數(shù)字通信原理及技術(shù)(二) 信道

1、2021-10-18第第 1 1 頁(yè)頁(yè)數(shù)字通信原理數(shù)字通信原理徐雷郵箱：xulei_ 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2021-10-18第第 2 2 頁(yè)頁(yè)2.1 信道的定義和分類信道的定義和分類2.2 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型2.3 恒參信道恒參信道2.4 變參信道變參信道2.5 信道的加性噪聲信道的加性噪聲第二章 信道 2021-10-18第第 3 3 頁(yè)頁(yè)2.1 信道的定義和分類狹義信道狹義信道：是指以傳輸媒介為基礎(chǔ)的信號(hào)通路。：是指以傳輸媒介為基礎(chǔ)的信號(hào)通路。它可分為它可分為有線信道有線信道與與無線信道無線信道兩類。兩類。 有線信道：有線信道：明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜及光纜等。明線、對(duì)稱電纜

2、、同軸電纜及光纜等。 無線信道：無線信道：地波傳播、短波電離層反射、超短波或微地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。信道可大體分成：信道可大體分成：狹義信道狹義信道和和廣義信道廣義信道。一、狹義信道一、狹義信道2021-10-18第第 4 4 頁(yè)頁(yè)廣義信道廣義信道：除包括傳輸媒介外，還包括有關(guān)的變換裝置（如：除包括傳輸媒介外，還包括有關(guān)的變換裝置（如：發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等）發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等）在內(nèi)的信道。在討論通信的一般原理時(shí)，我們采用廣義信道。在

3、內(nèi)的信道。在討論通信的一般原理時(shí)，我們采用廣義信道。廣義信道按照功能可分為廣義信道按照功能可分為調(diào)制信道調(diào)制信道和和編碼信道編碼信道。調(diào) 制 器發(fā) 轉(zhuǎn) 換 器 媒 質(zhì)收 轉(zhuǎn) 換 器解 調(diào) 器調(diào)制信道編碼信道編碼器輸出譯碼器輸入二、廣義信道二、廣義信道2021-10-18第第 5 5 頁(yè)頁(yè)2.1 信道的定義和分類信道的定義和分類2.2 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型2.3 恒參信道恒參信道2.4 隨參信道隨參信道2.5 信道的加性噪聲信道的加性噪聲第二章 信道 2021-10-18第第 6 6 頁(yè)頁(yè)1、調(diào)制信道的共性、調(diào)制信道的共性 (1) 有一對(duì)有一對(duì)(或多對(duì)或多對(duì))輸入端輸入端和一對(duì)和一對(duì)(或

4、多對(duì)或多對(duì))輸出端輸出端； (2) 絕大多數(shù)的信道都是絕大多數(shù)的信道都是線性的線性的，即滿足疊加原理；，即滿足疊加原理； (3) 信號(hào)通過信道具有一定的信號(hào)通過信道具有一定的遲延時(shí)間遲延時(shí)間; (4) 信道對(duì)信號(hào)有損耗，包括固定損耗或時(shí)變信道對(duì)信號(hào)有損耗，包括固定損耗或時(shí)變損耗損耗； (5) 即使即使沒有沒有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍有有一定的功率輸一定的功率輸出（出（噪聲噪聲）。）。2.2 信道的數(shù)學(xué)模型一、調(diào)制信道模型一、調(diào)制信道模型2021-10-18第第 7 7 頁(yè)頁(yè)對(duì)于二對(duì)端的對(duì)于二對(duì)端的信道模型信道模型，其輸出與輸入的關(guān)系有，其輸出與輸入的關(guān)系有eo(t)

5、=fei(t)+n(t)ei(t) 輸入的輸入的已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)；eo(t) 信道總信道總輸出波形輸出波形；n(t) 加性噪聲加性噪聲（或稱加性干擾）。（或稱加性干擾）。n(t)獨(dú)立獨(dú)立于于ei(t).fei(t) 已調(diào)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的（時(shí)變）線性變換。已調(diào)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的（時(shí)變）線性變換。用一個(gè)二對(duì)端（或多對(duì)端）的用一個(gè)二對(duì)端（或多對(duì)端）的時(shí)變線性時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)來表示調(diào)制信道。網(wǎng)絡(luò)來表示調(diào)制信道。時(shí) 變 線性 網(wǎng) 絡(luò)時(shí) 變線 性網(wǎng) 絡(luò)ei( t ) e0( t )ei 1( t ) e0 1( t )ei 2( t ) e0 2( t )ei m( t ) e0 m( t ). . .

