通信原理-(完整)

第一章绪论,1.1通信技术及发展史,通信：克服距离上的障碍，进行信息的传递与交换的过程。“通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似的再现另一点所选择的消息。”,通信目的：传输信息任务：迅速、准确的进行信息的传输。意义：,按照社会发展进程中通信方式的不同，人类的文明史可分为：,原始通信时代邮政通信时代电气通信时代信息时代,以语音为主以文字发明为标志电报、电话信息多样化、方式多样化、与计算机相结合,1.2通信系统,通信系统的一般简化模型,信息：是指消息中所包含的对受信者有意义的内容（或有效内容）。不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同一消息，载有相同的信息。,消息：通信系统所传输的对象，如语音、文字、图形、图像等。是指信源所产生的信息的物理表现。,信号：是指消息的物理载体，是传输消息的手段。消息必须转换成信号，才能在通信系统中传输。表现形式取决于媒体。消息与信号一一对应。可分为模拟信号和数字信号。,通信系统模型,信道,发送端,接收端,信源,发送设备,接收设备,信宿,噪声,信号,模拟信源（连续信源）：输出的消息状态是连续变化的；数字信源（离散信源）：输出的消息状态是离散的、可数的。模拟信号：信号参量的取值是连续的；数字信号：携带信息的参量仅可取有限个数值。模拟通信系统：信道中传送的是模拟信号；数字通信系统：信道中传送的是数字信号。,数字通信系统模型,数字通信的主要优点：,可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。可采用数字加密技术，保密性好。可采用纠错和检错技术，差错可控制。便于存储和处理。可综合传输各种模拟和数字输入消息，便于复用。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。抗干扰能力强，可中继再生。,数字通信的主要优点：,数字通信的主要缺点：,占用带宽大设备复杂同步要求高,宽带通信、压缩编码VLSI、SOC、ASIC信号处理技术,应用实例：,数字传输技术：电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。模拟传输技术：有线电话环路、无线电广播、电视广播等。,通信系统的分类,按信号特征分类数字通信电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。模拟通信有线电话环路、无线电广播、电视广播等。,按数字信号码元排列次序,串行远程并行近程、高速,按调制方式分类,按信号复用方式分类,频分复用（FDM）：FrequencyDivisionMultiplexing模拟通信的基本形式时分复用（TDM）：TimeDivisionMultiplexing数字通信的基本形式波分复用（WDM）：WaveDivisionMultiplexing光纤通信的基本形式码分复用（CDM）：CodeDivisionMultiplexing扩频通信、移动通信的基本形式,按用途分,按通信者是否运动分,按传输媒质分,按工作频率分,通信方式,单工半双工全双工,如何度量信息？,度量信息量的方法，必须满足：,能度量任何消息与消息的类型无关消息的重要程度无关,与内容无关抽象的用数学方式描述与形式无关文字声音图像与接收者无关重要性是相对的,香农将信息定义为Uncertainty不确定性的减少。信息量的大小与消息出现的概率有关。消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；,信息论将以模糊的信息概念用数学概念加以定义，用数学方法加以定量化，是通信学发展的一项重要理论基础。,信息量的定义：,信息量是消息出现概率的函数；消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。确定性事件的信息量等于零。,信息量的定义,若消息出现的概率为，则所含信息量I可定义为：,信息量的单位：,，则为比特（bit），最常用;,，则为奈特（nat）;,，则为哈特莱（hartley）。,当M=2时，则I=1bit。工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于1bit。