北邮通信原理ppt
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北邮通信原理课件A-1绪论
信宿/ 收信者
接收设备 传输系统 信道
1.2 通信系统的分类与通信方式
一、通信系统分类 二、通信方式
一、通信系统分类
按消息分：电报系统、电话系统、数据系统、图 象系统 按调制方式分：基带传输、载波传输
连续载波：调幅、调频、调相 脉冲载波：脉幅、脉宽、脉位
按工作波段分：长波、中波、短波、红外 媒质上的信号分：模拟系统、数字系统 传输媒质（信道）分：有线系统（架空明线、对 称电缆、同轴电缆、光纤、波导）、无线系统 （长波、中波、短波、微波、卫星） 按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用
电子电路、数字电路、概率论与随机过程 考核方式：作业15%、小测验25%、期末考试60% 作业：自觉独立完成 基于Matlab的演示实验：自愿学习
课程主要内容
绪论 确知信号分析 随机过程分析 信道 模拟调制系统 数字基带传输系统 数字带通传输系统 信源编码 差错控制编码
五、数字通信系统
信
息 源
信源
编码 器 基 带 数 字 序 列
加
密 器 基 带 数 字 序 列
信道
编码 器 基 带 数 字 信 号
调
制 器
模
拟 信 号
已
调 信 号 道 信
噪 声 源
受
信 者
信源
解码 器
解
密 器
信道
解码 器
解
调 器 同步 系统
信源编/译码器——模数转换；数据压缩；提高传输效率 加/解密器——保密传输 信道编/译码器——差错控制，提高抗干扰能力 调制/解调器——传输、复用 同步——保证收发两端的信号在时间上步调一致 以上各个功能框可根据需要设置（同步必须有）。数字通 信系统的主要内容就是研究这些功能框的实现方法。
理学通信原理北邮
AM
Pm PAM
m2 (t ) A02 m2(t)
（4.2.8）
显然，AM信号的调制效率总是小于1。
《通信原理课件》
[例4.2] 设m(t)为正弦信号，进行 100%的幅度调制，求此时的调制效率。
解：依题意可设 m(t) Am cosmt
而100%调制就是A0 = |m(t)|max 的调制，
《通信原理课件》
出的已调信号功率表达式是相同的。考虑 到本章模拟通信系统的抗噪声能力是由信 号平均功率和噪声平均功率之比（信噪比） 来度量。因此，为了后面分析问题的简便， 我们均假设调制信号（基带信号）为确知 信号。
《通信原理课件》
4.2.2 双边带调制（DSB）
1、DSB信号的模型 在AM信号中，载波分量并不携带信 息，信息完全由边带传送。如果将载 波抑制，只需在图4.2 中将直流A0去 掉，即可输出抑制载波双边带信号， 简称双边带信号（DSB）。 DSB调制器 模型如图4-3所示。
《通信原理课件》
零、具有各态历经性的平稳随机过程， 其统计平均与时间平均是相同的。由3.6 节 知 ， AM 已 调 信 号 是 一 非 平 稳 随 机 过 程 ， 经分析可得
PAM
()
A02 2
[
(
c
)
(
c
)]
1 4
[
Pm
(
c
)
Pm
(
c
)]
（4.2.9）
《通信原理课件》
上式中Pm(ω)为调制信号的功率谱密度。 由功率谱密度可以求出已调信号的平均
《通信原理课件》
4、调制信号为随机信号时已调信号的频 谱特性 前面讨论了调制信号为确知信号时已调信 号的频谱。在一般情况下，调制信号常常 是随机信号，如语音信号。此时，已调信 号的频谱特性必须用功率谱密度来表示。 在通信系统中，我们所遇到的调制信号通 常被认为是具有各态历经性的宽平稳随机 过程。这里假设m(t)是均值为