6、( a ) ( b )圖 2 - 2 調(diào) 制 信 道 模 型2、調(diào)制信道的表示、調(diào)制信道的表示2021-10-18第第 8 8 頁(yè)頁(yè)若若fei(t)寫為寫為k(t) ei(t), k(t)稱其為稱其為乘性干擾乘性干擾。 eo(t)= k(t) ei(t) +n(t)即為二對(duì)端信道的一種數(shù)學(xué)模型。即為二對(duì)端信道的一種數(shù)學(xué)模型。調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響可歸結(jié)到兩點(diǎn)：調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響可歸結(jié)到兩點(diǎn)： 1) 乘性干擾乘性干擾k(t) :有些信道的有些信道的k(t)不隨時(shí)間變化不隨時(shí)間變化或或變化極為緩慢，變化極為緩慢，稱為稱為恒恒（定）參（定）參(量量)信道信道;有些信道的有些信道的k(t)是隨機(jī)是隨機(jī)

7、快快變化的，稱為變化的，稱為隨隨(機(jī)機(jī))參參(量量)信道信道，它是非恒參信道的統(tǒng)稱。它是非恒參信道的統(tǒng)稱。 2) 加性干擾加性干擾n(t) : n(t)獨(dú)立獨(dú)立于于ei(t)。3、調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響、調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響2021-10-18第第 9 9 頁(yè)頁(yè)若解調(diào)器每個(gè)輸出碼元的差錯(cuò)發(fā)生是若解調(diào)器每個(gè)輸出碼元的差錯(cuò)發(fā)生是相互獨(dú)立相互獨(dú)立的，則信道是的，則信道是無無記憶記憶的，即一碼元的差錯(cuò)與其前后碼元是否發(fā)生差錯(cuò)的，即一碼元的差錯(cuò)與其前后碼元是否發(fā)生差錯(cuò)無關(guān)。無關(guān)。編碼信道模型可以用數(shù)字信號(hào)的編碼信道模型可以用數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)移概率轉(zhuǎn)移概率來描述。來描述。P(0/0)、 P(1/0)、 P(0/

8、1)、 P(1/1)稱為稱為信道轉(zhuǎn)移概率信道轉(zhuǎn)移概率。P(0/0)、 P(1/1)是是正確正確轉(zhuǎn)移概率；轉(zhuǎn)移概率；P(1/0)、 P(0/1)是是錯(cuò)誤錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率。轉(zhuǎn)移概率。P(0/0)+ P(1/0)=1, P(0/1)+ P(1/1)=11 、無記憶二進(jìn)制編碼信道模型、無記憶二進(jìn)制編碼信道模型二、編碼信道模型二、編碼信道模型2021-10-18第第 1010 頁(yè)頁(yè)2 、無記憶多進(jìn)制編碼信道模型、無記憶多進(jìn)制編碼信道模型轉(zhuǎn)移概率完全由轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道編碼信道的特性所決定。的特性所決定。一個(gè)一個(gè)特定特定的編碼信道，有的編碼信道，有確定確定的轉(zhuǎn)移概率。的轉(zhuǎn)移概率。2021-10-18第第

9、1111 頁(yè)頁(yè)2.1 信道的定義和分類信道的定義和分類2.2 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型2.3 恒參信道恒參信道2.4 隨參信道隨參信道2.5 信道的加性噪聲信道的加性噪聲第二章 信道 2021-10-18第第 1212 頁(yè)頁(yè)2.3 恒參信道恒參信道恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯菍?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯谴_定確定的或者是變化的或者是變化極其緩慢極其緩慢的。的。它等效于一個(gè)它等效于一個(gè)非時(shí)變的線性非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。得到得到網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，就可得到，就可得到已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)通過恒參信道的通過恒參信道的變化變化規(guī)律規(guī)律?？捎??？捎梅确阮l率頻率特性及特性及相位相位頻率頻率特性來表征。特性

10、來表征。要使任意一個(gè)信號(hào)通過線性網(wǎng)絡(luò)要使任意一個(gè)信號(hào)通過線性網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生波形失真不產(chǎn)生波形失真，網(wǎng)絡(luò)的傳，網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性應(yīng)該具備以下輸特性應(yīng)該具備以下兩個(gè)理想條件兩個(gè)理想條件： （1）網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性）網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性 是一個(gè)不隨頻率變化的常數(shù)是一個(gè)不隨頻率變化的常數(shù); （2）網(wǎng)絡(luò)的相頻特性）網(wǎng)絡(luò)的相頻特性 應(yīng)與頻率成線性關(guān)系。應(yīng)與頻率成線性關(guān)系。 網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以表示為：網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以表示為：)()()(jeHH)(H)(一、恒參信道特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊懸?、恒參信道特性及其?duì)傳輸?shù)挠绊?021-10-18第第 1313 頁(yè)頁(yè)1 、幅度幅度頻率畸變頻率畸變是由信道的幅度是由信道的幅度頻率特性的

