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通信專業(yè)外文翻譯--基帶信號解調(diào)與檢測-資料下載頁

2025-01-07 03:19本頁面
  

【正文】 () 圖 BP 與 0NEb 的關系曲線 數(shù)字通信系統(tǒng)性能最重要的度量之一是誤碼率 BP 與 0NEb 的關系曲線(見圖 ),若 00 xNEb ? ,則 0PPB ? 。無量綱比值 0NEb 是數(shù)字通信系統(tǒng)性能的一個標準指標,PB P0 x0 E b /No 0NEb = )( RWNS For Eb /No ? x0 , PB? P0 畢業(yè)設計 (專業(yè)外文翻譯 ) 3 可以將系統(tǒng)所需的 0NEb 作為比較兩個通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣的量度:在給 定差錯概率的條件下,所需的 0NEb 越小,檢測的準確性就越高 . 0NEb 作為度量指標的原因 初學數(shù)字通信的讀者可能會懷疑參數(shù) 0NEb 的有用性。在模擬通信中, NS 是一個非常有用的指標,其分子表示期望保持的傳輸功率大小,分母表示噪音干擾的大小。但為什么在數(shù)字通信中要使用與之不同的指標(每比特能量與噪聲功率譜密度之比值)呢?下面給出對這個問題的解釋。 在 節(jié)中,我們將功率信號定義為平均功率有限而能量無窮大的信號,而將能量信號定義為平均功率等于零而能量有限的信號。這樣的分類在對模擬信號和數(shù)字信號做比較時是非常有用的。我們將模擬信號歸類為功率信號。這有什么意義呢?通常模擬波形的持續(xù)時間為無限長,不需要做分割或加時間窗。對時域無限的電信號波形而言,其能量為無窮大,因此不能用能量來描述該信號。對模擬信號而言,功率(或能量傳輸速率)是一個更有用的參數(shù)。 然而,數(shù)字通信系統(tǒng)采用時間長度為碼元間隔 sT 的波形來發(fā)送和接收碼 元。每個碼元的平均功率(在整個時間軸上取平均)等于零,所以功率不能用于描述數(shù)字信號。因此對于數(shù)字信號應該采用能在時間窗內(nèi)度量信號的測度。換而言之,碼元能量(功率在 sT 上的積分)是一個更適合于描述數(shù)字信號波形的參數(shù)。 接收能量可以很好地描述數(shù)字信號,但這還沒有說明為什么 0NEb 是數(shù)字系統(tǒng)的一個很好的指標。數(shù)字波形是代表數(shù)字信息的媒介,信息可能包含 1 比特(二進制)、 2 比特(四進制)、 ?? 、 10 比特( 1024 進制)等。與這種離散信息結 構完全不同,模擬通信系統(tǒng)的信息源是無限量化的連續(xù)波。數(shù)字系統(tǒng)的衡量指標必須在比特級上比較兩個系統(tǒng)的性能。因為數(shù)字信號波形只可能包含 1比特、 2比特、 ?? 、10 比特等的信息,所以用 NS 無法對數(shù)字信號進行描述。例如,若給定差錯概率,某二進制數(shù)字信號所需的 NS 是 20。注意,數(shù)字信號波形與其包含的數(shù)字含義等價。因為二進制波形包含 1 比特信息,所以每比特所需的 NS 是 20。若信號是 1024 進制,所需 的 NS 仍為 20。由于該波形包含 10 比特信息,所以每比特所需的 NS 為2。由此產(chǎn)生一個問題,為什么不用更適合的參數(shù) —— 比特級別上的能量相關參數(shù)0NEb 來描述這個指標呢?與 NS 相同, 0NEb 也是一個無量綱比值。 畢業(yè)設計 (專業(yè)外文翻譯 ) 4 下列表達式證明了這點:0NEb =焦耳 /瓦每赫茲 =瓦 .