通信电路原理II第一章.ppt

通 信 电 路 原 理 II,北京工业大学电控学院 张印春,2005.2,讲义（05版）,通信电路原理II,1. 无线通信系统的基本组成及信号变换,2. 非线性电路的分析方法,3. 通信电路的组成及工作原理,1. 了解通信系统的基本概念、基本实现 方法,2. 学习新的电路知识、扩展知识面,3. 学习分析问题解决问题的思路、方法,实验 10,实验10%,主要内容：,学习目的：,学时分配：,总学时 64,上课 52,考试成绩：,卷面70%,作业10%,考试 2,出勤10%,1. 要求掌握的知识忘记了或没有学过,2. 内容多而且不具有连贯性，各知识 点之间联系不紧密,3. 大部分内容与实际应用联系紧密,学习“难”点：,学习方法：,1. 课堂讲授,2. 课堂讨论,4. 作业,3. 实验,5. 习题课,6. 答疑,教材及课程内容简介：,第一章,第二章 - 第六章,第七章 - 第十二章,通信过程中存在的问题及解决思路或方案,通信过程中对信号变换的需求及处理方法,解决通信中各种问题的电路组成及原理,电路知识铺垫（二、三章）,分析方法铺垫（六章）,小信号放大器及其分析方法（四章）,*电路中的噪声及低噪声设计依据（五章）,通信电路原理II讲义（05版）,北京工业大学电控学院 张印春,2005.2,第一章 通信系统与信号,第一章 通信系统与信号,第一节 通信系统,一通信系统的基本任务,1信息获取方式,直接获取：,间接获取：,通过感觉器官直接获取信息。,通过中间媒介间接获取信息。,信息表示形式：消息 = 信息 + 载体,间接方式下，消息需要远距离传送 - 需要再承载并在适当的媒介中远距离传送 - 通信（系统）,2. 通信系统,邮递系统 - 信件、报刊、杂志 - 图、文再承载,固定电话及移动电话系统,广播、电视系统,电流再承载 - 电信系统,电信系统,有线通信系统,无线通信系统,通信系统实例,电视台,球,球,信 息 源,消息承载,信号变换,信号发送,信号接收,信号变换,消息还原,终 端,信道,干扰源,发送设备,接收设备,3. 通信系统基本模式,1）消息承载 - 把某种形式的消息转换为电信号， 电流将成为消息的载体。,2）信号变换 - 把信号变为可以远距离传送的信 号形式。,3）信号发送 - 把变换后的信号通过一定的途径 传送出去。,4）信号接收 - 从信号传送途径上得到载送消息 的信号。,5）信号变换 - 把接收到的信号还原为原来的信 号形式。,6）消息还原 - 把信号还原为消息。,二通信系统要解决的基本问题及解决问题的方法,1基本问题,通信距离 信号从发送端到接收端并且能够被 可靠接收的最大传送距离,例如：,国内长途 省际通话,国际长途 国际通话,卫星电话 任意地点的通信,固定电话,市话 本市范围通话,移动电话,本市 市内通话,漫游 国内通话,与信号传输方式、传输技术等因素有关,通信容量,通信容量有两方面的含义：,同一信道（同一大气空间或同一条电缆、 光缆）可容纳的点到点的通信路数。,每一路通信单位时间内传送的信息量。,例如：,广播电台 - 传送声音消息,电视台 - 传送声音和图像消息,声音消息和图像消息包含的信息量也各不相同。,信号失真,3倍频,4186Hz 8372Hz 12558Hz,失真的2种情况：,信号传输技术无法忠实再现原信号的各种成分,人为地改变信号组成（以便节省信道资源）造成的信号成分损失,基频,2倍频,接收端收到的信号与发送端信号的不同,线性失真：无新频率成分产生,非线性失真：有新频率成分产生,例如：钢琴第88键频率成分,噪声与干扰,噪声 - 能量均匀分布在很宽的频段的电流或电压 的随机波动。,干扰 -影响电子设备正常工作的电信号及杂乱的 瞬间或长时间的电扰动。,通信系统中的噪声与干扰，影响通信距离和信道容量使通信系统的性能下降。