通信原理_(完整).ppt

*,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,第一章绪论,1.1,通信技术及发展史,通信：,克服距离上的障碍，进行信息的,传递,与,交换,的过程。,“通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似的再现另一点所选择的消息。”,通信目的：传输信息,任务：迅速、准确的进行信息的传输。,意义：,军用,民用,按照社会发展进程中通信方式的不同，人类的文明史可分为：,原始通信时代,邮政通信时代,电气通信时代,信息时代,以语音为主,以文字发明为标志,电报、电话,信息多样化、方式多样化、与计算机相结合,1.2,通信系统,通信系统的一般简化模型,信息：,是指消息中所包含的对受信者,有意义的内容,（或有效内容）。,不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同一消息，载有相同的信息。,消息：,通信系统所传输的对象，如语音、文字、图形、图像等。,是指信源所产生的信息的物理表现。,信号：,是指消息的物理载体，是传输消息的手段。,消息必须转换成信号，才能在通信系统中传输。表现形式取决于媒体。,消息与信号一一对应。,可分为模拟信号和数字信号。,通信系统模型,信 道,发送端,接收端,信 源,发送设备,接收设备,信 宿,噪声,信号,消息,模拟信源（连续信源）：输出的消息状态是连续变化的；,数字信源（离散信源）：输出的消息状态是离散的、可数的。,模拟信号：信号参量的取值是连续的；,数字信号：携带信息的参量仅可取有限个数值。,模拟通信系统：信道中传送的是模拟信号；,数字通信系统：信道中,传送的是数字信号。,数字通信系统模型,信 源,发送端,接收端,信道编码,调 制,信 道,压缩编码,解 调,信 宿,保密解码,信道解码,压缩解码,保密编码,噪声,同步,信源编码,信源解码,数字通信的主要优点：,可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。,可采用数字加密技术，保密性好。,可采用纠错和检错技术，差错可控制。,便于存储和处理。,可综合传输各种模拟和数字输入消息，便于复用。,易于设计、制造，体积更小、重量更轻。,抗干扰能力强，可中继再生。,数字通信的主要优点：,(a),失真的数字信号,(b),恢复的数字信号,数字信号波形的失真和恢复,数字通信的主要缺点：,占用带宽大,设备复杂,同步要求高,宽带通信、压缩编码,VLSI,、,SOC,、,ASIC,信号处理技术,应用实例：,数字传输技术：电话、电视、计算机数据等,信号的远距离传输。,模拟传输技术：有线电话环路、无线电广,播、电视广播等,。,通信系统的分类,按信号特征分类,数字通信,电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。,模拟通信,有线电话环路、无线电广播、电视广播等。,按数字信号码元排列次序,串行远程,并行近程、高速,按调制方式分类,调,制,方,式,用途,连续载波调制,线性调制,常规双边带调制,广播,抑制载波双边带调幅,立体声广播,单边带调幅,SSB,载波通信、无线电台、数传,残留边带调幅,VSB,电视广播、,数传、,传真,非线性调制,频率调制,FM,微波中继、卫星通信、广播,相位调制,PM,中间调制方式,数字调制,幅度键控,ASK,数据传输,相位键控,数据传输,调,制,方,式,用途,连续载波调制,数字调制,相位键控,PSK,、,DPSK,、,QPSK,等,数据传输、,数字微波、,空间通信,其他高效数字调制,QAM,、,MSK,等,数字微波、,空间通信,脉冲数字调制,脉冲模拟调制,脉幅调制,PAM,中间调制方式、,遥测,脉宽调制,PDM(PWM),中间调制方式,脉位调制,PPM,遥测、,光纤传输,脉冲数字调制,脉码调制,PCM,市话、,卫星、,空间通信,增量调制,DM,军用、,民用电话,差分脉码调制,DPCM,电视电话、,图像编码,其他语言编码方式,ADPCM,、,APC,、,LPC,中低速数字电话,按信号复用方式分类,频分复用（,FDM,）：,Frequency Division Multiplexing,模拟通信的基本形式,时分复用（,TDM,）：,Time Division Multiplexing,数字通信的基本形式,波分复用（,WDM,）：,Wave Division Multiplexing,光纤通信的基本形式,码分复用（,CDM,）：,Code Division Multiplexing,扩频通信、移动通信的基本形式,专用通信,公用通信,固定通信,移动通信,按用途分,按通信者是否运动分,有线通信,无线通信,按传输媒质分,按工作频率分,长波通信,中波通信,短波通信,微波通信,光波通信,通信方式,单工,半双工,全双工,信 道,发端,发端,收端,收端,信 道,信 道,发端,发端,收端,收端,发端,信 道,收端,如何度量信息？