即通常把一个二进制码元称做1bit。,若采用一个M进制的波形，来传送M个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：,(b),熵,熵是一个系统的不确定性或无序的程度，系统的紊乱程度越高，熵就越大；系统越有序，熵就越小。“一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。”维纳所有自然过程都增加熵克劳修斯任何信息都增加系统的负熵布里渊,对于离散独立非等概消息组成的消息源，采用平均（统计平均）信息量熵来描述：,熵的单位为：bit/符号,对于M个离散独立等概消息组成的消息源，它发送的每个消息所包含的信息量为。,等概时具最大熵：,1.5通信系统的性能指标,有效性可靠性,速度指标质量指标,数字通信系统性能,有效性传码率：单位时间传输的码元个数baud传信率：单位时间传输的平均信息量bps,数字通信系统性能,可靠性误码率：信息码元在传输过程中被误传的概率误信率：信息量在传输过程中被丢失的概率,误差,模拟通信系统中，误差是源信号与接收信号之间的均方误差来表示：,：衰减系数：传输时延若信道为平稳信道，为常数若误差为信道引人的加性干扰引起，为接收端噪声功率,信噪比：与噪声的功率比，用分贝表示,信号功率噪声功率,有效值方差,1.6连续信道的信道容量,香农公式假设信道的带宽为B（Hz），信道输出的功率为加性高斯白噪声功率为，则该信道的信道容量为：C:信道容量，信道的最大无失真信息传输速率仅当传信率不超过C时，才有可能实现无误码传输,也可表示可能达到的最大的频谱利用率带宽B是指正频率范围，不包括负频率范围。信道为理想带通信道。B的范围并不要求一个连续的频带，可以允许由若干不相邻的频段组成。只要求噪声谱密度在信号带宽内为常数，不考虑信号频带外的噪声特性。当噪声为非高斯时，该式不适用。达到信道容量时，信道的输入也应该是高斯过程。,提高可靠性,B固定：增加信噪比SNR固定：增大带宽B、SNR固定：降低通信速度,无限增大信号功率，或无噪声时，信道容量无穷大,无限增大信道带宽，不能无限增大信道容量。,第2章信道,通信系统模型,信道,发送端,接收端,信源,发送设备,接收设备,信宿,噪声,信号,信道,信道：信号传输的通道（媒介）。信道狭义信道：传输媒介广义信道：传输媒介及有关的设备,狭义信道,有线信道无线信道,狭义信道,有线信道无线信道,广义信道,广义信道,调制信道：调制器输出端到解调器输入端的所有设备和媒介。研究调制和解调时，常用调制信道。连续信道/模拟信道。编码信道：编码器输出端到译码器输入端的所有设备和媒介。研究编码时，常用编码信道。离散信道/数字信道。,连续信道：信道输入、输出的信号取值是连续的。离散信道：信道输入、输出的信号取值是离散的。,信道,（信号通道）,信号的传输媒质,媒质及有关变换装置,3.2调制信道模型,输入端和输出端；信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到(固定或时变的)损耗；绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功率输出。,调制信道模型,依赖于网络的特性，反映网络特性对的作用。,n(t):加性干扰k(t):乘性干扰,干扰,加性干扰：本地噪声乘性干扰：非理理想信道,始终存在与信号共存,乘性加性,恒参信道信道的参数不随时间、空间的变化而变化或缓慢变化。（可等效为一个线性时不变网络来分析）随参信道信道的参数随时间、空间的变化快速、随机的变化。,乘性干扰,3.3信道传输特性,理想信道传输特性,无失真传输(1)对信号在幅度上产生固定的衰减；(2)对信号在时间上产生固定的迟延。,幅频特性为常数相频特性是线性群延迟特性固定,只对ei(t)的不同频率成份进行相同的幅度衰减和时延。,实际中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真：如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生幅度-频率失真；如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内不是的线性函数，则会使信号产生相位-频率失真。