通信原理簡明教程－第1章2025/6/10第１章緒論2第1章緒論1.1通信系統的組成

1.2信息及其度量

1.3通信系統的性能指標1.4通信發展簡史

2025/6/10第１章緒論3１.1通信系統的組成

通信意義：通信與傳感技術、計算技術緊密結合，構成現代社會的“神經中樞”。通信技術已成為推動人類社會文明、進步與發展的巨大動力。通信概念：信息的傳遞過程稱為通信。本課程講述以電信號為信息載體的通信方式，即電通信。2025/6/10第１章緒論41.1.1通信系統模型及各部分作用

１.完成信息傳遞所需的通信設備和傳輸媒質組成通信系統。信源和輸入轉換器發送設備信道接收設備輸出轉換器和信宿噪聲源圖1－1通信系統的一般模型產生電信號將輸入轉換為適信道傳輸的信號傳輸媒介濾除噪聲，恢復發送信號信號目的地2025/6/10第１章緒論52.通信系統分類

根據通信業務分：電話通信系統、電報通信系統、圖像通信系統、廣播電視系統等。根據信道分：有線通信系統、無線通信系統等根據工作波段分：中長波通信系統、短波通信系統、超短波通信系統、微波通信系統等。1.1.1通信系統模型及各部分作用

2025/6/10第1章通信系統概述6表1-1通信波段與常用傳輸媒質頻率范圍波長符號傳輸媒質用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對長波無線電音頻電話、岸與潛艇通信、超遠距離導航30~300kHz103~104m低頻LF有線線對長波無線電電力線通信、地下巖層通信、遠距離導航300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜中波無線電調幅廣播、業余無線電、船用通信、中距離導航3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無線電短波廣播、移動無線電話、軍用無線電通信、業余無線電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電調頻廣播、電視、雷達、軍用無線電通信300MHz~3GHz0.1~1m特高頻UHF波導分米波無線電微波接力、衛星和空間通信、雷達3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導厘米波無線電微波接力、衛星和空間通信、雷達30~300GH1~10mm極高頻EHF波導毫米波無線電微波接力、雷達、射電天文學105~106GHz3x10-7~3x10-6m紫外、可見光、紅外光纖激光空間傳播光通信2025/6/10第１章緒論71.1.2模擬與數字通信系統模型1.模擬信號與數字信號模擬信號波形(a)連續信號；(b)抽樣信號2025/6/10第１章緒論8數字信號波形(a)二進制波形；(b)2PSK波形1.1.2模擬與數字通信系統模型2025/6/10第１章緒論92.模擬通信系統模型圖1－４模擬通信系統模型1.1.2模擬與數字通信系統模型2025/6/10第１章緒論10信源編碼加密器信道編碼數字調制信道數字解調解密器信道譯碼信源譯碼信宿信源噪聲源圖1－５數字通信系統模型1.1.2模擬與數字通信系統模型3.數字通信系統模型2025/6/10第１章緒論11

優點:抗噪聲性能好，允許信號失真，接力通信時無噪聲積累。1.1.2模擬與數字通信系統模型4.數字通信的優缺點2025/6/10第１章緒論12差錯可控，可采用糾錯編碼及交織技術。數字通信易于加密處理，保密性強。便于處理、存儲、交換及和計算機等設備連接，從而語音、圖像、文字、數據等多種業務可以變換成統一的數字信號在同一個網絡中進行傳輸、交換和處理。易于集成化，體積小，成本低。1.1.2模擬與數字通信系統模型2025/6/10第１章緒論13缺點：占據更多帶寬。由壓縮編碼及寬帶信道解決

如模擬話音，只有3KHz的帶寬；數字話音，64Kb/s返回主目錄1.1.2模擬與數字通信系統模型2025/6/10第１章緒論141.2信息及其度量1.信息量的定義信號是消息的載體，而信息是其內涵。信息量：信息的多少，就是對消息中不確定性的度量。消息出現的概率越小，消息中包含的信息量就越大。設信息源是由離散符號（事件組成的集合。每個符號的發生是相互獨立的，其發生概率滿足非負、歸一性，則某個符號含有信息量為2.熵的概念

信源各符號平均信息量，bit/sym2025/6/10第１章緒論151.4信息及其度量2025/6/10第１章緒論161.4信息及其度量2025/6/10第１章緒論171.4信息及其度量2025/6/10第１章緒論181.4信息及其度量2025/6/10第１章緒論191.3通信系統的性能指標有效性和可靠性。有效性是指在給定信道內所傳輸的信息內容的多少，或者說是傳輸的“速度”問題；可靠性是指接收信息的準確程度，也就是傳輸的“質量”問題。這兩個問題相互矛盾而又相對統一，通常還可以進行互換。2025/6/10第１章緒論201.3.1模擬通信系統主要性能指標有效性可用有效傳輸頻帶來度量，同樣的消息用不同的調制方式，則需要不同的頻帶寬度。可靠性用接收端最終輸出信噪比來度量。不同調制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調后的信噪比是不同的。如調頻信號抗干擾能力比調幅好，但調頻信號所需傳輸頻帶卻寬于調幅。2025/6/10第１章緒論211.3.2數字通信系統主要性能指標有效性:碼元速率、信息速率及頻帶利用率碼元速率：，單位波特，簡記Baud或B，其中為碼元持續時間或碼元寬度或碼元間隔。

