《第6章.天津大学侯春萍老师通信原理与系统课件之调制与编码的权衡》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章.天津大学侯春萍老师通信原理与系统课件之调制与编码的权衡（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,1,第6章 调制和编码的权衡,6.1 通信系统设计的目标和受到的约束 6.1.1 通信系统的设计目标 最大化传输比特速率R; 最小化误比特率PB ; 最小化所需功率（最小化E0/N0）； 最小化系统带宽W； 最小的延迟和最好的抗干扰特性； 极大可能地降低系统的复杂性、计算量和系统成本。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,2,6.1.2 系统设计的约束条件 奈奎斯特（Nyquist）最小带宽 香农（Shanno-Hartley）容量理论 管理规则（频段分配原则） 技术限制（如器件当前的发展水平，具体技术的实现水平等） 系统
2、的其他需求（如移动通信、卫星通信系统）,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,3,1、奈奎斯特（Nyquist）最小带宽 ISI的产生； 造成的影响； 奈奎斯特（Nyquist）最小带宽：理论上无码间串扰（ISI）的基带系统，若每秒传输R个码元，需要的最小带宽（耐奎斯特带宽）为 R/2 Hz 。 实际情况； 奈奎斯特最小带宽反映了系统无失真检测脉冲电平的能力。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,4,对于M进制调制，一个码元（包括k个比特）可以用M个电平之一表示，所以有 比特速率 R 码元速率 Rs 对于固定的码元速率，传输比特率R 随 k 的增大而提高。,2
3、019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,5,2、香农容限定理：频带利用率C/W与Eb/N0的关系,C/W (b/s/ Hz),Eb/N0(dB),6,12,18,24,30,36,2,6,8,16,实际系统,1/2,1/4,渐近线,-2,-4,Eb/N0存在一个极限值，使得对于任何比特速率，不能低于该值进行无差错传输。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,6,6.1.3 主要数字调制类型 第一类调制方式：正交调制，生成的信号是正交信号（如MFSK，不能用星座图表示）； 第二类调制方式：非正交调制，生成的信号是非正交信号（如MPSK，能用星座图表示 ）。,2019/
4、10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,7,6.2 差错概率平面,差错概率曲线（probability performance curve）：不同调制方式下，误比特率PB随Eb/N0的变化曲线。 差错概率平面（error probability plane） ：差错概率曲线所在的平面。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,8,对于正交信号MFSK,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,9,对于多相信号MpSK,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,10,对于正交调制（MFSK） 增大码元集（M或k）大小，可以改善PB或降低所需的Eb/N0
5、，但是这些好处是以带宽为代价的换取的。 对于非正交调制（MPSK） 增大码元集（M或k）大小，可以减小对带宽的需求，但这要以降低误比特率PE的性能或者增大所需的信噪比为代价。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,11,1、正交调制（MFSK）分析 2、非正交调制（MPSK）分析 3、各项指标权衡的难易程度,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,12,香农容限定理： 带宽-效率平面（bandwidth-efficiency plane） ：将C换成R，R/W关于Eb/N0的关系平面。,6.3 带宽效率平面,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,1
6、3,带宽效率平面,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,14,1、MPSK、MFSK调制的带宽效率 2、带宽等效平面与差错概率平面的结合,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,15,3、功率受限和带宽受限的系统,通信系统的基本资源 信道带宽； 发射功率； 在许多通信系统中，两个资源中可能有一个比另一个更昂贵，因此在系统设计中必须重点考虑。 功率受限系统：功率有限，更重要；通常是以牺牲带宽为代价； 带宽受限系统：带宽有限，更重要，因此通常使用高效率的调制方式，以牺牲功率为代价。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,16,带宽受限区域： 当Eb/N
7、0增大到一定程度时，容量极限曲线逐渐趋于水平。即R/W 随Eb/N0增加的速度减慢； 功率受限区域： 当Eb/N0减小到一定程度，容量极限曲线接近垂直；要使Eb/N0减小一点，就必须使R/W减小很多。 当Eb/N0小于-1.6dB时，就无法实现无差错的传输。,4、功率受限和带宽受限区域,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,17,6.4 数字通信系统的设计,目的：达到带宽、功率和差错概率要求。 注意：信息比特、信道比特、码元、码片（chip）间的转换关系。 设计步骤 描述信道性能（接收功率、可用带宽、噪声统特性以及损耗等）； 确定系统需求（比特速率、差错性能）； 给出最适合信道
8、特性和系统性能需求的设计方案。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,18,对于限制不同的系统采用的方法不同 带宽受限的系统中，用高效的调制方法，以牺牲功率，减少带宽； 功率受限的系统中，用功率高效的调制方法，以牺牲带宽，节约功率； 带宽和功率都受限的系统中，用纠错编码方法，节约功率，牺牲带宽，保证系统的性能。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,19,纠错编码的影响,实时系统中，采用纠错编码对系统性能的影响有两个相反的方面： 对提高性能方面的影响： 对降低性能方面的影响：,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,20,6.4.1 码元与比特,在
