简单的网站后台管理系统,东莞营销型网站外包,学服装设计的就业方向,平阴网站建设费用深入浅出通信原理 文章目录 深入浅出通信原理前言一、概述二、信号和频谱2.1 信号2.2 信号的分解与合成2.3 傅里叶变换的特性2.4 离散傅里叶变化 三 信道3.1 衰减和损耗3.2 多普勒效应 四 信源编码4.1 采样4.2 量化4.3 编码 五 基带信号的发送和接受5.1 脉冲成形5.2 眼图 六 频…深入浅出通信原理 文章目录 深入浅出通信原理前言一、概述二、信号和频谱2.1 信号2.2 信号的分解与合成2.3 傅里叶变换的特性2.4 离散傅里叶变化 三 信道3.1 衰减和损耗3.2 多普勒效应 四 信源编码4.1 采样4.2 量化4.3 编码 五 基带信号的发送和接受5.1 脉冲成形5.2 眼图 六 频带信号的发送和接受6.1 模拟调制6.1 .1 幅度调制6.1 .2 双边带调制6.1 .3 单边带调制6.1 .4 IQ调制正交调制6.2 数字调制6.2 .1 PSK/BPSK/QPSK调制6.2 .2 QAM调制6.3 变频技术6.4 采样技术 7 天线技术7.1 多天线技术7.1.1 分集技术SIMO7.1.2 MIMO 8 复用和多址技术8.1 OFDM8.1.1 OFDM调制8.1.2 OFDM解调 总结 前言
由于个人能力的原因请带着疑问的方式去阅读本文准确答案参考书中为标准
阅读《深入浅出通信原理----陈爱军》笔记无图可以对照的书去看有页码标志。非通信人定性的去理解 有很多理解不对的地方 望提出宝贵意见不断交流。
重点结论知识点都在灰色框里其他知识都是这些的衍生。 一、概述
例子话筒和听筒之间的信号处理过程声音—电流—声音即用电流的变化表示声音的变化。 除了这种模拟的电流信号使用数字信号0或者1来代替表示某个值。 有线信号电平的高低。线路会衰减因此可以加放大器或者中级器 无线信号
简单的通信系统信息—信源—电信号—信宿 一般由
信源发信机信道 无线和有线。对于有线就是电平。无线就是载波符号 后面都是围绕这一个开始展宽详细说明
无线信号发送
信源编码模数转换使用AD转换器采样和量化过程—压缩编码信道编码和交织有了数字信号为了防止信号的干扰因此加入了冗余信号。防止出现连续错误则用交织。即信道编码加冗余—交织防止连续错误—去交织—信道译码脉冲成形在信道中传输不能传0101的数字天空上也不可能一串串数字在天上飘而是用一个波形来表示0101如矩形脉冲或者sinc调制脉冲成形的信号是不适合直接在天上传播的要直接传也行但是频率太低传不远因此需要将信号调制到高频载波信号上。这个也是信号信息的体现可以将高频信号去掉之后就是脉冲成形的波形然后这个波形表示的数字就解出来了。一步一步剥开。
二、信号和频谱
这是最基础的理解了这个才能往下学。
另外再看书的时候注意横坐标是f还是t这个要弄清楚
2.1 信号
首先记住一个基本概念这个概念贯穿整个信号与频谱的学习任何信号都可以分解为一些列不同频率的基本信号之和。这个基本信号可以是正弦信号正 余统称正弦、也可以是复指数信号。
正余弦或者复指数信号计数的时候很方便一般计算的时候都变换为复指数信号来计算的特点积分特性正交特性。 tip: 先分清楚什么是复数cos jsin 。复数是一个点要区别复指数信号但后来欧拉统一了。为了理解复数用复平面的向量来表示记住它实质就是一个点。那么复数和复指数的关系复数和复指数相乘就是将这个点在复平面上进行旋转。 在认识复指数欧拉公式可知复指数可以转换为复数复指数其实也是一个点如果说给一个变化的时间那么这个点连续变化就是复指数信号注意这里多了一个信号 小结也就是一个复数本质就是两路信号两路信号的结合就是复信号可以没有虚数这个只是为了方便表示。 信号的相和相位 相是一个状态或者说是一个趋势如递增或者递减这个状态 相位代表此时的某个值。 0相位和初相要结合f0 或者f0来确定。这里看书吧 小结前面的重要的是理解什么是复数复指数复信号的本质就ok了。本质就是两路信号的在复平面上的叠加成一个点然后不断地随时间变化或者说是w变化形成了一条线。 2.2 信号的分解与合成
P76: 傅里叶级数 tip周期信号就是傅里叶级数非周期的就是傅里叶变换 之前说到任何信号都可以分解为一些列不同频率的基本信号之和。这个基本信号可以是正弦信号正 余统称正弦、也可以是复指数信号。对于矩形波也如此低频确定整体形状高频确定细节。
