通信原理樊昌信第六版完整复习指导ppt课件.ppt

通信原理复习指导,电子信息工程系 孙成立,2,第一章,1.1 通信的基本概念1.2 通信系统的组成1.3 通信系统分类与通信方式1.4 信息及其度量1.5 通信系统主要性能指标,3,通信的基本概念通信： Communication，telecommunication 信息（或消息）的传输和交换。 消息：Message 信息的物理表现形式。如语言、文字、 数据或图像。信息：Information 消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。信号：Signal 消息的电(或光)的表示形式。信号是消息传递的物质载体。,4,模拟通信系统模型和数字通信系统模型,通信系统,数字通信系统,基带传输系统,调制传输系统,基带传输系统,调制传输系统,模拟通信系统,5,模拟通信与数字通信的划分1. 照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。2. 按信源信号参量的取值划分(即携带信息的参量是否是有限的来划分) 。,6,数字通信的主要优点：抗干扰能力强，可消除噪声积累；传输差错可控， 可以采用信道编码技术使误码率降低；便于处理、变换、存储；易于与各种数字终端接口；便于将来自不同信源的信号综合到一起传输；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密强度高。,7,数字通信的主要缺点：信号占用频带宽。 如：一路数字电话占用带宽约2060kHz 一路模拟电话仅占用带宽约4 kHz需要严格的同步系统。 数字通信系统及设备比较复杂。克服数字通信缺点的办法： 提高通信系统利用率（T,W,P）,8,需要区分的几个概念 复用方式：FDM，OFDM，TDM，CDM，WDM，SDM双工方式：TDD，FDD (Duplex) 多址方式：FDMA，TDMA，CDMA,9,信息量的单位,比特（bitbinary unit）：奈特（natnature unit）: 哈特（HartHartley）：在信息论中为书写方便，通常以log代表log2,10,离散信源的平均信息量,设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)独立出现，即 则x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为（统计平均）信息源的熵，其单位为bit/符号。,11,连续信源的平均信息量,连续信源的绝对熵P(xi)， P(x)为pdf， P(xi) 为概率 ,12,连续信源的平均信息量,连续信源的相对熵P(x)为pdf连续信源熵为一个相对熵，其值为绝对熵减去一个无穷大量。连续信源有无穷多个状态，因此根据定义，Shanon熵必然为无穷大。连续信源的熵不等于一个消息状态具有的平均信息量。其熵是有限的，而信息量是无限的。连续信源熵不具有非负性，可以为负值。,13,通信系统主要性能指标,有效性（传输速度）与可靠性（传输质量）一、模拟通信系统的质量指标 有效性有效传输带宽； 可靠性输出信噪比(SNRout)二、数字通信系统的质量指标有效性： 码元速率 Rs 、信息速率 Rb码元频带利用率 s 、信息频带利用率b 可靠性：误比特率； 误码元率,14,通信系统主要性能指标,数字通信系统的有效性：码元速率Rs 、信息速率Rb码元速率（波特率）Rs，单位是波特（Baud），记为B，码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关信息速率（比特率） Rb，单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps，码元速率和信息速率有确定的关系，即,15,通信系统主要性能指标,数字通信系统的有效性：码元速率Rs 、信息速率RbM进制的码元速率RSM与二进制的码元速率RS2之间关系：【例】码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等。,16,通信系统主要性能指标,数字通信系统的有效性：码元频带利用率 s 、信息频带利用率 b,17,通信系统主要性能指标,数字通信系统的可靠性：误比特率(误比特率或误信率) Pb误码元率(误符号率或误码率) Ps二进制时，有M进制时，有,18,第三章,3.0 随机变量的基本概念3.1 随机过程的基本概念3.2 平稳随机过程3.3 高斯随机过程3.4 平稳随机过程通过线性系统3.5 窄带随机过程3.6 正弦波加窄带高斯噪声3.7 高斯白噪声和带限白噪声,19,随机变量的基本概念,随机变量的数字特征1、均值(Mean)或数学期望(mathematical expectation)2、方差(Variance)3、协方差(Covariance)4、相关系数(Relational Coefficient)5、矩(Moment),20,随机过程的基本概念,随机过程的理解在任一给定时刻t1上，每一个样本函数i (t)都是一个确定的数值i (t1)，但是每个i (t1)都是不可预知的。