第5章信道与线性调制

1、Communication Theory)(costtAtScm第第5章章 信道与线性调制信道与线性调制w信道基本概念信道基本概念 w编码与调制编码与调制 w幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能w 频分多路复用及线性调制应用举例频分多路复用及线性调制应用举例w 非线性调制原理非线性调制原理w 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能w 采用加重采用加重/去加重技术改善信噪比去加重技术改善信噪比恒参信道调制信道随参信道广义信道有记忆信道信道编码信道无记忆信道无线信道狭义信道有线信道Communication Theory)(costtAtScm 信道是通信系统必不可少的组成部分，

2、信道的特信道是通信系统必不可少的组成部分，信道的特性将直接影响到系统的总特性。性将直接影响到系统的总特性。 5.1.1 5.1.1 信道的定义及分类信道的定义及分类5.1 信道信道Communication Theory)(costtAtScm调制信道与编码信道调制信道与编码信道 Communication Theory)(costtAtScm 5.1.2 信道数学模型信道数学模型 一、调制信道一、调制信道 调制信道的共性调制信道的共性有一对有一对( (或多对或多对) )输入端和一对输入端和一对( (或多对或多对) )输出端；输出端；绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理；绝大多数的信道都是

3、线性的，即满足叠加原理；信号通过信道具有一定的迟延时间，而且它还会受到信号通过信道具有一定的迟延时间，而且它还会受到( (固定的或时变的固定的或时变的) )损耗；损耗；即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出出( (噪声噪声) )。Communication Theory)(costtAtScm 调制信道的模型调制信道的模型ois tf s tnt二对端网络二对端网络多对端网络多对端网络Communication Theory)(costtAtScm对于二对端的信道模型，其输出与输入的关系对于二对端的信道模型，其输出与输入的关系应该有应

4、该有 其中，其中， 为输入的已调信号；为输入的已调信号； 为信道总输为信道总输出波形；出波形； 为加性噪声为加性噪声/ /干扰，且与干扰，且与 相互相互独立。独立。 表示已调信号通过网络所发生的表示已调信号通过网络所发生的( (时变时变) )线性变换。线性变换。 若设若设 ，则有，则有()()CCHH 常 数H( )n t( )iS t)(tSm)(tnitntstktsio)()(ntCommunication Theory)(costtAtScm加性干扰加性干扰 乘性干扰乘性干扰 通常乘性干扰是一个复杂的函数，包括各种线性畸变、非通常乘性干扰是一个复杂的函数，包括各种线性畸变、非线性畸变，

5、同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作线性畸变，同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，往往用随机过程来表述。随机变化，往往用随机过程来表述。 在分析乘性干扰时，可以把信道粗略分为两大类：在分析乘性干扰时，可以把信道粗略分为两大类： 恒参信道：恒参信道： 不随时间变化或基本不变化；不随时间变化或基本不变化； 随参信道：随参信道： 是随机快变化的。是随机快变化的。)(tncBBB调制信道对信号的影响调制信道对信号的影响Communication Theory)(costtAtScm对信号的影响是一种数字序列的变换，即把对信号的影响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序

6、列；一种数字序列变成另一种数字序列；一般把编码信道则看成是一种数字信道；一般把编码信道则看成是一种数字信道；编码信道模型可以用数字的转移概率来描述；编码信道模型可以用数字的转移概率来描述；可分为有记忆编码信道和无记忆编码信道。可分为有记忆编码信道和无记忆编码信道。二、编码信道二、编码信道Communication Theory)(costtAtScm编码信道的转移概率编码信道的转移概率 tm20模型中，把模型中，把P(0/0)P(0/0)、P(1/0)P(1/0)、P(0/1)P(0/1)、P(1/1)P(1/1)称为信道转移概率。以称为信道转移概率。以P(1/0)P(1/0)为例，其含义是为

7、例，其含义是“经信道传输，把经信道传输，把0 0转移为转移为1 1的概率的概率”。Communication Theory)(costtAtScm恒参信道：恒参信道：对信号的影响是固定的或变化极为对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的；架空明线和电缆、中长波地波传播、缓慢的；架空明线和电缆、中长波地波传播、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光导超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等信道是恒参信道。纤维以及光波视距传播等信道是恒参信道。Communication Theory)(costtAtScm1 1、有线电信道及其特性、有线电信道及其特性明线：平行而相互绝缘的架空裸

