shù)據(jù)可得：BFM=2(75?KHz+15?KHz)=180?KHz因此，該調(diào)頻系統(tǒng)的帶寬為180KHz。在調(diào)頻廣播系統(tǒng)中，為了提供高質(zhì)量的話音和音樂(lè)節(jié)目，一般規(guī)定調(diào)制信號(hào)的最高頻率

ｆｍ

為１５ｋＨｚ，最大頻偏Δｆ為

７５ｋＨｚ，故調(diào)頻指數(shù)

ｍｆ

＝

５，調(diào)頻廣播的頻帶寬度為

１８０

ｋＨｚ，調(diào)頻廣播的頻率范圍為

８８－１０８ＭＨｚ，各個(gè)電臺(tái)之間的最小頻道間隔為

２００ｋＨｚ。

5角度調(diào)制原理調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)5角度調(diào)制原理根據(jù)解調(diào)的同步要求，調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)可以分為兩大類：相干解調(diào)（CoherentDemodulation）和非相干解調(diào)（Non-CoherentDemodulation）。1.相干解調(diào)相干解調(diào)通常包含以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：（1）相位同步相位同步是相干解調(diào)中最關(guān)鍵的一步，接收端需要使用相位同步技術(shù)來(lái)確保本地產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的調(diào)頻信號(hào)保持同步。常見(jiàn)的相位同步技術(shù)如鎖相環(huán)（PLL）。鎖相環(huán)通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤接收信號(hào)的頻率變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整本地振蕩器的頻率和相位，從而使接收信號(hào)與本地產(chǎn)生的參考信號(hào)在頻率和相位上保持同步。這一過(guò)程確保了解調(diào)的準(zhǔn)確性，使得接收信號(hào)的相位與本地生成信號(hào)的相位差最小。（2）相位比較當(dāng)同步完成后，接收信號(hào)與本地產(chǎn)生的參考信號(hào)通過(guò)相位比較器進(jìn)行比較。相位比較器會(huì)計(jì)算兩者之間的相位差，該相位差與原始信息信號(hào)的頻率變化成比例。通過(guò)這種比較，解調(diào)器能夠提取出調(diào)頻信號(hào)中的頻率變化，從而還原出原始信息信號(hào)。相干解調(diào)具有很高的抗噪聲能力，能夠在較強(qiáng)的噪聲環(huán)境中有效地提取信息。這使得它在高質(zhì)量通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。特別是在高頻通信系統(tǒng)中，調(diào)頻信號(hào)往往由于其頻率變化特性，具有比幅度調(diào)制信號(hào)更強(qiáng)的抗干擾能力，因此相干解調(diào)方法是最常見(jiàn)的選擇。5角度調(diào)制原理5角度調(diào)制原理2.非相關(guān)解調(diào)

非相干解調(diào)不需要在接收端生成與發(fā)射端載波嚴(yán)格同步的參考信號(hào)，而是直接對(duì)調(diào)頻信號(hào)的頻率變化進(jìn)行檢測(cè)。常見(jiàn)的非相干解調(diào)方法包括斜率檢測(cè)法和鑒頻器法。

斜率檢測(cè)法：利用濾波器或頻率選擇性電路對(duì)調(diào)頻信號(hào)的頻率變化進(jìn)行檢測(cè)，將調(diào)頻信號(hào)的頻率變化轉(zhuǎn)化為幅度變化，然后再利用包絡(luò)檢波提取出原始信息信號(hào)。

鑒頻器法：通過(guò)提取調(diào)頻信號(hào)的相位變化來(lái)獲取頻率信息的一種解調(diào)方法。在調(diào)頻信號(hào)中，頻率變化與相位變化之間存在密切關(guān)系。相位鑒頻器主要是通過(guò)觀察相位變化，反映信號(hào)的頻率變化，從而解調(diào)出原始信號(hào)。相位鑒頻器可以精確地檢測(cè)頻率的變化，但需要高精度的時(shí)鐘同步。它容易受到噪聲的影響，尤其在頻偏較大時(shí)，可能出現(xiàn)相位模糊現(xiàn)象。不過(guò)，相位鑒頻器鑒頻特性的線性較好，鑒頻靈敏度也較高。。非相干解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要相位同步電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但是抗干擾能力相對(duì)較差，輸出信號(hào)的信噪比不如相干解調(diào)。多用于短距離通信和一些對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，如FM廣播接收。6模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較6模擬系統(tǒng)的比較表4-1是關(guān)于調(diào)幅四種實(shí)現(xiàn)方式、頻率調(diào)制（FM）的對(duì)比，主要展示了它們?cè)趲捫枨?、抗噪聲性能、功率效率以及?yīng)用場(chǎng)景等方面的特點(diǎn)。表4-1模擬調(diào)制方式的對(duì)比調(diào)制方式帶寬需求