11、不理想所引起的。頻率特性的不理想所引起的。解決方案：解決方案：要求要求改善改善電話信道中的濾波性能，或者再通過電話信道中的濾波性能，或者再通過一個(gè)線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦一個(gè)線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦(均衡均衡)。原因：原因：有線電話信道中可能存在各種濾波器、混合線圈、有線電話信道中可能存在各種濾波器、混合線圈、串聯(lián)電容和分路電感等。串聯(lián)電容和分路電感等。影響：影響：模擬信號(hào)波形失真；數(shù)字信號(hào)碼間干擾。模擬信號(hào)波形失真；數(shù)字信號(hào)碼間干擾。典型音頻電話信道典型音頻電話信道低頻端截止頻率約在低頻端截止頻率約在300Hz以下，以下，每倍頻程衰耗升高每倍頻程衰耗升高1525dB；

12、在在3001100Hz范圍內(nèi)衰耗比較平坦范圍內(nèi)衰耗比較平坦;在在1100 2900Hz之間，衰耗通常是線性上之間，衰耗通常是線性上升的升的(2600Hz的衰耗比的衰耗比1100Hz處高處高8dB)；不均勻不均勻衰耗必然使傳輸信號(hào)的幅度隨頻率發(fā)生衰耗必然使傳輸信號(hào)的幅度隨頻率發(fā)生畸變畸變，引起，引起信號(hào)波形的信號(hào)波形的失真失真。在在2900Hz以上，每倍頻程增加以上，每倍頻程增加 8090dB。2021-10-18第第 1414 頁(yè)頁(yè)2 、相位、相位頻率頻率畸變畸變指信道的相位指信道的相位頻率特性頻率特性偏離線性關(guān)系偏離線性關(guān)系所引起的畸變。所引起的畸變。經(jīng)常采用經(jīng)常采用群遲延群遲延頻率頻率特性

13、來表示。特性來表示。（相位特性對(duì)頻率求導(dǎo)）（相位特性對(duì)頻率求導(dǎo)）解決方案：解決方案：群遲延群遲延畸變也是線性畸變，可采用相位均衡技畸變也是線性畸變，可采用相位均衡技術(shù)補(bǔ)償術(shù)補(bǔ)償。原因：原因：電話信道的相位電話信道的相位頻率畸變主要來源于信道中的各種頻率畸變主要來源于信道中的各種濾波器及可能有的加感線圈，尤其是在信道頻帶的邊緣畸濾波器及可能有的加感線圈，尤其是在信道頻帶的邊緣畸變更為嚴(yán)重。變更為嚴(yán)重。 ()()dd 影響：影響：對(duì)對(duì)模擬模擬話音通信影響話音通信影響并不顯著并不顯著，因?yàn)槿硕鷮?duì)相頻畸變，因?yàn)槿硕鷮?duì)相頻畸變不太靈敏；對(duì)不太靈敏；對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)傳輸會(huì)引起碼間干擾，造成信號(hào)傳輸會(huì)引起碼間

14、干擾，造成誤碼誤碼。2021-10-18第第 1515 頁(yè)頁(yè)1) 明線明線 明線是指平行而相互絕緣的架空裸線線路。與電纜相比，明線是指平行而相互絕緣的架空裸線線路。與電纜相比，優(yōu)點(diǎn)是傳輸損耗低。但它易受氣候和天氣的影響，并且對(duì)外界優(yōu)點(diǎn)是傳輸損耗低。但它易受氣候和天氣的影響，并且對(duì)外界噪聲干擾較敏感。噪聲干擾較敏感。 2) 對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜 對(duì)稱電纜是在同一保護(hù)套內(nèi)有許多對(duì)相互絕緣的雙導(dǎo)線的傳對(duì)稱電纜是在同一保護(hù)套內(nèi)有許多對(duì)相互絕緣的雙導(dǎo)線的傳輸媒質(zhì)。導(dǎo)線材料是鋁或銅，直徑為輸媒質(zhì)。導(dǎo)線材料是鋁或銅，直徑為0.4l.4mm。每一對(duì)線都。每一對(duì)線都擰成扭絞狀，減小各線對(duì)之間的相互干擾。擰成扭絞狀，

15、減小各線對(duì)之間的相互干擾。 傳輸損耗比明線大得多，但其傳輸特性比較穩(wěn)定。傳輸損耗比明線大得多，但其傳輸特性比較穩(wěn)定。3) 同軸電纜同軸電纜 由同軸的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的空管（由金由同軸的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的空管（由金屬絲編織而成），內(nèi)導(dǎo)體是金屬線（芯線）。它們之間填充著屬絲編織而成），內(nèi)導(dǎo)體是金屬線（芯線）。它們之間填充著介質(zhì)，也可能是空氣。介質(zhì)，也可能是空氣。1 、有線信道有線信道二、恒參信道舉例二、恒參信道舉例2021-10-18第第 1616 頁(yè)頁(yè)同軸電纜同軸電纜2021-10-18第第 1717 頁(yè)頁(yè) 各種有線信道的比較各種有線信道的比較2021-10-18