,度量信息量的方法，必须满足：,能度量任何消息,与消息的类型无关,消息的重要程度无关,与内容无关抽象的用数学方式描述,与形式无关文字声音图像,与接收者无关重要性是相对的,香农将信息定义为,Uncertainty,不确定性的减少。,信息量的大小与消息出现的概率有关。,消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；,信息论将以模糊的信息概念用数学概念加以定义，用数学方法加以定量化，是通信学发展的一项重要理论基础。,信息量的定义,：,信息量是消息出现概率的函数；,消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；,若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。,确定性事件的信息量等于零。,信息量的定义,若消息 出现的概率为 ，则所含,信息量,I,可定义,为：,信息量的,单位,：,，则为,比特,（,bit,），,最常用,;,，则为奈特（,nat,）,;,，则为哈特莱（,hartley,）。,当,M,=2,时，则,I,=1bit,。,工程上,，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于,1bit,。即通常把,一个二进制码元称做,1bit,。,若采用一个,M,进制的波形，来传送,M,个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：,(b),熵,熵是一个系统的不确定性或无序的程度，系统的紊乱程度越高，熵就越大；系统越有序，熵就越小。,“一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。”,维纳,所有自然过程都增加熵 克劳修斯,任何信息都增加系统的负熵 布里渊,对于,离散独立,非等概,消息组成的消息源，采用平均（统计平均）信息量,熵,来描述：,熵的单位为：,bit,/,符号,对于,M,个离散独立,等概,消息组成的消息源，它发送的每个消息所包含的信息量为 。,等概时具最大熵,：,1.5,通信系统的性能指标,有效性,可靠性,速度指标,质量指标,矛盾,数字通信系统性能,有效性,传码率 ：单位时间传输的,码元个数,baud,传信率 ：单位时间传输的,平均信息量,bps,数字通信系统性能,可靠性,误码率：,信息码元,在传输过程中被,误传,的概率,误信率：,信息量,在传输过程中被,丢失,的概率,误差,模拟通信系统中，误差是源,信号,与接收,信号,之间的,均方误差,来表示：,：衰减系数：传输时延,若信道为,平稳信道,，,为常数,若误差为信道引人的,加性干扰,引起，为接收端噪声功率,信噪比：与噪声的功率比，用分贝表示,信号功率,噪声功率,有效值,方差,1.6,连续信道的信道容量,香农公式,假设信道的带宽为,B,（,Hz,），信道输出的功率为 加性高斯白噪声功率为 ，则该信道的信道容量为：,C,:,信道容量，信道的最大无失真信息传输速率,仅当传信率不超过,C,时，才有可能实现无误码传输,也可表示可能达到的最大的频谱利用率,带宽,B,是指正频率范围，不包括负频率范围。,信道为理想带通信道。,B,的范围并不要求一个连续的频带，可以允许由若干不相邻的频段组成。,只要求噪声谱密度在信号带宽内为常数，不考虑信号频带外的噪声特性。,当噪声为非高斯时，该式不适用。,达到信道容量时，信道的输入也应该是高斯过程。,提高可靠性,B,固定：增加信噪比,SNR,固定：增大带宽,B,、,SNR,固定：降低通信速度,无限增大信号功率，或无噪声时，信道容量无穷大,无限增大信道带宽，不能无限增大信道容量。,第,2,章信道,通信系统模型,信 道,发送端,接收端,信 源,发送设备,接收设备,信 宿,噪声,信号,消息,信道,信道：信号传输的通道（媒介）。,信道,狭义信道：传输媒介,广义信道：传输媒介及有关的设备,狭义信道,广义信道,狭义信道,有线信道,无线信道,架空明线,对称电缆,同轴电缆,光纤,狭义信道,有线信道,无线信道,中长波地波,短波电离层反射,超短波、微波视距传输,超短波、微波对流层散射,卫星中继,广义信道,信 源,接收设备,调制器,发转换器,信 道,加密器,解调器,信 宿,解码器,收转换器,解密器,编码器,噪声,发送设备,编 码 信 道,调 制 信 道,广义信道,调制信道：,调制器输出端到解调器输入端的所有设备和媒介。