,幅度频率畸变,产生原因：,发射机、换能器、信道、传感器、接收机的幅度频率特性不理想所引起的，又称为频率失真。,一般典型音频电话信道的幅度频率特性曲线近似表示。,相位-频率畸变,是指信道的相位-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。常采用群延迟-频率特性来衡量,克服措施：,改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效传输带宽内平坦；增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变得平坦均衡器分集接收：空间分集、频率分集、角度分集、极化分集,第4章模拟调制系统,模拟调制是数字调制的基础,什么是调制？为什么要调制？如何调制？,通信系统模型,信道,发送端,接收端,信源,发送设备,接收设备,信宿,噪声,信号,模拟通信系统模型,信道,模拟信源,调制器,解调器,信宿,噪声,调制的概念：,将载有有用信息的频谱搬移到高频段的过程。频谱：从频域定义高频：从低频到高频搬移：线性或非线性,调制的概念：,按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。基带信号/调制信号/信息信号：未经调制的原始信号。与已调信号相对。从时域定义使用载波映射过程,调制的目的和意义,便于传输便于实现简化设计,充分利用信道，提高有效性。以较小的天线尺寸，实现有效的辐射减小相对带宽，改善传输的均匀性，提高可靠性。,载波信号,有可调参量便于传输便于区分便于实现常用载波：正弦载波和脉冲串。,正弦载波,：幅度：载波频率：相位,幅度调制原理,正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。,m=0.5,m=1,m=1.5,m(t),=,m(t)|max=m调制指数m1,AM信号的接收：包络检波,全载波调幅：频域,m(t),s(t),M(f),C(f),c(t),A,-A,t,fm,f0,-f0,2fm,2fm,f,f,f,t,t,幅度调制,幅度调制是线性调制（非线性变换）任何调制过程都是非线性过程。,波形上：幅度与基带信号成正比频谱上：是基带信号频谱简单的搬移（平移）频谱结构不变,幅度调制的实现,调制方式,根据滤波器特性可分为：,带通带通理想低通或高通非理想低通,AM调幅DSB双边带SSB单边带VSB残留单边带,单边带信号的频谱,相干解调,相干解调,单边带信号的解调,非线性调制,角度调制,频率调制相位调制,恒定振幅,瞬时频率的概念,瞬时相位瞬时相位偏移,相位调制：PM,瞬时相位偏移随基带信号成比例变化的调制,频率调制：FM,瞬时频率偏移随基带信号成比例变化的调制,频分复用,复用：将多个彼此独立的信号合并在一起，并在一个信道上传输的方法。频分复用：将多个独立的基带信号的频谱调制到不同的频段，使之可在同一信道上传输。,频分复用的实现,频分复用的实现,频分复用的实现,第5章数字基带传输系统,1.引言,基带信号：没有经过调制的信号数字基带信号：未经载波调制的原始数字信号,原始消息的电信号形式。代码的电波形。,基带传输系统：频带传输系统：,不使用调制解调装置而直接传送基带信号的系统。包括调制解调过程的传输系统。,基带传输系统与频带传输系统,基带传输的意义,基带传输是基础频带传输也同样存在基带传输的问题。等效性任何一个采用线性调制的频带传输系统可用一个等效的基带传输代替（理论上）。技术自身的发展基带传输也可以实现高速通信。,数字基带信号及其频谱特性,1.单极性码,010010010,特点脉冲之间无间隔有直流数据总线,双极性码,010010010,特点脉冲之间无间隔无直流RS232,单极性归零码,010010010,特点每个脉冲都回零电位脉冲宽度比码元宽度窄有直流,双极性归零码,010010010,特点每个脉冲都回零电位相邻脉冲之间有零电位间隔无直流,差分码,010010010,011011011,单极性波形,双极性波形,单极性归零,双极性归零,差分波形,多值波形,01101001110,基带信号的通用表达式,基带信号频谱特性,稳态波的功率谱有什么特点？为什么？交变波的功率谱有什么特点？g1(t)和g2(t)应如何选择？提取波形的离散谱和消除离散谱，对波形设计的要求？基带信号的功率谱带宽取决于什么？,基带传输的常用码型,基带信号：数字基带信号：数字基带信号传输时要满足以下两方面的要求,未经调制的原始信号。