8、线线路。传输损耗低；明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路。传输损耗低；易受气候和天气的影响；对外界噪声干扰敏感。易受气候和天气的影响；对外界噪声干扰敏感。对称电缆：同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线对称电缆：同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质；导线材料是铝或铜，直径为的传输媒质；导线材料是铝或铜，直径为0.40.41.4mm1.4mm；为减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞为减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状；由于这些结构上的特点，电缆的传输损耗比明线状；由于这些结构上的特点，电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定。大得多，但其传输特性比较稳定。tcc

9、os) (21) (tntnco明线明线对称电缆（双绞线对称电缆（双绞线）5.1.3 5.1.3 恒参信道举例恒参信道举例Communication Theory)(costtAtScm同轴电缆：由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形同轴电缆：由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管的空管(金属丝网金属丝网)，内导体是金属线，内导体是金属线(芯线芯线)，中间填充着，中间填充着介质；外导体接地，起屏蔽作用，外界噪声很少进入其内介质；外导体接地，起屏蔽作用，外界噪声很少进入其内部部。2211( )( )44oociNntntN光源基带处理基带处理光探测器光纤线路光调制器基带电信号基带电信号

10、调制电信号解调电信号已调光信号Communication Theory)(costtAtScm2 2、光纤信道及其基本特性、光纤信道及其基本特性 定义：定义：光导纤维(简称光纤)为传输媒质、光波为载波的光纤信道 ；特点：特点：损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰等优点；组成：组成：光源、光纤线路及光电探测器等三个部分n光源是光载波发生器，广泛应用半导体发光二极管(LED)或激光二极管(LD)做光源；n在接收端是一个直接检波式的光探测器，常用PIN光电二极管或雪崩光电二极管(APD管)来实现光强度的检测；n中继器有两种类型：直接中继器和间接中继器。

11、在数字光纤信道中，为了减小失真以及防止噪声的积累，每隔一定距离需加入再生中继器。Communication Theory)(costtAtScm 单模光纤：单模光纤：当光纤中只能传输一种光波的模式； 由于光波波长极短，传光特性较好；但是光纤的 芯径极小、截面尺寸小，在制造、耦合和连接上 都比较困难； 多模光纤：多模光纤：光纤中能传输的模式不止一个；多模 光纤的截面尺寸较大，在制造、耦合和连接上都 比单模光纤容易。w 分类分类Communication Theory)(costtAtScm光纤信道的技术参数：光纤信道的技术参数： 损耗损耗（是光纤能实现远距离传输的前提）；（是光纤能实现远距离传输

12、的前提）； 色散色散（是指信号的群速度随频率或模式不同而（是指信号的群速度随频率或模式不同而引起的信号失真这种物理现象）。引起的信号失真这种物理现象）。光纤信道的简化方框图光纤信道的简化方框图 ( )m tCommunication Theory)(costtAtScm3 3、无线电视距中继信道、无线电视距中继信道 定义定义：工作频率在超短波和微波波段时，电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路；相邻中继站间距离一般在4050km；适用场合适用场合：长途干线、移动通信网及某些数据收集(如水文、气象数据的测报)系统中；组成：组成：终端站、中继站及各站间的电波传播路径；特点：特

13、点：传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，以及和同轴电缆相比，可以节省有色金属等优点。Communication Theory)(costtAtScm 无线电中继信道的构成无线电中继信道的构成 222()()()884im tm tm tSCommunication Theory)(costtAtScm4 4、卫星中继信道及其基本特性、卫星中继信道及其基本特性 定义：定义：无线电中继信道的一种特殊形式；同步通信卫星：同步通信卫星：轨道在赤道平面上的人造卫星，当它离地面高度为35860km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时，采用三个适当配置的同步卫星中继站就可以覆盖全球(除两极盲区外)；具有传

