通訊原理與電路-信道與噪聲

1、2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲12022-5-7CP 第三章 信道與噪聲2第三章第三章 信道與噪聲信道與噪聲 3.1 信道定義與數(shù)學(xué)模型信道定義與數(shù)學(xué)模型 3.2 恒參信道及其傳輸特性恒參信道及其傳輸特性 3.3 隨參信道及其傳輸特性隨參信道及其傳輸特性 3.4 分集接收技術(shù)分集接收技術(shù) 3.5 加性噪聲加性噪聲 3.6 信道容量的概念信道容量的概念2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲33.1信道定義與數(shù)學(xué)模型信道定義與數(shù)學(xué)模型 3.1.1信道定義信道定義. 信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道。 如果信道僅是指信號(hào)的傳輸媒質(zhì)，這種信道稱為狹義信道； 如果信道不僅是傳輸媒質(zhì)，而且包

2、括通信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置，這種信道稱為廣義信道。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲43.1.1 信道定義信道定義 狹義信道按照傳輸媒質(zhì)的特性可分為有線信道和無線信道兩類。 有線信道包括明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜及光纖等。 無線信道包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、散射及移動(dòng)無線電信道等。 廣義信道除了包括傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)有關(guān)的變換裝置，這些裝置可以是發(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。 廣義信道按照它包括的功能，可以分為調(diào)制信道、編碼信道等。還可以定義其他形式的廣義信道。 常把廣義信道簡(jiǎn)稱為信道。2022-5-7CP 第三章 信道

3、與噪聲5調(diào)制信道用于研究調(diào)制與解調(diào)問題是方便和恰當(dāng)?shù)摹?編碼信道用于研究編碼與譯碼問題時(shí)使問題的分析更容易。調(diào)制信道和編碼信道編碼器輸入調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解調(diào)器譯碼器輸出編 碼 信 道調(diào) 制 信 道2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲63.1.2 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型 信道的數(shù)學(xué)模型用來表征實(shí)際物理信道的特性， 它對(duì)通信系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)是十分方便的。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲71. 調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型 有一對(duì)（或多對(duì)）輸入端和一對(duì)（或多對(duì)）輸出端； 絕大多數(shù)的信道都是線性的， 即滿足線性疊加原理； 信號(hào)通過信道具有固定的或時(shí)變的延遲時(shí)間； 信號(hào)通過信道會(huì)

4、受到固定的或時(shí)變的損耗； 即使沒有信號(hào)輸入， 在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。線性時(shí)變網(wǎng)絡(luò)si(t)so(t)2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲8 輸出與輸入的關(guān)系有 可看成是乘性干擾。 如果我們了解 與 的特性，就能知道信道對(duì)信號(hào)的具體影響。 )()(0tntsftntstri)()()(*0tstctsi)()()(iscs)(c)(tc)(tn2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲9 通常信道特性 是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，它可能包括各種線性失真、非線性失真、交調(diào)失真、衰落等。 同時(shí)由于信道的遲延特性和損耗特性隨時(shí)間作隨機(jī)變化，故 往往只能用隨機(jī)過程來描述。 基本不隨時(shí)間變化，

5、即信道對(duì)信號(hào)的影響是固定的或變化極為緩慢的，稱為恒定參量信道，簡(jiǎn)稱恒參信道； 隨時(shí)間隨機(jī)快變化， 稱為隨機(jī)參量信道，簡(jiǎn)稱隨參信道)(tc)(tc)(c)(c2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲10 加性噪聲信道模型 c是信道衰減因子， 通?？扇=1； n(t)是加性噪聲。 加性噪聲n(t)通常是一種高斯噪聲， 該信道模型通常稱為加性高斯噪聲信道。c() cr(t) csi(t) n(t)n(t)si(t)信道2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲11帶有加性噪聲的線性濾波器信道 C()在信號(hào)頻帶范圍之內(nèi)不是常數(shù)，但不隨時(shí)間變化，線性濾波器c (t)r(t)c (t) si(t)n (t

6、)n (t)si(t)信道*2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲12 C()在信號(hào)頻帶范圍之內(nèi)不是常數(shù)，且隨時(shí)間變化， 電離層反射信道、移動(dòng)通信信道都具有這種特性。 這種信道在數(shù)學(xué)上可表示為帶有加性噪聲的線性時(shí)變?yōu)V波器。 )()(),()()()(*0tntstctntstri2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲132. 編碼信道模型編碼信道模型 輸入、輸出數(shù)字序列之間的關(guān)系可以用一組轉(zhuǎn)移概率來表征。二進(jìn)制編碼信道模型 P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)012022-5-7CP 第三章 信道與噪聲14 輸出的總的錯(cuò)誤概率為 由于信道噪聲或其他因素影響導(dǎo)