(BW)抗噪聲性能功率效率應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅

(AM)2fm較差，易受幅度噪聲干擾低，載波和邊帶均需功率廣播電臺(tái)，對(duì)講機(jī)雙邊帶抑制載波

(DSB)2fm略高于標(biāo)準(zhǔn)AM無(wú)需載波傳輸，功率效率較高電視圖像傳輸，數(shù)據(jù)傳輸單邊調(diào)幅

（SSB)fm抗干擾能力強(qiáng)，適合遠(yuǎn)距離傳輸高，僅需一個(gè)邊帶長(zhǎng)距離通信，國(guó)際長(zhǎng)波通信殘留邊帶調(diào)幅

(VSB)fm+Δf優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)AM和DSB介于標(biāo)準(zhǔn)AM和SSB之間電視圖像廣播頻率調(diào)制

(FM)2(Δf+fm)優(yōu)異，對(duì)幅度噪聲不敏感較高，主要用于頻率偏移FM廣播，衛(wèi)星通信7習(xí)題一、單選題1.對(duì)頻譜資源有效利用較好的調(diào)制方式是（

）。A.AM和VSBB.DSB和SSBC.SSB和VSBD.VSB和DSB2.幅度調(diào)制的實(shí)質(zhì)是進(jìn)行（

）。A.幅度放大B、幅度縮小C、頻譜搬移D、頻譜擴(kuò)大3.3.對(duì)于相同的模擬基帶信號(hào)，下列已調(diào)信號(hào)中帶寬最大的是（

）。A.FMB.SSBC.DSBD.AM4.下列各項(xiàng)中不屬于幅度調(diào)制的是（

）。A.F B.DSBC.AMD.SSB5.相干解調(diào)對(duì)本地載波的要求是（

）。A.同頻同相B.同頻不同相C.同相不同頻D.頻差恒定6.僅利用一個(gè)邊帶傳輸信息的調(diào)制方式就是單邊帶調(diào)制，簡(jiǎn)稱（

）。A.AMB.DSBC.SSBD.VSB7習(xí)題7.如下各調(diào)制方式中，抗噪聲能力從強(qiáng)到弱依次為（

）。A.FM、AM、SSB、DSBB.FM、SSB、DSB、AMB.AM、SSB、DSB、FMD.SSB、DSB、AM、FM8.模擬調(diào)制分為幅度調(diào)制和（

）。A.頻率調(diào)制B.相位調(diào)制C.角度調(diào)制D.線性調(diào)制9.實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的關(guān)鍵是要求接收端提供一個(gè)與調(diào)制載波嚴(yán)格同步的（

）。A.高頻載波B.同步檢波C.包絡(luò)檢波D.相干載波10.按載波的不同，調(diào)制可分為（

）。A.模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制B.連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制B.線性調(diào)制和非線性調(diào)制D.幅度調(diào)制和相位調(diào)制7習(xí)題11.以下各種調(diào)制中，所需傳輸帶寬最小的是（

）。A.VSBB.DSBC.AMD.SSB12.根據(jù)已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和未調(diào)制前信號(hào)的頻譜之間的關(guān)系，可以把調(diào)制分為線性調(diào)制和（

）調(diào)制。A.幅度B.頻率C.相位D.非線性13.對(duì)于相同的模擬基帶信號(hào)，下列已調(diào)信號(hào)中帶寬最小的是（

）。A.FMB.SSBC.DSBD.AM14.在下列調(diào)制方式中，（

）適用于電視廣播中的圖像傳輸。A.FMB.SSBC.AMD.VSB15.在模擬調(diào)制當(dāng)中，屬于非線性調(diào)制的是（

）。A.DSBB.AMC.FMD.SSB7習(xí)題二、判斷題1.信噪比增益越高，則解調(diào)器的抗噪聲性能越好。

（

）

2.在調(diào)頻或調(diào)相過(guò)程中，載波的幅度都保持恒定不變。

（

）

3.幅度調(diào)制AM采用包絡(luò)檢波是因?yàn)槠淇乖肼曅阅茏詈谩?/p>

（

）

4.單邊帶幅度調(diào)制缺點(diǎn)是占用頻帶寬度比較寬。

（

）

5.調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)也分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)。

