通信原理详尽

1、第一章 绪论 v基本概念和术语： 通信：克服距离上的障碍，进行信息传递 的过程。 通讯：指电气通信。 信息：消息中包含的有价值的内容，是个 抽象的概念。 消息：通信双方传送的具体内容，如文字、 声音、图像等。 通信的任务、意义及发展史 v迅速而准确地进行异地信息传递。 v社会文明、进步和发展的标志和生命 线。 v四个发展阶段： v原始通信：语言、烽火 v邮政通信：文字 v电气通信：电报、电话 v网络通信： 通信系统 v用于通信的系统和设备总和的统称。 v通信系统的模型： 发送设备信道信源受信者接收设备 干扰 模拟与数字通讯 v信源：语言、文字、图像、符号、数据 v模拟信源：输出的消息状态是连续

2、变化的， 又叫连续信源； v数字信源（离散信源）：输出的消息状态是 离散的、可数的； v模拟信号：信号参量的取值是连续的； v数字信号：携带信息的参量仅可取有限个数 值。 v模拟通信系统：信道中传送的是模拟信号； v数字通信系统：信道中传送的是数字信号。 数字通信的优点 v可以再生和重发， 抗干扰能力强； v处理、存储方便； v易于集成； v可靠性好； v便于多路复用； 思考题 v数字通信系统只能传送数字信号、 不能传送模拟信号吗？ v现代通信系统起源于数字通信， 而在相当长的发展阶段模拟通信 曾长期居主导地位，为什么？ 通信方式 v按消息传递的方向和时间，通信方式 可分为三种： v单工通信：

3、消息只能单方向进行传输 的工作方式，如广播等； v全双工通信：通信双方可同时进行双 向传输消息的工作方式。如电话； v半双工通信：双方都能收发消息，但 不能同时进行收和发的通信方式，如 对讲机。 通信系统的主要性能指标 v一对主要矛盾： v可靠性：通信的可信程度，即传送信息 的质量； v有效性：在给定的信道内传输的信息量 的多少。 v二者之间可以相互转换。 可靠性 n均方误差： n信噪比： n误码率： n误信率： 有效性 v传信率： v传码率： v对于m进制编码系统，传信率与 传码率之间的关系为： 香农（Shannon）信息定理 如果通信系统输出信号的平均功率 为Ps，噪声平均功率为Pn，信道

4、为 矩形带通信道，带宽为B，则该信 道的最大无失真信息传输速率（称 为信道容量）为： C=Blog2(1+Ps/Pn) p信道容积：系统能输出的最大信息 量为： p Imax=TBlog2(1+Ps/Pn) p信道的含量密度：单位信道容积所 传输的平均信息量。是衡量通信系 统对信道利用程度的一个重要量度。 结论 v仅当信息量不超过信道容积时才有 可能实现无误码传输。 v提高有效性，意味着利用较小的信 道容积来传输较多的信息量。 提高通信系统可靠性的途径 v增大发射功率； v增大带宽； v增大码元宽度； 思考题 v超远程通信声纳的传码率通常 只有几个波特，为什么？ 信息的量度 v信息量的大小取决

5、于什么？ v消息出现的概率越小，信息量越大； v消息的持续时间越长，信息量越大。 v对于离散信源，通常采用消息出现概率的 对数测度作为信息量，即 vI=loga1/P(x)=-loga P(x) v式中P(x)是消息出现的概率。 v当a=2时，信息量的单位为比特（bit）。 v一个等概率的二进制波形所含的信息量 为1比特； v当a=e，信息量单位为奈特（nit）； v当a=10，信息量单位为哈特莱； v在数字通信中，通常以二进制传输方式 为主，在数学上以2为底也非常方便， 因此目前广泛采用比特作为信息量的单 位。 v凡是模拟和数字信号并存的通信系统， 信息量的大小通常是以数字信号为准。 熵 v

