一、绪论知识

1、信号的描述、分类和常见的信号

  • 通信系统:信源→信道→信宿
  • 消息与信号:
    • 消息是信号的具体内容
    • 信号是消息的表现形式
  • 信号处理:
    • 目的:更好的进行信号传输与交换
    • 方法:去除噪声与干扰,将信号变为更容易接收的形式
  • 信号的描述方法:
    • 数学表达式
    • 图示
    • 频谱描述
  • 信号的分类:
    • 确定性信号/随机信号
    • 周期信号/非周期信号
    • 连续时间信号/离散时间信号
  • 典型信号举例:
    • 指数信号

      • 单边指数衰减信号
    • 正弦信号
      • 指数衰减的正弦信号
    • Sa信号
    • 高斯信号(钟形信号)
  • 信号的运算:
    • 移位:时域平移
    • 反褶
    • 尺度变换
    • 相加相乘
    • 求导积分
  • 阶跃信号与冲激信号:
    • 单位斜变信号→求导→单位阶跃信号→求导→单位冲激信号→求导→冲激偶信号
    • 冲激信号具有筛选特性,用狄拉克函数δ(t)表示
      • δ(t)是偶函数
      • δ(t)包含面积为1
    • 冲激偶信号δ’(t):
      • δ’(t)是奇函数
      • δ’(t)包含面积为0
      • 同样具有筛选特性,筛选结果为 -f’(t0)

2、信号的分解方法,系统模型和分类

  • 信号的分解:

    • 直流分量 & 交流分量
    • 偶分量 & 奇分量
    • 脉冲分量 & 阶跃分量
    • 实部分量 & 虚部分量
    • 正交函数分解:各个组成分量相互正交
      • 傅里叶级数展开
  • 系统的表示方法:

    • 图形符号表示:电路图
    • 数学公式表示:微分方程(连续系统)、差分方程(离散系统)
    • 方框图表示
  • 系统的分类:

    • 线性/非线性:叠加性 & 齐次性
    • 时变/时不变:激励和响应对时间移位反应一致
      • 线性时不变具有微分特性
    • 因果/非因果:因果:t0时刻的响应只与t0时刻前的输入有关
    • 稳定/不稳定:输入输出有界
    • 连续/离散
    • 可逆/不可逆
    • 集总参数/分布参数:集总参数元件(宏观电路)、分布参数元件(波导、传输线等)
    • 动态/即时:动态:系统状态随时间而变化

二、连续时间系统的时域分析

1、时间域方法

  • 直接求解微积分方程:

    • 微分方程的建立:

      • 元器件的特性约束方程
      • 基尔霍夫电压/电流定律
    • 微分方程的求解:
      • 求齐次解:指数函数的线性组合
      • 特解:只与激励函数形式有关
      • 完全解:给定边界条件,确定系数,得得到完全解
    • 注意需要确定初始状态:
      • 物理方法:无冲激电流时,电容两端电压不发生跳变;无冲激电压时,通过电感的电流不发生跳变
      • 数学方法:
        • δ函数匹配法:左右两端的奇异函数平衡
    • 零输入响应:内部储能引起的响应
    • 零状态响应:仅由外加激励引起的响应
      • 包含特解+齐次解的一部分
    • 自由响应:同时依赖于起始状态和激励信号,输入为零时,自由响应不一定为0,冲激信号也会导致自由响应
    • 零状态线性:起始状态为0,系统零状态响应对于激励信号呈线性
    • 零输入线性:激励为0时,系统的零输入响应对于起始状态呈线性
  • 冲激响应:系统输入信号为冲激信号时的响应

    • 冲激信号下特解为0,冲激响应是齐次解
    • 由系统自身决定,反映了系统的特性
  • 由冲激响应求解零状态响应
    • 零状态响应 = 激励信号 卷积 冲激响应
    • 卷积求解:
      • 反褶
      • 位移
      • 相乘
      • 积分
  • 关于卷积:
    • 代数性质:交换律、分配律、结合律
    • 拓扑性质:两信号卷积后的导数(积分)等于一个的导数(积分)与另一个的卷积
    • 位移性质
    • 与δ函数卷积,筛选特性
  • 卷积消除多径失真:
    • 多径失真:接收信号包含激励信号的延时分量
    • 消除方法:卷积法设计逆系统