,研究调制和解调时，常用调制信道。,连续信道,/,模拟信道。,编码信道：,编码器输出端到译码器输入端的所有设备和媒介。,研究编码时，常用编码信道。,离散信道,/,数字信道。,连续信道：信道输入、输出的信号取值是连续的。,离散信道：信道输入、输出的信号取值是离散的。,信道,（信号通道）,狭义信道,广义信道,有线信道,无线信道,信号的传输媒质,媒质及有关变换装置,调制信道,编码信道,（连续信道）,（离散信道）,恒参信道,随参信道,有记忆编码信道,无记忆编码信道,3.2,调制信道模型,输入端和输出端；,信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到,(,固定或时变的,),损耗；,绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；,即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功率输出。,调制信道模型,依赖于网络的特性，反映网络特性对 的作用。,n(t,):,加性干扰,k(t,):,乘性干扰,干扰,加性干扰：本地噪声,乘性干扰：非理理想信道,始终存在,与信号共存,乘性加性,恒参信道,信道的参数不随时间、空间的变化而变化或缓慢变化,。,（可等效为一个,线性时不变网络,来分析）,随参信道,信道的参数随时间、空间的变化快速、随机的变化,。,乘性干扰,3.3,信道传输特性,幅频特性,相频特性,理想信道传输特性,无失真传输,(1),对信号在幅度上产生固定的衰减；,(2),对信号在时间上产生固定的迟延。,O,K,0,|,H,(,w,),|,w,O,j,(,w,),w,w,t,d,O,t,d,t,(,w,),w,a,幅频特性,b,相频特性,c,群迟延特性,幅频特性为常数,相频特性是线性,群延迟特性固定,只对,e,i,(t),的不同频率成份进行相同的幅度衰减和时延。,实际,中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真：,如果信道的幅度,-,频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生,幅度,-,频率失真,；,如果信道的相位,-,频率特性在信号频带范围之内不是,的线性函数，则会使信号产生,相位,-,频率失真,。,幅度,频率畸变,产生原因：,发射机、换能器、信道、传感器、接收机的幅度频率特性不理想所引起的，又称为,频率失真,。,一般典型音频电话信道的,幅度频率特性曲线,近似表示。,频率,(Hz),0 300 1100 2900,衰耗,(dB),相位,-,频率畸变,是指信道的相位,-,频率特性偏离线性关系所引起的畸变。,常采用群延迟,-,频率特性来衡量,克服措施,：,改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效传输带,宽内平坦；,增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变得平坦,均衡器,分集接收：空间分集、频率分集、角度分集、极化分集,第,4,章模拟调制系统,模拟调制是数字调制的基础,什么是调制？,为什么要调制？,如何调制？,通信系统模型,信 道,发送端,接收端,信 源,发送设备,接收设备,信 宿,噪声,信号,消息,模拟通信系统模型,信 道,模拟信源,调 制 器,解 调 器,信 宿,噪声,调制的概念：,将载有有用信息的,频谱,搬移,到,高频,段的过程。,频谱：从频域定义,高频：从低频到高频,搬移：线性或非线性,调制的概念：,按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。,基带信号,/,调制信号,/,信息信号：未经调制的原始信号。,与已调信号相对。,从时域定义,使用载波,映射过程,调制的目的和意义,便于传输,便于实现,简化设计,充分,利用信道，提高有效性。,以较小的天线尺寸，实现有效的辐射,减小相对带宽，改善传输的均匀性，提高可靠性。,载波信号,有可调参量,便于传输,便于区分,便于实现,常用载波：正弦载波和脉冲串。