秒 /瓦 .秒 2 碼間干擾 如圖描述了典型數(shù)字通信系統(tǒng)的濾波問題。整個系統(tǒng)(發(fā)送機、接收機和信道)中有各種類型的濾波器(以及惰性電路元件,如電感和電容)。在發(fā)送端,將脈沖或電平形式的消息符號進行調(diào)試,經(jīng)濾波后變成符合帶寬要求的脈沖。對于基帶系統(tǒng),信道(電纜)中存在的分布電抗使脈沖信號發(fā)生失真。一些帶通系統(tǒng)(如無線系統(tǒng))通常是衰減信道,這類信道相當于不期望的濾波器致使信號發(fā)生失真。為了補償發(fā)射機和信道引起的失真,接受濾波器通常是均衡濾波器或接受 /均衡濾波器。圖給出了這類系統(tǒng)的一個簡單模型,它將所有的濾波作用等效為一個系統(tǒng)傳 輸函數(shù) : ? ? ? ? ? ? ? ?fHfHfHfH rct? () 其中, ? ?fHt 表示發(fā)送濾波器, ? ?fHc 表示信道內(nèi)的濾波器, ? ?fHr 表示接受 /均衡濾波器。 ??fH 代表整個系統(tǒng)的傳輸函數(shù),綜合了發(fā)射機、信道和接收機鏈路中所有的濾波作用。在一個二進制 PCM 通信系統(tǒng)中(如 NRZL),檢測器根據(jù)接收 信號的采樣與門限值的比較做出判決。例如圖中的檢測器,若接受信號大于零,則判決發(fā)送比特為 1;若小于零,則判決比特為 0。由于系統(tǒng)的濾波作用,接收脈沖之間會發(fā)生交迭,見圖。脈沖出現(xiàn)拖尾占據(jù)了相鄰碼元間隔,從而干擾了信號檢測過程,進而造成誤差性能的降低;這類干擾稱為碼間串擾( ISI)。即便沒有噪聲,濾波和信道引起的失真也會導致碼間串擾。在某些情況下, ? ?fHc 是固定的,問題就變?yōu)槿绾未_定 ? ?fHt 和 ? ?fHr ,從而使 ? ?fHr 的輸出信號獲得最小的碼間串擾。 奈奎斯特研究了接收端不產(chǎn)生碼間串擾的接收脈沖形狀問題。他證明:要使碼元速率為 sR 碼元 /s 的信號不存在碼間串擾,理論上所需的最小系統(tǒng)帶寬為 HzRs 2 。最小系統(tǒng)帶寬成立的條件是,系統(tǒng)傳輸函數(shù) ??fH 是如圖所示的矩形函數(shù)。對于基帶系統(tǒng), ??fH 是單邊帶寬為 T21 的矩形函數(shù)(理想奈奎斯特濾波器)時,系統(tǒng)的沖擊響應即 ??fH 的傅里葉逆變換為 ? ? ? ?Ttth sin? , ? ?Ttsin 稱為理想奈奎斯特脈沖,它的多重波瓣包括一個主瓣和多個旁瓣,旁瓣又稱為主瓣的前后尾隨脈沖,向兩邊無限延伸。奈奎斯特證明,若接收序列的每個脈沖都是 ? ?Ttsin 形狀,則脈沖序列的檢測不受碼間串擾的影響。圖說明了避免碼間串擾的原因。圖中有兩個相鄰脈沖 ??th畢業(yè)設計 (專業(yè)外文翻譯 ) 5 和 ? ?Tth , ??th 具有很長的尾隨脈沖,但在 ? ?Tth 的采樣點即 t=T 時刻 ?? 0?th ,同樣地,在脈沖 ? ?kTth ( k =? 1, ? 2, ? . )的采樣時刻 ??th 的所有旁瓣取值都為零。由此可知,若采樣時刻準確就不存在碼間串擾。對于基帶系統(tǒng),無碼間串擾地檢測碼元速率為 T1 的脈沖(碼元)所需帶寬為 T21 ;換而言之,帶寬 HzRTW s 221 ??的系統(tǒng)在保證無碼間串擾的條件下能夠支持的最大傳輸速率為 sRTW ??12 碼元 /s(奈奎斯特帶寬限制)。由此可見,理想奈奎斯特濾波系統(tǒng)(保證無碼 間串擾)毎赫茲的最大可能傳輸速率(稱之為碼速壓縮)為 2 碼元 /s/Hz。