建筑通信及网络技术-2

2通信与通信网技术基础2.1信号2.2信号的调制2.3通信系统概述2.4信道2.5物理层接口2.6通信网络概念2.7网络的分层结构体系本章重点：概念2.1信号2.1.1通信与电通信2.1.2数据与信号2.1.3信号强度的分贝度量（重点）2.1.4信号的频谱2.1.5噪声与信噪比2.1信号本节学习要求1了解通信的概念2了解数据与信号的概念3掌握信号强度的分贝度量（重点）4了解信号的频谱的概念5了解噪声与信噪比的概念2.1信号通信：互通消息。消息：事物的原始表达，其有效内容为信息。电通信：采用电磁波作为消息的载体的通信方式，简称电信。2.1信号2.1.1通信与电通信1.数据承载消息的实体，如数字、字母、符号等。适合传输、分析和处理。2.信号数据的电磁表达形式。模拟信号：幅值连续，时间可连续，也可离散。数字信号：时间上离散，幅值也离散。2.1信号2.1.2数据与信号分贝：用对数表示信号电磁参量的相对大小。电平：用分贝表示的信号强度。1.分贝的定义0lg10PPSP其中，SP—信号的功率电平，dB；P—被测点的实际信号功率，W。P0—选定的功率参考值，W。SU—信号的电压电平，dB；U—被测点的实际信号电压，V。U0—选定的电压参考值，V。0202lg20lg10UUUUSU2.1信号2.1.3信号强度的分贝度量2.参考值的选取信号电平的大小取决于参考值的选取。以1μV为基准的分贝值记作dBμV，即20lg(U/1μV)。例如：信号电压为1V，其电平为:20lg(1×106μV/1μV)=120dBμV3.数量关系电压加倍：ΔSU=20lg2=6dB电压翻两翻：ΔSU=20lg(2×2)=12dB电压增为十倍：ΔSU=20lg10=20dB电压增为百倍：ΔSU=20lg100=40dB功率加倍：ΔSP=10lg2=3dB2.1信号2.1.3信号强度的分贝度量根据傅里叶定理，任何一个满足狄利克雷条件的信号波形，都是由不同频率、不同幅值、不同相位角的正弦波线性叠加构成的。)sincos(2)(1110tnbtnaatfnnnTttdttfTa00)(20TttntdtntfTa001cos)(2周期信号：各频率离散、频谱离散。非周期信号：在部分区间各频率连续，频谱连续。TttntdtntfTb001sin)(2T212.1信号2.1.4信号的频谱1.噪声的来源内部噪声：通信系统内载流子的各种运动和变化所产生，又称为本底噪声；外部噪声：通信系统以外的电磁能量，以各种方式耦合到通信系统中所产生。2.噪声的危害A.使接收者误解原始信号，甚至完全不能理解原始信号；B.使接收电路不能正常工作；C.导致通信系统效率降低。2.1信号2.1.5噪声与信噪比3.信噪比反映噪声对信号影响程度的参数，也是衡量信号质量的指标之一。NSNSSSPPSNRlg10其中，SNR—信噪比，dB；PS—信号功率，W。PN—噪声功率，W。SS—信号电平，dB；SN—噪声电平，dB。2.1信号2.1.5噪声与信噪比2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1常规调幅2双边带调制3单边带调制4残留边带调制2.2.2模拟信号的脉冲编码调制1抽样2量化3编码2.2信号的调制本节学习要求本节是本章的重点1掌握调制的概念；2掌握模拟线性调制及解调模型；3了解调制及解调信号波形；4掌握模拟信号的脉冲编码调制过程5了解各种调制方式的用途2.2信号的调制1.调制的概念(1)调制把基带信号的频谱搬移到一较高的频率范围以适应信道的频率传输特性的过程。基带信号：信息源发出的没有经过调制的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。(2)频带信号调制后的信号。(3)解调从频带信号中恢复出原来基带信号的过程。2.2信号的调制1.调制的概念2.调制的目的A.信道传输频率特性的需要；B.实现信道复用；C.通过调制来改善系统的抗噪声性能；D.通过调制来提高系统的频带利用率。2.2信号的调制2.调制的目的3.模拟调制模型设调制信号为m(t)，载波信号为c(t)，即：c(t)=Acos(ωct+θc)其中，A—载波的幅度；ωc—载波的角频率；θc—载波的初相位。调制后的信号一般可以表示为：s(t)=A(t)cos[ωct+φ(t)+θc]其中，A(t)—载波的瞬时幅度；φ(t)—载波的相位偏移；调制m(t)s(t)c(t)模拟调制模型2.2信号的调制3.模拟调制的模型)()()()()()()(FMPMVSBSSBDSBAM频率调制相位调制角度调制非线性调制残留边带调制单边带调制双边带调制常规调幅线性调制（幅度调制）模拟调制2.2信号的调制3.模拟调制的模型1.常规调幅(AmplitudeModulation，AM)(1)定义如果调制信号为m(t)，它的平均值为0，m(t)加上一个直流分量m0后对载波的幅度进行调制，得到的已调信号称为常规调幅信号，又称完全调幅信号或标准调幅信号。已调信号的表达式为：sAM(t)=[m0+m(t)]cos(ωct+θc)其中，ωc—载波信号的角频率；θc—载波信号的初始相位；sAM(t)—常规调幅信号。2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅(2)调制信号波形A.时域波形已调信号的包络与调制信号成正比。此时采用包络检波的方法就可以很好地恢复出原始的调制信号。时当max0)(tmma.2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅会出现过调现象，已调信号的包络与调制信号不再成正比，此时采用包络检波的方法解调就会出现失真。可见，m0与m(t)的关系是常规调幅信号的重要特征。时当max0)(tmmb.2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅B.单频余弦函数调制信号当m(t)=m′cos(ωmt+θm)时，即调制信号为单频余弦函数时，调幅信号则为：sAM(t)=[m0+m′cos(ωmt+θm)]cos(ωct+θc)=m0[1+βAMcos(ωmt+θm)]cos(ωct+θc)0'mmAM--调幅系数(调制度)其中，2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅对于一般的调制信号m(t)，调幅系数为：0max)(mtmAM当βAM1时，称为正常调幅；当βAM=1时，称为满调幅；当βAM1时，称为过调幅。