7、致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯(cuò)誤是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，因此這種信道是無記憶編碼信道。 1)00()00( pp) 10() 1 ()01 ()0(pppppe1) 10() 11 ( pp2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲15多進(jìn)制無記憶編碼信道模型x0 x1xM1y0y1yN1 X Y2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲163.2 恒參信道及其傳輸特性恒參信道及其傳輸特性 恒參信道的信道特性不隨時(shí)間變化或變化很緩慢。 信道特性主要由傳輸媒質(zhì)所決定，如果傳輸媒質(zhì)是基本不隨時(shí)間變化的， 所構(gòu)成的廣義信道通常屬于恒參信道； 如果傳輸媒質(zhì)隨時(shí)間隨機(jī)快變化，則構(gòu)成的廣義信道通常屬于隨參信道。 如由架空明線、電

8、纜、中長(zhǎng)波地波傳播、對(duì)稱電纜、超短波及微波視距傳播、人造衛(wèi)星中繼、光導(dǎo)纖維以及光波視距傳播等傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的廣義信道都屬于恒參信道。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲173.2.1 有線電信道有線電信道 1. 對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜 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0.41.4 mm。 為了減小各線對(duì)之間的相互干擾，每一對(duì)線都擰成扭絞狀。 通常有兩種類型： 非屏蔽（UTP） 和屏蔽（STP）。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲181. 對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜 特點(diǎn) 電纜的傳輸損耗比較大， 但其傳輸特性比較穩(wěn)定， 并且價(jià)格便宜、 安裝容易。 對(duì)稱電纜主

9、要用于市話中繼線路和用戶線路，在許多局域網(wǎng)如以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)中也采用高等級(jí)的UTP電纜進(jìn)行連接。 STP電纜的特性同UTP的特性相同，由于加入了屏蔽措施，對(duì)噪聲有更好的屏蔽作用，但是其價(jià)格要昂貴一些2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲192. 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)圓柱形的導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體是金屬線，它們之間填充著介質(zhì)。 實(shí)際應(yīng)用中同軸電纜的外導(dǎo)體是接地的，對(duì)外界干擾具有較好的屏蔽作用，所以同軸電纜抗電磁干擾性能較好。 在有線電視網(wǎng)絡(luò)中大量采用這種結(jié)構(gòu)的同軸電纜。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲20 為了增大容量，也可以將幾根同軸電纜封裝在一個(gè)大的保護(hù)套內(nèi)，構(gòu)

10、成多芯同軸電纜，另外還可以裝入一些二芯絞線對(duì)或四芯線組，作為傳輸控制信號(hào)用。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲213.2.2 微波中繼信道微波中繼信道 頻率范圍一般在幾百兆赫至幾十吉赫 其傳輸特點(diǎn)是在自由空間沿視距傳輸 兩點(diǎn)間的傳輸距離一般為3050 km 長(zhǎng)距離通信需要在中間建立多個(gè)中繼站。 被廣泛用來傳輸多路電話及電視等。地球2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲22 在一條微波中繼信道上可采用二頻制或四頻制頻率配置方式以提高頻譜利用率和減小射頻波道間或鄰近路由的傳輸信道間的干擾， 微波中繼信道具有傳輸容量大、長(zhǎng)途傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)約有色金屬、 投資少、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。1站2站3站4

11、站f1f3f2f4f1f3(a)1站2站3站4站f1f2f2f1f1f2(b)2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲233.2.3 衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道 利用人造衛(wèi)星作為中繼站構(gòu)成的通信信道 靜止衛(wèi)星：若衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面，離地面高度為35780km時(shí)，繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間恰為24小時(shí)，與地球自轉(zhuǎn)同步。 移動(dòng)衛(wèi)星：不在靜止軌道運(yùn)行的衛(wèi)星 主要用來傳輸多路電話、 電視和數(shù)據(jù)2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲243.2.3 衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道 工作頻段有：L頻段(1.5/1.6GHz)、 C頻段(4/6GHz)、Ku頻段(12/14GHz)、Ka頻段(20/30GHz)。 主

