眼图滤波器与载波调制.pptx

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1、1发射信号（黑色曲线）看似无规则，实际上信号具有一定的规则以nT为周期将信号重复的画在一张图上，即可得到眼图这一眼图与与示波器上得到的眼图是一致的第1页/共83页关于信号的眼图眼图是一种定性的、可视的估计系统性能的方法实际系统中眼图产生步骤：用示波器跨接在待测信号的输出端调整示波器锯齿波水平扫描周期，使其与接收符号的周期同步将接收波形输入示波器的垂直放大器从显示器上看到眼图，观察出符号间干扰和噪声的影响。第2页/共83页3看似无规则的信号实际具有一定的规则以nT为周期将画传输信号的图形，即可得到眼图将黑色的线扫描到同一张图上，就可以得到一个符号周期的眼图如果每N个周期重复一次，就可以得到N个周

2、期的眼图第3页/共83页传输+1/-1情况下眼图的实例最佳采样点噪声容限第4页/共83页眼图的产生：以三个眼图的产生：以三个BPSK码元为例，画出码元为例，画出3个码元的眼图个码元的眼图3个比特的可能组合为个比特的可能组合为8种：种：-1-1-1;-1-1 1;-1 1-1;-1 1 1;1-1-1;1-1 1;1 1-1;1 1 1 将这些组合分别通过成型滤波器，得到将这些组合分别通过成型滤波器，得到8个波形个波形将这将这8个波形画在同一个图中，即可得到眼图个波形画在同一个图中，即可得到眼图第5页/共83页考虑5个码元周期为一组，共有32种组合可画出长度为5个周期的眼图第6页/共83页多进制

3、信号的眼图画法与BPSK信号相同，得到的眼图为多电平的第7页/共83页有噪声时，眼图的形状收到破坏，多个信号在最佳采样点不能重合有噪声时，眼图的形状收到破坏，多个信号在最佳采样点不能重合最佳采样点最佳采样点第8页/共83页第9页/共83页第10页/共83页11说明：采样时刻偏差导致噪声容限降低 噪声增大导致噪声容限降低第11页/共83页1212关于滤波器形状的讨论第12页/共83页1313Sinc函数滤波器特性频谱形状为矩形无限长的时域响应函数的频谱没有任何带外泄漏实际通信的滤波器响应长度是有限的带外泄漏不可避免理想矩形频谱不可能实现如何进行滤波器设计？第13页/共83页滤波器的设计原则滤波器

4、的带外能量要尽可能低减小对相邻频带的干扰发端与收端是一对匹配滤波器接收信号能够最大限度的抑制噪声滤波器的设计要保证信号之间没有相互干扰满足耐奎斯特准则14第14页/共83页回顾：BPSK基带通信系统15BPSK调制低通滤波AWGN通道低通滤波0,1数据0,1数据BPSK解调/判决系统需要引入滤波器；但是滤波器会改变信号波形，可能导致符号之间的干扰；所以对滤波器的要求是：引入的滤波器使信号之间还需保证无码间干扰第15页/共83页16n=0n=1n=2n=3n=4n=5例如：sinc(x)形状的滤波器信号之间是相互重叠交叉的只有在特定的时间点信号之间没有相互干扰问题：什么形状的时域函数使信号之间没

5、有码间干扰？该类滤波器理论上需要符合什么条件？第16页/共83页17n=0n=1n=2n=3n=4n=5信号之间是相互重叠交叉的在任何时间点信号之间相互干扰第17页/共83页18Nyqust准则无码间干扰的滤波器(时域波形)设计无码间干扰的定义信号可以是相互交叠的在特定的时间点上可以做到没有相互干扰Nyqust准则是指符合上述要求的滤波器设计准则第18页/共83页19Sinc(x)函数是符合上述原则的函数是符合上述原则的奈奎斯特带宽：奈奎斯特带宽：B奈奎斯特速率：奈奎斯特速率：R=1/Tx(t)=sinc(Bt)或者或者第19页/共83页20当采样时刻当采样时刻t=T,2T,3T情况下，符号间

6、没有码间干扰；情况下，符号间没有码间干扰；在非特定点上依旧存在码间干扰在非特定点上依旧存在码间干扰采样时刻有码间干扰无码间干扰第20页/共83页21没有没有 ISI 的条件的条件无符号间干扰（无符号间干扰（ISI）的信号设计）的信号设计-设计满足设计满足 Nyquist 准则的滤波器准则的滤波器与发端滤波器的卷积的结果第21页/共83页22 使得使得 x(t)满足满足的充要条件是其傅立叶变换的充要条件是其傅立叶变换 X(f)满足满足 Nyquist准则准则第22页/共83页23证明证明 当在当在 t=T 点进行采样，得：点进行采样，得：设连续时域函数可表示为第23页/共83页24第24页/共8