,高频,调,制,方,式,用途,连,续,载,波,调,制,模拟调制,线性,调制,常规双边带调制,AM,广播,抑制载波双边带调幅,DSB,立体声广播,单边带调幅,SSB,载波通信、无线电台、数传,残留边带调幅,VSB,电视广播、,数传、,传真,非线性,调制,频率调制,FM,微波中继、卫星通信、广播,相位调制,PM,中间调制方式,数字调制,幅度键控,ASK,数据传输,频率键控,FSK,数据传输,相位键控,PSK,、,DPSK,、,QPSK,等,数据传输、,数字微波、,空间通信,其他高效数字调制,QAM,、,MSK,等,数字微波、,空间通信,调,制,方,式,用途,脉,冲,数,字,调,制,脉冲模拟调制,脉幅调制,PAM,中间调制方式、,遥测,脉宽调制,PDM(PWM),中间调制方式,脉位调制,PPM,遥测、,光纤传输,脉冲数字调制,脉码调制,PCM,市话、,卫星、,空间通信,增量调制,DM,军用、,民用电话,差分脉码调制,DPCM,电视电话、,图像编码,其他语言编码方式,ADPCM,、,APC,、,LPC,中低速数字电话,正弦载波,：幅度,：载波频率,：相位,幅度调制,AM,频率调制,FM,相位调制,PM,幅度调制原理,正弦载波,的,幅度,随,调制信号,作,线性,变化的过程。,m,=0.5,m,=1,m,=1.5,m,(t,),1,0,1+m,(t),1,0,1+m,(t),+1=,=,m,(,t,)|,max,=,m,调制指数,m,1,AM,信号的接收：包络检波,全载波调幅：频域,-,f,m,m,(,t,),s,(,t,),M,(,f,),C,(,f,),c,(,t,),A,-,A,t,f,m,f,0,-,f,0,2,f,m,S,(,f,),2,f,m,f,f,f,t,t,1,0,1+m,(t),幅度调制,幅度调制是线性调制（非线性变换）,任何调制过程都是非线性过程。,波形上：幅度与基带信号成正比,频谱上：是基带信号频谱简单的搬移（平移）,频谱结构不变,幅度调制的实现,调制方式,根据滤波器特性可分为：,带通,带通,理想低通或高通,非理想低通,AM,调幅,DSB,双边带,SSB,单边带,VSB,残留单边带,单边带信号的频谱,相干解调,相干解调,单边带信号的解调,非线性调制,角度调制,频率调制,相位调制,恒定振幅,瞬时频率的概念,瞬时相位,瞬时相位偏移,瞬时频率：瞬时相位相对时间的导数,瞬时频率偏移：瞬时相位偏移相对时间的导数,相位调制：,PM,瞬时相位,偏移,随基带信号成比例变化的调制,频率调制：,FM,瞬时频率,偏移,随基带信号成比例变化的调制,频分复用,复用：将多个彼此独立的信号合并在一起，并在一个信道上传输的方法。,频分复用：将多个独立的基带信号的频谱调制到不同的频段，使之可在同一信道上传输。,频分复用的实现,频分复用的实现,频分复用的实现,第,5,章数字基带传输系统,1.,引言,基带信号：,没有经过调制的信号,数字基带信号：,未经载波调制的原始数字信号,原始消息的电信号形式。,代码的电波形。,基带传输系统：,频带传输系统：,不使用调制解调装置而直接传送基带信号的系统。,包括调制解调过程的传输系统。,基带传输系统与频带传输系统,基带传输的意义,基带传输是基础,频带传输也同样存在基带传输的问题。,等效性,任何一个采用线性调制的频带传输系统可用一个等效的基带传输代替（理论上）。,技术自身的发展,基带传输也可以实现高速通信。,数字基带信号及其频谱特性,1.,单极性码,0,电位,0,E,电位,1,0 1 0 0 1 0 0 1 0,特点,脉冲之间无间隔,有直流,数据总线,双极性码,E,电位,0,（或,1),E,电位,1,（或,0),0 1 0 0 1 0 0 1 0,特点,脉冲之间无间隔,无直流,RS232,单极性归零码,0 1 0 0 1 0 0 1 0,特点,每个脉冲都回零电位,脉冲宽度比码元宽度窄,有直流,0,（或,1),1,（或,0),双极性归零码,0 1 0 0 1 0 0 1 0,特点,每个脉冲都回零电位,相邻脉冲之间有零电位间隔,无直流,0,（或,1),1,（或,0),差分码,电位不变,0,（或,1),电位改变,1,（或,0),0 1 0 0 1 0 0 1 0,0 1 1 0 1 1 0 1 1,单极性波形,双极性波形,单极性归零,双极性归零,差分波形,多值波形,0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0,3E,E,-E,-3E,基带信号的通用表达式,基带信号频谱特性,稳态波的功率谱有什么特点？为什么？,交变波的功率谱有什么特点？,g,1,(t),和,g,2,(t),应如何选择？,提取波形的离散谱和消除离散谱，对波形设计的要求？,基带信号的功率谱带宽取决于什么？,基带传输的常用码型,基带信号：,数字基带信号：,数字基带信号传输时要满足以下两方面的要求,对代码的要求,对电波形的要求,传输码型的选择,基带脉冲的选择,未经调制的原始信号。,代码的电波形。