通信原理詳盡

1、第一章 緒論 v基本概念和術(shù)語： 通信：克服距離上的障礙，進(jìn)行信息傳遞 的過程。 通訊：指電氣通信。 信息：消息中包含的有價(jià)值的內(nèi)容，是個(gè) 抽象的概念。 消息：通信雙方傳送的具體內(nèi)容，如文字、 聲音、圖像等。 通信的任務(wù)、意義及發(fā)展史 v迅速而準(zhǔn)確地進(jìn)行異地信息傳遞。 v社會(huì)文明、進(jìn)步和發(fā)展的標(biāo)志和生命 線。 v四個(gè)發(fā)展階段： v原始通信：語言、烽火 v郵政通信：文字 v電氣通信：電報(bào)、電話 v網(wǎng)絡(luò)通信： 通信系統(tǒng) v用于通信的系統(tǒng)和設(shè)備總和的統(tǒng)稱。 v通信系統(tǒng)的模型： 發(fā)送設(shè)備信道信源受信者接收設(shè)備 干擾 模擬與數(shù)字通訊 v信源：語言、文字、圖像、符號、數(shù)據(jù) v模擬信源：輸出的消息狀態(tài)是連續(xù)

2、變化的， 又叫連續(xù)信源； v數(shù)字信源（離散信源）：輸出的消息狀態(tài)是 離散的、可數(shù)的； v模擬信號：信號參量的取值是連續(xù)的； v數(shù)字信號：攜帶信息的參量僅可取有限個(gè)數(shù) 值。 v模擬通信系統(tǒng)：信道中傳送的是模擬信號； v數(shù)字通信系統(tǒng)：信道中傳送的是數(shù)字信號。 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn) v可以再生和重發(fā)， 抗干擾能力強(qiáng)； v處理、存儲(chǔ)方便； v易于集成； v可靠性好； v便于多路復(fù)用； 思考題 v數(shù)字通信系統(tǒng)只能傳送數(shù)字信號、 不能傳送模擬信號嗎？ v現(xiàn)代通信系統(tǒng)起源于數(shù)字通信， 而在相當(dāng)長的發(fā)展階段模擬通信 曾長期居主導(dǎo)地位，為什么？ 通信方式 v按消息傳遞的方向和時(shí)間，通信方式 可分為三種： v單工通信：

3、消息只能單方向進(jìn)行傳輸 的工作方式，如廣播等； v全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙 向傳輸消息的工作方式。如電話； v半雙工通信：雙方都能收發(fā)消息，但 不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的通信方式，如 對講機(jī)。 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) v一對主要矛盾： v可靠性：通信的可信程度，即傳送信息 的質(zhì)量； v有效性：在給定的信道內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?的多少。 v二者之間可以相互轉(zhuǎn)換。 可靠性 n均方誤差： n信噪比： n誤碼率： n誤信率： 有效性 v傳信率： v傳碼率： v對于m進(jìn)制編碼系統(tǒng)，傳信率與 傳碼率之間的關(guān)系為： 香農(nóng)（Shannon）信息定理 如果通信系統(tǒng)輸出信號的平均功率 為Ps，噪聲平均功率為Pn，信道

4、為 矩形帶通信道，帶寬為B，則該信 道的最大無失真信息傳輸速率（稱 為信道容量）為： C=Blog2(1+Ps/Pn) p信道容積：系統(tǒng)能輸出的最大信息 量為： p Imax=TBlog2(1+Ps/Pn) p信道的含量密度：單位信道容積所 傳輸?shù)钠骄畔⒘?。是衡量通信?統(tǒng)對信道利用程度的一個(gè)重要量度。 結(jié)論 v僅當(dāng)信息量不超過信道容積時(shí)才有 可能實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸。 v提高有效性，意味著利用較小的信 道容積來傳輸較多的信息量。 提高通信系統(tǒng)可靠性的途徑 v增大發(fā)射功率； v增大帶寬； v增大碼元寬度； 思考題 v超遠(yuǎn)程通信聲納的傳碼率通常 只有幾個(gè)波特，為什么？ 信息的量度 v信息量的大小取決

5、于什么？ v消息出現(xiàn)的概率越小，信息量越大； v消息的持續(xù)時(shí)間越長，信息量越大。 v對于離散信源，通常采用消息出現(xiàn)概率的 對數(shù)測度作為信息量，即 vI=loga1/P(x)=-loga P(x) v式中P(x)是消息出現(xiàn)的概率。 v當(dāng)a=2時(shí)，信息量的單位為比特（bit）。 v一個(gè)等概率的二進(jìn)制波形所含的信息量 為1比特； v當(dāng)a=e，信息量單位為奈特（nit）； v當(dāng)a=10，信息量單位為哈特萊； v在數(shù)字通信中，通常以二進(jìn)制傳輸方式 為主，在數(shù)學(xué)上以2為底也非常方便， 因此目前廣泛采用比特作為信息量的單 位。 v凡是模擬和數(shù)字信號并存的通信系統(tǒng)， 信息量的大小通常是以數(shù)字信號為準(zhǔn)。 熵 v

6、多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的離散信源的信息量滿足 相加性； v熵：多個(gè)信源（符號）的平均信息量為 v其物理意義為每個(gè)符號所含信息量的統(tǒng) 計(jì)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 思考題 v凡是模擬和數(shù)字信號并存的通 信系統(tǒng)，信息量的大小通常是 以數(shù)字信號為準(zhǔn)。為什么？ 思考題 v凡是模擬和數(shù)字信號并存的通信系 統(tǒng)，信息量的大小通常是以數(shù)字信 號為準(zhǔn)。為什么？ 信道 狹義信道：信息傳輸?shù)耐ǖ?，指傳輸媒質(zhì)。 廣義

