数字信号的频带传输.ppt

关于数字信号的频带传输1现在学习的是第1页，共113页26.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)QPSK信号形式 或 通常g(t)为矩形脉冲现在学习的是第2页，共113页36.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)+1,+1-1,+1-1,-1+1,-1现在学习的是第3页，共113页46.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)调制器原理框图现在学习的是第4页，共113页56.3 时序问题n调制序列ai，两个比特决定一个相位n两个比特不是同时出现的n需要调整时序n构成双比特的前一个比特要延迟一个Tbn双比特同时输出n双比特持续时间2 Tb现在学习的是第5页，共113页66.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)格雷码的相位逻辑n相邻相位的双比特码，仅相差一个比特双比特码载波相位00 (+1,+1)10 (-1,+1)11 (-1,-1)01 (+1,-1)接收机判决时，错判成相邻载波的概率更大，此时两个比特中，只有一个比特错。现在学习的是第6页，共113页7Gray映射 或 0010110100011110现在学习的是第7页，共113页8自然映射 或 0011100100011011现在学习的是第8页，共113页96.3 QPSK 功率谱密度现在学习的是第9页，共113页106.3 QPSK 功率谱密度M越大，功率谱主瓣越窄，从而频带利用率越高 2PSK4PSK8PSK现在学习的是第10页，共113页116.3 QPSK 用匹配滤波器解调的性能nQPSK可以视为两个2PSKnQPSK解调，可以对两个2PSK分别用匹配滤波器进行解调。n如何分离QPSK中的两路2PSK信号？现在学习的是第11页，共113页126.3 QPSK 用匹配滤波器解调的性能上支路：下支路：现在学习的是第12页，共113页136.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)用匹配滤波器解调的性能n上支路检测信号S1(t)：n上支路对于信号S1(t)：最佳匹配滤波n上支路对于信号S2(t)：最好情况输出为零正交信号设计，S1(t)与S2(t)正交n下支路：同理。n结论：每一个支路都是一个单独的2PSK的接收机，不受另外一个2PSK信号的影响现在学习的是第13页，共113页146.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)用匹配滤波器解调的性能如果QPSK和2PSK的信息速率以及平均功率一致，则:QPSK每个支路振幅 ，Ts2Tb 2PSK:QPSK的一个支路：现在学习的是第14页，共113页156.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)用匹配滤波器解调的性能平均误码率：码元在两个之路出现的概率相同：现在学习的是第15页，共113页16低通低通带通判决判决串并变换6.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)相干解调的性能两个支路的信号如何分离？现在学习的是第16页，共113页176.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)相干解调的性能如果QPSK和2PSK的信息速率以及平均功率一致，则:QPSK每个支路振幅 ，Ts2Tb 2PSK:QPSK的一个支路：平均误码率：现在学习的是第17页，共113页186.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)差分四相移相键控nQPSK提取载波，同样存在相位模糊的问题，四重相位模糊n解决这一问题，采用差分四相移项键控方案现在学习的是第18页，共113页196.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)差分四相移相键控 DQPSK信号载波相位编码逻辑关系双比特码元载波相位变化（n）ab00001901118010270以前一双比特码元相位作为参考，n为当前双比特码元与前一双比特码元初相差 现在学习的是第19页，共113页206.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)差分四相移相键控TQPSKmodulate模4TQPSKdemodulate模4由于相位模糊，cn=an+i,但是cn-cn-1=an-an-1,因而dn=bn现在学习的是第20页，共113页216.