14、输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大等突出的优点；组成：组成：由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成；上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径，而信道设备集中于地球站与卫星中继站中。Communication Theory)(costtAtScm 卫星中继信道的概貌卫星中继信道的概貌 Communication Theory)(costtAtScm5.2 数据通信基础l数据通信基本概念数据通信基本概念 l信道信道l传输媒体传输媒体l编码编码Communication Theory)(costtAtScml数据数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息传递（携带

15、）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。则是数据的内容或解释。 -模拟模拟(Analog)数据与数字数据与数字(Digital)数据数据l信号信号(Signal)：数据的物理量编码（数据的物理量编码（通常为电编通常为电编码）码），数据以信号的形式传播。，数据以信号的形式传播。 -模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 -基带基带( Base band ) 与宽带与宽带( Broadband )信号信号一些术语一些术语Communication Theory)(costtAtScml信道信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。传送信息的线路（或通路）。l比特率比

16、特率(Bit Rate)：数据传输速率数据传输速率 (bps，b/s)。l码元码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元时间轴上的一个信号编码单元t码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始Communication Theory)(costtAtScml波特率波特率(Baud)：每秒传送的码元数每秒传送的码元数(即信号传送速率即信号传送速率)。 1 Baud = （log2M） bps 其中其中M是信号的编码级数。也可以写成是信号的编码级数。也可以写成 Rbit

17、 = Rbaud log2M例如：例如：4级编码（级编码（p23图图2.3b） 一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。信息传输速率下，比特率往往大于波特率。 换句话说，一个码元中可以传送多个比特（换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。）。Communication Theory)(costtAtScm 带宽带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信号或信道占据的频率范围 信道容量信道容量(Channel capacity)：信道的最大数据率信道的最大数据率 误码率误码率(Bit e

18、rror rate)：信道传输可靠性指标信道传输可靠性指标 P= 错误的位数错误的位数 / 传输的总位数传输的总位数信息编码：信息编码：将信息用二进制数表示的方法。将信息用二进制数表示的方法。数据编码：数据编码：将数据用物理量表示的规则将数据用物理量表示的规则。 例如：字母例如：字母A的的ASCII编码为编码为01000001，其数据编码可能为，其数据编码可能为01000001tCommunication Theory)(costtAtScm通信系统模型通信系统模型通信的三个要素：信源、信宿和信道通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：任何一个通信系统都可以抽象为

19、以下模型：噪声噪声信源信源编码编码调制调制信道信道解调解调解码解码信宿信宿编码器：数据编码器：数据适合传输的信号适合传输的信号便于识别、纠错便于识别、纠错调制器：信号调制器：信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位解码器：传输信号解码器：传输信号原始数据原始数据解调器：接收波形解调器：接收波形数字信号序列数字信号序列Communication Theory)(costtAtScm信息信息数据数据信号信号在介质上传输在介质上传输信号信号数据数据信息信息通信系统的任务通信系统的任务信息通过通信系统传输信息通过通信系统传输 把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传把携带信

20、息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。送到目的地。信息和数据（信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输比特）不能直接在介质上传输。Communication Theory)(costtAtScm通信系统的构成通信系统的构成数据传输系统：数据传输系统： 1）传输线路（包括传输介质和中继设备）传输线路（包括传输介质和中继设备） 2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等路由器等数据处理系统：主要是指计算机。数据处理系统：主要是指计算机。通信基本过程通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连

21、接建立物理连接建立逻辑连接建立逻辑连接数据传送数据传送断开逻辑断开逻辑连接连接断开物理连接（对比：打电话的过程）断开物理连接（对比：打电话的过程）Communication Theory)(costtAtScm1.数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。道。Communication Theory)(costtAtScm2.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值模拟信号：时间上连

22、续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta) 模拟信号b) 数字信号Communication Theory)(costtAtScm3.周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号周期信号：信号由不断重复的固定模式组成周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦如正弦波）波）非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语（如语音的音波信号）音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。，能被分解成无数个周期信号的叠加。ttTTTTTT周期信号周期信号Communication Theo

23、ry)(costtAtScm2211()()41 6oS m tmtCommunication Theory)(costtAtScm数字通信的优点数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。 如用如用modem通过拨号线路传输数字信号。通过拨号线路传输数字信号。Communication Theo