2025/6/10第１章緒論22

信息速率：，單位為比特／秒，記為bit/s或b/s

當各符號等概時：，其中Ｍ為進制數。1.3.2數字通信系統主要性能指標2025/6/10第１章緒論23頻帶利用率(1)碼元頻帶利用率(2)信息頻帶利用率1.3.2數字通信系統主要性能指標2025/6/10第１章緒論241.3.2數字通信系統主要性能指標2025/6/10第１章緒論25可靠性：誤碼率、誤信（比特）率誤碼率：誤信（比特）率：1.3.2數字通信系統主要性能指標2025/6/10第１章緒論261.3.2數字通信系統主要性能指標2025/6/10第１章緒論271.4通信發展簡史1.通信發展簡史2.通信技術的現狀和發展趨勢短波通信微波通信衛星通信光纖通信移動通信人類對新技術的追求是無止境的，對新的通信系統和通信技術的研究仍在不斷進行。人類通信的目標是任何人在任何地點、任何時間，都能利用通信終端與在任何地方的人進行通信。2025/6/10第2章預備知識28通信原理簡明教程－第2章2025/6/10第2章預備知識29第2章預備知識2.1信號與系統的分類2.2確知信號分析2.3隨機信號分析2.4通信系統中的噪聲2.5匹配濾波器2.6信道2025/6/10第2章預備知識302.1信號與系統的分類信號的分類數字信號與模擬信號

數字信號：攜帶信息的參量取值離散，如計算機輸出的“１”“０”信號。

模擬信號：攜帶信息的參量取值連續，如語音信號。周期信號與非周期信號

周期信號：每隔一個固定時間重復出現的信號，如正弦信號或余弦信號。

非周期信號：不是周期重復出現的信號，如語音信號、單個的矩形脈沖信號等。2025/6/10第2章預備知識31確知信號與隨機信號

確知信號：能用確定的數字表達式描述的信號。

隨機信號：信號在發生之前無法預知的信號，即寫不出確定的數學表達式，通常只知道它取某值的概率。能量信號與功率信號

能量信號：能量有限的信號。如寬度和幅度有限的單個矩形脈沖。

功率信號：功率有限的信號。如正弦或余弦信號。2.1信號與系統的分類2025/6/10第2章預備知識322.系統的分類線性系統與非線性系統 線性系統：滿足線性疊加原理的系統。 非線性系統：不滿足線性疊加原理的系統。時不變與時變系統

時不變系統：系統的參數不隨時間變化。也稱為恒參系統。

時變系統：系統的參數隨時間變化，也稱為變（隨）參系統。2.1信號與系統的分類2025/6/10第2章預備知識33物理可實現與物理不可實現系統

物理可實現系統：實際系統都是物理可實現系統，其特點是系統的輸出信號不可能在輸入信號之前出現。

物理不可實現系統：理想系統都是物理不可實現的系統，如理想低通濾波器。2.1信號與系統的分類2025/6/10第2章預備知識342.2確知信號分析2.2.1周期信號的頻譜分析2.2.2非周期信號的頻譜分析2.2.3帕塞瓦爾定理及譜密度2.2.4波形的相關與卷積2.2.5信號帶寬2025/6/10第2章預備知識352.2.1周期信號的頻譜分析任意周期為T0的周期信號可以展開成如下指數形式的級數：當x(t)為實偶信號時，也為實偶函數。反映了周期信號中頻率為成分的幅度值和相位值，稱為周期信號的頻譜。2025/6/10第2章預備知識362.2.1周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識372.2.1周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識382.2.1周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識392.2.1周期信號的頻譜分析周期信號頻譜特點:離散性

諧波性2025/6/10第2章預備知識402.2.2非周期信號的頻譜分析

非周期信號與其傅里葉變換之間關系:1.傅里葉變換求稱為傅里葉變換，記為求稱為傅里葉反變換，記為2025/6/10第2章預備知識412.常用信號的傅里葉變換對

矩形脈沖矩形脈沖的頻譜2.2.2非周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識42門函數頻譜函數的傅氏反變換（a）矩形脈沖波形（b）矩形脈沖的頻譜圖2.2.6矩形頻譜及其時間波形2.2.2非周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識43升余弦脈沖的傅氏變換0(a)(b)02.2.2非周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識44升余弦頻譜函數的傅氏反變換(a)(b)2.2.2非周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識45周期信號頻譜：周期沖激脈沖序列頻譜函數：周期矩形脈沖序列頻譜函數：2.2.2非周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識46（1）線性疊加（2）時移特性

[例2-6]求下圖脈沖信號的頻譜。

3.傅里葉變換的運算特性及其應用

2.2.2非周期信號的頻譜分析2025/6/10第2章預備知識472.2.2非周期信號的頻譜分析（3）頻移特性

解：2025/6/10第2章預備知識482.2.2非周期信號的頻譜分析（4）卷積特性2025/6/10第2章預備知識492.2.3帕塞瓦爾定理及譜密度1.能量信號的帕塞瓦爾定理及能量譜

能量信號的帕塞瓦爾定理:

帕塞瓦爾定理將信號能量或功率與信號的頻譜函數聯系起來。這樣就有了時域和頻域兩種計算能量或功率的方法，從而可以選擇方便計算的方法來求得信號的能量或功率。

2025/6/10第2章預備知識50[例2-8]求信號的能量.定義單位頻率上的能量為能量譜密度:能量譜表示能量隨頻率分布的情況.

2.2.3帕塞瓦爾定理及譜密度2025/6/10第2章預備知識512.功率信號的帕塞瓦爾定理及功率譜

功率信號的帕塞瓦爾定理:

帕塞瓦爾定理將信號能量或功率與信號的頻譜函數聯系起來。這樣就有了時域和頻域兩種計算能量或功率的方法，從而可以選擇方便計算的方法來求得信號的能量或功率。

2.2.3帕塞瓦爾定理及譜密度2025/6/10第2章預備知識52定義單位頻率上的功率為功率譜密度:功率譜表示功率隨頻率分布的情況.[例2-9]設余弦信號，求此信號功率譜密度及其功率。

2.2.3帕塞瓦爾定理及譜密度2025/6/10第2章預備知識532.2.4波形的相關與卷積1.波形的相關能量信號的互相關定義為:

當

時,即為自相關函數:2025/6/10第2章預備知識542.2.4波形的相關與卷積2025/6/10第2章預備知識55自相關函數的特性

①能量信號:；功率信號:。②③④與能量譜密度是一對傅里葉變換,即:此表達式即為維納-辛欽定理.2.2.4波形的相關與卷積2025/6/10第2章預備知識562.波形的卷積幾個常用的卷積式子:2.2.4波形的相關與卷積2025/6/10第2章預備知識572.2.5信號帶寬1.以集中一定百分比的能量（功率）來定義帶寬：

能量信號

功率信號

給定比例即可求出帶寬.2025/6/10第2章預備知識582.2.5信號帶寬2.3dB帶寬帶寬B定義為正頻率軸上或下降到3dB（半功率點）處的相應頻率間隔，習慣上稱為“3dB帶寬”。2025/6/10第2章預備知識592.2.5信號帶寬3.等效矩形帶寬

2025/6/10第2章預備知識604.第一個零點帶寬用能量譜或功率譜主瓣的第一個零點頻率(正)定義帶寬.注意:對于同一信號,不同定義下的帶寬可能有所不同.(1)3dB帶寬(2)等效矩形帶寬(3)第一個零點帶寬(4)百分比帶寬2.2.5信號帶寬2025/6/10第2章預備知識612.3隨機信號分析2.3.1隨機變量

隨機變量：取值隨機的變量稱為隨機變量.

離散隨機變量:取值離散可數連續隨機變量:取值充滿某一有限或無限區間.2.概率及概率密度函數概率:表示離散隨機變量取某個值可能性的大小.

概率密度函數:表示連續隨機變量取某值可能性的大小.2025/6/10第2章預備知識622.3.1隨機變量概率密度函數

(pdf):性質：(1)(2)(3)2025/6/10第2章預備知識632.3.1隨機變量3.幾個常用的概率密度函數(1)均勻分布隨機變量在區間均勻布,其概率密度函數為:2025/6/10第2章預備知識642.3.1隨機變量(2)高斯分布(Gaussian)

高斯分布又稱為正態分布,其概率密度函數為2025/6/10第2章預備知識652.3.1隨機變量兩個特殊概率:

2025/6/10第2章預備知識662.3.1隨機變量(3)瑞利分布窄帶高斯噪聲包絡的瞬時值服從瑞利分布,其概率密度函數為2025/6/10第2章預備知識672.3.1隨機變量(4)萊斯分布窄帶高斯噪聲+正弦波合成信號包絡的瞬時值服從瑞利分布,其概率密度函數為當,退化為瑞利分布

當相對于噪聲較大時,則近似為正態分布2025/6/10第2章預備知識682.3.1隨機變量4.隨機變量的數字特征(1)數學期望離散隨機變量:

連續隨機變量:

隨機變量的函數:2025/6/10第2章預備知識692.3.1隨機變量數字期望的特點:(1)(5)(2)(3)兩個隨機變量相互獨立

(4)2025/6/10第2章預備知識702.3.1隨機變量(2)方差方差特性:(1)(2),兩隨機變量獨立(3)(4)(5)2025/6/10第2章預備知識712.3.1隨機變量(3)協方差與相關矩協方差定義為:

其中稱為和的相關矩.注意:,稱兩個隨機變量不相關

,稱兩個隨機變量正交

,稱兩個隨機變量獨立2025/6/10第2章預備知識722.3.2隨機過程隨機過程的概念定義:包含隨機變量的時間的函數.例如:,其中為隨機變量,其余為常數.當取值一定時,稱為樣本函數.當取值一定時,為隨機變量.因此:(1)隨機過程也定義為全體樣本函數的集合.(2)隨機過程也定義為依賴于時間的隨機變量的集合.2025/6/10第2章預備知識732.3.2隨機過程2.

隨機過程的數字特征隨機過程的均值:隨機過程的方差:通常：隨過程均值是時間的函數；方差也是時間的函數。[例2-13]求隨機過程的均值，其中，為常數，隨機相位在內均勻分布。2025/6/10第2章預備知識74隨機過程的自相關函數(不同時刻取值的關聯程度):通常：隨機過程的自相關函數是時間和時間間隔的函數。[例2-14]求隨機過程的自相關函數，其中，為常數，隨機相位在內均勻分布。2.3.2隨機過程2025/6/10第2章預備知識752.3.2隨機過程解：2025/6/10第2章預備知識762.3.3平穩隨機過程1.廣義平穩隨機過程的定義（1）均值為常數，即（2）自相關函數與時間無關，即可見：[例2-13]和[例2-14]所示隨機過程是平穩隨機過程。[例2-15]考察隨機過程的平穩性。其中、是常數，相位是在區間上均勻分布的隨機變量。

2025/6/10第2章預備知識772.3.3平穩隨機過程2.平穩隨機過程自相關函數的性質(1)偶函數，即(2)，為隨機過程的功率。(3）隨機過程自相關函數與功率譜密度之間是一對傅氏變換，即：

---維納-辛欽定理[例2-16]求隨機過程的功率譜密度及功率，其中，為常數，隨機相位在內均勻分布。2025/6/10第2章預備知識782.3.3平穩隨機過程參考答案：由[例2-14]得自相關函數為

由維納粹-辛欽定理得故功率為2025/6/10第2章預備知識792.3.3平穩隨機過程例2-17有隨機過程，其中是一個零均值的平穩隨機過程，其自相關函數為，psd為。是常數，相位是在區間上均勻分布的隨機變量，且與相互統計獨立。（1）證明是廣義平穩隨機過程；（2）求的功率譜密度函數。2025/6/10第2章預備知識802.3.3平穩隨機過程3.平穩隨機過程通過線性系統

2025/6/10第2章預備知識812.3.3平穩隨機過程關于輸出隨機過程，有如下結論：數學期望:自相關函數:功率譜密度：概率分布:如果線性系統的輸入過程是高斯型的，則系統的輸出過程也是高斯型的。