6、多个统计独立的离散信源的信息量满足 相加性； v熵：多个信源（符号）的平均信息量为 v其物理意义为每个符号所含信息量的统 计平均值。 等概率事件熵 值最大。 )(log )( 1 log 11 i n i a i n i a xP xP I )(log)( )( 1 log)()( 11 i n i ai i n i ai xPxP xP xPxH )(xHnI 思考题 v凡是模拟和数字信号并存的通 信系统，信息量的大小通常是 以数字信号为准。为什么？ 思考题 v凡是模拟和数字信号并存的通信系 统，信息量的大小通常是以数字信 号为准。为什么？ 信道 狭义信道：信息传输的通道，指传输媒质。 广义

7、信道：传输调制信号的全系统，包括 l调制信道：调制信道：从调制器输出到解调器输入的 全部媒质和设备。 l编码信道：编码信道：从编码器输出到解码器输入的 总信道。 狭义信道是广义信道的重要组成部分，信 道的特性主要是由狭义信道决定的。 广义信道和狭义信道示意图 调制信道模型 v物理模型： 双端口时变线形网络 线性时变滤波器 v数学模型： vk(t)为乘性干扰 vn(t)为加性干扰； v恒参信道：乘性干扰趋近于常数。 v随参信道：信道参数是随机时变空变的 v乘性干扰与加性干扰示意图： jw AexH )( )()()()()()( 0 tntetktntefte j j iji 理想信道 v理想信

8、道：信息在传输过程中无损失的 信道。 纯电阻网络 线性相位的全通滤波器 幅频特性：常数； 相频特性：线性； 群时延特性：常数。 jw AexH )( jw di AewH tAete )( )()( 0 恒参信道 v恒参信道：信道参数不随时间而变化，或变 化相当缓慢。 定常二端网络 时不变滤波器 v幅频畸变：频率失真 v相频畸变：相位失真 v工程解决措施： 改善滤波特性 信道均衡 jw AexH )( 信道的传输特性 v理想信道的输入输出信号是全相关的； v恒参信道的输入输出信号是相干的； 相关：两个波形的相似程度； 相干：相位信息的可利用程度； 相关一定相干；但相干不一定相关。 v随参信道的

9、传输特性是时变/空变的。 典型信道的特性 v有线传输信道：接近于理想信道； v恒参信道： 光纤信道； 无线电视距中继信道； 卫星中继信道。 v随参信道： 短波电离层反射信道； 对流层散射信道； 水声信道； 思考题 v信道对通信系统的性能会产生哪些 影响？ v你了解哪些通信技术是和信道紧密 相关的？ 第三章第三章 数字基带传数字基带传 输系统输系统 信道信号信道信号 信道编码调制 调制解调器 从信息传输的角度看，一个数字通信 系统通常要进行两种变换： 消息消息 数字基带信号数字基带信号 信源编码 发送终端设备 3.1 3.1 引言引言 基带信号：原始信息的电信号形式(未 经调制的信号)。 数字基

10、带信号：消息代码的电波形。 基带传输系统：不使用调制解调过的 传输系统。 基本概念： 研究基带传输的意义： 基带传输是基础。 任何一个频带传输系统(理论上)可用一个 等效的基带传输系统替代。 基带传输自身的发展(时分复用高速 传输)。 3.2 3.2 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 3.2.1 数字基带信号 几种基本的基带信号码波形(以矩形脉 冲为例)： 1. 单极性波形 0 0 无电压(电流) 1 +E 有电压(电流) 2. 双极性波形 1 +E(-E) 正 0 -E(+E) 负 无直流分量，电脉冲间无间隔。 3. 单极性归零波形 每个脉冲都回到零电位，脉宽小于 码元宽度