代码的电波形。,传输码型(线路码)的设计原则,无直流分量、低频分量小；含有码元的定时信息；与信源的统计特性无关;传输效率高；最好有一定的检错能力；,功耗同步稳健有效性可靠性,AMI码传号交替反转码,编码规则：“1”传号交替“0”空号0例：消息码：010110001AMI码：0+10-1+1000-1,特点无直流1B/1T优点编译码简单有一定的检错功能缺点长的连时，提取定时信息困难与信源统计特性有关,HDB3码（三阶高密度双极性码）,先把消息代码变成AMI码；当出现4个或4个以上连0码时，引入破坏码V；原来的二进制码元序列中所有的“1”码称为信码，用符号B表示。,B与V的正负必须满足如下两个条件：B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律。以便确保编好的码中没有直流成分V码必须与前一个码（信码B）同极性。以便区分信码和破坏码开来,如果条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个“0”码位置上加一个与V码同极性的补信码，用符号B表示。B码和B码合起来保持条件中信码极性交替变换的规律。并且让后面的非“0”码元符号从V码元开始再交替变化。,消息码:100001000011000011AMI码:-10000+10000-1+10000-1+1HDB3码:-1000-V+1000+V-1+1000-V-1+1-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+1-1-1000-1+1000+1-1+1-100-1+1-1,HDB3译码：,发现相连的两个同符号的1时，后面的1及其前面的3个符号都译为0。然后，将+1和-1都译为1，其它为0。,HDB3特点,无直流与信源无关1B/1T译码简单CCITT推荐使用CD22103,PST码（成对选择三进码）,分组（两个一组）B/T（选）码表单脉冲交替,PST码,例,PST特点,无直流定时信息丰富2B/2T编译码简单需分组（需帧同步）,曼彻斯特码、双相码、分相码,编码规则：“”（）“”（）例：,双相码的特点,无直流编译码简单1B/2B，使用两个电平定时信息丰富（与信源无关）局域网中常使用,Miller（米勒）码,编码规则：“1”“0”例：,中心越变、边界连续中心连续、连边界越变,Miller码的特点,在Manchester码的下降沿跳变两个之间连最大为2Ts可用于自检,CMI码,编码规则：“1”交替“0”例：,其它码型,nBmBm=n+1（可用于纠错）1B2B、2B3B、5B6B、8B10B等nBmT1B1T、2B2T、4B3T等,基带脉冲传输与码间干扰,基带脉冲传输与码间干扰,脉冲形成器发送滤波器信道接收滤波器同步提取抽样判决,基带脉冲传输与码间干扰,基带传输系统的数学分析,信道识别,二进制：三进制：,Mancherster、Miller、CMIAMI、HDB3、PST,基带传输系统的数学分析,广义信道,乘性干扰,加性干扰,基带传输系统的数学分析,假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击(t)，这样发送滤波器的输入信号可以表示为,其中an是第n个码元，对于二进制数字信号，an的取值为0、1(单极性信号)或-1、+1(双极性信号)。,滤波器输出信号：,式中h(t)是系统的冲击响应，可用系统传递函数H()的傅氏反变换为：,nR(t)是加性噪声n(t)通过接收滤波器后所产生的输出噪声。,抽样判决器对r(t)进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列an。为了判定其中第个码元ak的值，应在t=Ts+t0瞬间对r(t)抽样，此抽样值为,抽样时刻,采样周期、与码元同宽,时偏，保证最大信噪比，由码型决定,信息序列,输出序列,判决信号,码间干扰,随机噪声，加性干扰,第k个基本接收波形在抽样时刻的取值,确定的依据,常数,无码间干扰的基带传输,理想的传输波形,无码间干扰的基带传输,奈奎斯特第一准则,如果信号经传输后整个波形发生变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，仍然可以准确无误地恢复原始信码，这就是奈奎斯特第一准则(又称为第一无失真条件)的本质。