教學(xué)課件：《現(xiàn)代通信原理及應(yīng)用(第2版)》(天津工業(yè)大學(xué))

通信原理第二章確知信號分析(大部分屬于“信號與系統(tǒng)”知識)我們重點講對以后有用的知識點一、常用付立葉變換及性質(zhì)（最好記?。┒⒛芰孔V密度和功率譜密度（難點，也是考研重點）三、相關(guān)函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)（是學(xué)習(xí)第3章、第8章、第9章的重要基礎(chǔ)知識）一、常用付立葉變換及性質(zhì)1、常用付立葉變換（最好記?。﹖δ(t)ω1t1ω2πδ(ω)常用付立葉變換(續(xù))tω-ω0ω0常用付立葉變換(續(xù))τtω周期函數(shù)的付立葉變換(重要)周期沖激信號的付立葉變換tδT(t)T2T3T-3T-2T-TωΩδT(ω)0Ω-Ω2Ω-2Ω這一對變換我們將在第6章用到。2、付立葉變換的幾個重要性質(zhì)（需記?。?、“歸一化能量”和“能量信號”的概念為了分析簡便、統(tǒng)一，我們令負(fù)載為1歐姆，這樣無論是f(t)是電壓還是電流，其作用在負(fù)載上的能量都可記為二、能量譜密度和功率譜密度若一個信號的歸一化能量不是無窮大，則稱之為能量信號，如單個門函數(shù)τt2、“功率信號”和“歸一化功率”的概念若一個信號的在整個時間域內(nèi)的能量是無窮大的，則稱之為功率信號，如方波其平均功率為3、巴塞伐爾(Parseval)定理即信號能量E即信號功率S如果用語言描述巴塞伐爾定理就是：一個能量信號的能量等于信號的付立葉變換的模值的平方在頻率域內(nèi)的積分，再除以2π一個周期（功率）信號的功率等于信號的各級付立葉級數(shù)的模值的平方和上面紅色字體描述的內(nèi)容體現(xiàn)了能量（或功率）在頻率域的分布的情況，于是，我們引入“能量（或功率）譜密度”的概念4、能量譜密度5、功率譜密度這樣定義的目的主要是使E和S的表達(dá)式形式上的統(tǒng)一周期函數(shù)的付立葉變換與功率譜密度的區(qū)別二者最明顯的區(qū)別為：付立葉變換可能是復(fù)數(shù);而功率譜密度一定是實數(shù)。另外，付立葉變換通常不考慮單位，而功率譜密度的單位是(瓦/Hz)[例2.1]下列信號哪些是能量信號，哪些是功率信號，分別求出其歸一化能量（或功率）及譜密度[例2.1]（續(xù)）[例2.1]（續(xù)）三、相關(guān)函數(shù)為什么要學(xué)習(xí)相關(guān)函數(shù)?相關(guān)函數(shù)與功率譜密度有密切的聯(lián)系數(shù)字調(diào)制解調(diào)利用彼此相關(guān)函數(shù)較小的波形來攜帶不同信息，可以大大提高調(diào)制解調(diào)質(zhì)量第9章的“數(shù)字信號最佳接收”也要用到相關(guān)函數(shù)的分類互相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)（與功率譜是一對付立葉變換）1、互相關(guān)函數(shù)請大家把教材21頁的公式2.5.2中的T改為T02、自相關(guān)函數(shù)[其實就是令f1(t)=f2(t)]請大家把教材22頁的公式2.5.6中的T改為T0[例2.2]求Asinω0t的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度[例2.2]（續(xù)）3、維納-辛欽定理能量信號的自相關(guān)函數(shù)與能量譜密度是一對付立葉變換周期信號的自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度是一對付立葉變換非周期功率信號（后面只是偶爾引用）本章重點常用付立葉變換（最好記?。┠芰孔V密度和功率譜密度的概念與計算相關(guān)函數(shù)的概念自相關(guān)函數(shù)與能量（功率）譜密度的關(guān)系與計算（重點掌握能量信號和周期功率信號）第七章數(shù)字基帶傳輸7.1引言7.2常用碼型7.3數(shù)字基帶信號的頻譜分析7.4碼間串?dāng)_7.5部分響應(yīng)技術(shù)7.6無碼間串?dāng)_系統(tǒng)的抗噪聲性能7.7眼圖7.8均衡天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院7.1引言一、概念

1.由于未經(jīng)調(diào)制的電脈沖信號所占的頻帶通常從直流和低頻開始，因而稱為數(shù)字基帶信號。

2.數(shù)字基帶信號在低通信道即基帶信道中傳輸，稱為數(shù)字信號的基帶傳輸。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院3.線路碼：適于在信道中傳輸?shù)幕鶐盘柎a形稱為線路碼。4.選擇碼型的原則(1)不含直流和低頻分量;(2)高頻分量少（防止鄰路干擾）；(3)便于提取同步信號;(4)具有糾錯、檢錯能力;(5)碼型變換設(shè)備簡單，易實現(xiàn)。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院二、基本結(jié)構(gòu)。基帶碼型編碼器：將原始基帶信號變換成適合信道傳輸?shù)幕鶐盘?。目的?）便于傳輸；