（

）

6.抑制載波雙邊帶調(diào)制是在傳輸信號(hào)中去掉了載波分量的幅度調(diào)制方式，可明顯提高調(diào)制效率。

（

）

7.DSB信號(hào)的頻帶比AM信號(hào)的頻帶要小。

（

）

8.經(jīng)過(guò)調(diào)制的通信系統(tǒng)稱為基帶傳輸系統(tǒng)。

（

）

9.相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。

（

）

7習(xí)題三、計(jì)算題1.設(shè)一調(diào)幅信號(hào)由載波電壓100ｃｏｓ(２π×

１０６

ｔ)加上電壓(20ｃｏｓ2πｔ

＋50ｃｏｓ4πｔ)ｃｏｓ(２π×

１０６ｔ)組成，(１)畫(huà)出一個(gè)周期內(nèi)的包絡(luò)圖形。(２)試求并畫(huà)出已調(diào)信號(hào)的頻譜。2.試按圖4－１3所示調(diào)制信號(hào)波形，畫(huà)出相應(yīng)的

ＡＭ

和DSB信號(hào)的波形圖。圖4－１3調(diào)制信號(hào)7習(xí)題謝謝第5章模擬信號(hào)的數(shù)字化模擬信號(hào)的抽樣抽樣信號(hào)的量化脈沖編碼調(diào)制實(shí)驗(yàn)3抽樣定理及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)1236目錄CONTENTS實(shí)驗(yàn)4PCM編譯碼系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)45習(xí)題模擬信號(hào)的抽樣1概述

模/數(shù)變換包括三個(gè)步驟:抽樣

、

量化和編碼

。

最基本和最常用的編碼方式

是脈沖編碼調(diào)制PCM,它將量化后的輸入信號(hào)變成二進(jìn)制代碼,然后通過(guò)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸

。

奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的背景知識(shí)。1模擬信號(hào)的抽樣圖5-1模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸原理

1模擬信號(hào)的抽樣以一個(gè)正弦信號(hào)的模/數(shù)變換過(guò)程為例，通過(guò)示波器觀察，以正弦信號(hào)作為輸入，再經(jīng)過(guò)抽樣量化編碼，輸出的二進(jìn)制編碼如圖5-2所示

。

圖5-2正弦信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出波形低通抽樣定理

1模擬信號(hào)的抽樣低通抽樣定理以正弦波的抽樣為例，如圖5－３所示，如果每個(gè)周期抽樣4次，即抽樣頻率fS=8KHz，是正弦信號(hào)頻率fH=2KHz的4倍，抽樣頻率滿足條件：fS>2fH這意味著采樣頻率比信號(hào)的奈奎斯特頻率（即2fH）高，因此采樣是合適的，信號(hào)能夠被完全恢復(fù)。如果我們將這些采樣點(diǎn)按順序連線，就發(fā)現(xiàn)得到的曲線大致呈現(xiàn)出原始正弦波的形狀，且是頻率相同的周期波形。因此，理論上通過(guò)適當(dāng)?shù)牟逯捣椒ǎㄈ缰亟V波器或低通濾波器），可以恢復(fù)原始的正弦波形。1模擬信號(hào)的抽樣圖5－３

fS＞fH的抽樣過(guò)程1模擬信號(hào)的抽樣如果ｆs<2ｆH，即抽樣間隔Tｓ>１/(2ｆH)，我們觀察一個(gè)正弦波形的抽樣，也就是在一個(gè)周期內(nèi)只抽樣一次，如圖5-4所示。正弦波的頻率為8KHz，抽樣頻率ｆs=8KHz，顯然ｆs<16KHz，即采樣頻率小于正弦波頻率的2倍

。如果將這些抽樣值按照順序連線，試圖還原正弦波形，我們通過(guò)觀察連線后的波形，我們發(fā)現(xiàn)，連線的波形和原正弦信號(hào)的沒(méi)有相似性?？梢?jiàn)，其抽樣后的波形無(wú)法通過(guò)低通濾波的方法，獲得原頻率的正弦波