,传输码型,(,线路码,),的设计原则,无直流分量、低频分量小；,含有码元的定时信息；,与信源的统计特性无关,;,传输效率高；,最好有一定的检错能力；,功耗,同步,稳健,有效性,可靠性,AMI,码 传号交替反转码,编码规则：,“,1”,传号,交替,“,0”,空号,0,例：,消息码：,0 1 0 1 1 0 0 0 1,AMI,码：,0 +1 0 -1 +1 0 0 0 -1,+1,-1,特点,无直流,1B/1T,优点,编译码简单,有一定的检错功能,缺点,长的连时，提取定时信息困难,与信源统计特性有关,HDB3,码,（三阶高密度双极性码）,先把消息代码变成,AMI,码；,当出现,4,个或,4,个以上连,0,码时，引入破坏码,V,；,原来的二进制码元序列中所有的“,1”,码称为信码，用符号,B,表示,。,B,与,V,的正负必须满足如下两个条件：,B,码和,V,码各自都应始终保持极性交替变化的规律。,以便确保编好的码中没有直流成分,V,码必须与前一个码（信码,B,）同极性。,以便区分信码和破坏码开来,如果条件得不到满足，那么应该在四个连“,0”,码的第一个“,0”,码位置上加一个与,V,码同极性的补信码，用符号,B,表示。,B,码和,B,码合起来保持条件中信码极性交替变换的规律。并且让后面的非“,0”,码元符号从,V,码元开始再交替变化。,消息码,:1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1,AMI,码,:,-1,0 0 0 0,+1,0 0 0 0 -,1,+1,0 0 0 0,-1 +1,HDB3,码,:-1 0 0 0,-,V,+1 0 0 0,+,V,-1 +1 0 0 0,-,V,-1 +1,-1 0 0 0 -,V,+1 0 0 0 +,V,-1 +1,-,B,0 0 -,V,+1 -1,-1 0 0 0 -1 +1 0 0 0 +1 -1 +1 -1 0 0 -1 +1 -1,HDB3,译码：,发现相连的两个同符号的,1,时，后面的,1,及其前面的,3,个符号都译为,0,。,然后，将,+1,和,-1,都译为,1,，其它为,0,。,HDB3,特点,无直流,与信源无关,1B/1T,译码简单,CCITT,推荐使用,CD22103,PST,码,（成对选择三进码）,分组（两个一组）,B/,T,（选）,码表,单脉冲交替,信息码,模式,模式,PST,码,例,信息码,模式,模式,PST,码,PST,特点,无直流,定时信息丰富,2B/2T,编译码简单,需分组（需帧同步）,曼彻斯特码、双相码、分相码,编码规则：,“”,（）,“,”,（）,例：,信息码,双相码,双相码的特点,无直流,编译码简单,1B/2B,，使用两个电平,定时信息丰富（与信源无关）,局域网中常使用,Miller,（米勒）码,编码规则：,“,1”,“,0”,例：,信息码,米勒码,中心越变、边界连续,中心连续、连边界越变,Miller,码的特点,在,Manchester,码的下降沿跳变,两个之间连最大为,2T,s,可用于自检,CMI,码,编码规则：,“,1”,交替,“,0”,例：,信息码,米勒码,其它码型,nBmB,m=n+1,（可用于纠错）,1B2B,、,2B3B,、,5B6B,、,8B10B,等,nBmT,1B1T,、,2B2T,、,4B3T,等,基带脉冲传输与码间干扰,基带脉冲传输与码间干扰,脉冲形成器,发送滤波器,信道,接收滤波器,同步提取,抽样判决,加性干扰、乘性干扰,滤除噪声、均衡,传输码型,限制频带、防止干扰,门限比较、再生信号,产生抽样信号,基带脉冲传输与码间干扰,基带传输系统的数学分析,信道,识别,狭义信道,抽样判决,二进制：,三进制：,Mancherster,、,Miller,、,CMI,AMI,、,HDB,3,、,PST,基带传输系统的数学分析,广义信道,乘性干扰,加性干扰,基带传输系统的数学分析,假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击,(,t,),，,这样发送滤波器的,输入信号可以表示为,其中,a,n,是第,n,个码元，对于二进制数字信号，,a,n,的取值为,0,、,1(,单极性信号,),或,-1,、,+,1(,双极性信号,),。,滤波器输出信号：,式中,h,(,t,),是系统的冲击响应，可用系统传递函数,H,(,),的傅氏反变换为：,n,R,(,t,),是加性噪声,n,(,t,),通过接收滤波器后所产生的输出噪声。,抽样判决器对,r,(,t,),进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列,a,n,。