7、3页25第25页/共83页26第26页/共83页27 Nyquist 速率速率 R=1/T（对应于（对应于奈奎斯特带宽奈奎斯特带宽B=R=1/T），如果如果滤波器带宽滤波器带宽2W B（B=R=1/T），则，则可以设计出许多可以设计出许多满足满足 Nyquist 条件条件的的滤波器滤波器第30页/共83页31升余弦滤波器的时频特性升余弦滤波器的时频特性第31页/共83页32第32页/共83页几个问题的讨论对照上页的图，讨论：系统实际占用的带宽是多少？系统的奈奎斯特采样速率如何确定？采用不同滤波器参数给系统带来什么好处和问题滤波器设计与码间干扰的关系符合奈奎斯特准则的滤波器设计正确的采样点信道传

8、输特性符合要求33第33页/共83页升余弦与平方根升余弦滤波器升余弦滤波器是满足耐奎斯特准则的，不存在码间干扰然而通信系统发端与收端都要进行滤波，发端与收端滤波器频域函数乘积（时域函数卷积）后构成升余弦滤波器一般来讲发端与收端滤波器都是平方根升余弦滤波器单独的平方根升余弦滤波器是带有码间干扰的34第34页/共83页三种滤波器的时域响应Sinc(x)滤波器升余弦滤波器平方根升余弦滤波器35第35页/共83页36平方根升余弦滤波器存在码间干扰这些点的值不为零，所以存在码间干扰第36页/共83页37发送的信号-3,1,-1,3通过平方根升余弦滤波器，没有噪声，但码间干扰使传输信号改变如果没有码间干扰

9、，这些点的值应该是3或-3第37页/共83页38接收端再通过一个平方根升余弦滤波器（码间干扰被消除）不存在码间干扰，这些点的值（约）等于3或-3第38页/共83页滤波器的设计原则滤波器的带外能量要尽可能低减小对相邻频带的干扰发端与收端是一对匹配滤波器接收信号能够最大限度的抑制噪声滤波器的设计要保证通过匹配滤波器后的信号之间没有码间干扰满足耐奎斯特准则39第39页/共83页低通滤波器的带外频谱泄漏第40页/共83页边瓣长度影响带外特性第41页/共83页4242Sinc Filter 的时域与频域特性第42页/共83页4343对sinc函数滤波器的讨论边瓣带有一定的能量，截短的边瓣长度导致其特性变

10、差边瓣带有的能量越小越好由于接收端采样时刻偏差而引起的码间干扰很大边瓣不为零所引起第43页/共83页4444由于边瓣带有一定的能量，因此采样时刻不准确将带来符号之间的干扰第44页/共83页4545低通滤波：（成型滤波）低通滤波：（成型滤波）矩形窗矩形窗第45页/共83页4646第46页/共83页4747Sinc Filter第47页/共83页4848Sqrt_Cosine_Filter第48页/共83页4949第49页/共83页5050三种成型滤波器的频谱特性比较第50页/共83页5151三种成型滤波器的频谱特性比较第51页/共83页5252相同边瓣长度时带外特性的比较：sinc函数：5；升余

11、弦函数：5。升余弦函数优于sinc函数第52页/共83页5353不同边瓣长度时带外特性的比较：sinc函数：5；升余弦函数：3。升余弦函数与sinc函数相似第53页/共83页5454升余弦函数可能比sinc函数还差不同边瓣长度时带外特性的比较：sinc函数：10；升余弦函数：2。第54页/共83页5555不同边瓣长度时带外特性的比较：sinc函数：100；升余弦函数：2。升余弦函数可能比sinc函数还差第55页/共83页5656关于发端成型滤波器的讨论选择边瓣能量小的滤波器可降低带外频谱能量增大边瓣长度可降低带外频谱能量实际系统中一般使用升余弦滤波器第56页/共83页5757结论低通滤波器也称

12、为成型滤波器，其时域响应决定了信号的时域波形无限长时域响应成型滤波器特性是理想的，而实际系统的是与响应都是有限长的当值确定情况下，滤波器时域响应越长带外特性越好相同时域响应长度下，值越大带外频谱特性越好 第57页/共83页58观察信号的功率谱特性方法1对发射端低频信号过采样对采样后的数据进行付里叶变换画出频谱图MATLAB函数fvtool()第58页/共83页升余弦滤波器频率响应 R=0.2第59页/共83页60升余弦滤波器频率响应 R=0.6第60页/共83页61第61页/共83页6262关于载波调制的讨论第62页/共83页63载波调制信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波

13、解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线低频信号要调制到相应载波频率上进行传输,各个载波信号之间要有一定的间隔第63页/共83页64为什么要进行载波调制？必要性：频率资源是有限的，任何系统只能占用一定的频谱资源 定义了将低通信号变换为带通信号时频谱的搬移量发射信号的载频调制第64页/共83页65带有载波的一般信号表示形式带有载波的一般信号表示形式 0fcB fc为载波中心频率，为载波中心频率，B为系统带宽，其宽为系统带宽，其宽度为低通滤波器的宽度度为低通滤波器的宽度f第65页/共83页PAM信号完整表达式为 脉冲幅度调制脉冲幅度调制 :PAM注意：信号只有cos()载波第66页/共83页67这