,奈奎斯特第一准则,解不惟一。,移位相加后，在系统带宽内理想。,等效理想低通滤波器。,频带利用率和奈奎斯特速率。,只要基带传输系统的总特性可以等效为一个理想低通滤波器，就可以进行无码间干扰的传输。,奈奎斯特第一定律：,理想信道：,系统的总特性为理想全通滤波器。波形无失真，可在码元周期内任何时刻采样。占用无限宽的带宽。带宽利用率B/Hz,频带利用率：单位频带内的码元传输速率。,理想低通型，即：,以码元宽度为周期采样，无码间干扰。占用频带，频带利用率为2baud/Hz。,奈奎斯特速率(理论极限)：若系统带宽为w，则无码间干扰时最高传输速率为2w(波特)。,问题？,2.随衰减，“尾巴”振荡幅度大，衰减慢，定时误差将导致码间干扰增大，对定时要求严格。,1.理想低通特性是无法实现的。,等效理想低通：,如果系统带宽不大于（倍理想带宽）则：,实用无码间串扰传输特性：,传输函数为在处奇对称的低通滤波器。,例：余弦滚降特性的传输函数其冲激响应为：,为余弦型；按衰减；多了一个零点；带宽增加一倍，B/Hz。,例：余弦滚降特性的传输函数其冲激响应为：,升余弦滚降传输特性,滚降因子多了一个零点；带宽为增大，占用带宽增加，振荡衰减加快，有效性降低，可靠性提高。,有效性与可靠性矛盾！,奈奎斯特第二准则,有控制的在某些码元时刻引入码间干扰，而在其它码元时刻无码间干扰。那么就可以是频带利用率达到理论上的最大值（2B/Hz），同时又可以降低对定时精度的要求。部分响应波形：满足上述要求的冲击响应波形部分响应系统：利用部分响应波形进行传输的基带传输系统。,最简单的部分响应波形是间隔为Ts的sinc函数相加。即：,上述波形的频谱为：余弦形，带宽1/2Ts。带宽利用率达到2B/Hz。两个非零的点。前一个码干扰后面的一个码。,存在问题：误码传递性解决办法：预编码,当发送码元为ak时，接收波形在抽样时刻的取值为：,预编码,相关编码,模2判决,部分响应系统,带宽利用率达到2B/Hz。衰减快，容易实现。可通过预编码去掉码间干扰。信噪比降低。判决复杂,三、眼图,眼图就是用实验方法宏观监测系统的性能。眼图的概念：眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。,1.无噪声时的眼图,3.眼图的模型,最佳抽样时刻应是眼睛睁开最大的时刻；阴影区的垂直高度表示信号幅度的畸变；中央的横轴对应判决门限电平；斜边的斜率决定定时误差的灵敏度；抽样时刻，上下影区的间距之半为噪声容限。,时域均衡,理论上实际上,均衡器：在基带系统中插入一种可调滤波器，使之能适应信道的变化，减小码间干扰的影响，这种起补偿作用的滤波器称为(信道)均衡器。,频域均衡器：用均衡器的频率特性去补偿系统的总特性，使之满足实际的需要。时域均衡器：用均衡器时间特性去校正已畸变的波形，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。,频域均衡,时域均衡,以为周期延时求和；离散的、无穷阶；横向滤波器。,横向滤波器,理论上，无穷阶可消除码间干扰；横向滤波器特性取决于抽头系数；实际上，无法实现。,有限长横向滤波器,有限长横向滤波器,理论上，码间干扰可以完全消除实际上，为有限值，码间干扰不能完全消除,迫零调整：,数学上：解2N+1个联立方程组物理上：调整2N+1个系数,衡量准则：,峰值畸变准则均方畸变准则,预制式：,输入：，相当于发送端输入单脉冲,输出：,抽样判决：峰值极性判决,控制电路：调整系数（以为步长）,自适应式：（均方畸变准则）,自适应式：（均方畸变准则）,均衡,自适应均衡,时间反转均衡,线形均衡,非线性均衡,LMS,RLS,DFE,最大似然符号检测,盲均衡,最大似然序列估值,预置式均衡,时域,频域,判决反馈均衡器,第6章正弦载波数字调制系统,调制的概念：,将载有有用信息的频谱搬移到高频段的过程。按基带信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。即将基带信号附着在载波上的过程。,调制的目的和意义,便于传输便于实现简化设计,充分利用信道，提高有效性。以较小的天线尺寸，实现有效的辐射减小相对带宽，改善传输的均匀性，提高可靠性。