11、4. 双极性归零波形 5. 差分波形 1 电位改变 0 电位不变 6. 多值波形 (多电平波形) 00 +3E 01 +E 10 -E 11 -3E 高速通信。 7. 通用表达式： ( )() ns n s ta g tnT 1 2 ()0 () ()1 s s s g tnT g tnT g tnT ，出现 ，出现 其中 是信息符号所对应的电平值， 是一个随机量。 n a 3.2.2 基带信号的频谱特性 1. 稳态波功率谱有什么特点？为什 么？ 2. 在书(5.215)式中是什么含 义？ 3. 交变波的功率谱密度有什么特点？ 对 和 波形的选择有什么启示？ s f 1 ( )gt 2 ( )

12、gt 讨论 为什么？为什么？ 4. 满足 条 件时 的功率谱密度没有离散谱。对提 取或消除离散谱分量有什么启示？ 5. 基带信号的功率谱带宽取决于什 么？ 1 2 1 ,(01) ( ) 1 ( ) pkk g t g t ( )s t 3.3 3.3 基带传输常用码型基带传输常用码型 基带信号就是代码的电波形表示。 并非任何代码的电波形都适合于在信道 中传输(如单极性波形)。 对传输信号(基带)的要求： u 对代码的要求。 u 对电波形的要求。 期望的码特性： 1. 能从相应的基带信号中获取定时 的信息。(基准) 2. 相应的信号无直流成分，且低频 成分少。(功耗) 3. 不受信源统计特性影

13、响，适应信 源变化能力强。(稳健) 4. 传输效率高。(有效性) 5. 具有自检和纠错能力。(可靠性) 常用码型简介： 1. AMI码 (Alternate mark inversion code 传号交替反转码) 编码规则： 0(空号)不变，1(传号)交替反 转为+1，-1，+1， 二进制 三进制 (1B/1T码型) 优点： 简单； 无直流； 具有误码自检能力 缺点： 可能出现长0串，定时不方便 2. HDB3码 (Three order compatible high density bipolar cod三阶高密度双极性码) AMI码的改进型之一。 优点： 稳健性强，连0串减小到至多3个

14、。 编码规则： 先变成AMI码，检查连0串，4个以上 连0串的第4个0变成与前一个非0符号同 极性的符号(破坏符号V)。相邻两个破坏 符号之间有偶数个非0符号时，将该小段 的第1个0变为+B或-B，B符号的极性与前 一 非0符号相反，后面的符号从V开始交 替变化。 3.PST码 (Pair selecting ternary 成对选择三进码) 编码规则：先将每2个二进制码元划分 为一个码组，再把它编成三进制数(0 + -)，9种状态取其4，+ - 模式交替。 优点：无直流分量，编码简单，定时分 量丰富。 要点：需要建立帧同步(分组信息)。 二进代码 + 模式 - 模式 00 - + - + 0

15、1 0 + 0 - 10 + 0 - 0 11 + - - + 举例： 代 码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1 AMI 码：-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3 码：-1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 PST码： 代码： 01 00 11 10 10 11 00 取+模式时：0+ - + + - -0 +0 + - - + 取- 模式时：0- - + + - +0 -0 + - - + 4.Manchester码 (Biphase code、Splitphase code) 编码规则： 一

16、个二进制 两个不同相位的二进码 如： 0 01 (零相位方波) 1 10 ( 相位方波) 优点： 定时分量丰富，无直流，编码简单。 只用两个电平，在多电平码不能传输的场 合仍适用(如光纤通信)。 缺点： 带宽宽，效率低。 5. Miller码 编码规则： 1码中心点跃，即 ，前 沿无跃变。 单个0码，不跃变，与前一码元边 界处不变。即： 01 1 10 000 0 111 ， 当 前 一 码 元 为 时 ， 当 前 一 码 元 为 时 连0码，边界跃变，00与11交替。 性质： 两个“1”中间夹一个“0”时出现最大 宽度为2Ts的码形，可用于误码自检。 双相码的下降沿正好对应于Miller码