7、信道：傳輸調(diào)制信號的全系統(tǒng)，包括 l調(diào)制信道：調(diào)制信道：從調(diào)制器輸出到解調(diào)器輸入的 全部媒質(zhì)和設(shè)備。 l編碼信道：編碼信道：從編碼器輸出到解碼器輸入的 總信道。 狹義信道是廣義信道的重要組成部分，信 道的特性主要是由狹義信道決定的。 廣義信道和狹義信道示意圖 調(diào)制信道模型 v物理模型： 雙端口時(shí)變線形網(wǎng)絡(luò) 線性時(shí)變?yōu)V波器 v數(shù)學(xué)模型： vk(t)為乘性干擾 vn(t)為加性干擾； v恒參信道：乘性干擾趨近于常數(shù)。 v隨參信道：信道參數(shù)是隨機(jī)時(shí)變空變的 v乘性干擾與加性干擾示意圖： jw AexH )( )()()()()()( 0 tntetktntefte j j iji 理想信道 v理想信

8、道：信息在傳輸過程中無損失的 信道。 純電阻網(wǎng)絡(luò) 線性相位的全通濾波器 幅頻特性：常數(shù)； 相頻特性：線性； 群時(shí)延特性：常數(shù)。 jw AexH )( jw di AewH tAete )( )()( 0 恒參信道 v恒參信道：信道參數(shù)不隨時(shí)間而變化，或變 化相當(dāng)緩慢。 定常二端網(wǎng)絡(luò) 時(shí)不變?yōu)V波器 v幅頻畸變：頻率失真 v相頻畸變：相位失真 v工程解決措施： 改善濾波特性 信道均衡 jw AexH )( 信道的傳輸特性 v理想信道的輸入輸出信號是全相關(guān)的； v恒參信道的輸入輸出信號是相干的； 相關(guān)：兩個(gè)波形的相似程度； 相干：相位信息的可利用程度； 相關(guān)一定相干；但相干不一定相關(guān)。 v隨參信道的

9、傳輸特性是時(shí)變/空變的。 典型信道的特性 v有線傳輸信道：接近于理想信道； v恒參信道： 光纖信道； 無線電視距中繼信道； 衛(wèi)星中繼信道。 v隨參信道： 短波電離層反射信道； 對流層散射信道； 水聲信道； 思考題 v信道對通信系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生哪些 影響？ v你了解哪些通信技術(shù)是和信道緊密 相關(guān)的？ 第三章第三章 數(shù)字基帶傳數(shù)字基帶傳 輸系統(tǒng)輸系統(tǒng) 信道信號信道信號 信道編碼調(diào)制 調(diào)制解調(diào)器 從信息傳輸?shù)慕嵌瓤矗粋€(gè)數(shù)字通信 系統(tǒng)通常要進(jìn)行兩種變換： 消息消息 數(shù)字基帶信號數(shù)字基帶信號 信源編碼 發(fā)送終端設(shè)備 3.1 3.1 引言引言 基帶信號：原始信息的電信號形式(未 經(jīng)調(diào)制的信號)。 數(shù)字基

10、帶信號：消息代碼的電波形。 基帶傳輸系統(tǒng)：不使用調(diào)制解調(diào)過的 傳輸系統(tǒng)。 基本概念： 研究基帶傳輸?shù)囊饬x： 基帶傳輸是基礎(chǔ)。 任何一個(gè)頻帶傳輸系統(tǒng)(理論上)可用一個(gè) 等效的基帶傳輸系統(tǒng)替代。 基帶傳輸自身的發(fā)展(時(shí)分復(fù)用高速 傳輸)。 3.2 3.2 數(shù)字基帶信號及其頻譜特性數(shù)字基帶信號及其頻譜特性 3.2.1 數(shù)字基帶信號 幾種基本的基帶信號碼波形(以矩形脈 沖為例)： 1. 單極性波形 0 0 無電壓(電流) 1 +E 有電壓(電流) 2. 雙極性波形 1 +E(-E) 正 0 -E(+E) 負(fù) 無直流分量，電脈沖間無間隔。 3. 單極性歸零波形 每個(gè)脈沖都回到零電位，脈寬小于 碼元寬度

11、4. 雙極性歸零波形 5. 差分波形 1 電位改變 0 電位不變 6. 多值波形 (多電平波形) 00 +3E 01 +E 10 -E 11 -3E 高速通信。 7. 通用表達(dá)式： ( )() ns n s ta g tnT 1 2 ()0 () ()1 s s s g tnT g tnT g tnT ，出現(xiàn) ，出現(xiàn) 其中 是信息符號所對應(yīng)的電平值， 是一個(gè)隨機(jī)量。 n a 3.2.2 基帶信號的頻譜特性 1. 穩(wěn)態(tài)波功率譜有什么特點(diǎn)？為什 么？ 2. 在書(5.215)式中是什么含 義？ 3. 交變波的功率譜密度有什么特點(diǎn)？ 對 和 波形的選擇有什么啟示？ s f 1 ( )gt 2 ( )

12、gt 討論 為什么？為什么？ 4. 滿足 條 件時(shí) 的功率譜密度沒有離散譜。對提 取或消除離散譜分量有什么啟示？ 5. 基帶信號的功率譜帶寬取決于什 么？ 1 2 1 ,(01) ( ) 1 ( ) pkk g t g t ( )s t 3.3 3.3 基帶傳輸常用碼型基帶傳輸常用碼型 基帶信號就是代碼的電波形表示。 并非任何代碼的電波形都適合于在信道 中傳輸(如單極性波形)。 對傳輸信號(基帶)的要求： u 對代碼的要求。 u 對電波形的要求。 期望的碼特性： 1. 能從相應(yīng)的基帶信號中獲取定時(shí) 的信息。(基準(zhǔn)) 2. 相應(yīng)的信號無直流成分，且低頻 成分少。(功耗) 3. 不受信源統(tǒng)計(jì)特性影

