全数字接收机基础
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QPSK符号间会发生180°相移, 带来包络起伏
输入串码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
相角的跳变是
I码
1 3 5 7 9
±90º。 相位跳变频率比 QPSK信号快一倍
Q 码(QPSK)
2 4 6 8 10
Q 码(OQPSK)
2 4 6 8 10
通信信号处理
26
27
QPSK变形－π/4 QPSK 星座点分布与8PSK信
通信信号处理
b/s/Hz 2 4 5 6 7 8 10 6 8
1 log2 Mb / s / Hz 1
28
29
QAM信号的变形 –分级调制
– 传送具有高优先级和低优先级的 TS 码流 – 高优先级: QPSK 调制+低码率卷积码。 – 低优先级: 16QAM 或 64QAM 调制+高码率卷积码 – 分级调制将 QPSK 插入 QAM中 分级距离 1110 1111 Q轴
5
通信信号处理
通信发展简史
1940~1945雷达、微波通信线路研制成功 1948出现了晶体管，仙农提出了信息论 1950时分多路通信用于电话 1950~1960第一个通信卫星发射，同时研制成功激光器 1962开始了实用卫星通信的时代 1969从月球发回第一个话音消息及电视图像 1960~1970出现了电缆电视、激光通信、雷达、计算机网络和数字技术， 光电处理等 1970~1980大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信 、微处理机等迅猛发展 1980~1990超大规模集成电路、移动通信、光纤通信广泛应用，综合业务 数字网崛起 1990~卫星通信、移动通信、光纤通信进一步飞速发展，高清晰彩色数字 电视技术不断成熟，全球定位系统（GPS）得到广泛应用 Anywhere Anytime Anybody
?
7
通信信号处理
蜂窝移动通信发展
通信信号处理
8
模拟通信系统
早期的模拟无线通信系统主要是语音通信系统 模拟无线电话系统发射机和接收机结构
话筒 声-电 转换 调制 上变频 功率放大 发射回路
听筒
电-声 转换
解调
下变频
高频放大
接收回路
模拟通信：控制或改变载波参数的信号时模拟信号
通信信号处理
信道解码 解密 信源解码 全 数 字 解 调 A/D 变 换 中 频 下 变 频 射 频 下 变 频 射 频 放 大 接 收 回 路
通信信号处理
37
全数字接收机
全数字解调不仅可以用于数字调制信号的接收，也 可用于模拟调制信号的解调 “全数字”的概念与数字通信中的“数字调制”、 “数字解调”是有区别的 目前，全数字接收机中A/D变换器的位置逐渐往模拟 前端推进 中频下变频和中频滤波，甚至射频信号的处理都可 以通过数字处理的方式完成 A/D变换器越靠近天线，接收机的数字化程度越高， 但数字处理的速度越高，实现难度也越大
通信信号处理
13
数字通信的主要特点
从通信的发展趋势看，现代通信必须以数字通 信为主，数字通信较之模拟通信有如下特点：
抗干扰、抗噪声性能好 差错可控 易加密 易于与现代技术相结合
通信信号处理
14
清华大学
全数字接收机
全数字接收机结构
下变 频 射频 AGC
A/D 变 换 数 字 A G C 数 字 下 变 频 基 带 滤 波
9
模拟通信系统
模拟通信系统，主要包含了两种重要变换。一种是 把连续消息变换成电信号（由发端信息源完成）及 把电信号恢复成最初的连续消息（由收端受信者完 成）。第二种变换，将基带信号转换成其频带适合 信道传播的信号，这一变换由调制器完成；在收端 同样需经相反的变换，将信道中传播的信号恢复成 最初的连续信号，这一过程由解调器完成。
通信信号处理
30
31
数字调制方案的考虑因素 (1)
传输速率 衡量系统传输能力的重要指标 比特率 Rb : bit/s 波特率Rs: baud/s
Rb Rs log2 M
净荷速率 :扣除信道编码和同步字段等额外花销 bit/s 调制器映射之后到解调器反映射之前,采用波特 率
通信信号处理
通信信号处理
17
数字下变频-DDC
目前大多数的全数字接收机是将射频信号转换到中 频然后进行数字化操作。而数字下变频器(DDC)是对 中频数字信号处理的重要组成部分 DDC的核心是将中频A/D采样信号与DDC中的数字 控制振荡器(NCO)产生的本地数字中频载波信号进行 混频,将中频信号下变频到基带
31
32
