高级通信原理第4章信号的分析(于秀兰)资料课件.ppt

1、第第4章信号的分析章信号的分析主要内容主要内容n信号的空间分析信号的空间分析 信号的矢量表示方法信号的矢量表示方法统计判决理论统计判决理论AWGN条件下的最佳接收及误码率分析条件下的最佳接收及误码率分析n带通信号和系统的等效低通分析带通信号和系统的等效低通分析希尔波特变换希尔波特变换解析信号解析信号频带信号与带通系统频带信号与带通系统4.14.1信号的空间分析信号的空间分析重点：常见调制信号的空间表示重点：常见调制信号的空间表示 格拉姆格拉姆-施密特正交化：施密特正交化：如何将一组如何将一组n维向量构成一组标准正交向量？维向量构成一组标准正交向量？正交矢量空间表示：正交矢量空间表示：任何矢量可

2、以用一组标准正交向量的线性组合来表示。任何矢量可以用一组标准正交向量的线性组合来表示。用矢量空间中的一个点来表示某矢量。用矢量空间中的一个点来表示某矢量。复习复习格拉姆格拉姆-施密特正交化施密特正交化n提问提问信号是否可以用矢量表示？信号是否可以用矢量表示？设一组标准正交函数为设一组标准正交函数为fn(t),n=1,2,.,N，即即 nmnmdttftfmn10信号信号s(t)可以由可以由fn(t)的线性组合来近似的线性组合来近似 1Nnnns ts ft这一近似的误差为这一近似的误差为 tstste如何求得系数如何求得系数sn , 使得误差的能量最小？使得误差的能量最小？ Nndttftss

3、nn,.2 , 1,结论：结论： Nknntfsts1例题：例题：已知一组标准正交函数如下，试画出信已知一组标准正交函数如下，试画出信号空间中一个点所对应的信号波形。号空间中一个点所对应的信号波形。1） 标准正交基标准正交基2） 信号的空间表示信号的空间表示3） 数字调制信号的矢量空间表示数字调制信号的矢量空间表示信号的正交展开方法信号的正交展开方法 (Gran Schmidt)设一组信号为设一组信号为si(t),i=1,2,M,现求一组正交函数来表示这组信号。现求一组正交函数来表示这组信号。第一步第一步:设归一化的设归一化的s1(t)为第一个正交函数为第一个正交函数,即第一个单位长度即第一个

4、单位长度的正交矢量为的正交矢量为 111tstf dttsii2第二步第二步:计算计算s2(t) 在在f1(t)上的投影上的投影 dttftsc1212从从s2(t)中减去中减去c12f1(t),即得到即得到s2(t)信号中所包含的与信号中所包含的与f1(t)正交的部分正交的部分 tfctstf11222将将f2(t)归一化归一化,即得到第二个单位长度的正交矢量即得到第二个单位长度的正交矢量 dttftftf2222这里这里第三步第三步:求第求第k个正交函数个正交函数 dttftscikik 11Kiiikkktfctstf dttftftfkkk2正交化过程继续下去，直到所有正交化过程继续下

5、去，直到所有M个信号波形处理完毕，个信号波形处理完毕，则则NM个标准正交波形构造完成。个标准正交波形构造完成。其中其中信号的矢量空间表示信号的矢量空间表示例例设一组信号为设一组信号为si(t),i=1,2,3,4,现求一组正交函数来表示这组信号。现求一组正交函数来表示这组信号。 21111tststf 022012201212dttstsdttftsc 022tstf 222222tsdttftstf 222013301313dttstsdttftsc 022023302323dttstsdttftsc解解: otherwise032102132133ttststftftstf tfdttft

6、ftf32333同理同理1, 0,2342414ccc 023143144tftststftftstf 21111tststf 222222tsdttftstf tststftftstf13213302 023143144tftststftftstf练习练习解：解：小结小结 n信号的空间表示信号的空间表示信号的正交展开信号的正交展开信号的空间表示信号的空间表示信号的矢量空间表示信号的矢量空间表示有有4个消息要在个消息要在AWGN信道传输，如下图所示。信道传输，如下图所示。（1 1）确定信号空间的标准基函数集；）确定信号空间的标准基函数集；（2 2）画出信号星座图；）画出信号星座图；例题例题例例

