通信原理第10章.ppt
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1、通信原理1通信原理第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收2第10章 数字信号最佳接收l10.1数字信号的统计特性数字信号的统计特性n以二进制为例研究接收电压的统计特性。n假设:通信系统中的噪声是均值为0的带限高斯白噪声,其单边功率谱密度为n0;并设发送的二进制码元为“0”和“1”,其发送概率分别为P(0)和P(1),则有P(0)+P(1)=1n若此通信系统的基带截止频率小于fH,则根据低通信号抽样定理,接收噪声电压可以用其抽样值表示,抽样速率要求不小于其奈奎斯特速率2fH。n设在一个码元持续时间Ts内以2fH的速率抽样,共得到k个抽样值:,则有k 2fHTs。3第10章 数字信号最佳接
2、收n由于每个噪声电压抽样值都是正态分布的随机变量,故其一维概率密度可以写为式中,n 噪声的标准偏差;n2 噪声的方差,即噪声平均功率;i 1,2,k。n设接收噪声电压n(t)的k个抽样值的k维联合概率密度函数为 4第10章 数字信号最佳接收n由高斯噪声的性质可知,高斯噪声的概率分布通过带限线性系统后仍为高斯分布。所以,带限高斯白噪声按奈奎斯特速率抽样得到的抽样值之间是互不相关、互相独立的。这样,此k 维联合概率密度函数可以表示为n当k 很大时,在一个码元持续时间Ts内接收的噪声平均功率可以表示为:或者将上式左端的求和式写成积分式,则上式变成5第10章 数字信号最佳接收n利用上式关系,并注意到
3、式中 n0 噪声单边功率谱密度则前式的联合概率密度函数可以改写为:式中 n=(n1,n2,nk)k 维矢量,表示一个码元内噪声的k个抽样值。n需要注意,f(n)不是时间函数,虽然式中有时间函数n(t),但是后者在定积分内,积分后已经与时间变量t无关。n是一个k维矢量,它可以看作是k 维空间中的一个点。6第10章 数字信号最佳接收n在码元持续时间Ts、噪声单边功率谱密度n0和抽样数k(它和系统带宽有关)给定后,f(n)仅决定于该码元期间内噪声的能量:n由于噪声的随机性,每个码元持续时间内噪声的波形和能量都是不同的,这就使被传输的码元中有一些会发生错误,而另一些则无错。7第10章 数字信号最佳接收
4、n设接收电压r(t)为信号电压s(t)和噪声电压n(t)之和:r(t)=s(t)+n(t)则在发送码元确定之后,接收电压r(t)的随机性将完全由噪声决定,故它仍服从高斯分布,其方差仍为n2,但是均值变为s(t)。所以,当发送码元“0”的信号波形为s0(t)时,接收电压r(t)的k维联合概率密度函数为式中 r=s+n k 维矢量,表示一个码元内接收电压的k个抽 样值;s k 维矢量,表示一个码元内信号电压的k个抽样值。8第10章 数字信号最佳接收n同理,当发送码元“1“的信号波形为s1(t)时,接收电压r(t)的k维联合概率密度函数为n顺便指出,若通信系统传输的是M 进制码元,即可能发送s1,s
5、2,si,sM之一,则按上述原理不难写出当发送码元是si时,接收电压的k 维联合概率密度函数为 仍需记住,以上三式中的k 维联合概率密度函数不是时间t的函数,并且是一个标量,而r 仍是k维空间中的一个点,是一个矢量。9第10章 数字信号最佳接收l10.2 数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收n“最佳”的准则:错误概率最小n产生错误的原因:暂不考虑失真的影响,主要讨论在二进制数字通信系统中如何使噪声引起的错误概率最小。n判决规则设在一个二进制通信系统中发送码元“1”的概率为P(1),发送码元“0”的概率为P(0),则总误码率Pe等于式中Pe1=P(0/1)发送“1”时,收到“0”的条件概率;Pe
