第一章通信系统与信号

通信电路原理

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第一章通信系统与信号


主要内容• 1.1 通信系统 [1]

• 1.2 通信系统中的基本信号 [2]

• 1.3 调幅信号及其频谱 [1]

• 1.4 调角信号及其频谱 [1]

• 1.5 数字调制信号及其频谱 [3]

• 1.6 多路通信及已调信号的比较 [2]


重点难点1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号

1.3 调幅信号及其频谱

1.4 调角信号及其频谱

1.5 数字调制信号及其频谱

1.6 多路通信及已调信号的比较

• 较全面的了解通信系统中的发射机、接收机及各组成电路及信号流通与变换情况，信号的波形图及频谱图

• 信号的时域 ( 波形 ) 和频域 ( 频谱 ) 表达形式

• 对本课程所学内容、要求、问题、难点等有个总体认识


1.1 通信系统1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






1.1 通信系统1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 什么是通信– 通

• 没有阻碍，可以穿过，能够达到；懂得，彻底明了；传达；往来交接

– 信• 诚实，不欺骗；不怀疑，认为可靠；崇奉；消息；函件

– 通信就是把甲方的信息（消息）不失真的传送到乙方，使乙方明白甲方意图的过程• 传送• 不失真• 明白


几个基本概念1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 时（时间）• 频（频率）• 信号• 通信系统• 基带

– 基带通信系统：固定电话系统• 频带


典型的通信系统1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





发信息的一方

收信息的一方

信源信宿信道

信源信宿信道输入变换器

发送设备

接收设备

接收变换器

干扰源


典型的通信系统1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





信源信宿信道输入变换器

发送设备

接收设备

输出变换器

干扰源

信息来源。它可以是声音、图像、电码等电信息，也可以是温度、压力、光强、湿度等非电物理量

将信息变换成电信号，称为基带信号。当信源为非电物理量时，它是不可缺少的

对信号进行处理，把基带信号变换成适和于信道传输特性的信号。可包括振荡、放大、调制等电路

发送设备和接收设备中间的传输媒介，即信号传输的通道。大体分为有线信道和无线信道两大类

将信道传来的信号还原成发送端的基带信号。可包括滤波、放大、混频、解调等电路

将接收设备输出的电信号变换成原来形式的信息（如声音、图像等）。它可以是扬声器、显示器和打印设备等

工业干扰、天电干扰等一切干扰的集中形式


无线电广播发射机原理框图1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





高频振荡

高放或倍频

功放低放话筒

调幅


无线电广播接收机原理框图1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





电台选择

高频放大器混频器解调器

检波器中频

放大器(多级 )

音频放大器扬声器

AGC电路本机振荡器

通信电路原理

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二、通信系统中的调制与解调1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 为什么要调制 / 解调？– FDM 信号的多路传输

• 参考后续课程 “通信系统原理”– 天线与电磁波信号波长的有效配合

• 参考后续课程 “电磁场与电磁波” / “ 微波技术”

• 30 kHz 的信号波长约为 10 km ，天线长度要和波长可比拟


二、通信系统中的调制与解调1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






无线电波的传播方式1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 折射和反射– 利用电离层的折射、反射– 短波范围采用

• 绕射– 电波沿地球弯曲表面传播– 长波范围采用

• 直射– 电波在自由空间中做直线传播– 超短波和微波范围采用


实现调制与解调1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 考虑带有参数的正弦信号（高频）–

– 使用基带信号控制三个参数中的一个或者多个，就可以使该高频正弦信号携带信息，实现调制

• 接收端根据该高频正弦信号三个参数的变化规律，还原原始基带信号


实现调制与解调1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






三、通信系统模式1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 无线调幅发射机框图 [1] （图 1-2 p5 ）• 无线调幅接收机框图 [1] （图 1-3 p5 ）• 数字彩电接收机框图 [0] （图 1-4 p7 ）


三、通信系统模式1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






五、通信系统的主要特性1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 通信容量– 一个信道 ( 有线或无线 ) 可同时传送的独立已调信号