7、5 : 4ASK(或或4PAM频带信号频带信号)4.2 AWGN条件下的最佳接收条件下的最佳接收及误码率分析及误码率分析1) 信号的矢量表示信号的矢量表示2) AWGN下的最佳接收下的最佳接收(含含“统计判决理论统计判决理论”)3)误码率分析误码率分析复习：信号的矢量表示复习：信号的矢量表示一、最佳接收机一、最佳接收机u信号解调器信号解调器p相关解调器相关解调器pMF解调器解调器u最佳检测器最佳检测器p最大后验概率准则最大后验概率准则p最大似然准则最大似然准则p最小距离准则最小距离准则1、 相关解调器相关解调器接收信号的正交展开接收信号的正交展开相关解调器相关解调器MF解调器解调器对输入信号的

8、匹配对输入信号的匹配 !问题：问题：匹配于基函数，输出信号和噪声功率为多少？匹配于基函数，输出信号和噪声功率为多少？证明：证明：参见参见(第第4版版)172页页解：解：M=4的双正交信号的双正交信号(eg.4PSK)参见参见(第第4版版)175页页思考：思考：1、需要几个、需要几个匹配滤波器？匹配滤波器？2、第一个匹、第一个匹配滤波器输出配滤波器输出的信噪比？的信噪比？3、相对于、相对于4个个输入信号，考输入信号，考虑信道噪声两虑信道噪声两个匹配滤波器个匹配滤波器输出的信号为输出的信号为多少？多少？双正交信号双正交信号解：解：2、最佳检测器、最佳检测器已经解决的问题：已经解决的问题：提出问题：

9、提出问题：结结 论论最小欧式距离准则的证明思路最小欧式距离准则的证明思路如果所有信号具有如果所有信号具有相同的能量，相关相同的能量，相关度量可写成度量可写成rsm最佳最佳AWGN接收机的实现形式接收机的实现形式注意：注意：1、要求先验等概；、要求先验等概；2、与所有发送信号进行相、与所有发送信号进行相关，而不是基函数的相关。关，而不是基函数的相关。如果所有信号具有相同如果所有信号具有相同的能量？的能量？总结：最佳接收机总结：最佳接收机信号解调器信号解调器p相关解调器pMF解调器最佳检测器最佳检测器p最大后验概率准则p最大似然准则p最小距离准则参见参见(第第4版版)179页页The receiv

10、ed signalZero mean Gaussian noise Tyrnb2212exp21nbnrsrp2222exp21nbnrsrp解解:22112exp2nbnrppsrpPMsr,22222exp211nbnrppsrpPMsr,121, 1sPMPMsr,sr,bbbrrppPMPM2exp12221sr,sr,122,1ln2spprrbbb ppNrb1ln410s1s2ppNh1ln410threshold:depends on N0 and pwhen p=0.5, h=0二、最佳接收机的误码率分析二、最佳接收机的误码率分析思路分析（以思路分析（以“ML准则准则”为例）

11、为例）p画出接收机结构画出接收机结构p似然函数（高斯分布：均值和方差）似然函数（高斯分布：均值和方差）p划分判决区域（根据最小距离准则）划分判决区域（根据最小距离准则）p得出误码率得出误码率二进制调制的错误概率二进制调制的错误概率1）2PSK2）正交信号1、2PSK由接收信号得到的解调器输出由接收信号得到的解调器输出nErb发送信号发送信号 tgtstgts21,0201exp1NErNsrpb0202exp1NErNsrpb02/ 1)()(21hsPsP)|()()|()(2211sePsPsePsPPb011drsrpseP02222002001122exp212exp21exp100N

12、EQdxxdxxdrNErNdrsrpsePbNENEbbb误码率误码率n: variance is =N0/2In such a case, h=0 0,2exp212xdttxQx xdttx02exp2erf 2erfc21xxQ xdttxx2exp2erf1erfc复复 习习bEd21202122NdQPb误码率仅仅取决于比特信噪比。误码率仅仅取决于比特信噪比。如果采用如果采用欧氏距离欧氏距离来表示，则表示为来表示，则表示为02122121NQsePsePPbb21241dEb注意：不同信号相同的矢量表示注意：不同信号相同的矢量表示基带基带2PAM频带频带2PAM（2PSK）基带基带

13、PAM频带频带2PAM频带频带2PAM2、二元正交信号、二元正交信号两个信号的向量表示为两个信号的向量表示为bbbEdEsEs20,01221如果如果发送为发送为s1，则解调器输出端的接收向量为，则解调器输出端的接收向量为2121,nnErrbr错误出现在错误出现在 C(r,s2) C(r,s1)，所以，所以12121bP ePP nnE sr sr sbbbQNEQEnnP012bEd21202122NdQPb如果采用如果采用欧氏距离欧氏距离来表示，则表示为来表示，则表示为21221dEb 因为因为n1和和n2是均值为是均值为0，方差为，方差为No/2 且相互独立的高且相互独立的高斯随机变量

