通信原理李志强PPT课件.ppt

1 李志强副教授南京通信工程学院 通信原理 2 内容 1概述2模拟信号数字传输3数字信号的基带传输4数字信号的载波传输5差错控制与编码技术 3 1概述 1 什么是 通信 通信 指信息的传输与交换 4 1概述 2 一个通信系统由哪些要素组成 5 1概述 3 模拟通信系统 数字通信系统 在信道上传输的是模拟 数字 信号的通信系统 模拟信号 数字信号 6 1概述 4 信号的某一参量 如连续波的振幅 频率 相位 脉冲波的振幅 宽度 位置等 可以取无限多个数值 且直接与信息相对应 信号的某一参量只能取有限个数值 并且常常不直接与信息相对应 7 1概述2模拟信号数字传输3数字信号的基带传输4数字信号的载波传输5差错控制与编码技术 8 2模拟信号数字传输 模拟信号能否在数字通信系统中传输 怎么传 需要什么处理 Ofcourse 需要模数 AD 数模 DA 转换 9 2模拟信号数字传输 2 1脉冲编码调制PCM1 在时间上和脉冲幅度上同时把信号离散化 再经过编码把信号进一步变成二进制代码 即变成了数字信号 10 2模拟信号数字传输 2 1脉冲编码调制PCM2 PCM信号的码元速率话音信号的频带范围是300 3400Hz 一般音频滤波器设置截止频率为4KHz 根据采样定理 对话音信号的采样频率定为8KHz 每样值再用8bit进行量化 因此PCM的码率为 11 2模拟信号数字传输 2 1脉冲编码调制PCM3 压缩与扩张 量化会使信号产生失真 量化可分为均匀量化和非均匀量化 语音信号是非平稳的随机信号 其短时均方差值变化超过40dB 考虑不同人 不同的语态以及不同的用户线长度 动态范围会更大 因此均匀量化器不适合对语音信号的直接量化 压缩处理可以使量化SNR在整个动态范围内保持恒定 而且所有码字的长度相同 接收端相反的处理即是扩张 12 2模拟信号数字传输 2 1脉冲编码调制PCM 律 为压缩系数 越大则压缩效果愈明显 0相当于无压缩 式中 在CCITT建议中取255 13 2模拟信号数字传输 2 1脉冲编码调制PCM A律A为压缩系数 A越大则压缩效果愈明显 A 1相当于无压缩 式中A在CCITT建议中取87 56 14 2模拟信号数字传输 2 2 M增量调制1 定义 M是将模拟信号变换成仅有一位二进制码组成的数字信号序列 来表示相邻信号的相对大小 通过相邻抽样值的相对变化反应模拟信号的变化规律 15 2模拟信号数字传输 2 2 M增量调制 16 2模拟信号数字传输 2 2 M增量调制2 PCM和 M的性能比较 PCM和 M的比较是在相同信道带宽的条件下进行 17 2模拟信号数字传输 2 2 M增量调制2 PCM和 M的性能比较 当k等于4 5时 PCM和 M系统的量化信噪功率比差不多 当k5 PCM系统的量化信噪功率比高于 M系统 一般来讲 M系统的设备比PCM简单 对于话音质量要求高 而信道带宽有容的时候 用PCM系统比较好 如长途通信 而对话音质量要求不是很高的近距离通信和无线电通信中 一般都用改进型的增量调制系统 18 1概述2模拟信号数字传输3数字信号的基带传输4数字信号的载波传输5差错控制与编码技术 19 3数字信号的基带传输 3 1数字基带信号码型1 常用码型 单极性码双极性码单极性归零码双极性归零码差分码极性交替转换码成对的二进制码三阶高密度双极性码 HDB3码 多进制 多电平 码 20 3数字信号的基带传输 21 3数字信号的基带传输 3 1数字基带信号码型2 为什么这么多码型 设计码型是为了便于传输 是否含有直流分量 是否易于收端提取同步 是否具有良好的抗噪声性能 22 3数字信号的基带传输 3 2基带传输系统1 组成 23 3数字信号的基带传输 3 2基带传输系统 2 各点波形 24 3数字信号的基带传输 3 2基带传输系统 2 各点波形 25 3数字信号的基带传输 3 3码间串扰ISI1 什么是ISI 接收端接收到前一个码元的波形串到后一个码元抽样判决的时刻 影响后一个码元的抽样判决 