6、0=P(1/0)发送“0”时,收到“1”的条件概率;上面这两个条件概率称为错误转移概率。10第10章 数字信号最佳接收按照上述分析,接收端收到的每个码元持续时间内的电压可以用一个k 维矢量表示。接收设备需要对每个接收矢量作判决,判定它是发送码元“0”,还是“1”。由接收矢量决定的两个联合概率密度函数f0(r)和f1(r)的曲线画在下图中(在图中把r 当作1维矢量画出。):可以将此空间划分为两个区域A0和A1,其边界是r0,并将判决规则规定为:若接收矢量落在区域A0内,则判为发送码元是“0”;若接收矢量落在区域A1内,则判为发送码元是“1”。A0A1rf0(r)f1(r)r0 P(A0/1)P(
7、A1/0)11第10章 数字信号最佳接收显然,区域A0和区域A1是两个互不相容的区域。当这两个区域的边界r0 确定后,错误概率也随之确定了。这样,总误码率可以写为式中,P(A0/1)表示发送“1”时,矢量r落在区域A0的条件概率 P(A1/0)表示发送“0”时,矢量r落在区域A1的条件概率这两个条件概率可以写为:这两个概率在图中分别由两块阴影面积表示。A0A1rf0(r)f1(r)r0 P(A0/1)P(A1/0)12第10章 数字信号最佳接收将上两式代入得到参考上图可知,上式可以写为上式表示Pe是r0的函数。为了求出使Pe最小的判决分界点r0,将上式对r0求导 并令导函数等于0,求出最佳分界
8、点r0的条件:A0A1rf0(r)f1(r)r0 P(A0/1)P(A1/0)13第10章 数字信号最佳接收即当先验概率相等时,即P(1)=P(0)时,f0(r0)=f1(r0),所以最佳分界点位于图中两条曲线交点处的r 值上。在判决边界确定之后,按照接收矢量r 落在区域A0应判为收到的是“0”的判决准则,这时有:若 则判为“0”;反之,若则判为“1”。在发送“0”和发送“1”的先验概率相等时,上两式的条件简化为:A0A1rf0(r)f1(r)r0 P(A0/1)P(A1/0)若f0(r)f1(r),则判为“0”若f0(r)f1(r),则判为“1”14第10章 数字信号最佳接收这个判决准则常称
9、为最大似然准则。按照这个准则判决就可以得到理论上最佳的误码率,即达到理论上的误码率最小值。p以上对于二进制最佳接收准则的分析,可以推广到多进制信号的场合。设在一个M 进制数字通信系统中,可能的发送码元是s1,s2,si,sM之一,它们的先验概率相等,能量相等。当发送码元是si时,接收电压的k 维联合概率密度函数为于是,若 则判为si(t),其中,15第10章 数字信号最佳接收l10.3 确知数字信号的最佳接收机确知数字信号的最佳接收机n确知信号:指其取值在任何时间都是确定的、可以预知的信号。n判决准则当发送码元为“0”,波形为so(t)时,接收电压的概率密度为当发送码元为“1”,波形为s1(t
10、)时,接收电压的概率密度为因此,将上两式代入判决准则式,经过简化,得到:16第10章 数字信号最佳接收若则判为发送码元是s0(t);若 则判为发送码元是s1(t)。将上两式的两端分别取对数,得到若 则判为发送码元是s0(t);反之则判为发送码元是s1(t)。由于已经假设两个码元的能量相同,即所以上式还可以进一步简化。17第10章 数字信号最佳接收若式中则判为发送码元是s0(t);反之,则判为发送码元是s1(t)。W0和W1可以看作是由先验概率决定的加权因子。n最佳接收机u按照上式画出的最佳接收机原理方框图如下:18第10章 数字信号最佳接收W1r(t)S1(t)S0(t)W0t=Ts比较判决积
11、分器积分器19r(t)S0(t)S1(t)积分器积分器比较判决t=Ts第10章 数字信号最佳接收若此二进制信号的先验概率相等,则上式简化为最佳接收机的原理方框图也可以简化成 20第10章 数字信号最佳接收由上述讨论不难推出M 进制通信系统的最佳接收机结构 u上面的最佳接收机的核心是由相乘和积分构成的相关运算,所以常称这种算法为相关接收法。u由最佳接收机得到的误码率是理论上可能达到的最小值。积分器r(t)SM(t)S0(t)S1(t)比较判决积分器积分器21第10章 数字信号最佳接收l10.4 确知数字信号最佳接收的误码率确知数字信号最佳接收的误码率n总误码率在最佳接收机中,若 则判为发送码元是