在任一時刻上的取值將是無窮多個高斯隨機變量之和。

2025/6/10第2章預備知識822.3.3平穩隨機過程2025/6/10第2章預備知識832.4通信系統中的噪聲所謂噪聲是指通信系統中騷擾信號的傳輸與處理的那些不需的電波形，它是典型的隨機過程。在通信過程中不可避免地存在著噪聲，它對通信質量的好壞，甚至能否進行正常的通信有著極大的影響。它的來源很廣，種類很多。2025/6/10第2章預備知識842.4.1噪聲和分類1.人為噪聲與自然噪聲人為噪聲:人為噪聲是指各種電氣設備、汽車的火花塞所產生的火花放電、高壓輸電線路的電暈放電以及鄰近電臺信號的干擾等自然噪聲:自然噪聲包括大氣產生的噪聲、天體輻射的電磁波所形成的宇宙噪聲以及通信設備內部電路產生的熱噪聲和散彈噪聲等。2025/6/10第2章預備知識852.4.1噪聲分類2.高斯分布噪聲和非高斯分布噪聲

高斯分布噪聲:瞬時值服從高斯分布的噪聲稱為高斯噪聲。非高斯分布噪聲：噪聲的瞬時值不服從高斯分布的噪聲。2025/6/10第2章預備知識862.4.1噪聲分類3.白噪聲和有色噪聲

有色噪聲:噪聲的功率譜密度不為常數。白噪聲：噪聲的功率譜密度為常數，即

(a)雙邊功率譜表示(b)單邊功率譜表示2025/6/10第2章預備知識872.4.1噪聲分類4.加性噪聲和乘性噪聲

加性噪聲:如果噪聲與信號是相加關系，則此噪聲稱為加性噪聲。乘性噪聲：如果噪聲與信號是相乘關系，則此噪聲稱為乘性噪聲。2025/6/10第2章預備知識882.4.1噪聲分類電路內部電子運動產生的熱噪聲和散彈噪聲以及宇宙噪聲就是對通信系統有較大的持續影響的噪聲，有時統稱這些噪聲為起伏噪聲。實踐證明，起伏噪聲是一種加性噪聲，且均值為0，瞬時值服從高斯分布，功率譜密度在很大頻率范圍內為常數，即零均值加性白高斯噪聲（AWGN）。2025/6/10第2章預備知識892.4.2窄帶高斯噪聲高斯白噪聲通過窄帶濾波器后的噪聲稱為窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲的功率譜及波形樣本如下圖所示：2025/6/10第2章預備知識902.4.2窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲的表達式（1）包絡相位型表達式（2）正交表達式其中：稱為同相分量稱為正交分量2025/6/10第2章預備知識912.4.2窄帶高斯噪聲包絡、相位、同相分量和正交分量都是低通型隨機過程，它們的分布特性如下：（1）同相和正交分量均服從高斯分布，且有（2）包絡服從瑞利分布，即：（3）相位服從均勻分布，即：2025/6/10第2章預備知識922.4.2窄帶高斯噪聲（4）窄帶高斯噪聲+正弦（余弦）波，即合成包絡為其瞬時值服從萊斯分布，即2025/6/10第2章預備知識932.5匹配濾波器數字接收設備由兩部分組成線性濾波器作用是減小噪聲的影響。判決電路的作用是對接收信號進行判決，恢復發送信息。白噪聲條件下，當線性濾波器在某時刻輸出最大信噪比時，此時判決，錯誤概率最小。能夠輸出最大瞬時信噪比的線性濾波器稱為匹配濾波器。2025/6/10第2章預備知識942.5.1匹配濾波器的傳輸特性

匹配濾波器示意圖接收信號：輸出信號：噪聲功率：取樣判決時刻上線性濾波器輸出信號瞬時功率與噪聲平均功率比：2025/6/10第2章預備知識952.5.1匹配濾波器傳輸特性輸出信噪比與濾波器有關，選擇傳輸特性以得到最大施瓦茲不等式

當時，等式成立，即取得最大值令，有當時，有最大輸出信噪比

這就是在最大信噪比意義下的最佳線性濾波器的傳輸特性。2025/6/10第2章預備知識962.5.2匹配濾波器的沖激響應

沖激響應表達式參數的取值既要保證濾波器為物理可實現，又要盡可能小，這樣能盡快判決出信息。滿足這兩個條件時，取接收信號碼元的結束時刻。

2025/6/10第2章預備知識972.5.2匹配濾波器的沖激響應

2025/6/10第2章預備知識982.5.3匹配濾波器的輸出

說明匹配濾波器的輸出信號在形式上與輸入信號的時間自相關函數相同，僅差一個常數因子，以及在時間上延遲。從這個意義上來說，匹配濾波器可以看成一個計算輸入信號自相關函數的相關器。自相關函數的最大值是，故匹配濾波器的輸出信號在時達到最大值2025/6/10第2章預備知識992.5.3匹配濾波器的輸出[例2-19]如圖2-34（a）所示。（1）求對之匹配的匹配濾波器的特性及沖激響應。（2）匹配濾波器的輸出信號波形。（3）匹配濾波器輸出端最大信噪比。參考答案：（1）（2），如圖所示。（3）圖2-342025/6/10第2章預備知識1002.5.3匹配濾波器[例2-20]已知如圖2-35（a）所示.求其匹配濾波器的傳輸特性和輸出信號波形。參考答案：傳輸特性：沖激響應：

