通信全套課件

第1章概論

21.1通信的發(fā)展一、歷史的通信方式1.古代：西元前800年(周朝)，周幽王烽火戲諸侯。應(yīng)用光通信的見(jiàn)證；最簡(jiǎn)單的二進(jìn)位數(shù)字通信。2.近代：

1820年：安培發(fā)明電報(bào)通信，近代數(shù)字通信的開(kāi)始。

1838年：莫爾斯將電報(bào)通信推向?qū)嵱谩?/p>

1876年：貝爾發(fā)明電話(huà)，模擬通信的開(kāi)始。31.1通信的發(fā)展

烽火臺(tái)41.1通信的發(fā)展

“上帝創(chuàng)造了何等的奇跡!”

塞繆爾·莫爾斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872）51.1通信的發(fā)展貝爾（1847-1922）美國(guó)電話(huà)發(fā)明者61.1通信的發(fā)展

1876年3月10日，美國(guó)發(fā)明家貝爾發(fā)明世界上第一部電話(huà)，並獲美國(guó)專(zhuān)利局批準(zhǔn)的電話(huà)專(zhuān)利。這是2005年8月11日拍攝的美國(guó)新澤西州默裏山貝爾實(shí)驗(yàn)室博物館內(nèi)的世界第一部電話(huà)。

71.1通信的發(fā)展

3.現(xiàn)代

20世紀(jì)60年代以後：數(shù)字通信技術(shù)進(jìn)入高級(jí)發(fā)展階段。近30多年：數(shù)字通信迅猛發(fā)展；光纖通信也攜手同行。兩者都成為現(xiàn)代通行網(wǎng)的主要支柱。

81.1通信的發(fā)展

麥克斯韋在物理學(xué)中的最大貢獻(xiàn)是建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和光的電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。1873年，麥克斯韋完成巨著《電磁學(xué)通論》，這是一部可以同牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》相媲美的書(shū)，具有劃時(shí)代的意義，是牛頓以後科學(xué)史上的又一座豐碑。

麥克斯韋(JamesClerkMaxwel1831～1879)英國(guó)物理學(xué)家91.1通信的發(fā)展

赫茲對(duì)人類(lèi)最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。

赫茲（1857-1894）德國(guó)物理學(xué)家

1888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線(xiàn)電電子技術(shù)的新紀(jì)元。為了紀(jì)念他在電磁波發(fā)現(xiàn)中的卓越貢獻(xiàn)，後人將頻率的單位命名為赫茲。

101.1通信的發(fā)展

在發(fā)現(xiàn)電磁波不到6年，義大利的馬可尼、俄國(guó)的波波夫分別實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電傳播，並很快投人實(shí)際使用。其他利用電磁波的技術(shù)，也像雨後春筍般相繼問(wèn)世。無(wú)線(xiàn)電報(bào)（1894年）、無(wú)線(xiàn)電廣播（1906年）、無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航（1911年）、無(wú)線(xiàn)電話(huà)（1916年）、短波通訊（1921年）、無(wú)線(xiàn)電傳真（1923年）、電視（1929年）、微波通訊（1933年）、雷達(dá)（1935年），以及遙控、遙感、衛(wèi)星通訊、射電天文學(xué)……它們使整個(gè)世界面貌發(fā)生了深刻的變化。

111.1通信的發(fā)展

1838莫爾斯有線(xiàn)電報(bào)1948電晶體香農(nóng)IT通信統(tǒng)計(jì)理論建立1864麥克斯韋爾電磁輻射方程1950時(shí)分多路通信應(yīng)用於電話(huà)1876貝爾電話(huà)1956越洋電話(huà)鋪設(shè)1896馬克尼無(wú)線(xiàn)電報(bào)1957第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射1906真空管1958第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射1918調(diào)幅廣播超外差接收機(jī)1960發(fā)明鐳射1925三路明線(xiàn)載波電話(huà)多路通信1961發(fā)明積體電路1936調(diào)頻廣播1962第一顆同步通信衛(wèi)星PCM進(jìn)入實(shí)用1937脈衝編碼調(diào)製1960彩電數(shù)字傳輸理論高速電腦1938電視廣播1970LSI商用衛(wèi)星程式控制交換光纖通訊1940二戰(zhàn)刺激雷達(dá)和微波系統(tǒng)發(fā)展1980SLSI長(zhǎng)波光纖通信ISDN3G返回121.2消息、資訊和信號(hào)1.

通信的目的

傳遞消息中包含的資訊。本課程主要研究傳輸。2.消息

天氣預(yù)報(bào)“明天是晴天”字幕“明天是晴天”——文字播音員說(shuō)“明天是晴天”——語(yǔ)言——圖形、資訊、消息和信號(hào)的定義與區(qū)別131.2消息、資訊和信號(hào)1.

通信的目的

傳遞消息中包含的資訊。本課程主要研究傳輸。2.消息、資訊、消息和信號(hào)的定義與區(qū)別

是指信源所產(chǎn)生的資訊的物理表現(xiàn)。例如：語(yǔ)音、文字、圖形、圖像等。消息必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)），才能在通信系統(tǒng)中傳輸。141.2消息、資訊和信號(hào)4.資訊

是指消息中所包含的對(duì)受信者有意義的內(nèi)容（或有效內(nèi)容）。不同形式表現(xiàn)（漢字、符號(hào)、圖形等）的同一消息，載有相同的資訊。3.信號(hào)

是指消息的物理載體，是傳輸消息的手段?？煞譃槟M信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。、資訊、消息和信號(hào)的定義與區(qū)別151.2消息、資訊和信號(hào)

如何度量資訊？－－首先要解決的問(wèn)題。161.2消息、資訊和信號(hào)二、消息中資訊量的度量1.

資訊量的定義

資訊量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)；消息出現(xiàn)的概率越小，所包含的資訊量就越大；若某消息由若干個(gè)獨(dú)立消息所組成，則該消息所包含的資訊量是每個(gè)獨(dú)立消息所含資訊量之和。171.2消息、資訊和信號(hào)二、消息中資訊量的度量2.要求度量資訊量的方法，必須滿(mǎn)足：

能度量任何類(lèi)型消息；消息的重要程度無(wú)關(guān)。

181.2消息、資訊和信號(hào)

因此，若消息出現(xiàn)的概率為，則所含資訊量I

可定義為：

資訊量的單位：，則為比特（bit--Binarydigital），簡(jiǎn)記為b，最常用;

，則為奈特（nat）;

，則為哈特萊（hartley）。

19

當(dāng)M=2時(shí)，則I=1b。

工程上，常常不考慮是否為等概率的消息，總認(rèn)為一個(gè)二進(jìn)位波形（或碼元）等於1b。即通常把一個(gè)二進(jìn)位碼元稱(chēng)做1b。易與資訊量的單位混淆，應(yīng)注意。

若採(cǎi)用一個(gè)M進(jìn)制的波形，來(lái)傳送M

個(gè)獨(dú)立的等概離散消息之一，則每一碼元的資訊量為：

(b)

1.2消息、資訊和信號(hào)返回201.3數(shù)字通信1.

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)

模擬信號(hào)，也稱(chēng)連續(xù)信號(hào)。如：話(huà)筒送出的語(yǔ)音信號(hào)。數(shù)字信號(hào)，也稱(chēng)離散信號(hào)。如：代表文字的編碼和電腦數(shù)據(jù)信號(hào)。注意：區(qū)分準(zhǔn)繩為：考查取值是否連續(xù)，而不是看時(shí)間。一、基本概念211.3數(shù)字通信模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)tttt碼元221.3數(shù)字通信2.