12、s0(t)。因此,在发送码元为s1(t)时,若上式成立,则将发生错误判决。所以若将r(t)=s1(t)+n(t)代入上式,则上式成立的概率就是在发送码元“1”的条件下收到“0”的概率,即发生错误的条件概率P(0/1)。此条件概率的计算结果如下 22第10章 数字信号最佳接收式中同理,可以求出发送s0(t)时,判决为收到s1(t)的条件错误概率式中23第10章 数字信号最佳接收因此,总误码率为n先验概率对误码率的影响当先验概率P(0)=0及P(1)=1时,a=-及b=,因此由上式计算出总误码率Pe=0。在物理意义上,这时由于发送码元只有一种可能性,即是确定的“1”。因此,不会发生错误。同理,若P
13、(0)=1及P(1)=0,总误码率也为零。24第10章 数字信号最佳接收u当先验概率相等时:P(0)=P(1)=1/2,a=b。这样,上式可以化简为式中上式表明,当先验概率相等时,对于给定的噪声功率2,误码率仅和两种码元波形之差s0(t)s1(t)的能量有关,而与波形本身无关。差别越大,c 值越小,误码率Pe也越小。u当先验概率不等时:由计算表明,先验概率不等时的误码率将略小于先验概率相等时的误码率。就误码率而言,先验概率相等是最坏的情况。25第10章 数字信号最佳接收n先验概率相等时误码率的计算在噪声强度给定的条件下,误码率完全决定于信号码元的区别。现在给出定量地描述码元区别的一个参量,即码
14、元的相关系数,其定义如下:式中E0、E1为信号码元的能量。当s0(t)=s1(t)时,1,为最大值;当s0(t)=-s1(t)时,1,为最小值。所以 的取值范围在-1 +1。26第10章 数字信号最佳接收当两码元的能量相等时,令E0=E1=Eb,则上式可以写成并且将上式代入误码率公式,得到 为了将上式变成实用的形式,作如下的代数变换:令则有27第10章 数字信号最佳接收于是上式变为式中 利用下式中2和n0关系代入上式,得到误码率最终表示式:28第10章 数字信号最佳接收式中 误差函数 补误差函数 Eb 码元能量;码元相关系数;n0 噪声功率谱密度。上式是一个非常重要的理论公式,它给出了理论上二
15、进制等能量数字信号误码率的最佳(最小可能)值。在下图中画出了它的曲线。实际通信系统中得到的误码率只可能比它差,但是绝对不可能超过它。29第10章 数字信号最佳接收n误码率曲线dB30第10章 数字信号最佳接收n最佳接收性能特点u误码率仅和Eb/n0以及相关系数有关,与信号波形及噪声功率无直接关系。u码元能量Eb与噪声功率谱密度n0之比,实际上相当于信号噪声功率比Ps/Pn。因为若系统带宽B等于1/Ts,则有 按照能消除码间串扰的奈奎斯特速率传输基带信号时,所需的最小带宽为(1/2Ts)Hz。对于已调信号,若采用的是2PSK或2ASK信号,则其占用带宽应当是基带信号带宽的两倍,即恰好是(1/Ts
16、)Hz。所以,在工程上,通常把(Eb/n0)当作信号噪声功率比看待。31第10章 数字信号最佳接收u相关系数 对于误码率的影响很大。当两种码元的波形相同,相关系数最大,即=1时,误码率最大。这时的误码率Pe=1/2。因为这时两种码元波形没有区别,接收端是在没有根据的乱猜。当两种码元的波形相反,相关系数最小,即=-1时,误码率最小。这时的最小误码率等于 例如,2PSK信号的相关系数就等于-1。u当两种码元正交,即相关系数 等于0时,误码率等于u例如,2FSK信号的相关系数就等于或近似等于零。32第10章 数字信号最佳接收u若两种码元中有一种的能量等于零,例如2ASK信号,则误码率为u比较以上3式
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