115 年 國立中山大學電波聯合碩士班《通訊理論》
第 1 題5 分
- (5%) Suppose a communication channel has bandwidth W. Let the symbol (sampling) interval be
. Which of the following pulse waveforms does not satisfy the ISI-free (Nyquist) criterion?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) None of the above
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考察 Nyquist 零間隔干擾(zero-ISI)準則。
若符號取樣間隔為
則脈衝波形 必須滿足
且對所有非零整數 ,
如此在第 個符號取樣時,其他符號的脈衝貢獻皆為零,便不會產生 ISI。
本題採用通訊理論中常見的 normalized sinc 定義:
因此對任意非零整數 ,
解題方法
直接將
代入每個選項,其中 為非零整數,檢查是否皆滿足
同時確認 ,以確保取樣時有非零的主符號貢獻。
選項分析
(A)
令 :
因為 與 都是非零整數,
所以
在 時,
因此 滿足 Nyquist 零 ISI 準則。
(B)
令 :
由於 與 均為非零整數,
因此
而
第 2 題5 分
- (5%) An M-ary communication system transmits at a rate of 2000 symbols per second. What is the equivalent bit rate in bits per second for M = 16?
(A) 4000
(B) 6000
(C) 8000
(D) 10000
(E) None of the above
登入後即可作答並保存紀錄。
本題考驗符號傳輸率 (symbol rate) 與位元傳輸率 (bit rate) 的轉換關係。
符號傳輸率 (Symbol Rate, ) 是指每秒傳輸的符號數量,單位是 symbols/second (baud)。
位元傳輸率 (Bit Rate, ) 是指每秒傳輸的位元數量,單位是 bits/second (bps)。
在一個 M-ary 通訊系統中,一個符號可以代表 個位元。
因此,位元傳輸率與符號傳輸率的關係為:
題目給定:
符號傳輸率 symbols/second。
系統為 M-ary,且 。
第 3 題5 分
- (5%) Consider a 3-ary communication system in which each transmitted message is chosen from one of three symbols, , and . These symbols are transmitted using the waveforms , and , respectively, where the pulse has duration . At the receiver, a matched filter matched to is employed. Let denote the output of the matched filter sampled at time . Assume that the messages are quiprobable, i.e., . The energy of the pulse is and the channel noise is additive white Gaussian noise (AWGN) with two-sided power spectral density . Determine the symbol error probability using the optimum decision thresholds. (The Q-function is defined as .)
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) None of the above
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查三元反對稱訊號的最佳判決,以及匹配濾波器輸出端的訊號值與雜訊變異數。
傳送波形分別為
匹配濾波器匹配於 ,並在 取樣。由於
匹配濾波器取樣輸出的訊號分量為
AWGN 經匹配濾波器後,其輸出雜訊為高斯分布,且變異數為
因此
解題方法
因為三個訊號等概且輸出電平等間隔,最佳判決門檻為相鄰訊號電平的中點:
判決規則為:
- :判定為
- :判定為
- :判定為
傳送 時
平均輸出為 。錯誤事件是輸出超過左側門檻:
由標準化可得
傳送 時
平均輸出為 。只要輸出落在兩個門檻之外即判錯:
由對稱性,
傳送 時
與傳送 對稱,因此
符號錯誤率
三個符號等概,所以
第 4 題5 分
- (5%) Let be a signal with Fourier transform . Define as the inverse Fourier transform of the frequency-domain function . Which of the following expressions correctly gives ?
(A) If ,
(B) If ,
(C) If ,
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查傅立葉轉換的「頻率軸縮放」與「頻率平移」性質。採用定義
其反傅立葉轉換為
題目定義 為頻域函數 的反傅立葉轉換,因此
解題方法
令
當 時,考慮積分方向後可得
因此
由傅立葉轉換定義,
故一般結果為
第 5 題5 分
- (5%) Consider a narrowband FM signal that can be approximated by
,
where is the carrier amplitude, is the carrier frequency, is the modulating frequency, and is the modulation index. Which of the following statements is correct?
