数字通信(通信信号和系统分析).ppt

数 字 通 信,韩玉兵 电话：84315098 办公室：综合实验大楼904室,2,通信信号和系统分析,傅立叶变换（三角公式） 随机过程基本概念 带通信号和系统的表示 信号空间表示 数字调制信号的表示 数字调制信号的谱特性,3,傅立叶变换,4,傅立叶变换,5,三角公式,6,随机过程基本概念,概率，随机变量和随机过程 Bayes公式，全概率公式，概率密度函数PDF（累计分布函数CDF） 一些有用的概率分布： 高斯分布，2分布，瑞利（Rayleigh）分布，莱斯（Rice）分布 尾部概率上界： 切比雪夫（Chebyshev）不等式，切尔诺夫（Chernoff）界，联合界 统计平均： 均值，相关函数，功率谱密度函数（PSD） 限带随机过程的采样定理,7,带通信号和系统的表示,带通信号（系统）：信号（系统）所占据的频率带宽远小于载波频率，其频率分量集中于载波附近的一个窄带内。 对带通信号（系统），希望能够表示成低通信号形式，这样各种调制方式的表示及其性能就和载波无关。,8,解析信号,解析信号 希尔伯特变换,9,等效低通信号,等效基带表示 正交表示 幅相表示,复包络,10,等效低通信号,富里叶变换 能量,11,等效低通信号,12,等效低通信号,13,等效低通信号,14,等效低通信号,15,线性带通系统,实值线性带通系统：冲击响应为h(t)，其频响为H(f)，满足H*(-f)=H(f),16,带通信号通过带通系统,带通信号s(t)，带通系统h(t)，输出r(t),窄带条件,17,带通平稳随机过程,n(t)为广义平稳随机过程，均值为零，功率谱密度函数为nn(f)，且功率谱密度函数的频带宽度远小于载波频率fc。,18,带通平稳随机过程,19,带通白噪声,白噪声：在整个频率范围内具有平坦的功率谱密度。 带通白噪声：白噪声过程通过一个频谱平坦的带通滤波器所产生的噪声。其等效低通噪声功率谱为,20,信号空间表示,矢量空间 信号空间,柯西-许瓦兹不等式,Gram-Schmidt过程,21,信号空间表示,信号的正交展开 Gram-Schmidt过程,22,信号空间表示,信号波形的向量表示,波形集信号的星座图,23,带通信号波形,复包络形式 能量 相关系数 信号间距离,24,数字调制信号的表示,无记忆调制 线性有记忆调制 非线性有记忆调制,25,脉冲幅度调制（PAM）信号ASK）,信号波形 等效低通 能量 信号空间表示,26,脉冲幅度调制（PAM）信号ASK）,信号间距离 信号空间图,27,相位调制信号PSK,信号波形 等效低通 能量,28,相位调制信号PSK,信号空间表示 信号间距离,29,相位调制信号PSK,信号空间图,30,正交幅度调制（QAM）信号,信号波形 等效低通 信号空间表示,31,正交幅度调制（QAM）信号,能量 距离 PAM-PSK表示,32,正交幅度调制（QAM）信号,信号空间图,33,信号波形 等效低通 相关系数,正交多维信号（FSK）,34,正交多维信号（FSK）,35,正交多维信号（FSK）,36,正交多维信号（FSK）,最小频率间隔 信号空间 最小距离,37,双正交信号,信号构成：M进制双正交信号M/2个正交信号，及其这些M/2个正交信号的负信号构成。 相关系数 距离,38,单纯信号,信号构成：M进制单纯信号由M个正交信号归一化得到。 能量：单纯集比正交信号集节省信号能量1/M 相关系数 距离,39,单纯信号,40,二进制编码信号波形,信号构成：符号区间T等分为码片区间Tc=T/N，对每个码片区间Tc分配一个二进制数据比特Cmn=0或1。,符号映射为2PSK波形,41,信号空间，相关系数和距离,二进制编码信号波形,42,线性有记忆调制信号,线性有记忆调制信号，在相继符号区间中发送的信号存在相互关联，即当前符号区间输出的信号波形不仅和当前符号区间中的输入符号有关，而且还和前面一个或多个符号区间中发送的信号有关。 目的：用于对发送信号的谱特性成形，以适合信道的频谱特性。 