通信原理电子教案

问题讨论1:谈谈对通信的认识。如：你见到过或接触的与通信相关的内容有些

什么？列举一些通信的实例。

可以得出G通信的概念：克服距离上的障碍，交换和传递信息，将信息从发

送者传送到接收者的整个过程。

问题讨论2：通信原理应该解决通信过程中的哪些问题？你对什么技术最感兴趣?

你想要的通信方式是怎样的？

通信原理的授课内容:调制技术、模拟信号数字化技术;数字基带传输技术；

数字频带传输技术；复用技术与同步原理；差错控制技术等。

通信技术的发展：电报、无线电、电话、电视（模拟）、数字通信技术、计算机网

络、卫星通信、光纤通信等。

通信的基本知识：

1、消息：被传输的文字、符号、数据和语音、活动图片等，是信息的载体。

2、信号：指消息的电量形式，与消息是一一对应的。

基带信号：信源发出的未经调制的信号。

频带信号：经过调制具有较高频率的信号。

3、信息：是事物的状态及其随时间发生的变化反映。指消息中的有效内容，可

以用量化的形式来表示，它与消息出现的概率密切相关。

通信系统的组成及分类

通信系统的一般模型

1、信息源实际上是一个转换设备，它将消息转换成原始的电信号。可分为：模

拟信源和数字信源。

2、发送设备的基本功能是将信息源产生的消息信号转换成适合信道中传输的信

号，即完成信息源与信道的匹配功能。

模拟通信系统通过调制将信号进行频谱搬移，数字通信系统采用抽样编码、

扰码、调制等方式进行匹配。

3、信道是指传输信息的通道，即信号传输的媒介。可分为有线信道和无线信道。

4、接收设备主要完成发送设备的反变换功能，如解调、译码等。

接收设备是从带有干扰的接收信号中正确分离出相应的原始电信号，因而接

收设备的质量将直接决定通信的质量。

5、收信者也叫信宿，它将原始的电信号恢复成相应的消息。

调制及调制的目的

1、模拟通信系统发送设备的核心是调制器。

原始信号大都属于基带信号范畴,如话音信号:300~3400Hz,图像信号0~6MHz。

这些信号不适合在信道中直接传输，要经过调制。

2、调制：发送设备的核心是调制器，就是用基带信号m⑴去控制载波c(t)的某

个参数，使这个参数随调制信号m(t)的规律成比例变化。

3、调制的目的

提高信号频率以便天线辐射

改变信号占用带宽

实现信道复用

改善系统性能

模拟通信系统模型

数字基带通信模型

基带

数

信号

字接收信

形

成

信滤波

信道

器

源器宿

噪声源

数字通信系统模型

白

In

瓣翩崩源

数字系统编码

信源编码和信道编码

信源编码：实现模拟信号数字化，数据压缩等

信道编码：使数字信号与信道传输匹配；实现保密通信及差错控制等。

数字通信系统的主要优缺点

1、更好的抗失真和干扰的能力

2、容易实现，成本低，更具灵活性

3、差错控制编码

4、容易实现保密通信

5、更适合数字业务，容易实现多网合一

缺点：

数字信号具有更宽的频带

同步设备复杂

第二讲绪论［键入文字］

通信系统的分类

按照通信的业务和用途

常规通信、控制通信

按照调制方式

基带通信、调制通信

按照传输信号特征

模拟通信、数字通信

按照传输信号的复用方式

频分复用、时分复用、码分复用

按照通信方式

单工通信、半双工通信、全双工通信

按照传输媒介

有线通信（明线、对称电缆、同轴电缆）

无线通信（微波中继通信.、卫星通信、移动通信）

按照工作波长

长波通信、中波通信、短波通信、微波通信

通信系统的常用信道

有线信道：同轴电缆、光纤等

无线信道：微波通信

通信系统的性能度量

有效性、可靠性、标准性、经济性、适应性、保密性等。有效性与可靠性是

主要指标。有效性是指在给定信道和时间内传输信息的多少。可靠性是通信系统

传输信息质量上的象征，指的是接收信息的准确程度。

模拟通信中，有效性与可靠性由传输带宽和信噪比保证。

数字通信中，有效性与可靠性由传输速率和误码率、误比特率保证。

数字通信的传输速率

码元：携带消息的信号单元，通常是多元数码，也可以是二元数码。

码元传输速率Rs：单位时间内传输的码元个数，单位为波特（Baud）。

信息传输速率Rb：单位时间内传输的信息量（或者是比特数），单位是比特/

第二讲绪论［键入文字］

秒,bit/s,bps。

1个N进制码元，用二元码表示应有多少比特（bit）?