当波形失真比较严重时 可能出现前面几个码元的波形同时串到后面 对后面某一个码元的抽样判决产生影响 这种影响叫做码间串扰 26 3数字信号的基带传输 3 3码间串扰ISI2 如何消除ISI 采样点无码间串扰 没有码间串扰的h t 应该通过图中的一些特殊点 这些特殊点是t 0时h 0 1和t kTb时h kTb 0的点 27 3数字信号的基带传输 无码间串扰举例 理想低通 理想低通下无码间串扰时域波形示意图 发送码元 0110 28 3数字信号的基带传输 3 3码间串扰ISI3 采样点无码间串扰的频域表述 29 3数字信号的基带传输 3 3码间串扰ISI4 频带利用率 码元速率Rb和占用传输带宽B的比值 即单位频带所能传输的码元速率 理想低通传输特性时Rb 2W1这个极限速率称之为奈奎斯特速率 带宽W1称之为奈奎斯特带宽 30 3数字信号的基带传输 3 4传输差错率1 噪声的影响 发 1 码时 收到的是A n t 发 0 码时 收到的是 A n t 对双极性码n t 对单极性码 31 3数字信号的基带传输 3 4传输差错率1 噪声的影响 1 对 1 码 2 对 0 码 当V Vb判为 1 码 判决正确当V Vb判为 0 码 判决错误 当VVb判为 1 码 判决错误 32 3数字信号的基带传输 3 4传输差错率2 误码率计算 33 3数字信号的基带传输 3 4传输差错率3 误码率表示 双极性信号单极性信号 34 1概述2模拟信号数字传输3数字信号的基带传输4数字信号的载波传输5差错控制与编码技术 35 4数字信号的载波传输 4 1二进制调制 BPSKBPSK BPSK调制信号用载波的相位携带 BPSK信号的载波相位共有2个可能的取值 每一个载波相位对应着2个符号集中的一个符号 在某一个符号间隔内载波的相位取该符号对应的相位值 36 4数字信号的载波传输 4 1二进制调制 BPSKBPSK 37 4数字信号的载波传输 4 2四进制调制 QPSKQPSK 对于QPSK信号 k 0 2 3 2 通常取 0或 4 如果取 4 则QPSK信号的相位取值为 4 3 4 3 4 4 可以认为QPSK信号是两路正交的BPSK信号的合成 表示为 k 1 Ts t kTs 38 4数字信号的载波传输 4 2四进制调制 QPSK 39 4数字信号的载波传输 4 2QPSK 星座图 40 4数字信号的载波传输 4 2QPSK 包络起伏 当调制信号的相位发生180 相位跳变时 QPSK信号的包络起伏为100 41 4数字信号的载波传输 4 2QPSK 相位模糊问题 载波提取存在相位模糊 消除相位模糊的方法有两种 一是将数据分组 每组加报头 专用于载波提取 二是采用差分相位调制 差分相位调制 以前一个符号相位作为参考基准 用前后符号的相位变化来传送信息 则解调结果与相干载波相位的初始值无关 甚至不提取相干载波也可以实现解调 从而消除了相位模糊 DBPSK DQPSK等 42 4数字信号的载波传输 4 3恒包络调制 OQPSK MSKOQPSK 由QPSK信号的相位矢量图可知 当I和Q支路的符号同时发生跳变时相位路径过原点 如果I支路在和Q支路有一定的相对时延 就可以使两个支路不同时跳变 避免相位路径过原点 也就消除了滤波后信号包络过零点的现象 这就是OQPSK调制的基本思想 43 4数字信号的载波传输 4 3恒包络调制 OQPSK包络起伏 OQPSK信号相位跳变的最大值是90 因此其包络起伏的最大值为30 44 4数字信号的载波传输 4 3恒包络调制 OQPSK MSKMSK MSK调制是一种特殊形式的2FSK 是一种恒包络调制 其频差是满足两个频率相互正交的最小频差 且调制信号相位是连续的 45 4数字信号的载波传输 4 3恒包络调制 OQPSK MSKMSK MSK信号相位矢量图 由于MSK正弦符号的加权作用 使信号的相位得以连续变化 并保持包络恒定 46 4数字信号的载波传输 4 3恒包络调制 MSK包络起伏 47 4数字信号的载波传输 4 4QAM