圖2-352025/6/10第2章預備知識1012.5.3匹配濾波器的輸出幾點結論：（1）匹配濾波器輸出的最大瞬時信噪比僅取決于輸入信號的能量和白噪聲的功率譜，與輸入信號的波形、帶寬等無關。故只有增加輸入信號的能量才能提高匹配濾波器的輸出信噪比。（2）匹配濾波器在時，輸出最大值，即匹配濾波器與相關器接收效果一樣，二者可以相互代替。（3）對匹配濾波器的輸出是在時刻作出判決的，判決時刻的任何偏離，都將直接影響接收機的最佳性能。（4）匹配濾波器不適合于模擬信號的接收，如輸入信號為矩形脈沖，經匹配濾波器后，其輸出信號為三角脈沖，信號波形產生嚴重的失真。2025/6/10第2章預備知識1022.6信道信道是傳輸信息的媒質或通道。任何通信系統，從大的方面的來說，均可視為由發送端、信道、接收端三部分組成，所以說信道是通信系統必不可少的組成部分。信號通過信道傳輸時通常會引入噪聲和失真。

2025/6/10第2章預備知識1032.6.1信道實例介紹雙絞線

雙絞線由兩根相互絕緣（如封裝在彩色塑料皮內）的銅線按規則的方法扭絞而成。使用雙絞線最多的地方就是到處都有的電話系統，差不多所有的電話都用雙絞線連接到電話交換機。通常將一定數量的雙絞線封裝在一個硬的護套里，形成雙絞線電纜。

雙絞線電纜2025/6/10第2章預備知識1042.6.1信道實例介紹2.同軸電纜它由同軸的兩個導體構成，內導體一般為銅質實心導線（可為單股或多股絞合），外導體是網狀編織的銅網屏蔽層，內外導體之間是絕緣層，一般用塑料作為填充物，最外一層是塑料保護套。實際應用中同軸電纜的外導體是接地的，由于它起屏蔽作用，所以同軸電纜抗外界噪聲及電磁干擾性能較好。另外它的頻率響應特性比雙絞線好，因此被廣泛用于較遠距離、較高速率的數據傳輸。種類有：射頻電纜、基帶同軸電纜、視頻電纜等

2025/6/10第2章預備知識1052.6.1信道實例介紹3.光纖信道

光纖是一種傳輸光波的介質。光纖通常是由透明度很高的石英玻璃拉成細絲，形成由纖芯和包層構成的雙層通信圓柱體。包層較纖芯有較低的折射率，當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大于入射角。因此，如果入射角足夠大，就會出現全反射，即光線碰到包層時就會折射回纖芯。這個過程不斷重復，光也就沿著光纖傳輸下去。2025/6/10第2章預備知識1062.6.1信道實例介紹光纖具有許多優越性能：（1）頻帶寬，容量大。目前單模光纖的數據傳輸速率可達10T/s。（2）傳輸損耗小。波段的損耗已達甚至更低。（3）抗干擾能力強。可用于強電磁干擾環境下的通信。（4）線徑細、重量輕、不怕腐蝕。（5）原材料豐富、便宜。

2025/6/10第2章預備知識1072.6.1信道實例介紹4.微波視距中繼信道

工作頻率在微波波段（3~30GHz）電磁波基本上沿視線傳播通信距離須依靠中繼方式來延伸2025/6/10第2章預備知識1082.6.1信道實例介紹5.衛星中繼信道

衛星中繼信道是利用人造衛星作為中繼站構成的通信信道。由通信衛星、地球站、上行線路及下行線路構成，其中上行線路是地球站至衛星的電波傳播路徑，下行線路是衛星至地球站的電波傳播路徑。軌道在赤道平面上的人造衛星，當它離地面高度為35860Km時，繞地球運行一周的時間恰為24小時，與地球自轉同步，稱為同步衛星。采用三個相差并適當配置的同步衛星就可以覆蓋全球（除兩極盲區外）。

2025/6/10第2章預備知識1092.6.1信道實例介紹圖2-40衛星中繼信道概貌(a)(b)2025/6/10第2章預備知識1102.6.1信道實例介紹6.短波電離層反射信道

在距離地面大約的上空，由于稀薄大氣受到太陽紫外線和X射線的作用而發生電離，形成電離層（Ionosphere）。當頻率為3~30MHz的高頻無線電波（其波長為10~100m，也稱為短波）射入電離層時，電離層使無線電波發生反射，返回地面，從而形成短波電離層反射信道。高頻無線電波通過電離層的一次或多次反射可傳輸幾千公里，乃至上萬公里的距離，這種傳播模式稱為天波傳播。

2025/6/10第2章預備知識1112.6.1信道實例介紹7.短波電離層反射信道

陸地移動信道的工作頻段主要在VHF（）及UHF（）頻段。其電波傳播特點是以直射波為主，但由于城市建筑群及其它地形地物的影響，電波在傳播過程還會產生反射波、散射波、折射波，所以接收端收到的信號是來自于各條路徑的信號的合成陸地移動信道的電波傳播環境不僅復雜，而且隨時間變化。

2025/6/10第2章預備知識1122.6.2信道分類1.有線信道和無線信道

按照傳輸媒質可將信道分為有線信道和無線信道。有線信道如雙絞線、同軸電纜和光纖等。無線信道如短波電離層反射信道、陸地移動信道、微波視距中繼信道及衛星中繼信道等。2025/6/10第2章預備知識1132.6.2信道分類2.恒參信道與隨參信道

按照傳輸媒質的特性是否隨時間變化可將信道分為恒參信道和隨參信道。若傳輸媒質的特性不隨時間變化或變化極為緩慢，則稱為恒參信道，如雙絞線、同軸電纜、光纖等有線信道以及無線信道中的微波中繼信道和衛星信道。若傳輸媒質的特性隨時間變化，則稱為隨參信道，如陸地移動信道、短波電離層反射信道是典型的隨參信道。

2025/6/10第2章預備知識1142.6.2信道分類3.低通信道和帶通信道

按照信道的頻域傳輸特性可將信道分為低通信道和帶通信道。任何信道其通帶范圍都是有限的，能夠傳輸低通信號的信道稱為低通信道，反之，能夠傳輸帶通信號的信道則稱為帶通信道。有線信道一般為低通信道，而無線信道則都是帶通信道。理想低通信道和帶通信道可等效為理想低通濾波器和理想帶通濾波器。