16、第第 1818 頁(yè)頁(yè)光纖信道光纖信道：以光導(dǎo)纖維以光導(dǎo)纖維(光纖光纖)為傳輸媒質(zhì)、光波為載波的信道。為傳輸媒質(zhì)、光波為載波的信道。傳輸容量極大、損耗低、頻帶寬、線徑細(xì)、重量輕、可彎曲半傳輸容量極大、損耗低、頻帶寬、線徑細(xì)、重量輕、可彎曲半徑小、不怕腐蝕、節(jié)省有色金屬、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。徑小、不怕腐蝕、節(jié)省有色金屬、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。2 、光纖、光纖信道信道光源光源是光載波的發(fā)生器，是光載波的發(fā)生器，半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)或激光二極管或激光二極管(LD)光源。光源。光纖線路光纖線路是一根或是一根或多根光纖多根光纖直接檢波式的直接檢波式的光探測(cè)光探測(cè)器器，用光電二極管來，用

17、光電二極管來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的檢測(cè)。2021-10-18第第 1919 頁(yè)頁(yè) 直接中繼器直接中繼器是光放大器，直接將光信號(hào)放大以補(bǔ)償光纖的傳輸是光放大器，直接將光信號(hào)放大以補(bǔ)償光纖的傳輸損耗，以便延長(zhǎng)傳輸距離；損耗，以便延長(zhǎng)傳輸距離； 間接中繼器間接中繼器是將光信號(hào)先解調(diào)為電信號(hào)，經(jīng)放大或是將光信號(hào)先解調(diào)為電信號(hào)，經(jīng)放大或再生再生處理后，處理后，再調(diào)制到光載波上，利用光纖繼續(xù)進(jìn)行傳輸。再調(diào)制到光載波上，利用光纖繼續(xù)進(jìn)行傳輸。在數(shù)字光纖信道中，每隔一定距離加入在數(shù)字光纖信道中，每隔一定距離加入再生中繼器再生中繼器。在光纖線路中可能還設(shè)有在光纖線路中可能還設(shè)有中繼器中繼器。中繼器有兩種

18、類型：直接中繼器和間接中繼器。中繼器有兩種類型：直接中繼器和間接中繼器。2021-10-18第第 2020 頁(yè)頁(yè)光纖由光纖由介質(zhì)芯線介質(zhì)芯線及包在它外面的另一種介質(zhì)及包在它外面的另一種介質(zhì)材料做成的材料做成的包層包層構(gòu)成。構(gòu)成。光纖分為光纖分為均勻光纖均勻光纖及及非均勻光纖非均勻光纖兩類。兩類。 當(dāng)光纖中只能傳輸一種光波的模式時(shí)，稱當(dāng)光纖中只能傳輸一種光波的模式時(shí)，稱為為單模光纖單模光纖。單模光纖的芯徑極小。傳光特性較好，但因單模光纖的芯徑極小。傳光特性較好，但因截面尺寸小，在制造、耦合和連接上都比較截面尺寸小，在制造、耦合和連接上都比較困難。困難。 如果光纖中能傳輸?shù)哪Ｊ讲簧弦粋€(gè)，則稱如果光

19、纖中能傳輸?shù)哪Ｊ讲簧弦粋€(gè)，則稱為為多模光纖多模光纖。在制造、耦合和連接上都比單。在制造、耦合和連接上都比單模光纖容易。模光纖容易。對(duì)光纖最主要的要求是對(duì)光纖最主要的要求是低損耗低損耗和和低色散低色散。 低損耗是光纖能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤帷５蛽p耗是光纖能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤帷?021-10-18第第 2121 頁(yè)頁(yè)2.1 信道的定義和分類信道的定義和分類2.2 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型2.3 恒參信道恒參信道2.4 隨參信道隨參信道2.5 信道的加性噪聲信道的加性噪聲第二章 信道 2021-10-18第第 2222 頁(yè)頁(yè)隨參信道中傳輸隨參信道中傳輸媒介媒介的影響是主要的，隨參信道的傳輸媒介特

20、點(diǎn)：的影響是主要的，隨參信道的傳輸媒介特點(diǎn)： （1）對(duì)信號(hào)的）對(duì)信號(hào)的衰耗衰耗隨時(shí)間而變化隨時(shí)間而變化; （2）傳輸?shù)模﹤鬏數(shù)臅r(shí)延時(shí)延隨時(shí)間而變；隨時(shí)間而變； （3）多徑傳播。）多徑傳播。1、多徑傳播和頻率彌散、多徑傳播和頻率彌散 設(shè)發(fā)射波為設(shè)發(fā)射波為 ，則經(jīng)過，則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號(hào)條路徑傳播后的接收信號(hào)0011( )( )cos( )( )cos( )nniiiiiiR ta ttta ttt 是是緩慢緩慢變化的隨機(jī)過程。變化的隨機(jī)過程。0011( )( )cos( )cos( )sin( )sinnniiiiiiR ta ttta ttt同向分量1( )( )cos( )nIii

