數(shù)字通信(通信信號和系統(tǒng)分析).ppt

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數(shù)字通信 韓玉兵電話 84315098辦公室 綜合實驗大樓904室 2 通信信號和系統(tǒng)分析 傅立葉變換 三角公式 隨機(jī)過程基本概念帶通信號和系統(tǒng)的表示信號空間表示數(shù)字調(diào)制信號的表示數(shù)字調(diào)制信號的譜特性 3 傅立葉變換 4 傅立葉變換 5 三角公式 6 隨機(jī)過程基本概念 概率 隨機(jī)變量和隨機(jī)過程Bayes公式 全概率公式 概率密度函數(shù)PDF 累計分布函數(shù)CDF 一些有用的概率分布 高斯分布 2分布 瑞利 Rayleigh 分布 萊斯 Rice 分布尾部概率上界 切比雪夫 Chebyshev 不等式 切爾諾夫 Chernoff 界 聯(lián)合界統(tǒng)計平均 均值 相關(guān)函數(shù) 功率譜密度函數(shù) PSD 限帶隨機(jī)過程的采樣定理 7 帶通信號和系統(tǒng)的表示 帶通信號 系統(tǒng) 信號 系統(tǒng) 所占據(jù)的頻率帶寬遠(yuǎn)小于載波頻率 其頻率分量集中于載波附近的一個窄帶內(nèi) 對帶通信號 系統(tǒng) 希望能夠表示成低通信號形式 這樣各種調(diào)制方式的表示及其性能就和載波無關(guān) 8 解析信號 解析信號希爾伯特變換 9 等效低通信號 等效基帶表示正交表示幅相表示 復(fù)包絡(luò) 10 等效低通信號 富里葉變換能量 11 等效低通信號 12 等效低通信號 13 等效低通信號 14 等效低通信號 15 線性帶通系統(tǒng) 實值線性帶通系統(tǒng) 沖擊響應(yīng)為h t 其頻響為H f 滿足H f H f 16 帶通信號通過帶通系統(tǒng) 帶通信號s t 帶通系統(tǒng)h t 輸出r t 窄帶條件 17 帶通平穩(wěn)隨機(jī)過程 n t 為廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程 均值為零 功率譜密度函數(shù)為 nn f 且功率譜密度函數(shù)的頻帶寬度遠(yuǎn)小于載波頻率fc 18 帶通平穩(wěn)隨機(jī)過程 19 帶通白噪聲 白噪聲 在整個頻率范圍內(nèi)具有平坦的功率譜密度 帶通白噪聲 白噪聲過程通過一個頻譜平坦的帶通濾波器所產(chǎn)生的噪聲 其等效低通噪聲功率譜為 20 信號空間表示 矢量空間信號空間 柯西 許瓦茲不等式 Gram Schmidt過程 21 信號空間表示 信號的正交展開Gram Schmidt過程 22 信號空間表示 信號波形的向量表示 波形集信號的星座圖 23 帶通信號波形 復(fù)包絡(luò)形式能量相關(guān)系數(shù)信號間距離 24 數(shù)字調(diào)制信號的表示 無記憶調(diào)制線性有記憶調(diào)制非線性有記憶調(diào)制 25 脈沖幅度調(diào)制 PAM 信號 ASK 信號波形等效低通能量信號空間表示 26 脈沖幅度調(diào)制 PAM 信號 ASK 信號間距離信號空間圖 27 相位調(diào)制信號 PSK 信號波形等效低通能量 28 相位調(diào)制信號 PSK 信號空間表示信號間距離 29 相位調(diào)制信號 PSK 信號空間圖 30 正交幅度調(diào)制 QAM 信號 信號波形等效低通信號空間表示 31 正交幅度調(diào)制 QAM 信號 能量距離PAM PSK表示 32 正交幅度調(diào)制 QAM 信號 信號空間圖 33 信號波形等效低通相關(guān)系數(shù) 正交多維信號 FSK 34 正交多維信號 FSK 35 正交多維信號 FSK 36 正交多維信號 FSK 最小頻率間隔信號空間最小距離 37 雙正交信號 信號構(gòu)成 M進(jìn)制雙正交信號M 2個正交信號 及其這些M 2個正交信號的負(fù)信號構(gòu)成 相關(guān)系數(shù)距離 38 單純信號 信號構(gòu)成 M進(jìn)制單純信號由M個正交信號歸一化得到 能量 單純集比正交信號集節(jié)省信號能量1 M相關(guān)系數(shù)距離 39 單純信號 40 二進(jìn)制編碼信號波形 信號構(gòu)成 符號區(qū)間T等分為碼片區(qū)間Tc T N 對每個碼片區(qū)間Tc分配一個二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特Cmn 0或1 符號映射為2PSK波形 41 信號空間 相關(guān)系數(shù)和距離 二進(jìn)制編碼信號波形 42 線性有記憶調(diào)制信號 線性有記憶調(diào)制信號 在相繼符號區(qū)間中發(fā)送的信號存在相互關(guān)聯(lián) 即當(dāng)前符號區(qū)間輸出的信號波形不僅和當(dāng)前符號區(qū)間中的輸入符號有關(guān) 而且還和前面一個或多個符號區(qū)間中發(fā)送的信號有關(guān) 目的 用于對發(fā)送信號的譜特性成形 以適合信道的頻譜特性 實現(xiàn) 首先對輸入數(shù)據(jù)符號序列進(jìn)行調(diào)制編碼 然后使用線性無記憶調(diào)制方法進(jìn)行編碼后數(shù)據(jù)序列到信號波形序列的映射 43 線性有記憶調(diào)制信號 兩種線性有記憶調(diào)制信號 差分碼 44 NRZI信號 差分非歸零 信號形成信號狀態(tài)圖 