现代通信理论与技术(P-9系统分析与设计)-XXXX.pdf

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1、现代通信理论与技术现代通信理论与技术 Theories and Technologies in Modern Communication Systems 主讲：主讲：熊淑华熊淑华 副教授副教授 四川大学电子信息学院四川大学电子信息学院 E-mail： 2015/12/9 现代通信理论与技术现代通信理论与技术 第第9 9章章 通信系统分析、设计与仿真通信系统分析、设计与仿真 电子信息学院电子信息学院 杨万全杨万全 2 目录目录 第第1章章 现代通信理论与技术概述现代通信理论与技术概述 第第2章章 通信系统中的信号、信道和噪声通信系统中的信号、信道和噪声 第第3章章 信源编码信源编码 第第4章章

2、加密编码加密编码 第第5章章 信道编码信道编码 第第6章章 多路复用与多址接入多路复用与多址接入 第第7章章 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 第第8章章 数字信号的带通调制与解调数字信号的带通调制与解调 第第9章章 通信系统分析、设计和仿真通信系统分析、设计和仿真 2015/12/9 现代通信理论与技术现代通信理论与技术 第第9 9章章 通信系统分析、设计与仿真通信系统分析、设计与仿真 电子信息学院电子信息学院 杨万全杨万全 3 现现代代数数字字通通信信系系统统原原理理框框图图 基于比特流的数字信号处理基于比特流的数字信号处理 信源编码信源编码 数字信号的数字信号的 载波传输载波传输 数

3、字基带信号数字基带信号 数字信号的数字信号的 基带载输基带载输 调制器调制器 解调器解调器 信道信道 噪声源噪声源 信道信道 再生再生 再生中继再生中继 信道信道 噪声源噪声源 噪声源噪声源 数字基带信号数字基带信号 基于比特流的数字信号处理基于比特流的数字信号处理 多多路路复复用用.来自其它信源来自其它信源 到其它信宿到其它信宿 扩频扩频 多址接入多址接入 解扩解扩 多址分接多址分接 RF发送发送 RF接收接收 信信息息源源 格格式式变变换换 数数据据压压缩缩 加加密密编编码码 信信道道编编码码 脉脉冲冲成成形形 信源译码信源译码 多多路路分分离离.信信 宿宿 格格式式变变换换 数数据据解解

4、压压 解解密密译译码码 信信道道译译码码 抽抽样样判判决决 2015/12/9 4 第第9章章 通信系统分析、设计和仿真通信系统分析、设计和仿真 Analyses and Designs and Simulations of Communication Systems 2015/12/9 5 通信系统的性能指标；通信系统的性能指标；数字载波通信系统的抗噪声性能分析；数字载波通信系统的抗噪声性能分析；数字通信系统的通信链路分析；数字通信系统的通信链路分析；数字通信系统设计。数字通信系统设计。知识要点知识要点 2015/12/9 6 9.1 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标（Perfo

5、rmance Measurements of Communication Systems）2015/12/9 7 通信的任务是传递信息，传输信息的有效通信的任务是传递信息，传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的性能指标。性和可靠性是通信系统最主要的性能指标。所谓所谓有效性（有效性（efficiency），是指在给定的，是指在给定的信道内传输的信息内容的多少，表征通信系统信道内传输的信息内容的多少，表征通信系统传输信息的数量指标。传输信息的数量指标。所谓所谓可靠性（可靠性（reliability），是指接收信息，是指接收信息的准确程度，表征通信系统传输信息的质量指的准确程度，表征通信系统传输

6、信息的质量指标。标。有效性和可靠性两者相互矛盾而又相互联有效性和可靠性两者相互矛盾而又相互联系，通常也是可以互换的。系，通常也是可以互换的。2015/12/9 8 有效性有效性 efficiency 可靠性可靠性 reliability 模拟通信模拟通信系统系统 有效传输频带有效传输频带 收信机输出信噪比收信机输出信噪比 数字通信数字通信系统系统 码元传输速率码元传输速率 或信息传输速率或信息传输速率 误码率误码率 或或 误信率误信率 有效性和可靠性指标：有效性和可靠性指标：2015/12/9 9 数字通信系统的抗噪声性能用误码率描数字通信系统的抗噪声性能用误码率描述述。9.2 数字载波通信系