21、ia ta tt正交分量1( )( )sin( )nQiiiata tt2.4 隨參信道0( )( )iitt ( ),( )iia tt0cosAt發(fā)收電離層一、隨參信道特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊懸弧㈦S參信道特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊?021-10-18第第 2323 頁(yè)頁(yè)則000( )( )cos( )sin( )cos( )IQR ta ttatta ttt合成波的包絡(luò)22( )( )( )IQa tatat合成波的相位( )( )arctan( )IQa ttat多徑傳播的結(jié)果使確定的載波信號(hào) 變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào)，稱之為衰落信號(hào)；從頻譜上看，多徑傳輸引起了頻率彌散，(由單個(gè)頻率變成

22、了一個(gè)窄帶頻譜)。 是緩慢變化的，R(t)為一個(gè)窄帶過程。( ), ( )a tt2021-10-18第第 2424 頁(yè)頁(yè)2、頻率選擇性衰落和相關(guān)帶寬、頻率選擇性衰落和相關(guān)帶寬 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落：信號(hào)頻譜中某些分量的一種衰落現(xiàn)象。：信號(hào)頻譜中某些分量的一種衰落現(xiàn)象。 設(shè)設(shè)兩條兩條多徑信號(hào)具有多徑信號(hào)具有相同相同的強(qiáng)度和一個(gè)的強(qiáng)度和一個(gè)相對(duì)相對(duì)時(shí)延差。時(shí)延差。 )()(Ftf)(00000000)()(, )()(tjtjeFVttfVeFVttfV)(1)()()(000000jtjeeFVttfVttfV信道的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為00( )(1)j tjHV ee2021-10-1

23、8第第 2525 頁(yè)頁(yè)相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔稱為多徑傳播媒質(zhì)的相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔稱為多徑傳播媒質(zhì)的相關(guān)帶寬相關(guān)帶寬f。 f = 1/m m表征表征最大多徑時(shí)延差最大多徑時(shí)延差。原因：原因：多徑傳播的頻率選擇性衰落同樣依賴于多徑傳播的頻率選擇性衰落同樣依賴于相對(duì)時(shí)延差相對(duì)時(shí)延差。影響：影響：如果傳輸信號(hào)的頻譜如果傳輸信號(hào)的頻譜寬寬于于f ，則該信號(hào)將產(chǎn)生明顯，則該信號(hào)將產(chǎn)生明顯的頻率選擇性衰落，會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾。的頻率選擇性衰落，會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾。設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)方案：為了不引起明顯的選擇性衰落，傳播信號(hào)的頻為了不引起明顯的選擇性衰落，傳播信號(hào)的頻帶必須小于多徑傳輸媒質(zhì)的相關(guān)帶寬。帶必

24、須小于多徑傳輸媒質(zhì)的相關(guān)帶寬。數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)希望有較數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)希望有較高高的傳輸速率，應(yīng)有的傳輸速率，應(yīng)有較寬較寬的相關(guān)的相關(guān)帶寬。否則要限制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，以減少碼間干擾。帶寬。否則要限制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，以減少碼間干擾。2021-10-18第第 2626 頁(yè)頁(yè)為了為了抗抗快衰落快衰落可采用可采用分集接收分集接收技術(shù)。技術(shù)。如果在接收端同時(shí)接收到幾個(gè)不同路徑的信號(hào)，將這些信號(hào)如果在接收端同時(shí)接收到幾個(gè)不同路徑的信號(hào)，將這些信號(hào)適當(dāng)適當(dāng)合并合并處理構(gòu)成總的接收信號(hào)，則能夠大大處理構(gòu)成總的接收信號(hào)，則能夠大大減小減小衰落的影衰落的影響。這就是響。這就是分集分集接收的基本思想。接收的基本

25、思想。分集分集兩字就是兩字就是分散接收分散接收幾個(gè)合成信號(hào)并幾個(gè)合成信號(hào)并集中集中（合并）（合并）處理處理這這些信號(hào)的意思。只要被分集的幾個(gè)信號(hào)之間是些信號(hào)的意思。只要被分集的幾個(gè)信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。的。1、常見的分集方式、常見的分集方式 (l)空間分集空間分集:在接收端架設(shè)幾副天線，各天線的位置間要在接收端架設(shè)幾副天線，各天線的位置間要求有足夠的間距，以保證各天線上獲得的信號(hào)基本求有足夠的間距，以保證各天線上獲得的信號(hào)基本互相獨(dú)立互相獨(dú)立。 (2)頻率分集頻率分集:用多個(gè)不同載頻傳送同一個(gè)消息，如果各載用多個(gè)不同載頻傳送同一個(gè)消息，如果各載頻的頻差相隔比較遠(yuǎn)各載頻信號(hào)也基本互不相關(guān)