北邮通信原理信道课件
卷积码
01
卷积码是一种将信息位映射为连续的码字的编码方式。
02
卷积码具有记忆性，能够利用连续的码字之间的相关性进行纠
错。
卷积码的解码算法相对复杂，但具有良好的性能和较低的实现
03
复杂度。
03
信道模拟与仿真
信道模拟器的工作原理
信道模拟器是一种用于模拟和测试通信系统在各种信道条件下的性能的工 具。
03
目前常见的数字电视广播信道 编码技术包括LDPC码、BCH 码和卷积码等。
移动通信中的信道编码
1
在移动通信中，信道编码是实现可靠数据传输的 关键技术之一。
2
通过将数据信息与冗余信息结合，信道编码能够 抵抗无线信道中的噪声、干扰和衰落，降低误码 率。
3
常见的移动通信信道编码技术包括Turbo码、 LDPC码和Polar码等。
卫星通信中的信道编码
01
02
03
在卫星通信中，信道编 码同样用于提高信号传 输的可靠性和抗干扰能
力。
由于卫星通信信道的特 殊性质，信道编码需要 具备更高的纠错能力和 更强的抗干扰能力。
目前在卫星通信中广泛 应用的信道编码技术包 括Reed-Solomon码、 BCH码和卷积码等。
香农定理
香农定理是通信理论中的重要定理，它给出了在有噪信道中 实现可靠通信所需的最小码元速率的上限。
02
信道编码
信道编码的基本概念
信道编码是通信系统中用于提高数据传输可靠性 的重要手段。
通过在信息位中添加冗余，信道编码可以在传输 过程中检测和纠正错误。
常见的信道编码方式包括线性分组码、循环码、 卷积离散信道模型描述了信号在离散时间 点的传输情况，通常用符号表示信号 ，概率分布表示噪声。
北邮通信原理课件 (9)(全)
a. 在检测的前后窗口的参考音能量大 小,若两窗口能量均大于某个门限时,同 步处于跟踪模糊区内,就自动向固定方向 调一个样点,使同步头脱离跟踪模糊区. b. 在条件①不满足的条件下,检测两 窗口内参考音能量差值,依据前述准则判 别.
(3) Doppler
在通信过程中,由于多种因素的影响 会导致频率漂移,若不对此进行校正,将
在误码率为10 -2 的情况下采用该种校 验方式后,其误码率小于10 -11,可以认为 是无差错传输.另外采用了 S-ARQ技术, 即重发有错的小组,大大地提高了通过率. 另外在ARQ工作方式下,实现了自动 降速的功能,共分为两档:300bit/s以上及 150bit/s以下.在每一挡下,通信速率可以 根据信道的实际情况实现自动的速率升降, 以获得大的通过率.
(1) 电离层的衰耗随时间变化及多 径效应所引起的衰落. (2) 多径效应所引起的波形展宽.
(3) 电离层快速运动和反射层高度 变化所引起的多普勒频移.
一般情况下,短波高速数字通信系统
框图如图9-1所示.
图9-1 短波无线数字通信系统框图
9.2 TCT-301短波高速调制解 调器的基本原理
图9-2和图9-3分别是短波高速 调制解调器的发送端和接收端的 原理框图.
3. 群同步建立,位同步跟踪,
(1)
这里所指的群同步是指译码同步.在 位同步建立之后,抽样的位置确定了.
(2)
在通信过程中,由于时钟等各种因素 的影响,位同步的位置会发生变化,如果 不跟踪其变化,则在通信建立一段时间之 后因同步位置丢失而导致通信中断.
① 上下帧相位突跳点附近有比较好的 线性关系, Diff>0, Diff=0, Diff<0,同步滞后. ② 上,下帧相位突跳点同时位于两窗 口内,则存在一个同步跟踪的模糊区.
