第篇剖析PPT课件

1、第第1 1章章 数字无线电数字无线电矛盾的核心：矛盾的核心：互通性互通性为了解决互通性的问题，各国军方积极探索，为了解决互通性的问题，各国军方积极探索，提出一种研制多频段、多功能电台，用一个提出一种研制多频段、多功能电台，用一个系列的电台来解决互通问题的方案。系列的电台来解决互通问题的方案。但是，其庞大的开支，短暂的寿命，使这种设但是，其庞大的开支，短暂的寿命，使这种设想并没有发挥多大作用。想并没有发挥多大作用。第1页/共79页第第1 1章章 数字无线电数字无线电到底怎么办？到底怎么办？ 19921992年，年，MILTREMILTRE公司的公司的Jeo MitolaJeo Mitola首次明

2、首次明确提出了软件无线电的概念。其中心思想是：确提出了软件无线电的概念。其中心思想是： 构造一个具有开放性、标准化、模块化的构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能模块，如工作频段、通用硬件平台，将各种功能模块，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使议等用软件来完成，并使A/DA/D和和D/AD/A转换器尽可转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。性的新一代无线通信系统。第2页/共79页第第1 1章章 数字无线电数字无线电成功

3、吗？成功吗？ （1 1）很强的灵活性）很强的灵活性 （2 2）较强的开放性）较强的开放性 这使得软件无线电这一概念一经提出，就这使得软件无线电这一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。得到了全世界无线电领域的广泛关注。第3页/共79页第第1 1章章 数字无线电数字无线电本课程教学理念：本课程教学理念：通过通过仿真实例仿真实例来构成无线通信中的关键功能模来构成无线通信中的关键功能模块块, ,这些模块是数字无线电（软件无线电）的这些模块是数字无线电（软件无线电）的基础。基础。第4页/共79页1.21.2图解设计图解设计 目标：要通过信道的一端向另一端发送文本文目标：要通过信道的一端向另

4、一端发送文本文件。件。编码方式：采用编码方式：采用ASCIIASCII编码。编码。发射机：采用不同幅度大小的矩形脉冲传输符发射机：采用不同幅度大小的矩形脉冲传输符号，如用幅度号，如用幅度+1+1，-1-1，-3-3，-3-3来表示二进制数来表示二进制数1010、0101、0000、1111，因此一个，因此一个ASCIIASCII码就变成码就变成4 4个个符号。符号。第5页/共79页1.21.2图解设计图解设计 图图1-1 1-1 理想化的基带发射机理想化的基带发射机第6页/共79页1.21.2图解设计图解设计 符号周期为符号周期为T T脉冲成形函数为脉冲成形函数为p(t)p(t)发射机输出发射

5、机输出 10( )0tTp t 其它( ) ()iy ts i p tiT 第7页/共79页1.21.2图解设计图解设计 图图1-31-3基带的发射信号基带的发射信号 脉冲序列构成发射脉冲序列构成发射信号，信号，每个脉冲每个脉冲对应对应一个符号一个符号。每个脉冲形状相同，每个脉冲形状相同，但但时间有滞后时间有滞后，幅度幅度有加权有加权第8页/共79页1.21.2图解设计图解设计 图图1-41-4不失真信道下的基带接收信号不失真信道下的基带接收信号 接收机：采样脉冲幅度，将符号转变为比特并解码恢接收机：采样脉冲幅度，将符号转变为比特并解码恢复文本复文本假设：信道为理想信道（具有增益假设：信道为理

6、想信道（具有增益g,g,时延时延）。（不）。（不失真传输条件）失真传输条件）第9页/共79页1.21.2图解设计图解设计 图图1-51-5理想的基带接收机理想的基带接收机要知道信道增益（信道估计）要知道信道增益（信道估计）要区分要区分g, g, 3g(3g(判决器判决器) )第10页/共79页1.21.2图解设计图解设计 同步问题：同步问题：符号定时符号定时 采样时刻采样时刻= =+ +T/2+T/2 问题问题1:1: 未知未知 （需要帧同步来解决）（需要帧同步来解决） 问题问题2 2： （需要信道估计来解决）（需要信道估计来解决） 帧同步帧同步 如接收到：如接收到：-1 -1 ，-1-1，1