17、的跃变沿。 双相码 Miller码 双稳态 应用：气象卫星、磁记录、基带数传机。 优点：双电平，误码检测优于双相码。 6. CMI码 (传号反转码) 编码规则： 001 00 1 11 交替 优点：定时信息丰富，被CCITT推荐为 PCM接口码型。 7.nBmB码 n位二进码 m位二进码 通常取m=n+1，1位用于纠错。如： 1B2B 双 相 延 迟 调 制 码 码 传 号 反 转 码 5B6B码已实用化，用于光纤数字传输 系统。 8.4B/3T码 (4 Binary code 3 ternary code，AMI 码改进型) 优点：提高有效性(相同信息量所需的传 输速率低)。 4B(16)

18、3T(27) 3.4 3.4 基带脉冲传输与码间干扰基带脉冲传输与码间干扰 3.4.1 基带信号的波形恢复与再生 限幅整形器 + 抽样判决器 为什么要进行限幅整形？ 进一步排除干扰，提取信号。 便于同步，保证抽样时刻在接收波形 中心附近。避免单个码元信号因展宽被 两次抽样或因变形而漏报。 ns n d(t)a(tnT ) 由发送 、信道、接收 构成的总系统 的传输函数为： TR j t H( )G ( ) C( ) G ( ) 1 h(t)IFTH( )H( )ed 2 基带信号可以描述成： nsR n s0ns0sRs0 r(t)d(t)h(t)a (t)h(t nT) n (t) r(kT

19、t )a h(kTtnT) n (kTt ) n0ns0Rs0 n k a h(t )a h(k n)T t n (kT t ) 接收信号： s0s 1 k=n h(kTtnT ) 0 kn ， ， 3.5 3.5 无码间干扰的基带传输特性无码间干扰的基带传输特性 什么样的系统能保证无码间干扰？ 理论上，只要： s s s i s 1 k=n h(kT ) 0 kn 2 H(i)T T T ， ， 即可。 即可。 Nyquist第一准则： 只要基带系统的总特性传输函数H(w) 可以等效为一个理想的低通滤波器，就可 以按最高传输速率2w(w为系统带宽)进行 无码间干扰传输。 s s s s T

20、TH 0 sin(t / T ) h(t) t / T ， ()= ， 其他 最直观而简单的一种理想低通型，即： 相关概念： 频带利用率：单位频带内的码元传输速 率。 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) 。 Question： 理想低通特性是无法实现的。 的尾巴太长，振荡幅度 大，定时误差将导致码间干扰增大。 sin/xx 3.6 3.6 部分响应系统部分响应系统 理想的低通特性：能达到理论极限传输 速率2Baud(波特)/Hz。 缺点： 工程不可实现。 尾巴振荡幅度大，收敛慢， 对定时要求严格。 等效的理想低通特性：降低了频带利 用率。

21、Nyquist第二准则： 有控制地在某些码元的抽样时刻引入码 间干扰，而在其余码元的抽样时刻无码间干 扰，那么就能使频带利用率提高到理论上的 最大值，同时又可以降低对定时精度的要求。 满足上述要求的冲激响应波形称为部分 响应波形。 利用部分响应波形的基带传输系统称为 部分响应系统。 最简单的部分响应波形是间隔为Ts的sinc 函数相加。即： TsTs g(t)=sinc2(t+)+sinc2(t-) 22 Ts 2Tscos() 2Ts G()= 0 Ts ， ， k a 当发送码元为 时，接收波形在抽样时 刻的取值为： kkk 1kKk 1 CaaaCa 存在问题：误码传递性。 解决方法：预

22、编码 预编码 + 相关编码 + 模2判决 预编码： kkk 1 kkk 1 abb bab k b 表示模2和，即异或运算。 作为输入码元序列，通过部分响应系统。 相关编码： 模2 处理： kkk 1 k mod2kk 1k Cbb C bba 优点：克服了误码传播。 推广：对多个Sinc函数求和，再进行模 L处理。 例如：设 为1 1 1 0 1 0 0 1，则有 k a k a k 1 b 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 2 1 1 2 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 k b k C kmod2 C 3.7 3