之前说到基本信号又两种正弦 和 复指数都可以合成矩形波。
周期信号的傅里叶级数展开一个直流分量一系列复指数信号分量之和其中复指数信号的参数包括Ck和频率w
重要:Ck*e^jkwtCk傅里叶系数一般是复数或者理解实数是复数的特殊形式即j的幅度为0kwj就是不同的频率之前说到一个复数乘一个复指数就是旋转那么这样不断地旋转再加上不同的kw值不同频率的信号就是合成一个矩形波。 小结一个复数的旋转e^jwt只有kw变化那么只需要求得不同kw下的Ck,就知道复数中的IQ值了IQJ 表示一个复数**有了I和Q值是不是就可以代表某个二进制的信号这就是信号的传递了 P80: 为了方便表示周期信号这里用傅里叶系数已经通过数学的方式表示了但是不直观因此有了频谱. 理解频谱图Ck代表的是iq两路信号合在一起成为了一个复平面上的点或者说是向量这个复平面上的点的参数有两个一个是幅度这个向量的模一个是相位向量已经旋转的角度。那么e^jwt的作用暂时理解为用来旋转用的。那么相位谱就是向量已经旋转的角度幅度谱就是这个向量的模横轴就是频率。三维谱就是相位向量的指向。
P94:
傅里叶变化求非周期信号的频谱或求由频谱求信号 傅里叶正变化求非周期信号的连续谱。步骤就是非周期型号的周期延拓得到周期信号然后用傅里叶级数的方式求得傅里叶系数Ck在Ck/f0,再将T区域无穷就得到傅里叶正变换。即先转换为周期求得Ck之后再转非周期 傅里叶逆变换由连续谱求非周期信号。步骤就是先采样…求Ck…再用Ck进行傅里叶级数展开得到周期信号再将T区域无穷大。 小结如何求非周期信号的频谱有如何从频谱返回得到原始的非周期信号。 正逆变换的核心点在于使用傅里叶级数。使用傅里叶级数的核心点在于求Ck P98: **注意理解这一页**矩形信号和傅里叶是sincsinc的傅里叶是矩形信号。其实这里是对称的特性偶函数的傅里叶变化就是原始信号先傅里叶再傅里叶即两次傅里叶就又变成原始信号了。 P99: 理解 单位冲击信号的变化先记住一个点周期信号的频谱离散非周期的连续。另外一个点就是
sinc的频谱是非周期矩形连续当sinc不断缩小变成冲击信号那么本该是矩形的矩形的上变宽是不是就变成一条直线了因此冲激信号的频谱是一条线。
2.3 傅里叶变换的特性
上面讲了傅里叶变化的基础理论。下面说特性 下面的都是重要特性 信号的延迟时域的延迟就是频域的旋转。 信号的乘积就是频域的卷积频域的乘积就是时域的卷积。 p125 信号的乘积调制和采样就是信号相乘在频域就是卷积 信号的卷积过系统就是信号的卷积不管是离散系统还是连续系统 2.4 离散傅里叶变化
前面讲的是连续的信号该节是离散的 离散的不适合在计算机中处理因此要推离散的公式。
正变化使用N的采样点经过变换后输出N个频域的点。时域离散频域也离散连续非周期信号频谱连续离散非周期信号频谱离散 逆变换频域的N点数据输出的时域也是N点数据。 小结1对于离散信号来说正变换的本质就是连续的时域信号采样点N做周期延拓得到周期信号这个周期信号做傅里叶变换我理解为傅里叶级数因为这是对周期信号求解得到Ck。对于逆变换来说本质就是有了Ck,然后通过傅里叶级数加权求和得到连续的信号在对这个连续的信号采样得到离散的原始信号 小结2非周期连续信号的正逆变换使用到了傅里叶级数正变换从非周期变成周期然后求Ck再T无穷小。,或者逆变换是从频谱得到的Ck加权求和成为傅里叶级数再使得 T无穷大得到非周期信号。这个离散的非周期信号也理解为使用到傅里叶级数区别在于是非周期连续信号还是非周期离散信号其本质的推导正逆变换都类似。非周期离散的也是先周期化然后求Ck.。逆变换频到时域也是类似的先由Ck得到傅里叶级数再采样一个时钟周期的点。即非周期离散信号和非周期连续信号的正逆变换都是借用了傅里叶级数l来实现的 P138 采样点数N和频谱坐标K的关系K属于0~N-1。如果K不加限制则频谱是以N为周期进行循环的如-1HZ那就在k8的位置。 DFT得到的数值需要除采样点数得到的值就是信号的傅里叶系数。 P141
对一个连续信号采样得到离散信号对这个离散信号进行傅里叶变化得到的Ck其值和连续信号的傅里叶变换是一致的。
三 信道
P153 对于无线传输信道就是天空或者线路空中有干扰因此信号传输的带宽有限制 信道容量:最大传输速率 C Blog2(1S/N) 3.1 衰减和损耗
路径损耗:距离原因大尺度衰落遮挡小尺度衰落多径传播也就是出现延迟出现信号的叠加可能是增强也可能是衰减
相干带宽Bc1/tao.