。

圖5－4ｆs

＜2fH的抽樣波形低通抽樣定理如果將正弦波的頻率設(shè)定為4KHz，采樣頻率fs=8KHz不變，則正弦波的一個(gè)周期剛好采樣2次，如果將這些抽樣值的點(diǎn)沿順序連線，發(fā)現(xiàn)其波形周期正好等于正弦波形周期，通過(guò)低通濾波的方法，就可以還原原始波形，獲得相同頻率的正弦波，如圖5-5所示。1模擬信號(hào)的抽樣圖5－5ｆs=2ｆH

的抽樣波形若從頻域分析，假設(shè)對(duì)一個(gè)最高頻率為fH。低通的信號(hào)進(jìn)行抽樣，當(dāng)一個(gè)低通信號(hào)被抽樣時(shí)，其頻譜會(huì)發(fā)生周期性重復(fù)，這些重復(fù)的頻譜片段被稱為低通頻譜的鏡像，抽樣后的信號(hào)頻譜將不再是一個(gè)單一的頻段，而是由多個(gè)頻段組成，這些頻段在頻域上均勻分布，如圖5-6所示。1模擬信號(hào)的抽樣(a）fs>fH(b）fs=fH(c）fs<fH

圖5－6理想采樣頻譜的三種情況fH表示低通頻段的最高頻率，而fL表示相鄰頻段（即下一個(gè)鏡像頻段）的最低頻率。如果抽樣頻率fs滿足fs>2fH，即抽樣頻率大于信號(hào)最高頻率的兩倍，那么抽樣后的信號(hào)頻譜中的fH和fL將不會(huì)重疊。這意味著在頻域上，原始信號(hào)的頻譜與其鏡像頻譜之間將保持一定的間隔，從而避免了頻譜混疊的現(xiàn)象。如圖5-6（a）所示，由于fs>2fH，我們可以看到fH和fL

之間存在一個(gè)明顯的間隔。這個(gè)間隔確保了原始信號(hào)的頻譜信息在抽樣過(guò)程中不會(huì)被其鏡像頻譜所干擾或覆蓋。因此，從頻域的角度來(lái)看，當(dāng)抽樣頻率滿足奈奎斯特頻率條件時(shí)，我們可以確保抽樣后的信號(hào)頻譜中的各個(gè)頻段之間不會(huì)相互重疊，從而保留了原始信號(hào)的全部頻譜信息。這為后續(xù)的信號(hào)處理和重建提供了可靠的基礎(chǔ)。1模擬信號(hào)的抽樣(a）fs>fH(b）fs=fH(c）fs<fH

圖5－6理想采樣頻譜的三種情況

1模擬信號(hào)的抽樣(a）fs>fH(b）fs=fH(c）fs<fH

圖5－6理想采樣頻譜的三種情況可見(jiàn)，對(duì)于頻譜限制于fH的低通信號(hào)來(lái)說(shuō)，2fH

就是無(wú)失真重建原始信號(hào)所需的最小抽樣頻率

。模擬脈沖調(diào)制按基帶信號(hào)改變脈沖參量（

幅度、寬度和位置）的不同，把脈沖調(diào)制又分為脈幅調(diào)制（PAM）、脈寬調(diào)制（PDM）和脈位調(diào)制（PPM），波形如圖5-7所示，雖然這三種信號(hào)在時(shí)間上都是離散的，但受調(diào)參量變化是連續(xù)的，因此也都屬于模擬信號(hào)，為了將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，必須采用量化的辦法

。1模擬信號(hào)的抽樣圖5-7PAM、PDM、PPM信號(hào)波形抽樣信號(hào)的量化22抽樣信號(hào)的量化量化原理模擬信號(hào)經(jīng)抽樣后在時(shí)間上是離散的，在幅度上的取值有無(wú)限多種取值，而發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生電平是有限的，這無(wú)限多種取值必須用有限個(gè)數(shù)值來(lái)表示，才能生成對(duì)應(yīng)的有限個(gè)電平。因?yàn)閚個(gè)二進(jìn)制數(shù)字（0和1）的編碼最多只能表示2n

種電平，

因此就必須對(duì)抽樣值進(jìn)一步近似處理，使它分別對(duì)應(yīng)2n個(gè)離散樣，對(duì)抽樣值進(jìn)行近似處理的過(guò)程稱為量化。對(duì)量化的數(shù)值進(jìn)行二進(jìn)制的分組，表示2n種電平，就稱為量化編碼