24、ry)(costtAtScm信道最大数据传输率 M 最大数据率最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps C = 2W log2 MC = 传输率，单位传输率，单位b/s或或bpsW = 带宽，单位带宽，单位HzM = 信号电平级数信号电平级数例如：例如：话音级线路话音级线路(3000 Hz)的信道容量计算，如右的信道容量计算，如右图所示。图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。Communication Th

25、eory)(costtAtScm非理想信道非理想信道实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减）衰减 信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/N降低降低。b）延迟）延迟 信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变信号畸变。c）噪声）噪声 热噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。 串扰串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线 脉冲噪声脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。 噪声将破坏信号，产生误码破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏

26、约560个比特（56Kbps）。Communication Theory)(costtAtScmShannel公式公式：高斯噪声干扰信道：高斯噪声干扰信道S/NdB 信噪比（信噪比（dB分贝）的定义分贝）的定义C = W log2 (1+SN)S/NdB = 10 log10 S/N例：信道带宽例：信道带宽W=3KHz，信噪比为，信噪比为30dB，则，则C=3000*log2(1+1000) 30KbpsC = 传输率，单位传输率，单位b/sW = 带宽，单位带宽，单位Hz221( )( )24iioomtSmtNnBnB 即：即：Communication Theory)(costtAtSc

27、mNyquist公式和公式和Shannel公式的比较公式的比较 C = 2W log2M 此公式说明数据传输率此公式说明数据传输率C随信号编码级数随信号编码级数增加而增加。增加而增加。 C = W log2(1+S/N) 无论采样频率多高，信号编码分多少级，无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。此公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限 增加。增加。Communication Theory)(costtAtScm5.2.3 传输媒体(介质)磁介质磁介质高带宽、低费用、高带宽、低费用、高延

28、时高延时（小时）（小时） 例：例：7GB/8mm，1000盘盘/50*50*50cm，24h可送到任何可送到任何地方。地方。 总容量总容量=7*1000*8Gbits，总时间，总时间=24*60*60=86400s 传送速率传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 金属导体金属导体双绞线、双绞线、 同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)光纤光纤无线介质无线介质无线电、短波、微波、卫星、光波无线电、短波、微波、卫星、光波Communication Theory)(costtAtScm双绞线内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套-螺旋绞合的双导线，螺旋绞合的双导线，

29、1mm-每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点： 成本低成本低 密度高、节省空间密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率）平衡传输（高速率） 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离较短连接距离较短Communication Theory)(costtAtScm屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP)以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音()cA m t n t 3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽gSBBB Communicat

30、ion Theory)(costtAtScm同轴电缆l基带同轴电缆基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输l宽带同轴电缆宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75 ，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套Communication Theory)(costtAtScm 细同轴细同轴 -50 ，D=1.02cm，10Mbps -185m、4中继、中继、5段（段（925m） -优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator） 抗干扰能力强 距离短 可靠性差 粗粗同轴同轴

31、 -50 ，D=2.54cm，10Mbps -500m、4中继、中继、5段（段（2500m） -优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好 Communication Theory)(costtAtScm光纤依靠光波承载信息依靠光波承载信息速率高，通信容量大速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好抗干扰性能极好，保密性好轻便轻便Communication Theory)(costtAtScm光纤传输原理光纤传输原理

32、利用了光的反射利用了光的反射 l l光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值临界值时产生全反射，不会泄漏。时产生全反射，不会泄漏。 l l光纤：纤芯光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层折射率高、玻璃包层-折射率低折射率低 l l亮度调制，有脉冲亮度调制，有脉冲-1，无脉冲，无脉冲-0 l l光传输系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器光源光源: 850nm/1300nm/1500nm 发光二极管发光二极管 / 激光二极管激光二极管介质介质: 光纤光纤光检测

33、器光检测器: 光电二极管光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APD l l单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤Communication Theory)(costtAtScm光纤传送模式：光纤传送模式：MMF、SMF光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播Communication Theory)(costtAtScm典型的光缆典型的光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳常见规格：玻璃内芯常见规格：玻璃内芯50um缓变型缓变型MMF 6