的路数• 与传输媒介有关（空间、电缆、光缆等）• 与通信方式有关（ AM, SSB, FM 等 )

• 信号失真度– 通信系统中接收到的信号不同于原信号的程度– 减小信号失真度的措施

• 合理的收、发设备的整体设计• 优选单元电路• 精调各电路的工作状态


五、通信系统的主要特性1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 传输距离– 与发射功率、效率和接收灵敏度有关– 与通信体制、方式有关– 与信道损耗、干扰和噪声的强度等有关

• 抗干扰、抗噪声能力– 合理的通信体制–优良的选频电路 , 调制和解调电路– 高质量和低噪声的元器件


1.2 通信系统中的基本信号1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 参考“信号与系统”课程– 电信号

• （能代表某种消息而）变化着的电压或者电流

• 噪声和干扰也是电信号– 电信号的表示方法

• 时域和频域• 傅里叶变换和傅里叶级数

–常用周期信号的波形和频谱


一、电信号1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 基本概念– 表示某种信息变化的电流 ( 电压 ) 信号，

称为电信号 ( 信号 )

• 基带信号– 原始电信号

• 已调信号– 高频、中频

• 干扰、噪声也是信号


信号的分类1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 规则信号 (确定的时间函数）– 周期信号：采用付氏级数的方法分析

• 时域 -周期性的时间函数• 频域 -离散频谱

– 非周期信号：采用付氏变换的方法• 时域 - 非周期性的时间函数• 频域 -连续频谱

• 非规则信号 ( 非确定的时间函数）– 热噪声等随机信号

• 采用随机过程、概率和统计方法分析• 时域：随机信号• 频域：（ AWGN ）均匀频谱且频率趋于无穷大


二、信号的表示方法1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





时域表达（波形）

频域表达（频谱）

实质是一样的通过傅里叶变换 /傅里叶级数联

系周期信号：傅里叶级数


信号的单边频谱和双边频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





单边频谱双边频谱


单频周期信号正弦信号 1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





时域波形表达f(t)=Asinω0t

频域频谱表达单边频谱

Matlab演示程序(Chapter1_2_sine_wave_fourier_transform)


非周期信号（连续谱）付氏变换1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






对称方波的合成与分解1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号







中的基本信号





Matlab演示程序(Chapter1_2_rect_wave_decomposition)



中的基本信号





• 结论– 合成和分解的各次谐波的幅度，随谐波频

率的上升而下降，故高次谐波项可以忽略。一般 9~11次谐波即可较好地合成方波

– 信号的时域波形与频域特性的内在关系分析• 高次谐波分量 : 主要决定方波前后沿的陡度• 低次谐波分量 : 主要决定方波平顶的平缓

度



中的基本信号





• 推广–任何一个周期信号均可合成与分解。例：

• 电子乐器：管乐以方波，弦乐以三角波为主 • 语音合成：清音 (噪声 ) ，浊音 (周期信号 )

• 进一步推广– 对任意信号的时域波形与频谱间的对应关

系，也有重要的借鉴作用


三、常用周期信号的波形与频谱 1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号







中的基本信号





Matlab演示程序(Chapter1_2_rect_wave_fourier_transform)



中的基本信号






频谱的概念1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 任何一个信号都有其时域表示和频域表示– 时域：波形图

• 表示信号的大小随时间的变化– 频域：频谱图

• 表示在整个时间范围内信号的变化情况（所包含的频率分量）

• 周期信号与非周期信号的频谱图– 周期信号的频谱图是离散的

• 傅里叶级数– 非周期信号的频谱图是连续的

• 傅里叶变换


频谱的概念1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 周期信号

• 非周期信号


连续谱的概念1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






带通滤波的概念1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





f

f

f

|F|

|F|

|F|

原信号

滤波器

通过滤波器后的信号


带阻滤波的概念1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





f

f

f

|F|

|F|

|F|

原信号

滤波器



低通滤波的概念1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





f

f

f

|F|

|F|

|F|

原信号

滤波器



高通滤波的概念1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





f

f

f

|F|

|F|

|F|

原信号

滤波器



1.3 调幅信号及其频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 受控的正弦波信号

v(t) =Vmcos(ω0t +φ0)

