现代通信技术(第2版)

现代通信技术第2版电子教案(仅供参考)谭中华机械工业出版社目录第1章现代通信技术概述第2章模拟通信第3章数字通信第4章数字信号的基带传输第5章数字信号的载波传输第6章同步与数字复接第1章现代通信技术概述1．1绪论1．2信号1．3信道及其容量1．4通信系统1．5数字通信的发展与现状1．6通信系统的主要性能指标1.1绪论通信的发展信息高速公路回第一章首页1.2信号信号的定义。信号是随时间变化的某种物理量信号传递方式。信号的分类。连续信号与离散信号确定信号和随机信号周期信号与非周期信号回第一章首页1.3信道及其容量数字信道的容量模拟信道的容量)()1(1log)1(1log1222bitPPPPBCeeee)/()1(log)1(log21222sbNPBNPBC回第一章首页1.4通信系统终端设备。终端设备的主要功能是把待传送的信息和在信道上传送的信号进行相互转换传输链路。传输链路是连接源点和终点的媒介和通路交换设备。交换设备的基本功能是完成接入点链路的汇集、转接和分配回第一章首页1.4.1模拟通信模拟通信利用模拟信号来传递消息。模拟通信系统框图如图1-1所示图1-1模拟通信系统信源调制器信道解调器信宿调制器1.4.1模拟通信模拟通信系统的缺点是传输的信号是连续的，混入噪声后不易清除，抗干扰能力差不易进行保密通信设备不易大规模集成不能适应数据通信的要求1.4.2数字通信数字通信利用数字信号来传递消息。数字通信系统框图如图1-2所示信源编码信源信道编码调制器信道解调器信道译码信源译码信宿发端定时同步发端定时同步噪声图1-2数字通信系统模型1.4.3数字通信系统的优缺点数字通信系统的优点抗干扰能力强容易实现高质量的远距离通信便于实现综合业务数字网便于加密适于集成化、智能化1.4.3数字通信系统的优缺点数字通信系统的缺点占用频带宽系统和设备比较复杂1.5数字通信的发展与现状数字短波通信数字移动通信数字微波通信数字卫星通信数字光纤通信回第一章首页1.6通信系统的主要性能指标一个通信系统往往有很多指标，这些指标从各高个方面评价了系统各方面的优劣。常用有效性何可靠性两方面进行考虑。回第一章首页1.6.1模拟通信系统的基本参数带宽可用时间最大容许功率范围1.6.2数字通信系统的基本参数有效性系统的有效性主要从传输效率、功率利用率、和频带利用率三个方面有效性在数字通信系统中衡量系统可靠性的重要指标是差错率。另外，为了说明系统正确工作的能力，可靠性指标还包括可靠度和中断率回第一章首页第2章模拟通信2．4无线电发射机2．3角度调制2．5无线电接收机2．6频分多路复用2．1模拟信号的传输方式2．2幅度调制2.1模拟信号的传输方式调制解调无线电发射机框图如图2-1无线电接收机如图2-2模拟通信系统组成框图如图2-3回第二章首页2.1模拟信号的传输方式天线载波产生器调制器功率放大器基带信号图2-1发射机组成框图2.1模拟信号的传输方式天线选频放大器解调器基带信号图2-2接收机组成框图2.1模拟信号的传输方式信息源发射机信道接收机受信者噪声和干扰源图2-3通信系统组成框图提高频率，易于辐射实现信道复用改变信号占用的带宽改善系统的性能2.1.1调制的作用2.1.2噪声和干扰乘性噪声乘性噪声是由于通信系统的非理想传输特性而引起的，通常随着信号的消失而消失，它的存在将引起信号的各种畸变加性噪声加性噪声是一种独立于信号而存在的噪声2.2幅度调制幅度调制是指高频正弦波的幅度随调制信号作线性变化的过程，是发送设备中不可或缺的不部分。与之对应，接收设备中必须有振幅解调电路，称为检波器回第二章首页2.2.1双边带调制常规双边带调制调幅过程可以看成两个输入端和一个输出端的“黑盒子”，如图2-4所示抑止载波的双边带调制常规双边带调制信号中，载波不传送信息，因此，可以只发送上、下两个边频，而不发送载波，这称为抑止载波的双边带调制2.2.1双边带调制调幅器uΩucu图2-4调幅器示意图2.2.2单边带调制独立边带调制独立边带调制可采用滤波法、移项法、移项滤波法实现残留边带制单边带信号具有节省功率和频带的优点，但难于产生单边带信号，为解决此问题，提出残留边带调制2.2.3解调从调幅波中不失真的检出调制信号称为解调，它是调制的逆过程，也是一种频谱搬移电路，如图2-5所示。