模擬通信和數(shù)字通信

（1）共性問(wèn)題：總存在雜訊和其他干擾，引起傳輸信號(hào)的失真，影響傳輸品質(zhì)。解決雜訊和干擾的影響，就是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題之一。3.模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)231.3數(shù)字通信

模擬通信系統(tǒng)：要求：高保真度復(fù)原。

度量準(zhǔn)則：輸出信噪比。基本問(wèn)題：連續(xù)波形的參量估值問(wèn)題。

（2）個(gè)性問(wèn)題

數(shù)字通信系統(tǒng)：要求：正確判決（或檢測(cè)）。度量準(zhǔn)則：產(chǎn)生錯(cuò)判的概率。理論基礎(chǔ)：統(tǒng)計(jì)判決理論。注意：都是針對(duì)接收端的。241.3數(shù)字通信以蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)為例說(shuō)明數(shù)字通信系統(tǒng)模型251.3數(shù)字通信二、數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源發(fā)送端接收端通道編碼調(diào)制信道壓縮編碼解調(diào)信宿保密解碼通道解碼壓縮解碼保密編碼雜訊同步信源編碼信源解碼261.3數(shù)字通信信源壓縮編碼保密編碼信源編碼通道編碼調(diào)制發(fā)送端二、數(shù)字通信系統(tǒng)模型271.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.信源：將消息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備。信源壓縮編碼保密編碼信源編碼通道編碼調(diào)制發(fā)送端二、數(shù)字通信系統(tǒng)模型281.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源壓縮編碼保密編碼信源編碼通道編碼調(diào)制發(fā)送端二、數(shù)字通信系統(tǒng)模型2.信源編碼：降低數(shù)字信號(hào)的冗餘，

提高數(shù)字信號(hào)的有效性。291.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型信道壓縮編碼保密編碼信源編碼通道編碼調(diào)制發(fā)送端二、數(shù)字通信系統(tǒng)模型3.通道編碼：增加冗餘字元，糾錯(cuò)編碼，

提高傳輸?shù)目煽啃浴?01.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源壓縮編碼保密編碼信源編碼通道編碼調(diào)制發(fā)送端4.調(diào)製：二、數(shù)字通信系統(tǒng)模型311.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型4.調(diào)製

（1）目的

使編碼信號(hào)特性與通道特性相適應(yīng)，以通過(guò)通道傳輸。

（2）幾個(gè)基本概念基帶、基帶信號(hào)、帶通信號(hào)；基帶調(diào)製、帶通調(diào)製。

（3）多路複用使多路信號(hào)合併，經(jīng)過(guò)同一通道傳輸。321.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型5.通道

基帶通道－－可傳輸很低的頻率分量。如雙絞線(xiàn)。

頻帶通道－－不能傳輸很低的頻率分量。如無(wú)線(xiàn)電波。

331.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型5.通道

通道的影響：

★通道傳輸特性對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響。包括幅頻特性、相頻特性、頻率偏移、頻率擴(kuò)展和多徑時(shí)延。

★進(jìn)入通道的外部加性雜訊的影響。包括起伏雜訊、脈衝干擾、人為幹?jǐn)_。341.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型6.同步

★數(shù)字通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

★發(fā)端、收端間需共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)－－使收端準(zhǔn)確知道每個(gè)符號(hào)的起止時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)同步接收。

★位同步（或碼元同步）、字同步351.3數(shù)字通信－數(shù)字通信系統(tǒng)模型信道發(fā)送端接收端信源調(diào)制解調(diào)信宿雜訊模擬通信系統(tǒng)模型361.3數(shù)字通信三、數(shù)字通信的特點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)

取值有限，能正確接收。可採(cǎi)用糾錯(cuò)和檢錯(cuò)技術(shù)，提高抗干擾性?？蓲?cǎi)用數(shù)字加密技術(shù)，提高保密度。可綜合傳輸各種模擬和數(shù)字輸入消息。便於存儲(chǔ)和處理。易於設(shè)計(jì)、製造，體積更小、重量更輕?？勺餍旁淳幋a，壓縮冗餘度，提高通道利用率。信噪比隨帶寬按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。37數(shù)字信號(hào)波形的失真和恢復(fù)(a)失真的數(shù)字信號(hào)(b)恢復(fù)的數(shù)字信號(hào)

381.3數(shù)字通信

佔(zhàn)用帶寬大－－壓縮、光纖。同步要求高。3.應(yīng)用實(shí)例

數(shù)字傳輸技術(shù)：電話(huà)、電視、電腦數(shù)據(jù)等信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。模擬傳輸技術(shù)：有線(xiàn)電話(huà)環(huán)路、無(wú)線(xiàn)電廣播、電視廣播等。三、數(shù)字通信的特點(diǎn)

2.缺點(diǎn)391.3數(shù)字通信1.

衡量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的基本因素：

有效性可靠性四、性能指標(biāo)401.3數(shù)字通信-性能指標(biāo)

有效性可靠性

注意：兩者是互相矛盾的，也是可互換的。★提高有效性→提高傳輸速率→可靠性降低；提高可靠性→增加冗餘的抗干擾編碼碼元

→有效性降低。

★降低有效性，以提高可靠性；降低可靠性，以提高有效性。411.3數(shù)字通信-性能指標(biāo)2.性能指標(biāo)：（1）傳輸速率：三種定義。

★碼元速率（RB）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸碼元數(shù).波特(Baud,符號(hào)/秒)★資訊速率（Rb）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)馁Y訊量?！氨忍?秒(b/s)”★消息速率（RW）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)南?shù)?！白?秒”42資訊速率(Rb)與碼元速率(RB)關(guān)係平均資訊量H－－資訊熵資訊速率(R

b)與碼元速率(RB)關(guān)係43例：某離散信源由0，1，2，3四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。求消息2010201302130012032101003210100231020020103120302100120213的資訊量。44例：某符號(hào)集由8個(gè)消息符號(hào)組成，每個(gè)符號(hào)間互相獨(dú)立，其出現(xiàn)的概率分別為1/16,3/16,1/32,3/32,5/32,7/32,7/64和9/64。若每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)的寬度為0.5ms，試求：（1）平均資訊量；（2）碼元速率和平均資訊速率。451.3數(shù)字通信-性能指標(biāo)（2）

錯(cuò)誤率：三種定義?！?/p>

誤碼率（Pe）：

★誤比特率（Pb）：

★誤字率（PW）：

461.3數(shù)字通信-性能指標(biāo)（3）頻帶利用率：?jiǎn)挝活l帶內(nèi)所能達(dá)到的資訊速率。通常與採(cǎi)用的調(diào)製及編碼方式有關(guān)。

（4）能量利用率：傳輸每一比特所需的信號(hào)能量。該能量大小與系統(tǒng)帶寬有直接關(guān)係。該能量與佔(zhàn)用頻帶間可交換。返回471.4通道一、通道分類(lèi)（依傳輸媒體分）1.