,抗干扰能力,通信系统主要性能指标：,传输距离,通信容量,信号失真度,2问题的解决方法,数字通信-,编码器,通信系统,整 形,解码器,数字通信示意,解决失真、噪声与干扰问题,多路复用-,多路复用 - 同一信道传送多路信号,时分多路复用- 把时间分为一个个小的片断，每一路通信只使用属于自己的时间片断传送信号。,时分多路复用只适用于数字信号的多路传输,第二路接收器,第二路发送器,同步信号,第一路,第二路,第 路,N,同步信号,第一路,第二路,第 路,N,同步信号,第一路,第二路,第 路,N,解决通信容量问题,频分多路复用 - 在频率域划分多个频点，每一路通 信只使用属于自己的频点传送信号,频分多路复用示意,特定频率发送系统,特定频率接收系统,解决大信息量信号的远距离多路无线传送问题（通信距离、通信容量）,音频信号频率范围：,视频信号频率范围：,结论：复杂信号不能通过天线直接进行无线传送,调制与解调 -,20Hz-20KHz,15公里 - 1.5万公里,波长：,0-6MHz,50米 - 无限长,波长：,当天线的尺寸与信号的波长接近时，电磁波的辐射效率最高。,信号频率与波长的关系：,信号频率较高时波长较短，天线更容易实现。,调制解调？,单频率电压信号的数学表示：,- 电压信号振幅,- 角频率,- 初相位,如果：,用含有信息的复杂信号去影响高频单频率信 号的参量的过程。,调制后的高频信号,含有信息的复杂信号,高频单频率信号,从已调波信号中分离出含有信息的复杂信号 的过程。,三种调制方式：,用复杂信号影响单频率信号的振幅,用复杂信号影响单频率信号的频率,用复杂信号影响单频率信号的相位,调制 -,解调 -,已调波信号 -,调制信号 -,载波信号 -,调幅(AM) -,调频(FM) -,调相(PM) -,第二节 通信系统中的信号,一信号表示,约定：,- 表示交流电压,- 表示交流电流,- 表示交流电压的振幅或直流电压,- 表示交流电流的振幅或直流电流,- 表示向量电压,- 表示向量电流,或,或,频谱图：,单频率等幅信号,数学表达式可以写为：,波形图：,方波信号,数学表示：,时域波形图：,付里叶级数展开式：,频谱图：,结论：复杂信号可以由多个幅度、频率各不相同的 单频率信号组成。,实现思路：,数学表示：,二调幅信号,1.普通调幅信号,简单调幅,载波信号：,（高频单频率信号）,调制信号：,（低频信号）,- 已调波信号,波形图：,调幅系数，表示载波信号振 幅受调制信号影响的程度。,所以：,振幅变化幅度：,因为：,时，,定义：,频谱图：,下边频 上边频,载波,调制信号,已调波另一种数学表示：,结论：,1）调制信号频谱搬移到载波信号频谱的两侧，只要 仍然可以用天线进行有效的无线传送，相当于传送3 个频率相近的单频率信号- 保证天线的有效性。,2）左右对称幅值为 倍 。,3）已调波信号占有频带宽度为： 它决定频分多路复用的频点间隔。,方波调幅,调制信号：,波形变换：,载波信号：,正弦变余弦:,已调波信号:,频谱图：,0,03,0+3,05,0+5,07,0+7,0,0+,0+9,09,下边带,上边带,结论： 1）与简单调幅相同，仅边频变为边带。 2）使用频分复用进行多路信号传输，必须保持足够 的载频间隔。,3）载频成分不含信息，但占有较大的信号功率。 4）上、下边带包含同样的信息，浪费了信号功率和 信道资源。 5）实际应用中，调制信号不可能是规则信号，但只 要是周期信号就存在付里叶级数表示，可以引用 方波调幅的结论。,任意周期信号的付里叶级数表示：,任意周期信号的频谱图：,任意周期信号的普通调幅数学表示：,令：,任意周期信号为调制信号的已调波信号频谱图：,f0-Fmax f0-Fmin f0 f0+Fmin f0+Fmax,频带宽度：,6）实际的调制信号不可能是周期信号，但可以认为在较短的时间内调制信号为周期信号，仍然可以引用方波调幅的结论。,上边带,下边带,2.平衡调幅信号、抑制载波的双边带调幅信号(DSB),实现方法（单频率调制情况）：,已调波数学表示：,已调波频谱图：,0 - ,0 + ,0,频带宽度：,特点：已调波无载频成分,已调波波形图：,包络过“0”,特点：,1. 