13、響，適應(yīng)信 源變化能力強(qiáng)。(穩(wěn)健) 4. 傳輸效率高。(有效性) 5. 具有自檢和糾錯(cuò)能力。(可靠性) 常用碼型簡介： 1. AMI碼 (Alternate mark inversion code 傳號交替反轉(zhuǎn)碼) 編碼規(guī)則： 0(空號)不變，1(傳號)交替反 轉(zhuǎn)為+1，-1，+1， 二進(jìn)制 三進(jìn)制 (1B/1T碼型) 優(yōu)點(diǎn)： 簡單； 無直流； 具有誤碼自檢能力 缺點(diǎn)： 可能出現(xiàn)長0串，定時(shí)不方便 2. HDB3碼 (Three order compatible high density bipolar cod三階高密度雙極性碼) AMI碼的改進(jìn)型之一。 優(yōu)點(diǎn)： 穩(wěn)健性強(qiáng)，連0串減小到至多3個(gè)

14、。 編碼規(guī)則： 先變成AMI碼，檢查連0串，4個(gè)以上 連0串的第4個(gè)0變成與前一個(gè)非0符號同 極性的符號(破壞符號V)。相鄰兩個(gè)破壞 符號之間有偶數(shù)個(gè)非0符號時(shí)，將該小段 的第1個(gè)0變?yōu)?B或-B，B符號的極性與前 一 非0符號相反，后面的符號從V開始交 替變化。 3.PST碼 (Pair selecting ternary 成對選擇三進(jìn)碼) 編碼規(guī)則：先將每2個(gè)二進(jìn)制碼元?jiǎng)澐?為一個(gè)碼組，再把它編成三進(jìn)制數(shù)(0 + -)，9種狀態(tài)取其4，+ - 模式交替。 優(yōu)點(diǎn)：無直流分量，編碼簡單，定時(shí)分 量豐富。 要點(diǎn)：需要建立幀同步(分組信息)。 二進(jìn)代碼 + 模式 - 模式 00 - + - + 0

15、1 0 + 0 - 10 + 0 - 0 11 + - - + 舉例： 代 碼： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1 AMI 碼：-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3 碼：-1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 PST碼： 代碼： 01 00 11 10 10 11 00 取+模式時(shí)：0+ - + + - -0 +0 + - - + 取- 模式時(shí)：0- - + + - +0 -0 + - - + 4.Manchester碼 (Biphase code、Splitphase code) 編碼規(guī)則： 一

16、個(gè)二進(jìn)制 兩個(gè)不同相位的二進(jìn)碼 如： 0 01 (零相位方波) 1 10 ( 相位方波) 優(yōu)點(diǎn)： 定時(shí)分量豐富，無直流，編碼簡單。 只用兩個(gè)電平，在多電平碼不能傳輸?shù)膱?合仍適用(如光纖通信)。 缺點(diǎn)： 帶寬寬，效率低。 5. Miller碼 編碼規(guī)則： 1碼中心點(diǎn)躍，即 ，前 沿?zé)o躍變。 單個(gè)0碼，不躍變，與前一碼元邊 界處不變。即： 01 1 10 000 0 111 ， 當(dāng) 前 一 碼 元 為 時(shí) ， 當(dāng) 前 一 碼 元 為 時(shí) 連0碼，邊界躍變，00與11交替。 性質(zhì)： 兩個(gè)“1”中間夾一個(gè)“0”時(shí)出現(xiàn)最大 寬度為2Ts的碼形，可用于誤碼自檢。 雙相碼的下降沿正好對應(yīng)于Miller碼

17、的躍變沿。 雙相碼 Miller碼 雙穩(wěn)態(tài) 應(yīng)用：氣象衛(wèi)星、磁記錄、基帶數(shù)傳機(jī)。 優(yōu)點(diǎn)：雙電平，誤碼檢測優(yōu)于雙相碼。 6. CMI碼 (傳號反轉(zhuǎn)碼) 編碼規(guī)則： 001 00 1 11 交替 優(yōu)點(diǎn)：定時(shí)信息豐富，被CCITT推薦為 PCM接口碼型。 7.nBmB碼 n位二進(jìn)碼 m位二進(jìn)碼 通常取m=n+1，1位用于糾錯(cuò)。如： 1B2B 雙 相 延 遲 調(diào) 制 碼 碼 傳 號 反 轉(zhuǎn) 碼 5B6B碼已實(shí)用化，用于光纖數(shù)字傳輸 系統(tǒng)。 8.4B/3T碼 (4 Binary code 3 ternary code，AMI 碼改進(jìn)型) 優(yōu)點(diǎn)：提高有效性(相同信息量所需的傳 輸速率低)。 4B(16)