2）減少碼間串?dāng)_；

3）有利于同步提取和抽樣判決。

注：把調(diào)制與解調(diào)過程看作時廣義信道的一部分，則任何數(shù)字傳輸系統(tǒng)都可等效為基帶傳輸系統(tǒng)。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院三、本章重點1）基帶信號的碼型和波形；2）頻譜結(jié)構(gòu)；3）碼間串?dāng)_(概念、無碼間串?dāng)_的條件、帶寬計算);4）部分響應(yīng)、均衡。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院7.2常用碼型(1)單極性不歸零碼tT11101001000110E0二進(jìn)制信碼(2)雙極性不歸零碼tTE-E

(3)單極性歸零碼tT

E0(4)差分碼tTE-E0天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院(5)雙相碼11101001000110tE-E0T(6)密勒碼tTE-E0(7)CMI碼tT-E0E天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院(9)HDB3碼t+1-10(8)tAMI碼-110110000101000011+10天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院例題：1.已知二進(jìn)制代碼為100000000011，試編寫其AMI碼和HDB3碼。2.已知某HDB3碼為+100-1+1000+1-1+1-100-1+1，試寫出原二進(jìn)制編碼。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院①an－第n個碼元所對應(yīng)的電平值（0，1或±1）7.3基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)一、表達(dá)式用g1(t)代表“0”，g2(t)代表“1”，碼元寬度為TS。1.②天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院2.其中：天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院二、頻譜說明：①Ps(f)可能包含連續(xù)譜和離散譜。

②離散譜確定直流分量和定時分量。

③連續(xù)譜確定信號帶寬。

通過對數(shù)字基帶信號的二進(jìn)制隨機(jī)脈沖序列功率譜密度的分析，我們不僅可求出其信號功率的分布，由此計算其平均功率，還可根據(jù)其信號功率分布，確定信號帶寬，并對傳輸信道的頻率特性提出相應(yīng)的要求；同時還利用它的離散譜的存在與否，來決定采用什么方法可從二進(jìn)制隨機(jī)序列中提取所需要的離散譜分量，以供同步信號使用。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院例題：（P152）1.單級不歸零波形的頻譜。2.單級歸零波形的頻譜。結(jié)論：無離散譜，不能提取同步。結(jié)論：有離散譜，能提取同步。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院7.4碼間串?dāng)_一、基帶系統(tǒng)傳輸模型

碼型譯碼基帶抽樣判決)(wRG接收濾波)(wC信道)(wTG發(fā)送濾波碼型編碼基帶}{na￠)(ty)(tn)(ts}{na帶信號數(shù)字基)(ts￠定時輸出天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院二、碼間串?dāng)_1.概念1）信道一定時，傳輸速率越高，誤碼率越大。2）誤碼由抽樣判決器的錯誤判決產(chǎn)生。原因：碼間串?dāng)_，噪聲。①理想情況下，消除碼間串?dāng)_；②解決可實現(xiàn)系統(tǒng)中，消除碼間串?dāng)_后帶來的頻帶利用率降低的問題；③在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，再解決系統(tǒng)傳輸特性偏離理想特性時，引入的碼間串?dāng)_。三個層次：天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院3）什么是碼間串?dāng)_。相鄰碼元相互重疊，而引起的干擾。2.數(shù)學(xué)分析1）基帶信號：2）結(jié)構(gòu)圖：

抽樣判決}{na￠)(tr}{na定時H(ω)天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院①系統(tǒng)傳遞函數(shù)：②系統(tǒng)沖激響應(yīng)：③基帶信號的輸出：④接收濾波器的輸出：