,连续载波调制,正弦载波的3种键控波形,2ASK信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘:,二进制振幅键控（2ASK）,2ASK信号的调制方法,调制方式同模拟幅度调制（DSB）线性调制,2ASK信号的调制方法,2ASK的一个信号状态始终为零，相当于处在断开状态，此时称为通断键控信号（OOK信号:on-offkeying）,原理:2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。,OOK信号解调方法,相干解调：利用了载波信号的相位信息进行解调。非相干解调：在解调过程中不利用相位，只用包络（幅度）信息进行解调。,非相干解调,ook信号功率谱,2ASK信号功率谱,2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。连续谱：取决于g(t)经线性调制后的双边带谱。离散谱：处于载波频率上。2ASK信号带宽是基带脉冲波形带宽的两倍。,定义：数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。原理：数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于另一个载频的已调波形，而且频率的改变是瞬间完成的。,二进制移频键控（2FSK）,二进制移频键控（2FSK）,也可表示成：,2FSK可看成两个OOK信号的叠加。,2FSK信号的产生,键控法：利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。相位不连续,2FSK信号的产生,模拟调频法：用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调制而获得，利用模拟调频法实现数字调频。相位连续,2FSK信号解调方法,非相干检测法相干检测法鉴频法过零检测法差分检波法,判决：相对比较，无固定的门限。,非相干检测法,过零检测法基本思想：过零点数随不同频率而异，检出过零点数可以得到关于频率的差异。,差分检测法,差分检波法基于输入信号与其延迟ts的信号相比较，信道上的延迟失真将同时影响相邻信号，故不影响最终的鉴频效果。,2FSK信号可以等价为两个不同的载波信号分别对两个基带信号调幅的和，其功率谱结构也可以看作是两个2ASK信号功率谱的叠加。,相位不连续2FSK信号功率谱,2FSK信号的功率谱同样由了连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个双边谱叠加，离散谱出现在两个载频位置上。,传输2FSK信号所需第一零点带宽为,fs,fs=(f0+f1)/2,f,f1+fc,f0-fc,f0,f1,2fs,相位不连续2FSK信号功率谱,二进制移相键控（2PSK）,正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化，通常用已调信号载波的0和180分别表示二进制数字基带信号的1和0。,其中,与2ASK的不同，应选择双极性，即:,若g(t)是脉宽为Ts,高度为1的矩形脉冲时，则有,当发送二进制符号1时，已调信号取0相位，发送二进制符号0时，取180相位。,2PSK：以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控通常称为绝对移相键控方式。,2PSK调制,模拟调制法,键控法,2PSK解调,相干解调又称为2PSK同步检测法解调,2PSK解调,倒现象,对于2PSK信号，解调时必须有一个基准的参考相位。如果参考相位发生随机跳变此后解出的所有代码将全部颠倒，称为“倒现象”或“反向工作”现象。,相对（差分）移相键控（2DPSK）：是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。,假设前后相邻码元的载波相位差为，为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，可定义一种数字信息与之间的关系为：,2DPSK调制,模拟调制法,键控法,2DPSK解调,二进制数字系统抗噪声性能,调制方式：解调方式,OOK、2FSK、2PSK、2DPSK,OOK系统的抗噪声性能,同步检测时误码率的几何表示,二进制数字通信系统抗噪声性能,误码率：,对同样的调制方式：相干解调方式略优于非相干解调方式。