Rb=Rs.log2Nbit/s

例1-1：已知某八进制数字传输系统，发送端在3秒钟内共发送9600个码元。计

算该系统的码元传输速率和信息传输速率。

误码率Pb与误比特率Pe

p_接收端收到错误的码元个数F-接收端收到错误的比特数

”-传输总的码元个数-1-传输总的比特数

误码率Pb与误比特率Pe的关系：当二元码传输时，两者相等，其它情况下

旦=产一，其中N为进制数。

h2（N-1）

例1-2:已知某四进制数字传输系统，其信息传输速率为2400bit/s,接收端在一

小时内共接收到216个错误码元，计算该系统的误码率和误比特率。

频带利用率不单位频带内的码元传输速率，单位为波特/赫兹（Baud/Hz）,

显然系统的频带利用率越高，则系统的有效性越好。

例1-3:在强噪声干扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确的比特数为

355Mbit,假设系统的信息速率为1200KbpSo

（1）系统的误比特率。

（2）若具体指出系统所传输的数字信号为四进制，试求信息传输速率和码

元传输速率。

第三讲杏农定理［键入文字］

信息量和嫡

信息量：信息多少的量度。1928年R.V.L.哈特莱首先提出信息定量化的初步

设想，他将消息数的对数定义为信息量。

信源燧:信源各个离散消息的信息量的数学期望（即概率加权的统计平均值）

信源嫡的单位是Bit/sign=

哈特莱信息度量关系

/=log〃-y—=-l°g«〃（%）

〃（1）

若以2为底时单位是“比特”（bit）

若以e为底时单位是“奈特”（nat）

若以10为底时单位是“哈特”（Hart）

例2-1:已知某离散信源由A、B、C、D四个符号组成，其发送概率分别为

符号ABCD

概率1/41/81/21/8

若每个符号的出现都是统计独立的。求传送“BABCCDBDCBBAAB”所包含的信息

量。

离散信源的嫡

离散信源的嫡即指离散信源的平均信息量。

W（X）=-^p（x;）log2p（xj

/=l

例2-2：求上例离散信源的嫡。

第三讲杏农定理［键入文字］

最大离散嫡定理

当且仅当各消息出现概率相等时，”(X)=log2〃？

信道容量

指信道在无差错传输信息时的最大信息传输速率。它反映了信道的传输能力。

香农定理

q

C=Blog2(l+^),C:信道容量(bit/s)B：传输带宽S/N：信噪比

香农公式的重要结论

1、当信道的传输带宽一定时，接收端的信噪比越大，其系统的信道容量越

大。当噪声功率趋近0时，信道容量趋近无穷。

2、当接收端的信噪比一定时，信道的传输带宽越大，其系统的信道容量也

越大。当信道带宽趋于无穷时，信道容量并不趋于无穷，而是趋于一个固定值。

limC=limBlog,(l+—)=limSlog,(l+-^-)=—lim^^-log,(l+-^-)=—log,e=1.44—

2

BT8B*NbtsanaBn0Sn0Bn0n0

3、当信道容量一定时，信道带宽与信噪比可以互换。比如，可以通过增加系统

的传输带宽来降低接收机对信噪比的要求，即以牺牲系统的有效性来换取系统的

可靠性，这也正是扩频通信的理论基础。

例2-3：例：已知彩色电视图像由500000个像素组成，设每个像素有64种彩色

度,每种彩色度有16个亮度等级。如果所有彩色度和亮度等级的组合机会均等，

并统计独立。

计算：

1)每秒传送100个画面所需的信道容量。

2)若接收机的信噪比为30dB,则所需的传输带宽为多少。

第三讲杏农定理［键入文字］

例.如果一个由字母ABCD组成的字，将每个字母用两位二进制脉冲编码,

其中00代表A,01代表B,10代表C,11代表D,每位宽度为5ms。

（1）当不同的字母等概出现时，计算传输的平均信息速率。

（2）若每个字母出现的概率分别为PA=l/5,PB=l/4,PC=l/4,PD=3/10,计算传

输的信息速率。

例.在强噪声干扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确的比特数为

355Mbit,假设系统的信息速率为1200KbpSo

（1）系统的误比特率。

（2）若具体指出系统所传输的数字信号为四进制，试求信息传输速率和码

元传输速率。

例.某信息源包含XYZW四个符号，这四个符号出现的概率相等，传输时采

用二进制进行，已知信息传输速率为1Mbps。

（1）码元传输速率

（2）该信息源工作一小时后发出的信息量

第四讲复习与作业评讲［键入文字］

第五讲模拟调制技术（AM和DSB）［键入文字］

调制的概念

用基带信号（调制信号）去控制载波的某一个参数，使这个参数随调制信号的

规律成比例的变化。经过调制以后的信号称为已调信号。

__________已谓信号

调制信号.调制器—，

管息信号”

基带信号

笠酸信号

调制的目的及功能

1、利于信号辐射：通过调制技术将低通型的信息信号的频谱搬移到较高的

频率上，从而进行有效的辐射。

2、实现信道复用和频率分配：

调制可以实现多个信号在同一个信道中同时传输，以提高信道频带的利用率。

3、提高抗干扰性：

信息传输系统抗干扰的能力是衡量系统性能优劣的个重要标准，选择合适

的调制方式，可以改进系统的抗干扰能力。

调制的分类

1.按调制信号不同来划分：

①模拟调制：调制信号是连续变化的模拟量。

②数字调制：调制信号是离散的数字量

2.按载波信号不同划分：

①连续波调制：载波信号是连续波形。

②脉冲调制：载波信号是脉冲波形。

3.按调制实现的功能不同来划分：

①幅度调制：载波信号的幅度随调制信号线性变化的调制。

②频率调制：载波信号的频率随调制信号线性变化的调制。

③相位调制：载波信号的相位随调制信号线性变化的调制。

4.按调制器的传输函数来划分：

①线性调制：已调信号的频谱与输入调制信号的频谱之间是线性搬移

②非线性调制：已调信号频谱与输入调制信号的频谱之间是非线性搬移

第五讲模拟调制技术(AM和DSB)[键入文字]

幅度调制(连续波模拟调制)，它属于线性调制。

模拟调制的分类

(AM

幅度调制既

模拟调制VVR

V0D

角度调制I™

[PM

常规双边带调幅(AM)