7、统的抗数字载波通信系统的抗噪声性能噪声性能 2015/12/9 10 白噪声白噪声 n(t)s(t)检测器检测器 抽样抽样 判决器判决器 带通带通 滤波器滤波器BPF r(t)ri(t)=s(t)+ni(t)”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率11 ,0 )(0 ,0 )(=)(10PTttsPTttstsb b 9.2.1 数字载波通信系统抗噪声性数字载波通信系统抗噪声性能分析的一般模型能分析的一般模型 2015/12/9 11 每次抽样判决的平均误码率为：每次抽样判决的平均误码率为：)1(0)0(1)01 sPPsPPP e 若码元若码元“0”和

8、码元和码元“1”的出现概率相等的出现概率相等，则平均误码率为：则平均误码率为：)1()0(2101 sPsPP e 最佳判决门限：最佳判决门限：0 ToptVVedVd P2015/12/9 12 9.2.2 ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 对于二进制对于二进制ASK系统系统，在一个码元的持续时间内在一个码元的持续时间内，接收机收到的信号为接收机收到的信号为 （1）相干相干ASK系统的误码率；系统的误码率；（2）非相干（包络检测）非相干（包络检测）ASK系统的误码率。系统的误码率。带通滤波器让有用信号完整地通过带通滤波器让有用信号完整地通过，最大限度地最大限度地抑制输入噪声抑制输入噪声

9、，其输出为其输出为 ”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率0 ,0 0 11 ,0 cos=)(PTtPTttAtsb b cASK 0 ,0 sin)(cos)(11 ,0 sin)(cos)(=)(+)(=)(c”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率PTtttqttiPTtttqttA+itntstrb cncnb ncniASKi 2015/12/9 13（1）相干相干ASK系统的误码率：系统的误码率：相干检测器的输出为：相干检测器的输出为：0P)(,)1()(11 )(,)1()(=)(01”时”时传送

10、码元“传送码元“以概率以概率发送端用发送端用”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率发送端用发送端用tskTtTktiPtskTtTktA+itrb bnb bn白噪声白噪声n(t)LPF 抽样判决器抽样判决器 BPF ri(t)=sASK(t)+ni(t)sASK(t)cos(c t)r(t)2015/12/9 14 误码率的计算误码率的计算:发送端用发送端用s1(t)传送码传送码元元“1”时时，r(t)的条件概的条件概率密度函数和误码率分别率密度函数和误码率分别为：为：222 1e21)s(r-A)rp 发送端用发送端用s0(t)传送码元传送码元“0”时时，r(t)的条件概率的条件概率密度

11、函数和误码率分别为：密度函数和误码率分别为：2220e21)(r srp rdsrpsP V )()0(1 1 rdrpsP V )s()1(0 0 2015/12/9 15 总误码率总误码率Pe为：为：e 21e 2121 )1()0(21 222 222)-(01d rrdsPsPPrVArVe 最佳判决门限：2AVT 2 2 2A 222 2 e 1=e 21=ydrdP yrAe 22erfc 21A最小误码率：最小误码率：2015/12/9 16 当码元当码元“0”和和“1”等概率出现时等概率出现时，ASK信信号的平均功率为：号的平均功率为：4021221)(21)(21222021

12、AAtsts 平均功率信噪比为：平均功率信噪比为：224 A 2 N噪声功率为：噪声功率为：2015/12/9 17 用平均功率信噪比用平均功率信噪比 表示的相干表示的相干ASK系统对系统对应于最佳判决门限的最小误码率为：应于最佳判决门限的最小误码率为：)2erfc(21 eP2 e 21 实际接收机的误码率只能接近它而不会实际接收机的误码率只能接近它而不会小于它小于它。误码率随信噪比误码率随信噪比 的增大而按指数下降的增大而按指数下降。2015/12/9 18 （2）非相干（包络检测）非相干（包络检测）ASK系统系统的误码率：的误码率：0 ,0 )(cos)()(11 ,0 )(cos)()