14、，所以斯随机变量，所以n2-n1是均值为是均值为0，方差为，方差为No的高斯随机的高斯随机变量变量.Binary signals 和二进制双极性和二进制双极性信号相比，要达到同信号相比，要达到同样的错误概率，正交样的错误概率，正交信号的能量需增加一信号的能量需增加一倍，即正交信号的性倍，即正交信号的性能劣于双极性信号能劣于双极性信号3dB，这是由于两个，这是由于两个信号点之间的距离引信号点之间的距离引起的。起的。例题：例题：OOK的误码率分析的误码率分析02122NdQPb0012NEQNEQb解解:例题：例题：教学思考教学思考n等效低通表示等效低通表示(同相分量和正交分量、实部和虚部）同相分

15、量和正交分量、实部和虚部）n矢量空间表示相同，仅仅是基函数不同，误码率分析是否矢量空间表示相同，仅仅是基函数不同，误码率分析是否一样？（比如带通信号和等效低通信号？）一样？（比如带通信号和等效低通信号？）n误码率分析和前面的误码率分析方法是否一致？误码率分析和前面的误码率分析方法是否一致？4.34.3带通信号和系统的等效低通分析带通信号和系统的等效低通分析一、希尔伯特（一、希尔伯特（Hilbert）变换）变换3、结论：、结论： tf tft12、性质：、性质：1、定义：、定义：如果用如果用 表示信号表示信号 的希尔伯特变换，则：的希尔伯特变换，则： tf tf ttftfHtf1和和 幅频特性

16、相同。幅频特性相同。 tf tf比比 相位滞后相位滞后90o。 tf tf 1h t,j0Hjsgnj0jF0FjsgnFjF0t 例题：例题： 。的计算tftcostf0解：解： tsin2-tcos(tf00)Assume the passband signal f(t) is real valued. fc-fcF(f) 0,0,ffjFffjFfFtf 0,0,ffFffFfFjtf jTherefore we have 0, 00,2fffFfZtf jtftz二、解析信号二、解析信号解析信号的性质解析信号的性质例题例题22.12.1ojf te例确定是否是解析信号。2.12.2(

17、)cos2of tf t例已知，求其解析信号。三、带通信号的等效低通表示三、带通信号的等效低通表示1带通信号（频带信号）带通信号（频带信号）定义：定义：信号信号f (t)称为是带通的，指它的称为是带通的，指它的Fourier变变换换F( f )集中在某一个频率附近。集中在某一个频率附近。通信中，带通信号通常是指窄带信号。它指通信中，带通信号通常是指窄带信号。它指信号频谱在某个高频信号频谱在某个高频 f0 附近一个小领域上不为零，附近一个小领域上不为零，在其它地方为零。在其它地方为零。 2、如何得到带通信号的等效低通表示？、如何得到带通信号的等效低通表示？2）把）把 Z(f)向左移向左移 f0

18、，得到，得到f(t) 的低通等效表示的低通等效表示如何得到带通信号如何得到带通信号f f( (t t) ) 的复包络表示（即等效低通表示）？的复包络表示（即等效低通表示）？1)1)首先在频域上删除首先在频域上删除 F(f) F(f)的负频分量，再乘以的负频分量，再乘以2 2，得到，得到 z(t)z(t)的频谱的频谱 Z(f)Z(f)注：等效低通信号的能量为频带信号的注：等效低通信号的能量为频带信号的2倍。倍。例题例题22.13.1( )W(1)( )( )(2)( )cos2( )cos2ojf toom ts tm t em tf tm tf t例 令为基带信号，其带宽为确定是解析信号的条件

19、。求的希尔波特变换。(3)求的等效低通信号。总结：带通信号的低通表示总结：带通信号的低通表示以以“理想带通系统理想带通系统”为例为例四带通系统的低通表示四带通系统的低通表示带通系统如何低通表示？带通系统如何低通表示？五、频带信号通过带通系统五、频带信号通过带通系统例题例题解：解： lPf可以证明：为实函数。 =lPfP f如果为实偶函数，则？练习练习教学思考教学思考n等效低通表示等效低通表示(同相分量和正交分量、实部和虚部）同相分量和正交分量、实部和虚部）n矢量空间表示相同，仅仅是基函数不同，误码率分析是否矢量空间表示相同，仅仅是基函数不同，误码率分析是否一样？（比如带通信号和等效低通信号？）一样？（比如带通信号和等效低通信号？）人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。