通信原理（总复习）通信课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,通信原理,通信原理,1,第,1,章 绪 论,内容：通信的基本概念，通信系统的组成，通信系统的分类与通信方式，信息及其度量，通信系统的主要性能指标。,重点：,1.,通信系统的一般模型，模拟和数字通信系统模型。（,框图，各部分基本功能,）,2,信息及其度量（信息的熵）。,3,主要性能指标,有效性和可靠性。,难点：,1.,通信系统的主要性能指标。,2,求信息的信息量。,第1章 绪 论 内容：通信的基本概念，通信系统的组,2,1.,通信的基本概念：,通信、通信系统、通信的目的,2.,通信系统的一般模型，模拟和数字通信系统模型。,（,框图，各部分基本功能,）,图,1-4,模拟通信系统模型,图,1-5,数字通信系统模型,图,1-1,通信系统一般模型,1.通信的基本概念：通信、通信系统、通信的目的图1-4,3,3.,数字通信的优缺点,优点,抗干扰能力强，且噪声不积累,传输差错可控,便于处理、变换、存储,便于将来自不同信源的信号综合到一起传输,易于集成，使通信设备微型化，重量轻,易于加密处理，且保密性好,缺点：,需要较大的传输带宽,对同步要求高,3.数字通信的优缺点,4,4.,通信系统的分类（按信号）,按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统,按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统,按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统,按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用,5.,通信方式,按消息传递方向与时间关系分：单工、半双工和全双工通信 按数据代码排列方式分：并行传输和串行传输,6.,计算离散信源的信息量、熵,（,b,）,4.通信系统的分类（按信号）,5,7.,通信系统的主要性能指标：,有效性和可靠性,模拟通信系统,有效性：可用,有效传输频带（带宽）,来度量。,可靠性：可用,接收端最终输出信噪比（,So/No,）,来度量。,数字通信系统,有效性：用,传输速率,和,频带利用率,来衡量。,可靠性：用,误码率,和,误信率,表示,码元传输速率,R,B:,信息传输速率,R,b,：,频带利用率,：,误码率 误信率,8.,计算,码元速率,R,B,、,信息速率,R,b,、,频带利用率、误码率 、误信率,7.通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性,6,第,3,章 随机过程,内容：随机过程的基本概念，平稳随机过程，高斯、窄带随机过程，平稳随机过程通过线性系统，正弦波加窄带高斯噪声，高斯白噪声和带限白噪声。,重点：,1.,随机过程的数字特征。,2.,平稳随机过程的特性,各态历经性。,3.,高斯过程的一维概率密度函数的特性。,4,正弦波加窄带高斯过程。,5,平稳随机过程通过线性系统的特点。,6,高斯白噪声和带限白噪声。,难点：,1.,平稳随机过程的相关函数与功率谱密度。,2,平稳随机过程通过线性系统的特点。,3,正弦波加窄带高斯噪声。,第3章 随机过程内容：随机过程的基本概念，平稳随机过程，高斯,7,1.,随机过程的数字特征：,均值,（数学期望）、,方差、相关函数,2.,平稳过程的自相关函数,平稳过程自相关函数的定义：,平稳过程,自相关函数的性质,(,t,),的平均功率,的偶函数,R,(,),的上界,即自相关函数,R,(,),在,= 0,有最大值。,(,t,),的直流功率,表示平稳过程,(,t,),的交流功率,。当均值为,0,时，有,R,(0) =,2,。,1.随机过程的数字特征：均值（数学期望）、方差、相关函数,8,3.,平稳随机过程的自相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换。,维纳,-,辛钦关系,4.,平稳过程的归一化总平均功率,5.,高斯过程重要性质,高斯过程若是广义平稳的，则也严平稳。,如果高斯过程在不同时刻的取值是不相关的，那么它们也是统计独立的。,高斯过程经过线性变换后生成的过程仍是高斯过程。,6.,平稳随机过程通过线性系统,若线性系统的输入是平稳的，则输出也是平稳的。,且,3.平稳随机过程的自相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换。,9,7.,窄带随机过程,结论,1,：,一个均值为零的窄带平稳高斯过程,(,t,),，它的同相分量,c,(,t,),和正交分量,s,(,t,),同样是平稳高斯过程，而且均值为零，方差也相同。此外，在同一时刻上得到的,c,和,s,是互不相关的或统计独立的。,结论,2,：,一个均值为零，方差为,2,的窄带平稳高斯过程,(,t,),，其包络,a,(,t,),的一维分布是瑞利分布，相位,(,t,),的一维分布是均匀分布，并且就一维分布而言，,a,(,t,),与,(,t,),是统计独立的 。,7.窄带随机过程,10,8.,白噪声,n,(,t,),、高斯白噪声、低通白噪声（,带限白噪声,）、带通白噪声、窄带高斯白噪声,9.,窄带高斯白噪声平均功率,8.白噪声n (t)、高斯白噪声、低通白噪声（带限白噪声）、,11,第,4,章 信 道,内容：信道的定义、分类及其数学模型，有线信道举例、无线信道举例，信道特性对信号传输的影响，信道的噪声，信道容量。,重点：,1.,有线（恒参）信道特性及其对信号传输的影响。,2,随参信道的三个特点及其对信号传输的影响。,3,信道的加性噪声。,4,信道的数学模型。,5,信道容量的概念及求法。,难点：,1.,恒参、随参信道特性及其对信号传输的影响。,2,信道的数学模型。,3,信道容量的概念及求法。