13、(=)(022122”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率PTttttqtiPTttttqtA+itrb cnnb cnni 0 ,0 )()(11 ,0 )()(=)(2222”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率PTttqtiPTttqtA+itrb nnb nn白噪生白噪生n(t)包络检测器包络检测器 抽样判决器抽样判决器 BPF ri(t)=sASK(t)+ni(t)sASK(t)r(t)2015/12/9 19 rdeArrrdsrpsP ArVV 2222 2 021 0 1 I 1)()0(2er

14、fc21,1VAVAQ222 222 20 0)()s1(VrVVerderrdsrpP 2222 2021eI )s(ArArrrp 222 20e)(rrsrp 2015/12/9 20 非相干非相干ASK系统的误码率：系统的误码率：若等概率传送码元若等概率传送码元“1”和码元和码元“0”时时，非非相干相干ASK系统每次抽样判决的平均误码率为：系统每次抽样判决的平均误码率为：2220121)2erfc(41=)1()0(21 V eeVAsPsPP 最佳门限值为：最佳门限值为：2AVT 2015/12/9 21 2 282 21)2erfc(4121)22erfc(41 eeAPAe2 e

15、21 在大信噪比情况下在大信噪比情况下，ASK信号采用包络检信号采用包络检测与采用相干解调的抗噪声性能相差不大测与采用相干解调的抗噪声性能相差不大。当当二者的总误码率相同时二者的总误码率相同时，采用包络检测所要求采用包络检测所要求的信噪比只比采用相干解调时大不到的信噪比只比采用相干解调时大不到1dB。而而采用包络检测时不需要相干载波采用包络检测时不需要相干载波，设备要简单设备要简单得多得多。最小误码率：最小误码率：)2erfc(21 eP2 e 21 相干相干ASK：2015/12/9 22 9.2.3 FSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 （1）相干）相干FSK系统的误码率：系统的误码率：

16、2 21)2erfc(21=ePe（2）非相干）非相干FSK系统的误码率：系统的误码率：201 21=)1()0(21 esPsPP e2015/12/9 23（1）相干）相干FSK系统的误码率：系统的误码率：0 ,0 cos=)(11 ,0 cos=)(s=)(00112”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率PTttAtsPTttAttsb cb cFSK2015/12/9 24 用用s1(t)传送码元“传送码元“1”ri(t)=sFSK(t)+ni(t)ttqttA+itrcncni11111 sin)(cos)(=)(sin)(cos)(=)(0

17、0000 ttqttitrcncni)()()(01titA+itrnn 白噪声白噪声n(t)LPF 抽样判决器抽样判决器 BPF sFSK(t)LPF BPF cos(c0 t)r0(t)cos(c1 t)r1(t)2015/12/9 25)()()(01titA+itrnn 0)(kr因为因为 如果如果 ，判决器将产生误码，把，判决器将产生误码，把发送码元“发送码元“1”误判成传送的码元“误判成传送的码元“0”。AtrE)(222)()(AtrEtrD 242)r(141)(Aesrp 所以所以 ArderdsrpsPAr 2erfc21 41)()0(242)(0 10 1 2015/1

18、2/9 26 用用s0(t)传送码元“传送码元“0”)()()(01tiAtitrnn 平均误码率平均误码率 242)r(041)(Aesrp ArdsrpsP 2erfc21)()1(0 00 2erfc212erfc21=)1()0(2101 AsPsPP e2015/12/9 27 相干FSK系统的误码率 因为因为FSK信号的平均功率为信号的平均功率为 2 21)2erfc(21)2erfc(21=eeAP 相干相干FSK系统的误码率：系统的误码率：2 cos cos 21=2022122AtAtAScc 噪声功率为噪声功率为2，所以平均功率信噪比为，所以平均功率信噪比为 222A 20

