现代通信原理(02信息-1)补充.ppt

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1、通信原理西南科技大学信息工程学院现代通信原理现代通信原理二、信号、噪声与信息论二、信号、噪声与信息论(1)(1)通信原理西南科技大学信息工程学院单元概述单元概述 信信源源、信信道道和和信信宿宿是是通通信信系系统统不不可可缺缺少少的的三三个个组组成成部部分分。通通信信的的目目的的是是将将信信源源产产生生的的信信息息传传递递给给信信宿宿，然然而而，在在存存在在干干扰扰的的实实际际信信道道中中传传输输时时，其其最最高高信信息息传传输输率率受受到到限限制制。香香农农（SHANNONSHANNON）信信息息论论的的信信道道容容量量公公式式从从理理论论上上阐阐明明了了信信道道容容量量、信信道道带带宽宽和和

2、信信号号-噪噪声声功功率率比比三三者者之之间间的的关关系系，这这正正是是通通信信系系统统研研究究和和设设计者们所追求的目标和面临的挑战计者们所追求的目标和面临的挑战。通信原理西南科技大学信息工程学院单元学习提纲单元学习提纲（1 1）离散信源和连续信源的统计描述；）离散信源和连续信源的统计描述；（2 2）离离散散信信源源的的信信息息量量、条条件件信信息息量量、互互信信息量和平均信息量（熵）的定义和物理意义；息量和平均信息量（熵）的定义和物理意义；（3 3）连连续续信信源源的的平平均均信信息息量量、平平均均互互信信息息量量的定义和物理意义；的定义和物理意义；（4 4）信信息息量量的的单单位位比比特

3、特，比比特特率率与与波波特特率的区别；率的区别；（5 5）有扰信道的信息传输过程；有扰信道的信息传输过程；通信原理西南科技大学信息工程学院（6 6）信信道道容容量量的的定定义义，有有扰扰信信道道的的最最高高信息传输速率；信息传输速率；（7 7）在在掌掌握握上上述述基基本本概概念念基基础础上上，要要求求熟熟记记香香农农信信道道容容量量公公式式，理理解解它它的的物物理理意意义义及及其其对对通通信信系系统统研研究究与与发发展展的的指指导导意义。意义。通信原理西南科技大学信息工程学院通信系统需要研究的三个主要问题通信系统需要研究的三个主要问题:(1)(1)信号的特性；信号的特性；(2)(2)系统的特性

4、；系统的特性；(3)(3)信号通过系统传输时，影响信号的噪声特性。信号通过系统传输时，影响信号的噪声特性。通信原理西南科技大学信息工程学院系统传递函数H()和冲击响应h(t)通信原理西南科技大学信息工程学院2.1 2.1 确知信号分析确知信号分析1 1、数学上，确知信号可表示为一个或多个数学上，确知信号可表示为一个或多个 变量的函数。变量的函数。2 2、不同的信号分类不同的信号分类 确知信号确知信号/随机信号随机信号 周期信号周期信号/非周期信号非周期信号 模拟信号模拟信号/数字信号数字信号 能量信号能量信号/功率信号功率信号通信原理西南科技大学信息工程学院3.3.信号分析方法：信号分析方法：

5、以基本信号之和或积分表示各种复杂信号，以基本信号之和或积分表示各种复杂信号，并对其性质及其对系统的作用进行分析研究。并对其性质及其对系统的作用进行分析研究。频域分析法：正弦信号作为基本信号；频域分析法：正弦信号作为基本信号；时域分析法：冲击函数时域分析法：冲击函数(t)(t)作为基本信号。作为基本信号。通信原理西南科技大学信息工程学院二二.离散频谱和连续频谱离散频谱和连续频谱1.1.连续周期信号的傅里叶级数连续周期信号的傅里叶级数通信原理西南科技大学信息工程学院通信原理西南科技大学信息工程学院连续的周期信号具有离散频谱-傅氏级数0t-0通信原理西南科技大学信息工程学院时域信号时域信号频域信号频