考虑器件的线性范围，通常取βAM=30%～60%。0'mmAM2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅0.5πm0sAM(ω)-ωc0ωcω常规调幅信号的频谱C.频域波形令θc=0，m(t)的频谱为M(ω)，由傅立叶变换得：sAM(ω)=πm0[δ(ω-ωc)+δ(ω+ωc)]+0.5[M(ω-ωc)+M(ω+ωc)]M(ω)0ω调制信号的频谱12.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅结论：a.已调信号的频谱和调制信号的频谱在形状上完全一样，其区别在于沿频率轴的位置不同。b.在载波频率±ωc处有冲激函数，表示已调信号的频谱中有载波分量存在。0.5πm0sAM(ω)-ωc0ωcω常规调幅信号的频谱M(ω)0ω调制信号的频谱12.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅c.在±ωc的两侧有两个对称的边带，通常称外侧的边带为上边带，内侧的边带为下边带。d.常规调幅信号是双边带信号，已调信号的频带宽度是调制信号最高频率fH的两倍。即：BAM=2WM(ω)0ω调制信号的频谱10.5πm0sAM(ω)-ωc0ωcω常规调幅信号的频谱上边带上边带下边带2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅(3)调制功率与调制效率A.调制功率设信号作用在1Ω电阻上的平均功率为PAM，PAM为已调信号的均方值，即：)(2tsPAMAM其中：Pc=m02/2—载波功率，与调制信号无关；2)(2tmPm—边带功率，与调制信号有关。0)(tm因为：mcAMPPtmmP2)(2220ttmmttmtmccc2022220cos)(2cos)(cos2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅B.调制效率)()(2202tmmtmPPPPPmcmAMmAM对于单频余弦的调制信号，有2,25.0)(mtm此时：222,202,22AMAMAMmmma.在满调幅的临界状态时βAM=1，此时调制效率的最大值为1/3。常规调幅信号的调制效率很低，这是因为载波分量没有携带信息但占据大部分功率。b.载波分量对于传输信息来说毫无意义，但载波分量的存在使得解调可以采用包络检波，不仅电路简单，而且解调后的信号比相干解调时幅度大1倍。2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅(4)常规调幅调制与解调A.调制AM调制是调制信号与正(余)弦载波信号相乘的过程。m(t)m0cosωctsAM(t)常规调幅调制模型2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅0.5πm0sAM(ω)-ωc0ωcω常规调幅信号的频谱M(ω)0ω调制信号的频谱1根据调制定理，调制过程中频谱的变化过程就是一个频谱搬移过程，而幅度降为1/2。2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅B.解调a.调幅信号的解调是从已调幅信号中取出调制信号，通常称这种解调为检波。b.检波电路的功能是从调制信号中不失真地恢复出原调制信号。c.包络检波指检波器的输出电压直接反映输入高频调幅波包络变化规律的一种检波方式。2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅d.常规调幅的解调通常采用非相干解调方式。e.非相干解调方式的解调器有包络检波器、平方律检波器等。f.包络检波器只适用于含有载波分量的常规调幅信号。(5)应用常规调幅主要应用于广播。2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制1.常规调幅2.抑制载波双边带调幅DoubleSideBand-SuppressedCarrierwave，DSB-SC(1)定义如果调制信号m(t)不含直流分量m0，直接用m(t)调制载波的幅度，得到的已调信号将无载波分量，这种调幅称为抑制载波双边带调幅，已调信号简称为双边带信号。抑制载波双边带调幅信号为sDSB(t)=m(t)cosωct已调信号的频谱为sDSB(ω)=0.5M(ω-ωc)+0.5M(ω+ωc)2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制2.抑制载波双边带调幅(2)调制信号波形A.时域波形a.当m(t)改变符号时双边带信号也改变符号，载波这时出现反相点。b.已调信号的幅度包络与m(t)的形状不完全相同，m(t)的信息并没有完全携带在已调信号的包络上，包络检波并不能恢复出m(t)。2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制2.抑制载波双边带调幅B.频域波形抑制载波双边带调幅信号带宽为调制信号带宽的两倍。调制信号的全部信息都携带在上、下两个完全对称的边带上。2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制2.抑制载波双边带调幅(3)调制功率与调制效率A.调制功率设信号作用在1Ω电阻上的平均功率为PDSB，PDSB为已调信号的均方值，即：2)()(22tmtsPDSBDSBB.调制效率ηDSB=1C.频带宽度BDSB=2fH2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制2.抑制载波双边带调幅(4)抑制载波双边带调幅调制与解调A.调制m(t)cosωctsDSB(t)双边带调制模型2.2信号的调制2.2.1模拟信号的正弦波幅度调制2.抑制载波双边带调幅B.解调a.只能用相干检波法，不能采用包络检波法解调。b.双边带信号的解调可以利用其频谱与调制信号频谱间存在的沿频率轴搬移的特点，只要将已调信号搬回到调制信号原来所在的位置，即可恢复出原始信号。sDSB(t)cosωctmd(t)相干解调原理LPF低通滤波器2.2信