19、15/12/9 28 FSK系统的抗噪声性能 （1）相干）相干FSK系统的误码率：系统的误码率：2 21)2erfc(21=ePe（2）非相干）非相干FSK系统的误码率：系统的误码率：201 21=)1()0(21 esPsPP e2015/12/9 29 9.2.4 PSK和和DPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 （1）相干）相干PSK系统的误码率：系统的误码率：（2）相干）相干DPSK系统的误码率：系统的误码率：ePe 41)erfc(21=)erf(1 21)(erfc 211)(erfc 212=)(2DPSK eP（3）非相干）非相干DPSK系统的误码率：系统的误码率：esPsP

20、Pe 21=)1()0(2101 2015/12/9 30（1）相干相干PSK系统的误码率：系统的误码率：相干检测器的输出为：相干检测器的输出为：白噪声白噪声n(t)LPF 抽样判决器抽样判决器 BPF ri(t)=sPSK(t)+ni(t)sPSK(t)cos(c t)r(t)0 ,0 cos=)(1 1 ,0 cos=)(=)(01”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率PTttAtsPTttAtstsb cb cPSK 0 ,0 )(1 1 ,0 )(=)(”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率”时”时传送码元“传送码元“以概率以概率PTttA+

21、iPTttA+itrb nb n2015/12/9 31 相干相干PSK系统的误码率：系统的误码率：条件概率密度函数为：条件概率密度函数为：白噪生白噪生n(t)LPF 抽样判决器抽样判决器 BPF ri(t)=sPSK(t)+ni(t)sPSK(t)cos(c t)r(t)222)(121)(r-Aesrp 222)(021)(r+Aesrp 2015/12/9 32 平均误码率平均误码率 2)cos()cos(21=222AtAtAScc 222A PSK信号的平均功率为信号的平均功率为 AsPsPsPP e2erfc21=)1()1()0(21001 噪声功率为噪声功率为2，所以平均功率信

22、噪比为，所以平均功率信噪比为 eP e41erfc21=PSK信号的平均误码率为信号的平均误码率为 2015/12/9 33（2）相干）相干DPSK系统的误码率系统的误码率 1=kkkdda白噪声白噪声n(t)延时延时Tb PSK相干解调相干解调 sDPSK(t)相对码相对码dk 绝对码绝对码ak dk ak 2015/12/9 34 平均误码率平均误码率 当当dk序列中连续出现序列中连续出现n个错误码元时个错误码元时，将将影响到影响到ak序列中的序列中的n+1个码元个码元，但其中只有首但其中只有首尾两个码元出错尾两个码元出错。若令若令Pn表示表示dk序列中连续序列中连续n个码元错误的发生概率

23、个码元错误的发生概率，则差分译码器输出序则差分译码器输出序列的误码率为列的误码率为 由于由于“连续连续n个码元错误个码元错误”意味着意味着“连续的连续的n个个码元同时出错而该串错误码元两端都有一位码码元同时出错而该串错误码元两端都有一位码元不出错元不出错”，因此因此 2)(21 nDPSKePPPP ，321=12nPPPneen 2015/12/9 35 2DPSK的平均误码率的平均误码率 eeeneeeneeeeDPSKePPPPPPPPPPP 12 1112=12)(222)erf(1 21)erfc(211)erfc(212=)(2PDPSKe eeDPSKePPP 1 2=)(201

24、5/12/9 36 PSK和DPSK系统的抗噪声性能 （1）相干）相干PSK系统的误码率：系统的误码率：（2）相干）相干DPSK系统的误码率：系统的误码率：ePe 41)erfc(21=)erf(1 21)(erfc 211)(erfc 212=)(2DPSK eP（3）非相干）非相干DPSK系统的误码率：系统的误码率：esPsPPe 21=)1()0(2101 2015/12/9 现代通信理论与技术现代通信理论与技术 第第9 9章章 通信系统分析、设计与仿真通信系统分析、设计与仿真 电子信息学院电子信息学院 杨万全杨万全 37 9.2.5 二进制数字调制系统的性能二进制数字调制系统的性能比较

