《通信原理教学》PPT课件.ppt

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1、1,通信原理,第七讲 习题课,2,习题课,第1章 绪论第4章 信道第5章 模拟调制系统第6章 数字基带传输系统,主要内容,3,第1章 绪论,通信系统的一般模型是怎样的?,4,第1章 绪论,数字通信系统的基本组成有哪些？,5,第1章 绪论,如何区分数字信号和模拟信号？数字通信有哪些优点？抗干扰能力强，噪声不积累；传输差错可控：纠错编码；易于加密处理，且保密性好；便于利用现代信号处理技术进行处理、变换和存储；易于集成，有利于实现通信设备的小型化。数字通信有哪些缺点？一般比模拟通信占据的系统频带宽；需要严格的同步，实现较复杂。,6,第1章 绪论,掌握信息的定义与度量方法,平均信息量为：,7,第1章

2、绪论,评价通信系统性能的指标,模拟通信系统的性能指标 有效性度量：系统的频带利用率 可靠性指标：接收端最终输出信噪比,数字通信系统的性能指标 传输速率和频带利用率有效性 码元传输速率和信息传输速率 误码率和误信率（误比特率）可靠性,例：某数字通信系统在4s内传输4800个码元，采用4进制传输，则信息速率为,2400bps。,8,第1章 绪论,1-2 信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一符号独立出现，其出现的概率为1/4,1/8,1/8,3/16和5/16。试求该信息源符号的平均信息量。,解：,bit/symbol,bit/sign,9,第1章 绪论,1-4 一个由字母A，B，C，D组

3、成的字。对于传输的每一个字母用二进制脉冲编码，00代替A，01代替B，10代替C，11代替D。每个脉冲宽度为5ms（1）不同的字母是等概率出现时，试计算传输的 平均信息速率。（2）若每个字母出现的概率为 试计算传输的平均信息速率。,10,第1章 绪论,解：首先计算平均信息量,（1）不同的字母是等概率出现时,平均信息速率=2（bit/字母）/(25ms/字母)=200 bit/s,（2）若,平均信息速率=1.985(bit/字母）/(25ms/字母)=198.5 bit/s,11,第1章 绪论,1-7设一数字传输系统传送二进制码元的速率为2400B，试求该系统的信息速率；若该系统改为传送16进制

4、信号码元，码元速率不变，则这时的系统信息速率为多少（设个码元独立等概率出现）,解：利用码元速率和信息速率的关系，即,二进制时：,16进制时：,12,第1章 绪论,解：码元速率：,Pe=错误码元数/传输总码元数,1-10 已知某四进制数字传输系统的传信率为2400b/s，接收端在0.5h内共收到216个错误码元，试计算该系统的误码率.,13,习题课,第1章 绪论第4章 信道第5章 模拟调制技术第6章 数字基带传输系统,主要内容,14,第4章 信道,信道的基本概念、定义、分类、数学模型,具有加性（高斯）噪声的恒参信道数学模型,信道的定义：以传输媒介为基础的信号通道,15,第4章 信道,信道特性及其

5、传输的影响、信道中的噪声、信道容 量的香农公式。,香农公式：,信道容量：是指信道中信息能够无差错传输 的最大速率。,16,第4章 信道,4-2、设一条天波无线电信道，用高度等于400km的F2层电离层发射电磁波，地球的等效半径等于（6370 x4/3）km，收发天线均架设在地平面，试计算其通信距离大约可以达到多少千米？,解：,R=6370 x4/3 kmh=400 kmD 5037.1km,17,习题课,第1章 绪论第4章 信道第5章 模拟调制技术第6章 数字基带传输系统,主要内容,18,第5章 模拟调制技术,19,第5章 模拟调制技术,调制的基本概念：定义、分类和模型,调制是把信号转换成适合

6、在信道中传输的形式 的过程。连续波模拟调制可以分为幅度调制和角度调制。,20,第5章 模拟调制技术,各种模拟线性调制技术,调幅（AM）,模拟线性调制包括AM、DSB-SC、SSB和VSB。对于线性的理解：频谱的搬移是线性的。,调幅指数：Am/A0；|m(t)|A0时，则发生“过调幅”。,带宽,功率,调制效率：,21,第5章 模拟调制技术,DSB-SC：,调制效率：100；优点：节省了载波 功率；缺点：不能用包络检波，需用相 干解调，较复杂。,单边带调制（SSB）,滤波法,相移法,22,第5章 模拟调制技术,残留边带调制（VSB）,残留边带滤波器的特性H()在c处必须具有互补对称（奇对称）特性,

