现代通信理论与技术Principles and Technologies of Modern Communication Systems主讲：熊淑华副教授四川大学电子信息学院 E-mail：xiongshscu.edu.cn目录第1章现代通信理论与技术概述第2章通信系统中的信号、信道和噪声第3章信源编码第4章加密编码第5章信道编码第6章多路复用与多址接入第7章数字信号的基带传输第8章数字信号的带通调制与解调第9章通信系统分析、设计和仿真2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全3第2章通信系统中的信号、信道和噪声(Chapter 2 Signals，Channel and Noise in communication Systems)（第一章信号与频谱）2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全42.1 通信系统中的信号 （Signals in communication Systems）2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全5收信机电/非电 变换解调 器 发信机调制 器非电/电 变换信息源 (发信者)信道信宿 (收信者)噪声源模拟通信的信号流程和信号处理过程通信系统中的信号流程和信号处理过程2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全6数 字 通 信 的 信 号 流 程 和 信 号 处 理 过 程数字信号的 载波传输调制器解调器信道噪声源扩频多址接入解扩多址分接RF发送RF接收基于比特流的数字信号处理信 息 源信源编码格 式 变 换数 据 压 缩加 密 编 码信 道 编 码数字基带信号脉冲 成 形多 路 复 用. .来自其它信源基于比特流的数字信号处理到其它信宿多 路 分 离. .信宿信源译码格 式 变 换数 据 解 压解 密 译 码信 道 译 码数字基带信号抽 样 判 决数字信号的 基带载输信道再生再生中继信道噪声源噪声源2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全7（1）常用数字通信术语：信息源（InformationSource）文本消息（TextualMessage）字符（Character）二进制数字（BinaryDigit）比特（bit）比特流（bit stream）码元（Symbol）数字波形（digitalwaveform）数据速率（data rate）（比特速率）码元速率（symbol rate）2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全8（2）信号的概念（the Concept of Signal）：广义地讲，信号是用声、光、电、磁或空 间位置等物理量记录与表现事物运动、变化和 状态信息的时间函数或空间函数。电信号、光信号、声信号、磁极化强度、 压强、机械运动的位移或速度。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全9（3）通信系统中信号的功用（The function of signals in communication systems）：任何通信，其目的都是要把信息借一定形 式的（电的或非电的）信号从一个地方传递到 另一个地方。在现代通信中信息的传递主要借助于电信 号和光信号，以实现任意通信距离上信息的迅 速及时、可靠而有效的传递。信息信号作为待传递信息的表现形式，是 运载信息的工具。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全10（4）通信信号的属性：电信号电信号：一般指随时间变化的电压或 电流，也可以是电容的电荷，线圈的磁通以及 空间的电磁波等等。非电信号非电 信号。电信号与非电信号可以比较方便地相互 转换。在实际应用中常常将各种物理量，如 声波动、光强度、磁极化强度、压强、机械 运动的位移或速度等非电信号转换成电信号 以利于传输，经传输后在接收端再将电信号 还原为人们所需要的信号形式。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全11音频（电）信号（音频（电）信号 （Audio signalAudio signal）：）：音频信号的频率范围：2020000Hz。 工程应用中的音频范围： 电话3003400Hz。 AM广播507000Hz。 FM立体声广播5015000Hz。 高保真立体声音频2020000Hz。视频（电）信号（视频（电）信 号（VideoVideo）：视频信号的频率范围06MHz。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全12基带信号（基带信号（Baseband signalBaseband signal）：）： 信源发出的消息经过非电电变换获得的 电信号通常具有低通型频谱，频谱从零频（直 流）附近开始（也可能包括零频）到几兆赫 兹，通常称为基带信号。例如音频信号和视频信号都是基带信号。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全13基带信号经过调制，其频谱将变换到某个 载波频率附近，这样的信号就是载波通信中常 用的带通信号，数学上可一般地描述为：带通信号（带通信号 （BandpassBandpasssignalsignal ）：）：)(cos)()(tttatsc+=c载波角频率； 2c cf=载频；)(ta带通信号的振幅、振幅调制分量；)(t带通信号的相位、相位调制分量。