对同样的解调方式：2PSk2DPSK2FSKOOK相同误码率条件下，信噪比要求上:2PSk比2FSK小3dB2FSK比OOK小3dB。,三种数字调制系统的Pe-r,带宽,当码元宽度Ts时，系统的第一零点带宽2ASK=2PSK=2DPSK=2/Ts，2FSk=|f2-f1|+2/Ts频带利用率,2ASK=2PSK=2DPSK2FSK,对信道特性的敏感性：,判决门限2ASK：2PSK：2FSK：信道稳定性,2FSK2DPSK2PSK2ASK,门限判决（门限与信号有关）极性判决（固定门限=0）相对判决（无门限）,设备的复杂程度,相干解调的设备比非相干解调时复杂非相干解调时,2DPSK2FSK2ASK,多普勒的敏感性,相干解调比非相干解调敏感非相干解调时,2DPSK2FSK2ASK,性能比较,用多进制基带信号去调制载波信号的振幅、频率或相位。,多进制数字调制系统,相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率比二进制系统的高。相同的信息传输速率下，增大码元宽度，就会增加码元的能量，提高带宽利用率，并能减小由于信道特性应起的码间干扰的影响等。抗噪声能力降低,多进制系统特点：,多进制数字振幅调制（MASK）,原理上是通断键控（OOK）方式的推广。在相同的码元传输速率下，多电平调制信号的带宽与二电平的相同,MASK方式性能特点,高传信率Rb=RB*log2M=nRB带宽与2ASK相同，因而信道利用率高发送端进行串并变换，把二进制转换成M进制，接收端需进行并串变换抗干扰性能差，M值每增大1倍，电功率大约增加5倍，才能保持误码率不变抗衰落能力比2ASK更差,应用背景,MASK虽然是一种高效率的传输方式，由于它的抗噪声能力，尤其抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道中，高信噪比条件下的高速传输。,多进制数字频率调制（MFSK）,MFSK：K比特信息用M=2K个频率通道进行通信。特点：要求占据较宽的频带，因此它的信道频带利用率不高。第一零点带宽为fm-f1+2fs。应用背景：衰落信道，信道带宽充裕，高速传输。,MFSK方式性能特点,发送时：串并转换、多选一。接收时：多通道接收机。传信率提高了，是2FSK的log2M倍。信道利用率降低，必须占用更大的信道带宽。抗噪声能力比2FSK降低了。抗衰落能力优于MASK。,多进制数字相位调制,多相制（MPSK、MDPSK）：绝对移相、相对（差分）移相四相绝对移相键控（QPSK）用4个不同的相位信息表示四种状态或一个双比特码四相相对移相键控（QDPSK）利用前后相邻码元之间的相对相位变化来表示4个信息状态,QPSK信号的产生,QPSK信号相干解调,QDPSK信号的产生,QDPSK信号解调,四进制移相键控系统性能,相同的传信率，传码率降低一倍，码元增加一倍，带宽减小一半，信道利用率提高一倍。相同的传码率，传信率提高一倍。抗干扰能力降低34dB。应用：高速率，频带受限，四线租用电话线路,6.5.4振幅相位联合键控系统,多进制系统的频带利用率高，但它是通过牺牲功率利用率来换取的。随着M值的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域也随之减小。振幅相位联合键控（APK）方式为克服上述问题而提出的。,正交振幅调制（QAM）,正交振幅调制（QAM）是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制,期望的信号特性：相邻码元间相位是连续的，包络是恒定的，同时占用较小的频带宽度,6.6改进的数字调制方式,6.6.1最小移频键控（MSK）,最小移频键控（MSK）MSK是FSK信号的一种改进型，是一种在相邻码元间保持相位连续性，同时它具有正交信号的最小频差，恒定包络的调制方式与FSK相比，MSK信号在一个码元宽度内两个载频形影变化严格相差1800,MSK信号表示式：或者：当频率间隔调制指数,两信号波形相关系数MSK是正交调制，其信号波形的相关系数为零第一项为零条件：令k取最小值1，则：第二项为零条件：即：说明：MSK信号在每一个码元周期内，必须包含四分之一载波的整数倍,因为信号相位为：根据码元转化时刻信号相位连续，有所以相位补偿常数k为：,6.6.2高斯最小移频键控（GMSK）,MSK调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减很快GMSK是在MSK信号输入的前端加一个预置高斯低通滤波器,第7章模拟信号的数字传输,回顾,什么是模拟信号/数字信号？