34、2.5um缓变缓变/增强型增强型MMF 8.3um突变型突变型SMF 玻璃包层玻璃包层125umCommunication Theory)(costtAtScm高密度多芯光缆剖面结构芯芯封套封套外套加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束Communication Theory)(costtAtScm无线介质使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息无需物理连接无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合适用于长距离或不便布线的场合易受干扰易受干扰Communication Theory)(costtAtScm无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站基站 用户计算机和终端用

35、户计算机和终端BSF1, F2, F3 = 使用的频率Communication Theory)(costtAtScm地面微波接力两个地面站之间传送两个地面站之间传送距离：距离：50 -100 kmCommunication Theory)(costtAtScm地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长 传传输输媒媒体体 速速率率 传传输输距距离离 性性能能(抗抗干干扰扰性性) 价价格格 应应用用 双双绞绞线线 10-1000Mb/s 几几十十 kM 可可以以 低低 模模拟拟/数数字字传传输输 50 同同轴轴电电缆缆 10Mb/s 3kM 内内 较较好好 略略 高高 于

36、于双双绞绞线线 基基带带数数字字信信号号 75 同同轴轴电电缆缆 300-450MHz 100kM 较较好好 较较高高 模模拟拟传传输输电电视视、数数据据及及音音频频 光光纤纤 几几十十 Gbps 30kM up 很很好好 较较高高 远远距距离离传传输输 短短波波 50MHz 全全球球 较较差差 较较低低 远远程程低低速速通通信信 地地面面微微波波接接力力 4-6GHz 几几百百 kM 好好 中中等等 远远程程通通信信 卫卫星星 500MHz 18000kM 很很好好 与与 距距 离离无无关关 远远程程通通信信 Communication Theory)(costtAtScm常用传输媒体的比较

37、常用传输媒体的比较Communication Theory)(costtAtScm5.2.4 数据编码数据：数据：模拟数据、数字数据模拟数据、数字数据信号：信号：模拟信号、数字信号模拟信号、数字信号 信道：信道：模拟信道、数字信道模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。每一种相应地需要进行不同的编码处理。Communication Theory)(costtAtScm 模拟传输和数字传输话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟CODEC数字数字数字数字数字编码数字编码数字

38、数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010ModemCommunication Theory)(costtAtScmEncoderDecoderModulatorDemodulator编码和调编码和调制制用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制Communication Theory)(costtAtScm5.3 5.3 幅度调制的原理幅度调制的原理 设正弦型载波为：设正弦型载波为： 式

39、中：载波角频率为式中：载波角频率为 ；载波的初相位为；载波的初相位为 ；载波振幅为；载波振幅为 A 幅度调制信号的一般表达式为幅度调制信号的一般表达式为0( )cos()cs tAtc0 0cosmcstAm tt ()2mmccASF stMMT 幅度调制：幅度调制：用调制信号去控制高频载波的振幅，使其振 幅随调制信号作线性变化的过程。对应频谱为对应频谱为Communication Theory)(costtAtScmT 线性调制：已调信号的谱结构是基带调制信号频谱结构的简单平移及线性变换，因此幅度调制又称为线性调制；幅度调制的模型如下图所示：由一个相乘器和一个冲激响应为由一个相乘器和一个冲

40、激响应为h(t)h(t)的带通滤波器组成。的带通滤波器组成。Communication Theory)(costtAtScm 根据滤波器传输函数的不同，模拟幅度调制分为4类：n常规调幅AM： 为全通网络， 有直流成分。n抑制载波双边带调制DSB： 为全通网络， 无直流成分。n单边带调制SSB： 是截止频率为 的高通或低通滤波器。1.残留边带调制VSB： 是特定的互补特性滤波器。 tm th H tm H H幅度调制的分类Communication Theory)(costtAtScm一一. .抑制载波双边带调制（抑制载波双边带调制（DSB-SCDSB-SC）原理）原理要求：信号中不含有直流分量

41、，且 是理想带通滤波器。c o smcstm t t ccmMMS)(21 已调信号频谱为：其时域表达式为：不含有直流分量c HCommunication Theory)(costtAtScm DSBDSB信号的时域波形及频谱信号的时域波形及频谱 Communication Theory)(costtAtScm二二. . 常规双边带调幅常规双边带调幅（AMAM） 要 求：基带信号 由交流分量 和直流分量A构成， 且必须满足 时域表达式为： t t mt A t t mA t wt mt Sccccmcoscoscoscos 22221()c o s2imcS S t mttmt2()c os(