三、傅里叶变换

1、傅里叶级数展开,狄利克雷条件:

  • 狄利克雷条件:

    • 间断点数目有限
    • 极大极小值数目有限
    • 绝对可积
    • 狄利克雷条件是傅里叶展开的充分条件
      • 奇异函数等不满足绝对可积的信号也存在傅里叶变换
  • 傅里叶级数的形式:
    • 三角函数形式
    • 指数形式
  • 函数对称性:
    • 偶函数:sin的系数为0
    • 奇函数:cos的系数为0
    • 奇谐函数:偶数项sin、cos的系数都为0
  • 周期信号频谱:
    • 周期信号的频谱离散
    • 周期越大,频谱越密,周期趋于无穷时,非周期信号,频率为连续谱
    • 周期矩形脉冲:
      • 矩形波信号的傅里叶变换是Sa
      • 周期矩形脉冲的傅里叶变换是Sa的抽样

2、 傅里叶变换

  • 傅里叶级数的缺点:

    • 只能分析周期信号
    • 不能分析奇异信号
    • 不能研究系统性能
  • 傅里叶级数→周期无穷(非周期信号)→积分→傅里叶变换
    • 非周期信号包含所有频谱分量
  • 傅里叶变换的属性:可逆性、对称性
  • 典型非周期信号的傅里叶变换:
    • 见下页
  • 傅里叶变换的性质:
    • 见下页

3、周期信号和抽样信号的傅里叶变换

  • 周期信号的傅里叶级数和变换:

    • 周期信号展成傅里叶级数:
    • 两侧同时做傅里叶变换:
  • 抽样信号:

    • 时域抽样:

      • 抽样脉冲序列是周期信号
      • 抽样信号=抽样脉冲×原信号
      • 使用卷积定理
      • 时域抽样等效于频域的频谱周期重复
      • 类型:矩形脉冲抽样 & 冲激抽样
    • 频域抽样:
      • 频域抽样等效于时域的周期延拓
  • 抽样定理:

    • 时域抽样定理:

      • 带限信号s(t)频率在f之内,那么抽样频率最低为2f时,能够根据抽样结果完全恢复得到原s(t)
      • 最低抽样频率为奈奎斯特频率
    • 频域抽样定理:
      • 时间受限信号时间在[-t,t]内,那么频率间隔最大为1/2t进行抽样,那么抽样后的频谱可以完全恢复得到原频谱

4、如何从矩形脉冲选择它的各次谐波分量?

  • 基波分量:带通滤波器
  • 2w:对称方波只含奇次谐波,偶次谐波为0
    • 用奇偶分量变出2倍频:

      • 半波整流
      • 全波整流
      • 平方运算
      • 乘法运算:一次谐波与三次谐波相乘
      • 施密特触发器
      • 跳变频率
      • 数字电路
  • 3w:带通滤波器

四、拉普拉斯变换 & s域分析

1、拉普拉斯变换

  • 拉普拉斯变换的优点:

    • 将微分和积分运算转换为乘法和除法运算
    • 初始条件自动包含在变换式里,避开0-、0+的麻烦
    • 系统函数零极点分布可以直观表达系统性能的诸多规律
  • 拉普拉斯变换的缺点:
    • 物理概念被淡化
    • 只能用于线性时不变系统
    • 拉普拉斯变换不是处处存在的
  • 拉氏变换存在的条件:
    • 原函数分段连续而且为指数阶函数(能被一个指数的衰减趋势约束)
  • 单边拉氏变换、双边拉氏变换
  • 拉普拉斯算子:
    • 微分用算子表示
    • 不能做代数运算
  • 常用的拉普拉斯变换:
  • 拉普拉斯变换的基本性质:见下页