23、.7 无码间干扰的基带系统的抗噪无码间干扰的基带系统的抗噪 声性能声性能 无码间干扰又无噪声，则可无差错 恢复。但当存在噪声时，即使无码间干 扰，也会引起误码。 如图所示： 误码率计算： 误码 e2 e1 p(01)p p(10)p 若发送“1”码概率为P(1)，发送“0”码概 率为P(0)，则系统总误码率： Pe = P(1) pe1 + P(0) pe2 3.8 3.8 眼图眼图 实用的实验手段实用的实验手段 最佳抽样时刻 过零点畸变 噪声容限 定时误差 灵敏度 判决电平 幅度畸变范围 眼图的模型 眼图与系统性能的关系： 最佳抽样时刻是眼张开最大的时刻。 对定时误差的灵敏度由眼图斜边的斜率

24、 决定。 影区垂直高度表示信号畸变范围。 横轴位置对应判决门限电平。 上下影区间隔距离之半为噪声电容。 3.9 3.9 时域均衡时域均衡 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，将能减小码间干扰的 影响，这种起补偿作用的滤波器称为(信道) 均衡器。 时域均衡器：横向滤波器，建立 在冲激响应基础上。 频域均衡器：用频率特性去补偿 总特性，使之满足要求。 均衡效果的衡量准则： 峰值畸变准则。 均方畸变准则。 均衡器 迫零调整： 按最小峰值(或均方)畸变准则求得的 最优横向滤波器系数应满足： 如果 ，那么畸变极小值一定发 生在 同时为0时。解2N+1 个联立方程组，即可求得2N+1个

25、增益系数 值。 0 1,(0) k yyk 0 1D 预置式均衡。 用专用测试脉冲(单位冲激脉冲)作输 入，使不为0的输出作反向调整，使系 数趋向于最佳。 自适应均衡。 在传输数据期间借助于信号本身来 调整抽头增益。 实现方法： 6调制的原因：调制的原因： v提高信道的利用率提高有效性 v减小天线的尺寸、物理实现容易、减小 相对带宽 v改善了信息传输的均匀性、提高可靠性 数字调制 调幅 振幅键控 ASK（线性） 调频 移频键控 FSK（非线性） 调相 移相键控 PSK 绝对移相键控 PSK 相对移相键控 （差分）DPSK 正弦载波的正弦载波的3种键控波形种键控波形 v一个二进制振幅键控信号可以

26、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: g(t)是持续时间Ts的矩形脉冲，an取值服 从 令： 则： 6.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK） tnTtgatecs n ncos)()(0 )1 (, 1 )(,0 p p an 概率为 概率为 n snnTtgats)()( ttsteccos)()(0 二进制振幅键控信号产生方法（调制方法）二进制振幅键控信号产生方法（调制方法） 二进制振幅键控信号，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-off keying ） ook信号解调方法信号解调方法 ook信号解调 方

27、法 相干解调 （同步检测法） 非相干解调 （包络检波法） 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 ook信号功率谱信号功率谱 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 6.2.2 二进制移频键控（二进制移频键控（2FSK） k2FSK信号是0符号对应于载频w1，而1 符号对应于载频w2的已调波形 k2FSK信号的产生： v用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调 制而获得，模拟调频法实现数字调频 v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 2FSK信号的产

28、生： 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 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 差分检测法差分检测法 差分检波法基于输入信号与其延迟t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 I注意：2FSK信号可以等价为两 个不同的载波信号分别对两个基 带信号调幅的成，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