理想奈奎斯特濾波器的傳輸函數(shù)形狀為矩形,其相應的沖激響應為無限長,顯然該濾波器是不可實現(xiàn)的,只能近似實現(xiàn)。 目標和權衡 信號的頻譜越窄,允許的數(shù)據(jù)速率就越高,同時接受服務的用戶數(shù)也越多。這對通信服務提供商具有非常重大的意義,因為可以用帶寬的利用率越高收益就越多。大部分的通信系統(tǒng)(第 12 章的擴頻系統(tǒng)除外)的目標是盡可能的減少系統(tǒng)所需帶寬。奈奎斯特給出了降低系統(tǒng)帶寬的極限。如果系統(tǒng)帶寬會出現(xiàn)什么狀況呢?脈沖的時域范圍會擴展,產(chǎn)生的碼間串 擾會降低系統(tǒng)的誤差性能。因此合理的目標是,壓縮數(shù)據(jù)脈沖使之具有比奈奎斯特最小帶寬稍大的帶寬。這可以用奈奎斯特濾波器進行脈沖形成來實現(xiàn)。如果濾波器的頻帶邊緣比較陡峭,接近圖中的矩形,則信號頻譜達到最窄。但是,這種濾波器沖擊響應的持續(xù)時間接近無窮大(見圖),整個序列的脈沖相互交迭。時域?qū)挼臎_擊響應,對應在頻域中的特性是每一個主瓣附近都有大振幅的旁瓣。這些旁瓣是不受歡迎的,因為由圖可知,只有在正確的采樣時刻采樣才不存在碼間串擾;當旁瓣電平很大時,很小的采樣定時偏差就會導致碼間串擾。所以,雖然窄帶頻譜信號能夠提供最 佳的帶寬利用率,但是它對定時誤差引起的碼間串擾非常敏感。 差錯性能劣化的兩種類型 數(shù)字通信系統(tǒng)中差錯性能的降低有兩種情況。第一種,由于接收信號能量的降低或者噪聲(干擾信號)能量的增加導致信噪比 0NEb 的減少,從而使得性能下降;第二種歸因于信號失真,例如由碼間串擾引起的失真。下面討論這兩種情況的差別。 假定需要設計的通信系統(tǒng),其吳比特率(誤碼率)與 0NEb 的關系曲線是圖中的實踐。假設已構造好系統(tǒng),測試系統(tǒng)性能可以發(fā)現(xiàn)吳比特率與 0NEb 的關系曲線畢業(yè)設計 (專業(yè)外文翻譯 ) 6 并不是理論曲線,而是圖中的虛線。由于信號減衰和噪聲(干擾)電平的提高,造成信噪比 0NEb 的減衰。假定期望誤比特率為 105 ,那么理論上所需的 0NEb 為10dB。誤比特率相同的情況下,由于系統(tǒng)性能的下降所需的 0NEb 升至 12dB(由圖中虛線可知)。若無法解決減衰問題,為達到相同的誤比特率需要多 提供多少的0NEb 呢?答案是 2dB。這是一個很嚴重的問題,特別在系統(tǒng)是功率限制時,多提供 2dB 的信噪比是很困難的。然而,與信號失真引起性能下降相比,信噪比的降低還不算十分可怕。 仍假定系統(tǒng)不滿足實踐所示的期望性能,如圖所示。此時不是簡單的信噪比減損,而是存在由碼間串擾引起的系統(tǒng)性能下降(如圖中虛線所示)。若無法解決這個問題,為了達到期望的誤比特率,又要多提供多少信噪比呢?答案是無窮大,也就是說沒有辦法實現(xiàn)。當曲線達到不能再減小 BP 點時(假定最低點高于系統(tǒng)要求的BP ),增大信噪比也不能改善差錯性能。毫無疑問,每條 BP 與 0NEb 關系曲線的最低點可以落在任何地方,該點若在考慮的區(qū)域之下就不會造成什么影響。 增大信噪比不能解決碼間串擾問題(若 BP 曲線達到了最低點,增大信噪比不可能解決問題)。觀察圖中的交疊脈沖可以推斷出這個結論:若增大 0NEb ,交疊脈沖的比例不會減少,波形是真情況相同。那么如何解決碼間串擾問題呢?通常是采用均衡(見 節(jié))。既然碼間串擾是發(fā)送機和信道的濾波作用引起的,那么可以將均衡看做非最佳濾波的逆過程。 