18、3T(27) 3.4 3.4 基帶脈沖傳輸與碼間干擾基帶脈沖傳輸與碼間干擾 3.4.1 基帶信號的波形恢復(fù)與再生 限幅整形器 + 抽樣判決器 為什么要進(jìn)行限幅整形？ 進(jìn)一步排除干擾，提取信號。 便于同步，保證抽樣時(shí)刻在接收波形 中心附近。避免單個(gè)碼元信號因展寬被 兩次抽樣或因變形而漏報(bào)。 ns n d(t)a(tnT ) 由發(fā)送 、信道、接收 構(gòu)成的總系統(tǒng) 的傳輸函數(shù)為： TR j t H( )G ( ) C( ) G ( ) 1 h(t)IFTH( )H( )ed 2 基帶信號可以描述成： 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 ) 接收信號： s0s 1 k=n h(kTtnT ) 0 kn ， ， 3.5 3.5 無碼間干擾的基帶傳輸特性無碼間干擾的基帶傳輸特性 什么樣的系統(tǒng)能保證無碼間干擾？ 理論上，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第一準(zhǔn)則： 只要基帶系統(tǒng)的總特性傳輸函數(shù)H(w) 可以等效為一個(gè)理想的低通濾波器，就可 以按最高傳輸速率2w(w為系統(tǒng)帶寬)進(jìn)行 無碼間干擾傳輸。 s s s s T

20、TH 0 sin(t / T ) h(t) t / T ， ()= ， 其他 最直觀而簡單的一種理想低通型，即： 相關(guān)概念： 頻帶利用率：單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速 率。 奈奎斯特速率(理論極限) ： 若系統(tǒng)帶寬為w，則無碼間干擾時(shí)最高 傳輸速率為2w(波特) 。 Question： 理想低通特性是無法實(shí)現(xiàn)的。 的尾巴太長，振蕩幅度 大，定時(shí)誤差將導(dǎo)致碼間干擾增大。 sin/xx 3.6 3.6 部分響應(yīng)系統(tǒng)部分響應(yīng)系統(tǒng) 理想的低通特性：能達(dá)到理論極限傳輸 速率2Baud(波特)/Hz。 缺點(diǎn)： 工程不可實(shí)現(xiàn)。 尾巴振蕩幅度大，收斂慢， 對定時(shí)要求嚴(yán)格。 等效的理想低通特性：降低了頻帶利 用率。

21、Nyquist第二準(zhǔn)則： 有控制地在某些碼元的抽樣時(shí)刻引入碼 間干擾，而在其余碼元的抽樣時(shí)刻無碼間干 擾，那么就能使頻帶利用率提高到理論上的 最大值，同時(shí)又可以降低對定時(shí)精度的要求。 滿足上述要求的沖激響應(yīng)波形稱為部分 響應(yīng)波形。 利用部分響應(yīng)波形的基帶傳輸系統(tǒng)稱為 部分響應(yīng)系統(tǒng)。 最簡單的部分響應(yīng)波形是間隔為Ts的sinc 函數(shù)相加。即： TsTs g(t)=sinc2(t+)+sinc2(t-) 22 Ts 2Tscos() 2Ts G()= 0 Ts ， ， k a 當(dāng)發(fā)送碼元為 時(shí)，接收波形在抽樣時(shí) 刻的取值為： kkk 1kKk 1 CaaaCa 存在問題：誤碼傳遞性。 解決方法：預(yù)

22、編碼 預(yù)編碼 + 相關(guān)編碼 + 模2判決 預(yù)編碼： kkk 1 kkk 1 abb bab k b 表示模2和，即異或運(yùn)算。 作為輸入碼元序列，通過部分響應(yīng)系統(tǒng)。 相關(guān)編碼： 模2 處理： kkk 1 k mod2kk 1k Cbb C bba 優(yōu)點(diǎn)：克服了誤碼傳播。 推廣：對多個(gè)Sinc函數(shù)求和，再進(jìn)行模 L處理。 例如：設(shè) 為1 1 1 0 1 0 0 1，則有 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 無碼間干擾的基帶系統(tǒng)的抗噪無碼間干擾的基帶系統(tǒng)的抗噪 聲性能聲性能 無碼間干擾又無噪聲，則可無差錯(cuò) 恢復(fù)。但當(dāng)存在噪聲時(shí)，即使無碼間干 擾，也會(huì)引起誤碼。 如圖所示： 誤碼率計(jì)算： 誤碼 e2 e1 p(01)p p(10)p 若發(fā)送“1”碼概率為P(1)，發(fā)送“0”碼概 率為P(0)，則系統(tǒng)總誤碼率： Pe = P(1) pe1 + P(0) pe2 3.8 3.8 眼圖眼圖 實(shí)用的實(shí)驗(yàn)手段實(shí)用的實(shí)驗(yàn)手段 最佳抽樣時(shí)刻 過零點(diǎn)畸變 噪聲容限 定時(shí)誤差 靈敏度 判決電平 幅度畸變范圍 眼圖的模型 眼圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系： 最佳抽樣時(shí)刻是眼張開最大的時(shí)刻。 對定時(shí)誤差的靈敏度由眼圖斜邊的斜率

24、 決定。 影區(qū)垂直高度表示信號畸變范圍。 橫軸位置對應(yīng)判決門限電平。 上下影區(qū)間隔距離之半為噪聲電容。 3.9 3.9 時(shí)域均衡時(shí)域均衡 在基帶系統(tǒng)中插入一種可調(diào)濾波器，使 之能適應(yīng)信道的變化，將能減小碼間干擾的 影響，這種起補(bǔ)償作用的濾波器稱為(信道) 均衡器。 時(shí)域均衡器：橫向?yàn)V波器，建立 在沖激響應(yīng)基礎(chǔ)上。 頻域均衡器：用頻率特性去補(bǔ)償 總特性，使之滿足要求。 均衡效果的衡量準(zhǔn)則： 峰值畸變準(zhǔn)則。 均方畸變準(zhǔn)則。 均衡器 迫零調(diào)整： 按最小峰值(或均方)畸變準(zhǔn)則求得的 最優(yōu)橫向?yàn)V波器系數(shù)應(yīng)滿足： 如果 ，那么畸變極小值一定發(fā) 生在 同時(shí)為0時(shí)。解2N+1 個(gè)聯(lián)立方程組，即可求得2N+1個(gè)