,第4章 信 道内容：信道的定义、分类及其数学模型，有线信,12,1.,信道：,是以传输媒质为基础的信号通道，是连接发送端和接收端的通信设备。,2.,信道分类（按传输媒质不同）,无线信道、有线信道,3.,信道中的干扰：,有源干扰 （噪声）,无源干扰 （传输特性不良）,4.,电磁波（无线电波）的传播方式分类：,地波、天波、视线传播,5.,信道模型的分类：,调制信道、编码信道,调制信道,乘性干扰,特点：当没有信号时，没有乘性干扰。,加性干扰,特点：当没有信号时，仍有加性干扰。,调制信道分类：,随参信道（,k,(,t,),作随机变化）,恒参信道（,k,(,t,),变化很慢或很小）,1.信道：,13,6.,线性系统（恒参信道）中无失真条件：,振幅频率特性：为水平直线,相位频率特性：为通过原点的直线,7.,随参信道（变参信道）的,特性（共性）,：,衰减随时间变化,时延随时间变化,多径效应（概念、特点）,8.,信道容量 ：指信道能够传输的最大平均信息速率,离散信道容量,C,每个符号能够传输的平均信息量最大值,C,t, 单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值,信息传输速率,R,(b/s),式中,r,单位时间内信道传输的符号数,(,比特,/,符号,),(b/s),6.线性系统（恒参信道）中无失真条件：,14,9.,连续信道的信道容量,高斯白噪声背景下的连续信道的信道容量公式（香农公式）,连续信道的容量,C,t,和,信道带宽,B,、,信号功率,S,及,噪声功率谱密度,n,0,三个因素有关。,14.,信道容量的计算（连续信道为主）,9.连续信道的信道容量,15,第,5,章 模拟调制系统,内容：幅度调制的原理及抗噪声性能，非线性调制（角度调制）的原理及其抗噪声性能，各种模拟调制系统的比较，频分复用,(FDM),和调频立体声。,重点：,1.,幅度调制的原理及抗噪声性能。（计算）,2.,非线性调制的原理及频率调制系统的抗噪声性能。,3.,各种模拟调制系统的性能比较。,4.,频分复用,(FDM),的概念。,难点：,1.,幅度调制的抗噪声性能分析。,2.,非线性调制的原理及频率调制系统的抗噪声性能分析。,第5章 模拟调制系统 内容：幅度调制的原理及抗噪声性能，,16,1.,调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。,调制信号 、载波、载波调制 、已调信号 、解调（检波）的概念。,2.,常见的模拟调制,幅度调制（线性调制）：调幅（,AM,）、双边带,(DSB),、单边带,(SSB),和残留边带,(VSB),角度调制（非线性调制）：频率调制,(FM),、相位调制,(PM),3.,调幅（,AM,）,时域表示式,频谱：,调制器模型,可用包络检波法解调。,条件,m,(,t,)|,A,0,。,否则， “过调幅” 。,AM,信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成,1. 调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程,17,AM,信号的,带宽、功率、调制效率,当,|,m,(,t,)|,max,=,A,0,时（,100,调制），调制效率最高，这时,max,1/3,4.,双边带,(DSB),时域表示式,频谱：,DSB,信号的,带宽（,2f,H,）、功率,(,无载波功率,),、调制效率（,100,）,解调：不能用包络检波，需用相干检波（较复杂）。,AM信号的带宽、功率、调制效率,18,5.,单边带调制（,SSB,）,产生,SSB,信号的方法有两种：滤波法和相移法。,上边带频谱图,SSB,信号的时域表示式,SSB,信号的,带宽（,f,H,）、节省功率、,需用,相干解调,。,通信原理（总复习）通信课件,19,7.,相干解调与包络检波,相干解调,相干解调器的一般模型,包络检波,适用条件：,AM,信号,，且要求,|,m,(,t,)|,max,A,0,，,包络检波器结构：,通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成,8.,线性调制系统的抗噪声性能,7.相干解调与包络检波,20,解调器输出信噪比定义,制度增益定义：,式中输入信噪比,Si /Ni,的定义是：,DSB,调制系统的性能,输入信噪比,输出信噪比,DSB,调制系统的,制度增益为,2,。,也就是说，,DSB,信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的缘故。,解调器输出信噪比定义,21,SSB,调制系统的性能,输入信噪比,输出信噪比,SSB,调制系统的,制度增益为,1,。,因为在,SSB,系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，,信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，,故信噪比没有改善。,G,DSB,= 2,G,SSB,，,但是，两者的抗噪声性能是相同的,（,在相同的输入信号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相同的基带信号带宽条件下，这两种调制方式的输出信噪比是相等的。,）,但,SSB,所需的传输带宽仅是,DSB,的一半，因此,SSB,得到普遍应用。,SSB调制系统的性能,22,AM,包络检波的性能,大信噪比情况,输入信噪比,输出信噪比,制度增益,G,AM,总是小于,1,，,这说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了,小信噪比时的,门限效应、门限值。