42、)c os()s i nc os()c os()s i nc os111 ()()c os2()s i n2222icccsccccscccccscnttnttntttnttntttntnttntt 频域表达式为：Communication Theory)(costtAtScm 常规双边带调幅常规双边带调幅（AMAM）信号的波形图信号的波形图调制器解调器收转换器发转换器媒质 调制信道编 码 信 道编码器输出译码器输入Communication Theory)(costtAtScm 常规双边带调幅常规双边带调幅（AMAM）信号的频谱图信号的频谱图Communication Theory)(cos

43、ttAtScm三三. . 单边带调制（单边带调制（SSBSSB） 要 求：带通滤波器只允许一个边带通过。 利用下图中的滤波法可以形成单边带信号。Communication Theory)(costtAtScm产生上边带信号时产生下边带信号时CClSBSSBHH,01)()()()()(SSBDSBSSBHSS单边带信号的频谱为Communication Theory)(costtAtScm SSBSSB信号频谱图信号频谱图Communication Theory)(costtAtScm单边带调制（单边带调制（SSBSSB）信号的时域表达式）信号的时域表达式ttmttmtSccUSBsin)(2

44、1cos)(21)( HMMSccm21采用上边带调制时单边带信号时域表达式为采用下边带调制时的单边带信号时域表达式为推导过程推导过程Communication Theory)(costtAtScm四. 残留边带调制（VSB） 残留边带调制是介于双边带与单边残留边带调制是介于双边带与单边带之间的一种线性调制，即克服了双带之间的一种线性调制，即克服了双边带调制信号占用频带宽的缺点，又边带调制信号占用频带宽的缺点，又解决了单边带信号要求滤波器截止特解决了单边带信号要求滤波器截止特性比较陡峭在生产技术上的难题。性比较陡峭在生产技术上的难题。 残留边带在频域的表达式残留边带在频域的表达式 ()iStm

45、fmmfnAmfnAffNS02202002232223 要 求：( )oStCommunication Theory)(costtAtScm 只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称互补对称特性特性，那么采用相干解调法就能准确恢复原有的基带信号。 残留边带滤波器的衰减特性有很大的选择自由度，但这并不等于对滤波器的衰减特性没有限制。滤波器的衰减特性又称滚降特性，目前应用最多的就是直线滚降和余弦滚降，例如，在电视信号传输和数据信号传输中就分别使用了直线滚降和余弦滚降。残留边带滤波器的几何解释Communication Theory)(costtAtScm带滤波器：过滤出混在噪声中的有用信

46、号，滤除已调信号频带以外的噪声。 ：已调信号； ：高斯白噪声；)(tnif s t)(0tm)(0tnt t n tt n t ncsccisin) (cos) ( ) (5.4 幅度调制抗噪声性能分析 通信系统的抗噪声性能用解调器抗噪声性能来衡量；对于模拟通信系统，抗噪声性能通常用“信噪比”来度量。解调器抗噪声性能的模型：带通型噪声；：输出信号。：输出噪声；Communication Theory)(costtAtScm窄带的高斯噪声可表示成以下形式 式中 ， 及 均具有相同的平均功率，即若解调器输入噪声 具有带宽 高斯白噪声单边功率谱密度为 ，则输入噪声平均功率 带通滤波器传递函数带宽应等

47、于已调信号的频带宽度。()()iifstktst)(0tm)(tns222() () ()iscintntntN ()kt)(0tmBnNi 00nH1. 噪声表达式Communication Theory)(costtAtScmT 解调器输出信号平均功率为 ，噪声平均功率为 ， 则解调器输出信噪比表示为T 调制制度增益G。T 一般来讲，调制制度增益越高，解调器抗噪声性能越好。 tn20)()(22tntmNSooOOiNSiNoSoG tt mt Scmcos2. 调制制度增益 Communication Theory)(costtAtScm一. DSB调制系统的抗噪声性能分析 解调方式：相