实现：首先对输入数据符号序列进行调制编码，然后使用线性无记忆调制方法进行编码后数据序列到信号波形序列的映射。,43,线性有记忆调制信号,两种线性有记忆调制信号,差分码,44,NRZI信号（差分非归零）,信号形成 信号状态图,差分编码,45,NRZI信号（差分非归零）,信号网格图 状态转移矩阵 状态转移概率矩阵,46,Miller Code（延迟编码）,信号形成 比特区间中点有电平跳变表示符号1，无电平跳变表示0； 连续0符号用+A和-A的交替出现表示，但是交替发生在符号区间的端点； 非连续0，应保持符号区间端点上信号是连续的。,47,Miller Code（延迟编码）,信号状态图,48,Miller Code（延迟编码）,信号网格图 状态转移矩阵 状态转移概率矩阵,49,非线性有记忆调制信号,CPFSK调制（CPFSK）,为幅度等于1/2T,持续时间为T的矩形脉冲,是载波频率， 是峰值频偏， 是初相。,相位连续,PAM信号,50,非线性有记忆调制信号,51,非线性有记忆调制信号,相位成形滤波器 调制指数 累积相位,52,非线性有记忆调制信号,连续相位调制（CPM） 若对所有k，hk=h（常数），则称为单模CPM；若hk以周期方式取值，则称为多模CPM。 若当tT时，g(t)=0，则称为全响应CPM；否则，若当tT时，g(t)0，则称为部分响应CPM。 CPM信号的记忆性是由于相位连续条件和部分响应信号脉冲引起的 。,53,非线性有记忆调制信号,CPM相位状态（设h=m/p,q(T)=1/2),54,非线性有记忆调制信号,当m为偶数时，全响应CPM信号的相位状态 当m为奇数时，全响应CPM信号的相位状态 当CPM信号为部分响应时,M为符号数,55,非线性有记忆调制信号,56,非线性有记忆调制信号,常用CPM信号脉冲 LREC LRC GMSK （高斯最小移频键控）,B为高斯脉冲的-3dB带宽,57,部分响应CPM,全响应CPM,58,非线性有记忆调制信号,最小频移键控（MSK）信号 MSK是CPFSK的特例，其中h=1/2。,s1(t)，s2(t)正交（最小频率间隔）,59,最小频移键控（MSK）信号,相位连续 说明 若x0=0，则xk=0或xk=（mod2)。 附加相位在 上是一条斜率为 、截距为xk的直线段。 T时间内，相位线性增加或减小/2；当t=2kTb时，相位为0或（mod2），而t=(2k+1)Tb时，相位为/2（mod2）。,60,最小频移键控（MSK）信号,相位轨迹,61,最小频移键控（MSK）信号,正交表示（交错四相PSK信号）,62,最小频移键控（MSK）信号,63,最小频移键控（MSK）信号,QPSK相位变化,OPSK相位变化（相位不连续）,MSK相位变化（连续相位变化）,64,高斯最小频移键控（GMSK）信号,为减少边带功率（超出数据速率），频率调制之前采用高斯滤波器进行数据整形，可以减少邻近频道干扰，但是提高了调制的记忆性，增加了符号间干扰，提高解调复杂性，需要自适应均衡技术。,B表示高斯脉冲的-3dB带宽,当BT为无穷大时，GMSK为MSK,65,数字调制信号的谱特性,研究谱特性的目的：给定信道的传输频带宽度，制约了可用的数字调制方式；当选定了数字调制方式时，确定了传输调制信号波形所需的信道传输频带宽度。,66,数字调制信号的谱特性,线性无记忆调制信号,周期为T的函数,循环平稳或周期平稳过程,在PAM中，In为实的幅度电平，在PSK，QAM中为复值,67,数字调制信号的谱特性,=,=,68,数字调制信号的谱特性,注1 v(t)为以T为周期的周期性平稳随机过程； 注2 功率谱密度函数为周期性平稳随机过程的平均谱特性，它取决于符号区间T，基本脉冲的形状g(t)和信息序列的自相关函数。 一个特例,当0均值时，离散谱消失,69,CPFSK和CPM信号功率谱,CPM信号和等效低通 自相关函数、平均自相关函数和功率谱密度,70,CPFSK和MSK功率谱