25、增益系數(shù) 值。 0 1,(0) k yyk 0 1D 預(yù)置式均衡。 用專用測試脈沖(單位沖激脈沖)作輸 入，使不為0的輸出作反向調(diào)整，使系 數(shù)趨向于最佳。 自適應(yīng)均衡。 在傳輸數(shù)據(jù)期間借助于信號本身來 調(diào)整抽頭增益。 實(shí)現(xiàn)方法： 6調(diào)制的原因：調(diào)制的原因： v提高信道的利用率提高有效性 v減小天線的尺寸、物理實(shí)現(xiàn)容易、減小 相對帶寬 v改善了信息傳輸?shù)木鶆蛐?、提高可靠?數(shù)字調(diào)制 調(diào)幅 振幅鍵控 ASK（線性） 調(diào)頻 移頻鍵控 FSK（非線性） 調(diào)相 移相鍵控 PSK 絕對移相鍵控 PSK 相對移相鍵控 （差分）DPSK 正弦載波的正弦載波的3種鍵控波形種鍵控波形 v一個(gè)二進(jìn)制振幅鍵控信號可以

26、表示成一 個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦型載 波的相乘: g(t)是持續(xù)時(shí)間Ts的矩形脈沖，an取值服 從 令： 則： 6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK） tnTtgatecs n ncos)()(0 )1 (, 1 )(,0 p p an 概率為 概率為 n snnTtgats)()( ttsteccos)()(0 二進(jìn)制振幅鍵控信號產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）二進(jìn)制振幅鍵控信號產(chǎn)生方法（調(diào)制方法） 二進(jìn)制振幅鍵控信號，一個(gè)信號狀態(tài)始終 為零，相當(dāng)于處在斷開狀態(tài)，此時(shí)稱為通 斷鍵控信號（OOK信號:on-off keying ） ook信號解調(diào)方法信號解調(diào)方法 ook信號解調(diào) 方

27、法 相干解調(diào) （同步檢測法） 非相干解調(diào) （包絡(luò)檢波法） 相干解調(diào)：利用了載波信號的相位信息進(jìn)行解調(diào) 非相干解調(diào)：在解調(diào)過程中不利用相位，只用包 絡(luò)（幅度）信息進(jìn)行解調(diào) ook信號功率譜信號功率譜 連續(xù)譜：取決于g(t) 經(jīng) 線性調(diào)制后的 雙 邊帶譜 離散譜：處于載波 頻 率上 6.2.2 二進(jìn)制移頻鍵控（二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK） k2FSK信號是0符號對應(yīng)于載頻w1，而1 符號對應(yīng)于載頻w2的已調(diào)波形 k2FSK信號的產(chǎn)生： v用一個(gè)矩形脈沖序列對一個(gè)載波進(jìn)行調(diào) 制而獲得，模擬調(diào)頻法實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻 v鍵控法：利用受矩形脈沖序列控制的開 關(guān)電路對兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選 通 2FSK信號的產(chǎn)

28、生： 2FSK信號解調(diào)方法 非相干檢測法 相干檢測法 鑒頻法 過零檢測法 差分檢波法 過零檢測法基本思想： 過零點(diǎn)數(shù)隨不同頻率而異，檢出過 零點(diǎn)數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異 差分檢測法差分檢測法 差分檢波法基于輸入信號與其延遲t的信 號相比較，信道上的延遲失真將同時(shí)影 響相鄰信號，故不影響最終的鑒頻效果 I注意：2FSK信號可以等價(jià)為兩 個(gè)不同的載波信號分別對兩個(gè)基 帶信號調(diào)幅的成，其功率譜結(jié)構(gòu) 也可以看作是兩個(gè)2ASK信號功率 譜的疊加 相位不連續(xù)2FSK信號功率譜 2FSK信號的功率譜同樣由了連續(xù)譜和離散譜組 成。其中，連續(xù)譜由兩個(gè)雙邊譜疊加，離散譜 出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置上 傳輸2FSK信號所需

29、第一零點(diǎn)帶寬為 sffff2|12 6.2.32PSK及及2DPSK 二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）： 二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）方式是 受鍵控的載波相位按基帶脈沖而改 變的一種數(shù)字調(diào)制方式。 2PSK信號一般表示為： g(t) 是脈寬TS的單個(gè)矩形脈沖，an統(tǒng)計(jì)特性 為： 在其一碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)觀察時(shí)，e0(t)為： .發(fā)送二進(jìn)制符號0（an取+1）時(shí)e0(t)取0相 位；發(fā)送二進(jìn)制符號1 （an取-1）時(shí)e0(t)取 相位。 tnTtgatecs n ncos)()(0 )1 (, 1 )(, 1 p p an 概率為 概率為 )1 (,cos )(,cos )(0 pt pt te c c 概

30、率為 概率為 倒現(xiàn)象 6對于2PSK信號，解調(diào)時(shí)必須有一 個(gè)基準(zhǔn)的參考相位。如果參考相位 發(fā)生隨機(jī)跳變此后解出的所有代碼 將全部顛倒，稱為“倒現(xiàn)象”。 v絕對移相鍵控（2PSK）：以載波的不 同相位直接去表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位 鍵控通常稱為絕對移相鍵控方式。 v相對（差分）移相鍵控（2DPSK）：是 利用前后相鄰碼元的相對載波相位值去 表示數(shù)字信息的一種方式。 2PSK及及2DPSK調(diào)制調(diào)制 2PSK解調(diào)解調(diào) v相干解調(diào)又稱為相干解調(diào)又稱為PSK同步檢測法解調(diào)同步檢測法解調(diào) 2DPSK解調(diào)解調(diào) B6.3.1 OOK系統(tǒng)的抗噪聲性能系統(tǒng)的抗噪聲性能 同步檢測時(shí)誤碼率的幾何表示同步檢測時(shí)誤碼率的幾