非线性器件低通滤波器i图2-5振幅检波器组成方框图2.3角度调制在角度调制中，已调信号的频谱不再保持原来基带信号的频谱结构，而是基带信号与已调信号频谱之间存在着非线性关系。如果用调制信号去控制载波信号的频率，使载波的频率随调制信号的规律变化而变化，则称为调频；如果用调制信号去控制载波信号的相位，使载波的相位随调制信号的规律变化而变化，则称为调相。回第二章首页2.3.1调角波的数学表达式设调制信号表达式为：载波信号的表达式为则调频波和调相波的表达式分别为：tuumcostUucmccos2.3.1调角波的数学表达式调频波的数学表达式调相波的数学表达式tmcttdt0sin)coscos(costmtUUupcmm2.3.2调角波的频谱结构与带宽调角信号的频谱调角信号的频谱为一贝塞尔函数调角信号的频谱宽度（宽度调制时）)(2)1(2mB2.3.2调角波的频谱结构与带宽抗干扰性在相同条件下，调频接收机输出端的信号噪声比要比调幅接收机大得多。信号频谱宽度在宽度调角中，调角信号得频谱宽度高于调幅信号得频谱宽度。设备利用率调角系统的设备利用率高于调幅系统。2.3.3调频方法直接调频直接调频是指用调制信号直接去控制振荡器的振荡频率。如某典型的调频电路如图2-6所示。图2-6变容管直接调频电路2.3.3调频方法间接调频间接调频就是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，从而间接获得调频。某典型的间接调频电路如图2-7所示。图2-7单级回路变容二极管调相电路2.3.4解调斜率鉴频相位鉴频脉冲计数式鉴频利用门电路或锁相环进行鉴频2.4无线电发射机无线电发射机的作用是产生一个功率足够大的高频振荡信号送给发射天线，通过天线转换成电磁波传送到接收端。衡量发射机优劣的技术指标有：输出功率、频率范围与频率间隔、频率准确度与频率稳定度、邻道频率、寄生辐射、调制特性等。回第二章首页2.4.1调幅发射机调幅发射机的组成框图如图2-8所示：天线振荡器中间放大器输出放大器调制器图2-8调幅发射机组成方框图2.4.1调幅发射机在调幅发射机中，为节约频谱资源，提高能量利用率，往往采用单边带发射机。某单边带发射机的框图如图2-9所示:图2-9单边带发射机组成方框图频率变换部分音频放大器平衡调制器混频器放大器末级放大器边带滤波器天线ALC本机振荡器载波振荡器单边调制部分2.4.2调频发射机使用调频调制方式的发射机称为调频发射机。其组成框图如图2-10所示晶体振荡器频率调制器倍频器倍频器倍频器音频放大器IDC回路音频放大器话筒缓冲放大器功率放大器12.14MHZ图2-10调频发射机组成方框图×3×2×2145.68MHZ2.4.2调频发射机调频发射机与调幅发射机比较，具有如下特点：占用频带宽具有较强的抗干扰性能功率利用率高2.5无线电接收机接收无线电信号的设备称为无线电接收机。衡量接收机性能的主要性能指标有：灵敏度选择性失真度波段覆盖工作稳定性回第二章首页2.5.1调幅接收机直接放大式直接放大式接收机称为调谐方法式，其结构方框图如图2-11所示高频放大器检波器音频放大器本机振荡器图2-11直接放大式接收机组成方框图2.5.1调幅接收机超外差接收机典型超外差接收机框图如图2-12所示高频放大器混频器中频放大器检波器音频放大器本机振荡器图2-12超外差式接收机方框图2.5.2单边带接收机单边带接收机也是一个频率的搬移过程单边带接收机设有只准SSB信号通过的带同滤波器2.5.3调频接收机接收调频信号的接收机称为调频接收机典型的调频接收机框图如图2-13所示高频放大器第一混频器限幅器第二混频器第二中频放大器第一中频放大器天线第二本机振荡器第一本机振荡器图2-13调频接收机组成方框图扬声器鉴频器音频放大器静噪电路2.6频分多路复用若干路信息在同一信道中传送称为多路复用。