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東北大学 工学研究科 電気・情報系 2018年3月実施 専門科目 問題2 通信工学

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

Description

日本語版

Fig. 2 に示す送信器を考える。送信信号として、[fm,fm][-f_m,f_m] に帯域制限された信号 g(t)g(t) を考える。また 0<fmfc0<f_m\ll f_c とする。ここで fcf_c は搬送波周波数である。以下の問に答えよ。

(1) 信号 g(t)g(t) が次の周期 TT のインパルス系列 ps(t)p_s(t) を用いて標本化される。

gs(t)=g(t)ps(t),ps(t)=n=+δ(tnT).g_s(t)=g(t)p_s(t),\qquad p_s(t)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty}\delta(t-nT).

ここで、gs(t)g_s(t) は標本化された信号、δ(t)\delta(t) は単位インパルス関数である。

(a) ps(t)p_s(t) のフーリエ変換を Ps(f)P_s(f) とする。以下の式が成り立つことを示せ。

Ps(f)=1Tn=+δ(fnT).P_s(f)=\frac1T\sum_{n=-\infty}^{+\infty}\delta\left(f-\frac nT\right).

(b) g(t)g(t)gs(t)g_s(t) のフーリエ変換をそれぞれ G(f)G(f)Gs(f)G_s(f) とする。以下の式が成り立つことを示せ。

Gs(f)=1Tn=+G(fnT).G_s(f)=\frac1T\sum_{n=-\infty}^{+\infty}G\left(f-\frac nT\right).

必要に応じて以下の公式を用いてよい。

+δ(xa)f(x)dx=f(a).\int_{-\infty}^{+\infty}\delta(x-a)f(x)dx=f(a).

ここで、f(x)f(x) は実関数、aa は実数である。

(c) 標本化された信号 gs(t)g_s(t) から元の信号 g(t)g(t) を復元するために必要な標本周期 TT の条件を示せ。

(2) 標本化された gs(t)g_s(t) を量子化及び符号化することでバイナリ系列 {an}\{a_n\}nn は整数)を得る。両側波帯 (DSB) 変調器に入力される信号 um(t)u_m(t) は、以下の式で表される。

um(t)=n=bnu(tnTb).u_m(t)=\sum_{n=-\infty}^{\infty}b_nu(t-nT_b).

ここで、bnb_nana_n の値によって定まる係数で、TbT_b11 ビットあたりのパルス幅で、u(t)u(t) は以下の式で与えられる単位パルス信号である。

u(t)={10tTb のとき0その他u(t)=\begin{cases}1&0\le t\le T_b\text{ のとき}\\0&\text{その他}\end{cases}

送信器出力を位相シフトキーイングとする場合、bnb_n を以下のように定める。

bn={Aan=0 のときAan=1 のときb_n=\begin{cases}-A&a_n=0\text{ のとき}\\A&a_n=1\text{ のとき}\end{cases}

このときバイナリ系列 {an}\{a_n\}(0,1)(0,1) の無限繰り返し系列 (,0,1,0,1,)(\ldots,0,1,0,1,\ldots) とした場合、DSB 変調器入力信号 um(t)u_m(t) のフーリエ級数を求めよ。ただし a0=0a_0=0 である。

题目描述

信号 g(t)g(t) 的频谱限制在 [fm,fm][-f_m,f_m],其中 0<fmfc0<f_m\ll f_cfcf_c 为载波频率。

  1. 用周期冲激列 ps(t)=nZδ(tnT)p_s(t)=\sum_{n\in\mathbb Z}\delta(t-nT) 采样,得到 gs(t)=g(t)ps(t)g_s(t)=g(t)p_s(t)
    • (a) 证明 Ps(f)=1TnZδ(fn/T)P_s(f)=\frac1T\sum_{n\in\mathbb Z}\delta(f-n/T)
    • (b) 证明 Gs(f)=1TnZG(fn/T)G_s(f)=\frac1T\sum_{n\in\mathbb Z}G(f-n/T)
    • (c) 求能从 gs(t)g_s(t) 恢复 g(t)g(t) 的采样周期条件。
  2. 采样信号经量化编码得到二进制序列 ana_n,再转换为 DSB 调制器的输入
um(t)=nZbnu(tnTb),u(t)={1,0tTb,0,其他,u_m(t)=\sum_{n\in\mathbb Z}b_nu(t-nT_b),\qquad u(t)=\begin{cases}1,&0\le t\le T_b,\\0,&\text{其他},\end{cases}

其中 bn=Ab_n=-Aan=0a_n=0),bn=Ab_n=Aan=1a_n=1)。若 ana_n 为无限交替序列 ,0,1,0,1,\ldots,0,1,0,1,\ldots,且 a0=0a_0=0,求 um(t)u_m(t) 的 Fourier 级数。

Kai

(1)

(a) 周期冲激列的每个 Fourier 系数为 1/T1/T,故在分布意义下

ps(t)=1TnZei2πnt/TPs(f)=1TnZδ(fn/T).p_s(t)=\frac1T\sum_{n\in\mathbb Z}e^{i2\pi nt/T} \quad\Longrightarrow\quad \boxed{P_s(f)=\frac1T\sum_{n\in\mathbb Z}\delta(f-n/T)}.

(b) 由时域相乘对应频域卷积,

Gs(f)=GPs(f)=1TnZG(fn/T).\boxed{G_s(f)=G*P_s(f)=\frac1T\sum_{n\in\mathbb Z}G(f-n/T)}.

(c) 频谱副本不重叠要求 1/T>2fm1/T>2f_m,即

0<T<12fm.\boxed{0<T<\frac1{2f_m}}.

此时用通带增益 TT、截止频率位于 fmf_m1/Tfm1/T-f_m 之间的理想低通即可恢复。若已排除带宽端点的非零谱线,可允许临界等号。

(2)

umu_m 的周期为 2Tb2T_b,在 (0,Tb)(0,T_b)A-A,在 (Tb,0)(-T_b,0)AA,故为奇函数,只含正弦项。第 nn 个正弦系数为

βn=2Tb0Tb(A)sinnπtTbdt=2Anπ(1(1)n).\beta_n=\frac2{T_b}\int_0^{T_b}(-A)\sin\frac{n\pi t}{T_b}\,dt =-\frac{2A}{n\pi}\bigl(1-(-1)^n\bigr).

因此

um(t)=4Aπk=012k+1sin(2k+1)πtTb.\boxed{u_m(t)=-\frac{4A}{\pi}\sum_{k=0}^\infty\frac1{2k+1} \sin\frac{(2k+1)\pi t}{T_b}}.

跳跃点处 Fourier 级数取左右极限均值 00