2、拉普拉斯逆变换及拉普拉斯的应用

  • 拉普拉斯逆变换的求解方法

    • 部分分式分解法
    • 留数法
  • s域元件模型分析电路:
    • 将网络每个元件用s域模型代替
    • 直接写出s域变换式
    • 进行逆变换,即可得到时域信号
  • 小结性:各种情况下问题的简化方法
    • 电阻电路:代数方程
    • 正弦稳态:复数代数方程
    • 阶跃信号作用于一阶电路:三要素法
    • 一般线性电路:s域元件模型
  • 系统函数H(s):
    • 系统函数定义:系数零状态响应的拉氏变换与激励的拉氏变换之比

3、系数函数零极点分布得到系统的性质

  • 零极点分布决定时域特性:

    • 若H(s)极点位于左半平面,则h(t)波形为衰减形式
    • 若一阶极点位于虚轴上,则h(t)波形为等幅形式
    • 若极点位于右半平面或二阶虚轴上,则为增长形式
    • 极点相同、零点不同时,衰减趋势和振荡的频率相同,只是幅度和相位有所不同
    • 特征方程行列式的根是系统的固有频率
  • 零极点分布决定频响特性:

    • s平面分析法:根据零极点分布图画出频响特性曲线

  • 二阶谐振系统的s平面分析:

    • 谐振系统:

      • 应用:滤波器 & 振荡器
      • 谐振电路频响特性:

4、全通函数 & 最小相移函数的零极点分布

  • 全通函数–全通系统:

    • 零极点分布:

      • 极点:全部位于左半平面
      • 零点:全部位于右半平面
      • 零点与极点关于虚轴镜像对称
    • 性质:
      • 不影响幅频特性,只改变相频特性
  • 最小相移函数:

    • 定义:零点仅位于左半平面或者虚轴的系统函数
    • 非最小相移函数:系统函数右半平面有一个或多个零点
    • 非最小相移函数可表示为最小相移函数与全通函数的级联

5、线性系统的稳定性:

  • 稳定性是系统自身性质,与激励源无关‘

  • BIBO稳定性:

    • 系统对于每个有界输入必然产生有界输出
    • 充要条件:
  • s域极点与稳定性的关系:

    • 稳定系统:极点在左半平面
    • 不稳定系统:右半平面有极点,或虚轴上有二阶以上的极点
    • 临界稳定系统:虚轴上有一阶极点
      • 临界稳定不满足BIBO稳定

6、双边拉氏变换

  • 优点:与傅里叶变换和z变换完美对应
  • 缺点:变换的每一步都要注明收敛域
    • 统一形式可能原函数不一样,必须注明收敛域
  • 双边与单边的区别:
    • 双边变换没有初值定理,其他性质相同
    • 双边适合计算非因果信号响应,单边适合因果信号激励

7、傅里叶变换、单边拉氏变换、双边拉氏变换的关系

  • 傅里叶变换与拉普拉斯变换的关系:

    • 傅里叶变换是虚轴上的拉普拉斯变换
    • 虚轴上有一阶极点,则傅里叶变换有冲激函数
    • 虚轴上有多重极点,傅里叶变换出现冲激函数各阶导数

五、傅里叶变换应用于通信系统

1、傅里叶变换的性质及与之对应的功能和应用

  • 傅里叶变换的意义:

    • 系统对输入信号的每个频谱分量进行加权,加权后的各个分量再组合在一起,就是系统响应。

2、无失真传输

  • 失真问题(两类);

    • 使得失真尽可能小→无失真
    • 故意产生失真→形成特定波形
  • 失真:线性失真 & 非线性失真

  • 无失真传输:

    • 线性失真:幅度失真 + 相位失真

      • 全通函数:幅度无失真,只有相位失真
    • 无失真条件:
      • 幅频响应和群延时都是常数

  • 利用失真形成特定波形:

    • 引入延时
    • 生成升余弦脉冲

3、理想低通滤波器

  • 频域特性:

    • 频域矩形
    • 时域Sa函数信号:非因果系统
  • 阶跃响应:
    • 上升时间 = 1/B,其中B为系统带宽或单边带宽
    • 上升时间与带宽成反比,带宽越宽,上升时间越短
  • 矩形脉冲响应:
    • 两个阶跃响应的叠加
    • Gibbs现象:跳变点处的峰起趋近于9%
    • 增大带宽,可以使上升时间减小,但不会改变9%的过冲
  • 窗函数:使波形无过冲
    • 升余弦窗
    • Hanning窗
    • Hamming窗
    • Blackman窗
    • Kaiser窗