不同样本的取值 i (t1), i = 1, 2, , n是一个随机变量，记为 (t1)。即，对于给定一组时刻，随机过程的取值是一组随机变量，或者称为一个随机矢量；而已经观察到的随机过程的独立的某个样本是确定性函数。可以把随机过程看作是在时间进程中处于不同时刻的随机变量的集合。随机过程具有随机变量和时间函数的特点。,21,随机过程的基本概念,随机过程的数字特征（1）均值（2）方差（3）相关函数（4）协方差函数,22,随机过程的基本概念,随机过程的数字特征（与随机变量的区别）数学期望（均值）在任意给定时刻t1的取值 (t1)是一个随机变量，其均值式中 f (x1, t1) (t1)的概率密度函数由于t1是任取的，所以可以把 t1 直接写为t， x1改为x，数学期望（均值）是时间的确定函数,23,随机过程的基本概念,随机过程的数字特征方差意义均值与方差的物理意义：X(t) 单位电阻上的噪声电压mx(t)噪声电压中直流分量X(t)-mx(t)2/1消耗在单位电阻上的瞬时交流功率EX(t)-mx(t)2/1消耗在单位电阻上的瞬时交流功率的统计平均值,表示消耗在单位电阻上的总的平均功率,平均交流功率,平均直流功率,24,随机过程的基本概念,随机过程的数字特征（与随机变量的区别）协方差函数式中 f2 (x1, x2; t1, t2) - (t)的二维概率密度函数。,25,随机过程的基本概念,随机过程的数字特征（自）相关函数(correlation function)协方差函数与（自）相关函数关系互协方差函数与互相关函数,26,随机过程的基本概念,随机过程的数字特征（自）相关函数(correlation function)自相关函数可正可负，其绝对值越大，表示相关性越强。一般说来，时间相隔越远，相关性越弱，自相关函数的绝对值也越小；当两个时刻重合时，其相关性应是最强的，所以RX(t,t)最大。,27,随机过程的基本概念,随机过程的数字特征协方差函数,28,随机过程的基本概念,互相关函数和互协方差函数互相关函数：互协方差函数：若RXY(t1,t2)=0 ，则X(t)与Y(t)正交；若KXY(t1,t2)=0 ，则X(t)与Y(t)不相关；若 ，则X(t)与Y(t)相互独立X(t)与Y(t)相互独立 X(t)与Y(t)不相关。,29,协方差函数又称为中心化自相关函数。正交不一定不相关，除非是零均值。,30,X(t)与Y(t)相互独立 X(t)与Y(t)不相关。,31,平稳随机过程,平稳随机过程平稳随机过程:是指它的统计特性不随时间的推移而变化。严平稳随机过程或狭义平稳随机过程数字特征：其均值与t无关，为常数a；自相关函数只与时间间隔有关。,32,平稳随机过程,平稳随机过程宽平稳随机过程或广义平稳随机过程(Weakly stationary Process) 仅使用一、二阶矩。若满足称为宽平稳随机过程或广义平稳随机过程严平稳随机过程必定是广义平稳的，反之不一定成立。注意：通信系统中所遇到的信号、噪声，大多数可视为平稳的随机过程（而且是广义平稳）。,33,平稳随机过程,平稳随机过程的各态历经性(ergodic)时间均值和时间相关函数如果平稳随机过程依概率1使下式成立则称该平稳随机过程具有各态历经性，又称“遍历性”。,34,平稳随机过程,“各态历经”的含义：随机过程中的任一实现都经历了随机过程的所有可能状态。无需（实际中也不可能）获得大量样本函数,用来计算统计平均，只需从任意一个随机过程的样本函数中就可获得它的所有的数字特征，从而使“统计平均”化为“时间平均”，使实际测量和计算的问题大为简化注意：具有各态历经性的随机过程必定是平稳随机过程，但平稳随机过程不一定是各态历经的。在通信系统中所遇到的随机信号和噪声，一般均能满足各态历经条件。,35,平稳随机过程,平稳过程的自相关函数 的偶函数 的上界若随机过程含有周期分量，则自相关函数也含有周期分量。若随机过程不含周期分量， 的平均功率 的直流功率 的交流功率当均值为0时，有相关函数具有非负定性，即对于任意N个复数有,36,平稳随机过程,相关系数及相关时间（1）（自）相关系数,也称为归一化协方差函数或标准协方差函数。,37,平稳随机过程,Wiener-Khinchin定理确知的非周期功率信号的自相关函数与其功率谱密度是一对傅氏变换关系。