数字调制方案的考虑因素(2)
频谱效率 bit/s/Hz
W Rb W
理想的矩形带通频谱--“理论最高频谱效率”
– QPSK调制最高频谱效率为2bit/s/Hz， – 64QAM理论最高频谱效率达6bit/s/Hz
应用中使用升余弦滚降滤波器进行成形滤波
– 在收发两端采用同样的根号升余弦滤波器 α 称为升余弦滚降系数 0< α≤1 （1+α）Wb
– 纠错编码：频谱效率降低，给定的误码率所必须的接收 功率降低 – 高进制调制：频谱效率增加，为保证可靠接收必须增加 功率
通信信号处理
36
全数字接收机
20世纪80年代中后期，一种新的接收机概念——全 数字接收机被提出 最基本的全数字接收机是在接收机的解调器前插入 A/D变换器，把接收机下变频后的模拟信号变为数字 信号处理
通信信号处理
18
基带滤波
滤除数字下变频后的二次谐波分量 匹配滤波器 可转变系统采样率
通信信号处理
19
同步
同步模块是接收机中的重要组成部分 要实现信号的正确接收，要求接收机产生的信号与 发射机发送的信号具有相同的频率和相位关系 数字接收机中的同步
– 载波同步 – 符号定时同步 – 帧同步
通信信号处理
23
24
数字调制
如何由发送数字序列得到I(t)和 Q(t)基带信号？
通信信号处理
wenku.baidu.com
24
25
QPSK调制
输入串行码
0
I (t ) cos ω t
1
1
2 3 4
5
6
7 8
9
10
1
输入串码
Q (t ) sin ω t
I码
1
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5
7
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Q码
2
4
6
8
10
Q I
0
Q I
通信信号处理
25
26
QPSK变形－OQPSK
清华大学
全数字接收机基础
王劲涛 戴凌龙
电子工程系
2
课程内容回顾
数学基础和参数估计理论
RF 下变频 模拟AGC ADC 增益 调整 混频 输出
I Q 抽取 滤波
I Q 同步
I Q FFT
解交织 数字AGC 并串转换
信源解码
信道解码
解交织
数字解调
均衡
信道 估计
实际通信接收机实现（WLAN或者DVB）
3
号一样 。 相位跳变不是完全随机 最大相位变化是 ±135º 常规QPSK调制上引入 有记忆的映射关系
通信信号处理
27
28
nQAM 星座图
nQAM、VSB数字多电平调制频谱利用率 调制方式 QPSK 16QAM 32QAM 64QAM 128QAM 256QAM 1024QAM 8VSB 16VSB 可实现的频带利用率
通信信号处理
6
蜂窝移动通信发展
第一代(80年代) 第二代(90年代) 第三代（3G）
模拟
AMPS TACS NMT 其他 J-TACS
第四代（4G）
数字
GSM
900/1800/1900
多媒体
WCDMA FDD IMT-2000 CDMA 2000 TDSCDMA
LTE
CDMA IS-95 TDMA IS-136 PDC
10
-2
10
-3
BER
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
0
2
4
6
8 10 Eb/N0 (dB)
12
14
16
18
通信信号处理
35
36
数字调制方案的考虑因素(5)
考虑实现复杂度，硬件成本等 完美调制方案: 在低信噪比的条件下高速可靠地传 输数据，还要尽量占用最小的带宽 实际情况 :功率效率和频谱效率的折衷
1838莫尔斯发明有线电报通信 1864麦克斯韦尔发表电磁场理论 1876贝尔发明电话（利用电磁感应原理） 1887赫兹做电磁辐射实验成功 1896马可尼实现横贯大西洋的无线电通信 1906非雷斯特发明真空三极管 1918调幅无线电广播、超外差接收机问世 1925多路通信和载波电话问世 1936英国广播公司开始进行商用电视广播 1938发明脉冲编码调制原理
同 步
信源 解码
信 道 解 码
解 交 织
数 字 解 调
均 衡
信 道 估 计
通信信号处理
16
自动增益控制-AGC
自动增益控制（Auto-Gain Control, AGC）是接收机中必不可 少的部分 AGC电路在发展之初通常采用模拟方法设计。随着数字处理 技术和可编程器件的发展，数字AGC得到了更广泛的关注和 应用 数字AGC的基本功能是当输入信号增大或减小时，使输出信 号的电平保持相对稳定
通信信号处理
32
33