29、第一零点带宽为 sffff2|12 6.2.32PSK及及2DPSK 二进制移相键控（2PSK）： 二进制移相键控（2PSK）方式是 受键控的载波相位按基带脉冲而改 变的一种数字调制方式。 2PSK信号一般表示为： g(t) 是脉宽TS的单个矩形脉冲，an统计特性 为： 在其一码元持续时间内观察时，e0(t)为： .发送二进制符号0（an取+1）时e0(t)取0相 位；发送二进制符号1 （an取-1）时e0(t)取 相位。 tnTtgatecs n ncos)()(0 )1 (, 1 )(, 1 p p an 概率为 概率为 )1 (,cos )(,cos )(0 pt pt te c c 概

30、率为 概率为 倒现象 6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”。 v绝对移相键控（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。 v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。 2PSK及及2DPSK调制调制 2PSK解调解调 v相干解调又称为相干解调又称为PSK同步检测法解调同步检测法解调 2DPSK解调解调 B6.3.1 OOK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 同步检测时误码率的几何表示同步检测时误码率的几

31、何表示 按抗噪声性能差异按抗噪声性能差异 调制解调方法从高到低调制解调方法从高到低 v2PSK相干解调同步相干2DPSK 差分相干2DPSK相干2FSK非相 干2FSK相干OOK非相干2ASK 频带宽度：频带宽度：当码元宽度Ts时，2ASK系 统与2PSK系统的第一零点带宽为2/Ts， 2FSk的第一零点带宽为|f2-f1|+2/Ts 误码率：误码率：在每一对相干与非相干的键控 系统中，相干方式略优于非相干方式。 相同误码率条件下，信噪比要求上2PSk比 2FSK小3dB、2FSK比OOK小3dB。 三种数字调制系统的三种数字调制系统的Pe-r 在抗加性高 斯白噪声方 面，相干 2PSK性能最

32、 好，2FSK次 之，OOK最 差 对信道特性的敏感性：对信道特性的敏感性：OOK的性能最差， 当信道存在严重衰落时，通常采用非相 干检测。 设备的复杂程度：设备的复杂程度：相干解调的设备比非 相干解调时复杂；而同为非相干解调时， 2DPSK的设备最复杂，2FSK次之， OOK最简单。 性能比较 |多进制系统特点： 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 增大码元宽度，就会增加码元的能量， 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 6.5.1 多进制数字振幅调制 Z多进制数字振幅调制（MASK） 原理上是通断键控（OOK）方式的推广 传输效率高的根

33、本原因： 比二进制系统由高得多的信息传输速率 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 J高传信率 Rb=RB*log2M=nRB J带宽与ASK相同，因而信道利用率高 J发送端进行串并变换，把二进制转换成 M进制，接受端需进行并串变换 J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 J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 6.5.2 多进制数字频率调制 多频制（多频制（MFSK）：）：K

34、比特信息用 M=2K个频率通道进行通信 特点：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：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 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 抗衰落能力由于MASK 6.5.3 多进制数字相位调制 |多相制（多相制（MPSK、MDPSK）：）： 绝对移相、 相对（差分）移相 四相绝对移相键控（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（四相相对移相键控（QDP

35、SK） 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 多进制移相键控系统性能多进制移相键控系统性能 T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 T相同的传码率，传信率提高一倍 T抗干扰能力降低34dB (应用：应用： 高速率，频带受限，四线租用电话线路 QPSK信号的产生信号的产生 QPSK信号相干解调信号相干解调 QDPSK信号的产生信号的产生 QDPSK信号解调信号解调 6.5.4 振幅相位联合键控系统 v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

36、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） v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：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 6.6.1 最小移频键控（MSK） a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 vMSK信号表示式： 或者： 当 频率

37、间隔 调制指数 ) 2 cos()(k s k cMSKt T a ttS sskTtTk ) 1( )(cos)(tttScMSK k s k t T a t 2 )( ) 2 ( 2 1 , 1 ) 2 ( 2 1 , 1 1 2 s c s c k T f T f a sT fff 2 1 12 5 . 0 2 1 2 1 s s sT T fTh 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 sc sc Tf Tf Tsff Tsff 4