12、要特點(diǎn)是 通信容量大、 傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、 傳輸距離遠(yuǎn)、 覆蓋區(qū)域廣等。 信號(hào)衰減大 信號(hào)延遲大地球AB2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲253.2.4 恒參信道特性恒參信道特性 恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯谴_定的或者是變化極其緩慢的。 其傳輸特性可以等效為一個(gè)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)。 線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以用幅度頻率特性和相位頻率特性來表征。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲261. 理想恒參信道特性理想恒參信道特性 信道的相頻特性通常還采用群遲延-頻率特性來衡量， 群遲延-頻率特性就是相位-頻率特性的導(dǎo)數(shù)， 若輸入信號(hào)為s(t)， 則理想恒參信道的輸出為 稱信號(hào)是無失真?zhèn)鬏攄tdwwdw)(

13、)()()(0dttsKtr)exp()(0dtjKH2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲27OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲282. 幅度幅度-頻率失真頻率失真 又稱為頻率失真，屬于線性失真。采用均衡器 (a)所示是典型音頻電話信道的幅度衰減特性 (b) CCITT M.1020建議規(guī)定的衰減特性350080020002800 30006f / Hz12(a)0300A( f ) / dB(b)3020100120024003600f / HzA( f ) / dB2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲293. 相位相位-頻率失

14、真頻率失真 相位-頻率失真也是屬于線性失真。 在話音傳輸中，由于人耳對(duì)相頻失真不太敏感，因此相頻失真對(duì)模擬話音傳輸影響不明顯。 可以采用均衡器對(duì)相頻特性進(jìn)行補(bǔ)償， 改善信道傳輸條件。 ()O理想特性(b)()O理想特性(a)2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲303.3 隨參信道及其傳輸特性隨參信道及其傳輸特性 信道傳輸特性隨時(shí)間隨機(jī)快速變化的信道。 陸地移動(dòng)信道、 短波電離層反射信道、 超短波流星余跡散射信道、 超短波及微波對(duì)流層散射信道、 超短波電離層散射 以及超短波超視距繞射等信道2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲313.3.1 陸地移動(dòng)信道陸地移動(dòng)信道 工作頻段主要在VHF和

15、UHF頻段，電波傳播特點(diǎn)是以直射波為主。 由于城市建筑群和其他地形地物的影響，電波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生反射波、散射波以及它們的合成波，電波傳輸環(huán)境較為復(fù)雜2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲321. 自由空間傳播 d為接收天線與發(fā)射天線之間直線距離，單位為km； f為工作頻率，單位為MHz。)(lg20lg2044.32dBfdLfs2)4(pdlGGPPRTTR2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲331201101009080706050401011001011 GHz100 MHzf10 MHz102自由空間損耗 / dB距離 / km2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲342.

16、 反射波與散射波反射波與散射波 當(dāng)電波輻射到地面或建筑物表面時(shí)， 會(huì)發(fā)生反射或散射， 從而產(chǎn)生多徑傳播現(xiàn)象hbd2dd1hm2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲35htTad1d2Rbcohr 其中 ： 為介電常數(shù)，為電導(dǎo)率，為波長(zhǎng)。s ins inzRz200cosz20coseq-zzRsinsin060j2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲363. 折射波折射波電波在空間傳播中，由于大氣中介質(zhì)密度隨高度增加而減小， 導(dǎo)致電波在空間傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射、散射等大氣折射對(duì)電波傳輸?shù)挠绊懲ǔ？捎玫厍虻刃О霃絹肀碚鳌=re/rok稱為地球等效半徑系數(shù)， r0=6370km為地球?qū)嶋H半徑，

17、re為地球等效半徑。在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下， 地球等效半徑系數(shù)k=4/3折射電波地表面2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲373.3.2短波電離層反射信道短波電離層反射信道 短波電離層反射信道是利用地面發(fā)射的無線電波在電離層， 或電離層與地面之間的一次反射或多次反射所形成的信道。 由于太陽輻射的紫外線和X射線，使離地面60600 km的大氣層成為電離層。 電離層是由分子、原子、離子及自由電子組成。 當(dāng)頻率范圍為330 MHz(波長(zhǎng)為10100m)的短波(或稱為高頻)無線電波射入電離層時(shí)， 由于折射現(xiàn)象會(huì)使電波發(fā)生反射，返回地面，從而形成短波電離層反射信道2022-5-7CP 第三章 信道與噪

18、聲38 電離層厚度有數(shù)百千米，可分為D、E、F1和F2四層 在白天，由于太陽輻射強(qiáng)，所以D、E、F1和F2四層都存在。 在夜晚，由于太陽輻射弱，D和F1層幾乎完全消失，只有E和F2層存在 由于太陽輻射的變化，電離層的密度和厚度也隨時(shí)間隨機(jī)變化，因此短波電離層反射信道也是隨參信道隨參信道。 D、E層主要是吸收電波，使電波能量損耗。 F2層是反射層，其高度為250300 km，所以一次反射的最大距離約為4000 km。0FFED300 kmAB地球FBA地球反射點(diǎn)2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲39 最高可用頻率是指當(dāng)電波以0角入射時(shí)，能從電離層反射的最高頻率，可表示為 fMUF=f0 s