数字调制方案的考虑因素 (3)
信噪比（SNR)、载噪比（C/N)与 Eb/N0
– SNR：传输信号的平均功率与加性噪声的平均功率比 – C/N：调制的信号的平均功率与加性噪声的平均功率 之比 – 抑制载波的调制方式：SNR = C/N – Eb：每传输一比特信息所需要的能量
通信信号处理
20
信道估计
无线通信系统的发送端所发送的信号经过无线信道 传输后，由于无线信道的时变性和多径传播性，会 引起传输信号的幅度和相位畸变，同时会产生符号 间干扰(Inter-symbol interference, ISI) 信道估计就是从接收数据中将发送信号所经过的传 输信道的模型参数估计出来的过程 信道均衡需要信道估计的结果
误符号率或误字率(SER：Symbol error ratio )
– 接收端发生符号错误的比例 – 星座点间的欧几里德距离
中断概率:一次测量中误码数目超过一个特定值的概 率，每一个中断事件代表一次失败的传输。
通信信号处理
34
典型数字调制方案BER曲线
10
0 -1
10
QPSK 16QAM 64QAM
10
QPSK 距离
11
1100 1101
I轴
0010 0000
0011
00
0001
通信信号处理
01
29
30
非均匀64QAM 分级调制
第一层(高优先级HP):QPSK 第二层(低优先级LP): 16QAM
每层都采用 QPSK 信号，
提供高中、低三种优先级
Q
I
0
9
分级调制是根据“多业务传输”这一特殊需求进行的变形， 从通信性能本身来讲并没有好处
通信信号处理
21
均衡
消除接收信号的码间串扰 码间串扰的表现形式
– 时域：接收信号的符号间干扰 – 频域：频率选择性衰落
均衡器的分类
– 时域均衡 – 频域均衡
通信信号处理
22
交织与解交织
实际信道中产生的错误往往是突发错误与随机错误并存，信 道纠错编码对抗突发错误效果不好 交织方法能够把较长的突发错误或多个突发错误转换为离散 的随机错误 交织将一个数据序列的数据位置进行一定规律的重新排列； 其逆过程为解交织，是将接收到的信息序列进行位置还原 常用交织器 – 块交织 – 卷积交织 – 随机交织
概要
通信技术的发展 模拟通信与数字通信 全数字接收机
调制与解调 编码与解码 同步 信道估计与均衡 ……
通信系统的组成
通信的任务是完成消息的传递和交换。要实现消息 从一端向另一端的传递，必须有五部分：信息源、 发送设备、信道、接收设备、受信者
通信信号处理
4
通信发展简史
通信的历史可追溯到17世纪初期从研究电、磁的现象开始， 到19世纪40年代通信理论基础准备阶段。通信从19世纪40年 代才进入实用阶段
Eb Rb Eb S W N N 0W N0
– 信噪比和载噪比可以在接收端直接通过测量得到 – Eb/N0需要通过计算
通信信号处理
33
34
数字调制方案的考虑因素 (4)
误码率和误符号率 衡量系统可靠性 误码率或误比特率(BER：bit error ratio )
– 发生错误的比特数占总比特数的比例
通信信号处理
10
11
模拟调制
通信信号处理
11
12
模拟调制缺点
一般要传送载波获得稳定同步，能量效率低 使用包络检测，抗噪声能力差 很难克服多径、动态信道 模拟器件完成
通信信号处理
12
数字通信系统
利用数字信号传输信息的系统称为数字通信系统。数 字通信系统可进一步分为数字频带传输通信系统、数 字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统 通常把有调制器／解调器的数字通信系统称为数字频 带传输通信系统
输入串码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
相角的跳变是
I码
1 3 5 7 9
±90º。 相位跳变频率比 QPSK信号快一倍
Q 码(QPSK)
2 4 6 8 10
Q 码(OQPSK)
2 4 6 8 10
通信信号处理
26
27
QPSK变形－π/4 QPSK 星座点分布与8PSK信
通信信号处理
b/s/Hz 2 4 5 6 7 8 10 6 8
1 log2 Mb / s / Hz 1
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29
QAM信号的变形 –分级调制
– 传送具有高优先级和低优先级的 TS 码流 – 高优先级: QPSK 调制+低码率卷积码。 – 低优先级: 16QAM 或 64QAM 调制+高码率卷积码 – 分级调制将 QPSK 插入 QAM中 分级距离 1110 1111 Q轴