北邮通信原理课件-第十章
特征： I、 符号等概：二进制序列，两个符号出现的概率为0.5 II、游程特性：连续符号称为游程。连续符号的个数称为 游程长度。长度为n的游程占游程总数的 1/ 2n III、移位：给定随机序列，移位任意个元素所得的序列与 原来序列，对应元素一半相同，一半不同。 IV、非周期，或者说周期无限长
2
游程
j nN(n 0, 1, 2, ) j nN
j nN
a1a2a3
aN
ak (1, 1)
N个1
还是m序列，
bk bk j
j nN 111 1
-1多一个
16
互相关函数的性质
互相关函数的性质 ： rbc j 1 N
同周期N的两个m序列， 其两两m序列对的 互相关差别很大
c t
c t
c t Tc
T
0 T
dt dt
选择 最大值
0
ri ( )
1
1/ N
2Tc
T
NTc
0
dt
c t N 1 Tc
32
粗同步 串行相关法
c t
c t
nT n 1T
dt
检测 最大值
33
粗同步：匹配滤波捕获法
12
m序列的性质
移位相加特性
一个m序列 M p与其移位序列 M r模2加得到的序列 M s仍是M p的移位序列（移位数与M r 的不同），即：
m序列
M p移位序列
M p Mr Ms
双极性：
M p 另一个移位序列
M p Mr Ms
13
双极性m序列
北邮 移动通信原理课件
10
BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center
• 在前三代移动通信中，除了上述物理层关键技术的不 断发展外，在网络层其功能也在逐步完善。它主要体 现有： • 1)网络协议逐步走向规范化，到了第三代(3G)已初步形 成了横向三层：物理层、链路层、网络高层；纵向两 个平面：用户业务平面与控制平面的初步规范结构。 • 2)逐步增强并完善网络层辅助物理层实现对三重动态 性的匹配功能，加强并完善对无线资源管理、移动性 管理以及接入分配、调度算法的实现。 • 3)第二代(2G)开始逐步引入智能网，实现交换与控制的 分离，并通过业务生成系统快速生成新业务。
第一章 绪 论
• §1.1 移动通信的主要特点
• 移动通信是通信领域中最具有活力，最具有发 展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中 最具有个性化特征的通信手段。它的发展与普 及改变了社会也改变了人类的生活方式，它让 人们领悟到现代化与信息化的气息。 • 移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动” 二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式 通信，而是动态的移动式通信。
4
BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center
1.2 移动通信的发展
•移动通信，确切地说蜂窝式移动通信，就正式商业运营 而言，至今也不过只有20多年的历史，就其发展历程 看，大约每十年更新一代。目前正处于第二代(2G)与第三 代(3G)交接期。 •自上世纪八十年代我国引入模拟式(TACS)移动通信网以 来，经过短短二十多年的发展，截止2002年底，我国已 拥有2亿以上的移动通信用户，成为全球头号移动用户大 国。我国的第一代移动通信TACS系统目前已完成其历史 任务而被淘汰；第二代移动通信GSM系统是全球第一， 规模最大、用户最多，CDMA系统目前也是数一数二， 并即将成为全球第一；第三代移动通信，我国目前还处 于即将投入运营的阶段。
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• 在前三代移动通信中，除了上述物理层关键技术的不 断发展外，在网络层其功能也在逐步完善。它主要体 现有： • 1)网络协议逐步走向规范化，到了第三代(3G)已初步形 成了横向三层：物理层、链路层、网络高层；纵向两 个平面：用户业务平面与控制平面的初步规范结构。 • 2)逐步增强并完善网络层辅助物理层实现对三重动态 性的匹配功能，加强并完善对无线资源管理、移动性 管理以及接入分配、调度算法的实现。 • 3)第二代(2G)开始逐步引入智能网，实现交换与控制的 分离，并通过业务生成系统快速生成新业务。
第一章 绪 论
• §1.1 移动通信的主要特点