38、 4sin )(2 )(2sin 12 12 ), 3 , 2 , 1()(212kkTffs sT ff 2 1 12 ), 3 , 2 , 1(4nnTfsc c s f nT 1 ) 4 1 ( ss c T m N T nf 1 ) 4 ( 4 1 )3 , 2 , 1 , 0(mN为正整数； v因为信号相位为： v根据码元转化时刻信号相位连续，有 v所以相位补偿常数k为： k s k t T a t 2 )( 0) 1( 2 ) 1( 2 ) 1() 1( 11 1 kkkk sksk akak TkTk )1( 2 )(11kaakkkk ) 1(1 1 kk k时当1kkaa 时

39、当1kkaa 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 模拟信号的数字传播 7.1引言 u用数字通信系统传输模拟信号，在发送端 需进行数模变换（ADC），在接收端需经 过模数变换恢复信源信号。模数变换需经 过三个步骤：抽样、量化、编码。 u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。 u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 u抽样（采样）

40、:是把连续信号变换成时间上离 散信号的过程。 u 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，原波形可被完全恢复，信息无 损失。 u奈奎斯特频率： 奈奎斯特周期： g(t) H ff ( )0G f 1 2 ny H T f Hsff2 Hnyff2 v抽样过程进行得变换： 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 v抽样信号的恢复：低通滤波器 v从工程实现的角度，影响抽样质量的 因素有： a. 时间有限信号其频谱是无限的。 b.理想低通滤波器通常是不可实现的。 c.采样脉冲宽度不能无限窄。 v改善抽样及其恢复信号质量的措施： 1

41、在采样之前先进行抗混叠滤波 （低通滤波） 2 提高抽样频率，通常取 为 35倍的 3 加校正网络。 S f H f v带通信号的抽样 设 n为整数，k是小数 只需保证 即可满足无失真恢复条 件 当k=0时，即 时， 当n1 ， （窄带信号）恢复信号使用带 通滤波器 H fnBkB H H f nmod(f ,B)INT() B 0VmAVm时，限时，限 幅。幅。 2.2.字长字长NN与量化级数（电平数与量化级数（电平数MM）：）： 2 N M 3.量化间隔（量化精度）Vq： 4.量化噪声（量化误差）： 截尾方式: 或 maxmin q VV V M m q V V M ：单极性信号 2 m q

42、 V V M ：双极性信号 0 q eV 0 q Ve 舍入方式： 2 2 q E E q m m m 11 22 qq VeV 量化信噪比：SNR=信号功率/量化噪声功率= 21 12 DqVP 量化失真功率： （e为均匀分布） 5.5.动态范围：在满足给定的最低信噪比条动态范围：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。最小信号强度之比，通常用分贝数表示。 u量化器的工作状态：量化器的工作状态： ： 过载状态（限幅）：过载状态（限幅）： 空载：空载： min20log2 N dSNR 正常量化正常量化

43、 2 q m A V V | m A V 2 q A V u工程量化的准则：尽量避免过载和空载，使工程量化的准则：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。满足动态范围。速度满足采样率要求。 u量化方式：量化方式： 均匀量化：把输入信号的取值域按等间距分均匀量化：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，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，对弱信号性

44、及带宽之间的矛盾，对弱信号 传输不利。传输不利。 非均匀量化：根据信号的不同区间非均匀量化：根据信号的不同区间、幅度大小幅度大小 来确定量化间隔来确定量化间隔 u实用通信系统通常采用非均匀量化，非均匀实用通信系统通常采用非均匀量化，非均匀 量化方式的实现如下：量化方式的实现如下： a. a.压缩：发送端坐非线性变换，令弱信号的增压缩：发送端坐非线性变换，令弱信号的增 益大，强信号的增益小，从而压缩了动态范益大，强信号的增益小，从而压缩了动态范 围，然后再进行均匀量化和编码。围，然后再进行均匀量化和编码。 b.b.扩张：在接收端，先译码，再按强信号的增扩张：在接收端，先译码，再按强信号的增 益大