什么是模拟通信系统/数字通信系统？模拟通信系统能否传输数字消息？数字通信系统能否传输模拟消息？,基带通信系统,连续载波通信系统,7.1引言,用数字通信系统传输模拟信号，在发送端需进行模数变换（ADC），在接收端需经过数模变换恢复信源信号。模数变换需经过三个步骤：抽样、量化、编码。脉冲编码调制（PCM）：经过抽样量化编码后，在进行信道传送的通信体制。除了（PCM）外，可用于传输模拟信号的通信体制还有：增量调制（DM）；差分脉冲编码调制（DPCM）,7.2抽样定理,抽样（采样）:是把连续信号变换成时间上离散信号的过程。,抽样定理：一个有限频带信号，满足当时，则当以的频率进行等间隔抽样时，原波形可被完全恢复，信息无损失。,奈奎斯特频率：奈奎斯特周期：,抽样过程：时域：原始的连续信号和周期性冲激相乘频域：连续信号频谱的周期性延拓,抽样信号的恢复：低通滤波器,从工程实现的角度，影响抽样质量的因素有：,时间有限信号其频谱是无限的。理想低通滤波器通常是不可实现的。采样脉冲宽度不能无限窄。,谱混叠谱泄漏谱包络调制,提高抽样频率，通常取为35倍,改善抽样及其恢复信号质量的措施：,在采样之前先进行抗混叠滤波（低通滤波）,加校正网络。,带通信号的抽样设只需保证即可满足无失真恢复条件。其中：n为整数，k是小数,带通信号采样定理,恢复信号使用带通滤波器,当k=0时，即时，当n1（窄带信号），,抽样：是把连续信号变换成时间上离散信号的过程。量化：对抽样值进行离散化，即用有限个电平表示抽样信号的幅度。,7.4量化,抽样：模拟信号时间上离散。量化：抽样信号幅度上离散。,几个概念与术语：字长N与量化级数（电平数M）：满量程电平：Vm，电源电平决定。当AVm时，限幅。,均匀量化,量化间隔（量化精度）Vq：量化噪声（量化误差）：,：单极性信号,：双极性信号,舍入方式：,截尾方式:或,量化信噪比：SNR=信号功率/量化噪声功率=,量化失真功率：,（e为均匀分布）,5.量化器的工作状态：正常量化:过载状态（限幅）：空载：,6.动态范围：在满足给定的最低信噪比条件下所允许的最大信号强度与所要求的最小信号强度之比，通常用分贝数表示。,量化精度由量化器字长或级数决定，字长越长，量化精度越高。字长越长，工艺越复杂，码宽越宽，占用的带宽越宽.量化字长的选择应与背景噪声相匹配，如果噪声很大，即使量化精度很高，小信号也难以满足信噪比要求，甚至会被背景噪声淹没。,量化的设计：,工程量化的准则：尽量避免过载和空载，使信号工作在正常区，选择器件（字长）使其满足动态范围。速度满足采样率要求。,量化方式：,均匀量化：把输入信号的取值域按等间距分割，它是等间隔的量化。存在着量化误差与编码位数之间的矛盾，也就是存在着动态范围与设备复杂性及带宽之间的矛盾。对弱信号传输不利。,均匀量化与非均匀量化,非均匀量化,根据信号的幅度来确定量化的间隔实现：压缩和扩张压缩：发送端作非线性变换（令弱信号的增益大强信号的增益小），然后再进行均匀量化和编码。扩张：在接收端先译码，按压缩的规律进行反变换，低通滤波恢复原信号。非均匀量化也是一种压缩。,PCM的量化方式,均匀量化非均匀量化,律压扩,m律(m-Law)压扩(G.711)主要用在北美和日本等地区的数字电话通信中。,x为输入信号，规格化为1=x=1为确定压缩量的参数，它反映最大量化间隔和最小量化间隔之比，取100=m=500。国际标准取m255,|x|=1,A律压扩,0=|x|=1/A,1/A=|x|=1,A律(A-Law)压扩(G.711)主要用在欧洲和中国大陆等地区的数字电话通信中,国际标准取A=87.56,A律折线近似（13折线）,律用十五折线近似,A律：第一三象限对称，共分16段，中间四段斜率相同，为一条直线，共十三条折线，故称十三折线，对应A值为87.6。律：十五折线，255。,常用码型：自然二进制（单极性信号）折叠二进码（双极性信号）折叠二进制：最高位表示极性，其他位表示绝对值,01117（+7）111115（-7）01106（+6）111014（-6）01015（+5）110113（-5）01004（+4）110012（-4）00113（+3）101111（-3）00102（+2）101010（-2）00011（+1）10019（-1）0