25、比较 2015/12/9 38 二进制数字调制系统的性能比较 在码元速率相同的情况下在码元速率相同的情况下，ASK、PSK和和DPSK系统占据的频带比系统占据的频带比FSK的窄的窄。所以从所以从信道带宽利用率来看信道带宽利用率来看，ASK、PSK和和DPSK系系统最好统最好，FSK系统较差系统较差。在同一类型的相干和非相干系统中在同一类型的相干和非相干系统中，所所有的相干方式都比同一类型的非相干方式的有的相干方式都比同一类型的非相干方式的抗噪声性能好抗噪声性能好。但前者需要提取本地相干载但前者需要提取本地相干载波波，增加了系统的复杂性增加了系统的复杂性。2015/12/9 39 在不同类型的调

26、制方式中在不同类型的调制方式中，当当Pe相同时相同时，从平均功率信噪比的角度来说从平均功率信噪比的角度来说，PSK要求的要求的平均功率信噪比比平均功率信噪比比FSK和和ASK小小3dB，FSK和和ASK要求的平均功率信噪比相同；但从瞬时要求的平均功率信噪比相同；但从瞬时功率信噪比的角度来说功率信噪比的角度来说，FSK要求的瞬时功要求的瞬时功率信噪比比率信噪比比ASK小小3dB，PSK又比又比FSK方式小方式小3dB。所以所以，PSK的抗噪声性能最好的抗噪声性能最好。2015/12/9 40 就频带利用率和抗噪声性能两方面来看就频带利用率和抗噪声性能两方面来看，理论上都是理论上都是PSK系统最佳

27、系统最佳，DPSK系统次之系统次之。考虑到解调考虑到解调PSK信号可能出现相位模糊而使被信号可能出现相位模糊而使被传输的码元传输的码元“0”、“1”倒置倒置，而而DPSK系统又系统又克服了这一问题克服了这一问题，因此在实际应用中因此在实际应用中，DPSK系统就成为系统就成为“最佳最佳”系统系统，得到了广泛的应用得到了广泛的应用。由于非相干由于非相干FSK系统设备简单系统设备简单，常用于中常用于中、低低速的数据传输速的数据传输。41 数字调制系统的带宽数字调制系统的带宽 2222ASKPSKDPSKBBBW212|2FSKBffWASK,PSK,DPSK信号的带宽是基带信号带信号的带宽是基带信号

28、带宽的宽的2倍倍.FSK信号的带宽是基带信号带宽信号的带宽是基带信号带宽2倍再加频率倍再加频率偏移偏移.42 Bandwidth Efficiency 带宽效率，频带利用率带宽效率，频带利用率 Primary communication resources:Channel Bandwidth and Transmitted Power 频谱有效调制的主要目标就是最大化带宽效率；另频谱有效调制的主要目标就是最大化带宽效率；另一个目标则是在一个目标则是在AWGN信道，以最小的平均信噪比信道，以最小的平均信噪比代价实现上述带宽效率。代价实现上述带宽效率。(/)bZRbits s HBBandwidt

29、h Efficiency 43 根据奈奎斯特准则根据奈奎斯特准则,二进制系统中二进制系统中,对于基带信号对于基带信号,信道频带利用率可达到信道频带利用率可达到 2b/s/Hz,也就是说每赫也就是说每赫兹带宽每秒可以传输兹带宽每秒可以传输 2b 的信息的信息.按照这一准则按照这一准则,由于由于2ASK,2PSK,2DPSK信号的信号的带宽是基带信号的带宽是基带信号的2倍倍,故其频带利用率最高是故其频带利用率最高是 1b/s/Hz.4 进制系统中进制系统中,一个码元携带一个码元携带2 bit 的信息的信息,所以基所以基带传输时候带传输时候,频带利用率可达到频带利用率可达到 4b/s/Hz.4ASK