45、弱信号的增益小的规律作反变换益大弱信号的增益小的规律作反变换 再通过低通滤波器恢复原信号。再通过低通滤波器恢复原信号。 u非均匀量化的意义：非均匀量化的意义： 使得量化的噪声对大小信号影响大致相同，使得量化的噪声对大小信号影响大致相同， 改善了弱信号的量化信噪比。改善了弱信号的量化信噪比。 u压缩特性：通常采用两种对数压缩律是压缩特性：通常采用两种对数压缩律是A A律律 压缩（中国欧洲），压缩（中国欧洲）， 律压缩（美洲）律压缩（美洲） 1 1 律：律： 1 ln 1 ln1 ln AX A y AXA 1 0X A 1 1X A A 折线近似折线近似（1313折线）折线） 8 0 2 8 i

46、i i i y x 0i 1,2,3,8 0,1,2,8 i i 说明： 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 2. 128 16(24 ) 8 q q V QdB V 量化优值 律： 用十五折线近似 ln(1 |) ln(1) x y 21 2 5 5 8 i i i i y x 0,1,2,8i 7.5脉冲编码调制（PCM） uPCM是在PAM基础上发展起来的一种通信 方式，指的是将模拟信号的抽样值经量化， 编码后再进行传输 。 PCM系统组成: 明确各部分功能： v低通滤波I ：抗混叠（抽样过程是谱叠加过 程，从而出

47、现混叠，加低通可把原始始信源 中高频部分去掉） 抽样：将模拟信号在时间上离散化 量化：将抽样值在幅值上进行离散化 编码：将量化值转换成（二进制）代码 信源编码：追求高效率 2 s ff 信道编码：效率低，（通过低效率来提高可靠 性） b) 低通：抑制信道噪声 c) 译码：编码的反变换，恢复信号的抽样值 d) 低通：抽样的反变换恢复成模拟信号 e)编码： 常用码型： 自然二进制（单极性信号）和折叠 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 1111 15 （+7） 0000 7 （-0） 1110 14 （+6） 0001 6 （-1） 1101 13 （+5） 00

48、10 5 （-2） 1100 12 （+4） 0011 4 （-3） 1011 11 （+3） 0100 3 （-4） 0101 2 （-5） 1010 10 （+2） 0110 1 （-6） 1001 9 （+1） 0111 0 （-7） 1000 8 （+0） 13折线压缩编码 具体做法是：用段落码的8种可能状态分别 代表8个段落的段落电平，段内 码的16种可能状态分别代表每一段落的16 个均匀划分的量化间隔 uPCM系统的抗噪声性能(关心系统输入输出 端模拟信号的 影响PCM系统的因素： （1）加性干扰引起的误码(噪声加到二进制 电平引起误差) （2）量化误差系统的输出信噪比： 2 2

49、0 2 2 2 1 124 4 N N N q e Npe pe s N 信噪比） 2 2 241 241 N N pe pe 说明： 量化误差为主 加性噪声为主 其中 为量化误差， 为信道噪声引起的 误码 PCM系统的门限效应： 当输入信噪比高于某一门限值时，即 （SNR）in d ，输出信噪比几乎不随 输 入信噪的改变而改变， 当输入信噪比 低于 q N eN 2 2 241 241 N N pe pe 某一门限值时，即（SNR）in d，输出信 噪比随着输入信噪比的降低而急剧下降。 产生门限效应的物理原因： 输入信噪比高时，量化误差起主要作用，输 入信噪比低时，加性干扰引起的误码起主要 作用 量化器字长的影响： a 字长增加，量化误差减小了，传码率要求增 加，带宽增大 b 字长增加，信噪比门限电平抬高，要求输入 信噪比也