,AM包络检波的性能,23,9.,角度调制的,基本概念,角度调制信号的一般表达式为,PM,信号表达式,式中,K,p,调相灵敏度，,单位是,rad/V,FM,信号表达式,式中,K,f,调频灵敏度,，单位是,rad/s,V,。,PM,与,FM,的区别：,PM,是相位偏移随调制信号,m,(,t,),线性变化，,FM,是相位偏移随,m,(,t,),的积分呈线性变化。,c,t,+,(,t,),(,t,), 信号的,瞬时相位,；,(,t,),瞬时相位偏移,。,d,c,t,+,(,t,),/d,t,=,(,t,), 称为,瞬时角频率,d,(,t,)/d,t,称为,瞬时频偏,。,9.角度调制的基本概念 ct +(t) (,24,单音调制,FM,与,PM,设调制信号为单一频率的余弦波,则,m,p,=,K,p,A,m, 调相指数,，表示最大的相位偏移,调频指数,，表示最大的相位偏移,最大角频偏,最大频偏,。,单音调制FM与PM调频指数，表示最大的相位偏移,25,FM,与,PM,之间的关系,由于,频率和相位之间存在微分与积分的关系,，所以,FM,与,PM,之间是可以,相互转换,的。,10.,窄带调频（,NBFM,）,带宽,B,NBFM,=2f,H,11.,宽带调频（,WBFM,）,调频信号的带宽,理论上调频信号的频带宽度为无限宽。,实际上,边频幅度随着,n,的增大而逐渐减小，因此调频信号可,近似认为具有有限频谱,。,有效带宽,用卡森（,Carson,）公式计算,调频信号的功率分配,:,调频信号的平均功率等于未调载波的平均功率，即,调制后总的功率不变,，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量,FM与PM之间的关系,26,13.,调频信号的解调,相干解调：相干解调仅适用于,NBFM,信号,非相干解调,调频系统的抗噪声性能（非相干解调时）,大信噪比时,FM,非相干解调器输出端的,输出信噪比,为,（了解）,考虑,m,(,t,),为单一频率余弦波时,制度增益,加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。,调频系统抗噪声性能好的这一优越性是以增加其传输带宽来换取的。,13.调频信号的解调,27,调制,方式,传输带宽,抗噪声性能,设备复杂程度,主要应用,AM,2f,m,简单,中短波无线电广播,DSB,2f,m,中等,应用较少,SSB,f,m,复杂,短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输,VSB,略大于,f,m,近似,SSB,复杂,电视广播、数据传输,FM,中等,超短波小功率电台（窄带,FM,）；调频立体声广播等高质量通信（宽带,FM,）,14.,各种模拟调制系统的比较（,抗噪声性能、,传输带宽、特点应用,）,调制传输带宽抗噪声性能设备复杂程度主要应用AM2fm简单中短,28,15.,频分复用（,FDM,）,复用：,解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。,分类：频分复用（,FDM,）,、,时分复用（,TDM,）、码分复用（,CDM,）。,目的,：,充分利用信道的频带资源，提高信道利用率,频分复用（,FDM,）是一种按频率来划分信道的复用方式。,15.频分复用（FDM）,29,总结：,幅度调制和角度调制的相关基本概念，时域表示式、频谱、功率、带宽、调制指数、频偏等。,幅度调制抗噪声性能。 （计算）,FM,调制的功率、带宽、调频指数、频偏等。 （计算）,各种模拟调制系统的比较,总结：,30,第,6,章 数字基带传输系统,内容：数字基带传输系统的基本结构，基带传输的常用码型，基带信号的频谱特性，基带脉冲传输与码间干扰，无码间干扰的基带传输特性，基带传输系统的抗噪声性能，眼 图，部分响应和时域均衡技术。,重点：,1.,基带传输的常用码型，基带信号的频谱特性。,2,.,无码间干扰的基带传输特性。,3.,部分响应系统。,4.,基带传输系统的抗噪声性能分析。,5.,检测系统性能的实验手段,眼 图。,难点：,1.,基带信号的频谱特性分析。,2.,无码间干扰的基带传输特性及抗噪声性能分析。,3.,部分响应系统，时域均衡原理及实现方法。,第6章 数字基带传输系统内容：数字基带传输系统的基本结构，,31,1.,数字基带信号 、数字基带传输系统 、数字带通传输系统 的概念,2.,几种基本的基带信号波形,3.,基带信号的频谱特性,数字基带信号是一个随机脉冲序列，可以把,s,(,t,),分解成稳态波,v,(,t,),和交变波,u,(,t,),，交变波的功率谱,P,u,(,f,),是连续谱，稳态波的功率谱,P,u,(,f,),是离散谱,1.数字基带信号 、数字基带传输系统 、数字带通传输系统 的,32,由上式可见：,二进制随机脉冲序列的功率谱,P,s,(,f,),可能包含连续谱（第一项）和离散谱（第二项）。,连续谱总是存在的，,这是因为代表数据信息的,g,1,(,t,),和,g,2,(,t,),波形不能完全相同，故有,G,1,(,f,) ,G,2,(,f,),。谱的形状取决于,g,1,(,t,),和,g,2,(,t,),的频谱以及出现的概率,P,。,根据连续谱可以确定随机序列的带宽。,离散谱是否存在，取决于,g,1,(,t,),和,g,2,(,t,),的波形及其出现的概率,P,。一般情况下，它也总是存在的，但对于双极性信号,g,1,(,t,) = -,g,2,(,t,) =,g,(,t,),，且概率,P,=1/2,（等概）时，则没有离散分量,(,f,-,mf,s,),。,根据离散谱可以确定随机序列是否有直流分量和定时分量。,由上式可见：,33,单极性（双极性）,NRZ,和,RZ,矩形脉冲序列的功率谱,二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数,G,1,(,f,),和,G,2,(,f,),。时间波形的占空比越小，占用频带越宽。