• 移动通信是通信领域中最具有活力，最具有发 展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中 最具有个性化特征的通信手段。它的发展与普 及改变了社会也改变了人类的生活方式，它让 人们领悟到现代化与信息化的气息。 • 移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动” 二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式 通信，而是动态的移动式通信。
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1.2 移动通信的发展
•移动通信，确切地说蜂窝式移动通信，就正式商业运营 而言，至今也不过只有20多年的历史，就其发展历程 看，大约每十年更新一代。目前正处于第二代(2G)与第三 代(3G)交接期。 •自上世纪八十年代我国引入模拟式(TACS)移动通信网以 来，经过短短二十多年的发展，截止2002年底，我国已 拥有2亿以上的移动通信用户，成为全球头号移动用户大 国。我国的第一代移动通信TACS系统目前已完成其历史 任务而被淘汰；第二代移动通信GSM系统是全球第一， 规模最大、用户最多，CDMA系统目前也是数一数二， 并即将成为全球第一；第三代移动通信，我国目前还处 于即将投入运营的阶段。
北邮通信原理课件 (7)
（4） 同步带宽Δfs
同步带宽是指位同步频率 与码元速率之差。如果这个频 差超过一定范围，就无法使收 端位同步脉冲的相位与输入信
号的相位同步。
4. 位同步相位误差对
性能的影响
前面已经求得数字锁相法位同 步的相位误差 θe，有时不用相位差 而用时间差 Te 来表示相位误差。因 每码元的周期为T，故得
（ 3）
事实上，同步信号也可以在时域内插 入，这时载波同步信号、位同步信号和数 据信号分别被配置在不同的时间内传送。
2.
自同步法的收端位同步提取电路，从 功能上讲，一般都由两部分组成：第一部 分是非线性变换处理电路，它的作用是使 接收信号或解调后的数字基带信号经过非 线性变换处理后含有位同步频率分量或位 同步信息；第二部分是窄带滤波器或锁相 环路，它的作用是滤除噪声和其他频谱分 量，提取纯净的位同步信号。
群同步码组不是集中插入在信息码流 中，而是将它分散地插入，即每隔一定数 量的信息码元，插入一个群同步码元。群 同步码码型选择的主要原则是：一方面要 便于收端识别，即要求群同步码具有特定 的规律性，这种码型可以是全“ 1 ”码、 “ 1”“ 0”交替码等；另一方面，要使群 同步码的码型尽量和信息码相区别。
① 对群同步码组的要求
对作为群同步码组的特殊码组有两个 方面的要求：一方面要求同步码组在信息 码元序列中不易出现以便识别，即将信息 码元误认为同步码组的概率要小，同时当 同步码组中有误码时，漏识别的概率也要 小。另一方面的要求是识别该特殊码组的 识别器应该尽量简单。
②
巴克码是一种非周期序列。
（3） 间歇式插入法（分散插入法）
-
② 包络检波
——
在某些数字微波中继通信系统 中，经常在中频上用对频带受限的 二相移相信号进行包络检波的方法 来提取位同步信号。
北邮通信原理PPT第20讲
消息A----“000”；消息B----“111” 传输中产生一位或是两位错码，都将变成禁用码组，具有检出 两位错码的能力 在产生一位错码情况下，收端可根据“大数”法则进行正确判 决，能够纠正这一位错码，该编码具有纠正一位错码的能力 在产生两位错码情况下，只具有检错能力
这表明增加两位冗余码元后码具有检出两位错码及纠正一位错 码的能力
若产生错码（“0”错成“1”或“1”错成“0”）收端无法发现， 该编码无检错纠错能力
增加一位冗余后具有 检出一位错码的能力
编码二：
消息A----“00”；消息B----“11”
若一位产生错码，变成“01”或“10”，因“01”“10”为禁用码组， 收端可发现有错，但无法确定错码位置，不能纠正，
编码三：
n表示码组长度，1表 示信息码元的个数 上述编码方法被称为重复码，记为(n, 1) ，编码方法：
把每个信息比特u重复n遍形成一个码组c = (u, u, …, u )
译码方法： 若译码器收到的一个n个比特码组y = (yn-1, yn-2,…, y0 )，判决码组 y中比特“1”和“0”的个数： 1）若比特“1”的个数多则判决发送的“1”码； 2）若比特“0”的个数多则判决发送的“0”码 仍然出错的概率（其中p为信道误码率）：
发现错误
与返回重发不同的是，发端并不重发错误码组后的所有码组， 而只重发有错的那个码组
差错控制方式—前向纠错
2. 前向纠错（FEC） 发
能够纠正错误的码
收