平稳随机过程的自相关函数与其功率谱密度是一对傅氏变换关系。功率谱密度PSD的性质，具有非负性和实偶性。,38,平稳随机过程,功率谱密度PSD的性质1. 若随机过程均值非零，则功率谱在原点有一函数；2. 若含有周期分量，则在相应的频率处有函数；3. 对于实的平稳随机过程，功率谱具有非负性和实偶性；4. 相关性与功率谱的关系为：相关性越弱，功率谱越宽平；相关性越强，功率谱越陡窄。5.平均功率6. 功率谱密度是从频域描述随机过程很重要的数字特征, 表示单位频带内信号的频率分量消耗在单位电阻上的平均功率的统计平均值。不含相位信息。,39,窄带随机过程,窄带系统，是指其通带宽度f fc ，且fc远离零频率的系统。随机过程通过以fc为中心频率的窄带系统的输出，即是窄带随机过程。,40,窄带随机过程,典型的窄带随机过程的谱密度和样本函数,41,3.5 窄带随机过程,同相分量c(t)和正交分量s(t)的统计特性结论：一个均值为零的窄带平稳高斯过程(t) ，它的同相分量 c(t)和正交分量 s(t)同样是平稳高斯过程，而且均值为零，方差也相同。此外，在同一时刻上得到的 c和 s是互不相关的或统计独立的。结论：一个均值为0，方差为 的窄带平稳高斯过程(t)，其包络a(t)的一维分布是瑞利Rayleigh分布，相位(t)的一维分布是均匀分布，并且就一维分布而言，a(t)与(t)是统计独立的。,42,高斯白噪声和带限白噪声,高斯白噪声和带限白噪声白噪声n (t)功率谱密度在整个频域都是均匀分布的噪声。双边功率谱密度单边功率谱密度n0是一常数，单位取“瓦赫”(W/Hz)。白噪声的自相关函数：对双边功率谱密度取傅里叶反变换白噪声是非功率非能量信号。,43,高斯白噪声和带限白噪声,白噪声的功率由于白噪声的带宽无限，其平均功率为无穷大或结论：真正“白”的噪声是不存在的，它只是构造的一种理想化的噪声形式。实际中，只要噪声的功率谱均匀分布的频率范围远远大于通信系统的工作频带，我们就可以把它视为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称之为高斯白噪声。高斯白噪声在任意两个不同时刻上的随机变量之间，不仅是互不相关的，而且还是统计独立的。,44,高斯白噪声和带限白噪声,低通白噪声如果白噪声通过理想矩形的低通滤波器或理想低通信道，则输出的噪声称为低通白噪声。理想低通的传输特性为低通白噪声功率谱密度白噪声的功率谱密度被限制在| f | fH内，通常把这样的噪声也称为带限白噪声。自相关函数,45,高斯白噪声和带限白噪声,低通白噪声带限白噪声只有在=k/2fH(k=1, 2, 3, )上得到的随机变量才不相关。即，如果对带限白噪声按抽样定理抽样的话，则各抽样值是互不相关的随机变量。,46,高斯白噪声和带限白噪声,带通白噪声如果白噪声通过理想矩形的带通滤波器或理想带通信道，则其输出的噪声称为带通白噪声。理想带通滤波器的传输特性fc 中心频率，B 通带宽度输出噪声的功率谱密度为自相关函数,47,高斯白噪声和带限白噪声,带通白噪声的功率谱和自相关函数曲线,48,高斯白噪声和带限白噪声,窄带高斯白噪声通常，带通滤波器的 B fc ，因此称窄带滤波器，相应地把带通白高斯噪声称为窄带高斯白噪声。时域表达式均值方差平均功率B为带通滤波器的带宽,49,第四章,4.1 无线信道4.2 有线信道4.3 信道的数学模型4.4 信道特性对信号传输的影响4.5 信道中的噪声4.6 信道容量,50,信道分类,狭义信道：信号的传输媒质。广义信道：不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置。,有线信道，如电缆光纤等,无线信道，如中短波、微波信道等,恒参信道,随参信道,有记忆信道,无记忆信道,广义信道,狭义信道,调制信道,编码信道,信道,51,信道的数学模型,信道模型的分类：调制信道编码信道,52,4.3 信道的数学模型,4.3.1 调制信道模型因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与e i (t)相乘，故称其为乘性干扰。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。N(t)加性噪声，将在4.5节分析。若k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。,53,信道特性对信号传输的影响,1. 多径衰落与频率色散Multi-path fading and frequency dispersal则接收到的合成波为 由第i条路径到达的接收信号振幅； 由第i条路径达到的信号的时延； 都是随机变化的。