-、调幅信号的时间表示及产生

如果输出已调信号的幅度与输入调制信号是线性对应关系，或者说载波的幅

度在平均值处随调制信号线性变化，且载波是单频余弦信号时.，就称为常规双边

带调幅(标准调幅)。

$八"⑺="⑴+A)]COS0/

AM调制器模型

从时间波形上可以看出，要使AM信号的波形与输入信号成比例变化，应该

满足：A)^|/(OL

这时已调信号的包络与调制信号成线性关系，如果不满足这个条件，则将出

现过调制现象，已调波就会出现失真。

第五讲模拟调制技术（AM和DSB）［键入文字］

过调制

如果A0不够大，已调信号的包络不一定与f（t）成正比，这样无法采用包络检

波的方法检出其包络，无法无失真地恢复消息信号f（t）。此时已调信号的包络与

调制信号之间已无线性的对应关系，包络与调制信号相比，出现了严重的失真,

通常称这种现象为过调制。

二、AM信号的频谱

SAM⑺=[4+/（，）]cos/

■AM（0）=万4）瞬（0+々）+6（0_4）］+；［/（0+4）+/（0_利）］

必必=2叱“，已调信号的带宽是基带信号带宽的两倍。

由于已调信号的频谱只是把基带信号的频谱搬移到了±4处,而没有产生新

的频谱成分，因此标准调幅属于线性调制。

第五讲模拟调制技术(AM和DSB)［键入文字］

~fc。fcf

(C)调制载波时域波形及其频谱

(d)AM调幅信号时域波形及其频

谱结构

单频调制

/(f)=A,"cos%f

s(t)=(4+A,“cos<y„/)cos6>/=4(1+cosa)t)cosa)t

AMA)mc

=4(1+PAMCOSCOSgt

其中4M为调制指数户AM«1不会产生过调制

'产生过调制

第五讲模拟调制技术（AM和DSB）【键入文字］

G）单频调制信号的时域波形及其原谱结构

COT

lOKHz

%=1

第五讲模拟调制技术（AM和DSB）［键入文字］

常规双边带调幅的特点

已调信号的包络与调制信号成线性关系（正比）。

已调信号的频谱中，在载波处有两个冲激，但不携带调制信号信息，且需要

消耗大量功率。

已调信号频谱中具有两个上下对称的边带分量，所以已调信号的传输带宽是

调制信号带宽的两倍。

抑制载波双边带调幅（DSB-SC）

双边带调制的时间表示式SDSBQ）=f⑴cosg.t

.XvV^DSB■O

Icosd）cf

已调信号的频谱为

SDSB（。）=I■［尸（/+以.）+尸（0一色.）］

BDSB=2匕

双边带调制信号的频谱是基带信号的线性搬移，它也是线性调制

第五讲模拟调制技术(AM和DSB)［键入文字］

DSB的特点

已调信号的包络与调制信号不再呈线性关系，已调信号中无直流功率。

已调信号频谱中具有两个上下对称的边带。

已调信号的带宽是调制信号带宽的两倍。

魏以反和点

(c)DSR已调信号波形及其频谱结

第六讲模拟调制技术(SSB)［键入文字］

调制效率

AM调幅信号的功率分配

PAM=s；,”(f)=H4+/Q)]cos0j}2=#4+/Q)]2

11fT/21fT/2、

=—宙0+—limf24"«劝+—limf产6dt

2"27->8J-r/2072TibJ-r/2J

通常/•«)是不含直流的交流分量，上式第二项应为零

O

11-^—

•••巴,"=5否7+p(，)="与