差分編碼 45 NRZI信號 差分非歸零 信號網(wǎng)格圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣 46 MillerCode 延遲編碼 信號形成比特區(qū)間中點(diǎn)有電平跳變表示符號 1 無電平跳變表示 0 連續(xù) 0 符號用 A和 A的交替出現(xiàn)表示 但是交替發(fā)生在符號區(qū)間的端點(diǎn) 非連續(xù) 0 應(yīng)保持符號區(qū)間端點(diǎn)上信號是連續(xù)的 47 MillerCode 延遲編碼 信號狀態(tài)圖 48 MillerCode 延遲編碼 信號網(wǎng)格圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣 49 非線性有記憶調(diào)制信號 CPFSK調(diào)制 CPFSK 為幅度等于1 2T 持續(xù)時間為T的矩形脈沖 是載波頻率 是峰值頻偏 是初相 相位連續(xù) PAM信號 50 非線性有記憶調(diào)制信號 51 非線性有記憶調(diào)制信號 相位成形濾波器調(diào)制指數(shù)累積相位 52 非線性有記憶調(diào)制信號 連續(xù)相位調(diào)制 CPM 若對所有k hk h 常數(shù) 則稱為單模CPM 若 hk 以周期方式取值 則稱為多模CPM 若當(dāng)t T時 g t 0 則稱為全響應(yīng)CPM 否則 若當(dāng)t T時 g t 0 則稱為部分響應(yīng)CPM CPM信號的記憶性是由于相位連續(xù)條件和部分響應(yīng)信號脈沖引起的 53 非線性有記憶調(diào)制信號 CPM相位狀態(tài) 設(shè)h m p q T 1 2 54 非線性有記憶調(diào)制信號 當(dāng)m為偶數(shù)時 全響應(yīng)CPM信號的相位狀態(tài)當(dāng)m為奇數(shù)時 全響應(yīng)CPM信號的相位狀態(tài)當(dāng)CPM信號為部分響應(yīng)時 M為符號數(shù) 55 非線性有記憶調(diào)制信號 56 非線性有記憶調(diào)制信號 常用CPM信號脈沖LRECLRCGMSK 高斯最小移頻鍵控 B為高斯脈沖的 3dB帶寬 57 部分響應(yīng)CPM 全響應(yīng)CPM 58 非線性有記憶調(diào)制信號 最小頻移鍵控 MSK 信號MSK是CPFSK的特例 其中h 1 2 s1 t s2 t 正交 最小頻率間隔 59 最小頻移鍵控 MSK 信號 相位連續(xù)說明若x0 0 則xk 0或xk mod2 附加相位在上是一條斜率為 截距為xk的直線段 T時間內(nèi) 相位線性增加或減小 2 當(dāng)t 2kTb時 相位為0或 mod2 而t 2k 1 Tb時 相位為 2 mod2 60 最小頻移鍵控 MSK 信號 相位軌跡 61 最小頻移鍵控 MSK 信號 正交表示 交錯四相PSK信號 62 最小頻移鍵控 MSK 信號 63 最小頻移鍵控 MSK 信號 QPSK相位變化 OPSK相位變化 相位不連續(xù) MSK相位變化 連續(xù)相位變化 64 高斯最小頻移鍵控 GMSK 信號 為減少邊帶功率 超出數(shù)據(jù)速率 頻率調(diào)制之前采用高斯濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)整形 可以減少鄰近頻道干擾 但是提高了調(diào)制的記憶性 增加了符號間干擾 提高解調(diào)復(fù)雜性 需要自適應(yīng)均衡技術(shù) B表示高斯脈沖的 3dB帶寬 當(dāng)BT為無窮大時 GMSK為MSK 65 數(shù)字調(diào)制信號的譜特性 研究譜特性的目的 給定信道的傳輸頻帶寬度 制約了可用的數(shù)字調(diào)制方式 當(dāng)選定了數(shù)字調(diào)制方式時 確定了傳輸調(diào)制信號波形所需的信道傳輸頻帶寬度 66 數(shù)字調(diào)制信號的譜特性 線性無記憶調(diào)制信號 周期為T的函數(shù) 循環(huán)平穩(wěn)或周期平穩(wěn)過程 在PAM中 In為實的幅度電平 在PSK QAM中為復(fù)值 67 數(shù)字調(diào)制信號的譜特性 68 數(shù)字調(diào)制信號的譜特性 注1 v t 為以T為周期的周期性平穩(wěn)隨機(jī)過程 注2 功率譜密度函數(shù)為周期性平穩(wěn)隨機(jī)過程的平均譜特性 它取決于符號區(qū)間T 基本脈沖的形狀g t 和信息序列的自相關(guān)函數(shù) 一個特例 當(dāng)0均值時 離散譜消失 69 CPFSK和CPM信號功率譜 CPM信號和等效低通自相關(guān)函數(shù) 平均自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度 70 CPFSK和MSK功率譜密度 CPFSK功率譜密度MSK功率譜密度 71 CPFSK和MSK功率譜密度 72 CPFSK和MSK功率譜密度 73 CPFSK和MSK功率譜密度 74 數(shù)字調(diào)制信號的譜特性 線性有記憶調(diào)制信號對可用Markov鏈描述的調(diào)制信號 用狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P來描述 其功率譜密度函數(shù)為 75 數(shù)字調(diào)制信號的譜特性 對無記憶調(diào)制當(dāng)時 離散譜消失