一些通信原理实践中的问题总结(不断更新)
matlab的fft函数的使用
对于实信号经过fft之后幅度需要乘2N\frac{2}{N}N2的原因如下:
首先对于一个实信号可以通过傅里叶级数展开得到
x(t)=A0+∑k=1∞(Ancos(kωt)+Bnsin(kωt))
x(t)=A_0+\sum_{k=1}^{\infty}(A_ncos(k\omega t)+B_n\sin(k\omega t))
x(t)=A0+k=1∑∞(Ancos(kωt)+Bnsin(kωt))
将其写作单边谱的形式为
x(t)=C0+∑n=1∞Cncos(nωt+ϕn)C0=A0Cn=An2+Bn2ϕn=−arctanBnAn
x(t)=C_0+\sum_{n=1}^{\infty}C_ncos(n\omega t+\phi_n)\\
C_0=A_0\\
C_n=\sqrt{A_n^2+B_n^2}\\
\phi_n=-arctan\frac{B_n}{A_n}
x(t)=C0+n=1∑∞Cncos(nωt+ϕn)C0=A0Cn=An2+Bn2ϕn=−arctanAnBn
而写作双边谱的形式为
x(t)=A0+12∑n=1∞(An(ejnωt+e−jnωt)−jBn(ejnωt−e−jnωt))=∑n=−∞∞DnejnωtD0=A0Dn=12(An−jBn)D−n=12(An+jBn)∣Dn∣=12An2+Bn2=12∣Cn∣
\begin{aligned}
x(t) &= A_0+\frac{1}{2}\sum_{n=1}^{\infty}(A_n(e^{jn\omega t}+e^{-jn\omega t})-jB_n(e^{jn\omega t}-e^{-jn\omega t}))\\
&=\sum_{n=-\infty}^{\infty}D_ne^{jn\omega t}
\end{aligned}\\
D_0=A_0\\
D_n=\frac{1}{2}(A_n-jB_n)\\
D_{-n}=\frac{1}{2}(A_n+jB_n)\\
|D_n| =\frac{1}{2} \sqrt{A_n^2+B_n^2}=\frac{1}{2}|C_n|
x(t)=A0+21n=1∑∞(An(ejnωt+e−jnωt)−jBn(ejnωt−e−jnωt))=n=−∞∑∞DnejnωtD0=A0Dn=21(An−jBn)D−n=21(An+jBn)∣Dn∣=21An2+Bn2=21∣Cn∣
从此可以看出单边谱为双边谱的2倍,而matlab的fft是进行复数的变换,得到双边谱,如果要转为单边谱就得乘2。
其次,对于DFS有如下公式:
x[n]=∑k=0N−1ckej2πNknck=<x[n],ej2πNkn><ej2πNkn,ej2πNkn>=∑n=0Nx[n]e−j2πNknNX[k]=Nck=∑n=0Nx[n]e−j2πNkn
\begin{aligned}
x[n]&=\sum_{k=0}^{N-1}c_ke^{j\frac{2\pi}{N}kn}\\
c_k&=\frac{<x[n],e^{j\frac{2\pi}{N}kn}>}{<e^{j\frac{2\pi}{N}kn},e^{j\frac{2\pi}{N}kn}>}\\
&=\frac{\sum_{n=0}^Nx[n]e^{-j\frac{2\pi}{N}kn}}{N}\\
X[k]&=Nc_k=\sum_{n=0}^Nx[n]e^{-j\frac{2\pi}{N}kn}
\end{aligned}
x[n]ckX[k]=k=0∑N−1ckejN2πkn=<ejN2πkn,ejN2πkn><x[n],ejN2πkn>=N∑n=0Nx[n]e−jN2πkn=Nck=n=0∑Nx[n]e−jN2πkn
对于DFT也是一样的,为了防止过多的采样点N使得频谱为0,就会乘N得到傅里叶谱,所以为了统一,需要乘N。
信噪比SNR,符号信噪比EsN0\frac{E_s}{N_0}N0Es,比特信噪比EbN0\frac{E_b}{N_0}N0Eb
| 符号 | 意义 | 符号 | 意义 |
|---|---|---|---|
| S | 信号平均功率 | N | 噪声平均功率 |
| EbE_bEb | 每bit信号的信息能量 | RbR_bRb | bit速率 |
| EsE_sEs | 信号符号(symbol)的信息能量 | RsR_sRs | 符号(波特)速率 |
| W | 信号带宽 | TsymbolT_{symbol}Tsymbol | 符号周期 |
| T_s | 采样时间间隔 | M | 调制进制 |
| k | 每个符号有效bit数 | N0N_0N0 | 噪声功率谱密度(单边谱) |
接下来表述各个符号的表达
k=alog2M
k=alog_2M
k=alog2M
其中a代表有效信息位,比如一个(7,4)汉明码的QPSK信号其表达为k=47log24k=\frac{4}{7}log_24k=74log24。
Rb=kRs=kTsymbolEb=EskW=1TsS=EbRbN=N0WSN=EbN0RbW=EbN0Rbfs=EsN0Rsfs
R_b = k R_s=\frac{k}{T_{symbol}}\\
E_b = \frac{E_s}{k}\\
W=\frac{1}{T_s}\\
S=E_bR_b\\
N = N_0W\\
\frac{S}{N}=\frac{E_b}{N_0}\frac{R_b}{W}=\frac{E_b}{N_0}\frac{R_b}{f_s}=\frac{E_s}{N_0}\frac{R_s}{f_s}
Rb=kRs=TsymbolkEb=kEsW=Ts1S=EbRbN=N0WNS=N0EbWRb=N0EbfsRb=N0EsfsRs
文章讨论了MATLAB中fft函数在处理实信号时,幅度需乘以2/N的原因,这源于实信号的单边谱与双边谱的关系。此外,还介绍了信噪比(SNR)的概念,包括符号信噪比(Es/N0)和比特信噪比(Eb/N0),以及它们与信号带宽、采样率和调制方式之间的关系。
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