发送端将信息序列编码成能够纠正错误的码，接收端根据编码 规则进行检查，如果有错自动纠正，特点如下： 1. 不需要反馈信道，特别适合只能提供单向信道场合 2. 自动纠错，不要求检错重发，延时小，实时性好 3. 纠错码必须与信道的错误特性密切配合 4. 若纠错较多，则编、译码设备复杂，传输效率低
这表明增加两位冗余码元后码具有检出两位错码及纠正一位错 码的能力
若产生错码（“0”错成“1”或“1”错成“0”）收端无法发现， 该编码无检错纠错能力
增加一位冗余后具有 检出一位错码的能力
编码二：
消息A----“00”；消息B----“11”
若一位产生错码，变成“01”或“10”，因“01”“10”为禁用码组， 收端可发现有错，但无法确定错码位置，不能纠正，
编码三：
n表示码组长度，1表 示信息码元的个数 上述编码方法被称为重复码，记为(n, 1) ，编码方法：
把每个信息比特u重复n遍形成一个码组c = (u, u, …, u )
译码方法： 若译码器收到的一个n个比特码组y = (yn-1, yn-2,…, y0 )，判决码组 y中比特“1”和“0”的个数： 1）若比特“1”的个数多则判决发送的“1”码； 2）若比特“0”的个数多则判决发送的“0”码 仍然出错的概率（其中p为信道误码率）：
发现错误
与返回重发不同的是，发端并不重发错误码组后的所有码组， 而只重发有错的那个码组
差错控制方式—前向纠错
2. 前向纠错（FEC） 发
能够纠正错误的码
收
发送端将信息序列编码成能够纠正错误的码，接收端根据编码 规则进行检查，如果有错自动纠正，特点如下： 1. 不需要反馈信道，特别适合只能提供单向信道场合 2. 自动纠错，不要求检错重发，延时小，实时性好 3. 纠错码必须与信道的错误特性密切配合 4. 若纠错较多，则编、译码设备复杂，传输效率低
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《通信原理课件》
21
1.3.2 通信方式
1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式
对于点对点之间的通信，按信息传送的方向与时间关 系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信 三种。
单工通信是指信息只能单方向进行传输的一种通信工 作方式，如图1-5（a）所示。单工通信的例子很多，如 广播、遥控、无线寻呼等。这里，信号只从广播发射台、 遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和 BP 机上。
《通信原理课件》
8
《通信原理课件》
9
我们以语音信号为例来说明图1-2模拟通信系统 模型各部分的作用。
发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信 息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大 设备后可以直接在信道中传输。为了提高频带利 用率，使多路信号同时在信道中传输，原始的电 信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信 道中去。调制是信号的一种变换，通常是将不便 于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传 输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后 的信号称为已调信号。在收端，经解调器和逆变 换器还原成语音信息。
第一章 绪论
1.1 引言 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 信息及其度量 1. 5 通信系统的主要性能指标 1.6 信道及其容量
《通信原理课件》
1
《通信原理课件》
2
《通信原理课件》
3
《通信原理课件》
4
1.2 通信系统的组成
1.2.1 通信系统的一般模型
我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介 所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例， 通信系统的一般模型如图1-1所示。
5、按通信业务类型分类
根据通信业务类型的不同，通信系统可分为电报通信系 统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等.