为了判定其中第,个码元,a,k,的值，应在,t,=,T,s,+,t,0,瞬间对,r,(,t,),抽样，,此抽样值为,抽样时刻,采样周期、与码元同宽,时偏，保证最大信噪比，由码型决定,信息序列,输出序列,判决信号,码间干扰,随机噪声，加性干扰,第,k,个基本接收波形在抽样时刻的取值,确定的依据,常数,无码间干扰的基带传输,理想的传输波形,无码间干扰的基带传输,奈奎斯特第一准则,如果信号经传输后整个波形发生变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，仍然可以准确无误地恢复原始信码，这就是奈奎斯特第一准则,(,又称为第一无失真条件,),的本质。,奈奎斯特第一准则,解不惟一。,移位相加后，在系统带宽内理想。,等效理想低通滤波器。,频带利用率和奈奎斯特速率。,只要基带传输系统的总特性 可以等效为一个理想低通滤波器，就可以进行无码间干扰的传输。,奈奎斯特第一定律,：,理想信道,：,系统的总特性为理想全通滤波器。,波形无失真，可在码元周期内任何时刻采样。,占用无限宽的带宽。,带宽利用率,B/Hz,频带利用率,：,单位频带内的码元传输速率。,理想低通型,，即：,以码元宽度 为周期采样，无码间干扰。,占用频带 ，频带利用率为,2baud/Hz,。,奈奎斯特速率,(,理论极限,),：,若系统带宽为,w,，则无码间干扰时最高传输速率为,2w(,波特,),。,问 题？,2.,随 衰减，“尾巴”振荡幅度大，衰减慢，定时误差将导致码间干扰增大，对定时要求严格。,1.,理想低通特性是无法实现的。,等效理想低通：,如果系统带宽不大于（倍理想带宽）则：,实用无码间串扰传输特性：,传输函数为在处奇对称的低通滤波器。,例：余弦滚降特性的传输函数,其冲激响应为：,为余弦型；,按衰减；,多了一个零点；,带宽增加一倍，,B/Hz,。,例：余弦滚降特性的传输函数,其冲激响应为：,升余弦滚降传输特性,滚降因子,多了一个零点；,带宽为,增大，占用带宽增加，振荡衰减加快，,有效性降低，可靠性提高。,有效性与可靠性矛盾！,奈奎斯特第二准则,有控制的在某些码元时刻引入码间干扰，而在其它码元时刻无码间干扰。那么就可以是频带利用率达到理论上的最大值（,2B/Hz,），同时又可以降低对定时精度的要求。,部分响应波形：满足上述要求的冲击响应波形,部分响应系统：利用部分响应波形进行传输的基带传输系统。,最简单的部分响应波形是间隔为,Ts,的,sinc,函数相加。即：,抽 样 时 刻,a,-1,a,0,a,1,a,2,上述波形的频谱为：,余弦形，带宽,1/2Ts,。,带宽利用率达到,2B/Hz,。,两个非零的点。,前一个码干扰后面的一个码。,存在问题：误码传递性,解决办法：预编码,当发送码元为,a,k,时，接收波形在抽样时刻的取值为：,预编码,相关编码,模,2,判决,部分响应系统,带宽利用率达到,2B/Hz,。,衰减快，容易实现。,可通过预编码去掉码间干扰。,信噪比降低。,判决复杂,三、眼 图,眼图就是用实验方法宏观监测系统的性能。,眼图的概念：,眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。,从“眼图”上可,以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。,1.,无噪声时的眼图,3.,眼图的模型,最佳抽样时刻应是眼睛睁开最大的时刻；,阴影区的垂直高度表示信号幅度的畸变；,中央的横轴对应判决门限电平；,斜边的斜率决定定时误差的灵敏度；,抽样时刻，上下影区的间距之半为噪声容限。,传输方式,有效性,可靠性,全通滤波器（理想信道）,0 Baud/Hz,无码间干扰,理想低通滤波器,2 Baud/Hz,抽样判决处无码间干扰,对定时偏差敏感,等效理想低通滤波器,2DPSK2FSKOOK,相同误码率条件下，信噪比要求上,:,2PSk,比,2FSK,小,3dB,2FSK,比,OOK,小,3dB,。,三种数字调制系统的,Pe-r,带 宽,当码元宽度,Ts,时，系统的第一零点带宽,2ASK=2PSK=2DPSK=2/Ts,，,2FSk=|f,2,-f,1,|+2/Ts,频带利用率,2ASK=2PSK=2DPSK 2FSK,对信道特性的敏感性：,判决门限,2ASK,：,2PSK,：,2FSK,：,信道稳定性,2FSK 2DPSK 2PSK 2ASK,门限判决（门限与信号有关）,极性判决（固定门限,=0,）,相对判决（无门限）,设备的复杂程度,相干解调的设备比非相干解调时复杂,非相干解调时,2DPSK 2FSK 2ASK,多普勒的敏感性,相干解调比非相干解调敏感,非相干解调时,2DPSK 2FSK 2ASK,性能比较,用多进制基带信号去调制载波信号的振幅、频率或相位。,多进制数字调制系统,相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率比二进制系统的高。