7、相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。,相干解调,23,第5章 模拟调制技术,SSB调制系统的性能,制度增益:,线性调制系统的抗噪声性能,DSB相干解调系统的性能,24,第5章 模拟调制技术,模拟角度调制技术,FM-瞬时频率偏移随调制信号成比例变化；PM-瞬时相位偏移随调制信号m(t)而线性变化。,mp=Kp Am 调相指数，表示最大相位偏移。,调频指数，表示最大频率偏移。,如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。,25,第5章 模拟调制技术,定义：如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足下 式条件 则称为窄带调频；反之，称为宽带调频。

8、,调频信号的带宽：,卡森公式,26,第5章 模拟调制技术,“预加重”和“去加重”的设计思想是保持输出信号不变，有效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比的目的。,多路复用：为充分利用信道带宽，提高传输容量，把多路信号在同一信道中传输。常用的复用方式 有：频分复用、时分复用和码分复用。,不同调制方式的性能比较：AM调制的优点是接收 设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差；FM波的幅度恒定不变，有抗快衰落能力。宽带FM 的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换。,27,第5章 模拟调制技术,5-4 将调幅波通过残留边带滤波器产生残留边带信号。若此滤波器的传输函数H()如图P5-2所示。当调制信号

9、为m(t)=Asin(100t)+sin(6000t)时，试确定所得残留边带信号的表示式。,解：,设调幅波sAM(t)=m0+m(t)cosct,其中，m0|m(t)|max=A,同时根据残留边带滤波器在载波fc处具有互补 对称特性，可以得出载频 fc=10KHz。,28,第5章 模拟调制技术,29,第5章 模拟调制技术,根据图（5-2），有,30,第5章 模拟调制技术,残留边带信号频谱：,残留边带信号的表示式：,31,第5章 模拟调制技术,5-5 某调制方框图如图P5-3(b)所示。已知m(t)的频谱如图P5-3(a)，载频1H，且理想低通滤波器的截止频率为1，试求输出信号s(t),并说明s

10、(t)为何种已调信号。,解：,设m(t)与cos1t相乘后的输出为s1(t)，则s1(t)是一个DSB信号。s1(t)再经过截止频率为1的理想低通滤波器，所得输出信号s1(t),显然是一个下边带信号，其时域表达式为,32,第5章 模拟调制技术,同理，m(t)与sin1t相乘后的输出s2(t)再经过理想低通滤波器之后，得到输出信号s2(t)也是一个下边带信号，其时域表示式为,33,第5章 模拟调制技术,调制器最终输出信号：,显然，s(t)是一个载波角频率为(2-1)的上边带信号。,34,第5章 模拟调制技术,5-12 试证明：当AM信号采用同步检测法进行解调时，其制度增益G与大信噪比情况下AM采

11、用包络检波解调时的制度增益G的结果相同。,证明：,设解调器输入AM信号sAM(t)为,式中，Am(t)max,输入噪声ni(t)为,35,第5章 模拟调制技术,解调器输入的信号功率Si 和噪声功率Ni分别为,设同步检测时的相干载波为cosct，则解调器的输出s0(t)应为,36,第5章 模拟调制技术,输出信号功率 SO和NO分别为,采用同步检测法进行解调时，AM信号的调制制度增益,37,第5章 模拟调制技术,5-16 设一宽带FM系统，载波振幅为100V,频率为100MHz，调制信号m(t)的频带限制于5kHz，最大频偏f=75 kHz,并设信道中噪声功率谱密度是均匀的，其 Pn(f)=10-

12、3W/Hz(单边谱),试求：(1)接收机输入端理想带通滤波器的传输特性H();(2)解调器输入端的信噪功率比；(3)解调器输出端的信噪功率比；(4)若m(t)以调振幅方法传输。并以包络检波器检波，试比较在输出信噪比和所需带宽方面与频率调制系统有何不同？,38,第5章 模拟调制技术,解：,（1）接收机输入端的带通滤波器应该能让 已调信号完全通过，并最大限度地滤除带外噪声。由题意，调频指数为,宽带FM信号的带宽为,39,第5章 模拟调制技术,信号所处频率范围为100MHz0.16 kHz/2 MHz。因此，理想带通滤波器的传输特性应为,其中，k为常数。,(2)设解调器输入端的信号为,40,第5章