26、。頻的頻差相隔比較遠(yuǎn)各載頻信號(hào)也基本互不相關(guān)。 (3)角度分集角度分集:利用天線波束指向不同方向使信號(hào)不相關(guān)的。利用天線波束指向不同方向使信號(hào)不相關(guān)的。 (4)極化分集極化分集:分別接收水平極化和垂直極化波。這兩種波分別接收水平極化和垂直極化波。這兩種波是相關(guān)性極小的。是相關(guān)性極小的。二、隨參信道特性的改善二、隨參信道特性的改善分集接收分集接收2021-10-18第第 2727 頁(yè)頁(yè)2、分集合并的方法、分集合并的方法 (1)最佳選擇式最佳選擇式:從幾個(gè)分散信號(hào)中設(shè)從幾個(gè)分散信號(hào)中設(shè)法選擇其中信噪比最好的一個(gè)作為接法選擇其中信噪比最好的一個(gè)作為接收信號(hào)。收信號(hào)。 (2)等增益合并等增益合并:將幾

27、個(gè)分散信號(hào)以相將幾個(gè)分散信號(hào)以相同的支路增益進(jìn)行直接相加，相加后同的支路增益進(jìn)行直接相加，相加后的信號(hào)作為接收信號(hào)。的信號(hào)作為接收信號(hào)。 (3)最大比合并最大比合并:使各支路增益分別與使各支路增益分別與本支路的信噪比成正比，再相加獲得本支路的信噪比成正比，再相加獲得接收信號(hào)。接收信號(hào)。k為分集的重?cái)?shù)最大比合并方式性能最大比合并方式性能最好最好，等增益合并方式次之，最佳選擇方式，等增益合并方式次之，最佳選擇方式最差最差。2021-10-18第第 2828 頁(yè)頁(yè)短波短波是指波長(zhǎng)為是指波長(zhǎng)為10010m(頻率為頻率為330MHz)的無線電波。的無線電波?？裳氐乇砻?zhèn)鞑タ裳氐乇砻鎮(zhèn)鞑?地波傳播地波傳播

28、)，傳播距離，傳播距離近；近；可由電離層反射傳可由電離層反射傳播播(天波傳播天波傳播)。傳輸幾千千米，至上萬(wàn)千米。傳輸幾千千米，至上萬(wàn)千米。 1）傳播路徑）傳播路徑 電離層離地面高電離層離地面高60600km的大氣層。分的大氣層。分D、E、F1、F2四層。四層。由于由于D層和層和F1層在夜晚幾乎完全消失，常存在的是層在夜晚幾乎完全消失，常存在的是E和和F2層。層。三、隨參信道舉例三、隨參信道舉例1、短波電離層反射信道、短波電離層反射信道2021-10-18第第 2929 頁(yè)頁(yè)2） 工作頻率工作頻率電磁波投射到電離層的入射角電磁波投射到電離層的入射角0，當(dāng)垂直入射，當(dāng)垂直入射(0 =0)時(shí)，能從

29、時(shí)，能從電離層電離層反射反射的最高頻率稱為的最高頻率稱為臨界頻率臨界頻率，記為，記為f0.當(dāng)電磁波以當(dāng)電磁波以0角入射時(shí)，能從電離層反射的最高頻率稱為角入射時(shí)，能從電離層反射的最高頻率稱為最高最高可用頻率可用頻率MUF.當(dāng)工作頻率當(dāng)工作頻率高于高于最高可用頻率時(shí)，電磁波將穿透電離層；不再最高可用頻率時(shí)，電磁波將穿透電離層；不再返回地面。返回地面。由于電離層的電子密度隨晝夜、季節(jié)及年份由于電離層的電子密度隨晝夜、季節(jié)及年份劇烈劇烈地變化，使得地變化，使得最高可用頻率和吸收損耗也相應(yīng)變化。工作頻率需要經(jīng)常最高可用頻率和吸收損耗也相應(yīng)變化。工作頻率需要經(jīng)常更換更換。當(dāng)電波在這樣的媒質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)電波

30、在這樣的媒質(zhì)中傳播時(shí)，因逐步折射使軌道發(fā)生彎曲，在因逐步折射使軌道發(fā)生彎曲，在某一高度將產(chǎn)生某一高度將產(chǎn)生全反射全反射。F2層的高度為層的高度為250300km，一，一次反射的最大距離約為次反射的最大距離約為4000km;兩次反射通信距離可達(dá)兩次反射通信距離可達(dá)8000km。00secMUFf2021-10-18第第 3030 頁(yè)頁(yè)3）多徑傳播多徑傳播 引起多徑傳播的主要原因：引起多徑傳播的主要原因： （1）電波經(jīng)電離層的一次反射和多次反射；）電波經(jīng)電離層的一次反射和多次反射； （2）幾個(gè)反射層高度不同；）幾個(gè)反射層高度不同； （3）地球磁場(chǎng)引起的電磁波束分裂成尋常波與非尋常波）地球磁場(chǎng)引起的