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通信信号处理
通信发展简史
1940~1945雷达、微波通信线路研制成功 1948出现了晶体管，仙农提出了信息论 1950时分多路通信用于电话 1950~1960第一个通信卫星发射，同时研制成功激光器 1962开始了实用卫星通信的时代 1969从月球发回第一个话音消息及电视图像 1960~1970出现了电缆电视、激光通信、雷达、计算机网络和数字技术， 光电处理等 1970~1980大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信 、微处理机等迅猛发展 1980~1990超大规模集成电路、移动通信、光纤通信广泛应用，综合业务 数字网崛起 1990~卫星通信、移动通信、光纤通信进一步飞速发展，高清晰彩色数字 电视技术不断成熟，全球定位系统（GPS）得到广泛应用 Anywhere Anytime Anybody
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通信信号处理
蜂窝移动通信发展
通信信号处理
8
模拟通信系统
早期的模拟无线通信系统主要是语音通信系统 模拟无线电话系统发射机和接收机结构
话筒 声-电 转换 调制 上变频 功率放大 发射回路
听筒
电-声 转换
解调
下变频
高频放大
接收回路
模拟通信：控制或改变载波参数的信号时模拟信号
通信信号处理
信道解码 解密 信源解码 全 数 字 解 调 A/D 变 换 中 频 下 变 频 射 频 下 变 频 射 频 放 大 接 收 回 路
通信信号处理
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全数字接收机
全数字解调不仅可以用于数字调制信号的接收，也 可用于模拟调制信号的解调 “全数字”的概念与数字通信中的“数字调制”、 “数字解调”是有区别的 目前，全数字接收机中A/D变换器的位置逐渐往模拟 前端推进 中频下变频和中频滤波，甚至射频信号的处理都可 以通过数字处理的方式完成 A/D变换器越靠近天线，接收机的数字化程度越高， 但数字处理的速度越高，实现难度也越大
通信信号处理
13
数字通信的主要特点
从通信的发展趋势看，现代通信必须以数字通 信为主，数字通信较之模拟通信有如下特点：
抗干扰、抗噪声性能好 差错可控 易加密 易于与现代技术相结合
通信信号处理
14
清华大学
全数字接收机
全数字接收机结构
下变 频 射频 AGC
A/D 变 换 数 字 A G C 数 字 下 变 频 基 带 滤 波
9
模拟通信系统
模拟通信系统，主要包含了两种重要变换。一种是 把连续消息变换成电信号（由发端信息源完成）及 把电信号恢复成最初的连续消息（由收端受信者完 成）。第二种变换，将基带信号转换成其频带适合 信道传播的信号，这一变换由调制器完成；在收端 同样需经相反的变换，将信道中传播的信号恢复成 最初的连续信号，这一过程由解调器完成。
通信信号处理
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31
数字调制方案的考虑因素 (1)
传输速率 衡量系统传输能力的重要指标 比特率 Rb : bit/s 波特率Rs: baud/s
Rb Rs log2 M
净荷速率 :扣除信道编码和同步字段等额外花销 bit/s 调制器映射之后到解调器反映射之前,采用波特 率
通信信号处理
通信信号处理
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数字下变频-DDC
目前大多数的全数字接收机是将射频信号转换到中 频然后进行数字化操作。而数字下变频器(DDC)是对 中频数字信号处理的重要组成部分 DDC的核心是将中频A/D采样信号与DDC中的数字 控制振荡器(NCO)产生的本地数字中频载波信号进行 混频,将中频信号下变频到基带
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32
数字调制方案的考虑因素(2)
频谱效率 bit/s/Hz
W Rb W
理想的矩形带通频谱--“理论最高频谱效率”
– QPSK调制最高频谱效率为2bit/s/Hz， – 64QAM理论最高频谱效率达6bit/s/Hz
应用中使用升余弦滚降滤波器进行成形滤波