6、按信号复用方式分类
按信号复用方式，通信系统又可分为频分复用（FDM） 通 信 系 统 、 时 分 复 用 （ TDM ） 通 信 系 统 和 码 分 复 用 （CDM）通信系统等。
《通信原理课件》
10
1.2.3 数字通信系统模型
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信 系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输 通信系统和数字基带传输通信系统。
一、数字频带传输通信系统
数字频带传输通信系统如图1-3 所示。 图1-3中，变换器的作用是把信息转换成数字基带 信号。信源编码的主要任务是提高数字信号传输的 有效性。信源编码器的输出就是信息码元,此外，话 音和图像压缩编码等都是在信源编码器内完成。接 收端信源译码则是信源编码的逆过程
《通信原理课件》
16
2、差错可控 数字信号在传输过程中出现的错误（差错），
可通过纠错编码技术来控制。
3、易加密
数字信号与模拟信号相比，容易加密和解密。 因此，数字通信保密性好。
4、数字通信设备和模拟通信设备相比，设计和 制造更容易，体积更小，重量更轻。
5、数字信号可以通过信源编码进行压缩，以减 少冗余度，提高信道利用率。
6、易于与现代技术相结合。
《通信原理课件》
17
1.3 通信系统分类及通信方式
《通信原理课件》
18
《通信原理课件》
19
表 1.3-1 通信频段 、 常用传输媒质及主要用途
《通信原理课件》
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4、按调制方式分类
根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分 为基带传输系统和频带（调制）传输系统。基带传输是将 没有经过调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传 输是对基带信号调制后再送到信道中传输。常用的调制方 式及相关理论将在本书第3章、第6章和第8章中详细介绍。
三、 数字通信的主要特点
目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同 的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字 通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要 求，数字通信技术已成为当代通信技术的主流。 与模拟通信相比，它有如下优点：
1、抗干扰、抗噪声性能好
《通信原理课件》
15
在数字通信系统中，传输的信号是数字信号。 以二进制为例，信号的取值只有两个，这样发端 传输的和收端接收和判决的电平也只有两个值， 若“1”码时取值为A，“0”码时取值为0，传输 过程中由于信道噪声的影响，必然会使波形失真， 在接收端恢复信号时，首先对其进行抽样判决， 才能确定是“1”码还是“0”码，并再生“1”， “0”码的波形。因此只要不影响判决的正确性， 即使波形有失真也不会影响再生后的信号波形。 而在模拟通信中，如果模拟信号叠加上噪声后， 即使噪声很小，也很难消除它。
《通信原理课件》
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图1-3 数字通信系统模型
《通信原理课件》
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信道编码的任务是提高数字信号传输的可靠性。 其基本做法是在信息码组中按一定的规则附加一 些监督码元，以使接收端根据相应的规则进行检 错和纠错，信道编码也称纠错编码。接收端信道 译码是其相反的过程。
数字通信系统还有一个非常重要的控制单元， 即同步系统（图1-3没有画出）。它可以使通信系 统的收、发两端或整个通信系统，以精度很高的 时钟提供定时，以使系统的数据流能与发送端同 步、有序而准确地接收与恢复原信息。
《通信原理课件》
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图1-1通信系统的一般模型
《通信原理课件》
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图1-1中，发送设备的作用一方面是把信息转换 成原始电信号，该原始电信号称为基带信号；另 一方面将原始电信号处理成适合在信道中传输的 信号。它所要完成的功能很多，例如调制、放大、 滤波和发射等，在数字通信系统中发送设备又常 常包含信源编码和信道编码等。
信道是指信号传输通道，按传输媒介的不同， 可分为有线信道和无线信道两大类。
图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散 在通信系统中其它各处噪声的集合。
《通信原理课件》
7
在接收端，接收设备的功能与发送设备相反， 即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的 接收信号中恢复出相应的原始电信号，并将原始 电信号转换成相应的信息，提供给受信者。
《通信原理与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解 调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统， 如图 1-4 所示。
图1-4 数字基带传输系统模型
《通信原理课件》
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图1-4中基带信号形成器可能包括编码器、加密 器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码 器、解密器等。