,54,信道特性对信号传输的影响,结论:多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落； 从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱， 即多径传播引起了频率色散。 从时间上看，多径传播引起脉冲展宽。 衰落（Fading）。快衰落 衰落周期和码元周期可以相比拟。慢衰落衰落周期远大于码元周期（由于路径季节、日夜、天气变化引起的，周期长，若干小时、天）。,55,信道特性对信号传输的影响,2. 频率选择性衰落与相干带宽Frequency selective fading and coherence bandwidth,56,信道特性对信号传输的影响,57,信道特性对信号传输的影响,相干带宽表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。如果信号的频谱比相干带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相干带宽。在工程设计中，为了保证接收信号质量， 通常选择信号带宽为相干带宽的1/51/3。 当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响， 就必须限制数字信号传输速率。,58,信道特性对信号传输的影响,常采用的抗衰落技术措施有：恒参信道均衡技术（频域均衡、时域均衡）随参信道分集技术（空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等）其它技术扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术,59,信道容量,离散信道的信道容量(Channel capacity)平均交互信息量I(X,Y)熵速率rI(X,Y)，r为信道传输的符号速率,60,4.6 信道容量,容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值当信道中的噪声极大时，H(X / Y) = H(X)。这时C = 0，即信道容量为零。容量Ct的定义：式中 r 单位时间内信道传输的符号数。,61,信道容量,连续信道的信道容量(Channel capacity)若噪声n(t)的单边功率谱密度为no，则在信道带宽B内的噪声功率N=noB。因此，Shannon公式的另一形式为Shannon公式表明: 当信号与信道AWGN的平均功率给定时，在具有一定带宽的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。,62,第五章,5.1 幅度调制(线性调制)的原理5.2 线性调制系统的抗噪声性能5.3 非线性调制(角度调制)原理5.4 调频系统的抗噪声性能5.5 各种模拟调制系统的比较5.6 频分复用和调频立体声,63,幅度调制(线性调制)的原理,上边带,上边带,下边带,下边带,载频分量,载频分量,64,幅度调制(线性调制)的原理,设调制信号为单频余弦信号则调幅信号为调幅指数（调制指数） 正常调制，一般在30-60%之间 满调制 过调制带宽:为基带信号最高频率fH的二倍,65,幅度调制(线性调制)的原理,调制效率(边带功率与总功率之比)若则当|m(t)|max = A0时（100调制）则调制效率最高,66,幅度调制(线性调制)的原理,DSB-SC信号的波形和频谱,67,幅度调制(线性调制)的原理,DSB-SC信号的特点（与AM信号相比）需采用相干解调(同步检波)，不能采用简单的包络检波。在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180的突变。 DSB-SC信号功率利用率提高了 ，节省了载波功率。但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。,68,幅度调制(线性调制)的原理,单边带调制（SSB）(Single-sideband)双边带信号中任一边带都含调制信号的全部信息，从传输信息目的看，传送其中一个边带就足够了。这种方式称单边带调制。单边带信号的产生方法：滤波法和相移法。 技术难点：滤波法：滤波器要求在fc具有陡峭的截止特性。改进：采用多级调制滤波的方法。相移法：宽带相移网络。改进：Hilbert滤波器,69,幅度调制(线性调制)的原理,SSB信号的特点：不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH=BDSB/2。 SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相移网络较难制作。