– AM --普通调幅（带载波双边带） [1]

– DSB--抑制载波双边带调幅 [1]

– SSB--单边带调幅 [2]

– VSB--残留边带调幅 [3]


一、普通调幅 AM

1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 单频信号调幅– 时域信号表达式


普通调幅 AM


中的基本信号






普通调幅 AM


中的基本信号





• 单频信号调幅– 频域信号表达式

– 频带宽度 B • 设计通信广播系统的重要指标

B =( f0 +F) - (f0 - F) =2F


普通调幅 AM


中的基本信号





Matlab演示程序(Chapter1_3_single_frequency_AM)

Matlab演示程序(Chapter1_3_single

_frequency_AM_demo

)


多频信号调幅1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 多频信号调幅


多频信号调幅1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号




1.6 多路通信及已调信号的比较 – 频带宽度 : B =( f0 +Fmax) - (f0 - Fmax)=2Fmax

– 调幅过程是一个频谱的线性搬移过程，故称为线性调幅Matlab演示程序(Chapter1_3_multiple_frequency_AM)

Matlab演示程序(Chapter1_3_multiple_frequency_AM_demo)


多路信号的频率分配1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 频分多路 – Frequency Division Multiplexing (FDM)

– 注意两电台间频谱的间隔，以防止频谱重叠


多路信号的频率分配1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 例– 中短波调幅广播电路规定

• Fmax = 4.5 kHz

–则频带宽度为• B = 2Fmax = 9 kHz


AM 的能量利用率1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 单频调幅时– mA =1 时 (百分之百调幅 )载波频谱的幅度是边带频谱的幅度的 2 倍 (令负载电阻为单位电阻 : 1)


AM 的能量利用率1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• mA=0.5 时 : 能量利用率为 11%左右• 为了提高能量利用率，可采用 DSB 方

式


二、抑制载波的双边带调幅 DSB


中的基本信号





• 乘法器平衡调幅（图 1-14 p18 ）• 平衡调幅波形频谱（图 1-15 p18 ）• 频带宽度与 AM相同• B = ( f0 +F) - (f0 -F) =2F


二、抑制载波的双边带调幅 DSB


中的基本信号





Matlab演示程序(Chapter1_3_single_frequency_DSB)

Matlab演示程序(Chapter1_3_multiple_frequency_DSB)


三、单边带调幅 SSB


中的基本信号





• 为节省频带，可只传送一个携带全部信息的边带（上边带或下边带）– 调制、解调电路比较复杂– SSB 波形频谱（图 1-16 p19 ） ( 滤波法 )

– 滤出 DSB 的上边带： vUSB=Vmcos(ω0 + Ω)t

– 滤出 DSB 的下边带： vLSB=Vmcos(ω0 - Ω)t


SSB 波形频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






四、残留边带调幅 VSB


中的基本信号





• 界于 AM 、 DSB 与 SSB之间• 可节省带宽和提高能量利用率• 易于实现• VSB 波形频谱（图 1-17 p19 ）


四、残留边带调幅 VSB


中的基本信号





• 例– 电视图象信号 Fmax= 6 MHz

• AM 、 DSB 方式： B = 12 MHz

• VSB 方式：图像 7.5 MHz +伴音 0.5 MHz = 8 MHz


1.4 调角信号及其频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





一、调频和调相信号


1.4 调角信号及其频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






FM 的波形与频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





Matlab演示程序(Chapter1_4_single_frequency_FM_demo)

Matlab演示程序(Chapter1_4_single_frequency_FM)


二、调角信号的频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 1. 调角信号的分解 – FM 与 PM 的表达式类似；单频调制；令 φ0= 0