30、,4PSK,4DPSK信号的带宽与信号的带宽与2ASK,2PSK,2DPSK 的带宽相同的带宽相同,因此它们的频带利用率是因此它们的频带利用率是2b/s/Hz.2015/12/9 44 9.3 通信链路分析（不要求）通信链路分析（不要求）Communications Link Analysis 2015/12/9 45 通信链路（通信链路（Communications Link）：）：通信通信链路指从发信机的信源到收信机的信链路指从发信机的信源到收信机的信宿之间的所有通信路径宿之间的所有通信路径（信号处理环节信号处理环节）。链路分析的主要目的是验证通信系统的差链路分析的主要目的是验证通信系统的

31、差错性能是否满足系统的要求错性能是否满足系统的要求。链路分析链路分析、链路分析的结果和通信系统设链路分析的结果和通信系统设计时的链路预算包含接收机可用有用信号功率计时的链路预算包含接收机可用有用信号功率和干扰噪声功率的计算和表格化和干扰噪声功率的计算和表格化。2015/12/9 46 链路预算链路预算（Link budget）：确定通信系统满足规定的差错性能确定通信系统满足规定的差错性能Pb所要所要达到的比特信号能量与噪声功率密度谱的比值达到的比特信号能量与噪声功率密度谱的比值Eb/N0。链路预算是一种评价通信系统差错性能的链路预算是一种评价通信系统差错性能的评估技术评估技术。链路预算权衡通信

32、系统的增益和损耗链路预算权衡通信系统的增益和损耗（gains and losses）；规划发送接收资源；规划发送接收资源、噪噪声源声源、信号衰减的详细分配比例信号衰减的详细分配比例，整个链路的整个链路的处理效果处理效果。2015/12/9 47 链路预算链路预算 链路预算对系统工程师来说至关重要链路预算对系统工程师来说至关重要。通过链路预算通过链路预算，可以知道整个系统的设计可以知道整个系统的设计和性能和性能。链路预算代表了系统性能优化的底线链路预算代表了系统性能优化的底线。链路余量说明系统能否链路余量说明系统能否meet many of its requirements comfortabl

33、y，marginally，or not at all。链路预算可以揭示系统是否存在硬件限制链路预算可以揭示系统是否存在硬件限制，是否可以通过链路的其它部分来弥补这种硬件是否可以通过链路的其它部分来弥补这种硬件限制限制。2015/12/9 48 信号损耗和噪声的来源信号损耗和噪声的来源 信源信源 调制解调器调制解调器 发射机发射机 天线天线 带限损耗带限损耗 限幅器损耗限幅器损耗 或增益或增益 ISI LO相位噪声相位噪声 AM/PM转换转换 多载波多载波IM产物产物 调制损耗调制损耗 效率损耗效率损耗 屏蔽器损耗屏蔽器损耗 定向损耗定向损耗 极化损耗极化损耗 大气损耗大气损耗 空间损耗空间损耗

34、 定向损耗定向损耗 调制解调器调制解调器 接收机接收机 天线天线 (21)带限损耗带限损耗（14）邻道邻道 干扰干扰 ISI LO相位噪声相位噪声 接收机损耗接收机损耗 馈线损耗馈线损耗（17）宇宙、宇宙、地面噪声地面噪声 效率损耗效率损耗 屏蔽器损耗屏蔽器损耗 实施损耗实施损耗 带噪同步参考带噪同步参考 信宿信宿（16）IM噪声噪声（15）同道同道 干扰干扰 （12）（11）（13）信号损耗信号损耗 噪声或噪声或 干扰源干扰源 噪声和噪声和 干扰源干扰源 图例图例（18）（19）2015/12/9 49 链路预算链路预算的分析计算的分析计算：确定通信系统满足规定的差错性能确定通信系统满足规定