,70,幅度调制(线性调制)的原理,残留边带（VSB）调制（Vestigial Sideband）介于SSB与DSB之间折中的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难点。保留一个边带的绝大部分（不是全部），同时保留另一个边带的一小部分（其残留一小部分）。,71,幅度调制(线性调制)的原理,为保证相干解调结果不失真，必须满足其中，H为调制信号的最高频率要求：滤波器的衰减特性（滚降特性）满足互补对称性。,72,带通滤波器中心频率,抗噪声性能分析模型,ni(t)为平稳窄带高斯白噪声均值 方差平均功率,73,相干解调抗噪声性能比较,74,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,信噪比小到一定程度，上式中不存在单独的m(t)项，即信号与噪声无法分开。这时无法通过包络检波恢复出信号（信号被噪声淹没）。这种现象称“门限效应”。是由包络检波的非线性解调引起。输出信噪比近似公式,75,非线性调制(角度调制)原理,调相信号调频信号间接调相：调制信号先微分，后调频，得到调相波间接调频：调制信号先积分，后调相，得到调频波,76,非线性调制(角度调制)原理,窄带角调制定义：当最大相位偏移及相应的最大频率偏移满足称为窄带调频（NBFM）或窄带调相（NBPM）。否则称为宽带调频（WBFM）或宽带调相（WBPM）。,77,非线性调制(角度调制)原理,NBFM的信号带宽WBFM的信号带宽,78,非线性调制(角度调制)原理,间接法（倍频法）Armstrong间接法,79,5.5 各种模拟调制系统的比较,各种模拟调制系统的性能比较：下表中的So/No是在以下条件下获得的：相同的解调器输入信号功率Si、相同噪声功率谱密度n0、其中AM为100%调制，调制信号为单音正弦。,80,各种模拟调制系统的性能比较,81,5.5 各种模拟调制系统的比较,抗噪声性能WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。NBFM和AM的性能接近。门限点以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf=6）的信噪比比AM高22 dB。FM的调频指数越大，抗噪声性能越好，但占据的带宽越宽，频带利用率低。,82,5.5 各种模拟调制系统的比较,频带利用率SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。即，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。fm值的选择对于FM，fm值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用WBFM， fm值选大些。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用fm较小的调频方式。,83,5.5 各种模拟调制系统的比较,特点与应用AM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。DSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。SSB调制：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。VSB调制：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。FM： FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。,84,第六章,6.1 数字基带信号及其频谱特性6.2 基带传输的常用码型6.3 数字基带信号传输与码间串扰6.4 无码间串扰的基带传输特性6.5 基带传输系统的抗噪声性能6.6 眼图6.7 部分响应和时域均衡,85,数字基带信号及其频谱特性,传号差分码（电平跳变表示1）：NRZ（M）AMI：alternate mark inversion二进制码1交替地用1和1的半占空归零码表示n阶高密度双极性码HDBnHDB3码:3阶高密度双极性码，连”0”数不超过3。,86,数字基带信号及其频谱特性,双极性基带信号的功率谱密度,占空比50%,87,数字基带信号及其频谱特性,88,数字基带信号及其频谱特性,单极性归零码的离散谱中有位定时分量，因此可直接提取位定时分量。单极性不归零信号中无定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换。