,单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比。单极性,NRZ,信号中没有定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换；单极性,RZ,信号中含有定时分量，可以直接提取它。“,0”,、“,1”,等概的双极性信号没有离散谱，也就是说没有直流分量和定时分量。,单极性（双极性）NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱,34,4.,几种常用的传输码型,AMI,码、,HDB,3,码,、双相码、密勒码、,CMI,码,的,编译码。,5.,数字基带信号传输系统的组成（框图和各部分功能）,两种误码原因：,码间串扰 、信道加性噪声,4.几种常用的传输码型,35,数字基带信号传输模型,基带传输系统的总传输特性,6.,无码间串扰的基带传输特性,时域条件,频域条件,抽样,判决,奈奎斯特,(Nyquist),第一准则,（码元间隔为,T,S,时）,数字基带信号传输模型抽样奈奎斯特(Nyquist)第一准则（,36,消除码间串扰基带传输特性判断（有无,ISI,的验证）,将,H,(,),在,轴上以,2,/,T,s,为间隔切开,，,（,2,R,B,）,然后分段沿,轴平移到,(-,/T,s, /T,s,),区间内，,(-,R,B, ,R,B,),将它们进行叠加，其结果应当为一常数（不必一定是,T,s,）,例：,消除码间串扰基带传输特性判断（有无ISI的验证）,37,7,无码间串扰的传输特性,理想低通特性,带宽,称为,奈奎斯特带宽,f,N,，,若输入数据以,R,B,= 1/,T,s,波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间串扰,(,R,Bmax,),。,若以高于,1/,T,s,波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。,通常将此带宽,B,称为,奈奎斯特带宽,f,N,，将,R,B,称为,奈奎斯特速率,。,R,Bmax,=,2f,N,此基带系统所能提供的,最高频带利用率,为,另外，当,R,Bmax,= n,R,B,输入数据以,R,B,波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间串扰,否则存在码间串扰。,7无码间串扰的传输特性,38,余弦滚降特性,为了解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢下降，这称为“滚降”。,一种常用的滚降特性是余弦滚降特性，如下图所示：,只要,H,(,),在滚降段中心频率处（与奈奎斯特带宽相对应）呈奇对称的振幅特性，,就必然可以满足奈奎斯特第一准则，从而实现无码间串扰传输。,奇对称的余弦滚降特性,为滚降系数，,用于描述滚降程度。它定义为,余弦滚降特性 奇对称的余弦滚降特性为滚降系数，用于描述滚降,39,其中，,f,N, 奈奎斯特带宽，,f, 超出奈奎斯特带宽的扩展量,几种滚降特性和冲激响应曲线,滚降系数,越大，,h,(,t,),的拖尾衰减越快,滚降使带宽增大为,余弦滚降系统的最高频带利用率为,当,=0,时，即为前面所述的理想低通系统；,当,=1,时，即为升余弦频谱特性,当=0时，即为前面所述的理想低通系统；,40,1,的升余弦滚降特性的,h,(,t,),满足抽样值上无串扰的传输条件，,且,各抽样值之间又增加了一个零点,，而且,它的尾部衰减较快,(,与,t,2,成反比,),，这有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。,但这种系统所占频带最宽，是理想低通系统的,2,倍，因而频带利用率为,1,波特,/,赫，是二进制基带系统最高利用率的一半。,8.,基带传输系统的抗噪声性能,在无码间串扰条件下，由信道噪声引起的误码率。,分析模型,图中,n,(,t,), 加性高斯白噪声，均值为,0,，双边功率谱密度为,n,0,/2,。,抽样,判决,1的升余弦滚降特性的h(t)满足抽样值上无串扰的传输条件,41,理想低通，余弦滚降、三角形特性、梯形特性等,H,（,）,W,W,(1-)W,(1+)W,0,1,0,5,实际带宽，奈奎斯特带宽，频带利用率，,R,B,，,R,Bmax,，,消除码间串扰基带传输特性判断。,理想低通，余弦滚降、三角形特性、梯形特性等H（）WW(1,42,8.,基带传输系统的抗噪声性能,二进制双极性基带系统的总误码率,(,P,(1) =,P,(0) = ,时）,二进制单极性基带系统的总误码率,(,P,(1) =,P,(0) = ,时）,比较双极性和单极性基带系统误码率可见，,当比值,A/,n,一定时，双极性基带系统的误码率比单极性的低，抗噪声性能好。,此外，,在等概条件下，双极性的最佳判决门限电平,为,0,，与信号幅度无关，因而,不随信道特性变化而变，,故能保持最佳状态。而,单极性的最佳判决门限电平,为,A/2,，它,易受信道特性变化的影响,，从而导致误码率增大。因此，,双极性基带系统比单极性基带系统应用更为广泛。,8.基带传输系统的抗噪声性能,43,9.,眼图,眼图是指通过用,示波器,观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法。,（概念）,因为在传输二进制信号波形时,示波器显示的图形很像人的眼睛，故名“眼图”。,眼图的“眼睛”张开的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之，表示码间串扰越大。迹线越细，噪声越小，迹线越粗，噪声越大。（,由眼图判断性能,）,10.,部分响应系统（,部分响应波形、部分响应系统的概念、特点,）,人为地在码元的抽样时刻引入码间串扰，,并在接收端判决前加以消除，从而可以达到改善频谱特性、,使频带利用率提高到理论最大值,、并,加速传输波形尾巴的衰减,和降低对定时精度要求的目的。