(A) The minimum value of the signal envelope is
(B) The maximum value of the signal envelope is
(C) The total average power of the FM is
(D) The total average power of the FM is
(E) None of the above
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查窄頻 FM(Narrowband FM)的:
- 同相分量與正交分量表示法
- 信號包絡線的求法
- 平均功率計算
- FM 載波功率與邊帶功率的關係
令
題 given 信號為
其中第一項為載波同相分量,第二項為與載波相差 的正交分量。
解題方法:求信號包絡線
將信號寫成
可得
因此,其包絡線振幅為
代入後:
因為
所以包絡線的最小值與最大值分別為
故選項 (B) 正確。
平均功率計算
信號為
平均功率為
展開平方:
在一般通訊系統中,各不同頻率正弦波的長時間平均交叉項為零,因此:
且
第 6 題5 分
Consider a signal
with its Fourier transform . Which of the following statements is wrong?
(A) The imaginary part of is zero.
(B) The value of is 9.
(C) The value of is 36.
(D) The value of is 324.
(E) The value of is 0.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
採用以頻率 (Hz)表示的傅立葉轉換定義:
本題用到傅立葉反轉換、零頻率分量、Parseval 定理,以及訊號的對稱性:
- 若 為實偶函數,則 也是實偶函數。
- 反轉換在 時,。
- 。
- Parseval 定理給出 。
解題方法
先看訊號對稱性。 只與 有關,且定義區間關於原點對稱,因此 是實偶函數。接著分別用反轉換求 、直接積分求 ,並用 Parseval 定理檢查頻域能量。
反轉換在 時:
由題目給定 ,所以
零頻率值為訊號面積:
第 7 題5 分
The signals undergo sampling with sampling period second. Which of the following signals can be recovered perfectly from the sampled signal?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
理想取樣的取樣頻率為
因此奈奎斯特頻率為
若訊號的頻譜完全落在 內,取樣後頻譜的週期複本不會重疊,訊號可由理想低通濾波器完美重建。
採用傅立葉轉換定義
基本對應為
解題方法
先找出各訊號的頻譜支撐範圍,再與奈奎斯特頻率 比較。
1.
由
可知其頻譜支撐於 。由於 , 可完美重建。
2.
是兩個時域訊號相乘:
時域相乘對應到頻域摺積。兩個矩形頻譜的支撐範圍分別為 與 ,摺積後支撐範圍為
頻譜超出 ,取樣後會發生混疊,因此 不可完美重建。
3.
。時域乘上 對應到頻域微分:
第 8 題5 分
Let be a real-valued random process, where is a constant and is a random variable uniformly distributed between and . Which of the following is wrong?
(A) is wide-sense stationary (WSS).
(B) The mean value of is zero.
(C) The autocorrelation function of is .
(D) The power spectral density function of is .
(E) The average power of is .
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查隨機相位正弦波的寬平穩性、自相關函數、功率頻譜密度與平均功率。
寬平穩(WSS)隨機過程須符合:
- 均值與時間 無關。
- 自相關函數只與時間差 有關。
平均功率可由自相關函數在 的值求得:
解題方法
已知相位 均勻分布於 ,因此對任意常數 ,
先求均值與自相關函數,再以 判斷平均功率。
均值為
與 無關。自相關函數為
第 9 題5 分
Consider an amplitude-modulated signal expressed by
Which of the following is wrong?
(A) The amplitude sensitivity can be any positive real number.
(B) The message can be recovered from an envelope detector.
(C) We may apply DSB-SC (double sideband-suppress carrier) to reduce transmission power.
(D) We may apply SSB (single sideband) scheme to reduce required transmission bandwidth.