研究数字基带信号功率谱的意义根据其连续谱来确定带宽；根据其离散谱是否存在这一特点，明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量，以及采用怎样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散分量。由于没有限定g1(t)和g2(t)的波形，因此数字基带信号的功率谱公式也可计算数字调制信号的功率谱。,89,基带传输的常用码型,AMI 码和HDB3码的功率谱,90,基带传输的常用码型,【例】半占空归零波形的AMI码功率谱是【 】,A,91,无码间串扰的传输波形,数字通信系统产生误码的因素Timing jitterISI-Inter-symbol interferenceChannel Noise码间串扰ISI产生的原因矩形波形时域受限，频域无限；要求信道频带无限经频带受限信道传输的信号: 频域受限；时域无限数字基带传输系统的设计目标 无码间串扰波形 噪声的影响减到足够小的程度,92,无码间串扰的基带传输特性,时域条件频域条件称之为奈奎斯特第一准则,93,无码间串扰的基带传输特性,无码间串扰的传输特性的设计1. 理想低通信号若取i=0, 基带波形传递函数为一理想低通系统若通信信号波形为理想低通信号，则无码间串扰。,94,无码间串扰的基带传输特性,输入数字序列的速率为 Baud则最小传输带宽为Nyquist带宽最高频带利用率若采用二进制基带传输最高传输速率为Nyquist速率 Baud理想低通信号在实际应用中存在两个问题： 物理实现极为困难；h(t)的“尾巴”很长，衰减很慢，当定时存在偏差时， 可能出现严重的码间串扰。,95,无码间串扰的基带传输特性,2. 升余弦滚降信号（工程上广泛使用）Raised Cosine-Rolloff Filtering为解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢衰减下降，这称为“滚降”。满足奈奎斯特第一准则，从而实现无码间串扰传输。 滚降特性构成：,96,无码间串扰的基带传输特性,3. 部分响应系统（工程上广泛使用）,97,无码间串扰的基带传输特性,【例】设基带传输系统的发送滤波器、信道及接收滤波器组成的总特性为 H(f)，若要求以2400波特的速率进行传输，图中何种 H(f)满足抽样点无码间干扰的条件？【 】,D,98,6.5 基带传输系统的抗噪声性能,双极性基带系统（幅度A）判决的观测信号均为高斯分布选择一个适当的电平Vd作为判决门限PD，PFA，PM,99,6.5 基带传输系统的抗噪声性能,(1) 发”1”错判为”0”的概率(2) 发”0”错判为”1”的概率平均误码率最佳门限电平，在A和 一定条件下，使平均误码率最小的判决门限电平。,100,6.5 基带传输系统的抗噪声性能,令可得最佳门限电平当P(1)=P(0)=1/2时基带传输系统平均误码率为系统的总误码率仅依赖于信噪比 , 而与采用什么样的信号形式无关(信号必须是无码间干扰的)。 若比值越大，则Pe就越小。,101,6.5 基带传输系统的抗噪声性能,单极性基带系统对于单极性信号当P(1)=P(0)=1/2时相同信噪比下，单极性基带系统的抗噪声性能不如双极性基带系统。在等概条件下，单极性的Vd为A/2，当信道特性发生变化时，Vd将随着变化，而不能保持最佳状态，从而导致误码率增大。在等概条件下，双极性的最佳判决门限电平为0，与信号幅度无关，因而不随信道特性变化而变， 故能保持最佳状态。,102,数字基带系统的抗噪声性能令 为信噪比双极性基带传输系统平均误码率单极性基带传输系统平均误码率相同信噪比时，比较误比特率 ；相同误比特率时，比较信噪比。分析条件：假设信道恒参特性，具有理想矩形的传输特性。,103,眼图,眼图是用示波器观察系统性能的一种简单方法。将接收到的待测基带信号加于示波器输入端，定时信号作为示波器扫描同步信号。目的：由于存在滤波器部件不理想或信道特性变化等因素，求误码率非常困难，尤其码间串扰和噪声同时存在的情况下，系统性能的定量分析更是难以进行。眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小，从图形上并不能观察到随机噪声的全部形态，只能大致估计噪声的强弱。,104,眼图的参数指标,105,第七章,7.1 二进制数字调制原理7.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能7.3 二进制数字调制系统的性能比较7.4 多进制数字调制原理7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能,106,二进制数字调制原理,2ASK信号的功率谱密度基带信号的理论带宽无限宽基带NRZ码近似带宽: BB=fs=Rs (fs:位定时的频率)调制2ASK(OOK)信号的近似带宽: BS=2fs=2Rs,107,二进制数字调制原理,2PSK信号的解调采用相干解调。