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)差分四相移相键控T模4T模4现在学习的是第21页，共113页226.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)频谱扩展n被限制带宽的已调信号通过非线性功放时，非线性特性会再产生带外分量，这种现象称为频频谱扩展谱扩展限带滤波器功放限带信道2、采用限带滤波器以限制带宽3、当滤波除去的旁瓣包涵较多的功率时，输出信号的包络产生很大的起伏。4、通过非线性功率放大器时，非线性特性使功放的输出信号再产生带外分量，频谱随之扩展1、某些实际信道带宽是受到限制的现在学习的是第22页，共113页236.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)线性功放与非线性功放n线性功放 可以避免频谱扩展的问题n线性功放效率低n采用非线性功放，效率高n如果已调信号本身的旁瓣少，限带滤波器滤除的部分就少，此时采用非线性功率放大产生的频谱扩展少什么样的信号旁瓣小？现在学习的是第23页，共113页246.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)旁瓣小的信号n已调信号的相位路径相位路径影响其频谱特性n相位的变换平滑，跳变的幅度小，可以使已调信号的滚降更快，旁瓣更小。n措施：n减小相位在码元转换点的跳变幅度n使相位的变化在一个码元内逐步完成，而不是在码元转换点瞬时完成现在学习的是第24页，共113页256.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)QPSK信号的缺点nQPSK信号的缺点 相位转移图每隔Ts信号的最大相移为180度。使用非线性放大器时，会导致旁瓣增生，频谱扩展现在学习的是第25页，共113页266.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)OQPSKn原理：在进行正交调制时，将正交支路基带信号相对于同相支路基带信号延时一个信息比特间隔。n表达式：现在学习的是第26页，共113页27OQPSK基带信号波形相位转移图每隔Tb信号的最大相移为90度现在学习的是第27页，共113页28OQPSK调制器现在学习的是第28页，共113页29OQPSK解调器现在学习的是第29页，共113页30OQPSK的功率谱密度&性能nOQPSK仍旧可以看成两个2PSK的线性和，故而功率谱密度与QPSK相同n解调使两个2PSK解调，性能与QPSK相同现在学习的是第30页，共113页31以下内容：M进制调制原理信号表达性能分析信号空间理论现在学习的是第31页，共113页326.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识n信号空间n信号构成的欧氏空间n线性空间以及相关的概念n线性空间：元素运算，数乘，群，环，域n基n维n线性组合n线性相关n欧几里得空间n内积、长度、距离、夹角代数系统线性空间欧氏空间信号空间现在学习的是第32页，共113页336.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识现在学习的是第33页，共113页346.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识现在学习的是第34页，共113页356.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识现在学习的是第35页，共113页366.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识现在学习的是第36页，共113页376.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识现在学习的是第37页，共113页386.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识：线性空间现在学习的是第38页，共113页396.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识：线性空间的相关概念现在学习的是第39页，共113页406.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备知识：线性空间的相关概念现在学习的是第40页，共113页416.4.1 数字调制信号的矢量表示 欧几里得空间n线性空间中，向量的基本运算只有加法，另外还定义了向量和数的运算，数乘。