6、域信号连续的连续的周期的周期的非周期的非周期的离散的离散的 若时域周期为若时域周期为T Tp,p,有频域谱线间隔为有频域谱线间隔为2/T2/Tp p通信原理西南科技大学信息工程学院2.2.连续非周期信号的傅里叶变换连续非周期信号的傅里叶变换通信原理西南科技大学信息工程学院通信原理西南科技大学信息工程学院连续的非周期信号具有连续的频谱连续的非周期信号具有连续的频谱-傅氏变换傅氏变换t通信原理西南科技大学信息工程学院时域信号时域信号频域信号频域信号连续的连续的非周期的非周期的非周期的非周期的连续的连续的对称性对称性:时域连续，则频域非周期。时域连续，则频域非周期。反之亦然。反之亦然。通信原理西南科

7、技大学信息工程学院3.3.离散的非周期信号具有连续的频谱离散的非周期信号具有连续的频谱 -序列的傅氏变换序列的傅氏变换x(nT)T-T0T2Tt0-通信原理西南科技大学信息工程学院时域信号时域信号频域信号频域信号离散的离散的非周期的非周期的周期的周期的连续的连续的通信原理西南科技大学信息工程学院4 4、离散的周期信号具有离散频谱、离散的周期信号具有离散频谱 -序列的傅式级数（序列的傅式级数（DFTDFT）x(nT)=x(n)t0 T 2TnNT0 0 1 2 3k通信原理西南科技大学信息工程学院 由上述分析可知，要想在时域和频域都是由上述分析可知，要想在时域和频域都是离散的，那么两域必须是周期

8、的。离散的，那么两域必须是周期的。时域信号时域信号频域信号频域信号离散的离散的周期的周期的周期的周期的离散的离散的通信原理西南科技大学信息工程学院三三.能量谱密度和功率谱密度能量谱密度和功率谱密度1.1.能量谱密度能量谱密度信号波形的能量信号波形的能量规一化能量（电阻值规一化能量（电阻值1W1W）能量信号：能量为有限的信号能量信号：能量为有限的信号(非周期的时间有限信号）非周期的时间有限信号）通信原理西南科技大学信息工程学院当当f(t)f(t)为实函数时为实函数时F(-)=F*()F(-)=F*()上式上式能量谱密度能量谱密度E()=|F()|E()=|F()|2 2 焦耳焦耳/赫兹赫兹通信原

9、理西南科技大学信息工程学院2.2.功率谱密度功率谱密度功率信号：信号在功率信号：信号在-t t+内存在，内存在，具有无穷大能量，但平均功率为有限值。具有无穷大能量，但平均功率为有限值。分析时，先用截短函数将其截为能量信号。分析时，先用截短函数将其截为能量信号。通信原理西南科技大学信息工程学院功率谱密度功率谱密度（瓦特（瓦特/赫兹）赫兹）双边功率谱密度定义在（双边功率谱密度定义在（-，+）单边功率谱密度定义在（单边功率谱密度定义在（0 0，+）通信原理西南科技大学信息工程学院例：试求功率信号为周期性信号时的功率谱密度例：试求功率信号为周期性信号时的功率谱密度解：取截短周期解：取截短周期T=NTT

10、=NT0 0周期信号的功率与信号谱周期信号的功率与信号谱的关系。的关系。通信原理西南科技大学信息工程学院周期信号的功率谱是离散谱。周期信号的功率谱是离散谱。通信原理西南科技大学信息工程学院四四.自相关函数自相关函数1.1.定义定义 表明一个信号与该信号延时后的相似程度。表明一个信号与该信号延时后的相似程度。能量信号能量信号功率信号功率信号通信原理西南科技大学信息工程学院2.2.性质性质实函数的自相关函数是实偶函数，即实函数的自相关函数是实偶函数，即R(-)=R()R(-)=R()信号的自相关函数与其能量谱密度信号的自相关函数与其能量谱密度/功率谱密度构成功率谱密度构成 傅氏变换与反变换的关系。