7、 1，-3-3，-1-1。当不知每一。当不知每一帧起如位置时，前帧起如位置时，前4 4个符号译成个符号译成“X X”, ,后后4 4个符号个符号译成译成“a a”第11页/共79页1.21.2图解设计图解设计 频谱占用问题：频谱占用问题：目标：不同用户可以在相同传输媒介下同时通信目标：不同用户可以在相同传输媒介下同时通信措施：不同用户采用不同频率工作来防止干扰措施：不同用户采用不同频率工作来防止干扰发射机所占用的传输宽度（频率范围）发射机所占用的传输宽度（频率范围）矩形脉冲的带宽与时宽成反比矩形脉冲的带宽与时宽成反比越快的传输速率带来传输带宽的增加越快的传输速率带来传输带宽的增加同一区域的多个

8、发射机通过转移频率来避免频率同一区域的多个发射机通过转移频率来避免频率的混叠的混叠第12页/共79页1.21.2图解设计图解设计 图图1-61-6射频发射机射频发射机图图1-71-7射频接收机射频接收机第13页/共79页1.21.2图解设计图解设计 实际困难：实际困难：接收机端精确的频率转换器（解调需载波同步）接收机端精确的频率转换器（解调需载波同步）接收机端精确的定时（采样）接收机端精确的定时（采样）多用户干扰（每一用户并非严格的带宽受限信号）多用户干扰（每一用户并非严格的带宽受限信号）带内失真和干扰；带外干扰；窄带干扰；宽带干扰带内失真和干扰；带外干扰；窄带干扰；宽带干扰信道畸变（衰落与多

9、径）信道畸变（衰落与多径）第14页/共79页1.21.2图解设计图解设计 图图1-81-8存在多种干扰的信道模型存在多种干扰的信道模型第15页/共79页1.21.2图解设计图解设计 模拟与数字的折衷设计模拟与数字的折衷设计接收设备尽可能数字化（灵活接收设备尽可能数字化（灵活SDR,SDR,体积小，性能好）体积小，性能好）采样器尽可能靠近天线采样器尽可能靠近天线 采样定理及可实现性的综合考虑采样定理及可实现性的综合考虑图图1-9 1-9 同时使用模拟与数字处理技术的接收机模型同时使用模拟与数字处理技术的接收机模型第16页/共79页1.21.2图解设计图解设计 模拟信号处理部分完成的功能模拟信号处

10、理部分完成的功能完成射频到中频的频率转换完成射频到中频的频率转换带外信号的衰减带外信号的衰减自动增益控制自动增益控制 AGCAGC第17页/共79页1.21.2图解设计图解设计 数字信号处理部分完成的功能数字信号处理部分完成的功能下变频到基带（从中频到基带）下变频到基带（从中频到基带）载波的跟踪载波的跟踪符号的定时符号的定时信道的补偿（均衡器）信道的补偿（均衡器）符号的判决（量化）符号的判决（量化）帧同步（相关）帧同步（相关）符号的解码符号的解码第18页/共79页1.31.3完整的结构完整的结构数字信号处理部分完成的功能数字信号处理部分完成的功能原始的数字通信（第原始的数字通信（第1 1章）章

11、） * *比特编码成波形通过信道后再被解码成比特比特编码成波形通过信道后再被解码成比特 * *同步问题非常重要同步问题非常重要 * *三大部件：发射机，信道三大部件：发射机，信道 ，接收机，接收机组件层（第组件层（第2 2章章- -第第3 3章）章） * *基本部件基本部件 ：振荡器，线性滤波器，采样器，自适应：振荡器，线性滤波器，采样器，自适应器件。器件。 * *顺序：顺序： 编码，脉冲成形，上变频，下变频，采样，编码，脉冲成形，上变频，下变频，采样，判决，解码判决，解码第19页/共79页1.31.3完整的结构完整的结构数字信号处理部分完成的功能数字信号处理部分完成的功能理想的系统层（第理想

12、的系统层（第4-94-9章）章） * *信道信道- -上变频上变频- -采样采样- -下变频下变频- -接收滤波接收滤波- -均均衡衡- -判决模块判决模块- -解码解码自适应层（第自适应层（第1010章章- -第第1515章）章） * *载波恢复载波恢复 * *匹配滤波匹配滤波 * *采样定时采样定时 * *均衡均衡 * *编码（不讲）编码（不讲）第20页/共79页1.31.3完整的结构完整的结构综合层（第综合层（第1616章）章） * *将理想系统层（第三层）去掉理想条件，并应用自将理想系统层（第三层）去掉理想条件，并应用自适应层的解决办法来处理。适应层的解决办法来处理。第21页/共79页

