北邮通信原理课件第六章-数字信号的频带传输优秀PPT.ppt

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1、1第六章 数字信号的频带传输数字信号的正弦型载波调制2主要内容n正弦载波调制n调幅，调频，调相n多进制调制n信号的矢量表示nMSK36.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)QPSK信号形式 或 通常g(t)为矩形脉冲46.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)+1,+1-1,+1-1,-1+1,-156.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)调制器原理框图66.3 时序问题n调制序列ai，两个比特确定一个相位n两个比特不是同时出现的n须要调整时序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 Tb76.3 四相移相键控(QP

2、SK、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。8Gray映射 或 00101101000111109自然映射 或 0011100100011011106.3 QPSK 功率谱密度116.3 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 2PSK4PSK8PSK126.3 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

3、滤波器进行解调。n如何分别QPSK中的两路2PSK信号？136.3 QPSK 用匹配滤波器解调的性能上支路：下支路：146.3 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)：最好状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156.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)用匹配滤波器解调的性能假如QPSK和2PSK的信息速率以及平均功率一样，则:QPSK每个支路振

4、幅 ，Ts2Tb 2PSK:QPSK的一个支路：166.3 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：17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别？186.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)相干解调的性能假如QPSK和2PSK的信息速率以及平均功率一样，则:QPSK每个支路振幅 ，Ts2Tb 2PSK:QPSK的一个支路：平均误码率：196.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)差分四相移相键控nQPSK提取载波，

5、同样存在相位模糊的问题，四重相位模糊n解决这一问题，接受差分四相移项键控方案206.3 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 216.3 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=bn226.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQP

6、SK)差分四相移相键控T模4T模4236.3 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重量，这种现象称为频谱扩展限带滤波器功放限带信道2、接受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重量，频谱随之扩展1、某些实际信道带宽是受到限制的246.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、OQPSK)线性功放与非线性功放n线性功放 可以避开频谱扩展的问题n线性功放效率低n接受非线性功放，效率高n假如已调信号本身的旁瓣

7、少，限带滤波器滤除的部分就少，此时接受非线性功率放大产生的频谱扩展少什么样的信号旁瓣小？256.3 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使相位的变更在一个码元内逐步完成，而不是在码元转换点瞬时完成266.3 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。运用非线性放大器时，会导致旁瓣增生，频谱扩展276.3 四相移相键控(QPSK、DQPSK、

8、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：28OQPSK基带信号波形相位转移图每隔Tb信号的最大相移为90度29OQPSK调制器30OQPSK解调器31OQPSK的功率谱密度&性能nOQPSK照旧可以看成两个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32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336.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问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

9、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346.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问356.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问366.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问376.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问386.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问396.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问：线性空间406.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问：线性空间的相关概念416.4.1 数字调制信号的矢量表示 预备学问：线性空间的相关概念426.4.1 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

10、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436.4.1 数字调制信号的矢量表示 欧几里得空间44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：45欧几里得空间的性质三角不等式：Cauchy-Schwartz不等式：欧式距离：46欧几里得空间的归一化正交基欧氏空间的一组基 ，假如满足：，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47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

11、构成线性空间？n信号能构成欧式空间？48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49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50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51信号的正交绽开n能量有限信号构成的信号空间内的函数均可绽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52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

12、成的欧氏空间53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 t),),n n=1,2,=1,2,N N的线性组合，即54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55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：随意矢量可以由这个

13、坐标系统表出参考书上，完备函数集(page211)，即：一类函数，其中随意一个，都可以由这个函数集中的函数线性表出56M进制调制n信道符号具有M个状态n幅度n相位n频率57信号的维58一维调制：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：594ASK时域信号60一维信号的最佳接收61MASK最佳接收62在AWGN下的性能63二维调制n随意给定一个2D实数坐标(aic,ais)便给定一个星座点n或者，随意给定一个复数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64二维调制：MPSKI维Q维dmin65M

14、PSK信号66MPSK信号的正交绽开67MPSK信号的正交绽开68MPSK信号能量&欧式距离n平均每符号能量n信号间欧氏距离69MPSK信号最小欧式距离702D调制：16QAM(16APSK)dminI维Q维无线局域网中接受了这个星座图712D调制：16QAMdminI维Q维722D调制：2FSKI维Q维dmin732D信号的最佳接收742D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!75MPSK最佳接收76MPSK系统性能变换成极坐标：77MQAM信号n正交幅度调制n令78MQAM信号n例：16QAM星座maicnais1-31-32-1

15、2-13131434379MQAM信号最佳接收判决域两个正交MASK80MQAM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：81M维调制：MFSK&波形的相互关Sk(t)与Sm(t)正交正交MFSK82M进制正交信号信号的坐标：信号之间的最小欧氏距离：83M维信号的最佳接收84MSK（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/连续变更nOQPSK消退了QPSK信号中180的相位突变，改善了包络的起伏.n相位连续变更的调制方式。这类调制称为连续相位调制（CPM：continuous phase modu

16、lation），它泛指载波相位以连续形式变更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。85MSK（最小频移键控）调制指数：2FSK信号86归一化相互关系数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2FSK87MSK: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：88MSK:相位路径89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 k90MSK信号的功率谱密度MSK的功率谱以 的速

17、率衰减91MSK信号的正交调制表示其中：绽开上式：92MSK信号的正交调制表示93MSK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起先时刻的相位时：94MSK信号相位约束条件95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更以 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，因而具有特别良好的频谱特性。96原理高斯滤波器：3dB带宽97原理高斯滤波器：98高斯滤波器的矩形脉冲响应99相位路径100

18、功率谱密度101信号的检测与估计n检测：几个可能发生的状况中作出选择 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，接受统计的方法102二元假设检测模型 观测空间的判决空间的判决空间103风险函数x为观测量：判决规则：风险函数：104贝叶斯准则贝叶斯准则：使得的全部的划归判决域最小105MAP准则106ML准则各种状况的先验概率相等：107第六章 总结nASK：通过载波幅度的变更表示信息nMASK,2ASKnOOKnPSK：n2PSK(2ASK),MPSKn相位模糊问题nFSKnQAM108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

19、信号的最佳接收：信号的坐标109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110第六章 总结n信号的旁瓣与相位路径的关系n削减跳变：OQPSK，etc。n相位连续变更：MSK，etc111主要调制方式的比较nOOK,2PSK,4PSK,8PSKn16QAM,32QAM112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113作业nDQPSK 6.11nOQPSK 6.12nMPSK 6.16 nMQAM 6.17 6.18nCPM 6.21