上式表明：r(t)在任一時刻都包含了一個噪聲和另一個由很多碼元疊加產(chǎn)生的波形。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院以第k個碼元為例，設(shè)抽樣時刻為（kTs+t0），則：第一項：所需的抽樣值，是h(t)的最大值。第二項：其他碼元對第K個碼元的串?dāng)_。第三項：噪聲的瞬時值，是隨機(jī)變量。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院三、無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性若不考慮噪聲影響，則：。對第K個碼元，無碼間串?dāng)_的條件為：令t0=0，則消除碼間串?dāng)_的條件為：時域條件天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院經(jīng)推導(dǎo)，可得頻域條件：1.理想低通①系統(tǒng)帶寬：②最大傳輸速率：③信道利用率：④若系統(tǒng)帶寬為W(Hz)，則無碼間串?dāng)_的最高傳輸速率為2W（B），且無碼間串?dāng)_的傳輸速率為2W/k，其中k為整數(shù)。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院結(jié)論：①α↑，h(t)衰減越快，越不易產(chǎn)生干擾，可靠性提高。但同時W2↑，使得占有帶寬增大，降低了信道利用率。2.帶有滾降特性的傳遞函數(shù)滾降系數(shù)：②從實現(xiàn)和對定時的要求等方面考慮，通常采用具有升余弦頻譜特性的H(ω)。-W1ω|H(ω)|W1W1+W2天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院3.如何判斷是否有碼間串?dāng)_①求系統(tǒng)的等效帶寬W(Hz)；②由等效帶寬求最大傳輸速率2W(B)；③求：k=2W/v④信道利用率。若K<1，根本不能用v。若K為大于等于1的整數(shù)，無碼間串?dāng)_。若K>1且為小數(shù)，能用，但由串?dāng)_。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院例題：1.P1727.62.P1737.83.信號被抽樣、均勻量化、線性編碼為二進(jìn)制PCM基帶信號，若量化電平數(shù)為16，將此二進(jìn)制碼序列通過升余弦滾降濾波器傳輸，此濾波器的截止頻率為4800Hz。(1)求最大可能的PCM信息傳輸速率。(2)求最大允許的模擬信源帶寬。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院4.已知濾波器的具有如圖所示的特性，當(dāng)采用以下碼元速率時：

(1)碼元速率=1000波特；(2)碼元速率=1500波特；(3)碼元速率=3000波特；(4)碼元速率=4000波特。求：哪些碼元速率不會產(chǎn)生碼間串?dāng)_？哪些碼元速率根本不能用？哪些碼元速率會產(chǎn)生碼間串?dāng)_但還可以用？天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院7.5部分響應(yīng)技術(shù)一、什么是部分響應(yīng)系統(tǒng)

有控制地在某些碼元的抽樣時刻引入碼間串?dāng)_，而在其余碼元的抽樣時刻無碼間串?dāng)_，就能提高頻帶利用率，同時又可以加快“拖尾”的衰減速度，降低對定時精度的要求，通常把這種波形稱為部分響應(yīng)波形。即在抽樣時刻它利用了前后二個碼元波形各自一部分合成而得到的，故而得名“部分響應(yīng)”。利用這種波形進(jìn)行傳送的基帶傳輸系統(tǒng)稱為部分響應(yīng)系統(tǒng)。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院二、圖解說明g(t)tTsTsTs(a)

G1(

)

/Ts2Ts0(b)t抽樣脈沖TsTsTsTsTsa-1a1a0a2天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院三、表達(dá)式頻譜：天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、第I類部分響應(yīng)波形1.表達(dá)式及頻譜由圖可知：天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院2.原理框圖電平變換延時Ts理想低通抽樣判決定時Ts相關(guān)編碼器（1）（2）（3）（4）差錯傳播:由于前一碼元的誤判，而出現(xiàn)一連串錯碼的現(xiàn)象。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院3.預(yù)編碼天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院噪聲的功率為：當(dāng)信號速率為：傳輸帶寬為B時，概率密度函數(shù)：高斯白噪聲：a=0，，7.6無碼間串?dāng)_基帶傳輸?shù)目乖肼曅阅?.噪聲：天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院2.錯判：

對于雙極性基帶信號，抽樣判決器輸入端得到的波形可表示為：分析：∵是高斯過程，∴過程的一維概率密度函數(shù)為：∴過程的一維概率密度函數(shù)為：天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院圖像：設(shè)判決門限為Vd，則：（1）將1錯判為0的概率為：（2）將0錯判為1的概率為：（3）總誤碼率為：天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院

由此可知：Pe與判決門限Vd有關(guān)。通常，把使總誤碼率最小的判決門限電平稱為最佳門限電平。當(dāng)P(1)=P(0)=?時，最佳門限電平為：Vd＝0。此時：結(jié)論：Pe依賴于信號峰值A(chǔ)與噪聲均方值σ之比。而與采用什么樣的信號形式無關(guān)。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院7.7眼圖一.眼圖分析法:

評價基帶傳輸系統(tǒng)性能的一種定性而方便的方法是用示波器觀察接收端的基帶信號波形，用來分析碼間串?dāng)_和噪聲對系統(tǒng)性能的影響。因傳輸二進(jìn)制脈沖時，在示波器屏幕上可以觀察到類似人眼的圖案，稱之為“眼圖”。這種用以分析基帶傳輸系統(tǒng)性能的方法，稱為眼圖分析法。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院二.觀察波形的具體方法

用一個示波器跨接到接收濾波器的輸出端抽樣判決器之前，使示波器的水平掃描周期(X軸），與接收碼元的周期(Ts=1/2fm)同步。利