13、模拟调制技术,解调器输入信号功率和噪声功率分别为；,（3）解调器输出信噪比为；,41,第5章 模拟调制技术,(4)若以AM方式传输m(t),则所需带宽,由此可见，频率调制系统与AM系统相比，通过增加信号带宽，提高了输出信噪比。,42,第5章 模拟调制技术,5-17 已知某单频调频波的振幅是10V，瞬时频率为 f(t)=106+104cos2*103tHz，试求：1、此调频波的表达式 2、此调频波的频率偏移，调频指数和频带宽度 3、调制信号频率提高到2*103Hz，则调频波的频 偏，调制指数和频带宽度如何变化?,1、该调频波的瞬时角频率为,解：,43,第5章 模拟调制技术,此时，该调频波的总相位

14、为,因此，调频波的时域表达式sFM(t)为,(2)根据频率偏移的定义,44,第5章 模拟调制技术,调频指数为,这样可以得到调频波的带宽为,(3)因频率调制时已调波频率偏移与调制信号频率无关，故这时调频信号的频率偏移仍然是,45,第5章 模拟调制技术,调频指数变为,这样可以得到调频波的带宽为,由上述结果可知：由于f fm，所以，虽然调制信号频率fm增加了一倍，但调制信号的带宽B变化很小。,46,习题课,第1章 绪论第4章 信道第5章 模拟调制技术第6章 数字基带传输系统,主要内容,47,第6章 数字基带传输系统,数字基带信号的波形、码型和频谱,数字基带信号的编码规则 NRZ码,RZ码,AMI码和

15、HDB3码；在码元速率一定时，多元码可以提高信 息速率，是以提高发送功率为代价的。数字基带信号的功率谱可分为连续谱和 离散谱两部分。单极性NRZ、RZ和双极性NRZ矩形脉冲 序列的功率谱特性。,48,4.1 数字基带信号的码型,1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1,+1-1,例 设前一取代节的极性为+(记为V+)，求 NRZ码对应的HDB3码。,NRZ码,HDB3码,V+,-1+1,B-0 0 V-,+1 0-1+1,0 0 0 V+,B-0 0 V-,49,第6章 数字基带传输系统,数字基带传输系统模型,产生误码的原因：信道加性噪声；码间串扰。码间串

16、扰的定义和影响（严重时会导致误码）。,50,第6章 数字基带传输系统,无码间串扰的时域条件 无码间串扰传输特性的选择依据：奈奎斯特第一准则,将H()在 轴上以2/Ts为间隔切开，然后分段沿 轴平移到(-/Ts,/Ts)区间内，将它们进行叠加，其结果应当为一常数。,51,第6章 数字基带传输系统,理想低通传输特性,基带传输最高频带利用率,升余弦滚降频谱特性,升余弦滚降系统的最高频带利用率为,52,第6章 数字基带传输系统,6-1 设二进制符号序列为10010011，试以矩形脉冲为例，分别画出相应的单极性，双极性，单极性归零，双极性归零，二进制差分波形和四电平波形。,解：,53,第6章 数字基带传

17、输系统,54,第6章 数字基带传输系统,解：（1）对于双极性波形，其功率谱密度为,55,第6章 数字基带传输系统,对应的功率为,56,第6章 数字基带传输系统,(2)对于图a所示波形,57,第6章 数字基带传输系统,代入（1）中的结果，可得此时的离散分量为0，即该序列不存在离散分量,（3）对于图b所示波形,故该二进制序列存在离散分量,58,第6章 数字基带传输系统,6-7 已知二元信息序列为，试以矩形脉冲为例，分别画出它所对应的单极性归零码、AMI码和HDB3码的波形。,解：,59,第6章 数字基带传输系统,解：（1）由图6-5得到,60,第6章 数字基带传输系统,（2）根据奈奎斯特准则，要满

18、足当码速率为 时使系统实现无码间干扰传输，则 H(w)应满足,显然图6-5中的传输函数不能满足上述条件，因而无法使系统满足无码间干扰传输。,61,第6章 数字基带传输系统,6-11设数字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，若要求以 波特的速率进行数据传输，试检验题图中各种 是否满足消除抽样点上码间干扰的条件。,62,第6章 数字基带传输系统,解：,（a）Nyquist带宽,该系统无码间干扰传输的最大码元传输速率,以2/TS波特的速率进行数据传输时，该系统不满足消除抽样点上码间干扰的条件。,63,第6章 数字基带传输系统,（b）,传输速率2/Ts虽然小于（奈奎斯特速率）3/