11、傅氏变换与反变换的关系。通信原理西南科技大学信息工程学院信号的自相关函数在原点的值等于信号的能量信号的自相关函数在原点的值等于信号的能量/功率。功率。自相关函数的最大值出现在原点，即自相关函数的最大值出现在原点，即 R()R(0)R()R(0)通信原理西南科技大学信息工程学院周期信号的自相关函数是其功率谱密度函数的周期信号的自相关函数是其功率谱密度函数的傅氏反变换。傅氏反变换。通信原理西南科技大学信息工程学院2.2 2.2 确定信号通过线性系统确定信号通过线性系统一一.卷积定理卷积定理1.1.时域：时域：通信原理西南科技大学信息工程学院二二.无失真系统和理想低通滤波器无失真系统和理想低通滤波器

12、1.1.无失真系统：无失真系统：y(t)=kf(t-ty(t)=kf(t-t0 0)传输函数传输函数通信原理西南科技大学信息工程学院1.1.无失真系统幅频和相频特性无失真系统幅频和相频特性确知信号通过无失真系统，不同的频率分量具有确知信号通过无失真系统，不同的频率分量具有相同的幅度增益和不同的相移。相同的幅度增益和不同的相移。通信原理西南科技大学信息工程学院2.频域：通信原理西南科技大学信息工程学院2.2.理想低通滤波器理想低通滤波器理想高通滤波器理想高通滤波器(High-pass Filter,HPF)(High-pass Filter,HPF)理想带通滤波器理想带通滤波器(Band-pas

13、s Filter,BPF)(Band-pass Filter,BPF)理想低通滤波器理想低通滤波器(Low-pass Filter,LPF)(Low-pass Filter,LPF)通信原理西南科技大学信息工程学院理想低通滤波器的传递函数和冲击响应通信原理西南科技大学信息工程学院3.3.系统带宽系统带宽:指一个系统的幅频特性指一个系统的幅频特性|H(|H()|)|保持在给保持在给定数值范围内的那段正频率区间。定数值范围内的那段正频率区间。LPF:B=fLPF:B=fm m 要能完整地传送一个信号，信号带宽必须要能完整地传送一个信号，信号带宽必须要小于系统带宽。要小于系统带宽。通信原理西南科技大

14、学信息工程学院实际频谱与有效频谱（有效带宽）实际频谱与有效频谱（有效带宽）通信原理西南科技大学信息工程学院信号的半功带宽信号的半功带宽有了以上的概念，我们现在可以定义信号的半功带宽，这是通用的带宽定义。半功率带宽是信号半功率带宽是信号f(t)一个频率区间，在该区间内的频一个频率区间，在该区间内的频率分量对率分量对f(t)功率的贡献是整个信号功率的一半功率的贡献是整个信号功率的一半。信号的带宽和传输信号的系统的带宽（或者说信道带宽）是有区别的。系统的带宽通常是指系统的频率响应（幅度特性）曲线的幅度保持在其频带中心的取值的 倍（即70%）以内的频率区间，该频率区间宽度是最高分量频率与最低分量频率之差。为了减小系统失真，要求系统有足够的带宽，而且信信号带宽越宽，系统的带宽相应地也要越宽。号带宽越宽，系统的带宽相应地也要越宽。通信原理西南科技大学信息工程学院信号带宽信号带宽通信原理西南科技大学信息工程学院由于信道带宽不足导致数字信号讹误由于信道带宽不足导致数字信号讹误通信原理西南科技大学信息工程学院四四.线性系统输出响应的谱密度线性系统输出响应的谱密度设输入设输入f(t)/F()f(t)/F()，输出输出y(t)=f(t)*h(t)/Y()=F()H()y(t)=f(t)*h(t)/Y()=F()H()1.1.能量信号能量信号通信原理西南科技大学信息工程学院2.2.功率信号功率信号