48、干解调；输入信号与噪声可以分别单独分析。 设输入信号为 则其平均功率为 设相干载波为 ，则 ccccmMMAS21 2c11cos( )cos222cm ttm tm tt()iA mtnt 低通后解调器输出信号为 输出端信号功率为11()()co s()sin22mccS tmttmttCommunication Theory)(costtAtScm 12omtmt乘法器输出的噪声 经低通滤波器后输出噪声为则输出噪声功率为21()2ioimtSnBNCommunication Theory)(costtAtScm解调器输入信噪比为 解调器输出信噪比为调制增益为 上式说明DSB信号的解调过程使

49、信噪比改善一倍，这是因为在相干解调中输出噪声的一个正交分量 被消去的缘故。21( )414OOimtSNN2iNSiNoSoG)(tnsCommunication Theory)(costtAtScm解调方式：相干解调；二. SSB调制系统的抗噪性能分析1()4omtmt设SSB信号为上边带调制：经过解调，解调器输出信号为解调器的输入信号功率 1010dBNSNS 输出信号功率为 输出噪声为21()2ioimtSnBN 输出噪声功率为Communication Theory)(costtAtScm SSB解调器输入信噪比为 SSB解调器输出信噪比为 调制制度增益为 造成单边带调制制度增益为1的

50、原因是单边带信号中的 分量被解调器滤除了。2201( )( )16144OOomtSmtNn Bn B1iNSiNoSoGttmcsin) (tt mAtScmcosCommunication Theory)(costtAtScm三. AM调制系统的抗噪性能分析解调方式：包络检波法 设解调器输入信号 ，式中 解调器输入信号功率和噪声功率分别为 检波器输入端信号与噪声混合波形，即式中max)( tmA222221 1()c o s()2 2imcS St Am tt A mt BntnNoii)(2 ( )cos( )cos( )sin ( ) cos( )sin ( )cos( )micccs

51、cccsccStn tA m ttn ttn ttA m tn ttn ttE ttt22()()()csEtA mtn tn t)()()()(tntmAtnarctgtcsCommunication Theory)(costtAtScm 大信噪比满足以下条件 再利用近似公式 ，当 时。 22o1( )4oSmtmt )(tntmAs1212222222()2()()()()2()()() ()1()()2() ()1()()()ccsccsccEtAmtAmtntntntntntntAmtAmtAmtntAmtAmtntAmt21)1 (21xx1x)(tm1. 大信噪比情况包络检测器输出

52、有用信号为 ，输出噪声为 。)(tnc20()S mtCommunication Theory)(costtAtScm信号功率及噪声功率分别为 和于是可见，AM信号的调制制度增益G与信号中的直流A有关；因为 所以G总是小于1的，这说明解调器对输入信噪比没有改善。当 为单频正弦信号时，即 ，有 ，此时 。若采用相干检测法去解调AM信号，其调制制度增益于包络检波（大信噪比条件下）相同 。220() ()csoN nt nt nBBntmNSoOO)(2) () (2222tmAtmGiNSiNoSomax)(tmAtAtmmmcos2)(22Atm32G()iA m t n t Communica

53、tion Theory)(costtAtScm门限效应：当解调器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，输出信噪比出现急剧恶化的一种现象，该特定的输入信噪比就被称为“门限”。 ( )cAm tn t )(tntmAs2222222222()()()2()()2()() ()()1()()() ()()()()()cscccscsccscsEtntntAmtntntAmtntntntntntntntAmtntnt2. 小信噪比情况上式中不存在单独的调制信号，即信号与噪声无法独立分开，包络检波器无法恢复出原来的基带信号，这种现象通常称为“门限效应”。Communication Theory)(cost

54、tAtScm 5.5 频分多路复用 多路复用多路复用是指将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法。常见的信道复用方法有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDMA）。 频分复用频分复用，即按频率分割的复用方式。 优点：信道复用率高，容许复用路数多，分路方便； 缺点：设备复杂，且由于滤波器特性不够理想或信道的非线性将导致路际干扰。 在确保各路载频间隔使信号频谱不重叠外，还应留有一定空隙的保护频带，一般要求相邻载波间隔 为， 其中 为已调信号带宽， 为保护频带 BSBgBCommunication Theory)(costtAtScm频分多路原理方框图cCo