选择信衰落如果信号的带宽远大于想干带宽不同频率成分经过多径传输后到接收机的幅度增益差别很大。即多频率传输需要满足想干带宽否则一些频率会被弱化。
平坦衰落避免失真BBc;不同频率的幅度增益相差不大
3.2 多普勒效应
多普勒效应会造成发射频率和接受频率不一样。
如果多普勒效应多径传输接受信号的频率就被扩展。
相干时间多径信道的想干时间 Tc1/fd ; fd为多普雷平移
快衰落和慢衰落符号的想干时间远大于想干时间符号持续器件的信号幅度波动很大为快衰落反之TTc为慢衰落 小结信道有信道容量。其中衰落都是幅度的波动有增有减导致这个的原因有多径多普勒因此引入了相干带宽和相干时间分别确保信号带宽和符号的长度。 四 信源编码
模拟信号进来开始AD转换模数转换采样 和量化之后就是压缩编码。
首先看采样需要知道的理论
4.1 采样
**采样的原理**时域看就是采点频域看就是周期延拓。一般来说采样为2f即可但是如果点都在零点就有问题了。
频率混叠d对于基带信号频谱上零频附近的信号Fs2f。会出现混叠。对于频带信号或成为带通信号带宽在高频处则使用带通采样带通采样可以分为过采样和欠采样基带信号只能是过采样采样频率计算在p279
重建的原理从时域看就是每一个点乘一个sinc函数每一个点的位置不会存在其他信号的干扰点中间的位置就是sinc函数的叠加就奇妙的恢复出原始的连续的模拟信号
4.2 量化
参数
量化级数量化误差量化噪声量化信噪比
对于量化来说分为各种量化方法均匀、非均匀
4.3 编码
量化后的信号通过二进制表示、可以压缩
五 基带信号的发送和接受
5.1 脉冲成形
数字信号不可能直接在信道中发射一般是需要转换成脉冲信号。如矩形脉冲信号
P222 考虑矩形脉冲的频谱是怎么样的,就是一个sinc函数且含有 很多小尾巴频谱是无线的。 为了发一个适合的波形即频谱上看频率选择是有限的那就发sinc函数sinc的频谱是矩形之前讲过傅里叶变换的偶函数对称性
P224我们这里考虑发基带信号即不做调制 从时域上看发1010那么先发0 sinc就是正的1就是sinc是负的。发了一个sinc之后隔一段时间再发一个sinc这个一定从时域去理解。
接受的时候我就会从时域上接受到这个sinc的时域波形我会对这个波形进行采样如此恢复出1010
如何实现这个sinc波形呢 P225 图上是单位冲击响应出入到一个LPF这个系统就可以得到。一个冲激信号的频谱是一条直线可以是正的也可以是负的一个低通滤波器的频谱是一个矩形一个直线可以是正的也可以是负的乘一个矩形就是得到一个可以是正的或者是负的在时域上的sinc函数。
sinc函数的发送间隔取1/(2B) ,B是低通滤波器的带宽。码元速率就是R2B 如何理解这个B一般傅里叶变换之后会有负频率这个是由使用复指数信号来做分析得来的如果看图中零频附加的矩形脉冲图中标注了B的位置可以自己从矩形脉冲中间画竖线右边的B就是带宽左边的负频率其实没有用只是计算的时候使用复指数方便计算才有的另外负频谱比如1khz 和 -1khz,就看做一个频率就好了发信号的时候也不会发一个-1khz的信号嘛。 当我们得到这个sinc函数会发现我们其实只需要xsinc函数的最高点并不希望它有很多拖尾。因为两个sinc发送的间隔如果出现定时误差即没有按照1/(2B)的速率来发送那么串扰增大因此我们使用升余弦滚降滤波器就是减少尾巴的幅度注意对信号的处理都是对频率幅度的处理增加减小的都是幅度
5.2 眼图
眼镜越大越好眼图的线越清晰越好表示这码间串扰的强弱 小结:基带信号是数字的要传递数字就需要将数字转换为一个波形可以是模拟的也可以是离散的这个波形可以是矩形的也可以是sinc一般是sinc然后需要对sinc进行处理让尾巴小一点。 六 频带信号的发送和接受