13、第第2 2章章 通信系统通信系统 2.1 2.1 模拟波形的电磁波传输。模拟波形的电磁波传输。为什么要上变频？为什么要上变频？1.1.减小天线尺寸。减小天线尺寸。2.2.为了适应于不同的传播环境。为了适应于不同的传播环境。 * *低于低于2M2M的电磁波沿地面传播。的电磁波沿地面传播。 * *2-30M2-30M的电磁波可沿两个塔杆视距传播。的电磁波可沿两个塔杆视距传播。 * *高于高于30M30M的可穿越大气层与卫星通信，也可发生大的可穿越大气层与卫星通信，也可发生大气散射，用于长距离陆地通信气散射，用于长距离陆地通信3.3.多址的考虑。多址的考虑。第22页/共79页2.2 2.2 带宽带宽

14、绝对带宽绝对带宽f f2 2f f1,1, 指指f f2 2ffff1 1外没有频谱分量外没有频谱分量3-dB3-dB带宽，指带宽，指f f2 2ffff1 1频率之外，信号的频谱幅度绝对频率之外，信号的频谱幅度绝对不大于其最大值的不大于其最大值的0.7070.707。过零带宽，指过零带宽，指f f2 2，f f1 1为频谱幅度的第为频谱幅度的第1 1个过零点。个过零点。功率带宽功率带宽 ，指，指f f2 2fff= 2Bfs = 2B的最大正整数的最大正整数 ( 1, 2, ) ( 1, 2, ) ，则用则用fs fs 进行等间隔采样所得到的信号采样值进行等间隔采样所得到的信号采样值 x(n

15、Ts) x(nTs) 能准确的确定原信号能准确的确定原信号x(t)x(t)。12412)(2fSnfnffoHL第36页/共79页2.8 2.8 带通采样（带通采样（2 2）注意：注意： 1 1） 上述采样定理的适用前提条件是：只允许在其上述采样定理的适用前提条件是：只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将引起混叠。同时存在信号，否则将引起混叠。 2 2） 为了能使用最低采样速率即：为了能使用最低采样速率即：f fS S = 2B = 2B ，带通信，带通信号的中心频率必须满足号的中心频率必须满足 即信号的最高频

16、率加上最低频率是带宽的整数倍。即信号的最高频率加上最低频率是带宽的整数倍。BnffBnfHL) 12(2120或或第37页/共79页2.8 2.8 实用的采样方案实用的采样方案滤波放大A/DDSP（软件）本振fLfSfi 该模型先用一个本振信号与被数字化的输入信号该模型先用一个本振信号与被数字化的输入信号进行混频，将其变换为统一的中频信号，然后进行数进行混频，将其变换为统一的中频信号，然后进行数字化。字化。 这样，这样，A/DA/D之前的信号的中心频率是固定不变的，之前的信号的中心频率是固定不变的，如果如果 fo fo 取值恰当，则取值恰当，则A/DA/D前的抗混叠滤波器就会容前的抗混叠滤波器

17、就会容易的多。易的多。第38页/共79页2.9 2.9 以模拟为核心的数字通信以模拟为核心的数字通信数字通信的优势：数字通信的优势：1 1、设计容易。、设计容易。2 2、稳定性好、噪声不会积累。、稳定性好、噪声不会积累。3 3、语音、视频、数据可以合并传输、语音、视频、数据可以合并传输4 4、易重构。、易重构。数字通信的劣势：数字通信的劣势：1 1、占用更多的带宽。、占用更多的带宽。2 2、同步要求严格。、同步要求严格。第39页/共79页2.10 2.10 脉冲成形脉冲成形时域与频域的折衷设计时域与频域的折衷设计。矩形脉冲矩形脉冲时域波形时域波形幅频特性幅频特性第40页/共79页2.10 si

18、nc2.10 sinc脉冲脉冲时域与频域的折衷设计时域与频域的折衷设计。sincsinc脉冲脉冲时域波形时域波形幅频特性幅频特性第41页/共79页2.11 2.11 同步同步符号的相位同步符号的相位同步符号的频率同步符号的频率同步载波的相位同步载波的相位同步载波的频率同步载波的频率同步帧同步帧同步插入同步头，再根据自相关来认别插入同步头，再根据自相关来认别第42页/共79页2.11 2.11 同步同步符号的同步（相位、频率）；载波的同步（相位、频率）符号的同步（相位、频率）；载波的同步（相位、频率）的解决思路：的解决思路：采用最优化求解方法采用最优化求解方法1 1、找一代价函数。、找一代价函数