,相同的信息传输速率下，增大码元宽度，就会增加码元的能量，提高带宽利用率，并能减小由于信道特性应起的码间干扰的影响等。,抗噪声能力降低,多进制系统特点：,多进制数字振幅调制（,MASK,）,原理上是通断键控（,OOK,）方式的推广。,在相同的码元传输速率下，多电平调制信号的带宽与二电平的相同,MASK,方式性能特点,高传信率,R,b,=,R,B,*log2M=,nR,B,带宽与,2ASK,相同，因而信道利用率高,发送端进行串并变换，把二进制转换成,M,进制，接收端需进行并串变换,抗干扰性能差，,M,值每增大,1,倍，电功率大约增加,5,倍，才能保持误码率不变,抗衰落能力比,2ASK,更差,应用背景,MASK,虽然是一种高效率的传输方式，由于它的抗噪声能力，尤其抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道中，高信噪比条件下的高速传输。,多进制数字频率调制（,MFSK,）,MFSK,：,K,比特信息用,M=2,K,个频率通道进行通信。,特点：,要求占据较宽的频带，因此它的信道频带利用率不高。第一零点带宽为,f,m,-f,1,+2f,s,。,应用背景：,衰落信道，信道带宽充裕，高速传输。,MFSK,方式性能特点,发送时：串并转换、多选一。,接收时：多通道接收机。,传信率提高了，是,2FSK,的,log,2,M,倍。,信道利用率降低，必须占用更大的信 道带宽。,抗噪声能力比,2FSK,降低了。,抗衰落能力优于,MASK,。,多进制数字相位调制,多相制（,MPSK,、,MDPSK,）：,绝对移相、相对（差分）移相,四相绝对移相键控（,QPSK,）,用,4,个不同的相位信息表示四种状态或一个双比特码,四相相对移相键控（,QDPSK,）,利用前后相邻码元之间的相对相位变化来表示,4,个信息状态,QPSK,信号的产生,QPSK,信号相干解调,QDPSK,信号的产生,QDPSK,信号解调,四进制移相键控系统性能,相同的传信率，传码率降低一倍，码元增加一倍，带宽减小一半，信道利用率提高一倍。,相同的传码率，传信率提高一倍。,抗干扰能力降低,34dB,。,应用：,高速率，频带受限，四线租用电话线路,6.5.4,振幅相位联合键控系统,多进制系统的频带利用率高，但它是通过牺牲功率利用率来换取的。随着,M,值的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域也随之减小。,振幅相位联合键控（,APK,）方式为克服上述问题而提出的。,正交振幅调制（,QAM,）,正交振幅调制（,QAM,）是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制,期望的信号特性：,相邻码元间相位是连续的，包络是恒定的，同时占用较小的频带宽度,6.6 改进的数字调制方式,6.6.1,最小移频键控（,MSK,）,最小移频键控（,MSK,）,MSK,是,FSK,信号的一种改进型，是一种在相邻码元间保持相位连续性，同时它具有正交信号的最小频差，恒定包络的调制方式,与,FSK,相比，,MSK,信号在一个码元宽度内两个载频形影变化严格相差,180,0,MSK,信号表示式：,或者：,当,频率间隔,调制指数,两信号波形相关系数,MSK,是正交调制，其信号波形的相关系数为零,第一项为零条件：,令,k,取最小值,1,，则：,第二项为零条件：,即：,说明：,MSK,信号在每一个码元周期内，必须包含四分之一载波的整数倍,因为信号相位为：,根据码元转化时刻信号相位连续，有,所以相位补偿常数,k,为：,6.6.2,高斯最小移频键控（,GMSK,）,MSK,调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减很快,GMSK,是在,MSK,信号输入的前端加一个预置高斯低通滤波器,第,7,章模拟信号的数字传输,回 顾,什么是模拟信号,/,数字信号？,什么是模拟通信系统,/,数字通信系统？,模拟通信系统能否传输数字消息？,数字通信系统能否传输模拟消息？,基带通信系统,连续载波通信系统,7.1,引 言,用数字通信系统传输模拟信号，在发送端需进行模数变换（,ADC,），在接收端需经过数模变换恢复信源信号。模数变换需经过三个步骤：抽样,、,量化,、,编码。,脉冲编码调制（,PCM,）：经过抽样量化编码后，在进行信道传送的通信体制。,除了（,PCM,）外，可用于传输模拟信号的通信体制还有：增量调制（,DM,）；差分脉冲编码调制（,DPCM,）,7.2,抽样定理,抽样（采样）,:,是把连续信号变换成时间上离散信号的过程。