4、系统的物理可实现性

  • 时域描述物理可实现性:低通滤波器

  • 频域描述物理可实现性:

    • 幅度满足平方可积
    • Paley-Wiener准则:必要条件不是充分条件
  • 希尔伯特变换的约束:

    • 实虚部互相约束,不能任意给定
    • 实部是虚部的希尔伯特变换,虚部是实部的希尔伯特逆变换

5、调制与解调

  • 调制和解调的目的/重要性:

    • 传输得更远
    • 降低成本和体积
    • 多路复用,为了实现同一介质传输多个信号
  • 抑制载波调制:

    • 调制:乘调制信号,频谱搬移
    • 解调:本地波乘调制信号,频谱搬回,低通滤波
    • 缺点:不发送载波,同步解调需要本地载波,接收机复杂
    • 典型应用:卫星通信
  • 调幅:

    • 包络体现调制信号
    • 解调:同步解调或者包络检波解调
    • 优点:省去本地载波,简化接收设备
    • 代价:增大了载波功率
    • 典型应用:广播收音机
  • 调频:

    • 控制载波的频率
  • 调相:

    • 控制载波的相位
  • 单边带调制:

    • 只发半个边带,由于频移特性,在接收端能恢复
    • 优点:节省频带
    • 缺点:边带滤波器不易制作(相移法解决该问题)
    • 典型应用:短波通信、跳频电台
  • 残留边带调制:

    • 为保证合成后可恢复,要求边带滤波器左右斜对称
    • 优点:滤波器容易实现
    • 典型应用:电视图像信号

6、从抽样信号恢复连续时间信号

  • 冲激抽样:

    • 抽样信号的频谱是原信号频谱的周期延拓
  • 零阶抽样保持:
    • 取值保持一段时间(用直线代替)
    • 为了恢复原信号,需要通过带补偿的低通滤波器
  • 一阶抽样保持:
    • 两个抽样点之间连线(用斜线代替)
    • 为了恢复原信号,需要通过带补偿的低通滤波器
  • 欠抽样:产生混叠现象

7、脉冲编码调制:PCM

  • 脉冲幅度调制:

    • 将连续信号抽样,转换为脉冲序列,每个脉冲幅度与抽样点信号幅度成正比
  • 脉冲编码调制:
    • 将PAM信号量化为数字信号,并且进行二进制编码
    • 抽样→量化→编码→传输

8、频分复用与时分复用

  • 时分复用:把时域资源分割
  • 码速与带宽:
    • 减小传输信号失真,提高抽样率,增加量化比特数,但是这样会增加信号带宽
    • 消除码间串扰:最理想是使用Sa函数码元
  • 当代电信网络:
    • 电话:频分复用
    • 调制解调器:FSK、PSK、PAM
    • ISDN:综合业务数字网
    • ADSL:非对称数字用户环路调制解调器:QAM
    • 集群用户
    • 公共交换机
    • 三网融合

六、信号的矢量空间分析

1、矢量空间和正交函数/完备正交函数

  • 信号矢量空间
  • 信号的正交函数分解
  • 完备正交函数集
  • 帕塞瓦尔定理:
    • 数学解释:内积不变性/范数不变性
    • 物理解释:能量守恒/功率不变
  • 傅里叶变换的另一种理解:
    • 复指数函数作为基函数(完备正交基)
    • 傅里叶函数是原函数在基函数上投影的长度
  • DCT:离散余弦变换
  • JPEG编码:
    • 流程:

      • 原始图→分块→二维DCT→量化→(zigzag扫描)→熵编码

12、相关

  • 能量信号:能量存在且取有限值的信号
  • 功率信号:能量不存在功率存在的信号
  • 相关系数:两个信号归一化之后做内积
  • 相关函数/自相关函数
  • 相关和卷积的关系:
    • 积分运算的区别:

      • 相关:不反褶,只需要移位取共轭
      • 卷积:先反褶,再移位
  • 正弦函数和余弦函数的自相关函数都是正弦函数
  • 相关函数:

3、能量谱和功率谱

  • 能量谱密度:

