通信原理 第10章数字信号最佳接收.ppt
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1、通信原理通信原理第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收1目标要求目标要求l 基本要求基本要求n 掌握掌握数字信号的最佳接收准则,最大似然准则;数字信号的最佳接收准则,最大似然准则;n 掌握掌握确知数字信号最佳接收机结构,及最佳接收确知数字信号最佳接收机结构,及最佳接收时的误码率的分析;时的误码率的分析;n 掌握掌握数字信号的匹配滤波接收法;数字信号的匹配滤波接收法;n 掌握掌握最佳基带传输系统特性;最佳基带传输系统特性;210.1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。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假设:通信系统中
2、的噪声是均值为0的带限高斯白噪声,的带限高斯白噪声,其单边功率谱密度为其单边功率谱密度为n0;n若此通信系统的基带截止频率小于若此通信系统的基带截止频率小于fH,则根据低通信号,则根据低通信号抽样定理,抽样速率要求不小于其奈奎斯特速率抽样定理,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设在一个码元持续时间Ts内以内以2fH的速率对接收噪声信号的速率对接收噪声信号n(t)抽样,共得到抽样,共得到k个抽样值,则有个抽样值,则有k 2fHTs。3第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收n由于每个噪声电压抽样值都是正态分布的随机变量,故其一维由于每个噪声电压抽样值都是正态分布
3、的随机变量,故其一维概率密度可以写为概率密度可以写为式中,式中,n 噪声的标准偏差;噪声的标准偏差;n2 噪声的方差,即噪声平均功率;噪声的方差,即噪声平均功率;i 1,2,k。n设接收噪声电压设接收噪声电压n(t)的的k个抽样值的个抽样值的k维联合概率密度函数为维联合概率密度函数为 4第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收n由高斯噪声的性质可知,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高斯噪声的概率分布通过带限线性系统后仍为高斯分布。系统后仍为高斯分布。所以,带限高斯白噪声按奈奎斯特速所以,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,率抽
4、样得到的抽样值之间是互不相关、互相独立的。这样,此此k 维联合概率密度函数可以表示为维联合概率密度函数可以表示为n当当k 很大时,在一个码元持续时间很大时,在一个码元持续时间Ts内接收的噪声平均功率内接收的噪声平均功率可以表示为:可以表示为:或者将上式左端的求和式写成积分式,则上式变成或者将上式左端的求和式写成积分式,则上式变成5第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收n利用上式关系,并注意到利用上式关系,并注意到 式中式中 n0 噪声单边功率谱密度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:则前式的联合概率密度函数可以改写为:式中式中 n=(n1,n2,nk)是一个是一个 k
5、 维矢量,表示一个码元内噪维矢量,表示一个码元内噪声的声的k个抽样值。个抽样值。u需要注意,需要注意,f(n)不是时间函数,虽然式中有时间函数不是时间函数,虽然式中有时间函数n(t),但是后,但是后者在定积分内,积分后已经与时间变量者在定积分内,积分后已经与时间变量t无关。无关。n是一个是一个k维矢量,维矢量,它可以看作是它可以看作是k 维空间中的一个点。维空间中的一个点。6第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收n在码元持续时间在码元持续时间Ts、噪声单边功率谱密度、噪声单边功率谱密度n0和抽样数和抽样数k(它和(它和系统带宽有关)给定后,系统带宽有关)给定后,f(n)仅决定于该码元期
6、间内噪声的能仅决定于该码元期间内噪声的能量: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。另一些则无错。7第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收n设接收电压设接收电压r(t)为信号电压为信号电压s(t)和噪声电压和噪声电压n(t)之和之和:r(t)=s(t)+n(t)则在发送码元确定之后,接收电压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
7、为决定,故它仍服从高斯分布,其方差仍为 n2,但是均值变为,但是均值变为s(t)。所以,。所以,当发送码元当发送码元“0”的信号波形为的信号波形为s0(t)时,接收电时,接收电压压r(t)的的k维联合概率密度函数为维联合概率密度函数为式中式中 r=s+n:是是 k 维矢量,表示一个码元内接收电压的维矢量,表示一个码元内接收电压的k个抽个抽 样值;样值;s:是是k 维矢量,表示一个码元内信号电压的维矢量,表示一个码元内信号电压的k个抽样值。个抽样值。8第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收n同理,当发送码元同理,当发送码元“1“的信号波形为的信号波形为s1(t)时,接收电压时,接收电压r
8、(t)的的k维联合概率密度函数为维联合概率密度函数为n顺便指出,若通信系统传输的是顺便指出,若通信系统传输的是M 进制码元,即可能发送进制码元,即可能发送s1,s2,si,sM之一,则按上述原理不难写出当发送码元之一,则按上述原理不难写出当发送码元是是si时,接收电压的时,接收电压的k 维联合概率密度函数为维联合概率密度函数为 910.2 数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收n“最佳最佳”的准则:错误概率最小的准则:错误概率最小n产生错误的原因:产生错误的原因:u噪声和系统特性引起的信号失真;噪声和系统特性引起的信号失真;u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暂不考虑失真的影