通常把这种波形叫,部分响应波形,。,利用部分响应波形传输的基带系统称为,部分响应系统,。,特点：,能实现,2,波特,/,赫,的频带利用率，且传输波形的“尾巴”衰减大和收敛快。,9.眼图,44,11.,均衡器,（,均衡器的概念、分类,）,什么是均衡器？为了减小码间串扰的影响，通常需要在系统中插入一种,可调滤波器,来校正或补偿系统特性。这种起补偿作用的滤波器称为,均衡器,。,均衡器的,种类：,频域均衡器,：是,从校正系统的频率特性出发,，利用一个可调滤波器的频率特性去补偿信道或系统的频率特性，使包括可调滤波器在内的基带系统的,总特性接近无失真传输条件。,时域均衡器：,直接校正已失真的响应波形，,使包括可调滤波器在内的整个系统的,冲激响应满足无码间串扰条件。,11.均衡器（均衡器的概念、分类）,45,第,7,章 数字带通传输系统,内容：二进制数字调制原理及抗噪声性能，二进制数字调制系统的性能比较，多进制数字调制原理，多进制数字调制原理和多进制数字调制系统的抗噪声性能。,重点：,1,二进制数字调制原理。,2,.,二进制数字调制系统的噪声性能分析。,3.,二进制数字调制（不同调制体制）系统的性能比较。,4.,多进制数字调制系统的原理分析。,难点：,1.,二进制数字调制系统的抗噪声性能分析。,2,多进制数字调制系统的原理及抗噪声性能分析,。,第7章 数字带通传输系统内容：二进制数字调制原理及抗噪声性,46,1.,数字调制的概念、数字调制技术分类,（模拟调制的方法、键控法）,基本键控方式：,振幅键控、频移键控、相移键控,2.,二进制调制信号（,2ASK,、,2FSK,、,2PSK,、,2DPSK,）的,时域表示式、,键控法实现框图，,时域波形,（,会画,） ；,3.,二进制调制信号的,带宽、传输最小带宽,和,频带利用率,;,b,=R,b,/B (b/s.HZ),2ASK,最高频带利用率,max,=R,B,/B =1(B/HZ),bmax,=R,b,/B =1(b/s.HZ),MASK,( ),bmax,=R,b,/B =k(b/s.HZ),2PSK,相干解调时由于 载波相位模糊而存在“倒,”,现象或“反相工作”，实际中较少使用。,1.数字调制的概念、数字调制技术分类（模拟调制的方法、键控法,47,3. 2ASK,、,2FSK,、,2PSK,、,2DPSK,的解调方式和误码率，二进制数字调制系统的性能（抗噪声性能、带宽、频带利用率等）比较和,误码率计算,。,(,例,7-17-3),3. 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK的解调方式和误,48,二进制数字调制系统的,性能（计算和比较）,误码率,在相同的信噪比条件下，,同步检测法的抗噪声性能优于包络检波法，,但在大信噪比时，两者性能相差不大。然而，包络检波法不需要相干载波，因而设备比较简单。另外，,包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。,抗噪声性能（可靠性）从好到差是,2PSK,、,2DPSK,、,2FSK,、,2ASK,2DPSK,2PSK,2FSK,2ASK,非相干解调,相干解调,二进制数字调制系统的性能（计算和比较）2DPSK2PSK2F,49,误码率曲线,误码率曲线,50,频带宽度（有效性）,2ASK,系统和,2PSK(2DPSK),系统的信号带宽,2FSK,系统的信号带宽,频带宽度（有效性）,51,对信道特性变化的敏感性,在,2FSK,系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。,在,2PSK,系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。,对于,2ASK,系统，判决器的最佳判决门限与接收机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性能最差。,另，从设备复杂程度考虑，非相干较相干好，更简单。,对信道特性变化的敏感性,52,4.,多进制数字调制,引入多进制数字调制的,目的：,提高频带利用率,多进制调制信号,:MASK,、,MFSK,、,MPSK,、,MDPSK,（波形）,多进制振幅键控（,MASK,）又称,多电平调制。,4PSK,常称为正交相移键控,(QPSK),多进制数字调制,信号带宽：,B,MPSK,=B,MASK,=B,2ASK,=2f,s,=2R,B,B,MFSK,=,f,M,-,f,1,+,f,5.,多进制数字调制抗噪声性能,(,了解,),4.多进制数字调制,53,第,9,章 模拟信号的数字传输,内容：模拟信号的抽样，模拟信号的量化，脉冲编码调制（,PCM,），差分脉冲编码调制,(DPCM),系统，增量调制（,M,），时分复用和复接。,重点：,1.,低、带通抽样定理。,2.,脉冲编码调制（,PCM,）原理和,PCM,系统中噪声的影响。,3.,增量调制（,M,）原理及,M,系统中的量化噪声分析。,4.,差分脉冲编码调制,(DPCM),原理。,5.,时分复用和复接原理。,难点：,1 PCM,原理和,PCM,系统中噪声的影响分析。,2,DPCM,系统中的量化噪声分析。,3.,时分复用和复接原理。,第9章 模拟信号的数字传输内容：模拟信号的抽样，模拟信号的,54,1.,概念,数字化,3,步骤：,抽样、量化和编码,低通信号抽样定理,:,T,1/2,f,H,或,这一最低抽样速率,2,f,H,称为,奈奎斯特速率,。与此相应的最小抽样时间间隔称为,奈奎斯特间隔,。,带通信号抽样定理,:,最低抽样速率,抽样分类：理想抽样、自然抽样、平顶抽样；,量化分类：均匀量化和非均匀量化,脉冲调制分类：,脉冲振幅调制,(PAM),量化 编码,PCM,脉冲宽度调制,(PDM),脉冲位置调制,(PPM),1.