基带信号不适合信道的传输因为长距离天线等等各种原因。因此需要将这个脉冲成形的信号调制到高频载波上
调制是什么就是通过基带脉冲成形的数字或者模拟信号去改变高频的信号。这里需要明白脉冲成形的信号可以是模拟的就是连续的波形也可以是数字的离散的波形数据
调制分为两种模拟和数字
6.1 模拟调制
比如时域上只有一个sinc函数脉冲成形的波形这个sinc去乘cos就可以另外一个波形如果是连续的sinc就得到连续的波形
6.1 .1 幅度调制
P235 图中的低频电信号或者可以说为脉冲成形的一个波形sinc函数组成的时域信号将这个波形和高频载波相乘得到另外一个时域的波形。这个就是调制。脉冲成形的波形幅值必须大于0
解调的方法看书上
6.1 .2 双边带调制
幅度调制携带了不用的信息则引出了双边带调制
解调相干解调
6.1 .3 单边带调制
P243:
双边带调制会占用更多的带宽:图中解释本来脉冲成形的信号是基带信号包括负频率和正频率调制的时候看图中正频率和负频率是不是增加之前正和负频率的两倍计算的时候是正的和负的频率都要有**发送的时候只看正的。**
解调相干解调
6.1 .4 IQ调制正交调制
之前是一路模拟信号脉冲成形的信号过来乘一个高频载波现在是两路信号分别乘cos和sin然后合在一起发射出去。 IQ调制原理因为是正交的输入的两路信号先从信号为一个点来看也就是代表着是一个向量这个向量乘上cos或者sin也就是乘乘上了这个旋转。随着时间的变化会发现两个分别的乘积在三维图上是不相干的一直是垂直的所以不相互影响。 解调也是相干解调 小结比如时域上只有一个sinc函数脉冲成形的波形这个sinc去乘cos就可以另外一个波形如果是连续的sinc就得到连续的波形 6.2 数字调制
脉冲成形的信号可能是模拟的也可能是数字的。那么是数字的调制怎么弄呢。
最终本质都是调解高频载波的幅度、相位。模拟调制就是用脉冲成形的波形去改变比如时域上只有一个sinc函数脉冲成形的波形这个sinc去乘cos就可以另外一个波形如果是连续的sinc就得到连续的波形
数字调制也是改变一段波形的方式
6.2 .1 PSK/BPSK/QPSK调制
PSK: 0 和 1 分别表示一段波形相位不同 BPSK:00 11 10 01 分别表示4中波形 …
6.2 .2 QAM调制
逐渐的一个波形可以表示的二进制越来越多 从复平面上看16qam,横坐标表示4个bit的数纵坐标也是4bit的数…以此类推
对于模拟调制一个sinc代表一个bit,也就是一个脉冲成形的波形代表一个bit。
P255: 对于数字调制现将0110转换为矩形脉冲这里的脉冲成形就是矩形脉冲了不是sinc函数这个矩形脉冲在计算机里其实就是一段序列载波信号也是一段序列序列相乘等于对应的序号相乘
BPSK或者QPSK都可以使用IQ调制的方法都是使用星座图去做映射。
需要注意的是要传输的数据才是星座图上的点而IQ坐标系上的坐标值是映射I Q两个信号映射的点才是传输的码元如16QAM的码元为4bit。
这里要理解星座图是通过IQ两路信号来调整信号的相位和幅度。 小结调制就是将脉冲成形后的信号去改变载波信号的幅度和相位。模拟脉冲成型的信号直接和载波相乘的方式数字的信号也可以脉冲成形可以是矩形也可以通过IQ调制的方式即用星座图映射的方式来发信息本质就是IQ信号来控制载波信号的幅度和相位 6.3 变频技术
直接上变频基带直接到频带可以发送的信号 一般使用间接上变频即加一个中频链路。