無(wú)線(xiàn)通道：利用電磁波來(lái)傳播信號(hào)。如廣播電臺(tái)、移動(dòng)電話(huà)。2.有線(xiàn)通道：利用人造傳輸媒體來(lái)傳輸信號(hào)。如傳統(tǒng)的固定電話(huà)。注意：通道中的雜訊－－有源干擾；通道傳輸特性不良－－無(wú)源干擾。481.4通道頻率範(fàn)圍名稱(chēng)波長(zhǎng)典型應(yīng)用3～30Hz極低頻ELF103～102km遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信30～300Hz超低頻SLF104～103km海底通信、電報(bào)0.3～3kHz特低頻ULF103～102km數(shù)據(jù)終端、有線(xiàn)通信3～30kHz甚低頻VLF102～10km導(dǎo)航、電話(huà)、電報(bào)、水下通信30～300kHz低頻LF10～1km導(dǎo)航、水下通信、無(wú)線(xiàn)電信標(biāo)0．3～3MHz中頻MF103～102m廣播、業(yè)餘無(wú)線(xiàn)電、海事通信3～30MHz高頻HF102～10m國(guó)際定點(diǎn)通信、軍用通信、廣播、業(yè)餘無(wú)線(xiàn)電、電報(bào)、傳真30～300MHz甚高頻VHF10～1m電視、調(diào)頻廣播、移動(dòng)通信、導(dǎo)航、空中管制0.3～3GHz特高頻UHF102～10cm電視、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、移動(dòng)通信、導(dǎo)航、GPS3～30GHz超高頻SHF10～1cm衛(wèi)星和空間通信、微波接力、雷達(dá)、移動(dòng)通信30～300GHz極高頻EHF10～1mm射電天文、雷達(dá)、微波接力、移動(dòng)通信、鐵路業(yè)務(wù)300G～3THz亞毫米波1～0.1mm未劃分，實(shí)驗(yàn)用43～430THz紅外7～0.7μm光通信系統(tǒng)430～750THz可見(jiàn)光0.7～0.4μm光通信系統(tǒng)750～3000THz紫外0.4～0.1μm光通信系統(tǒng)491.4通道二、無(wú)線(xiàn)通道

1.電磁波的發(fā)射和接收

均要用天線(xiàn)因天線(xiàn)尺寸的要求，通信頻率都較高。頻率使用規(guī)劃和管理★國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）定期召開(kāi)世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)WRC（TheWorldRadio-communicationConference），制定頻率使用國(guó)際協(xié)議。

★我國(guó)：資訊產(chǎn)業(yè)部無(wú)線(xiàn)電管理局。501.4通道根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同：

地波傳播

天波傳播

視線(xiàn)傳播二、無(wú)線(xiàn)通道

2.電磁波的傳播511.4通道（1）

地波傳播

★頻率：2MHz

以下，有一定的繞射能力

★繞射：電磁波沿彎曲的地球表面?zhèn)鞑ニ哂械哪芰?/p>

★通信距離：可達(dá)數(shù)百～數(shù)千km地面接收天線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)傳播路徑返回521.4通道（2）天波傳播★頻率：2～30MHz★電離層反射：★通信距離：?jiǎn)未慰蛇_(dá)4000km，多次可達(dá)10000km地面接收天線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)信號(hào)傳播路徑電離層531.4通道

★

電離層：60-400km

D層：高60-80km

E層：高100-120km

F層：高150-400km

F1層：140-200km

F2層：250-400km

晚上：D層、F1層消失；

E層、F2層減弱

反射高頻電磁波的主要是F層DEFF2F1地面返回541.4通道（3）視線(xiàn)傳播★頻率：30MHz以上★類(lèi)似光波做視線(xiàn)傳播（將穿透電離層）★天線(xiàn)高度h與傳播距離D(=2d)的關(guān)係：

D

2=8rh≈50h

（r為地球的等效半徑）地面接收天線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)信號(hào)傳播hdrDd551.4通道★採(cǎi)用無(wú)線(xiàn)電中繼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。若天線(xiàn)架設(shè)高度為50m，則視線(xiàn)距離約為

50km。即視距傳輸距離有限，需中繼。地面接收天線(xiàn)傳播路徑發(fā)射天線(xiàn)（3）視線(xiàn)傳播561.4通道

轉(zhuǎn)發(fā)站（基站）：－－人造衛(wèi)星：3顆靜止衛(wèi)星（衛(wèi)星通信系統(tǒng)），目前廣泛應(yīng)用。571.4通道－－高空平臺(tái)電臺(tái)HAPS(HighAltitudePlatformStation)

：

250個(gè)充氦氣艇（平流層通信系統(tǒng)），很有發(fā)展前途。581.4通道★高空飛行器間的電磁波傳播、太空中人造衛(wèi)星或太空船間的電磁波傳播，都符合視線(xiàn)傳播規(guī)律，且不受或少受大氣層的影響。

電磁波在大氣層內(nèi)傳播會(huì)衰減：頻率越高，衰減越嚴(yán)重；且存在諧振點(diǎn)，應(yīng)避開(kāi)。591.4通道頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5g/m3）的衰減頻率(GHz)(b)降雨的衰減衰減(dB/km)衰減(dB/km)水蒸氣氧氣降雨率圖1.4.5大氣衰減601.4通道－無(wú)線(xiàn)通道（4）散射傳播

★電離層散射：30～60MHz

★對(duì)流層散射:100～4000MHz

★流星餘跡散射:30～100MHz

對(duì)流層散射通信地球有效散射區(qū)域接收天線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)611.4通道－無(wú)線(xiàn)通道地球流星餘跡散射通信621.4通道－無(wú)線(xiàn)通道注意：目前民用無(wú)線(xiàn)電通信中，應(yīng)用最廣的是蜂窩網(wǎng)和衛(wèi)星通信。631.4通道－無(wú)線(xiàn)通道移動(dòng)交換中心電話(huà)交換中心

蜂窩網(wǎng)641.4通道

明線(xiàn)對(duì)稱(chēng)電纜同軸電纜三、有線(xiàn)通道

1.

傳輸電信號(hào)651.4通道－有線(xiàn)通道（1）明線(xiàn)661.4通道－有線(xiàn)通道（2）對(duì)稱(chēng)電纜：雙絞線(xiàn)671.4通道－有線(xiàn)通道（2）對(duì)稱(chēng)電纜：雙絞線(xiàn)681.4通道－有線(xiàn)通道

雙絞線(xiàn)（TwistedPairwire）由兩根具有絕緣保護(hù)層的銅導(dǎo)線(xiàn)組成，把兩根導(dǎo)線(xiàn)按一定密度互相纏繞在一起,可降低信號(hào)干擾的程度。雙絞線(xiàn)可以分為遮罩雙絞線(xiàn)（STP）與非遮罩雙絞線(xiàn)（UTP）兩大類(lèi)。其中遮罩雙絞線(xiàn)分別有3類(lèi)和5類(lèi)二種，非遮罩雙絞線(xiàn)又分別有3類(lèi)、4類(lèi)、5類(lèi)、超5類(lèi)四種。

（2）對(duì)稱(chēng)電纜：雙絞線(xiàn)691.4通道－有線(xiàn)通道（3）同軸電纜同軸電纜截面示意圖雙同軸電纜及6芯接頭

701.4通道－有線(xiàn)通道（3）同軸電纜基站用射頻同軸電纜(50Ω同軸電纜)

射頻同軸電纜711.4通道－有線(xiàn)通道解釋?zhuān)?/p>

同軸電纜是一種通訊電纜，電纜結(jié)構(gòu)為以實(shí)心銅體為芯外包著一層絕緣材料，這層絕緣材料用密織的網(wǎng)狀導(dǎo)體環(huán)繞，網(wǎng)外又再覆蓋一層保護(hù)性材料。

常用的同軸電纜有兩類(lèi)：50Ω和75Ω同軸電纜。

（3）同軸電纜721.4通道－有線(xiàn)通道

有線(xiàn)通道電氣特徵通道類(lèi)型通話(huà)容量（路）頻率範(fàn)圍(kHz)傳輸距離(km)明線(xiàn)1+30.3～27300明線(xiàn)1+3+120.3～150120對(duì)稱(chēng)電纜2412～10835對(duì)稱(chēng)電纜6012～25212～18小同軸電纜30060～13008小同軸電纜96060～41004中同軸電纜1800300～90006中同軸電纜2700300～120004.5中同軸電纜10800300～600001.5731.4通道－有線(xiàn)通道2.傳輸光信號(hào)——光纖表面塗層包層芯區(qū)741.4通道－有線(xiàn)通道2.光纖n1n2折射率折射率n1n22a光纖結(jié)構(gòu)751.4通道－有線(xiàn)通道光纖損耗光波波長(zhǎng)（nm）1.55

m1.31

m0.7 0,9 1.1 1.3 1.5 1.72.光纖761.4通道

調(diào)製通道模型編碼通道模型四、通道模型77信源發(fā)送端接收端通道編碼調(diào)制信道壓縮編碼解調(diào)信宿保密解碼通道解碼壓縮解碼保密編碼雜訊同步信源編碼信源解碼數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.4通道－通道模型781.4通道－通道模型1.