概念,55,关于电话信号的压缩特性，国际电信联盟,(ITU),制定了两种建议及使用：,我国大陆、欧洲各国以及国际间互连时采用,A,律及相应的,13,折线法，北美、日本和韩国等少数国家和地区采用,律及,15,折线法。,在实用中，选择,A,等于,87.6,(,了解相关标准及实用范围,),2. A,律,13,折线编码、译码、量化误差等；（相关计算）,非均匀量化 均匀量化,3.,M,原理，框图、波形与编码,4.PCM,、,DPCM,、,M,比较,目的，概念,预测编码的,目的：,降低编码的比特率,量化噪声：一般量化噪声，过载量化噪声,各系统的,S/N,q,与哪些因素有关,(N,？,f,s,？,f,k,？,),最大跟踪斜率：,不过载条件：最大允许信号振幅,A,max,等于,关于电话信号的压缩特性，国际电信联盟(ITU)制定了两种建议,56,通信原理（总复习）通信课件,57,4.TDM,、复接、分接的概念，,标准：,关于复用和复接，,国际电信联盟,ITU,对于,TDM,多路电话通信系统，制定了,两种准同步数字体系,(PDH),和全球统一的,同步数字体系,(SDH),标准,的建议。,我国大陆、欧洲各国采用,E,体系,，北美、日本和韩国等少数国家和地区采用,T,体系,。,多路数字电话的基本概念（,f,s,=8kHZ,，,64kb/s,，复接、分接、,PDH,（,E,体系、,T,体系）、,SDH,）,PCM30/32,基群,、,PCM24,基群的,数码率,E - 1 2.048,（,Mb/s,） ，,T 1 1.544,（,Mb/s,）,E - 2 8.448,（,Mb/s,）,E,体系的速率：,相邻层次群之间路数成,4,倍关系,(30,120.),，但是比特率之间不是严格的,4,倍关系。,目前,SDH,制定了,4,级标准，其容量（路数）每级翻为,4,倍，而且速率也是,4,倍的关系,通常将若干路,PDH,接入,STM-1,内，即在,155.52Mb/s,处接口,。这时，,PDH,信号的速率都必须低于,155.52Mb/s,，并将速率调整到,155.52,上。,4.TDM、复接、分接的概念，,58,第,10,章 数字信号的最佳接收,内容：数字信号的统计特性，数字信号的最佳接收，确知信号的最佳接收机，确知数字信号最佳接收的误码率，随相信号的最佳接收，起伏信号的最佳接收，实际接收机和最佳接收机的性能比较，数字信号的匹配滤波接收法，最佳基带传输系统。,重点：,1,关于最佳接收统计特性的表述。,2,确知信号的最佳接收机,原理。,3,实际接收机与,最佳接收机,的性能比较。,4,匹配滤波器,原理及其在最佳接收中的应用。,5,最佳基带传输系统分析。,难点：,1,确知数字信号最佳接收的误码率分析。,2,数字信号的匹配滤波接收法分析及在最佳接收中的应用。,第10章 数字信号的最佳接收内容：数字信号的统计特性，数字,59,1.,最小错误概率准则,:,错误概率最小,加性白高斯噪声背景,似然比准则,若 则判为“,0”,；,反之，若 则判为“,1”,。,在发送“,0”,和发送“,1”,的先验概率相等时，,上两式的条件简化为：,P(0)=P(1)=1/2,时，,最大似然准则,二进制最佳接收准则,2.,确知数字信号的最佳接收机（框图，判决规则）,设：,s,o,(,t,),、,s,1,(,t,),是,确知信号,，持续时间（,0,，,T,S,），且两个码元,s,o,(,t,),、,s,1,(,t,),的,能量相等,（,E,0,=E,1,=E,b,）, AGWN,背景。,若,f,0,(,r,) ,f,1,(,r,),，则判为“,0”,若,f,0,(,r,) ,60,W,1,r,(,t,),S,1,(,t,),S,0,(,t,),W,0,t,=,T,s,比较判决,积分器,积分器,二进制最佳接收机的原理方框图,则判为“,0”,；反之， 则判为“,1”,若,式中,W1r(t)S1(t)S0(t)W0t = Ts比较判决积分,61,r,(t),S,0,(,t,),S,1,(,t,),积分器,积分器,比较判决,t,=,T,s,若此二进制信号的先验概率相等（,P(0)=P(1)=1/2,时，），则上式,简化为,最佳接收机的原理方框图,也可以简化成,等先验概率二进制最佳接收机的原理方框图,r(t)S0(t)S1(t)积分器积分器比较判决t = Ts,62,上面的,最佳接收机的核心是由相乘和积分构成的相关运算，,所以常称这种算法为,相关接收法,。,相关接收机,由最佳接收机得到的误码率是理论上可能达到的最小值。,3.,先验概率相等时误码率的计算,（公式，计算）,当两码元的能量相等时，令,E,0,=,E,1,=,E,b,，,式中,E,b,码元能量；,码元相关系数；,n,0,噪声功率谱密度。,上式是一个非常重要的理论公式,，它给出了先验概率相等时理论上二进制等能量数字信号误码率的,最佳,（最小可能）值。,实际通信系统中得到的误码率只可能比它差，但是绝对不可能超过它。,上面的最佳接收机的核心是由相乘和积分构成的相关运算，所以常称,63,最佳接收性能特点,误码率仅和,E,b,/,n,0,以及相关系数,有关，与信号波形及噪声功率无直接关系。,相关系数,对于误码率的影响很大。,当两种码元的波形相同，相关系数最大，即,= 1,时，误码率最大。这时的误码率,P,e,= 1/2,。因为这时两种码元波形没有区别，接收端是在没有根据的乱猜。当两种码元的波形相反，相关系数最小，即,= -1,时，误码率最小。,若两种码元中有一种的能量等于零，例如,2ASK,信号，,误码率为,比较,2ASK,、,2FSK,（,= 0,）、,2PSK,（,= -1,），它们之间的性能差,3dB,，即,2ASK,信号的性能比,2FSK,信号的性能差,3dB,，而,2FSK,信号的性能又比,2PSK,信号的性能差,3dB,。