AM调幅调制效率：已调信号的平均功率是由载波功率和边带功率两部分组

成，由于只有边带功率才与调制信号有关，因此定义边带功率(P/)与总功率(Pc+P/)

之比为调制效率。

Pf=#⑺而

PAMAL+1否+/2(f)

22

f(t)=A„cos%，n/2⑺=3

对于单频信号:

BAM

HAM

2第+片2+限

对于单频信号刚好发生过调制的临界状态时，即调幅指数(6AM)为1时，调

制效率最大，这时，调制效率为1/3。

在各种调制信号中，调制效率最大的是方波调制信号，调制效率可达到1/2。

由此可以看出在标准调幅信号中载波分量不携带信息，且占据了大部分功率,

而真正携带信息的边带分量却只占据小部分功率。标准调幅的调制效率较低，是

一个重大缺点。

DSB的调制效率:

=S短⑺=^^=与，：Pc=°，PDSB=P,，：EDSB=1°0%

单边带调幅(SSB)

由于双边带信号的上下边带是完全相同的，它们所携带的信息相同，完全可

第六讲模拟调制技术(SSB)［键入文字］

以用一个边带来传输全部信息，这种调制方式除了节省载波功率，可以节省一半

传输频带。

单边带调幅(SSB)原理框图:

SDSB⑺

m(?)MXA%®)ASSSB(/)

COS(Dc/

滤波器特性

AH(o)

1

-CDz0①cco

八H(。)

截止角频率

〃(叫

/v\A①

一①H0①H

Sm(①)▲

上边女边带下边带/、;7边带

----/V、—①

一①c0①C►

上边带频谱A

八

一①c0

下边带频谱4

0

第六讲模拟调制技术(SSB)［键入文字］

滤波法形成SSB信号的主要缺点：要求滤波器的特性十分接近理想特性，即

在&处应具有锐截止特性。

一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边

带之间的间隔很窄，这就要求单边带滤波器具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制

无用的另一个边带。

实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带(图3-11,理想滤波器过渡带为0),

这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。为此，在工程中往往采用

多级调制滤波的方法。

多级调制法实现单边带调制：先在低载频处产生单边带信号，然后通过多级

变频搬移到更高的载频处。

m(f)----------------------""i----------------------►用®)-----►SSSB。)

C0S®c|ZCOSCDc2r

多级调制中的归一-化过渡带值n

1工,其中力为滤波器的过渡带宽，为载波频率

JC

第六讲模拟调制技术(SSB)［键入文字］

设模拟调制信号的频带范围为(fL,fH),滤波器的归一化过渡带值为n,采用

单边带调制后第-一级载频为fcl,。。第n级为fen,其中易知过渡带值最大允许值为

2fLo

2

/(1=—=-=-Ax2=—=—=(-)A九=(2)”.

〃〃77,nnn,〃

例1：某单边带调制要求载频为100MHz,调制信号频带为300~3000Hz,采

用三级调制实现.