31、電磁波束分裂成尋常波與非尋常波; （4）電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象。）電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象。 第一種情況下的路程第一種情況下的路程時(shí)延時(shí)延差最大差最大，(可達(dá)幾毫秒可達(dá)幾毫秒)，它不，它不僅引起僅引起快衰落快衰落，而且還會(huì)產(chǎn)生，而且還會(huì)產(chǎn)生多徑時(shí)延失真多徑時(shí)延失真。 其他三種情況主要的影響其他三種情況主要的影響是是快衰落快衰落。 快衰落信號(hào)快衰落信號(hào)的振幅大體上的振幅大體上服從廣義瑞利分布服從廣義瑞利分布(在工程設(shè)在工程設(shè)計(jì)按瑞利分布計(jì)按瑞利分布) 。 為了克服快衰落的影響，為了克服快衰落的影響，一般采用一般采用分集接收分集接收辦法。辦法。2021-10-18第第 3131 頁(yè)頁(yè)2、

32、陸地移動(dòng)信道、陸地移動(dòng)信道1) 路徑損耗路徑損耗：電波在自由空間傳播中所產(chǎn)生的損耗，反映了：電波在自由空間傳播中所產(chǎn)生的損耗，反映了無線電波在千米量級(jí)的宏觀大范圍的空間距離上接收信號(hào)場(chǎng)無線電波在千米量級(jí)的宏觀大范圍的空間距離上接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)均值的變化。其衰減特性與距離基站的距離強(qiáng)均值的變化。其衰減特性與距離基站的距離d 的的n 次方成次方成反比，一般反比，一般n 為為34。主要與用戶終端與基站之間的距離、。主要與用戶終端與基站之間的距離、基站天線的增益和方向、載波的頻率等參數(shù)有關(guān)，其變化速基站天線的增益和方向、載波的頻率等參數(shù)有關(guān)，其變化速度最慢。度最慢。2) 陰影衰落陰影衰落：又稱為慢衰落，是

33、由于電波傳播環(huán)境中受到地：又稱為慢衰落，是由于電波傳播環(huán)境中受到地形起伏、建筑物、氣象條件變化等影響而引起的衰落，反映形起伏、建筑物、氣象條件變化等影響而引起的衰落，反映了數(shù)百波長(zhǎng)量級(jí)的中等范圍內(nèi)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)均值變化，一般了數(shù)百波長(zhǎng)量級(jí)的中等范圍內(nèi)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)均值變化，一般服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。3) 多徑傳播多徑傳播：無線電波在傳播過程中有直射波、地面反射波、：無線電波在傳播過程中有直射波、地面反射波、還有各種障礙物所引起的散射波。因而到達(dá)接收天線的信號(hào)還有各種障礙物所引起的散射波。因而到達(dá)接收天線的信號(hào)不是單一路徑來的，而是許多波的合成。不可分辨的多徑造不是單一路徑來的，而是許

34、多波的合成。不可分辨的多徑造成衰落，可分辨的多徑造成碼間干擾。由于多徑傳播環(huán)境所成衰落，可分辨的多徑造成碼間干擾。由于多徑傳播環(huán)境所引起的衰落，反映了數(shù)十波長(zhǎng)量級(jí)的微觀小范圍內(nèi)接收信號(hào)引起的衰落，反映了數(shù)十波長(zhǎng)量級(jí)的微觀小范圍內(nèi)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值呈現(xiàn)快速變化的特點(diǎn)。場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值呈現(xiàn)快速變化的特點(diǎn)。2021-10-18第第 3232 頁(yè)頁(yè)2.1 信道的定義和分類信道的定義和分類2.2 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型2.3 恒參信道恒參信道2.4 隨參信道隨參信道2.5 信道的加性噪聲信道的加性噪聲第二章 信道 2021-10-18第第 3333 頁(yè)頁(yè)功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分

35、布。功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。白噪聲的白噪聲的功率譜密度函數(shù)功率譜密度函數(shù)為：為：雙邊譜密度：雙邊譜密度：?jiǎn)芜呑V密度：?jiǎn)芜呑V密度：0( )()2nnP 0( )(0)nPn功率信號(hào)的功率譜密度與其自相關(guān)函數(shù)互為傅氏變換對(duì)：功率信號(hào)的功率譜密度與其自相關(guān)函數(shù)互為傅氏變換對(duì)： 2)(2)(00nRnPnn2.5 信道的加性噪聲一、白噪聲與有色噪聲一、白噪聲與有色噪聲1、白噪聲、白噪聲2021-10-18第第 3434 頁(yè)頁(yè)高斯白噪聲：高斯白噪聲：噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。性，同時(shí)它的功