低通信道和帶通信道傳輸特性

2025/6/10第2章預備知識1152.6.3信道容量信道容量是指信道無差錯傳輸的最大信息速率。連續白噪聲信道的信道容量為其中為信道帶寬，為信號功率，為噪聲功率。此公式稱為香農信道容量公式。另一種形式為：其中為噪聲功率譜密度。

2025/6/10第2章預備知識1162.6.3信道容量【例2-21】每幀電視圖像可以大致認為由30萬個像素組成。對于一般要求的對比度，每一像素大約取10個可辨別的亮度電平（例如對應黑色、深灰色、淺灰色、白色等）。現假設對于任何像素，10個亮度電平是等概率出現的，每秒發送30幀圖像，信道中的干擾為加性高斯白噪聲，并且為了滿意地重現圖像，要求信道中信噪比為（即倍）。計算傳輸上述電視圖像信號所需的信道帶寬。參考答案：信息速率：所需帶寬為：2025/6/10第3章模擬調制117通信原理簡明教程－第3章2025/6/10第3章模擬調制118第3章模擬調制話音這樣的模擬基帶信號不能直接在帶通信道上傳輸.需將其頻譜搬移到帶通信道的通帶范圍內。用基帶信號控制載波的某個參量即可實現頻譜的搬移。發送端頻譜的搬移稱為調制，解調端頻譜的反搬移稱為解調。若調制信號（基帶信號）為模擬信號，則為模擬調制；若調制信號為數字信號，則為數字調制。調制用的載波為正弦波或余弦波。2025/6/10第3章模擬調制119第3章模擬調制

3.1振幅調制(線性調制)3.2角度調制

(非線性調制)3.3頻分復用（FDM）

2025/6/10第3章模擬調制1203.1振幅調制調制信號控制載波振幅的調制稱為振幅調制。振幅調制包括完全調幅（AmplitudeModulation－AM）、抑制載波的雙邊帶調制（DoubleSideBand－DSB）、單邊帶調制（SingleSideBand－SSB）和殘留邊帶調制（VestigialSideBand－VSB）四種。

2025/6/10第3章模擬調制1213.1.1完全調幅（AM）1.AM調制原理AM調制原理框圖其中，為調制信號，其均值為0；為載波信號。已調信號表達式為2025/6/10第3章模擬調制1223.1.1完全調幅（AM）AM信號波形圖調幅系數或調幅度定義為2025/6/10第3章模擬調制1233.1.1完全調幅（AM）【例3-1】已知調幅波，求該調幅波的調幅度。參考答案：2025/6/10第3章模擬調制1243.1.1完全調幅（AM）2.AM信號的頻譜及帶寬頻譜表達式為頻譜示意圖如右圖所示。AM信號帶寬為

2025/6/10第3章模擬調制1253.1.1完全調幅（AM）3.AM信號的功率與傳輸效率

已調信號功率調制效率定義為調制信號為正弦波時，最大調制效率為33.3%。調制信號為矩形波時，最大調制效率為50%。2025/6/10第3章模擬調制1263.1.1完全調幅（AM）4.AM信號的解調接收端從受到噪聲干擾的已調信號中恢復調制信號的過程稱為解調。AM信號可采用相干解調和包絡解調。通常采用包絡解調。包絡解調框圖，其中帶通濾波器帶寬等于接收AM信號的帶寬。解調過程（不考濾噪聲時）：2025/6/10第3章模擬調制1273.1.1完全調幅（AM）當接收信號中含有噪聲時，包絡檢波器輸出端信噪比為AM信號調制增益為當100%調制時，且調制信號為正弦波時和矩形信號時，其調制增益分別為0.67和1。包絡解調器存在門限效應，即當解調器輸入信噪比小到某個值（門限值）時，輸出信噪比急劇下降。2025/6/10第3章模擬調制1283.1.2抑制載波的雙邊帶調制（DSB）為克服AM調制效率低的問題，采用抑制載波的方式，即為DSB。DSB調制框圖DSB調制表達式為DSB調制波形圖2025/6/10第3章模擬調制1293.1.2抑制載波的雙邊帶調制（DSB）DSB頻譜表達式頻譜圖為DSB帶寬為DSB調制效率為100%。2025/6/10第3章模擬調制1303.1.2抑制載波的雙邊帶調制（DSB）DSB信號的解調采用相干解調。解調框圖為相干解調過程（不考慮噪聲時）：2025/6/10第3章模擬調制1313.1.2抑制載波的雙邊帶調制（DSB）考慮噪聲時的解調過程：DSB調制增益為2025/6/10第3章模擬調制1323.1.3單邊帶調制（SSB）抑制掉DSB信號的一個邊帶的調制稱為單邊帶調制（SSB）。SSB調制框圖當邊帶濾波器濾除上邊帶時，則為下邊帶調制；若濾除下邊帶時，則為上邊帶調制。2025/6/10第3章模擬調制1333.1.3單邊帶調制（SSB）SSB頻譜示意圖，SSB信號帶寬為2025/6/10第3章模擬調制1343.1.3單邊帶調制（SSB）可以證明，SSB表達式為上邊帶信號：下邊帶信號：通過表達式合成也可產生SSB信號，框圖如下：2025/6/10第3章模擬調制1353.1.3單邊帶調制（SSB）SSB信號的解調采用相干解調。框圖如下調制增益為說明：SSB解調器對其輸入信噪比沒有任何改善。由于SSB解調器的帶通濾波器帶寬只有DSB解調器中的一半，因此SSB與DSB具有相同的抗噪聲性能。2025/6/10第3章模擬調制1363.1.4殘留邊帶調制（VSB）在濾除上邊帶或下邊帶時殘留部分邊帶的調制稱為殘留邊帶調制（VSB）。VSB調制器原理框圖2025/6/10第3章模擬調制1373.1.4殘留邊帶調制（VSB）VSB頻譜圖2025/6/10第3章模擬調制1383.1.4殘留邊帶調制（VSB）VSB解調采用相干解調，為確保正確恢復發送信號，殘留邊帶濾器傳輸特性必須滿足互補特性，即VSB信號帶寬介于DSB和SSB之間。VSB性能在殘留邊帶較小時近似于SSB性能。2025/6/10第3章模擬調制1393.2角度調制用調制信號控制載波頻率或相位，使載波的頻率或相位隨著調制信號變化而載波的幅度保持恒定的調制方式，稱為頻率調制（FM）或相位調制（PM），簡稱為調頻或調相。由于頻率的變化或相位的變化都可以看成是載波角度的變化，故調頻和調相統稱為角度調制或角調制，簡稱為調角。角度調制屬于非線性調制.