35、的差错性能Pb所要所要达到的比特信号能量与噪声功率密度谱的比值达到的比特信号能量与噪声功率密度谱的比值Eb/N0。链路预算权衡通信系统的增益和损耗链路预算权衡通信系统的增益和损耗（gains and losses）；规划发送接收资源；规划发送接收资源、噪噪声源声源、信号衰减的详细分配比例信号衰减的详细分配比例，整个链路的整个链路的处理效果处理效果。2015/12/9 50 链路预算的分析计算：链路预算的分析计算：接收信号功率接收信号功率 EIRP rrsGPL 其中其中 EIRPttPG 有效辐射功率有效辐射功率 路径损耗路径损耗、自由空间传播损耗自由空间传播损耗 24()sdL 22(4)t

36、trrPG GPd 热噪声功率和功率密度谱热噪声功率和功率密度谱 NkTW 0NNkTW2015/12/9 51 链路预算的分析计算：链路预算的分析计算：信噪比信噪比 EIRP/rrsPGNNL 比特能量与噪声功率密度比比特能量与噪声功率密度比 0EIRP/b bitrsoE rGkTWN WL L 0EIRP/brbitsoEGTNr kL L 此式概括了链路分析的所有关键参数此式概括了链路分析的所有关键参数。2015/12/9 52 链路预算的分析计算：链路预算的分析计算：（dB）链路余量链路余量 00(dB)()(dB)()(dB)bbrreqdEEMNN0EIRP/(/)rbreqdb

37、itsoGTMENr kL L 链路余量链路余量 链路余量是实际接收的链路余量是实际接收的（Eb/N0）r 与满足规定差与满足规定差错性能错性能Pb所需的所需的（Eb/N0）reqd 的差值的差值。链路余量方程包括了所有影响链路差错性能的参数链路余量方程包括了所有影响链路差错性能的参数。2015/12/9 53 链路预算的分贝形式链路预算的分贝形式 0(dB)EIRP(dBW)+(dBi)()(dB)(dB-b/s)(dBW/Hz)(dB)(dB)brreqdbitsoEMGNrkTLL0EIRP/(/)rbreqdbitsoGTMENr kL L 链路余量方程包括了所有影响链路差错性能的参链

38、路余量方程包括了所有影响链路差错性能的参数数。链路余量是进行链路预算链路余量是进行链路预算，分配通信资源的有效分配通信资源的有效工具工具。系统设计就是要在链路余量所涉及的各参数之间系统设计就是要在链路余量所涉及的各参数之间进行权衡进行权衡。2015/12/9 54 9.4 通信系统设计通信系统设计 2015/12/9 55（1）通信系统设计的目标）通信系统设计的目标 最大化传输比特速率最大化传输比特速率rbit；最小化误比特率最小化误比特率Pbit；最小化所需功率最小化所需功率，或等效地最小化比特能量与或等效地最小化比特能量与噪声功率密度谱之比噪声功率密度谱之比Eb/N0；最小化需用信道带宽；

39、最小化需用信道带宽；最大化系统利用率最大化系统利用率，以最小的延时和最好的抗以最小的延时和最好的抗干扰性能为尽可能多的用户提供可靠服务；干扰性能为尽可能多的用户提供可靠服务；最大地降低系统复杂性最大地降低系统复杂性、计算量和系统成本计算量和系统成本。2015/12/9 56（2）通信系统设计的理论限制与约束）通信系统设计的理论限制与约束 Nyquist最小带宽最小带宽B低通低通；Shannon信道容量信道容量C；管理规则管理规则（例如例如，通信频率配置通信频率配置）；技术限制技术限制（例如电子器件的当前发展水平例如电子器件的当前发展水平）；不同通信系统的具体需求不同通信系统的具体需求（例如卫星

40、轨道例如卫星轨道）。2015/12/9 57（3）Nyquist最小信道带宽最小信道带宽 Baud1=2BR低低通通bitBaud2=logrRM Nyquist信道带宽限制了通信系统设计者可能获得信道带宽限制了通信系统设计者可能获得的最小带宽的极限的最小带宽的极限。实际系统带宽一般是实际系统带宽一般是Nyquist最小带宽的最小带宽的1.11.4倍倍。码元带宽利用率从理想的码元带宽利用率从理想的2码元码元/s/Hz减至减至1.81.4码元码元/s/Hz。对于固定码元速率的信号传输对于固定码元速率的信号传输，要提高比特带宽要提高比特带宽利用率可以采用多进制传输技术利用率可以采用多进制传输技术。