– 在收发两端采用同样的根号升余弦滤波器 α 称为升余弦滚降系数 0< α≤1 （1+α）Wb
– 纠错编码：频谱效率降低，给定的误码率所必须的接收 功率降低 – 高进制调制：频谱效率增加，为保证可靠接收必须增加 功率
通信信号处理
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全数字接收机
20世纪80年代中后期，一种新的接收机概念——全 数字接收机被提出 最基本的全数字接收机是在接收机的解调器前插入 A/D变换器，把接收机下变频后的模拟信号变为数字 信号处理
通信信号处理
18
基带滤波
滤除数字下变频后的二次谐波分量 匹配滤波器 可转变系统采样率
通信信号处理
19
同步
同步模块是接收机中的重要组成部分 要实现信号的正确接收，要求接收机产生的信号与 发射机发送的信号具有相同的频率和相位关系 数字接收机中的同步
– 载波同步 – 符号定时同步 – 帧同步
通信信号处理
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数字调制
如何由发送数字序列得到I(t)和 Q(t)基带信号？
通信信号处理
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24
25
QPSK调制
输入串行码
0
I (t ) cos ω t
1
1
2 3 4
5
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7 8
9
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1
输入串码
Q (t ) sin ω t
I码
1
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Q码
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Q I
0
Q I
通信信号处理
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QPSK变形－OQPSK
清华大学
全数字接收机基础
王劲涛 戴凌龙
电子工程系
2
课程内容回顾
数学基础和参数估计理论
RF 下变频 模拟AGC ADC 增益 调整 混频 输出
I Q 抽取 滤波
I Q 同步
I Q FFT
解交织 数字AGC 并串转换
信源解码
信道解码
解交织
数字解调
均衡
信道 估计
实际通信接收机实现（WLAN或者DVB）
3
号一样 。 相位跳变不是完全随机 最大相位变化是 ±135º 常规QPSK调制上引入 有记忆的映射关系
通信信号处理
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nQAM 星座图
nQAM、VSB数字多电平调制频谱利用率 调制方式 QPSK 16QAM 32QAM 64QAM 128QAM 256QAM 1024QAM 8VSB 16VSB 可实现的频带利用率
通信信号处理
6
蜂窝移动通信发展
第一代(80年代) 第二代(90年代) 第三代（3G）
模拟
AMPS TACS NMT 其他 J-TACS
第四代（4G）
数字
GSM
900/1800/1900
多媒体
WCDMA FDD IMT-2000 CDMA 2000 TDSCDMA
LTE
CDMA IS-95 TDMA IS-136 PDC
10
-2
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-3
BER
10
-4
10
-5
10
-6
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-7
10
-8
0
2
4
6
8 10 Eb/N0 (dB)
12
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通信信号处理
35
36
数字调制方案的考虑因素(5)
考虑实现复杂度，硬件成本等 完美调制方案: 在低信噪比的条件下高速可靠地传 输数据，还要尽量占用最小的带宽 实际情况 :功率效率和频谱效率的折衷
1838莫尔斯发明有线电报通信 1864麦克斯韦尔发表电磁场理论 1876贝尔发明电话（利用电磁感应原理） 1887赫兹做电磁辐射实验成功 1896马可尼实现横贯大西洋的无线电通信 1906非雷斯特发明真空三极管 1918调幅无线电广播、超外差接收机问世 1925多路通信和载波电话问世 1936英国广播公司开始进行商用电视广播 1938发明脉冲编码调制原理