,最佳接收性能特点,64,相干,2ASK,信号,非相干,2ASK,信号,相干,2FSK,信号,非相干,2FSK,信号,相干,2PSK,信号,差分相干,2DPSK,信号,同步检测,2DPSK,信号,4.,实际接收机和最佳接收机的性能比较,相干接收只适用于相位确知的信号。对于随相信号和起伏信号而言，非相干接收已经是最佳的接收方法了。,实际接收机的,P,e,最佳接收机的,P,e,相干2ASK信号非相干2ASK信号相干2FSK信号非相干2F,65,5.,匹配滤波器的概念、传输函数、单位冲击响应,、输出信号、,t,0,的选择和,最大输出信噪比（,2 E/n,0,）,用线性滤波器对接收信号滤波时，使抽样时刻上输出信号噪声比最大的线性滤波器称为,匹配滤波器。,匹配滤波器的,传输特性,它等于信号码元频谱的复共轭（除了 因子外）,匹配滤波器的,冲激响应,h,(,t,),就是信号,s,(,t,),的镜像,s,(-,t,),，但在时间轴上（向右）平移了,t,0,。选,t,0,=,T,s,时，,最大输出信噪比,2,E/n,0,。,二进制确知信号,匹配滤波器构成框图,5.匹配滤波器的概念、传输函数、单位冲击响应、输出信号、t0,66,匹配滤波器接收电路的构成,（框图，判决规则，,匹配滤波器,单位冲击响应）,对于二进制确知信号，使用匹配滤波器构成的接收电路方框图示于下图中。,图中有两个匹配滤波器，分别匹配于两种信号码元（其,单位冲击响应？,）。在抽样时刻对抽样值进行比较判决。,哪个匹配滤波器的输出抽样值更大，就判决那个为输出。,若此二进制信号的先验概率相等，则此方框图能给出最小的总误码率。,匹配滤波器,1,匹配滤波器,2,抽样,比较,判决,抽样,t,=,T,s,t,=,T,s,输入,输出,匹配滤波器接收电路的构成（框图，判决规则，匹配滤波器单位冲击,67,匹配滤波器的,性能,用匹配滤波器得到的最大输出信噪比就等于最佳接收时理论上能达到的最高输出信噪比。,用上述相关运算代替上图中的匹配滤波器得到如下图所示的相关接收法方框图。,即将输入,r,(,t,),与,s(t),作相关运算，而后者是和匹配滤波器匹配的信号。它表示只有输入电压,r,(,t,),= s,(,t,) +,n,(,t,),时，,在时刻,t = T,s,才有最大的输出信噪比,。式中的,k,是任意常数，通常令,k,= 1,。,匹配滤波法和相关接收法完全等效，都是最佳接收方法。,积分,积分,s,1,(,t,),s,0,(,t,),抽样,比较,判决,抽样,t,=,T,s,t,=,T,s,输入,输出,匹配滤波器的性能积分积分s1(t)s0(t)抽样比较抽样t,68,6.,何谓最佳基带传输系统？,将,消除了码间串扰,并且,噪声的影响最小,（误码率最小）的基带传输系统称为,最佳基带传输系统。,假设信道传输函数,C,(,f,) = 1,。于是，基带系统的传输特性变为,H,(,f,) =,G,T,(,f,),G,R,(,f,),理想信道的最佳传输系统的条件（,对于收发滤波器传输函数的要求）,H,(,f,),必须满足奈奎斯特第一准则,理想信道的最佳传输系统,抽样,判决,6.何谓最佳基带传输系统？抽样,69,第,11,章差错控制编码,内容：纠正编码的基本原理，常用的简单编码，线性分组码。,重点：,1,纠错编码的基本原理。,2,码距和检纠错能力的关系,3.,常用的简单编码原理及方法。,4,线性分组码的编码原理及方法。,5.,循环码的编码原理及方法。,难点：线性分组码的编码方法。,第11章差错控制编码内容：纠正编码的基本原理，常用的简单编码,70,1.,差错控制编码的基本概念，差错控制技术的种类，,3,种,ARQ,系统的优缺点,2.,纠错编码的基本原理，分组码的码重、码距、最小码距,3.,码距和检纠错力的关系,1.,为检测,e,个错码，要求最小码距,d,0,e,+ 1,2.,为了纠正,t,个错码，要求最小码距,d,0,2,t,+ 1,3.,为纠正,t,个错码，同时检测,e,个错码，要求最小码距,1.差错控制编码的基本概念，差错控制技术的种类， 3种ARQ,71,4.,分组码的一般结构，,线性分组码,基本概念，,分组码的符号：,(,n,k,),n,码组的总位数，又称为码组的长度（,码长,），,k,码组中信息码元的数目，,n,k,r,码组中的监督码元数目，或称监督位数目。,4.分组码的一般结构，线性分组码基本概念，,72,5.,线性分组码的编码方法,监督关系式,H,矩阵（监督矩阵）,监督方程,H,A,T,= 0,T,或,A,H,T,= 0,只要监督矩阵,H,给定，编码时监督位和信息位的关系就完全确定了。,生成矩阵,G,，,由它可以产生整个码组，即有,或者,因此，如果找到了码的生成矩阵,G,，则编码的方法就完全确定了。具有,I,k,Q,形式的生成矩阵称为,典型生成矩阵,。由典型生成矩阵得出的码组,A,中，信息位的位置不变，监督位附加于其后。这种形式的码称为,系统码,5.线性分组码的编码方法,73,H,矩阵的,性质,：,H,的行数就是监督关系式的数目，它等于监督位的数目,r,。,H,的每行中“,1”,的位置表示相应码元之间存在的监督关系。例如，,H,的第一行,1110100,表示监督位,a,2,是由,a,6,a,5,a,4,之和决定的。,H,矩阵可以分成两部分，例如,式中，,P,为,r,k,阶矩阵，,I,r,为,r,r,阶单位方阵。我们将具有,P I,r,形式的,H,矩阵称为,典型阵,。,H矩阵的性质：,74,监督方程改写，,或者写成,式中，,Q,为一个,k,r,阶矩阵，它为,P,的转置，即,Q,=,P,T,上式表示，,在信息位给定后，用信息位的行矩阵乘矩阵,Q,就产生出监督位。,监督方程改写，,75,我们将,Q,的左边加上,1,个,k,k,阶单位方阵，就构成,1,个矩阵,G,由,G,可以确定,H,由,H,可以确定,G, H,可以确定监督位和信息位的关系,由,G,可以可以产生整个码组,.,我们将Q的左边加上1个k k阶单位方阵，就构成1个矩阵G,76,5.,循环码的编码方法,循环码是一种重要的,线性分组码,，循环码具有循环性。