調(diào)製通道(連續(xù)通道)模型★對(duì)於單“端對(duì)”通道：ei(t)eo(t)時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)路eo(t)=f[ei(t)]+n(t)791.4通道－通道模型通常，f[ei(t)]

可以表示為：k(t)ei(t)，此時(shí)，

eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)其中k(t)表示時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)路的特性

，稱(chēng)為乘性干擾。

k(t)是一個(gè)複雜的函數(shù)，反映通道的衰減、線(xiàn)性失真、非線(xiàn)性失真、延遲…

等。最簡(jiǎn)單情況：k(t)=常數(shù)，表示衰減。當(dāng)k(t)=常數(shù)，稱(chēng)為恒(定)參(量)通道 例如，同軸電纜當(dāng)k(t)

常數(shù)，稱(chēng)為隨(機(jī))參(量)通道 例如，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)通信通道eo(t)=f[ei(t)]+n(t)801.4通道－通道模型1.

調(diào)製通道(連續(xù)通道)的通道容量★香農(nóng)公式(Shannon)：C=Blog2

(1+S/N)

(bit/s)

通道帶寬為B,通道輸出的信號(hào)功率為S(W)及輸出加性高斯白雜訊功率為N(W)，C為通道容量.

由上式可見(jiàn)，一個(gè)連續(xù)通道的通道容量受“三要素”－－B,S,N的限制。811.4通道－通道模型1.

調(diào)製通道(連續(xù)通道)的通道容量C=Blog2

(1+S/N)

(bit/s)

N=0或S=∞時(shí)，通道容量C=∞。如果增大帶寬B,能否使C→∞?821.4通道－通道模型例：電視圖像可以大致認(rèn)為由300000個(gè)像素組成。對(duì)於一般要求的對(duì)比度，每一像原大約取10個(gè)可辨別的亮度電平。假設(shè)10個(gè)亮度電平是等概率地出現(xiàn)，每秒發(fā)送30幀圖像，圖像信噪比S/N為1000(30dB)。在這種條件下，計(jì)算傳輸上述信號(hào)所需的帶寬？831.4通道－通道模型2.

編碼通道模型★二進(jìn)位信號(hào)、無(wú)記憶通道其中，P(0/0),P(1/1)－正確轉(zhuǎn)移概率

P(0/1),P(1/0)－錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率轉(zhuǎn)移概率－決定於編碼通道的特性。且有：

P(0/0)=1-P(1/0)；P(1/1)=1-P(0/1)0110P(0/0)P(0/1)P(1/1)P(1/0)841.4通道－通道模型★四進(jìn)制編碼通道模型：01233210接收端發(fā)送端851.4通道－通道模型2.

編碼(離散)通道的通道容量Ht(x):單位時(shí)間內(nèi)資訊源發(fā)出的平均資訊量;Ht(x/y):單位時(shí)間內(nèi)對(duì)發(fā)送x而收到y(tǒng)的條件平均

資訊量.r:單位時(shí)間傳送的符號(hào)數(shù).資訊傳輸速率，在單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)钠骄Y訊量。R=Ht(x)-Ht(x/y)=r[H

(x)-H

(x/y)]

(bit/s)

86例：設(shè)資訊源由符號(hào)0和1組成，順次選擇兩符號(hào)構(gòu)成所有可能的消息。如果消息傳輸速率是每秒1000符號(hào)，其符號(hào)等概率出現(xiàn)。傳輸中弱干擾引起的差錯(cuò)是平均每100符號(hào)中有一個(gè)符號(hào)不正確。問(wèn)1.這時(shí)信源發(fā)送資訊的速率？

2.在干擾下，通道輸出收到符號(hào)0，而實(shí)發(fā)送符號(hào)也是0的概率為0.99,實(shí)發(fā)送符號(hào)是1的概率為0.01，同樣，通道輸出收到符號(hào)1，而實(shí)發(fā)送符號(hào)也是1的概率為0.99,實(shí)發(fā)送符號(hào)是0的概率為0.01，求通道傳輸資訊的速率？871.4通道1.

恒參通道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽锓菚r(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)路。其振幅-頻率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音頻電話(huà)通道特性五、通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?81.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.

恒參通道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懴辔?頻率特性：ω

(

)0理想特性理想特性

(

)

0ω

(

)0理想特性振幅-頻率特性891.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懢€(xiàn)性失真:

頻率失真和相位失真頻率失真:幅頻特性不理想，信號(hào)發(fā)生失真--波形失真,導(dǎo)致碼間串?dāng)_。相位失真：相頻特性不理想。模擬信號(hào)影響不大，數(shù)字信號(hào)可導(dǎo)致數(shù)字波形失真，發(fā)生碼間串?dāng)_?？捎谩熬€(xiàn)性補(bǔ)償網(wǎng)路”糾正，－“均衡”非線(xiàn)性失真:振幅特性,相頻特性非線(xiàn)性、頻率偏移、相位抖動(dòng)…

非線(xiàn)性失真－難以消除901.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.變參通道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?）變參通道的共性：－衰落:

衰減隨時(shí)間變化；－傳輸時(shí)延:隨時(shí)間變化，慢衰落；－多徑效應(yīng):

快衰落。911.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?）多徑效應(yīng)引起的接收信號(hào)的快衰落:

設(shè)發(fā)送信號(hào)為Acos

0t，則經(jīng)過(guò)n條路徑傳播後的接收信號(hào)R(t)可以表示為：

式中

ri

(t)

－第i

條路徑的接收信號(hào)振幅；

i(t)

－第i

條路徑的傳輸時(shí)延；

I(t)=-

0

i(t)

Xc(t)Xs(t)921.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯街校篤(t)

－合成波R(t)的包絡(luò);〖多徑衰落〗

(t)

－合成波R(t)的相位。即有：

由於，相對(duì)於

0而言，ri(t)和

i(t)變化緩慢，故Xc(t),Xs(t)及V(t),

(t)也是緩慢變化的。所以，R(t)可以視為一個(gè)窄帶信號(hào)（隨機(jī)過(guò)程）。931.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懹上率娇梢?jiàn)：

原發(fā)送信號(hào)Acos

0t，經(jīng)過(guò)傳輸後：恒定振幅A，變成慢變振幅V(t);

恒定相位0，變成慢變相位(t)；因而，頻譜由單一頻率變成窄帶頻譜。快衰落tff0941.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?）多徑效應(yīng)引起的接收信號(hào)的頻率選擇性衰落:

設(shè)只有兩條多徑傳播路徑，且衰減相同，時(shí)延不同；發(fā)射信號(hào)為f(t)，接收信號(hào)為af(t-

0)和af(t-0-)；發(fā)射信號(hào)的頻譜為F()。則有f(t)F() af(t-

0)aF()e-j0 af(t-

0-)aF()e-j(0+)af(t-

0)+af(t-

0-)aF()e-j0(1+e-j)

951.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?）多徑效應(yīng)引起的接收信號(hào)的頻率選擇性衰落:H()=aF()e-j0(1+e-j)/F()=ae-j0(1+e-j)|1+e-j|=|1+cos-jsin|=|[(1+cos)2+sin2]1/2|=2|cos(/2)|961.4通道－通道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?）經(jīng)過(guò)通道傳輸後收到的三類(lèi)信號(hào)：

*確知信號(hào)

*隨相信號(hào)

*起伏信號(hào)

返回971.5通道中的雜訊1.