同 步
信源 解码
信 道 解 码
解 交 织
数 字 解 调
均 衡
信 道 估 计
通信信号处理
16
自动增益控制-AGC
自动增益控制（Auto-Gain Control, AGC）是接收机中必不可 少的部分 AGC电路在发展之初通常采用模拟方法设计。随着数字处理 技术和可编程器件的发展，数字AGC得到了更广泛的关注和 应用 数字AGC的基本功能是当输入信号增大或减小时，使输出信 号的电平保持相对稳定
通信信号处理
32
33
数字调制方案的考虑因素 (3)
信噪比（SNR)、载噪比（C/N)与 Eb/N0
– SNR：传输信号的平均功率与加性噪声的平均功率比 – C/N：调制的信号的平均功率与加性噪声的平均功率 之比 – 抑制载波的调制方式：SNR = C/N – Eb：每传输一比特信息所需要的能量
通信信号处理
20
信道估计
无线通信系统的发送端所发送的信号经过无线信道 传输后，由于无线信道的时变性和多径传播性，会 引起传输信号的幅度和相位畸变，同时会产生符号 间干扰(Inter-symbol interference, ISI) 信道估计就是从接收数据中将发送信号所经过的传 输信道的模型参数估计出来的过程 信道均衡需要信道估计的结果
误符号率或误字率(SER：Symbol error ratio )
– 接收端发生符号错误的比例 – 星座点间的欧几里德距离
中断概率:一次测量中误码数目超过一个特定值的概 率，每一个中断事件代表一次失败的传输。
通信信号处理
34
典型数字调制方案BER曲线
10
0 -1
10
QPSK 16QAM 64QAM
10
QPSK 距离
11
1100 1101
I轴
0010 0000
0011
00
0001
通信信号处理
01
29
30
非均匀64QAM 分级调制
第一层(高优先级HP):QPSK 第二层(低优先级LP): 16QAM
每层都采用 QPSK 信号，
提供高中、低三种优先级
Q
I
0
9
分级调制是根据“多业务传输”这一特殊需求进行的变形， 从通信性能本身来讲并没有好处
通信信号处理
21
均衡
消除接收信号的码间串扰 码间串扰的表现形式
– 时域：接收信号的符号间干扰 – 频域：频率选择性衰落
均衡器的分类
– 时域均衡 – 频域均衡
通信信号处理
22
交织与解交织
实际信道中产生的错误往往是突发错误与随机错误并存，信 道纠错编码对抗突发错误效果不好 交织方法能够把较长的突发错误或多个突发错误转换为离散 的随机错误 交织将一个数据序列的数据位置进行一定规律的重新排列； 其逆过程为解交织，是将接收到的信息序列进行位置还原 常用交织器 – 块交织 – 卷积交织 – 随机交织
概要
通信技术的发展 模拟通信与数字通信 全数字接收机
调制与解调 编码与解码 同步 信道估计与均衡 ……
通信系统的组成
通信的任务是完成消息的传递和交换。要实现消息 从一端向另一端的传递，必须有五部分：信息源、 发送设备、信道、接收设备、受信者
通信信号处理
4
通信发展简史
通信的历史可追溯到17世纪初期从研究电、磁的现象开始， 到19世纪40年代通信理论基础准备阶段。通信从19世纪40年 代才进入实用阶段
Eb Rb Eb S W N N 0W N0
– 信噪比和载噪比可以在接收端直接通过测量得到 – Eb/N0需要通过计算
通信信号处理
33
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数字调制方案的考虑因素 (4)
误码率和误符号率 衡量系统可靠性 误码率或误比特率(BER：bit error ratio )
– 发生错误的比特数占总比特数的比例
通信信号处理
10
11
模拟调制
通信信号处理
11
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模拟调制缺点
一般要传送载波获得稳定同步，能量效率低 使用包络检测，抗噪声能力差 很难克服多径、动态信道 模拟器件完成
通信信号处理
12
数字通信系统
利用数字信号传输信息的系统称为数字通信系统。数 字通信系统可进一步分为数字频带传输通信系统、数 字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统 通常把有调制器／解调器的数字通信系统称为数字频 带传输通信系统