36、率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。其其一維概率密度函數(shù)一維概率密度函數(shù)可表示為：可表示為：a為噪聲的數(shù)學(xué)期望值，也就是均值；為噪聲的數(shù)學(xué)期望值，也就是均值； 為噪聲的方差。為噪聲的方差。2)(21)(22axxpexp021圖2-12 正態(tài)分布的密度函數(shù))(xpax22、高斯白噪聲、高斯白噪聲2021-10-18第第 3535 頁(yè)頁(yè)3、白噪聲通過理想低通濾波器的傳輸、白噪聲通過理想低通濾波器的傳輸 0202/2/2 |0WYnWWGn其它 白噪聲通過理想低通濾波器后成為矩形的限帶白噪白噪聲通過理想低通濾波器后成為矩形的限帶白噪聲，它的功率密度譜為：聲，它的功率密度譜為：它的自相關(guān)函數(shù)為抽樣函數(shù)：它

37、的自相關(guān)函數(shù)為抽樣函數(shù)：2 .( )0YWR其特點(diǎn)是在、處，w-w)(Y20n 001/222WjYWnWndSa WeR-5 -4 -3 -2 - 0 2 3 4 5)(YR ，即在這些點(diǎn)上，隨機(jī)變量互不相關(guān)。2021-10-18第第 3636 頁(yè)頁(yè)加性噪聲雖然獨(dú)立于有用信號(hào)，它卻始終干擾有用信號(hào)。加性噪聲雖然獨(dú)立于有用信號(hào)，它卻始終干擾有用信號(hào)。 1、信道中加性噪聲的來源、信道中加性噪聲的來源 1)人為噪聲人為噪聲:來源于人類活動(dòng)造成的其他信號(hào)源，開關(guān)接來源于人類活動(dòng)造成的其他信號(hào)源，開關(guān)接觸噪聲。工業(yè)的點(diǎn)火輻射及熒光燈干擾等；觸噪聲。工業(yè)的點(diǎn)火輻射及熒光燈干擾等； 2)自然噪聲自然噪聲:

38、指自然界存在的各種電磁波源，閃電、大氣指自然界存在的各種電磁波源，閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲及其他各種宇宙噪聲等；中的電暴、銀河系噪聲及其他各種宇宙噪聲等； 3)內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲:是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，在電阻類是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，在電阻類的導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)(熱噪聲熱噪聲)、真空管中電子的起伏發(fā)、真空管中電子的起伏發(fā)射和半導(dǎo)體中載流子的起伏變化射和半導(dǎo)體中載流子的起伏變化(散彈噪聲散彈噪聲)等。等。2、信道中加性噪聲的分類（從噪聲的、信道中加性噪聲的分類（從噪聲的確定性確定性分）分） 1)某些類型的噪聲是某些類型的噪聲是確知的確知的，例如自激振

39、蕩、各種內(nèi)部的，例如自激振蕩、各種內(nèi)部的諧波干擾等。在原理上可消除或基本消除。諧波干擾等。在原理上可消除或基本消除。 2)另一些噪聲則往往不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其波形，不能預(yù)測(cè)的噪另一些噪聲則往往不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其波形，不能預(yù)測(cè)的噪聲統(tǒng)稱為聲統(tǒng)稱為隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲。（所關(guān)心的。（所關(guān)心的)五、信道的加性噪聲舉例五、信道的加性噪聲舉例2021-10-18第第 3737 頁(yè)頁(yè) 3、隨機(jī)噪聲的分類、隨機(jī)噪聲的分類 1)單頻噪聲單頻噪聲是一種連續(xù)波的干擾是一種連續(xù)波的干擾(可視為一個(gè)已調(diào)正弦波，可視為一個(gè)已調(diào)正弦波，但事先不能預(yù)知的但事先不能預(yù)知的)。如外電臺(tái)。占有。如外電臺(tái)。占有極窄極窄的頻帶，干擾頻的頻帶，干擾頻率可實(shí)測(cè)率可實(shí)測(cè), 并不是都存在。比較容易防止；并不是都存在。比較容易防止； 2)脈沖噪聲脈沖噪聲是在時(shí)間上無規(guī)則地突發(fā)的短促噪聲，工業(yè)上是在時(shí)間上無規(guī)則地突發(fā)的短促噪聲，工業(yè)上的點(diǎn)火輻射、閃電及偶然的碰撞和電氣開關(guān)通斷等產(chǎn)生的噪的點(diǎn)火輻射、閃電及偶然的碰撞和電氣開關(guān)通斷等產(chǎn)生的噪聲。特點(diǎn)是其聲。特點(diǎn)是其突發(fā)突發(fā)的脈沖幅度大，但持續(xù)時(shí)間短，且相鄰?fù)坏拿}沖幅度大，但持續(xù)時(shí)間短，且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間往往有較長(zhǎng)的安靜時(shí)段。有發(fā)脈沖之間往往有較長(zhǎng)的安靜時(shí)段。有較寬較寬的頻譜的頻譜(從甚低從甚低頻到高頻頻到高頻)，頻率越高，其頻譜強(qiáng)度就越小。對(duì)模擬話音信，頻率越高