按照來(lái)源分類(lèi)：

人為雜訊：電火花、家用電器…

自然雜訊：閃電、大氣雜訊、熱雜訊…2.

按照性質(zhì)分類(lèi)：

脈衝雜訊：電火花

窄帶雜訊：相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備

起伏雜訊：熱雜訊★今後討論通信系統(tǒng)時(shí)主要涉及：

白雜訊－熱雜訊是一種典型白雜訊。返回98小結(jié)1.消息、資訊和信號(hào)的定義2.資訊量、平均資訊量、碼元速率和資訊速率3.數(shù)字通信的概念和數(shù)字通信系統(tǒng)模型4.各種通道5.信號(hào)通過(guò)衡參通道和隨參通道後的變化99思考題、習(xí)題習(xí)題：1.2，1.3，1.4，1.5100幾個(gè)基本概念

基帶：來(lái)自信源（或經(jīng)過(guò)編碼）的信號(hào)所佔(zhàn)用的頻帶。這種信號(hào)也稱(chēng)為基帶信號(hào)。

帶通信號(hào)：經(jīng)過(guò)載波調(diào)製後的信號(hào)。

基帶調(diào)製：改變信號(hào)的波形，使之適於在基帶通道中傳輸，調(diào)製後仍為基帶信號(hào)。

帶通調(diào)製：進(jìn)行了頻譜搬移，調(diào)製後為帶通信號(hào)。

返回101102例題：例1：某信源的符號(hào)集由A、B、C、D和E組成，設(shè)每一個(gè)符號(hào)獨(dú)立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4、1/8、1/8、3/16和5/16；信源以1000Bd速率傳送資訊。（1）求傳送1小時(shí)的資訊量。（2）求傳送1小時(shí)可能達(dá)到的最大資訊量。103解:(1)信源的資訊熵為：平均資訊速率為：1小時(shí)傳輸?shù)馁Y訊量為104105例2：一資訊源由4個(gè)符號(hào)0,1,2,3組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8,且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某個(gè)消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的資訊量。106法一：用資訊量的定義求解:在此消息中，0出現(xiàn)23次,1出現(xiàn)14次,2出現(xiàn)13次,7出現(xiàn)7次,消息共57個(gè)符號(hào)。其中出現(xiàn)0的資訊量為23log28/3=33bit;出現(xiàn)1的資訊量為14log24=28bit;出現(xiàn)2的資訊量為13log24=26bit;出現(xiàn)3的資訊量為7log28=21bit,故該消息的資訊量為：

I=33+28+26+21=108bit107法二：用熵的概念求平均資訊量：該消息所含的資訊量：I=57×1.906=108.64bit108109資訊量I

定義：

a=2資訊量的單位為比特（bit）平均資訊量H－－資訊熵110碼元速率RB=1/T資訊速率(R

b)與碼元速率(RB)關(guān)係1112.1信號(hào)的類(lèi)型

確知信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)什麼是確知信號(hào)?

什麼是隨機(jī)信號(hào)?1122.1信號(hào)的類(lèi)型信號(hào)的功率:設(shè)R=1,則P=V2/R=I2R=V2=I2信號(hào)的能量：設(shè)S代表V或I，若S隨時(shí)間變化，則寫(xiě)為s(t)，於是，信號(hào)的能量E=s2(t)dt能量信號(hào)：滿(mǎn)足

平均功率： ，故能量信號(hào)的P=0。功率信號(hào)：P0的信號(hào)，即持續(xù)時(shí)間無(wú)窮的信號(hào)。能量信號(hào)和功率信號(hào)1132.1信號(hào)的類(lèi)型能量信號(hào)和功率信號(hào)

能量信號(hào)的能量有限，但平均功率為0。功率信號(hào)的平均功率有限，但能量為無(wú)窮大。1142.2確知信號(hào)性質(zhì)

矩形脈衝函數(shù)：

tT0-τ/2τ/2g(t)1152.2確知信號(hào)性質(zhì)

階躍函數(shù)：

t10u(t)1162.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)

功率信號(hào)的頻譜：

設(shè)s(t)為週期性功率信號(hào)，T0為週期，則有

式中，

0=2/T0=2f0

∵C(jn0)是複數(shù)，∴

式中，|Cn|－頻率為nf0的分量的振幅；

n

－頻率為nf0的分量的相位。信號(hào)s(t)的傅裏葉級(jí)數(shù)表示法：

頻譜是離散的，包含各次諧波的振幅和相位117【例2.1】

試求週期性方波的頻譜。

解：設(shè)一週期性方波的週期為T(mén)，寬度為

，幅度為V

求頻譜：

tV0-τ/2τ/2T-Tf(t)118例2.1頻譜圖2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)119【例2.2】試求全波整流後的正弦波的頻譜。

解：設(shè)此信號(hào)的表示式為：

1f(t)t2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)120

求頻譜：

信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)形式2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)1212.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)例2.2頻譜圖122

設(shè)一能量信號(hào)為s(t)，則其頻譜密度為：

S()的逆變換為原信號(hào)：

2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)

能量信號(hào)的頻譜密度123【例2.3】試求一個(gè)矩形脈衝的頻譜密度。

解：設(shè)此矩形脈衝的表示式為：

則它的頻譜密度就是它的傅裏葉變換2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)t10-τ/2τ/2g(t)ω

02π/τ

τ-2π/τ

-4π/τ

4π/τ

G(ω

)124

【例2.4】試求抽樣函數(shù)的波形和頻譜密度。

解：抽樣函數(shù)的定義是 而Sa(t)的頻譜密度為：

和上例比較可知，Sa(t)的波形和上例中的G()曲線(xiàn)相同，而Sa(t)的頻譜密度Sa()的曲線(xiàn)和上例中的g(t)波形相同。2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)125【例2.5】單位沖激函數(shù)及其頻譜密度。

解：?jiǎn)挝粵_激函數(shù)常簡(jiǎn)稱(chēng)為函數(shù)，其定義是：

(t)的頻譜密度：2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)126(t)及其頻譜密度的曲線(xiàn)：

函數(shù)的物理意義： 高度為無(wú)窮大，寬度為無(wú)窮小，面積為1的脈衝。f

(f)10t

(t)02.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)127

用抽樣函數(shù)Sa(t)表示函數(shù)：

Sa(t)有如下性質(zhì)：

當(dāng)k時(shí)，振幅，波形的零點(diǎn)間隔0， 故有：2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)ttt128

函數(shù)的性質(zhì)對(duì)f(t)的抽樣：函數(shù)是偶函數(shù)：函數(shù)是單位階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)：u

(t)=

(t)

t10圖2.2.6單位階躍函數(shù)2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)129

能量信號(hào)的頻譜密度S(f)和功率信號(hào)的頻譜C(jn0)的區(qū)別:S(f)－連續(xù)譜；C(jn0)－離散譜

S(f)的單位：V/Hz；C(jn0)的單位：VS(f)在一頻率點(diǎn)上的幅度＝無(wú)窮小。2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)130傅立葉變換性質(zhì)時(shí)域頻域週期信號(hào)頻譜離散非週期信號(hào)頻譜連續(xù)離散信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）頻譜週期連續(xù)信號(hào)頻譜非週期週期－離散非週期－連續(xù)131【例2.6】試求無(wú)限長(zhǎng)余弦波的頻譜密度。

解：設(shè)一個(gè)余弦波的表示式為f(t)=cos

0t，則其頻譜密度F(

)按式(2.2-10)計(jì)算，可以寫(xiě)為上式可以改寫(xiě)為2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)1322.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)t

0－

00(b)頻譜密度(a)波形133須掌握的傅氏變換對(duì)1.單位沖激2.單位階躍3.單邊指數(shù)函數(shù)4.雙邊指數(shù)函數(shù)5.門(mén)函數(shù)6.正弦函數(shù)（余弦函數(shù)）134