19、Ts，但由于不是2/Ts的整数倍，所以在该系统中以2/Ts的速率传输，不能消除码间干扰。,（c）,该系统满足消除抽样点上码间干扰的条件。,64,第6章 数字基带传输系统,（d）,因此，该系统不满足消除抽样点上码间干扰的条件。,65,第6章 数字基带传输系统,解：（1）该系统可构成等效矩形系统,所以该系统能实现无码间干扰传输。,66,第6章 数字基带传输系统,（2）该系统无码间串扰的最大码元传输速率为,由于系统的实际带宽为,所以，此时系统的频带利用率为,67,6.7 部分响应和时域均衡,均衡准则与实现：通常采用峰值失真准则和均方失真准则。峰值失真定义：,物理意义：所有抽样时刻的码间串扰绝对值之和

20、与t=0时刻的抽样值之比，即峰值码间干扰与有用信号的样值之比。,问题：如何调整抽头系数以获得最佳的均衡效果？,68,6.7 部分响应和时域均衡,均方失真定义：,最小峰值失真准则工作原理迫零均衡,未均衡前的输入峰值失真称为初始失真,69,6.7 部分响应和时域均衡,|,问题：D是Ci 的函数，如何使D最小？,70,6.7 部分响应和时域均衡,Lucky曾证明：如果初始失真D01,则D的最小 值必然发生在 y0前后的yk都等于零的情况下。定理的数学意义是，所求的系数Ci应该是下式成立时的2N+1个联立方程的解。这2N+1个线性方程为,71,6.7 部分响应和时域均衡,写成矩阵形式，有 物理意义：在

21、输入序列xk给定时，如果按上式方程组调整或设计各抽头系数Ci，可迫使均衡器输出的各抽样值yk为零。这种调整叫做“迫零”调整，所设计的均衡器称为“迫零”均衡器。,72,6.7 部分响应和时域均衡,Lucky发明的原始的迫零均衡器,73,6.7 部分响应和时域均衡,【例】设计一个具有3个抽头的迫零均衡器，以减小码 间串扰。已知x-2=0，x-1=0.1，x0=1，x1=-0.2，x2=0.1，求3个抽头的系数，并计算均衡 前后的峰值失真。【解】2N+1=3,C1=0.09606，C0=0.9606，C1=0.201,74,6.7 部分响应和时域均衡,输入峰值失真：D0=0.4,输出峰值失真：D=0

22、.0869,均衡后的峰值失真减小4.6倍,结论：抽头有限时，总不能完全消除码间串 扰，但适当增加抽头数可以将码间串 扰减小到相当小的程度。,y-1=0，y0=1，y1=0，y-3=0,y-2=0.0096，y2=0.0557，y3=0.02016,75,信号经过有失真的信道,经过信道后可以看出信号发生了失真在各个采样位置上都发生了码间串扰（采样值不为零）此时的输入峰值失真为0.814,6.7 部分响应和时域均衡,76,设计一个三抽头的时域均衡器,根据公式列出矩阵方程为,解出：,6.7 部分响应和时域均衡,77,6.7 部分响应和时域均衡,经过均衡器后可以看出信号发生了变化,问题1：均衡器发挥作

23、用了吗？其效果体现在哪里？,在采样位置x-1和x1上的采样值变为零，消除了对相邻两个脉冲的码间串扰；此时的输出峰值失真为0.207,78,6.7 部分响应和时域均衡,问题2：如果对均衡后的效果仍不满意，觉得输出峰值失真仍然过大，应该如何解决？,可以增加均衡器的抽头数，抽头数越多，均衡效果越好，输出峰值失真越低，但是其复杂度也随之增加，系统设计要充分考虑到性能和复杂度的折中(performance-complexity tradeoff),作业：利用MATLAB设计一个5抽头的迫零均衡器 并画出均衡后的信号波形。,79,五抽头均衡器：,在采样位置x-2，x-1，x1和x2上的采样值都变为零，消除

24、了对相邻四个脉冲的码间串扰；此时的输出峰值失真为0.0328,80,6.7 部分响应和时域均衡,均衡器的实现与调整：,均衡器,手动均衡器,自动均衡器,预置式均衡器,自适应均衡器,在实际数据传输之前，发送 一种预先规定的测试脉冲序 列；按照“迫零”调整原理，根据测试脉冲得到的样值序列xk自动或手动调整各抽头系数，直至误差小于某一允许范围；调整好后，再传送数据，在 数据传输过程中不再调整。,自适应均衡可在数据传输过程根据某种算法不断调整抽头系数，因而能适应信道的随机变化。,81,小结,通过运用部分响应技术设计信号将大大提高系统的可实现性；本章强调指出，在实际中要做到信号传输完全无码间串扰是不可能的，在接收端采用时域均衡技术可有效地减小码间串扰的影响，提高系统的可靠性。,作业：6-23，6-24，6-25,