n向量的度量性质，如长度，夹角长度，夹角等，线性空间中没有得到反应n定义内积运算，得到欧几里得空间欧氏空间，解决了长度，夹角的问题现在学习的是第41页，共113页426.4.1 数字调制信号的矢量表示 欧几里得空间现在学习的是第42页，共113页43欧几里得空间的性质向量的长度：两个向量的夹角：两个向量的距离：内积：若则：两个向量的正交：现在学习的是第43页，共113页44欧几里得空间的性质三角不等式：Cauchy-Schwartz不等式：欧式距离：现在学习的是第44页，共113页45欧几里得空间的归一化正交基欧氏空间的一组基 ，如果满足：，则称这组基为该空间的归一化正交基。若矢量：则：称为V在ei上的投影现在学习的是第45页，共113页46信号的代数描述n线性空间n欧式空间n我们所用的信号是否可以用代数工具描述？n信号能构成线性空间？n信号能构成欧式空间？现在学习的是第46页，共113页47信号线性空间n信号集合n加法运算，数乘运算以及相关的性质n信号线性空间的基为一组函数的集合信号构成的欧氏空间现在学习的是第47页，共113页48信号欧几里得空间n信号线性空间n定义内积：n模：n欧氏距离：n相关系数：信号构成的欧氏空间现在学习的是第48页，共113页49信号欧几里得空间的性质三角不等式：Cauchy-Schwartz不等式：欧式距离：信号构成的欧氏空间现在学习的是第49页，共113页50信号的正交展开n能量有限信号构成的信号空间内的函数均可展开成正交函数线性和的形式，即可用一个N维矢量表示一个信号。信号构成的欧氏空间现在学习的是第50页，共113页51归一化正交函数（信号）集n假设定义在区间a,b上的函数集 n满足n则称函数集为在a,b上的归一化正交函数集。信号构成的欧氏空间现在学习的是第51页，共113页52具有归一化正交基的信号空间 （正交信号空间）n若N个信号fn(t),n=1,2,N 满足则它们张成张成了一个N维信号空间W，此空间中的每个点都是f fn n(t),),n n=1,2,=1,2,N N的线性组合，即现在学习的是第52页，共113页53正交信号空间：坐标n若信号s(t)是fn(t),n=1,2,N构成的空间中的一个点，则其坐标为s1s2 sN，其中nsn也叫做s(t)在维fn(t)上的投影。n信号s(t)的能量为只有在归一化正交基下的坐标，才可以如此计算能量现在学习的是第53页，共113页54注：参考书上，正交矢量空间(p209)，即为具有一组归一化正交基的欧式空间参考书上，完备坐标系统(p211)，即：任意矢量可以由这个坐标系统表出参考书上，完备函数集(page211)，即：一类函数，其中任意一个，都可以由这个函数集中的函数线性表出现在学习的是第54页，共113页55M进制调制n信道符号具有M个状态n幅度n相位n频率现在学习的是第55页，共113页56信号的维现在学习的是第56页，共113页57一维调制：MASKO最小距离dmin反映星座点的散开程度幅值反映发送该符号的能量信号的维第i个符号的星座点欧氏距离：现在学习的是第57页，共113页584ASK时域信号现在学习的是第58页，共113页59一维信号的最佳接收现在学习的是第59页，共113页60MASK最佳接收现在学习的是第60页，共113页61在AWGN下的性能现在学习的是第61页，共113页62二维调制n任意给定一个2D实数坐标(aic,ais)便给定一个星座点n或者，任意给定一个复数aaic+jais便给定一个星座点。n因此也叫作1D复数维调制I维Q维复数维现在学习的是第62页，共113页63二维调制：MPSKI维Q维dmin现在学习的是第63页，共113页64MPSK信号现在学习的是第64页，共113页65MPSK信号的正交展开现在学习的是第65页，共113页66MPSK信号的正交展开现在学习的是第66页，共113页67MPSK信号能量&欧式距离n平均每符号能量n信号间欧氏距离现在学习的是第67页，共113页68MPSK信号最小欧式距离现在学习的是第68页，共113页692D调制：16QAM(16APSK)dminI维Q维无线局域网中采用了这个星座图现在学习的是第69页，共113页702D调制：16QAMdminI维Q维现在学习的是第70页，共113页712D调制：2FSKI维Q维dmin现在学习的是第71页，共113页722D信号的最佳接收现在学习的是第72页，共113页732D信号接收机的输出:接收信号在基矢量上的投影匹配滤波器输出：r的座标:在两个矢量方向上的投影:一样!