按频率分割信号的方法称为频分复用。在频分多路复用中，信道的可用频带被分割成若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，以实现多路复用的FDM信号在同一信道中传输。频分多路复用的框图如图2-14所示。回第二章首页2.6频分多路复用CH2CHNCH1LPF调制器BPFBPF解调器LPFLPF解调器BPFLPF调制器BPFLPFBPF调制器BPFLPF解调器信道输出CH1CH2CHN信号2cf1cfcnf………图2-14频分多路复用原理方框图回第二章首页第3章数字通信3.1绪论3.2信源编码3.3时分多路复用3.4数据压缩技术简介3.1绪论通信系统按传输的信号形式可分为模拟通信系统和数字通信系统按传输媒介可分为有线通信系统和无线通信系统按通信业务可分为电话、电报、传真、电视等回第三章首页3.1.1数字信号信号是信息的表现形式基带信号和频带信号基带信号是指含有低频成分甚至直流成分的信号，通常，原始信号都是基带信号频带信号的中心频率相对较高，因而相对带宽窄3.1.1数字信号模拟信号模拟信号是指时间和状态都连续的信号数字信号数字信号是指时间和状态都离散的信号典型的数字信号波形如图3-1所示3.1.1数字信号图3-1数字信号波形3-1a二进制数字信号图3-1b四进制数字信号a）b）1010100011011013.1.2数字通信系统的模型典型数字通信的模型如图3-2所示图3-2数字通信系统的模型同步信源信源编码信道编码调制信道解调信道解码信源解码干扰同步3.1.3数字通信系统的主要性能指标比特概率码元信息量传信率传码率误码率频带利用率3.1.4数字通信的特点抗干扰能力强通信效率高保密性能好便于构成综合数字网和综合业务数字网占用频带宽3.2信源编码信源编码的任务包含两个方面：将输入信号变换成适于在数字通信系统处理和传输的数字信号。通过信源编码提高数字信号的有效性，尽可能减小信号中的多余度，进行压缩信号带宽的编码，使单位时间单位系统频带上所传输的信息量最大。回第三章首页3.2.1脉冲编码调制（PCM）取样取样也称为抽样，它是把时间连续的模拟信号转换为时间离散的信号的过程，取样示意图如图3-3所示。3.2.1脉冲编码调制（PCM）s(t)PAMms(t)m(t)tttK图3-3取样过程示意图3.2.1脉冲编码调制（PCM）对于上限频率为Fh的限带信号，如果用Fs2Fh的信号对它进行取样，则原信号将被所得到的取样值完全地确定。或者可以通过截止频率为Fh的理想低通滤波器完全地恢复原信号。这就是著名的奈奎斯特取样定理。3.2.1脉冲编码调制（PCM）取样时，由于模拟信号m(t)的值是连续变化的，取样后，取样器输出的脉冲顶部是变化的，为获得近似不变的准确的取样值，要求s(t)的脉冲宽度应尽可能窄。另一方面，在后面的量化过程中，为保证量化编码的要求，取样值必须保持一段时间，这一过程称为取样保持。3.2.1脉冲编码调制（PCM）量化取样后的PAM信号幅度仍是连续变化的，不能进行编码。因此，还必须进行数字化的第二步——幅度离散化处理，即量化量化分为：均匀量化非均匀量化3.2.1脉冲编码调制（PCM）均匀量化：对PAM信号的样值幅度进行量化处理，也称为分层或分级。在数字技术中，量化过程实际上是将样值信号的最大幅度范围（设为-um~+um）划分为2n个区间，即可用2n个离散值来表示PAM的样值幅度变化，并且经量化后，每一个样值都将被这些离散值所取代，这些电平被称为量化电平，用量化电平取代每个取样值的过程称为量化，分层区间电平是一致的，因此称