2025/6/10第3章模擬調制1403.2.1角度調制的基本概念角度調制的表達式其中稱為瞬時相位偏移。相位調制是指瞬時相位偏移隨調制信號線性變化，即其中為調相靈敏度。故調相信號表達式為2025/6/10第3章模擬調制1413.2.1角度調制的基本概念頻率調制是指瞬時角頻率偏移隨調制信號線性變化，即其中為調頻靈敏度。調頻信號表達式為調頻信號與調相信號非常相似，若不知道調制信號，將無法確定一個調角信號是調頻信號還是調相信號。調頻信號與調相信號可以互相轉換。2025/6/10第3章模擬調制1423.2.1角度調制的基本概念調制信號經微分后進行調頻，即為調相—間接產生調相信號調制信號經積分后進行調相，即為調頻2025/6/10第3章模擬調制1433.2.2窄帶調頻與寬帶調頻窄帶調頻(NBFM)定義:窄帶調頻表達式可簡化為2025/6/10第3章模擬調制1443.2.2窄帶調頻與寬帶調頻窄帶調頻功率譜功率譜示意圖帶寬為2025/6/10第3章模擬調制1453.2.2窄帶調頻與寬帶調頻2.寬帶調頻(WBFM)單音寬帶調頻信號表達式經變換后為寬帶調頻信號功率譜為WBFM帶寬為2025/6/10第3章模擬調制1463.2.2窄帶調頻與寬帶調頻【例3-7】調頻立體聲廣播中，音樂信號最高頻率為，最大頻偏，求調頻信號的帶寬。參考答案:2025/6/10第3章模擬調制1473.2.3調頻信號的產生產生調頻信號通常有兩種方法：直接法和間接法。直接法:利用壓控振蕩器。直接調頻法的優點是可以得到很大的頻偏，其主要缺點是載波會發生漂移，因而需要附加穩頻電路。2025/6/10第3章模擬調制1483.2.3調頻信號的產生間接法也稱為倍頻法，首先產生窄帶調頻信號，然后再利用倍頻的方法將窄帶調頻信號變換為寬帶調頻信號。窄帶調頻信號可看成由正交分量與同相分量合成，即2025/6/10第3章模擬調制1493.2.3調頻信號的產生窄帶調頻信號的產生目前隨著數字信號處理技術的快速發展，可以采用直接數字合成技術（DirectDigitalSynthesis，DDS）產生調頻信號。2025/6/10第3章模擬調制1503.2.4調頻信號的解調調頻信號也有相干解調和非相干解調兩種解調方式。相干解調僅適用于窄帶調頻信號，且需要同步載波，因此設備相對較復雜；非相干解調既適用于窄帶調頻信號也適用于寬帶調頻信號，而且不需要同步載波，因此它是調頻信號的主要解調方法。2025/6/10第3章模擬調制1513.2.4調頻信號的解調１．非相干解調原理由于調頻信號的瞬時角頻率正比于調制信號的幅度，因而調頻信號的解調器必須能產生正比于瞬時角頻率的電壓，也就是當輸入調頻信號為解調器輸出電壓2025/6/10第3章模擬調制1523.2.4調頻信號的解調具有頻率－電壓轉換特性的鑒頻器即可完成調頻信號的解調。

2025/6/10第3章模擬調制1533.2.4調頻信號的解調2．調頻系統的抗噪聲性能寬帶調頻系統可靠性的提高是通過犧牲系統的有效性（增加傳輸帶寬）為代價的。調頻信號的非相干解調器也同樣存在“門限效應”。2025/6/10第3章模擬調制1543.3頻分復用（FDM）在同一信道上傳輸多路消息信號的技術稱為多路復用技術，如時分復用，、頻分復用、碼分復用等。頻分復用是將所給定的信道帶寬分割成互不重疊的多個小區間，每路信號占據其中一個小區間，然后將它們一起發射出去。在接收端用適當的濾波器將它們分割開來，得到所需信號。FDM技術應用廣泛，如載波電話、調頻立體聲、電視廣播等。2025/6/10第3章模擬調制1553.3頻分復用（FDM）頻分復用系統原理圖2025/6/10第3章模擬調制1563.3頻分復用（FDM）頻分復用系統頻譜圖復用信號帶寬為2025/6/10第3章模擬調制1573.3頻分復用（FDM）【例3-8】有60路模擬話音信號采用頻分復用方式傳輸。已知每路話音信號的頻率范圍為0~4kHz（已含保護頻帶），副載波采用SSB調制，主載波采用FM調制，調制指數。（1）試計算副載波調制后頻分復用信號的帶寬。（2）試求信道傳輸信號的帶寬。（3）試求寬帶調頻的調制增益。2025/6/10第4章數字基帶傳輸158通信原理簡明教程-第4章2025/6/10第4章數字基帶傳輸159第4章數字基帶傳輸數字基帶信號：頻譜集中在零頻附近的數字信號，如計算機輸出的二進制序列，模擬話音的A/D信號。數字基帶傳輸：不使用調制和解調裝置而直接傳輸數字基帶信號的傳輸方式。相應的系統稱為數字基帶傳輸系統。數字基帶系統特點：（1）信號是數字的并且是低通型的（2）系統的傳遞特性也是低通型的2025/6/10第4章數字基帶傳輸160將輸入數字信號變換成適合信道傳輸的信號低通型信道濾除噪聲和校正信道引起的失真從接收信號中提取控制取樣時刻的定時信號零均值加性高斯白噪聲第4章數字基帶傳輸2025/6/10第4章數字基帶傳輸161第4章數字基帶傳輸數字基帶傳輸系統各點波形2025/6/10第4章數字基帶傳輸1624.1數字基帶信號的碼型和波形數字基帶信號是數字信息的電脈沖表示。數字信息的表示方式稱為數字基帶信號的碼型。電脈沖形狀稱為數字基帶信號的波形。一個數字基帶信號由碼型和波形兩個方面確定。