。量化按量化間隔劃分方式不同可分為均勻量化和非均勻量化，下面分別講述其原理和必要性。2抽樣信號(hào)的量化均勻量化

2抽樣信號(hào)的量化非均勻量化１.Ａ

壓縮律Ａ

壓縮律是壓縮特性為如下特性的壓縮律:式中，ｘ為歸一化的壓縮器輸入電壓，ｙ為歸一化的壓縮器輸出電壓，Ａ為壓縮律的壓縮參數(shù)，表示壓縮的程度，當(dāng)Ａ＝１時(shí)無(wú)壓縮，Ａ值越大，壓縮效果越明顯，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中取Ａ87.56，如圖5-8所示。圖5-8Ａ

壓縮特性2抽樣信號(hào)的量化非均勻量化

圖5－9

μ壓縮特性2抽樣信號(hào)的量化非均勻量化

圖5-10Ａ

律的13折線法脈沖編碼調(diào)制33脈沖編碼調(diào)制碼字和碼型二進(jìn)制碼具有抗干擾能力強(qiáng)，易于產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，因此PCM中一般采用二進(jìn)制碼，對(duì)于M個(gè)量化電平，可以用N位二進(jìn)制碼來(lái)表示，其中的每一個(gè)N位碼組稱為一個(gè)碼字，考慮到量化后傳輸效率和信號(hào)質(zhì)量的平衡，目前國(guó)際上多采用N為8的PCM編碼。折疊二進(jìn)碼是一種符號(hào)幅度碼，折疊二進(jìn)碼的最高位表示信號(hào)的極性,信號(hào)為正的用“１”表示，信號(hào)為負(fù)的用“０”表示，除去最高位之外，正極性信號(hào)與負(fù)極性信號(hào)的編碼呈倒影（折疊）

關(guān)系，其幅度碼從小到大按自然二進(jìn)碼規(guī)則編碼，折疊二進(jìn)碼是Ａ律13折線PCM30/32路基群設(shè)備中所采用的碼型。樣值脈沖極性格雷二進(jìn)制自然二進(jìn)碼折疊二進(jìn)碼量化級(jí)序號(hào)正極性部分10001111111115100111101110141011110111011310101100110012111010111011111111101010101011011001100191100100010008負(fù)極性部分01000111000070101011000016011101010010501100100001140010001101003001100100101200010001011010000000001110表5-1常用二進(jìn)制碼型3脈沖編碼調(diào)制碼位的選擇與安排

在13折線編碼中，普遍采用8位二進(jìn)制碼，對(duì)應(yīng)有

Ｍ＝28＝256個(gè)量化級(jí)，即正、負(fù)輸入幅度范圍內(nèi)各有128個(gè)量化級(jí)，這需要將13折線中的每個(gè)折線段再均勻劃分16個(gè)量化級(jí)，由于每個(gè)段落長(zhǎng)度不均勻，因此正或負(fù)輸入的8個(gè)段落被劃分成8×16=128個(gè)不均勻的量化級(jí)，按折疊二維碼的碼型，這8位碼的安排如下:極性碼

段落碼

段內(nèi)碼Ｃ1

Ｃ2Ｃ3

Ｃ4

Ｃ5Ｃ6Ｃ7Ｃ8

3脈沖編碼調(diào)制碼位的選擇與安排

其中第1位碼

Ｃ1的數(shù)值“１”或“0”分別表示信號(hào)的正、負(fù)極性，稱為極性碼，第2至第4位碼Ｃ2Ｃ3Ｃ4為段落碼，表示信號(hào)絕對(duì)值處在哪個(gè)段落，3位碼的8種可能狀

態(tài)分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平，但應(yīng)注意，段落碼的每一位不表示固定的電平，只是用它們的不同排列碼組表示各段的起始電平，段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表5－2和圖5－11所示

。

段落序號(hào)段落碼C2C3C481117110610151004011301020011000表5-2段落碼圖5-11段落碼與各段的關(guān)系3脈沖編碼調(diào)制碼位的選擇與安排以第5至第8位碼C5C6C7C8為段內(nèi)碼，這4位碼的16種可能狀態(tài)用來(lái)分別代表每一段落內(nèi)的16個(gè)均勻劃分的量化級(jí)，段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系如表5-3所示。電平序號(hào)段內(nèi)碼

電平序號(hào)段內(nèi)碼Ｃ５

Ｃ

６

Ｃ７

Ｃ８Ｃ５

Ｃ６

Ｃ７

Ｃ８１５１

１

１

１７０

１

１

１１４１

１

１