(E) The transmission bandwidth of VSB (vestigial-sideband) is between those of SSB and DSB-SC.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查振幅調變(AM)的包絡線檢波條件,以及 DSB-SC、SSB、VSB 的功率與頻寬特性。
題目訊號為
其中 是載波振幅, 是載波頻率, 是訊息訊號, 是振幅靈敏度。訊號的包絡為
若要用包絡線檢波器直接取回訊息,須避免包絡反相,也就是要求
若 的最小值為 ,則需滿足
因此,對固定的訊息訊號, 不能任意取大;否則會產生過度調變,包絡線檢波器無法正確還原訊息。
解題方法
判斷各選項時,先檢查 AM 包絡線能否維持非負,再比較各調變方式的傳輸功率與頻寬。
若訊息頻譜最高頻率為 ,一般 DSB 的頻寬為 ;SSB 只傳送一個邊帶,頻寬為 ;VSB 保留一個完整邊帶及另一邊帶的一小部分,頻寬介於 與 之間。
第 10 題5 分
Consider a frequency-modulated signal expressed by
where the message has the maximum amplitude of and the highest frequency . Which of the following is wrong?
(A) The instantaneous frequency of is .
(B) The transmission power of is .
(C) If we connect an FM modulator with an integrator, we can generate a phase-modulated signal.
(D) The maximum frequency deviation is .
(E) The transmission bandwidth of is approximately .
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
FM 訊號可寫成
相位 對時間的導數除以 ,就是瞬時頻率:
FM 的頻率偏移與訊息振幅成正比;若訊息最高頻率為 、最大頻率偏移為 ,Carson 法則給出的近似傳輸頻寬為 。
解題方法
先由相位微分求瞬時頻率,再比較 FM 與 PM 的相位公式;最後用最大訊息振幅求頻率偏移,並代入 Carson 法則檢查頻寬選項。
由題目相位可得
因此最大頻率偏移為
(通常將 視為正的頻率靈敏度;若允許 為負,偏移量大小應寫成 )。Carson 法則給出
第 二-1 題10 分
Consider the following baseband signal :
(A) Determine the impulse response of a filter matched to the signal.
(B) Plot the matched filter output in the absence of noise.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
匹配濾波器(matched filter)會將已知訊號做時間反轉並平移,使輸出在訊號結束時刻 達到最大值。對實數訊號 ,其脈衝響應為
無雜訊輸出 ,等於訊號自相關函數的平移,因此以 為中心對稱。
解題方法
由原卷可讀到訊號為 ,範圍是 ,其餘時間為零。題目要求求匹配濾波器的脈衝響應,以及無雜訊時的卷積輸出。
先將訊號時間反轉並平移 :
端點的單點取值不影響卷積結果。接著直接計算
當 時,兩訊號重疊範圍為 :
當 時,利用輸出以 為中心對稱,令 ,可得
重疊範圍外沒有輸出,因此完整結果為
第 二-2 題15 分
Consider the frequency demodulation scheme shown in Fig. 1, where the incoming FM signal is given by
The delay line produces a delayed signal and leads to a phase shift of radians at the carrier frequency , i.e., . Assume that and is sufficiently small, such that
Find the output signal of the demodulator.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
延遲線鑑頻器先將原訊號與延遲訊號相減,再用包絡檢波器讀取合成訊號的振幅。載波延遲相位為 ,因此兩訊號的載波分量互相正交;調變相位在短延遲下造成的微小差異,會轉成隨訊息變化的包絡。
解題方法
圖中延遲線的輸出接至加法器的負端,原訊號的直接支路接至正端,因此加法器輸出為 ,再送入包絡檢波器。
令 、,並設 、。延遲訊號的相位為
由題目給定的小延遲近似,
令 ,則延遲訊號可寫成 。因此相減器輸出近似為
將載波的同相與正交分量合成,其包絡為
第 二-3 題10 分