2025/6/10第4章數字基帶傳輸1634.1.1數字基帶信號的碼型數字基帶傳輸系統對數字基帶信號碼型的要求：（1）不含有直流分量，高低頻分量小；（2）含有位定時信息，便于位定時信號的提取；（3）使數字基帶信號占據較小的帶寬，以提高頻帶利用率；（4）使數字基帶信號的功率譜特性不受信源統計特性的影響；（5）要求編、譯碼設備盡量簡單。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1644.1.1數字基帶信號的碼型常用碼型（1）單極性全占空碼（不歸零碼）（2）雙極性全占空碼（不歸零碼）（3）差分碼（4）極性交替碼（AMI碼）優點：無直流分量；低頻分量小；編、譯碼簡單。缺點：長連“0”時難以獲取位定時信息

2025/6/10第4章數字基帶傳輸1654.1.1數字基帶信號的碼型2025/6/10第4章數字基帶傳輸1664.1.1數字基帶信號的碼型（5）HDB3碼HDB3是AMI碼的改進碼型，也稱為連“0”抑制碼。編碼規則：（1）當信息碼的連“0”個數不大于3時，其編碼方法與AMI碼相同。（2）當連“0”個數超過3時，每4個連“0”段用“000V”或“100V”來代替。規則為：

①第一個4連“0”段可任意選擇000V或100V代替；

②對于第二個及以后的連“0”段，若前一個“V”至當前連“0”段之間“1”碼的個數為奇數，則當前連“0”段用“000V”來代替，否則，用“100V”來代替。（3）對“1”碼和“V”碼標極性。方法為：

①所有“1”碼極性交替。第一個“1”碼的極性可任意。

②所有“V”碼極性交替。但第一個“V”碼的極性必須與前一個“1”碼同極性。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1674.1.1數字基帶信號的碼型HDB3碼譯碼規則：

（1）當遇到兩個相鄰的同極性碼時，后者一定是“V”碼，將“V”碼連同其前三位碼均還原為“0”碼。（2）將所有的±1均恢復為“1”碼。HDB3碼編碼例子2025/6/10第4章數字基帶傳輸1684.1.1數字基帶信號的碼型（6）多進制碼（多元碼）4進制碼示意圖2025/6/10第4章數字基帶傳輸1694.1.2

數字基帶信號的波形常用波形：（1）升余弦脈沖；（2）鐘型脈沖；（3）三角形脈沖；（4）最常用的是升余弦脈沖。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1704.2數字基帶信號的功率譜分析通過分析數字基帶信號的功率譜，可以知道：（1）數字基帶信號的功率譜分布特性；（2）數字基帶信號的帶寬；（3）有無直流分量及大小；（4）有無位定時分量等。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1714.2數字基帶信號的功率譜分析功率譜分析公式：其中，為“1”碼波形的頻譜，為“0”碼波形的頻譜，為“1”碼概率，為“0”碼概率，。功率譜由連續譜和離散譜兩部分組成，帶寬由連續譜決定，直流分量和位定時分量由離散譜決定。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1724.2數字基帶信號的功率譜分析【例4-1】試分析下圖a）所示的單極性全占空矩形脈沖序列的功率譜特性。功率譜中有直流分量嗎？有位定時分量嗎？若有，功率多大？幅度多大？設“1”、“0”等概。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1734.2數字基帶信號的功率譜分析【例4-2】試分析下圖a）所示雙極性全占空矩形脈沖序列的功率譜。設“１”、“0”等概。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1744.2數字基帶信號的功率譜分析AMI碼數字基帶信號如下圖（a）所示，“1”、“0”等概，則其功率譜表達式為其功率譜示意圖如圖（b）中實線所示。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1754.3數字基帶傳輸系統及碼間干擾數字基帶傳輸系統模化為其中研究表明，影響系統正確接收的因素有兩個：

①碼間干擾（Inter-SymbolInterference—ISI）

②信道中的噪聲

2025/6/10第4章數字基帶傳輸1764.3數字基帶傳輸系統及碼間干擾碼間干擾是指前面碼元的接收波形蔓延到后續碼元的時間區域，從而對后續碼元的取樣判決產生干擾，如圖（b）所示。當時，第三個碼元引起錯判。若將系統的沖激響應設計成如圖（d）所示的波形，即滿足時，系統是無碼間干擾的。2025/6/10第4章數字基帶傳輸1774.3數字基帶傳輸系統及碼間干擾無碼間干擾傳輸波形（1）理想低通系統及其沖激響應其無碼間干擾速率為：最大無碼間干擾速率為：最大頻帶利用率為：2025/6/10第4章數字基帶傳輸1784.3數字基帶傳輸系統及碼間干擾（2）升余弦傳輸特性系統及其沖激響應

其無碼間干擾速率為：最大無碼間干擾速率為：最大頻帶利用率為：2025/6/10第4章數字基帶傳輸1794.3數字基帶傳輸系統及碼間干擾具有滾降傳輸特性的系統其無碼間干擾速率為：2025/6/10