14、里这里PSK信号带有载波的完整的定义 将上式变形，得到 物理意义（PSK信号第一种理解方法）：信息由cos函数为载波的信号的起始相位携带第67页/共83页68将上式变形，得到 物理意义（PSK信号第二种理解方法）：1.信号由I路和Q路的和（差）构成2.I路基带信号由基带信号实部构成，Q路基带信号由基带信号的虚部构成3.I路信号调制到cos()载波上，Q路信号调制到sin()载波上4.传输的信号为实数信号I路Q路第68页/共83页69问题：请说出式中各个部分的物理意义，如果该部分的值发生变化，将影响传输信号的哪一部分该部分值的确定应该在遵循什么限制条件讨论题：关于下式的讨论第69页/共83页70

15、完整正交幅度调制（QAM）表达式 决定了信号星座点在I/Q平面的位置 QAM 信号可以看成是幅度和相位的联合调制。信号可以看成是幅度和相位的联合调制。第70页/共83页71通常情况下Am为复数，其等效低频表达式为在对通信系统的研究中，主要研究在对通信系统的研究中，主要研究Z(t)的各种特性的各种特性z(t)的特性：随着时间缓慢变化的，其确切值由Am和个g(t)共同决定是一个复数值实部与虚部共同决定了该复数的幅度与相位Z(t)=x(t)+jy(t)Z(t)还可以表示为：第71页/共83页72X(t)-I路实际系统的发射机的信号模型实际系统的发射机的信号模型带有载波的发射信号通用表达式为：XX-+

16、s(t)Y(t)-Q路物理意义：传输信号是高速变化的正弦和余弦函数的和携带了I路与Q路得传输信息任意时刻其值为实数值第72页/共83页调制的图解表示调制的图解表示低通信号低通信号第73页/共83页74载频信号调制的表达式实数值的载波调制的信号复数低频信号载波频率实部（In phase,或I路）虚部（quadrater phase,或Q路）第74页/共83页75调制的图解表示调制的图解表示高速旋转高速旋转yx(a)低通信号低通信号(b)载波载波(c)带通信号带通信号第75页/共83页76上图中的说明上图中的说明Fig(a):Fig(a):低通信号可以表示成在低通信号可以表示成在I-QI-Q平面的

17、时变的一个矢量。随着平面的时变的一个矢量。随着时间的变化，该矢量的幅度和相位均变化时间的变化，该矢量的幅度和相位均变化 。信号变化的快慢（即。信号变化的快慢（即信号的周期信号的周期T T）及变化轨迹决定了该低频信号所占的带宽。）及变化轨迹决定了该低频信号所占的带宽。Fig(b):Fig(b):载波复指数载波复指数 exp(2exp(2 f fc ct t).).在在 I-Q I-Q 平面内以恒定的频率平面内以恒定的频率 2 2 f fc ct,t,幅度为幅度为 1 1的矢量形式旋转。的矢量形式旋转。Fig(c):Fig(c):带通信号。带通信号。其幅度是上述两信号幅度的乘积，其幅度是上述两信号

18、幅度的乘积，其相位是其相位是上述两信号相位的和。上述两信号相位的和。第76页/共83页77实际系统传输的信号（蓝色）：高频信号，实信号信号的幅度、相位、频率携带了信息第77页/共83页78发射信号一定是实信号，但包括了I,Q两路的成分第78页/共83页79接收机如何去掉载频接收机如何去掉载频XXs(t)使用三角函数的正交性将接收信号的I路和Q路区分开（适用于单个频率的各种调制方式）（适用于单个频率的各种调制方式）低通滤波器，I路低通滤波器，Q路积分积分第79页/共83页80习题1.设通信系统待传信息速率为1Mbit/s，系统带宽为500KHz，发端滤波器滚降系数为1。问：1）采用何种调制方式可

19、保证系统无码间干扰？2）若滤波器滚降系数为0.5，采用何种调制方式可保证系统无码间干扰？（给出计算结果并说明原因）2.比较上题中发端滤波器滚降系数为1和0.5情况下系统特性，并说明滚降系数值的确定原则第80页/共83页81作业：将载波信号带到基带的方法X(t)Y(t)XX-+s(t)设非理想因素造成设非理想因素造成I路与路与Q路发射信号的载频相位不同步，路发射信号的载频相位不同步，并且不同幅度，写出在此情况下的并且不同幅度，写出在此情况下的s(t)的表达式，并分的表达式，并分析这种情况下对解调信号的影响析这种情况下对解调信号的影响第81页/共83页8282第82页/共83页83感谢您的观看！第83页/共83页