19、ec0 = f0/cos0 f0為0=0時(shí)能從電離層反射的最高頻率(稱為臨界頻率)。 在白天，電離層較厚，F(xiàn)2層的電子密度較大，最高可用頻率較高。 在夜晚，電離層較薄，F(xiàn)2層的電子密度較小，最高可用頻率要比白天低。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲40 (a) 一次反射和兩次反射； (b) 反射區(qū)高度不同； (c) 尋常波與非尋常波； (d) 漫射現(xiàn)象ABAB(a)(b)ABAB(c)(d )2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲413.3.3隨參信道特性隨參信道特性 特點(diǎn)： (1) 對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化； (2) 信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化； (3) 多徑傳播。 隨參信道比恒

20、參信道復(fù)雜得多，它對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸脖群銋⑿诺绹?yán)重得多。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲421. 多徑衰落與頻率彌散多徑衰落與頻率彌散 假設(shè)發(fā)送信號(hào)為單一頻率正弦波，即從各條路徑到達(dá)接收端的信號(hào)相互獨(dú)立，則接收端接收到的合成波為 11( )( )cos( )( )cos( )( )nniciiciiir ta ttta tttwtwj=-=-邋( )coscs tAt2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲43由于X(t)和Y(t)都是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量之和，根據(jù)概率論中心極限定理，大量獨(dú)立隨機(jī)變量之和的分布趨于正態(tài)分布。11( )( )coscos( )sinsinnniiciici

21、ir ta tta ttJwJw=-邋( )cos( )sinccX tty ttww=-1( )( )cosniiix ta tj=1( )( )sinniiiy ta tj=2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲44 當(dāng)n足夠大時(shí)， X(t)和Y(t)都趨于正態(tài)分布。 通常情況下X(t)和Y(t)的均值為零，方差相等，其一維概率密度函數(shù)為221( )exp()22xxxf xsps=-221( )exp()22yyyf ysps=-2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲45 也可以表示為包絡(luò)和相位的形式 由第 2 章隨機(jī)信號(hào)分析理論我們知道， 包絡(luò)V(t)的一維分布服從瑞利分布，相位(

22、t)的一維分布服從均勻分布， 且有22( )exp()2vvvvf vss=-1( ),022fqqpp=( )( ) cos( )cr tV tttxyv2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲46 r(t)可以看成是一個(gè)窄帶隨機(jī)過程。 兩個(gè)結(jié)論: 多徑傳播使單一頻率的正弦信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號(hào)，這種信號(hào)稱為衰落信號(hào)，即多徑傳播使信號(hào)產(chǎn)生瑞利型衰落； 單一譜線變成了窄帶頻譜， 即多徑傳播引起了頻率彌散。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲472. 頻率選擇性衰落與相關(guān)頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬帶寬 當(dāng)發(fā)送信號(hào)是具有一定頻帶寬度的信號(hào)時(shí)， 多徑傳播除了會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生瑞利型衰落之外

23、，還會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。 當(dāng)信道輸入信號(hào)為si(t)時(shí)，輸出信號(hào)為 信道傳輸函數(shù)為 0( )( )( )iistks tks tt 0( )( )( )exp( )iiSkSkSjt ( )1 exp( )ikSjt 0( )( )( )1( )iHSSkejt 2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲48 信道幅頻特性為( )( )11cos( )sin( )jtHkektjtwtwtwt-D=+=+D-D2( )( )( )2cos2sincos222tttkjwtwtwtDDD=-( )( )( )2222coscossintttkjwtwtwtDDD=-( )2cos2tkwtD=2

24、022-5-7CP 第三章 信道與噪聲49|H()|2kOf2i1i1|H()|2kO2(t)1f(a)(b) 對(duì)于信號(hào)不同的頻率成分，信道將有不同的衰減。 信號(hào)通過這種傳輸特性的信道時(shí)， 信號(hào)的頻譜將產(chǎn)生失真。 當(dāng)失真隨時(shí)間隨機(jī)變化時(shí)就形成頻率選擇性衰落。 特別是當(dāng)信號(hào)的頻譜寬于 時(shí)，些頻率分量會(huì)被信道衰減到零， 造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。1( ) ttD2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲50對(duì)于一般的多徑傳播，通常用最大多徑時(shí)延差來表征。設(shè)信道最大多徑時(shí)延差為m，則定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為它表示信道傳輸特性相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔。如果信號(hào)的頻譜比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率

