通信原理教学课件7.ppt

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 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（6370x4/3）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 = 6370x4/3 km h =400 km D 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, 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。,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(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)=10-3W/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 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10011000001100000101，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/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=0.0869,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