– 调角信号的已调信号：



中的基本信号





• 已调信号中含有载频分量 cosω0t 和无穷多对边频分量 cos(ω0 ± nΩ)t

• 即 : 调角信号的频谱理论上无穷宽

• 由贝塞尔函数曲线 ( 图 1-19 p22)

• 简表 ( 表 1-5 p22)



中的基本信号







中的基本信号





• 载频和边频的振幅 VmJn(m) 与 m取值有关；• 边频次数 n↑, Jn(m)↓, 即边频分量的振幅↓ ；• 对于所有的 m , 当 n > m +1 时 , 均有 Jn(m) < 0.1 ( 功率 <0.01)


调角信号的频带宽度1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






调频信号的频谱示意图1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





Matlab演示程序(Chapter1_4_multiple_frequency_FM_demo)

Matlab演示程序(Chapter1_4_multiple_frequency_FM)


调频与调相的带宽比较1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






调角信号与调幅信号的比较1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 多频调制时 ( 以双频 F1 、 F2 调制为例 )

– FM 、 PM 的频谱• 除中心频率 f0 和边频 f0 ±n F1 、 f0 ±nF2之外 ,增加交叉调制分量 f0 ±pF1±qF2

• 故 FM 、 PM 称为非线性调制– AM( 及 DSB 、 SSB 、 VSB) 的频谱

• 中心频率 f0 和边频分量 f0 ±F1 、 f0 ±F2之外，无其它频率分量

• 故调幅称为线性调制• FM 、 PM 通过展宽频谱提高抗干扰性能


1.5 数字调制信号及其频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





一、振幅键控 (ASK) 信号及其频谱


ASK 信号频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号






二、频率监控（ FSK ）信号及其频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• ‘1’载频信号 f1 ，‘ 0’载频信号 f2 令： f1> f2


FSK 信号的频谱1.1 通信系统1.2 通信系统

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三、相位键控信号1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• PSK 信号 (绝对调相 )( 图 1-26 p26)

• 带宽与等幅 ASK相同


1.6 多路通信及已调波比较1.1 通信系统1.2 通信系统

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• 一、多路通信

– 频分多路通信 (FDM)

– 频分多址 (FDMA)

– 时分多址 (TDMA)

– 码分多址 (CDMA)

– 空分多址 (SDMA)

Matlab演示程序(Chapter1_6_FDM)


时分多址 TDMA


中的基本信号






码分多址 CDMA


中的基本信号






空分多址 SDMA


中的基本信号






二、已调信号比较1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 抗干扰性能比较– 一般情况 mF 的平均值 >mP( 固定值 ) ，则

FM 的抗干扰性能优于 PM

–因为 mF 、 mP >> mA ，所以 FM 、 PM的抗干扰性能优于 AM

– 数码调制抗干扰性能优于模拟调制• 可整形• 可进行纠错编码等


已调信号比较1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 频带宽度比较– FM 、 PM 的

频带宽度大于AM 。

– 数字脉冲调制频带宽度与调制信号脉冲

– 宽度成反比，且ASK 、 PSK优于 FSK


已调信号比较1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 设备的功率利用率比较

–若发射机的额定发射功率相同• PAM < PFM 、 PPM

–若要求 PAM = PFM 、 PPM

• AM需要较大额定发射功率

已调


小结1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 1.1 通信系统 [1]

–三个框图 , 及信号流通情况 ( 波形 , 频谱 )

• 1.2 通信系统中的基本信号 [2]

– 信号时域 ( 波形 ) 和频域 ( 频谱 ) 的两种表达方式

• 1.3 调幅信号及其频谱 [1]

– AM 、 DSB 、 SSB 的原理、表达式、波形和频谱


小结1.1 通信系统1.2 通信系统

中的基本信号





• 1.4 调角信号及其频谱 [1]

– FM 、 PM 的原理 , 表达式、波形和频谱• 1.5 脉冲调制信号及其频谱 [3]

– 了解 ASK 、 FSK 、 PSK

• 1.6 多路通信及已调波比较 [2]

– 理解 FDM ，调幅和调角已调波信号的比较

第一章 通信系统与信号

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