Consider antipodal signaling with amplitude imbalance. That is, a logic-1 symbol is transmitted as a rectangular pulse of amplitude and duration , and a logic-0 symbol is transmitted as a rectangular pulse of amplitude , where . The receiver employs a fixed decision threshold at zero. Define the ratio , and note that the average signal energy, for equally likely 1s and 0s, is
The channel noise is additive white Gaussian noise (AWGN) with two-sided power spectral density . Show that the resulting probability of bit error can be expressed as
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
接收端以固定門檻 判決,因此只要觀察接收訊號在矩形脈波上的相關輸出即可。矩形脈波的相關輸出可寫成「訊號平均值加上高斯雜訊」;由於雜訊是 AWGN,相關輸出中的雜訊仍為高斯隨機變數,其變異數由 決定。
解題方法
令接收訊號為 ,其中 。取單位能量矩形基底函數
將接收訊號投影到此基底,得到判決統計量
若傳送 logic-1,訊號為 ,因此
若傳送 logic-0,訊號為 ,因此
其中 。由 為單位能量函數,AWGN 投影後的雜訊變異數為 ,故
判決門檻為 。傳送 logic-1 時,錯誤事件是 ;傳送 logic-0 時,錯誤事件是 。利用高斯尾端機率 ,兩種條件錯誤率分別為
第 二-4 題15 分
Consider a real-valued message signal whose spectrum is nonzero over the frequency range 200 Hz to 3 kHz, as illustrated in Fig. 2. This message is SSB modulated to produce the transmitted signal
where denotes the Hilbert transform of . At the receiver, is demodulated using a carrier of the form . Assume that the lowpass filter is ideal with unity gain and extends over Hz, and kHz.
(A) Derive the expression for the demodulated signal at the output of the lowpass filter.
(B) Plot the spectrum of the demodulated signal when Hz.
(C) Plot the spectrum of the demodulated signal when Hz.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題探討單邊帶(Single-Sideband, SSB)調變訊號的同差/相干解調(Coherent Demodulation),以及當接收端本地載波存在頻率誤差 時對解調信號與頻譜所造成的影響:
- SSB 調變信號形式: 其中 為 的希爾伯特轉換(Hilbert Transform)。此式正號對應**下邊帶(Lower Sideband, LSSB)**訊號。
- 同差解調與乘積項展開:利用積化和差公式將接收信號與本地載波 相乘,分離出基頻項(低頻成分)與二倍載波高頻項(約位於 )。
- 理想低通濾波器(LPF)濾波:LPF 頻寬為 ,可完全濾除高頻成分,僅保留基頻輸出 。
- 頻譜頻移特性:解調輸出訊號在頻域中相當於原始訊息頻譜正頻率成分移動了 、負頻率成分移動了 。
解題方法
由原卷附圖 Fig. 2 可讀出關鍵訊息頻譜 的特徵:
- 為實數信號的對稱頻譜,且在頻率 (即 )內恆為 。
- 正頻率區間 內, 在 處達峰值 ,隨後線性遞減至 處為 。
- 負頻率區間 內,由 處的 線性遞增至 處的峰值 。
詳細推導與子題分析
(A) 推導低通濾波器輸出端的解調信號表達式
接收端輸入乘法器的信號為 ,本地載波為 。乘法器輸出信號 :
利用三角函數積化和差公式:
將各項展開:
- 第一項:
- 第二項(利用 ):
合併後可得:
已知載波頻率 ,高頻項中心頻率約在 ,遠高於理想低通濾波器的截止頻率 ,因此高頻項被完全濾除。
基頻項頻寬約為 ,落在濾波器通帶 內,且增益為 。
因此,低通濾波器輸出端信號 為:
頻譜轉換通式分析
解調訊號 在形式上等同於將 以載波頻率 進行上邊帶(USSB)調變。其頻譜 與原始頻譜 的關係為:
- 正頻率邊界由原先的 平移至 。
- 負頻率邊界由原先的 平移至 。
- 頻譜峰值高度由原先 的 變為 。
(B) 當 時畫出解調信號頻譜
代入 :
- 正頻率部分():
- 頻率範圍: 至 。
- 在 處,頻譜值為峰值 ;