    • 能量谱没有相位信息,只保持了幅度信息

  • 功率谱:

    • 能量不受限,但功率受限
  • 维纳-欣钦定理:自相关函数和能量谱构成变换对

  • 信号通过线性系统:

    • 响应的自相关 = 系统的自相关 卷积* 激励的自相关函数

4、匹配滤波器/码分复用、多址

  • 目的:抑制噪声,匹配接收
  • 匹配滤波器冲激响应:h(t) = e(T - t)
  • 码分复用:
    • 使用正交码区分各路信号
    • 占用的频带、时间可以重叠
    • 优点:抗干扰性好、系统容量大、接收机简单
  • 码分多址传输系统:
    • 两次调制:

      • 信息调制
      • 扩频调制
    • 两次解调:
      • 解扩频
      • 信息解调
  • 码分复用系统的缺点:
    • 远近效应:离基站近的终端能干扰远的终端

5、通信专题

  • 模拟通信与数字通信

    • 模拟通信的缺点:

      • 传输距离有限,同时放大了噪声
      • 适合语音传输
      • 模拟器件不易集成化,系统维护困难
      • 模拟信号不易保密
    • 数字通信结构:
      • 调制:模数转换→信源编码→信道编码→数字调制
      • 经过信道传输
      • 解调:数字解调→信道译码→信源解码→数模转换
  • 信道容量:C = 2Blog2(V)
    • B是信道带宽
    • V是量化电平数目
    • 提高信道容量的方法:
      • 提高量化电平数V,但是电平间隔越小,对噪声越敏感
      • 提高传输带宽B
    • 信道容量不能无限提高:
      • 带宽必定有限
      • 实际功率有限,最大电平幅度有限,电平间隔不能太小
    • 有噪声下的信道容量:

      • 提高信道容量:

        • 提高带宽
        • 提高信噪比:提高发射机功率、减小噪声功率
  • 点对点通信:
    • 目标:提高频谱利用率,达到信道容量
    • 信源编码:去除冗余降码率
      • 无损编码(熵编码):例,哈夫曼编码
      • 有损编码:本质是量化,损失部分信号是可接受的
    • 信道编码:增加冗余抗干扰
      • 发端加入冗余,收端进行校验甚至纠正

        • 重复编码
      • 信道编码的实质:
        • 编码效率与纠错能力成反比
        • 编码效率的极限是香农限
    • 调制解调:提高带宽利用率、适应信道特性
  • 高级通信技术:
    • 扩频通信
    • 跳频通信
    • 正交频分复用
      • 优点:

        • 带宽利用率高
        • 频率选择性信道
        • 容易实现
      • 缺点:
        • 功率利用率不高
        • 对功放的线性要求苛刻
        • 同步要求高
        • 受多普勒频移影响严重
  • 多用户接入:
    • 抢占方式

      • 带协商的抢占
      • 非协商的抢占:博弈论
    • 非抢占方式:没有冲突,保证通信质量

七、离散时间系统

1、 常见的典型序列:

  • 单位样值信号
  • 单位阶跃序列
  • 矩形序列
  • 斜变序列
  • 单边指数序列
  • 正弦序列
  • 复指数序列

2、常系数线性差分方程的求解

  • 迭代法:

    • 缺点:没有闭式解
    • 优点:提供了硬件实现的直观方法
  • 齐次解与特解之和
  • 零输入与零状态之和
  • z变换法
  • 状态变量法

3、离散时间的卷积与解卷积

  • 零状态响应:输入序列和单位样值响应的卷积和
  • 解卷积问题:
      1. 信号重建:在y(n) = h(n)*x(n)中,已知y(n)和h(n),求解x(n)
      1. 系统辨识:在y(n) = h(n)*x(n)中,已知y(n)和x(n),求解h(n)

八、z变换

1、 z变换的基本知识

  • z变换在离散时间系统中的作用←→拉普拉斯变换在连续时间系统中的作用

  • 拉氏变换侧重于单边,因为连续系统中非因果信号和系统的应用很少;开三系统非因果有一些应用,所以单双边都兼顾

  • 典型信号的拉氏变换和z变换对比:

  • z变换的收敛域

    • z变换必须标明收敛域
    • z变换的收敛规律
  • 逆z变换的求解方法:

    • 部分分式分解法:与拉氏逆变换求解类似
    • 幂级数展开法/长除法
    • 围线积分法/留数法
  • z变换的基本性质(挑选重要的几个):

  • 单边z变换和双边z变换

2、z变换的分析和应用

  • z变换与拉普拉斯变换的关系

    • s平面上的虚轴对应于z平面的单位圆
  • z变换求解差分方程:
    • 利用线性和位移性将差分方程转化为代数方程
    • 求解代数方程
    • 对解求逆变换,得到表达式

3、离散系统的系统函数H(z)对系统分析

  • H(z)极点位置与h(n)波形的对应关系

  • 由极点分布和收敛域判断系统稳定性:

    • 系统稳定的充分条件:单位样值响应绝对可和
    • 必要条件:收敛于包括单位圆
  • 由极点分布和收敛于判断系统因果性:

    • 充要条件:n<0时,h(n)=0
    • H(z)收敛域包含无穷远点
  • 因果稳定系统:

    • 全部极点落在单位圆内

4、序列的傅里叶变换

  • 离散时间傅里叶变换:

    • 用途:研究离散系统频率响应特性

    • DTFT是单位圆上的z变换

  • 离散时间系统的频率响应:

    • 幅频响应、相频响应
    • 几何法求频响

5、z变换的应用实例

  • 数字滤波器

    • 目的:对输入信号进行处理,达到改变信号频谱的目的

    • 数字滤波器的频率响应,作用:对输入连续信号的频谱进行加权修正

    • 分类:

      • 递归式/非递归式
      • 无限冲激响应IIR、有限冲激响应FIR
    • 冲激响应不变法:

      • 连续情形的滤波器对应到离散系统:

  • z变换应用实例:

    • 模拟式自激振荡器:

      • 正反馈放大器
      • LC谐振电路或RC选频网络
      • 系统函数极点位于s平面虚轴上
    • 数字式自激振荡器:
      • 系统函数极点位于z平面单位圆上
      • 优点:体积小、标准化、可编程

九、反馈系统

  • 反馈:利用系统的输出,控制和调整系统自身的输入,即可产生反馈效应
  • 反馈的功能:调节输出跟踪输入,消除外界干扰或系统自身参数变动的影响
  • 信号流图:代数方程的图形化表示
    • 用一些点和支路构成的图形描述系统
    • 变量可以是变换域或时域,系统可以是离散或连续时间
    • 优点:图形表示和简化,能直接写出转移函数
    • 性质:
      • 系统与信号流图之间不是一一对应的
      • 流图转置之后,转移函数保持不变
  • 梅森公式(两类问题):
    • 根据流图方便地求出输入与输出之间的转移函数
    • 根据转移函数绘制流图

十、系统的状态变量分析

1、状态方程和输出方程

  • 状态方程:

    • 便于表示多输入、多输出
    • 易用于非线性、时变系统
    • 便于计算机处理
  • 连续时间系统状态方程的求解
    • 拉普拉斯变换解法
    • 时域解法:矩阵指数
    • 状态方程和转移函数
  • 离散时间系统状态方程的求解
    • 时域迭代法求解
    • z变换求解
  • 状态矢量的线性变换
    • A B C D
    • A矩阵对角化说明系统变换成并联结构
    • 由状态方程判断系统稳定性:
      • 连续时间:A的特征值全在s平面左半平面
      • 离散时间:A的特征值全在z平面单位圆内
  • 系统的可控制性与可观测性:
    • 可控性:给定起始状态,可以找到容许的输入量,在有限时间内吧系统所有状态引向零状态

      • 可控性只与矩阵A、B有关
      • 在A对角化形式中,若B不含零元素,则完全可控
    • 可观性:给定输入后,能在有限时间内根据系统输出唯一确定系统的起始状态

      • 可观性只与矩阵A、C有关
      • 在A对角化形式中,若C不含零元素,则完全可观
    • 最小实现:只实现可观可控的部分称为最小实现

      • 框图、流图和状态方程是对系统的全面描述
      • 化简后的传递函数只反映了系统中可观可控的部分

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