9、M进制的字符中，每个码元都与唯一的一个k比特序列相关联，其中： 每个码元时间间隔Ts内，传输一个码元或一个波形，而一个码元有k个比特，比特速率为：,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,21,比特间隔T、码元间隔Ts和码元速率Rs间的关系为： 码元速率Rs与比特速率R之间的关系： 如果系统的带宽为W，在Ts内 传输k=log2M 比特的带宽效率为：,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,22,6.4.2 无编码带宽受限系统,无编码带宽受限系统的设计目标： 保证一定的PB； 以牺牲Eb/N0为代价； 在可用的带宽内实现最大的比特速率。 采用理想矩形基带滤波器，MP
10、SK调制，最小调制带宽为：,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,23,MPSK调制信号的带宽效率为： 带宽效率平面证明了这一点：对于MPSK， 当M增大时，R/W也同时增加。 从带宽效率平面中可以看到：以增大Eb/N0为代价，可以获得更大的带宽。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,24,6.4.3 无编码功率受限系统,设计的目标 固定Eb/N0，牺牲带宽，获得PB的改善； 固定PB ，牺牲带宽，减小所需的Eb/N0 。 这时要采用MFSK信号，最小调制带宽为： 非相干检测MFSK的带宽效率：,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,25,MP
11、SK带宽效率与MFSK带宽效率比较： 对于MPSK，M增大时，R/W 增大； 对于MFSK，M增大时，R/W是分子、分母共同作用的结果。 M增大到一定的程度时，分母比分子增加得快，随着M的增大，MFSK的 R/W 反而减小。 MFSK以牺牲带宽为代价，降低所需的Eb/N0 。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,26,在绝大多数的情况下，M进制信号被认为是波形编码技术。 选择一种M进制调制来代替二进制调制； 选用更好的波形有效地代替二进制波形； 更好地带宽性能（MPSK） 更好的功率性能（MFSK）,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,27,6.4.4 未编
12、码带宽受限系统举例,已知条件： 可用带宽：W=4000Hz 带限AWGN无线信道； 接收信号功率/噪声功率谱密度：（Pr/N0）=53dB-Hz 传输比特速率：R = 9600 b/s； 误比特率：PB 10-5。 目标：选择符合性能要求的调制方式。 一般情况下，如果没有符合要求的调制方式，就需要选择纠错编码。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,28,对于数字通信系统，有： 这里，Rb = R， Tb = T， S=Pr 。 所以有， 换成分贝表示为：,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,29,不转换成码元，需要的最小调制系统带宽：W=R。 R= 9600
13、b/s W = 4000Hz，是带宽受限系统。 调制方式选择?,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,30,（1）计算M的最小值 对于MPSK系统，有： 所以有， k应该选择多少？,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,31,（2）验证是否能满足差错性能PB 10-5 ，如果不能，就需要加纠错编码。,M进制 调制器,M进制 解调器,输入比特 R b/s,无编码调制解调器,发送端,接收端,输出波形 Rs b/s,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,32,解调器码元差错概率PE（M）为： 其中， 解调器输出的码元功率Es/N0等于Eb/N0的k倍，
14、有： 对于M=8，有：,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,33,代到上面的式子，可以得到误码率为： 由式（前面推导） 得到： 误比特率可以达到性能的要求，因此不需要采用纠错编码。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,34,6.4.5 未编码功率受限系统举例,已知条件： 可用带宽：W=45 kHz 接收信号功率/噪声功率谱密度：（Pr/N0）= 48 （dB-Hz） 传输比特速率：R = 9600 b/s； 误比特率：PB 10-5。 目标：选择一种调制或调制编码方式。 一般情况下，如果没有符合要求的调制方式，就需要选择纠错编码。,2019/10/20,天津
15、大学电子信息工程学院通信系,35,分析： W = 45 kHz R=9600 b/s，不是带宽受限系统； 计算Eb/N0 ，得： 对于所要求的误比特率， Eb/N0相对较小，而带宽足够，因此是功率受限系统。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,36,无编码调制解调器,M进制 调制器,M进制 调制器,输入 R b/s,发送端,接收端,输出码元 Rs b/s,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,37,选择MFSK调制，计算最大的M值，使MFSK的最小带宽低于可用带宽45kHz。 由式： 可以计算得到 M=16。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信
16、系,38,分析仅用16FSK是否能够满足差错性能PB 10-5的要求。 对于非相干MFSK，有 利用关系式： 得到： PB= 7.310-6； 误比特率能满足系统差错性能的要求，仅用16FSK。不需要采用纠错编码，就可以满足这个功率受限信道给定参数的要求。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,39,6.4.6 带宽受限和功率受限编码系统举例,已知条件： 可用带宽：W= 4000 Hz（带宽受限） 接收信号功率/噪声功率谱密度：（Pr/N0）= 53 dB-Hz（功率受限） 传输比特速率：R = 9600 b/s； 误比特率： PB 10 -9。 目标：选择一种调制或调制编码方式。 一般情况下，如果没有符合要求的调制方式，就需要选择纠错编码。,2019/10/20,天津大学电子信息工程学院通信系,40,分析： W=4000Hz，相对于R=9600 b/s是带宽受限的，用8PSK可以满足带宽受限的要求。 Eb/N0 =13.2dB，不能满足10-9 误比特率的要求； 带宽受限