3 信道特性 許多通信信道(如電話、無線信道)的傳輸特性相當于沖激響應為 ??thc 的帶限線性濾波器,其頻率響應為 ? ? ? ? ? ?fjcc cefHfH ?? () ??thc 和 ? ?fHc 是傅里葉變換對, ? ?fHc 是信道的幅頻響應, ??fc? 是相頻響應。 節(jié)已證明,要實現(xiàn)信道的理想(無失真)傳輸,必須滿足在信號帶寬 W 范圍內(nèi)? ?fHc 是常數(shù), ??fc? 是頻率的線性函數(shù)(即對信號的所有頻率分量,時間延遲為常數(shù))。 如果在 W 范圍內(nèi) ? ?fHc 不是常數(shù),則會引起振幅失真 ;如果 ??fc? 在 W 范圍內(nèi)不是頻率的線性函數(shù),則會引起相位失真,許多信道(如衰落信道),振幅和相位失真通常會同時存在。在傳輸脈沖序列時,這種失真表現(xiàn)為信號彌散或拖尾,因此畢業(yè)設計 (專業(yè)外文翻譯 ) 7 解調(diào)序列中的波形有明顯的形變。波形重疊或拖尾稱為碼間串擾,它存在于大部分調(diào)制系統(tǒng)中,是在有帶寬限制的信道中實現(xiàn)可靠高速傳輸?shù)闹饕系K之一。 均衡可分為兩大類,如圖所示。第一大類是最大似然估計 ,需要獲得對 ??thc 的估計,調(diào)整接收機使之適應傳輸環(huán)境。這種調(diào)整 的目的是使檢測器根據(jù)已失真的解調(diào)脈沖序列做出更好的估計。采用 MLSE 接收機,并不是對失真采樣進行重新整形或其他的直接補償,而是調(diào)整其本身以更好地處理是真波形。第二類是均衡濾波器,即用濾波器補償信號失真。在這類均衡器中,解調(diào)樣值序列經(jīng)均衡器消除碼間串擾( ISI)后輸入檢測器。本節(jié)將介紹比較常用的均衡濾波器,這類均衡器還可以進一步的劃分。一種劃分方法是根據(jù)濾波器的結構,可分為只含前饋單元的線性系統(tǒng)(橫向濾波器)和既有前潰單元又有反饋單元的非線性系統(tǒng)(判決反饋均衡器);也可以根據(jù)他們的自適應性分為預置式和自適應式 ;還可以根據(jù)濾波器的分辨率和更新速率進行分類。被檢測信號可以是碼元邊界的采樣值(即每個碼元只采樣一次),這種采樣稱為按碼元間隔采樣;也可以對每個碼元做多次采樣,這種采樣稱為按部分碼元間隔采樣。 用分離的接收濾波器 ? ?fHr 和均衡器 ? ?fHe 代替式( )中的接收 /均衡濾波器,整個系統(tǒng)的傳輸函數(shù) ??fH 是升余弦函數(shù),記為 ? ?fHRC ,于是有 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?fHfHfHfHfH erctRC ? () 在實際系統(tǒng)中,不可能充分已知信道的頻率傳輸函數(shù) ? ?fHc 及其沖擊響應 ??thc ,因而設計不出在任意時刻都有無碼間串擾的傳輸機。通常選擇相匹配的發(fā)送濾波器和接收濾波器,使之滿足下列表達式: ? ? ? ? ? ?fHfHfH rtRC ? () 這樣, ? ?fHt 和 ? ?fHr 的頻率傳輸函數(shù)都是生余弦函數(shù)的平方根(平方根升余弦函數(shù))。用于補償信道失真的均衡器的傳輸函數(shù)就是信道傳輸函數(shù)的倒數(shù): ? ? ? ? ? ?f1(f)1 cjcce efHHfH ??? () 有時根據(jù)需要特意選擇在采樣點存在碼間串擾的頻率傳輸函數(shù)(如高斯濾波器傳輸函數(shù)),其目的是提高帶寬利用率。此時均衡濾波器的任務不只是補償信道,還要補償發(fā)送濾波器和接收濾波器引起的碼間串擾。
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