,抽样定理：一个有限频带信号 ，满足当,时，则当以 的频率进行等间隔抽样时，原波形可被完全恢复，信息无损失。,奈奎斯特频率：,奈奎斯特周期：,抽样过程：,时域：原始的连续信号和周期性冲激相乘,频域：连续信号频谱的周期性延拓,抽样信号的恢复：低通滤波器,从工程实现的角度，影响抽样质量的因素有：,时间有限信号其频谱是无限的。,理想低通滤波器通常是不可实现的。,采样脉冲宽度不能无限窄。,谱混叠,谱泄漏,谱包络调制,提高抽样频率，通常取 为,35,倍,改善抽样及其恢复信号质量的措施：,在采样之前先进行抗混叠滤波（低通滤波）,加校正网络。,带通信号的抽样设 只需保证,即可满足无失真恢复条件。,其中：,n,为整数，,k,是小数,带通信号采样定理,恢复信号使用带通滤波器,当,k=0,时，即 时，,当,n1,（窄带信号）,，,抽样：是把连续信号变换成时间上离散信号的过程。,量化：对抽样值进行离散化，即用有限个电平表示抽样信号的幅度。,7.4,量 化,抽样：模拟信号时间上离散。,量化：抽样信号幅度上离散。,几个概念与术语：,字长,N,与量化级数（电平数,M,）：,满量程电平：,Vm,，,电源电平决定。,当,A,Vm,时，限幅。,均匀量化,量化间隔（量化精度）,Vq,：,量化噪声（量化误差）：,：,单极性信号,：,双极性信号,舍入方式,：,截尾方式,:,或,量化信噪比：,SNR=,信号功率,/,量化噪声功率,=,量化失真功率,：,（,e,为,均匀分布,）,5.,量化器的工作状态：,正常量化,:,过载状态（限幅）：,空载：,6.,动态范围：在满足给定的最低信噪比条件下所允许的最大信号强度与所要求的最小信号强度之比，通常用分贝数表示。,量化精度由量化器字长或级数决定，字长越长，量化精度越高。,字长越长，工艺越复杂，码宽越宽，占用的带宽越宽,.,量化字长的选择应与背景噪声相匹配，如果噪声很大，即使量化精度很高，小信号也难以满足信噪比要求，甚至会被背景噪声淹没。,量化的设计：,工程量化的准则：尽量避免过载和空载，使信号工作在正常区，选择器件（字长）使其满足动态范围。速度满足采样率要求。,量化方式：,均匀量化：,把输入信号的取值域按等间距分割，它是等间隔的量化。,存在着量化误差与编码位数之间的矛盾，也就是存在着动态范围与设备复杂 性及带宽之间的矛盾。,对弱信号传输不利。,均匀量化与非均匀量化,非,均匀量化,根据信号的幅度来确定量化的间隔,实现：压缩和扩张,压缩：发送端作非线性变换（令弱信号的增益大强信号的增益小），然后再进行均匀量化和编码。,扩张：在接收端先译码，按压缩的规律进行反变换，低通滤波恢复原信号。,非均匀量化也是一种压缩。,PCM,的量化方式,均匀量化 非均匀量化,律压扩,m,律,(,m,-Law),压扩,(G.711),主要用在北美和日本等地区的数字电话通信中。,x,为输入信号，规格化为,1=x=1,为确定压缩量的参数，它反映最大量化间隔和最小量化间隔之比，取,100,=,m,=,500,。,国际标准取,m,255,|,x,|,=,1,A,律压扩,0,=,|,x,|,=,1/A,1/A,=,|,x,|,=,1,A,律,(A-Law),压扩,(G.711),主要用在欧洲和中国大陆等地区的数字电话通信中,国际标准取,A=87.56,A,律折线近似,（,13,折线）,律用十五折线近似,A,律：,第一三象限对称，共分,16,段，中间四段斜率相同，为一条直线，共十三条折线，故称十三折线，对应,A,值为,87.6,。,律：,十五折线，,255,。,常用码型：自然二进制（单极性信号）,折叠二进码（双极性信号）,折叠二进制：最高位表示极性，其他位表示绝,对值,0111 7,（,+7,）,1111 15,（,-7,）,0110 6,（,+6,）,1110 14,（,-6,）,0101 5,（,+5,）,1101 13,（,-5,）,0100 4,（,+4,）,1100 12,（,-4,）,0011 3,（,+3,）,1011 11,（,-3,）,0010 2,（,+2,）,1010 10,（,-2,）,0001 1,（,+1,）,1001 9,（,-1,）,0000 0,（,+0,）,1000 8,（,-0,）,具体做法是：,用段落码的,8,种可能状态分别代表,8,个段落的段落电平，段内码的,16,种可能状态分别代表每一段落的,16,个均匀划分的量化间隔,7,位非线性编码等效为,11,为线性编码。,13,折线压缩编码,7.5,脉冲编码调制（,PCM,）,PCM,是在,PAM,基础上发展起来的一种通信方式，指的是将模拟信号的抽样值经量化，编码后再进行传输。,PCM,系统组成,:,低通滤波,I,：抗混叠,（,抽样过程是谱叠加过程，从而出现混