相干载波的获取：锁相环 a平方环电路 b科斯塔斯环电路载波恢复存在0和相位模糊问题，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相。,108,二进制数字调制原理,锁相环恢复相干载波存在的问题：0,相位模糊度2PSK信号的相干解调存在：”倒”现象2PSK方式在实际中很少采用。,109,二进制数字调制系统的性能比较,110,7.3 二进制数字调制系统的性能比较,结论：1. 误码率对同一种数字调制信号，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。在误码率Pe一定的情况下，2PSK、2FSK、2ASK系统所需要的信噪比关系为若信噪比r一定的情况下，2PSK系统的误码率低于2FSK系统，2FSK系统的误码率低于2ASK系统。,111,7.3 二进制数字调制系统的性能比较,2. 频带宽度若传输的码元时间宽度为Ts从频带利用率上看，2FSK系统的频带利用率最低。,112,7.3 二进制数字调制系统的性能比较,3. 对信道特性变化的敏感性对于2FSK系统，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。 对于2PSK系统，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。判决门限不随信道特性的变化而变化。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限与接收机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性能最差。,113,7.3 二进制数字调制系统的性能比较,在恒参信道传输中如果要求较高的功率利用率，则应选择相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可取；如果要求较高的频带利用率，则应选择相干2PSK和2DPSK，而2FSK最不可取。若传输信道是随参信道， 则2FSK具有更好的适应能力。,114,基带信号的多进制传输M-ary,信号带宽、频带利用率总结,115,注：BPSK调制可以是通带传输也可以基带传输 当c=0时，,信号带宽、频带利用率总结,116,信号带宽、频带利用率总结,频带信号的多进制传输M-ary,117,第九章,9.1 引言9.2 模拟信号的抽样9.3 模拟脉冲调制9.4 抽样信号的量化9.5 脉冲编码调制9.6 差分脉冲编码调制9.7 增量调制9.8 时分复用和复接,118,引 言,模拟语音信号数字化的方法大致可划分为波形编码和参量编码两类。波形编码：时域波形变换为数字代码序列。方法简单，重建信号的质量好，占用频带宽16 kb/s 64 kb/s参量编码：提取语音信号的特征参量 ，再变换为数字代码。方法复杂，重建信号的质量差，占用频带窄16 kb/s以下波形编码：抽样量化编码，PCM、ADPCM,119,9.2 模拟信号的抽样,抽样抽样定理：对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分均匀抽样和非均匀抽样；根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，可分理想抽样和实际抽样（自然抽样、平顶抽样）。,120,9.2 模拟信号的抽样,低通抽样定理 如果s2H，即fs2fH，也即Ts1/(2fH)，则在相邻的M()之间没有重叠，而位于n=0的频谱就是信号频谱M() 本身。,121,9.2 模拟信号的抽样,带通抽样定理若n为不大于 的整数部分，n =1，2，；k为 的小数部分，0 k 1。,122,9.4 抽样信号的量化,均匀量化器的应用：A/D变换；遥控遥测系统、仪表、图像信号的数字化接口等；均匀量化的不足：不适于数字电话的通信电话信号动态范围大，采用均匀量化容易过载；动态范围：满足一定信噪比要求的信号取值范围电话信号的信噪比要求要大于25dB，采用均匀量化时，需要12位量化编码，所需传输带宽大；语音信号取小信号的概率大，而均匀量化时信号幅度越小，量化SNR越低，通信质量越差。,123,9.4 抽样信号的量化,非均匀量化电话信号动态范围大，采用均匀量化容易过载；电话信号的信噪比要求要大于25dB，采用均匀量化时，需要12位量化编码，所需传输带宽大；语音信号取小信号的概率大，而均匀量化时信号幅度越小，量化SNR越低，通信质量越差。