55、mmunication Theory)(costtAtScm实例1载波电话系统在一对传输线上同时传输多路模拟电话为载波电话，采用单边带调制频分复用；规定每路话音信号的标准带宽为4KHz。载波电话有一套标准的等级，下表所示为该标准的主要等级。Communication Theory)(costtAtScm形成基群信号的频谱搬移特性 CCUSBSSBHH,01)()(Communication Theory)(costtAtScm实例2广播电视T 广播电视：由电视塔发射的电视节目。 图像信号带宽为0MHz-6MHz，采用VSB调制；伴音信号采用宽带FM方式。图象载频与伴音载频相距6.5MHz，总信

56、号带宽为8MHz；残留边带信号在载频附近的互补特性是在接收端形成的，电视接收机中放的理想频率响应为一斜切特性。Communication Theory)(costtAtScm彩色电视中彩色信号由红、蓝、绿三原色构成。在传送彩色信号时除了传送三原色线性组合的亮度信号（黑白电视信号）之外，还需传送二路色差信号R-Y和B-Y（其中R-Y代表红色与亮度之差，B-Y代表蓝色与亮度之差）。我国彩色电视使用PAL制，这两路色差信号对4.43MHz彩色副载波进行正交的抑制载波双边带调制，即两路信号采用相同频率而相位差90度的两个载波分别进行抑制载波双边带调制。 tm彩色电视信号频谱Communication

57、Theory)(costtAtScm 实例3立体声广播mt 立体声广播信号的频谱 立体声广播信号的产生Communication Theory)(costtAtScm 在广播电台将左、右声道信号之和（L+R）作为主信号，占用15kHz以下的正常音频信号频谱，以便与单声道FM广播接收相兼容（在普通调频广播中只发送015kHz的（L+R）信号）；左、右声道的差（L-R）信号用DSB方式移至2353kHz的范围内，所用调制载频为38kHz；19KHz处发送的是一个单频信号用作立体声指示，作为在接收端提取同频同相相干载波使用；另外还有一个辅助通信专用通道，供电台内部联络通信及广告节目使用。maxtmA

58、立体声广播接收端结构Communication Theory)(costtAtScm 调频广播占用频段为88-108MHz，只能用于视距传输，在传输过程中由于多径干扰及建筑物阻挡对传输质量影响较大，在一些移动物体上接收立体声调频广播质量更不稳定。为解决此类问题，近年来开始研究调幅立体声广播，其信噪比低于调频立体声广播，但受衰落影响小，传播距离远。Communication Theory)(costtAtScm 左、右声道分别用相移15度的载波进行DSB调制。每个声道的已调信号均可以分解为正交分量与同相分量，再与载波分量合成矢量包络进行常规调幅，选择15度相移目的是为了减少正交分量所造成的包络畸

59、变。调幅立体声广播发送端Communication Theory)(costtAtScm 是载波的振幅， 为载波角频率， 和 均为常数； 是信号的瞬时相位； 为瞬时相位偏移； 为信号的瞬时频率； 为瞬时频率偏移。5.5 非线性调制原理非线性调制：已调信号的频谱是原调制信号频谱的一种非线性变换，产 生出与线性调制频谱搬移不同的新的频率分量。 频率调制（FM）和相位调制（PM）都是非线性调制。Acttccttct dttt dc/ dttd/()()ptKmt角度调制信号的一般表达式为Communication Theory)(costtAtScm 瞬时相位偏移可表达为： 式中： 称为相移常数，代

60、表调相器的灵敏度，单位为rad/v。 相应的已调信号为 其瞬时相角为 瞬时频率为相位调制：当幅度和角频率保持不变，而瞬时相位偏移是调制信号的 线性函数。pKc o s ( )mcpstAtK m t )()(tmKttPcdttdmKdttdtPc)()()()()()(tmKdttdtF1. 相位调制的一般原理Communication Theory)(costtAtScm频率调制：载波的瞬时角频率是调制信号的线性函数。瞬时角频率偏移为式中： 为频偏常数，代表调频器灵敏度，单位为rad/v.s。瞬时角频率为瞬时相角为调频信号表达式为FK) () (t mKtFcdttmKtdtttFc) (