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全14)(ta)(t一般情况下它们都是时间的函数， 在消息的调制传输中往往就是用这两部 分来携带消息，表征了带通信号的振幅 调制分量和相位调制分量。窄带带通信号（窄带带通信号（Narrow Narrow bandpassbandpasssignalsignal）如果信号带宽远小于载波角频率，则该 带通信号称为窄带带通信号。通信系统中所 遇到的带通信号在大多数情况下都属于窄带 带通信号。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全15信息信号（信息信号 （InformationInformation-bearing signalbearing signal）：）：在通信系统中，一般将携带了待传递信息 的电信号称之为信息信号，它包括经非电/ 电 变换而得到的基带信息信号，也包括基带信号 经调制而得到的带通信息信号。信息信号作为待传递信息的表现形式，是 运载信息的工具。随机信号（随机信号（Random or stochastic signalRandom or stochastic signal）。）。非周期信号（非周期信号（NonNon- period signalperiod signal）。）。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全162.2 信号分析基础 (The Fundamentals of Signal Analysis)2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全172.2.1 信号的描述与分析方法（1）信号的时间函数和波形：s(t)、s(x,y,t)。（2）信号的频谱分析：S( f )或S（）、S（U,V,f）。=2f 。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全18（1）周期信号的傅里叶级数表示和离散频 谱。2.2.2 信号的频谱分析（Spectral Analysis of signals）() +=1=0)sin cos (21 00 nnnTtnbtnaats +=1=n0)cos(c 21 0 nntnc()=j 0 )( 0 ntn TTenSts2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全19（2）信号的傅里叶变换和频谱（Fourier transform and spectra）：信号的傅里叶正变换：-)(-=)( j +tdetsS t 傅里叶反变换：)(-21=)( j+deStst信号s(t)的傅立叶变换S()称为信号s(t) 的连续频谱密度函数，也常简称为频谱密度、 频谱函数或连续频谱。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全20（3）傅里叶变换的基本性质和常用信号 的傅里叶变换。信号的时间函数与频谱密度函数的关系信号的时间函数与频谱密度函数是一对 傅立叶变换对。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全212.2.3 信号的能量密度谱和功率密度谱（1）Energy spectral density ：（2）Power spectral density：2 )(=)(FE dEdF E=- - 2 )( 21)( 21=TFPTT2)( lim=)(（3）信号的带宽：信号的（正）频率范围称为信号的带宽。没有统一的带宽定义。Why?带宽严格受限信号其时间持续期是无限的， 因而不可实现；而持续时间有限的信号其绝对带宽又是无限 的，如果要无失真传输，则要求传带宽无限 宽，也是不可实现的。实信号的数学描述不可能既是持续时间有限又是频 率带宽有限，因此其数学模型是抽象的，也就因此 没有统一的带宽定义了。2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全2333-dB bandwidth or halfdB bandwidth or half-power bandwidthpower bandwidth：信号的能量密度谱或功率密度谱保持在其 零频（对于基带信号）或中心频率（对于带通 信号）的幅度值的0.707倍以内（即3dB内或半 功率点内）的频率区间。Equivalent rectangular bandwidthEquivalent rectangular bandwidth：)0(2-)( 21 =EdE B 对于基带信号,对于带通信号,)(2-)( 21 =0 EdE B 2009-10- 14现代通信理论与技术第2章通信系统中的信号与噪声四川大学电子信息学院杨万全24零点到零点带宽零点到零点带宽nullnull- toto-null bandwidthnull bandwidth：The width of main spectral lobeof main spectral lobe也称为主瓣带宽。只适于有波瓣形式的也 称为主瓣带宽。只适于有波瓣形式的谱密度的带宽定义。谱 密度的带宽定义。部分能量或功率保留带宽：部分 能量或功率保留带宽：Fractional energy or power containment bandwidthFractional energy or power containment bandwidth99%)95%( 90%=-)( 212 ，或EdFB B根据占总能量或功率的百分数，如90、95或99 等来定义信号的带宽。有界功率谱密度（bounded power spectral de