19、。( (如接收能量最大化如接收能量最大化, ,想一想，为什想一想，为什么么) )2 2、求代价函数的极值。（一般采用迭代的方法）、求代价函数的极值。（一般采用迭代的方法）第43页/共79页2.12 2.12 均衡均衡问题：信道的多径带来问题：信道的多径带来ISIISI，信道的色散使对不同频率，信道的色散使对不同频率成分衰减不一。（思考：时域响应，频域响应？）成分衰减不一。（思考：时域响应，频域响应？）解决办法：在接收机端设计一滤波器，抵消信道的作用。解决办法：在接收机端设计一滤波器，抵消信道的作用。此滤波器即为均衡器。此滤波器即为均衡器。信道的时变信道的时变- -自适应均衡器自适应均衡器处理办

20、法：采用最优化求解方法处理办法：采用最优化求解方法1 1、找一代价函数。、找一代价函数。2 2、求代价函数的极值。（一般采用迭代的方法）、求代价函数的极值。（一般采用迭代的方法）1 1、找一代价函数。、找一代价函数。2 2、求代价函数的极值。（一般采用迭代的方法）、求代价函数的极值。（一般采用迭代的方法）第44页/共79页2.12 2.12 均衡均衡均衡器的另一相关课题：信道估计均衡器的另一相关课题：信道估计分类：分类：1 1、基于训练序列的信道估计。、基于训练序列的信道估计。2 2、无训练序列的盲信道估计。（利用通信的可能先验、无训练序列的盲信道估计。（利用通信的可能先验信息，如：恒模特性，

21、二阶循环平稳等）信息，如：恒模特性，二阶循环平稳等）第45页/共79页2.13 2.13 判决及误差估计判决及误差估计第46页/共79页2.13 2.13 判决及误差估计判决及误差估计1 1、b: b: 输入信息比特输入信息比特2 2、w:w:符号（有限符号集）符号（有限符号集）3 3、m: m: 均衡器输出均衡器输出 4 4、Q(m):Q(m):判决器输出判决器输出 5 5、 : :输出信息比特输出信息比特b第47页/共79页2.13 2.13 判决及误差估计判决及误差估计评价指标：评价指标：1 1、符号恢复差错：、符号恢复差错：e=w-me=w-m2 2、硬判决差错、硬判决差错: e=w-

22、Q: e=w-Q（m m）3 3、直接判决差错、直接判决差错:e= Q:e= Q（m m）-m-m最重要的性能函数最重要的性能函数均方误差：均方误差：MSE=MSE=误比特率：误比特率：BERBER211MieM第48页/共79页2.14 2.14 编码和解码编码和解码信道容量取决于：信道容量取决于：1)1)带宽带宽B, 2) B, 2) 信噪比信噪比S/NS/N信源编码：剔除信源的冗余性，用最简明的方式来表现信源编码：剔除信源的冗余性，用最简明的方式来表现数据。前提是数据。前提是: :信源数据的相关性。信源数据的相关性。信道编码：增加发射信号的冗余性，来达到检测错误或信道编码：增加发射信号的

23、冗余性，来达到检测错误或纠正错误。纠正错误。第49页/共79页2.15 2.15 通信系统通信系统第50页/共79页2.15 2.15 通信系统通信系统1 1、信源编码，减少信息的冗余度。、信源编码，减少信息的冗余度。2 2、纠错编码，以纠正传输过程中的错误。、纠错编码，以纠正传输过程中的错误。3 3、符号周期为、符号周期为T T。4 4、脉冲成形以节约带宽。、脉冲成形以节约带宽。5 5、模拟上变频。、模拟上变频。6 6、信道对传输信号的畸变。、信道对传输信号的畸变。7 7、与其它、与其它FDMFDM复接、考虑噪声及干扰。复接、考虑噪声及干扰。8 8、模拟下变频到中频（包括滤波及、模拟下变频到