例2:已知话音信号频率范围为(300,3400)H乙现在要求用滤波法将其调

制到40MHz的载波频段上，滤波器的归一化过滤带值为0.01,试给出调制方案。

相移法产生单边带信号

设单频调制信号：X")=4coscomt

载波信号：'(/)=85口/

S“SB⑺=4“COS4JCOS%f

=14cosQ+%)f+；4cos(4—cojt

SUSB(0=7A„cos(<yc+gAmcoscomtcoscoct-：Amsincomtsincoct

第六讲模拟调制技术(SSB)［键入文字］

SLSB⑺=gA,“cos（（yc-4）f=g4,coscomtcoscoj+1A,“sincomtsin（oct

希尔伯特变换：

上式中Amsincomt可以看作是Amcosa)mt相移-4/2，而幅度大小保持不变的结果。

把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为“人”。则有4“c6s综f=A“sin*,上

式可以改写为

SUSB。）=g4,cos（端+必»=：A”,coscosa）ct-1Amsincomtsincoct

1414

=-A„cos3mtcosa）ct--Amcos（omtsin①J

A

SLSB«)=14cos①，“coscoct+1A„,c0scomtsin3ct

任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。因此,把上述表述方法运用

到任一调制基带信号，可用n个余弦信号之和来表示，即x(t)=/co网-

/=1

就可以得到调制信号为任意信号的SSB信号的时域表示式：

SSSBQ)=gx")cos①"士gf")sin<yj,式中，“一”号表示上边带，"+"号表示下

边带。移相法实现单边带调制如下图：

单边带调制系统的特点

已调信号中无载波分量；

已调信号频谱中只有一个边带分量；

已调信号的带宽与调制信号带宽相等；

采用滤波法实现单边带调制时，滤波器的设计难度大;

采用移相法实现时其移相网络的设计难度较大。

第七讲模拟调制技术（线性调制的解调）［键入文字］

幅度调制信号的非相干解调一包络检波器

SSM(')

工作原理：假设检波二极管是理想的，即在正向导通时阻抗为零，反向截止

时阻抗为无限大，信号源内阻为当输入信号电压为正半周期时，电容充电，

充电时间常数为&C，它应远远小于载波周期几=1/人，即这种条

件下，电容很快充电到信号的峰值电压；当信号负半周期时，二极管截止，电容

通过电阻放电，要求常数R,C很大，即使电容很快又开始充电，迅

速达到信号峰值电压处，这样就得到锯齿电压波形，它非常接近于输入信号得包

络，经过低通滤波和隔直流后，便可获得/⑺完成解调。

由于只有AM信号的包络与调制信号呈线性对应关系，因此包络检波器只适

用于AM信号的解调。

幅度调制信号的相干解调

在接收端，将已调信号与本地载波相乘（同步检测），并通过低通滤波器，恢

复出调制信号，叫相干解调（同步检波）。

第七讲模拟调制技术（线性调制的解调）［键入文字］

%⑺

LPF

cos叫

相干解调模型

对于AM信号

AM(t)=[A0+f(t)]cOSG)ct

/、r，”xJ+cos2cot

sP(0=IA)+/Q)]----2一

经低通和隔直流后得s。⑺=/⑺/2

对于DSB信号

(、r/\21+COS2刃/r/\

S*)=/(f)cos-(OJ=-----~-f(t)