31、何表示 按抗噪聲性能差異按抗噪聲性能差異 調(diào)制解調(diào)方法從高到低調(diào)制解調(diào)方法從高到低 v2PSK相干解調(diào)同步相干2DPSK 差分相干2DPSK相干2FSK非相 干2FSK相干OOK非相干2ASK 頻帶寬度：頻帶寬度：當(dāng)碼元寬度Ts時(shí)，2ASK系 統(tǒng)與2PSK系統(tǒng)的第一零點(diǎn)帶寬為2/Ts， 2FSk的第一零點(diǎn)帶寬為|f2-f1|+2/Ts 誤碼率：誤碼率：在每一對相干與非相干的鍵控 系統(tǒng)中，相干方式略優(yōu)于非相干方式。 相同誤碼率條件下，信噪比要求上2PSk比 2FSK小3dB、2FSK比OOK小3dB。 三種數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的三種數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的Pe-r 在抗加性高 斯白噪聲方 面，相干 2PSK性能最

32、 好，2FSK次 之，OOK最 差 對信道特性的敏感性：對信道特性的敏感性：OOK的性能最差， 當(dāng)信道存在嚴(yán)重衰落時(shí)，通常采用非相 干檢測。 設(shè)備的復(fù)雜程度：設(shè)備的復(fù)雜程度：相干解調(diào)的設(shè)備比非 相干解調(diào)時(shí)復(fù)雜；而同為非相干解調(diào)時(shí)， 2DPSK的設(shè)備最復(fù)雜，2FSK次之， OOK最簡單。 性能比較 |多進(jìn)制系統(tǒng)特點(diǎn)： 相同的碼元傳輸速率下，多進(jìn)制系統(tǒng)的 信息傳輸速率比二進(jìn)制系統(tǒng)的高 增大碼元寬度，就會(huì)增加碼元的能量， 并能減小由于信道特性應(yīng)起的碼間干擾 的影響等 抗噪聲能力降低 6.5.1 多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制 Z多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制（MASK） 原理上是通斷鍵控（OOK）方式的推廣 傳輸效率高的根

33、本原因： 比二進(jìn)制系統(tǒng)由高得多的信息傳輸速率 在相同的碼元傳輸速率下，多電平調(diào)制 信號的帶寬與二電平的相同 MASK方式性能特點(diǎn) J高傳信率 Rb=RB*log2M=nRB J帶寬與ASK相同，因而信道利用率高 J發(fā)送端進(jìn)行串并變換，把二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成 M進(jìn)制，接受端需進(jìn)行并串變換 J抗干擾性能差，M值每增大1倍，電功 率大約增加5倍，才能保持誤碼率不變 J抗衰落能力比2ASK更差 應(yīng)用背景 MASK雖然是一種高效率的傳輸 方式，由于它的抗噪聲能力，尤其 抗衰落的能力不強(qiáng)，因而它一般只 適宜在恒參信道中，高信噪比條件 下的高速傳輸 6.5.2 多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制 多頻制（多頻制（MFSK）：）：K

34、比特信息用 M=2K個(gè)頻率通道進(jìn)行通信 特點(diǎn)：特點(diǎn)：要求占據(jù)較寬的頻帶，因此它的 信道頻帶利用率不高。第一零點(diǎn)帶寬為 fm-f1+2fs 應(yīng)用背景：應(yīng)用背景：衰落信道，信道帶寬充裕， 高速傳輸 MFSK方式性能特點(diǎn) 傳信率提高了，是2FSK的log2M倍 信道利用率降低，必須占用更大的 信道帶寬 抗噪聲能力比2FSK降低了 抗衰落能力由于MASK 6.5.3 多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制 |多相制（多相制（MPSK、MDPSK）：）： 絕對移相、 相對（差分）移相 四相絕對移相鍵控（四相絕對移相鍵控（QPSK） 用4個(gè)不同的相位信息表示四種狀態(tài)或一 個(gè)雙比特碼 四相相對移相鍵控（四相相對移相鍵控（QDP

35、SK） 利用前后相鄰碼元之間的相對相位變化來 表示4個(gè)信息狀態(tài) 多進(jìn)制移相鍵控系統(tǒng)性能多進(jìn)制移相鍵控系統(tǒng)性能 T相同的傳信率，傳碼率降低一倍，碼元 增加一倍，帶寬減小一半，信道利用率 提高一倍 T相同的傳碼率，傳信率提高一倍 T抗干擾能力降低34dB (應(yīng)用：應(yīng)用： 高速率，頻帶受限，四線租用電話線路 QPSK信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生 QPSK信號相干解調(diào)信號相干解調(diào) QDPSK信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生 QDPSK信號解調(diào)信號解調(diào) 6.5.4 振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng) v多進(jìn)制系統(tǒng)的頻帶利用率高，但它是通 過犧牲功率利用率來換取的。隨著M值 的增加，在信號空間中各信號點(diǎn)間的最 小距離減小，相應(yīng)的信號判決區(qū)