不受限制,2. 包络变化范围=已调波振幅变化范围,3. 不使用 评价调幅度,复杂信号调制,普通调幅讨论结果说明，单频率调制讨论结论可推广于复杂信号调制的情况，故单频率平衡调制结论也可推广于复杂信号的平衡调制讨论。,3.单边带调幅信号(SSB),实现方法：,特点：只有一个边带，节省信号功率和信道资源,f0 f0-Fmin f0+Fmax,普通AM信号,DSB AM信号,单边带滤波器,SSB AM信号,分为：,带载频单边带调幅信号,不带载频单边带调幅信号,4.残留边带调幅信号(VSB),实现方法：与单边带调幅信号类似,区别：不完全滤除另外的边带,5. 四种信号特点,信道利用率：,单边带 - 残留边带 - 平衡 、普通,能量利用率（单边带残留边带不带载频）：,单边带 - 残留边带 - 平衡 - 普通,应用：,调幅广播 - 普通调幅,电视 - 带载频残留边带调幅,三.调角信号,调角 - 调频与调相的统称,1.角频率、初相位、相角的关系,单频率信号,- 角频率,- 相角,- 初相位,角频率为常量 时：,相角：,令角频率在 的基础上产生变化：,实现方法：,t,t,T,0,0,瞬时相角：,瞬时角频率：,结论：,瞬时相角可以表示为瞬时角频率对时间的积分,瞬时角频率可以表示为瞬时相角对时间的微分,2.调频信号(单频率信号调制) 数学表示:,调频波形图:,载波,调制信号,已调波信号,t,t,t,3.调相信号(单频率信号调制) 瞬时相角:,已调波数学表示:,实现方法：,4.调角信号的参数,调频信号：,振幅 - 不变,瞬时相角,定义：,- 调频系数,表示瞬时相角的变化,变化携带信息,瞬时角频率,定义：,为常量，仅 变化。,- 频偏,表示角频率变化的绝对量值,调相信号：,振幅 - 不变,瞬时相角,定义：,表示瞬时相角的变化,- 调相系数,瞬时角频率,定义：,表示角频率变化的绝对量值,- 频偏,5.调角信号的频谱（单频率调频情况）,应用贝塞尔函数理论,Jn(m) m的n阶第一类贝塞尔函数,Jn(m),(m),0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,0,-0.2,-0.4,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,n=0,n=1,n=2,n=3,n=4,代回原式并整理得到：,结论： 1）含有载频分量及无穷多对上、下边频分量。 2）载频及各边频分量的振幅 随 而变。 3）带宽 频谱变化规律：低频高频，总趋势是减小的，,近似条件：,并且有,结果。,可以忽略。,频谱图：,载频,下边带,上边带,f0,f0+(1+m)Fmax,f0-(1+m)Fmax,4）调角信号总功率不变，总功率在各分量之间的分配随m而变。,5）复杂信号调角的已调波带宽可引用单频率调角已调波的带宽计算方法进行近似计算。,四.已调波信号的参数对比,振幅变化 相位变化 频率变化 占有带宽,AM,DSB,FM,PM,结论：,1.普通 AM、DSB AM借助振幅变化传送信息，普 通AM V受限，DSB AM V不受限。 2.FM、PM借助瞬时相角变化传送信息抗干扰能力 优于AM。 3.FM瞬时相角变化与F有关，PM瞬时相角变化与F 无关。 4. FM瞬时频率变化与F无关，PM瞬时频率变化与F 有关。 5.AM占有带宽相对较窄，FM、PM占有带宽相对较 宽。 6.FM调制信号F上升mF下降，PM调制信号F变化mF 不变。同等条件下，FM占有频带相对更窄。,五.脉冲调制信号,1.脉冲幅度调制 - 振幅键控（ASK）,uc(t),u(t),u(t),u(t),1,1,1,0,0,t,t,t,t,载波信号,脉码调制信号,等幅ASK信号,调幅ASK信号,2.脉冲频率调制 - 频率键控 FSK,载波信号,脉码调制信号,FSK信号,uc(t),u(t