对于SSB信号

SSSBQ)=/Q)cos3ct±/(/)sincoct

2人

s〃(r)=/(r)coscoct±/(z)sina)ctcoscoct

=匕等%/⑴±型含,⑴

%(，)=与

结论：

只要本地参考载波与收到信号载波完全同步（同频，同相），就可无失真地恢

复出信息信号。

例1：已知线性调制信号表达式为⑴coscos。/⑵（1+0.5sin6）cos。/,

式中@=6Q,。试分别画出它们的波形图和频谱图。

第七讲模拟调制技术（线性调制的解调）［键入文字］

例2：已知某已调信号的表达式为s（t）=（0.5+sin4;rxl03f）cos6%xl06f

（1）请说明该系统的调制方式，并画出调制原理框图

（2）画出已调信号的频谱结构

（3）设计一个解调器对该信号进行解调

例3：已知某模拟信号频率范围为（500,4200Hz）,如果采用单边带方式调制到

80MHZ的载波上，假设滤波器的归一化过度带宽为0.01,请给出调制方案。

例4：设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度p（/）=O.5xl（）3w/HZ,若采

用DSB方式传送，载波频率为100KHZ,调制信号带宽为5KHZ,已调信号功

率为10KW,传输损耗为10dB,接收端进行解调前，先通过一个理想带通滤波器。

（1）该理想带通滤波器应该具有怎样的传输特性

（2）该系统的信道容量

第八讲模拟调制技术(角度调制)［键入文字］

使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方

式，称为频率调制(FM)和相位调制(PM),分别简称为调频和调相。因为频率

或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。

角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移,

而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线

性调制。

由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的

关系，即调频必调相，调相必调频。

角度调制的基本概念

角度调制信号的表达式S")=Ac°s［例f+例)

瞬时相位⑴

瞬时角频率dt

瞬时相位偏移叭n

d(p(t)

瞬时角频率偏移dt

相位调制，是指瞬时相位偏移随调制信号f⑴而线性变化。

⑴,其中即“为相位灵敏度系数。

SPM⑺=Acos.+kp,/⑴】

频率调制，是指瞬时频率偏移随调制信号f(t)而线性变化。

呼=女./。)，其中⑥为频率灵敏度系数。

dt

(p(t)=£kFMf(T)dr=*

t

SFM(t)=Acos［act+kFM

-00

单音调频信号

调制信号/⑺=4"cos织J

第八讲模拟调制技术(角度调制)［键入文字］

已调信号5次=Acos［。/+七*J/Q）力］=Acos［©/+/FMsin%〃

A

FMF

其中电”为调频指数

瞬时角频率口⑴=Q+KFMA,“COS(omt=a)c+pFMcomcoscomt

瞬时角频偏A"')=BFM3mcoscomt

最大瞬时角频偏八电训=%8m

瞬时相位"J+BFMsina)mt

瞬时相偏久‘)=外2亩”，

最大瞬时相偏""

单音调相信号

调制信号“)=4c°s*

已调信号5PM⑺=Acos［卯+勺/⑺］=Acos［(oct+KPMAmcos6yl

其中，BPM=KPMA”,为调相指数

瞬时相位3ct+PPMCOS@3

瞬时相偏"⑺=降COS6y

最大瞬时相偏△为”=夕?“

瞬时角频率@一瓦应sin(Dmt

瞬时角频偏八①⑺=一瓦M/sin

最大瞬时角频偏“=为

调相与调频的比较

在相位调制中，载波相位随着调制信号线性地变化，而频率调制中，载波频

率随着调制信号线性地变化。

若将调制信号先积分，再对载波进行相位调制，即可得到频率调制信号；反

之，如果对调制信号先微分后再对载波进行频率调制，就得到相位调制信号。

第八讲模拟调制技术(角度调制)［键入文字］

仅从已调信号的波形是无法区分二者的关系。

AM

FM(c)单频调幅信号波形

WWWWWWV

(d)单频调频信号波形

PM

>WV\AA/MWW\P

(e)单频调相信号波形

窄带调频与宽带调频

当最大相位偏移及相应的最大频率偏移较小时，即一般认为满足

<<看(或0.5),时，信号占据带宽窄，属于窄带调频(NBFM)。

反之，是宽带调频(WBFM)。

调频信号的产生与解调

直接法和间接法

(1)直接法。直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制

信号的规律线性变化。振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器(VCO)。

每个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电

压，

a)j(t)=u)0+Kfm(t)

若用调制信号作控制信号，就能产生FM波。

第八讲模拟调制技术（角度调制）[键入文字]

直接法的主要优点：在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。缺点

是频率稳定度不高，往往需要附加稳频电路来稳定中心频率。

（2）间接法（倍频法）。间接法是先对调制信号积分后对载波进行相位调制,

从而产生窄带调频信号（NBFM）。然后，利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信

号（WBFM）。

调频信号的解调

非相干解调

当输入调频信号为加⑺=小制如+即

埒1（'）=+4门⑴]sin[<y（/+^.£

这是一个幅度、频率均含调制信息的调幅调频信号，用包络检波器将其幅

度变化取出，并滤去直流后可得调制信号。

相干解调

(r)=Acosa)ct-[A^kff(T)dT]sinwj

设窄带调频信号为，近似有NBFM

相干载波C（'）=_sinwj

则相乘器的输出为

A

sFM(r)(-singt)=-ysin2wct+f⑺dr](l-cos2wct)