41、2015/12/9 58（4）Shannon信道容量信道容量)1(log=2NSBC-120001()log(1)bbbEEECCNNBNB/0(21)C BbEBNC20=log(1)bECCBN B 0210.693logbENe0(dB)1.59dBbEN Shannon极限极限 Shannon信道容信道容量给出了实际系量给出了实际系统可能达到的性统可能达到的性能极限。能极限。实际系统是不可能实际系统是不可能达到达到Shannon极限。极限。2015/12/9 59 规一化信道带宽规一化信道带宽B/C与与Eb/N0的关系的关系/0(21)C BbEBNCB/C 0(dB)1.59dBbE

42、N 可用于信号功率与可用于信号功率与系统带宽的权衡。系统带宽的权衡。Shannon极限极限 2015/12/9 60（5）Error Probability Plane 差错概率性能曲线差错概率性能曲线 Error probability performance curves 误比特率误比特率Pb随比特信号能量与噪声功率密随比特信号能量与噪声功率密度谱的比值度谱的比值Eb/N0变化的曲线变化的曲线。差错概率平面差错概率平面（Error probability plane）差错概率性能差错概率性能曲线族所在的平面曲线族所在的平面。2015/12/9 61 差错概率性能曲线和差错概率平面差错概率性

43、能曲线和差错概率平面 M(=2k)进制信号经相干检测后误比特率关于进制信号经相干检测后误比特率关于Eb/N0的曲线的曲线 MFSK MPSK 2015/12/9 62 正交信号的差错概率平面正交信号的差错概率平面 对于正交信号对于正交信号，固定固定Eb/N0，误比特率误比特率Pb随随k增增大而减小；固定误比特率大而减小；固定误比特率Pb，Eb/N0随随k增大而减小增大而减小。对于正交信号对于正交信号，差错差错性能随性能随k的增大而提高的增大而提高。这种差错性能的提高这种差错性能的提高以增加需用的信道带宽为以增加需用的信道带宽为代价代价。2015/12/9 63 非正交信号的差错概率平面非正交信

44、号的差错概率平面 对于非正交信号对于非正交信号，固定固定Eb/N0，误比特率误比特率Pb随随k增大而增大；固定误增大而增大；固定误比特率比特率Pb，Eb/N0随随k增增大而增大大而增大。对于非正交信号对于非正交信号，差错性能随差错性能随k的增大而降的增大而降低低。这种差错性能的降这种差错性能的降低将减小系统需用的信低将减小系统需用的信道带宽道带宽。2015/12/9 64（6）Bandwidth-Efficcciency Plane/0(21)C BbEBNC 根据公式根据公式 可以画出规一化信道容可以画出规一化信道容量量C/B随随Eb/N0的变化曲的变化曲线线，该曲线所在平面称该曲线所在平面

45、称为带宽为带宽-效率平面效率平面。带宽效率平面是规一化带宽效率平面是规一化比特速率比特速率rbit/B与与Eb/N0的关系平面的关系平面。rbit=C的曲线是理论上的曲线是理论上可实现系统与实际不可可实现系统与实际不可实现系统的分界实现系统的分界。2015/12/9 65（7）数字通信系统设计的步骤）数字通信系统设计的步骤 描述信道特性描述信道特性：包括接收功率包括接收功率、可用带宽可用带宽、噪声统计特性噪声统计特性、各种链路损耗；各种链路损耗；确定系统性能需求确定系统性能需求：比特速率比特速率、差错性能；差错性能；确定方案确定方案：分析分析、计算计算、仿真仿真，选择最适合信道特性选择最适合信道特性和系统性能需求的实现方案和系统性能需求的实现方案。2015/12/9 66 谢谢谢谢