信號(hào)與線(xiàn)性系統(tǒng)中講的一些變換有什麼作用？135能量譜密度

設(shè)一個(gè)能量信號(hào)s(t)的能量為E，則其能量由下式?jīng)Q定：

若此信號(hào)的頻譜密度為S(f)，則由巴塞伐爾（Parseval）定理得知：

上式中|S(f)|2稱(chēng)為能量譜密度，也可以看作是單位頻帶內(nèi)的信號(hào)能量。 2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)136

上式可以改寫(xiě)為：

式中，G(f)＝|S(f)|2

（J/Hz）為能量譜密度。G(f)的性質(zhì)：因s(t)是實(shí)函數(shù)，故|S(f)|2是偶函數(shù)

∴

2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)137功率譜密度

令s(t)的截短信號(hào)為sT(t)，-T/2<t<T/2，則有

定義功率譜密度為：

得到信號(hào)功率：2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.1頻域性質(zhì)138確知信號(hào)的頻域性質(zhì)頻譜函數(shù)－－功率信號(hào)頻譜密度－－能量信號(hào)能量譜密度G(f)＝|S(f)|2

功率譜密度139自相關(guān)函數(shù)能量信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)定義：功率信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)定義：性質(zhì)：R()只和有關(guān)，和t無(wú)關(guān)當(dāng)=0時(shí)，能量信號(hào)的R()等於信號(hào)的能量； 功率信號(hào)的R()等於信號(hào)的平均功率。2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.2時(shí)域性質(zhì)140

互相關(guān)函數(shù)能量信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)定義：功率信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)定義：性質(zhì)：R12(

)只和有關(guān)，和t無(wú)關(guān)：證：令x=t+

，則2.2確知信號(hào)性質(zhì)—2.2.2時(shí)域性質(zhì)1412.3隨機(jī)信號(hào)的性質(zhì)-2.3.1概率分佈

隨機(jī)變數(shù)的概念：

若某種試驗(yàn)A的隨機(jī)結(jié)果用X表示，則稱(chēng)此X為一個(gè)隨機(jī)變數(shù)，並設(shè)它的取值為x。例如，在一定時(shí)間內(nèi)電話(huà)交換臺(tái)收到的呼叫次數(shù)是一個(gè)隨機(jī)變數(shù)。

1422.3隨機(jī)信號(hào)的性質(zhì)-2.3.1概率分佈隨機(jī)變數(shù)的分佈函數(shù)：定義：隨機(jī)變數(shù)X取值不超過(guò)某個(gè)數(shù)x的概率P(X

x)是取值x的函數(shù)，記為

FX(x)=P(X

x)

函數(shù)FX(x)

即為隨機(jī)變數(shù)X的分佈函數(shù)。性質(zhì)：

∵P(a<X

b)+P(X

a)=P(X

b),

P(a<X

b)=P(X

b)–P(X

a)，

∴

P(a<X

b)=FX(b)–FX(a)

143

離散隨機(jī)變數(shù)的分佈函數(shù)：設(shè)X的取值為：x1

x2…xixn，其取值的概率分別為p1,p2,…,pi,…,pn，則有P

(X<x1)=0,P(Xxn)=1∵P(Xxi)=P(X=x1)+P(X=x2)+…+P(X=xi),∴性質(zhì)：

FX(-)=0FX(+)=1

若x1<x2，則有:FX(x1)FX(x2)，為單調(diào)增函數(shù)。2.3隨機(jī)信號(hào)的性質(zhì)-2.3.1概率分佈144

連續(xù)隨機(jī)變數(shù)的分佈函數(shù)： 當(dāng)x連續(xù)時(shí)，由定義分佈函數(shù)定義

FX(x)=P(X

x)

可知，F(xiàn)X(x)為一連續(xù)單調(diào)遞增函數(shù)：2.3隨機(jī)信號(hào)的性質(zhì)-2.3.1概率分佈145

連續(xù)隨機(jī)變數(shù)的概率密度pX(x)

pX(x)的定義：

pX(x)的意義：

pX(x)是FX(x)的導(dǎo)數(shù)，是FX(x)曲線(xiàn)的斜率能夠從pX(x)求出P(a<X

b)：

pX(x)的性質(zhì)：

pX(x)

02.3隨機(jī)信號(hào)的性質(zhì)-2.3.2概率密度146

離散隨機(jī)變數(shù)的概率密度

離散隨機(jī)變數(shù)的分佈函數(shù)可以寫(xiě)為：

式中，pi

－x=xi

的概率

u(x)

－單位階躍函數(shù)

將上式兩端求導(dǎo)，得到其概率密度：

性質(zhì)：

當(dāng)x

xi

時(shí)，px(x)=0， 當(dāng)x=xi

時(shí)，px(x)=

2.3隨機(jī)信號(hào)的性質(zhì)-2.3.2概率密度1472.4常見(jiàn)隨機(jī)變數(shù)舉例

正態(tài)分佈隨機(jī)變數(shù)

定義：概率密度

式中，

>0,a=常數(shù)

概率密度曲線(xiàn)：148

均勻分佈隨機(jī)變數(shù)

定義：概率密度

式中，a，b為常數(shù)

概率密度曲線(xiàn)：bax0pA(x)2.4常見(jiàn)隨機(jī)變數(shù)舉例149

瑞利(Rayleigh)分佈隨機(jī)變數(shù)

定義：概率密度為

式中，a>0，為常數(shù)。

概率密度曲線(xiàn)：2.4常見(jiàn)隨機(jī)變數(shù)舉例1502.5隨機(jī)變數(shù)的數(shù)字特徵

數(shù)學(xué)期望

定義：對(duì)於連續(xù)隨機(jī)變數(shù)，其數(shù)學(xué)期望可以定義為：式中，pX(x)為隨機(jī)變數(shù)X的概率密度。

數(shù)學(xué)期望又稱(chēng)為統(tǒng)計(jì)平均值。

1512.5隨機(jī)變數(shù)的數(shù)字特徵

數(shù)學(xué)期望性質(zhì)：

若X和Y互相獨(dú)立，且E(X)和E(Y)存在。

152

方差

定義：隨機(jī)變數(shù)X的方差是隨機(jī)變數(shù)X與其數(shù)學(xué)期望之差的平方的數(shù)學(xué)期望式中方差還可改寫(xiě)為：

對(duì)於離散隨機(jī)變數(shù)，對(duì)於連續(xù)隨機(jī)變數(shù)，

2.5隨機(jī)變數(shù)的數(shù)字特徵153

方差

性質(zhì)：

常量的方差等於0，即D(C)=0

設(shè)D(X)存在，C為常量，則：

D(X+C)=D(X)，D(CX)=C2D(X)

設(shè)D(X)

和D(X)都存在，且X和Y互相獨(dú)立，則：

D(X+Y)=D(X)+D(Y)

同樣，對(duì)於多個(gè)互相獨(dú)立的隨機(jī)變數(shù)：D(X1+X2+…+Xn)=D(X1)+D(X2)+…+D(Xn)

2.5隨機(jī)變數(shù)的數(shù)字特徵154矩定義：隨機(jī)變數(shù)X的k階矩定義為

k階原點(diǎn)矩：a=0時(shí)的矩：

k階中心矩： 時(shí)的矩：2.5隨機(jī)變數(shù)的數(shù)字特徵155矩

顯然，

一階原點(diǎn)矩為數(shù)學(xué)期望：二階中心矩為方差：2.5隨機(jī)變數(shù)的數(shù)字特徵1562.6隨機(jī)過(guò)程1.定義：隨著時(shí)間t而變化的隨機(jī)變數(shù)，稱(chēng)為隨機(jī)過(guò)程。也就是說(shuō)，隨機(jī)過(guò)程可以看成是由一個(gè)事件A的全部可能“實(shí)現(xiàn)”構(gòu)成的總體，記為X(A,t)。

（1）幾種表示的意義：

X(A,t)－事件A的全部可能“實(shí)現(xiàn)”的總體；

X(Ai,t)－事件A的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，為確定的時(shí)間函數(shù)；

X(A,tk)－在給定時(shí)刻tk上的函數(shù)值。簡(jiǎn)記：X(A,t)

X(t)X(Ai,t)

Xi(t)一、基本概念1572.6隨機(jī)過(guò)程（2）舉例：接收機(jī)雜訊1582.

隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特徵：（1）統(tǒng)計(jì)平均值：（2）方差：（3）自相關(guān)函數(shù)：2.6隨機(jī)過(guò)程在時(shí)刻ti觀察隨機(jī)過(guò)程得到的隨機(jī)變數(shù)是X(ti)在時(shí)刻ti的概率密度函數(shù)159二、平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程

1.

平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的定義：

統(tǒng)計(jì)特性與時(shí)間起點(diǎn)無(wú)關(guān)的隨機(jī)過(guò)程。（又稱(chēng)嚴(yán)格平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程）

2.廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的定義：平均值、方差和自相關(guān)函數(shù)等與時(shí)間起點(diǎn)無(wú)關(guān)的隨機(jī)過(guò)程。2.6隨機(jī)過(guò)程160二、平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程

3.

廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的性質(zhì)：（1）（2）（3）

嚴(yán)格平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程一定也是廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。但是，廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程就不一定是嚴(yán)格平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。2.6隨機(jī)過(guò)程161三、各態(tài)歷經(jīng)性

按照定義求一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程X(t)的平均值和相關(guān)函數(shù)，需要對(duì)隨機(jī)過(guò)程的所有實(shí)現(xiàn)計(jì)算統(tǒng)計(jì)平均。實(shí)際上做不到。若一個(gè)隨機(jī)過(guò)程具有各態(tài)歷經(jīng)性，它的統(tǒng)計(jì)平均就等於時(shí)間平均。2.6隨機(jī)過(guò)程1622.

隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特徵：（1）統(tǒng)計(jì)平均值：（2）方差：（3）自相關(guān)函數(shù)：2.6隨機(jī)過(guò)程163

時(shí)間平均

a.

b.

2.6隨機(jī)過(guò)程--各態(tài)歷經(jīng)性164三、各態(tài)歷經(jīng)性

1.“各態(tài)歷經(jīng)”的含義：平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的一個(gè)實(shí)現(xiàn)能夠經(jīng)歷此過(guò)程的所有狀態(tài)。

2.各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程（遍曆性過(guò)程）的定義：

（1）如果一個(gè)隨機(jī)過(guò)程X(t)，它的各種時(shí)間平均（時(shí)間足夠長(zhǎng)）依概率“1”收斂於相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)平均，則稱(chēng)過(guò)程X(t)具有嚴(yán)格遍曆性，並稱(chēng)此過(guò)程為嚴(yán)格遍曆性過(guò)程。

2.6隨機(jī)過(guò)程165

（2）設(shè)X(t)是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，

a.如果依概率1成立，則稱(chēng)過(guò)程X(t)的均值具有各態(tài)歷經(jīng)性。

b.如果

依概率1成立，則稱(chēng)過(guò)程X(t)的自相關(guān)函數(shù)具有各態(tài)歷經(jīng)性。若在τ=0時(shí)，上式成立，則稱(chēng)過(guò)程X(t)的均方值具有各態(tài)歷經(jīng)性。2.6隨機(jī)過(guò)程--各態(tài)歷經(jīng)性166

（2）設(shè)X(t)是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，

c.

如果過(guò)程X(t)的均值和自相關(guān)函數(shù)都具有遍曆性，則稱(chēng)X(t)是寬（廣義）遍曆性過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)遍曆過(guò)程或各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程。推廣到一般情況，為求各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程的每個(gè)數(shù)字特徵，無(wú)需做無(wú)限多次的觀察，只需做一次推廣，用時(shí)間平均代替統(tǒng)計(jì)平均即可。大大簡(jiǎn)化了計(jì)算。2.6隨機(jī)過(guò)程167（3）一個(gè)隨機(jī)過(guò)程若具有各態(tài)歷經(jīng)性，則它必定是嚴(yán)格平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。但是，嚴(yán)格平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程就不一定具有各態(tài)歷經(jīng)性。2.6隨機(jī)過(guò)程1683.穩(wěn)態(tài)通信系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)性：

假設(shè)信號(hào)和雜訊都是各態(tài)歷經(jīng)的。一階原點(diǎn)矩mX

=E[X(t)]－是信號(hào)的直流分量；一階原點(diǎn)矩的平方mX

2－是信號(hào)直流分量的歸一化功率；二階原點(diǎn)矩E[X2(t)]－是信號(hào)歸一化平均功率；二階中心矩

X2

－是信號(hào)交流分量的歸一化平均功率;2.6隨機(jī)過(guò)程1693.穩(wěn)態(tài)通信系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)性：假設(shè)信號(hào)和雜訊都是各態(tài)歷經(jīng)的。二階原點(diǎn)矩的平方根{E[X2(t)]}1/2

－是信號(hào)電流或電壓的 均方根值（有效值）；若mX

=mX

2=0，則

X2=E[X2(t)]；標(biāo)準(zhǔn)偏差

X

－是信號(hào)交流分量的均方根值；若mX=0，則

X就是信號(hào)的均方根值。2.6隨機(jī)過(guò)程1702.6隨機(jī)過(guò)程例[2.7]：設(shè)隨機(jī)過(guò)程式中，a、ω0

皆為常數(shù)，φ是在（0,2π）上均勻分佈的隨機(jī)變數(shù)。試問(wèn)：(1)X(t)是否是平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程？為什麼？

(2)X(t)是否具有遍曆性？1712.6隨機(jī)過(guò)程解：(1)隨機(jī)變數(shù)Φ的概率密度為因而，過(guò)程X(t)的均值、自相關(guān)函數(shù)和均方值分別為所以，X(t)是廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。1722.6隨機(jī)過(guò)程(2)因?yàn)閷?duì)照（1）和（2）的結(jié)果可知，X(t)具有寬遍曆性。1732.6隨機(jī)過(guò)程四、平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度

1.自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)a.b.c.d.e.1742.6隨機(jī)過(guò)程2.功率頻譜密度的性質(zhì)

(1)確知信號(hào)的功率譜密度：

(2)類(lèi)似地，平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的功率譜密度為：

(3)平均功率1753.自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度的關(guān)係

由 式中，

令

=t–t’，k=t+t’，則上式可以化簡(jiǎn)成

於是有2.6隨機(jī)過(guò)程176上式表明，PX(f)和R(

)是一對(duì)傅裏葉變換：4.PX(f)的性質(zhì)：a.

PX(f)

0,並且PX(f)是實(shí)函數(shù)。b.