5Ir-x>

A

则输出为2

模拟调制系统的性能比较

第八讲模拟调制技术（角度调制）［键入文字］

调制方传输带宽设备复杂度主要应用

式

AM较小：调制器简单，解调器中短波无线电广播

23m

采用包络检波，也很简单

DSB-SC中等：调制器简单，但要同点对点的专用通信；

时传送DSB小导频信号，解低带宽信号的多路

调器要采用相干解调，需要复用

同步信号

SSBBf⑴较大：调制器较复杂，涉及短波无线电广播；话

高性能的滤波或者移相，解音通信，话音频分多

调器采用相干解调，需要同路通信

步信号

FM中等：调制器较复杂，解调微波中继、超短波小

2（。FM+1）%«）

器简单功率电台（窄带）；

卫星通信、调频立体

声广播（宽带）

第九讲模拟信号数字化(抽样)［键入文字］

数字化目的：

使模拟信号能在数字信道中传输

数字化方法

抽样：信号自变量的离散化

量化：信号幅值的离散化

编码：将离散化的信号变成数字信号

抽样过程

理论上：抽样过程=周期冲激序列X模拟信号

实际上：抽样过程=周期性窄脉冲X模拟信号

低通模拟信号的抽样

低通抽样定理

设一个带宽有限模拟信号f(t)的最高频率为九，若抽样频率/S>2/H,则

可以由其抽样信号序列fk(t)无失真地恢复原始信号f(t)o

说明

设信号f(t)的频谱为F(f)o

若F(/H)=O,则/S>2/H;

若F(/H)W0，则fs>2/H。

奈奎斯特频率£=2九称为奈奎斯特频率。

抽样过程的时域描述

设刖为模拟低通信号，6r(t)为周期性抽样冲激序列，为⑺=£>(/-“T)

-00

7为抽样周期，抽样过程可描述为

8

=/(f)Z河-〃T)

-00

-00

抽样过程的频域描述

设f(t)的频谱密度为FW),以及可⑺3心3)=把

第九讲模拟信号数字化（抽样）［键入文字］

工（0）=；［尸（0）*斗（0）］

2万

J8

=—/（0）*Zb（0-〃4）

，L〃=7_

］3

=-E/（。一”七）

/n=-<o

抽样过程的波形和频谱

按抽样定理，已抽样信号的频谱就是将低通信号的频谱延f的正负方向以fs

为周期进行重复。

频谱混叠

.s|

---------------------------------0

&rS|

居S

为什么会频谱混叠？抽样频率fs<2fHo

带通模拟信号的抽样

带通信号：设信号频谱的高端截止频率为加，低端截止频率为人带宽Bo

对带通信号进行抽样时是否仍可以用低通信信号抽样定理？

设带通模拟信号f（t）的高端截止频率为九，低端截止频率为A,则抽样频率

为£之2.1+£|,时，则可以由抽样信号序列fk（t）无失真地恢复原始信号f（t）o

式中，B=/H-/L»fH/B=n+k,n为不超过九/8的最大整数，04k<1。

已抽样带通信号的频谱，是分别将抽样信号f（t）的频谱（正负方向的两部分）每隔

fs周期性地重复。

例4-1:已知话音信号的频率范围为300~3400Hz,若将该话音信号进行数字化传

输，求不失真的最低抽样频率。

第九讲模拟信号数字化（抽样）［键入文字］

第十讲模拟信号数字化(量化)［键入文字］

实际抽样过程:自然抽样

T内麻片幅度总而干幡度而依

(C)自然抽样信号及其频谱结构

实际抽样过程:平顶抽样

=AAAAA..

0

(a)抽样信号及其频谱结构

(c)平顶抽样及其频讲结构

第十讲模拟信号数字化(量化)［键入文字］

抽样信号的量化

量化的目的：将抽样信号数字化。

量化的方法：

将抽样值用n位二进制码元表示,则只能表示L=2n个不同的抽样值。

共有L个离散电平，它们称为量化电平。用这L个量化电平表示连续抽样值的方

法称为量化。

量化有均匀量化和非均匀量化两种。

均匀量化

设：模拟抽样信号的取值范围：a〜b，量化电平数=L

则均匀量化时的量化间隔为：Av=Si)/L

量化区间的端点为：+

量化误差(噪声)=1量化输出电平-量化前信号的抽样值|

信号量噪比=信号功率与量化噪声之比(简称信号量噪比)