36、域也隨 之減小。 振幅相位聯(lián)合鍵控（APK）方式為克 服上述問題而提出的。 正交振幅調(diào)制（QAM） v正交振幅調(diào)制（QAM）是用兩個(gè)獨(dú)立的 基帶波形對兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn) 行抑制載波的雙邊帶調(diào)制 %期望的信號特性：期望的信號特性： 相鄰碼元間相位是連續(xù)的，包絡(luò) 是恒定的，同時(shí)占用較小的頻帶寬 度 6.6.1 最小移頻鍵控（MSK） a最小移頻鍵控（MSK） MSK是FSK信號的一種改進(jìn)型，是一 種在相鄰碼元間保持相位連續(xù)性，同時(shí) 它具有正交信號的最小頻差，恒定包絡(luò) 的調(diào)制方式 與FSK相比，MSK信號在一個(gè)碼元寬 度內(nèi)兩個(gè)載頻形影變化嚴(yán)格相差1800 vMSK信號表示式： 或者： 當(dāng) 頻率

37、間隔 調(diào)制指數(shù) ) 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 兩信號波形相關(guān)系數(shù) MSK是正交調(diào)制，其信號波形的相關(guān)系數(shù)為零 第一項(xiàng)為零條件： 令k取最小值1，則： 第二項(xiàng)為零條件： 即： 說明：MSK信號在每一個(gè)碼元周期內(nèi)，必須包 含四分之一載波的整數(shù)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為正整數(shù)； v因?yàn)樾盘栂辔粸椋?v根據(jù)碼元轉(zhuǎn)化時(shí)刻信號相位連續(xù)，有 v所以相位補(bǔ)償常數(shù)k為： 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時(shí)當(dāng)1kkaa 時(shí)

39、當(dāng)1kkaa 6.6.2 高斯最小移頻鍵控（GMSK） MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是信號具有恒定 的振幅及信號的功率譜在主瓣以外衰減很快 GMSK是在MSK信號輸入的前端加一個(gè)預(yù) 置高斯低通濾波器 第7章 模擬信號的數(shù)字傳播 7.1引言 u用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號，在發(fā)送端 需進(jìn)行數(shù)模變換（ADC），在接收端需經(jīng) 過模數(shù)變換恢復(fù)信源信號。模數(shù)變換需經(jīng) 過三個(gè)步驟：抽樣、量化、編碼。 u脈沖編碼調(diào)制（PCM）：經(jīng)過抽樣量化編 碼后，在進(jìn)行信道傳送的通信體制。 u除了（PCM）外，可用于傳輸模擬信號的 通信體制還有：增量調(diào)制（DM）；差分 脈沖編碼調(diào)制（DPCM） 7.2 抽樣定理 u抽樣（采樣）

40、:是把連續(xù)信號變換成時(shí)間上離 散信號的過程。 u 抽樣定理：一個(gè)有限頻帶信號 ，滿足當(dāng) 時(shí)， ，則當(dāng)以 的頻率進(jìn)行 等間隔抽樣，原波形可被完全恢復(fù)，信息無 損失。 u奈奎斯特頻率： 奈奎斯特周期： g(t) H ff ( )0G f 1 2 ny H T f Hsff2 Hnyff2 v抽樣過程進(jìn)行得變換： 時(shí)域：原始的連續(xù)信號和周期性沖激相乘 頻域：連續(xù)信號頻譜的周期性延拓 v抽樣信號的恢復(fù)：低通濾波器 v從工程實(shí)現(xiàn)的角度，影響抽樣質(zhì)量的 因素有： a. 時(shí)間有限信號其頻譜是無限的。 b.理想低通濾波器通常是不可實(shí)現(xiàn)的。 c.采樣脈沖寬度不能無限窄。 v改善抽樣及其恢復(fù)信號質(zhì)量的措施： 1

41、在采樣之前先進(jìn)行抗混疊濾波 （低通濾波） 2 提高抽樣頻率，通常取 為 35倍的 3 加校正網(wǎng)絡(luò)。 S f H f v帶通信號的抽樣 設(shè) n為整數(shù)，k是小數(shù) 只需保證 即可滿足無失真恢復(fù)條 件 當(dāng)k=0時(shí)，即 時(shí)， 當(dāng)n1 ， （窄帶信號）恢復(fù)信號使用帶 通濾波器 H fnBkB H H f nmod(f ,B)INT() B 0VmAVm時(shí)，限時(shí)，限 幅。幅。 2.2.字長字長NN與量化級數(shù)（電平數(shù)與量化級數(shù)（電平數(shù)MM）：）： 2 N M 3.量化間隔（量化精度）Vq： 4.量化噪聲（量化誤差）： 截尾方式: 或 maxmin q VV V M m q V V M ：單極性信號 2 m q

42、 V V M ：雙極性信號 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=信號功率/量化噪聲功率= 21 12 DqVP 量化失真功率： （e為均勻分布） 5.5.動(dòng)態(tài)范圍：在滿足給定的最低信噪比條動(dòng)態(tài)范圍：在滿足給定的最低信噪比條 件下所允許的最大信號強(qiáng)度與所要求的件下所允許的最大信號強(qiáng)度與所要求的 最小信號強(qiáng)度之比，通常用分貝數(shù)表示。最小信號強(qiáng)度之比，通常用分貝數(shù)表示。 u量化器的工作狀態(tài)：量化器的工作狀態(tài)： ： 過載狀態(tài)（限幅）：過載狀態(tài)（限幅）： 空載：空載： 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工程量化的準(zhǔn)則：盡量避免過載和空載，使工程量化的準(zhǔn)則：盡量避免過載和空載，使 信號工作在正常區(qū)，選擇器件（字長）使其信號工作在正常區(qū)，選擇器件（字長）使其 滿足動(dòng)態(tài)范圍。速度滿足采樣率要求。滿足動(dòng)態(tài)范圍。速度滿足采樣率要求。 u量化方式：量化方式： 均勻量化：把輸入信號的取值域按等間距分均勻量化：把輸入信號的取值域按等間距分 割，它是等間隔的量化，存在著割，它是等間隔的量化，存在著 量化誤差與編碼位數(shù)之間的矛盾，量化誤差與編碼位數(shù)之間的矛盾， 也就是存在著動(dòng)態(tài)范圍與設(shè)備復(fù)雜也就是存在著動(dòng)態(tài)范圍與設(shè)備復(fù)雜 性及帶寬之間的矛盾，對弱信號性