小信号小阶距量化，大信号大阶距量化。采用先压缩后扩张的非均匀量化方案，以减少编码位数。目的：保证通信质量，减少编码位数，提高小信号的量化信噪比。,124,9.5 脉冲编码调制,A率正输入值编码表,125,9.5 脉冲编码调制,【例】设输入信号抽样值Is=+630（为1个量化单位， 表示输入信号归一化值的1/2048），采用逐次比较型编码器,按A律13折线编成8位码C1C2C3C4C5C6C7C8。 解：编码过程如下：确定极性码C1=1确定段落码C2C3C4=110确定段内码C5C6C7C8=0011编码码组C = 111000117位非线性码相对应的11位线性码为01001100000。 （段落起始电平、段落电平直接计算）,126,9.5 脉冲编码调制,解码输出分层电平转化为量化电平确保所有样值 解：解码输出为：量化误差为：量化误差小于量化间隔的一半,127,9.5 脉冲编码调制,非线性码与线性码（均匀量化）的变换7/11变换7位非线性码：1 1 0 1 0 1 011位线性码： 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0为保证量化误差小于量化间隔的一半，解码输出时需要加上量化间隔的一半，此时7/11变换变为7/12变换。7/12变换：在7/11变换的基础上增加一个“1”7位非线性码： 1 0 1 1 1 0 1 12位线性码： 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0,128,第十一章,11.1 概述11.2 纠检错编码的基本原理11.3 纠检错编码的性能11.4 简单的实用编码11.5 线性分组码11.6 循环码11.7 卷积码11.8 turbo码11.9 低密度奇偶校验码11.10 网格编码调制,129,概述,差错控制编码信道编码在数字通信中，编码可分为信源编码和信道编码。信源编码:为了提高有效性和数字化而采取的编码。信道编码:是为了降低误码率、提高可靠性而采取的编码。为降低数字通信误码、提高抗干扰性能加大发射功率降低接收设备本身的噪声合理选择调制、解调方法、采用均衡、分集技术等信道编码技术。,130,概述,常用的差错控制方式前向纠错（FEC: forward error correction）只需正向信道，单向传输，实时性好；编译码设备复杂自动请求重发（ARQ: automatic repeat request）译码设备简单，需要反馈信道，对突发错误和信道干扰较严重时有效， 但实时性差混合纠错（HEC:hybrid error correction）前向纠错方式和检错重发方式的结合与折衷外层先采用前向纠错，当前向纠错不能解决问题时，内层再采用检错重发。,131,纠检错编码的基本原理,差错控制编码分类根据码的用途，可分为检错码和纠错码。根据码组信息元和监督元的函数关系，可分为线性码和非线性码。根据信息元与码组的记忆关系，可分为无记忆码分组码和有记忆码卷积码。分组码的各码元仅与本组的信息元有关；卷积码中的码元不仅与本组的信息元有关， 而且还与前面若干组的信息元有关。分组码循环码BCH码RS码Bose-Chaudhuri-Hocquenghem; Reed-Solomon,132,纠检错编码的基本原理,最小码距dmin与检错和纠错能力的关系若检测e个错误，则要求dmine+1;若纠正t个错误，则要求dmin2t+1;若纠正t个错误，同时检测e个错误，则要求dmint+e+1; te;,133,11.5 线性分组码(linear block codes),线性分组码(n,k) 的基本概念二进制时许用码组有2k个码字禁用码组有2n-2k个码字,信息码元,监督码元,134,11.5 线性分组码(linear block codes),线性分组码(n,k) 的基本概念信息码元监督码元监督码元是信息码元的线性组合。具有封闭性，即任意两个许用码组之和（模2加），结果仍为一许用码组。编码效率衡量有效性: R=k/n系统码:信息码元与原码字排列相同，并且与监督码元分开。非系统码:分组码字中不能直接看出信息码元,135,11.5 线性分组码(linear block codes),线性分组码(n,k) 的基本概念码重、汉明重量(Hamming Weights)组码中非零码元的数目。如 10110，w=3。码距、汉明距离(Hamming Distance) 两个等长码组之间对应位取值不同的数目。如 11000 与 10011，d=3。最小码距dmin码组集中任意两个码字之间距离的最小值。是衡量码检错、纠错能力的依据 。在数学上已经证明： 线性码的最小码距正好等于非零码的最小码重。,136,11.5 线性分组码(