QAM的包络不恒定 通常被认为不适合于有较强幅度衰落的移动通信 但是 在有较强直射波的卫星信道和其它的有较强直射波的信道 例如微小区 中 这种频谱效率较高的调制方式又引起了人们的重视 特别是其中的星型16QAM及其变型 在卫星和移动通信中有着广泛的应用前景 48 4数字信号的载波传输 4 4QAM 星座图 49 1概述2模拟信号数字传输3数字信号的基带传输4数字信号的载波传输5差错控制与编码技术 50 5差错控制与编码技术 5 1三种差错控制方式 自动请求重发 ARQ 前向纠错 FEC 混合纠错 HEC 51 5差错控制与编码技术 5 1三种差错控制方式 ARQ 1 ARQ 发送端发送能够发现错误 但不能确定错码位置的编码 接收端收到如果检测到有错 则通过反向信道通知发送端重发 重发的次数可能是一次 也可能是多次 直到收端认为传输无错为止 优点 工作原理简单 易于实现 缺点是有延时 主要用于对实时传输要求不高的数据传输系统 52 5差错控制与编码技术 5 1三种差错控制方式 FEC 2 FEC 发端发送能够纠正错误的编码 收端收到后根据编码规则进行译码 通过译码发现并纠正传输过程中的错误 优点 不需要反馈信道 特别适合于只能提供单向信道的场合 不要求检错重发 因此延时小 实时性好 可用于对实时传输要求高的信号传输系统 如话音传输系统 缺点 编译码设备较复杂 53 5差错控制与编码技术 5 1三种差错控制方式 HEC 3 HEC 是FEC方式和ARQ方式的结合 发端发送既能纠错又能检错的码 收端经纠错译码后如果检测无错码 则不再要求发端重发 如果收端经纠错译码后仍检测出有误码 则通过反馈信道要求发端重发 54 5差错控制与编码技术 5 2编码技术 1 线性分组码 将信息码序列分成长度为k的码组 然后在k个信息码元的后面加上n k个监督码元 也称校验码元 构成长度为n的码组 称为 n k 码 每个码组的构成如下 其中任意一个监督码元都是该码组中k个信息码元的线性组合 55 5差错控制与编码技术 5 2编码技术 2 码率 码率也称编码效率 定义一个 n k 分组码的码率为k n 或者定义为编码前信息比特速率与编码后的比特速率之比 通常 码率很高的码 其纠检错能力就比较差 3 码重 通常 分组码的码字重量用汉明重量衡量 定义分组码中每个码字的 1 的个数为该码字的汉明重量 例如 7 3 分组码中的某个码字是0100111 则该码字的码重为4 56 5差错控制与编码技术 5 2编码技术 4 码距 通常 分组码任意两个码字之间距离用汉明距离衡量 定义分组码中任意两个码字之间的汉明距离为这两个码字中对应位不同的数目 例 7 3 分组码中任意两个码字 0100111 和 1001110 的码距为4 因为它们的第1 2 4 7位不同 一个分组码的所有码距中的最小值就是该分组码的最小码距 用dmin表示 dmin决定该分组码的纠检错能力 对于线性码 其最小码距应等于非零码序列的最小汉明重量 57 5差错控制与编码技术 5 2编码技术 对于分组码 一般情况下其纠检错能力与最小码距有以下关系 1 要检测一个码组内的e个误码 要求最小码距dmin e 1 2 要纠正一个码组内的t个误码 要求最小码距dmin 2t 1 3 要纠正一个码组内的t个误码 同时检测e e t 个误码 要求最小码距dmin t e 1 58 5差错控制与编码技术 5 3卷积编码 信息位长度k 表示每个时刻输入到编码器的信息比特个数 编码码长n 表示每个时刻编码器输出的比特个数 约束长度N N 2 表示编码器输出的n个比特不仅与当前输入的k个信息比特有关 而且与前面的N 1组的k个信息比特有关 码率 R k n 卷积码编码参数 n k N 59 5差错控制与编码技术 5 3卷积编码 注意 需存贮量为 N 1 组 卷积码的标记 n k N 60 5差错控制与编码技术 5 4Viterbi译码 1 维特比译码的思想维特比译码是一种最大似然译码算法 它不是比较所有可能的2L个发送序列与接