44、及帶寬之間的矛盾，對弱信號 傳輸不利。傳輸不利。 非均勻量化：根據(jù)信號的不同區(qū)間非均勻量化：根據(jù)信號的不同區(qū)間、幅度大小幅度大小 來確定量化間隔來確定量化間隔 u實(shí)用通信系統(tǒng)通常采用非均勻量化，非均勻?qū)嵱猛ㄐ畔到y(tǒng)通常采用非均勻量化，非均勻 量化方式的實(shí)現(xiàn)如下：量化方式的實(shí)現(xiàn)如下： a. a.壓縮：發(fā)送端坐非線性變換，令弱信號的增壓縮：發(fā)送端坐非線性變換，令弱信號的增 益大，強(qiáng)信號的增益小，從而壓縮了動(dòng)態(tài)范益大，強(qiáng)信號的增益小，從而壓縮了動(dòng)態(tài)范 圍，然后再進(jìn)行均勻量化和編碼。圍，然后再進(jìn)行均勻量化和編碼。 b.b.擴(kuò)張：在接收端，先譯碼，再按強(qiáng)信號的增擴(kuò)張：在接收端，先譯碼，再按強(qiáng)信號的增 益大

45、弱信號的增益小的規(guī)律作反變換益大弱信號的增益小的規(guī)律作反變換 再通過低通濾波器恢復(fù)原信號。再通過低通濾波器恢復(fù)原信號。 u非均勻量化的意義：非均勻量化的意義： 使得量化的噪聲對大小信號影響大致相同，使得量化的噪聲對大小信號影響大致相同， 改善了弱信號的量化信噪比。改善了弱信號的量化信噪比。 u壓縮特性：通常采用兩種對數(shù)壓縮律是壓縮特性：通常采用兩種對數(shù)壓縮律是A A律律 壓縮（中國歐洲），壓縮（中國歐洲）， 律壓縮（美洲）律壓縮（美洲） 1 1 律：律： 1 ln 1 ln1 ln AX A y AXA 1 0X A 1 1X A A 折線近似折線近似（1313折線）折線） 8 0 2 8 i

46、i i i y x 0i 1,2,3,8 0,1,2,8 i i 說明： 第一三象限對稱，共分16段，中間四段斜率 相同，為一條直線，共十三條折線，故稱十 三折線，對應(yīng)A值為87.6 2. 128 16(24 ) 8 q q V QdB V 量化優(yōu)值 律： 用十五折線近似 ln(1 |) ln(1) x y 21 2 5 5 8 i i i i y x 0,1,2,8i 7.5脈沖編碼調(diào)制（PCM） uPCM是在PAM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種通信 方式，指的是將模擬信號的抽樣值經(jīng)量化， 編碼后再進(jìn)行傳輸 。 PCM系統(tǒng)組成: 明確各部分功能： v低通濾波I ：抗混疊（抽樣過程是譜疊加過 程，從而出

47、現(xiàn)混疊，加低通可把原始始信源 中高頻部分去掉） 抽樣：將模擬信號在時(shí)間上離散化 量化：將抽樣值在幅值上進(jìn)行離散化 編碼：將量化值轉(zhuǎn)換成（二進(jìn)制）代碼 信源編碼：追求高效率 2 s ff 信道編碼：效率低，（通過低效率來提高可靠 性） b) 低通：抑制信道噪聲 c) 譯碼：編碼的反變換，恢復(fù)信號的抽樣值 d) 低通：抽樣的反變換恢復(fù)成模擬信號 e)編碼： 常用碼型： 自然二進(jìn)制（單極性信號）和折疊 二進(jìn)碼（雙極性信號） 折疊二進(jìn)制：最高位表示極性，其他位表示絕 對值 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折線壓縮編碼 具體做法是：用段落碼的8種可能狀態(tài)分別 代表8個(gè)段落的段落電平，段內(nèi) 碼的16種可能狀態(tài)分別代表每一段落的16 個(gè)均勻劃分的量化間隔 uPCM系統(tǒng)的抗噪聲性能(關(guān)心系統(tǒng)輸入輸出 端模擬信號的 影響PCM系統(tǒng)的因素： （1）加性干擾引起的誤碼(噪聲加到二進(jìn)制 電平引起誤差) （2）量化誤差系統(tǒng)的輸出信噪比： 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 說明： 量化誤差為主 加性噪聲為主 其中 為量化誤差， 為信道噪聲引起的 誤碼 PCM系統(tǒng)的門限效應(yīng)： 當(dāng)輸入信噪比高于某一門限值時(shí)，即 （SNR）in d ，輸出信噪比幾乎不隨 輸 入信噪的改變而改變， 當(dāng)輸入信噪比 低于 q N eN 2 2 241 241 N N pe pe 某一門限值時(shí)，即（SNR）in d，輸出信 噪比隨著輸入信噪比的降低而急劇下降。 產(chǎn)生門限效應(yīng)的物理原因： 輸入信噪比高時(shí)，量化誤差起主要作用，輸 入信噪比低時(shí)，加性干擾引起的誤碼起主要 作用 量化器字長的影響： a 字長增加，量化誤差減小了，傳碼率要求增 加，帶寬增大 b 字長增加，信噪比門限電平抬高，要求輸入 信噪比也