PX(f)＝PX(-f)，即PX(f)是偶函數(shù)。2.6隨機(jī)過(guò)程177【例2.8】設(shè)有一個(gè)二進(jìn)位數(shù)字信號(hào)x(t)，如圖所示，其振幅為+a或-a；在時(shí)間T內(nèi)其符號(hào)改變的次數(shù)k服從泊松分佈。式中，

是單位時(shí)間內(nèi)振幅的符號(hào)改變的平均次數(shù)。試求其相關(guān)函數(shù)R(

)和功率譜密度P(f)。2.6隨機(jī)過(guò)程+a-ax(t)

tt0t-

178

解：將此二進(jìn)位數(shù)字信號(hào)看成是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，則自相關(guān)函數(shù)為：

由圖可以看出，乘積x(t)x(t-

)只有兩種可能取值：a2

或-a2。因此，上式可以化簡(jiǎn)為：

R(

)=a2

[a2出現(xiàn)的概率]+(-a2)

[(-a2)出現(xiàn)的概率]

式中，“出現(xiàn)的概率”可以按上述泊松分佈P(k)計(jì)算，若在

秒內(nèi)x(t)的符號(hào)有偶數(shù)次變化，則出現(xiàn)+a2;

若在

秒內(nèi)x(t)的符號(hào)有奇數(shù)次變化，則出現(xiàn)-a2。因此，

2.6隨機(jī)過(guò)程1792.6隨機(jī)過(guò)程

用

代替泊松分佈式中的T，得到

由於在泊松分佈中

是時(shí)間間隔，所以它應(yīng)該是非負(fù)數(shù)。所以，上式中當(dāng)

取負(fù)值時(shí)，上式應(yīng)當(dāng)改寫(xiě)成

將上兩式合併，最後得到：180

其功率譜密度P(f)可以由其自相關(guān)函數(shù)R(

)的傅裏葉變換求出：

P(f)和R(

)的曲線(xiàn)：2.6隨機(jī)過(guò)程181【例2.9】設(shè)一隨機(jī)過(guò)程的功率譜密度P(f)如圖所示。試求其自相關(guān)函數(shù)R(

)。

2.6隨機(jī)過(guò)程182解：∵功率譜密度P(f)已知， ∴

式中，

自相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn)：2.6隨機(jī)過(guò)程183【例2.10】試求白雜訊的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度。

解：白雜訊是指具有均勻功率譜密度Pn(f)的雜訊，即Pn(f)＝n0/2，式中，n0為單邊功率譜密度（W/Hz），白雜訊的自相關(guān)函數(shù)可以從它的功率譜密度求得:

由上式看出，白雜訊的任何兩個(gè)相鄰時(shí)間（即

0時(shí)）的抽樣值都是不相關(guān)的。

2.6隨機(jī)過(guò)程184

白雜訊的平均功率:

上式表明，白雜訊的平均功率為無(wú)窮大。

Pn(f)n0/20fRn(

)n0/2

02.6隨機(jī)過(guò)程1852.6隨機(jī)過(guò)程【例2.11】帶限白雜訊的功率譜密度和自相關(guān)函數(shù)。解：帶限白雜訊：帶寬受到限制的白雜訊帶限白雜訊的功率譜密度： 設(shè)白雜訊的頻帶限制在(-fH,fH)之間，則有

其自相關(guān)函數(shù)為：

1862.6隨機(jī)過(guò)程【例2.11】帶限白雜訊的功率譜密度和自相關(guān)函數(shù)。

波形：

n0/2Pn(f)0f-fHfHRn(

)

01/2fH-1/2fH1872.6隨機(jī)過(guò)程【例2.12】求隨機(jī)相位正弦波自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度。式中，ω0是常數(shù)；θ是在區(qū)間（0，2π）上均勻分佈的隨機(jī)變數(shù)。1881892.7高斯過(guò)程（正態(tài)隨機(jī)過(guò)程）一、定義：1.

一維高斯過(guò)程的概率密度： 式中，a=E[X(t)]為均值

2=E[X(t)-a]2為方差

為標(biāo)準(zhǔn)偏差∵高斯過(guò)程是平穩(wěn)過(guò)程，故 其概率密度pX(x,t1)與t1無(wú)關(guān) 即，pX(x,t1)＝pX(x)pX(x)的曲線(xiàn)：1902.高斯過(guò)程的嚴(yán)格定義：

一個(gè)隨機(jī)過(guò)程的任意n維聯(lián)合概率密度滿(mǎn)足：

式中，ak為xk的數(shù)學(xué)期望（統(tǒng)計(jì)平均值）；

k為xk的標(biāo)準(zhǔn)偏差；

2.7高斯過(guò)程1912.高斯過(guò)程的嚴(yán)格定義：|B|為歸一化協(xié)方差矩陣的行列式;|B|jk為行列式|B|中元素bjk的代數(shù)餘子式；bjk為歸一化協(xié)方差函數(shù)，即2.7高斯過(guò)程1923.n維高斯過(guò)程的性質(zhì)(1)pX(x1,x2,…,xn;t1,t2,…,tn)僅由各個(gè)隨機(jī)變數(shù)的數(shù)學(xué)期望ai、標(biāo)準(zhǔn)偏差

i和歸一化協(xié)方差bjk決定，因此它是一個(gè)廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。(2)

若x1,x2,…,xn等兩兩之間互不相關(guān)，則有當(dāng)jk時(shí)，bjk=0。這時(shí)，即，此n維聯(lián)合概率密度等於各個(gè)一維概率密度的乘積。2.7高斯過(guò)程1933.n維高斯過(guò)程的性質(zhì)注意：

若兩個(gè)隨機(jī)變數(shù)的互相關(guān)函數(shù)等於零，則稱(chēng)為兩者互不相關(guān)；若兩個(gè)隨機(jī)變數(shù)的二維聯(lián)合概率密度等於其一維概率密度之積，則稱(chēng)為兩者互相獨(dú)立。互不相關(guān)的兩個(gè)隨機(jī)變數(shù)不一定互相獨(dú)立?；ハ嗒?dú)立的兩個(gè)隨機(jī)變數(shù)則一定互不相關(guān)。(3)

高斯過(guò)程的隨機(jī)變數(shù)之間既互不相關(guān)，又互相獨(dú)立。

2.7高斯過(guò)程194二、正態(tài)概率密度的性質(zhì)1.

p(x)對(duì)稱(chēng)於直線(xiàn)x=a，即有：2.

p(x)在區(qū)間(-

,a)內(nèi)單調(diào)上升，在區(qū)間(a,

)內(nèi)單調(diào)下降，並且在點(diǎn)a處達(dá)到其極大值

3.當(dāng)x

-

或x

+

時(shí)，p(x)

0。

4.5.若a=0,

=1，則稱(chēng)這種分佈為標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分佈：

2.7高斯過(guò)程195三、正態(tài)分佈函數(shù)將正態(tài)概率密度函數(shù)的積分定義為正態(tài)分佈函數(shù)

：式中，

(x)稱(chēng)為概率積分函數(shù)：此積分不易計(jì)算，通常用查表方法計(jì)算。

2.7高斯過(guò)程196四、用誤差函數(shù)表示正態(tài)分佈1.誤差函數(shù)定義：2.補(bǔ)誤差函數(shù)定義：

3.正態(tài)分佈表示法：2.7高斯過(guò)程197頻率近似為fc2.8窄帶隨機(jī)過(guò)程一、基本概念

1.何謂窄帶?

設(shè)隨機(jī)過(guò)程的頻帶寬度為

f，中心頻率為fc。若

f<<fc，則稱(chēng)此隨機(jī)過(guò)程為窄帶隨機(jī)過(guò)程。

2.窄帶隨機(jī)過(guò)程的波形和表示式（1）波形和頻譜：198（2）表示式

式中，aX(t)－窄帶隨機(jī)過(guò)程的隨機(jī)包絡(luò)；

X(t)－窄帶隨機(jī)過(guò)程的隨機(jī)相位；

0－正弦波的角頻率。

上式可以改寫(xiě)為： 式中， －X(t)的同相分量

－X(t)的正交分量

2.8窄帶隨機(jī)過(guò)程頻率近似為fc199二、窄帶隨機(jī)過(guò)程的性質(zhì)

1.Xc(t)和Xs(t)的統(tǒng)計(jì)特性：設(shè)X(t)是一個(gè)均值為0的平穩(wěn)窄帶高斯過(guò)程，則a.Xc(t)和Xs(t)也是均值為