24、中频（包括滤波及AGC)AGC)第51页/共79页2.15 2.15 通信系统通信系统9 9、以、以T TS S进行采样（不考虑采样的起点进行采样（不考虑采样的起点- -以任意时刻进行以任意时刻进行采样）。采样）。1010、下变频到基带（需要载波相位同步，频率同步）、下变频到基带（需要载波相位同步，频率同步）1111、脉冲成形的匹配滤波（抑制用户及信道噪声）、脉冲成形的匹配滤波（抑制用户及信道噪声）1212、以符号周期采样，得到符号估计值。、以符号周期采样，得到符号估计值。1313、均衡器以抵消、均衡器以抵消ISIISI。1414、判决器。、判决器。1515、纠错的解码、及信源解码、纠错的解码

25、、及信源解码第52页/共79页习题：习题：P15: 2-3P15: 2-3题，提交电子文档。题，提交电子文档。邮件题目：姓名第邮件题目：姓名第2 2章习题。章习题。如：如：王东第二章习题王东第二章习题第53页/共79页第第3 3章章 数字无线电系统五要素数字无线电系统五要素1 1、振荡器。、振荡器。2 2、线性滤波器、线性滤波器3 3、静态非线性器件、静态非线性器件4 4、采样器。、采样器。5 5、自适应器、自适应器第54页/共79页第第3 3章章 数字无线电系统五要素数字无线电系统五要素第55页/共79页第第3 3章章 数字无线电系统五要素数字无线电系统五要素PAMPAM系统的每一模块都由上

26、述五大器件构成。系统的每一模块都由上述五大器件构成。1 1、振荡器：产生正弦、余弦波、振荡器：产生正弦、余弦波2 2、线性滤波器：放大或缩小信号中的特定频率或频带。、线性滤波器：放大或缩小信号中的特定频率或频带。3 3、静态非线性器件：改变某一信号的频率成分。、静态非线性器件：改变某一信号的频率成分。4 4、采样器：将模拟变为数字、采样器：将模拟变为数字 。5 5、自适应器：当参数值改变时，跟踪所需要的值。、自适应器：当参数值改变时，跟踪所需要的值。第56页/共79页第第3 3章章 数字无线电系统五要素数字无线电系统五要素器件的作用可能过时域或频域（频谱）来衡量。器件的作用可能过时域或频域（频

27、谱）来衡量。第57页/共79页3.13.1找到信号的频谱找到信号的频谱器件的作用可能过时域或频域（频谱）来衡量。器件的作用可能过时域或频域（频谱）来衡量。第58页/共79页3.23.2振荡器振荡器振荡器符号表示振荡器符号表示时域表征：时域表征： s(t)=cos(2f s(t)=cos(2f0 0t+t+) )第59页/共79页3.23.2振荡器振荡器频域表征：频域表征： 第60页/共79页3.23.2振荡器振荡器示例：示例： 第61页/共79页3.33.3线性滤波器线性滤波器线性滤波器符号表示线性滤波器符号表示时域表征：时域表征：线性连续时不变系统线性连续时不变系统 第62页/共79页3.3

28、3.3线性滤波器线性滤波器时域表征：时域表征：线性离散时不变系统线性离散时不变系统 第63页/共79页3.33.3线性滤波器线性滤波器频域表征：频域表征： 时域卷积时域卷积= =频域的相乘频域的相乘示例：示例：filternoise.mfilternoise.m第64页/共79页3.43.4采样器采样器时域表征：时域表征： 输入：输入：u u（t)t) 输出输出: u: u（t)|t)|t=kTs+t=kTs+=u(kTs)=uk=u(kTs)=uk采样器符号表示采样器符号表示第65页/共79页3.43.4采样器采样器频域表征：频域表征：时域的采样（时域的采样（fs)=fs)=频域的周期延拓（

29、延拓周期为频域的周期延拓（延拓周期为fsHzfsHz）离散信号的频谱只需要画出离散信号的频谱只需要画出-fs/2 fs/2-fs/2 fs/2 第66页/共79页3.43.4采样器采样器第67页/共79页3.43.4采样器采样器示例：示例：第68页/共79页3.43.4采样器采样器减采样器符号表示减采样器符号表示数学表达形式：原信号的每数学表达形式：原信号的每m m个采样值里仅取一个个采样值里仅取一个 yk=xmk+i yk=xmk+i 第69页/共79页3.43.4采样器采样器时域观点：原信号的每时域观点：原信号的每m m个采样值里仅取一个个采样值里仅取一个 yk=xmk+i yk=xmk+i频域观