现在学习的是第73页，共113页74MPSK最佳接收现在学习的是第74页，共113页75MPSK系统性能变换成极坐标：现在学习的是第75页，共113页76MQAM信号n正交幅度调制n令现在学习的是第76页，共113页77MQAM信号n例：16QAM星座maicnais1-31-32-12-131314343现在学习的是第77页，共113页78MQAM信号最佳接收判决域两个正交MASK现在学习的是第78页，共113页79MQAM系统性能M进制ASK：M进制QAM的一个支路：QAM符号正确的概率：QAM误符号率：QAM误比特率：现在学习的是第79页，共113页80M维调制：MFSK&波形的互相关Sk(t)与Sm(t)正交正交MFSK现在学习的是第80页，共113页81M进制正交信号信号的坐标：信号之间的最小欧氏距离：现在学习的是第81页，共113页82M维信号的最佳接收现在学习的是第82页，共113页83MSK（最小频移键控）n限带包络起伏非线性放大频谱扩展n旁瓣小的信号：相位路径 跳变小/连续变化nOQPSK消除了QPSK信号中180的相位突变，改善了包络的起伏.n相位连续变化的调制方式。这类调制称为连续相位调制连续相位调制（CPM：continuous phase modulation），它泛指载波相位以连续形式变化的一大类频率调制技术 n最小频移键控（MSK：minimum shift keying）是连续相位的频移键控（FSK）的一种特殊类型。现在学习的是第83页，共113页84MSK（最小频移键控）调制指数：2FSK信号现在学习的是第84页，共113页85归一化互相关系数0s1(t)与s2(t)正交含义：保持两个信号正交的前提下，调制指数最小的2FSK现在学习的是第85页，共113页86MSK:相位的连续性相位的连续性调制信号，双极性不归零PAM:其中：MSK要求：现在学习的是第86页，共113页87MSK:相位路径现在学习的是第87页，共113页88相位路径n附加相位函数：n分段线性函数，以 Tb 为段+1+1 -1-1-1-1+1+1+1+1+1+1a ak k现在学习的是第88页，共113页89MSK信号的功率谱密度MSK的功率谱以 的速率衰减现在学习的是第89页，共113页90MSK信号的正交调制表示其中：展开上式：现在学习的是第90页，共113页91MSK信号的正交调制表示现在学习的是第91页，共113页92MSK信号相位约束条件当当相位连续，即前一码元结束时的相位等于后一码元开始时刻的相位时：现在学习的是第92页，共113页93MSK信号相位约束条件现在学习的是第93页，共113页94高斯最小移频键控高斯最小移频键控(GMSK)原理：有人证明，连续相位调制的频谱旁瓣随频率的变化以 的规律下降，其中c为相位函数的导数保持连续的阶数。对于MSK，c0，所以旁瓣随频率按 f-4 的规律下降。相位函数的导数是频率函数，令频率函数为高斯函数，其无穷多阶的导数都连续，因而具有十分良好的频谱特性。现在学习的是第94页，共113页95原理高斯滤波器：3dB带宽现在学习的是第95页，共113页96原理高斯滤波器：现在学习的是第96页，共113页97高斯滤波器的矩形脉冲响应现在学习的是第97页，共113页98相位路径现在学习的是第98页，共113页99功率谱密度现在学习的是第99页，共113页100信号的检测与估计n检测：几个可能发生的情况中作出选择 n是/否n A/B/C/Dn估计：估值n噪声中的信号：随机过程n检测和估计，采用统计的方法现在学习的是第100页，共113页101二元假设检测模型 观测空间的判决空间的判决空间现在学习的是第101页，共113页102风险函数x为观测量：判决规则：风险函数：现在学习的是第102页，共113页103贝叶斯准则贝叶斯准则：使得的所有的划归判决域最小现在学习的是第103页，共113页104MAP准则现在学习的是第104页，共113页105ML准则各种情况的先验概率相等：现在学习的是第105页，共113页106第六章 总结nASK：通过载波幅度的变化表示信息nMASK,2ASKnOOKnPSK：n2PSK(2ASK),MPSKn相位模糊问题nFSKnQAM现在学习的是第106页，共113页107第六章 总结n信号欧氏空间n信号空间的基n信号的坐标nN维M进制信号nN维信号的最佳接收：信号的坐标现在学习的是第107页，共113页108性能分析：n误符号率n确定物理过程n确定判决量n确定判决域n确定性能现在学习的是第108页，共113页109第六章 总结n信号的旁瓣与相位路径的关系n减少跳变：OQPSK，etc。n相位连续变化：MSK，etc现在学习的是第109页，共113页110主要调制方式的比较nOOK,2PSK,4PSK,8PSKn16QAM,32QAM现在学习的是第110页，共113页111第六章：基本概念n调制方式的定义n信号空间，信号相关系数，内积，模，欧氏距离，角，正交信号。n相关接收与信号在归一化正交座标系下的座标之间的关系nFSK的调制指数n星座图n各种调制方式的基，信号构成，判决域现在学习的是第111页，共113页112作业nDQPSK 6.11nOQPSK 6.12nMPSK 6.16 nMQAM 6.17 6.18nCPM 6.21现在学习的是第112页，共113页2023/4/2感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第113页，共113页