均匀量化的量化噪声

设量化器的量化范围为(-V,W),量化电平数为L,当输入信号不过载时，

V2

有量化噪声为

对于单频正弦信号S(f)=A,“cos(@f+9),经过抽样以后进行均匀量化，则可

以计算出量化器的输出信噪比为2===士冬L2O

N%2［v}

令人会则有231J。*,

两边取对数有

SNRJO吟=101g(3£>2巧

»4.77+201gD+6.02/2

1

当A,“=V,D时,这时对应量化器满载时正弦波的最大信噪比

第十讲模拟信号数字化(量化)［键入文字］

SNRM=1.76+6.02〃

均匀量化存在的问题

1、当输入大信号时所产生的量化信噪比高，而当输入小信号时所产生的信

号噪比低，不利于小信号的量化编码。

2、较宽动态范围的量化器需要较高的编码效率,将会导致信号带宽的增加。

因此，均匀量化主要用于统计特性分布均匀的信号，对于小信号出现概率大

的信号不适宜。

例4-2:

例4-3:

非均匀量化

非均匀量化的目的：

增加小信号时的信号量化信噪比，同时尽可能减少量化器的分层数。

非均匀量的基本思路

对幅度比较小的信号，采用较小的量化间隔；对幅度较大的信号，则采用较

大的量化间隔。

非均匀量化的方法

先对信号作非线性变换(用一个非线性电路将输入电压x变换成输出电压

y=f(x)),然后进行均匀量化；

「.........................1

压缩器和扩张器

第十讲模拟信号数字化（量化）［键入文字］

压缩器是对小信号进行放大，对大信号进行压缩。而扩张器是对小信号进行

压缩，对大信号进行放大。

压缩器特性是小信号时斜率大于1,大信号时斜率小于1（见下页图）。如果

将纵坐标均匀分级，由于压缩的原因，结果反映到输入信号就成了非均匀量化。

因此对经过压缩器处理后的信号进行均匀量化，就等效为对抽样信号进行非

均匀量化。A律压缩特性曲线如下图：

1+lnA

尸

1+lnAx1

------------<X<1

11+lnAA

压缩器输出信号的幅值

x=压缩器输入信号的幅值y~

压缩器输出信号的最大幅值

压缩系数A的性质，A=1时无压缩，A越大压缩效果越明显，国际标

准取A=87.6。

13折线压缩特性一A律的近似

图中x在。〜1区间中分为不均匀的8段。1/2至1间的线段称为第8段；

1/4至1/2间称为第7段；1/8至1/4间称为第6段；依此类推，直到。至1/128

间的线段称为第1段。

纵坐标y则均匀地划分作8段。将这8段相应的座标点（x,y）相连，就得到了

第十讲模拟信号数字化（量化）［键入文字］

一条折线。

除第1和2段外，其他各段折线的斜率都不相同：

折线段号：12345678

斜率:16168421%%

对交流信号，正负第1和2段斜率相同，故共有13段折线。

13折线特性曲线

〃率压缩

ln(l+

0<x<1

ln(l+〃)

N=0时无压缩，“越大压缩效果越明显，国际标准取〃=255

13折线法和15折线法比较

比较13折线特性和15折线特性的第一段斜率可知，15折线特性第一段的斜率

（255/8）大约是13折线特性第一段斜率（16）的两倍。所以，15折线特性给

出的小信号的信号量噪比约是13折线特性的两倍。但是，对于大信号而言，15

折线特性给出的信号量噪比要比13折线特性时稍差。在A律中入值等于87.6；

但是在〃律中，相当人值等于94.18。A值越大，在大电压段曲线的斜率越小，

即信号量化信噪比越差。

第十讲模拟信号数字化（量化）［键入文字］

第十一讲模拟信号数字化（编码）［键入文字］

编码：脉冲调制：PAM,PDM,PPM

PCM脉冲编码调制：利用一组二进制数字码来代替连续信号的抽样值，是一

种典型的语音信号数字化的波形编码方式。

PCM编码器

PCM解码器

PCM的码型选择：主要有自然二进制码、折叠二进制码和格雷码。

量化电平序号I折叠二进制码I自然二进制码格雷二进制图

1l111111loo0

151l10111OloO1

14111O1lc11

131loj

011OOl10

1U21lo-o

1oi11O11l-o0