基带到中频和基带到射频的区别就是乘的载波是中频的载波。中频到射频就是再乘一个射频的载波
6.4 采样技术
基带采样零频附近的信号。只能过采样 带通采样或者称为频带采样。可以欠采样太高频了硬件达不到所以用混叠的特点去做欠采样也可以过采样。
7 天线技术
7.1 多天线技术
7.1.1 分集技术SIMO
一根天线的一个信号分成多路传输这里的多路是指传播不同的发射方向天线还是一根天线接受用2根天线。两个天线收集到的信号选择信的合并理解为弱的用强的代替
这里的SIMOMO是只多路路径发射传输SI指本质只有一路信号接受到的多路信号要做合并的。
7.1.2 MIMO
…
8 复用和多址技术
TDM时分复用。从时间轴来看将信号分为时隙来传输。 FDM:即多个频率的载波一个载波coswt可以调制出一路信号多路就可以传多路 FDMA:动态的FDM,动态的是指动态的分配用户
OFDM/OFDMA:FDM频分复用但是载波之间会有干扰因此增加了保护带宽造成频谱的浪费。如果载波之间是正交的那么就不怕干扰 了。
P317 这里就是很多地方看到的经典的图所有子载波之间是正交的在调制的时候各自使用各自的子载波进行调制就可以清晰的解调出来也就是之前单载波解调的方式。
单个载波的发射就是之前将的多个载波的一起发射怎么做呢?
8.1 OFDM
注意顺序数字bit—星座图映射----IQ数据----先调制到N路正交子载波这例的w0是零频附近的频率----叠加起来得到OFDM基带调制信号注意是基带—IQ调制就是乘上射频载波
8.1.1 OFDM调制
利用IDFT实现OFDM调制
P318 OFDM调制 这里简单理解数字调制和OFDM调制的区别就明白OFDM调制的原理 P320: 原来的数字调制就是数字bit映射到星座图中得到IQ信号然后将IQ信号分别乘cos和sin。现在的ofdm调制就是星座图映射的IQ还是那个IQ但是这个IQ要取找对应自己的那个载波wckw0。本质上就是N路iq调制 一个复数分别取实部和虚部做IQ调制就是将IQ信号分别乘cos和sin 和直接用复数去调制复指数载波取实部。如果9-17 8.1.2 OFDM解调
核心就是求IQ这个复数得到I和Q两路信号再星座图得到数字bit
OFDM符号长度就是载波频率间隔的倒数 1/f
一个符号包含了一段数据比如这里有N个子载波那么就可以解出N个IQ复信号。因此需要使用DFT对OFDM符号解调
IDFT就是将N个频域的样点IQ复信号转换为时域的样点然后再进行IQ调制得到s(t)。
P325 其中DA转换器就是将IDFT得到的时域的信号进行采样得到连续的信号送给模拟的进行IQ调制。后面就是模拟的调制了。
另外这里说的采样率是指这个OFDM符号内一共获得的样本数IQ复信号的数量而不是对一个时域信号采样的点数
P327 例子中用20M带宽的OFDM基带信号举例注意这里是基带信号。 基带信号是零频附近如果调制后其实负频率也会被调制到频带上即负频率也会占用带宽
这里只看OFDM基带信号20M的子载波2048个20_000_000/15_000 1333.33 IDFT取2^N,即2048 因为是基带嘛所以将这个20M分为负和正各10M因此算最高频率为N/2f02048/215khz 15.36MHZ
根据基带信号的采样只能是过采样即使用30.72MHZ来采样因此20MHZ使用30.72.。实际上2048个子载波只有1200个子载波是有调制数据的实际上占用的带宽只有15*1200/29MHZ
最后对于脉冲成形和数字调制、OFDM调制 这里其实有点乱还需要看书去理解顺序后续再对本文章做梳理
总结