9、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。使噪声引起的错误概率最小。n判决规则判决规则设在一个二进制通信系统中发送码元设在一个二进制通信系统中发送码元“1”的概率为的概率为P(1),发送码元,发送码元“0”的概率为的概率为P(0),则总误码率,则总误码率Pe等于等于10第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收 由接收矢量决定的两个联合概率密度函数由接收矢量决定的两个联合概率密度函数f0(r)和和f1(r)的曲的曲线画在下图中(在图中把线画在下图中(在图中把r 当作当作1维矢量画出。):维矢量画出。):可以将此空间划分为两个区域可以将此空间划分为两个区域A0和和A1,
10、其边界是,其边界是r0,并将并将判决规则规定为:判决规则规定为:若接收矢量落在区域若接收矢量落在区域A0内,则判为发送码元是内,则判为发送码元是“0”;若接收矢量落在区域若接收矢量落在区域A1内,则判为发送码元是内,则判为发送码元是“1”。A0A1rf0(r)f1(r)r0 P(A0/1)P(A1/0)11第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收这样,总误码率可以写为这样,总误码率可以写为式中,式中,P(A0/1)表示发送表示发送“1”时,矢量时,矢量r落在区域落在区域A0的条件概率的条件概率 P(A1/0)表示发送表示发送“0”时,时,矢量矢量r落在区域落在区域A1的条件概率的条件概率
11、这两个条件概率可以写为: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。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第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收将上两式代入将上两式代入得到得到上式表示上式表示Pe是是r0 的函数。的函数。为了求出使为了求出使Pe最小的判决分界点最小的判决分界点r0,将上式对,将上式对r0 求导求导 并令导函数等于并令导函数等于0,求出最佳分界点求出最佳分界点r0的条件:的条件:A0A1rf0(r)f1(r)r0 P(A0/1)P(A1/0)13第第10章章 数字信号最佳接收数字信
12、号最佳接收即即当先验概率相等时,即当先验概率相等时,即P(1)=P(0)时,时,f0(r0)=f1(r0),所以,所以最佳分界点最佳分界点位于图中两条曲线交点处的位于图中两条曲线交点处的r 值上值上。在判决边界确定之后,按照接收矢量在判决边界确定之后,按照接收矢量r 落在区域落在区域A0应判为收到的是应判为收到的是“0”的判决准则,这时有:的判决准则,这时有:若若 则判为则判为“0”;反之,若反之,若 则判为则判为“1”。在发送在发送“0”和发送和发送“1”的先验概率相等时,上两式的条件简化为: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
13、)若若f0(r)f1(r),则判为,则判为“0”若若f0(r)f1(r),则判为,则判为“1”最大似然准则最大似然准则14第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收按照最大似然准则准则判决就可以得到理论上最佳的误码率,按照最大似然准则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。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。设在一个号的场合。设在一个M 进制数字通信系统中,可能的发送码进制数字通信系统中,可能的发送码元是元是s1,s2,si,sM之一,它们的先验概率相等,能
14、之一,它们的先验概率相等,能量相等。当发送码元是量相等。当发送码元是si时,接收电压的时,接收电压的k 维联合概率密度函维联合概率密度函数为数为于是,若于是,若 则判为则判为si(t),其中,其中,1510.3 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: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。指其取值在任何时间都是确定的、可以预知的信号。n判决准则判决准则当发送码元为当发送码元为“0”波形为波形为so(t)时,接收电压的概率密度时,接收电压的概率密度为为当发送码元为当发送码元为“1”波形为波形为s1(t)时,接收电压的概率密度时,接收电压的概率密度为为因此,将
15、上两式代入判决准则式,经过简化,得到:因此,将上两式代入判决准则式,经过简化,得到:16第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收u若若则判为发送码元是则判为发送码元是s0(t);u若若 则判为发送码元是则判为发送码元是s1(t)。u 将上两式的两端分别取对数,得到若将上两式的两端分别取对数,得到若 则判为发送码元是则判为发送码元是s0(t);反之则判为发送码元是反之则判为发送码元是s1(t)。u 由于已经假设两个码元的能量相同,即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。所以上式还可以进一步简化。17第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收若若 式中式中则判为发送
16、码元是则判为发送码元是s0(t);反之,则判为发送码元是;反之,则判为发送码元是s1(t)。W0和和W1可以看作是由先验概率决定的加权因子。可以看作是由先验概率决定的加权因子。18第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收W1r(t)S1(t)S0(t)W0t=Ts比较判决积分器积分器最佳接收机最佳接收机按照上式画出的最佳接收机原理方框图如下:按照上式画出的最佳接收机原理方框图如下:19r(t)S0(t)S1(t)积分器积分器比较判决t=Ts第第10章章 数字信号最佳接收数字信号最佳接收若此二进制信号的先验概率相等,则上式若此二进制信号的先验概率相等,则上式简化为简化为最佳接收机的原理方框
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