,循环码的码多项式,循环码的,生成多项式,g,(,x,),为,(,n,k,),次多项式码的生成多项式,。,一旦确定了,g,(,x,),，则整个,(,n,k,),循环码就被确定了,。,生成多项式,g,(,x,),是,(,x,n,+ 1),的一个因子,。,5. 循环码的编码方法,77,用除法电路编码步骤：,用,x,n - k,乘,m,(,x,),。这一运算实际上是在信息码后附加上,(,n,k,),个“,0”,。例如，信息码为,110,，它相当于,m,(,x,) =,x,2,+,x,。当,n,k,= 7 3 = 4,时，,x,n - k,m,(,x,) =,x,4,(,x,2,+,x,) =,x,6,+,x,5,，它相当于,1100000,。,用,g,(,x,),除,x,n - k,m,(,x,),，得到商,Q,(,x,),和余式,r,(,x,),，即,例如，若选定,g,(,x,) =,x,4,+,x,2,+,x,+ 1,，则,上式相当于,用除法电路编码步骤：,78,第,12,章 正交编码与伪随机序列,1.,正交编码的基本概念,相关系数,:,二进制数字表示相关系数,式中，,A ,x,和,y,中对应码元相同的个数；,D ,x,和,y,中对应码元不同的个数。,2.,伪随机序列,基本概念、作用,第12章 正交编码与伪随机序列1.正交编码的基本概念,79,3.m,序列（定义、特征方程、性质）,我们将这种最长的序列称为最长线性反馈移存器序列，简称,m,序列。最长周期等于,(2,n,- 1),。,反馈移存器的特征多项式为本原多项式。其特征多项式,f,(,x,),应可整除,(,x,m,+ 1),，故我们将,(,x,15,+1),分解因子，从其因子中找,f,(,x,),3.m序列（定义、特征方程、性质）,80,游程：,在每一周期中，游程总数为,长度为,k,的游程占游程总数的比例,4.,扩频通信的分类、原理、目的,分类：直接序列,(DS),扩谱、跳频,(FH),扩谱、线性调频,5.,伪随机序列的其它应用（简单了解）,分离多径技术,误码率测量,时延测量,噪声产生器,通信加密,数据序列的扰乱与解扰,游程：,81,第,13,章 同步原理,内容：载波同步的方法、载波同步系统的性能，码元同步方法、码元同步误差对误码率的影响，群同步的概念和方法。网同步的目的。,重点：,1,载波同步法（插入导频法和直接法）的原理和载波同步系统的性能分析。,2,位同步法（插入导频法和直接法），位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响。,3,群同步法（起止式同步法、连贯式插入法、间隔式插入法）的原理。,难点：,1,载波同步法原理及同步系统的性能分析。,2,群同步法的原理。,第13章 同步原理内容：载波同步的方法、载波同步系统的性能，,82,1.,数字通信系统中的同步作用、种类、目的、方法,同步作用：,使收发两端的信号在时间上保持步调一致 ，是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。,同步种类：,载波同步、码元同步、群同步和网同步。,载波同步：,又称载波恢复。,目的：,在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频、同相的本地振荡，,用于相干解调。,方法：,接收信号中有载频分量时：需要调整其相位（不需解决载波同步）。,接收信号中,无载频分量时,：需从信号中提取载波，或插入辅助同步信息。,方法分类：,有辅助导频时的载频提取（电路：,PLL,使用较少）,无辅助导频时的载频提取,1. 数字通信系统中的同步作用、种类、目的、方法,83,无辅助导频时的载频提取方法：,平方环法、科斯塔斯环法、再调制器,平方环法：,原理、框图、特点,缺点,：,相位模糊、错误锁定,科斯塔斯环法：,又称同相正交环法或边环法。,原理、框图、特点,科斯塔斯环本身就同时兼有,提取相干载波,和,相干解调,的功能。,图,13-2,平方环原理方框图,载频,输出,带通滤波,平 方,压控振荡,环路滤波,锁相环,s,(,t,),2,分频,窄带滤波,无辅助导频时的载频提取方法：图13-2 平方环原理方框图载,84,优缺点：,1,、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低。,2,、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。,3,、科斯塔斯环法提取出的载频也存在,相位含糊性。,再调制器,第,3,种提取相干载波的方法,图,13-3,科斯塔斯环法原理方框图,90,相移,环路滤波,压控振荡,s,(,t,),载频,输出,低 通,低 通,解调,输出,a,b,c,d,e,f,g,图13-3 科斯塔斯环法原理方框图90相移环路滤波压控振荡,85,载波同步的性能,相位误差,恒定误差：,由电路参量引起的,随机误差：,由噪声引起的,在提取载频电路中的窄带滤波器对于信噪比有直接的影响。,窄带滤波器的通频带越窄这样随机相位误差越小，恒定相位误差,越大。所以，,恒定相位误差和随机相位误差对于,Q,值的要求是矛盾的。,同步建立时间,和,同步保持时间,一个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。当在其输入端加入一个正弦振荡时，它输出端振荡的建立时间越长；当输入振荡截止时，输出端振荡的保持时间也越长。显然，这个特性和我们对于同步性能的要求是相左的，即,建立时间短和保持时间长是互相矛盾的要求。,在设计同步系统时只能折中处理。,载波同步误差对解调信号的影响,相位误差对于,2PSK,信号误码率的影响： 衰减,相位误差对于,DSB,、,SSB,信号的影响： 衰减、失真,载波同步的性能,86,码元同步：,