25、選擇性衰落。為了減小頻率選擇性衰落，就應(yīng)使信號(hào)的頻譜小于相關(guān)帶寬。在工程設(shè)計(jì)中，為了保證接收信號(hào)質(zhì)量， 通常選擇信號(hào)帶寬為相關(guān)帶寬的1/51/3。 當(dāng)在多徑信道中傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，特別是傳輸高速數(shù)字信號(hào)，頻率選擇性衰落將會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響， 就必須限制數(shù)字信號(hào)傳輸速率1CmBt=D2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲513.4 分集接收技術(shù)分集接收技術(shù) 常采用的抗衰落技術(shù)措施有 調(diào)制解調(diào)技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、 功率控制技術(shù)、與交織結(jié)合的差錯(cuò)控制技術(shù)、分集接收技術(shù)等。 其中分集接收技術(shù)是一種有效的抗衰落技術(shù)，已在短波通信、移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用2022-5-7CP 第三

26、章 信道與噪聲52 所謂分集接收， 是指接收端按照某種方式使它收到的攜帶同一信息的多個(gè)信號(hào)衰落特性相互獨(dú)立，并對(duì)多個(gè)信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低合成信號(hào)電平起伏，減小各種衰落對(duì)接收信號(hào)的影響。 從廣義信道的角度來看，分集接收可看作是隨參信道中的一個(gè)組成部分，通過分集接收使包括分集接收在內(nèi)的隨參信道衰落特性得到改善。 分集接收包含有兩重含義： 一是分散接收，使接收端能得到多個(gè)攜帶同一信息的、統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)； 二是集中處理，即接收端把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，從而降低衰落的影響，改善系統(tǒng)性能2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲533.4.1分集方式分集方式 空間分集、 頻率

27、分集、 角度分集、 極化分集、 時(shí)間分集等2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲541. 空間分集空間分集 接收端在不同的位置上接收同一個(gè)信號(hào)，只要各位置間的距離大到一定程度，則所收到信號(hào)的衰落是相互獨(dú)立的。因此，空間分集的接收機(jī)至少需要兩副間隔一定距離的天線 接收端各接收天線之間的間距應(yīng)滿足 d3 分集重?cái)?shù)在 24 重比較合適發(fā)送端分集接收接收端輸出2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲552. 頻率分集頻率分集 將待發(fā)送的信息分別調(diào)制到不同的載波頻率上發(fā)送，只要載波頻率之間的間隔大到一定程度，則接收端所接收到信號(hào)的衰落是相互獨(dú)立的。在實(shí)際中，當(dāng)載波頻率間隔大于相關(guān)帶寬時(shí)，則可認(rèn)為接收到

28、信號(hào)的衰落是相互獨(dú)立的。 在移動(dòng)通信中，當(dāng)工作頻率在900MHz頻段，典型的最大多徑時(shí)延差為5 s，1CmfBt=D611200510mfkHZt-=D2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲563. 時(shí)間分集時(shí)間分集 將同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)， 只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，則各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立的。 主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號(hào)。 重復(fù)發(fā)送的時(shí)間間隔應(yīng)滿足 fm為衰落頻率， v為移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度 時(shí)間分集對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)是無效果的。1122( / )mtfvl=2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲57 以上介紹的是幾種顯分集方式，在CDMA系統(tǒng)中還采用R

29、ake接收機(jī)形式的隱分集方式。 另外，在實(shí)際應(yīng)用中還可以將多種分集結(jié)合使用。 例如在CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常將空間分集與Rake接收相結(jié)合，改善傳輸條件，提高系統(tǒng)性能。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲583.4.2 合并方式合并方式 根據(jù)某種方式把得到的各個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)相加后合并輸出，從而獲得分集增益。合并可以在中頻進(jìn)行，也可以在基帶進(jìn)行，通常是采用加權(quán)相加方式合并。合并器輸出為 ai為第i個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù) 選擇式合并、等增益合并和最大比值合并。 表征合并性能的參數(shù)有平均輸出信噪比、合并增益等1( )( )Niiir ta r t=2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲591.

30、選擇式合并選擇式合并 其原理是檢測(cè)所有接收機(jī)輸出信號(hào)的信噪比，選擇其中信噪比最大的那一路信號(hào)作為合并器的輸出 對(duì)選擇式分集，每增加一條分集路徑， 對(duì)合并增益的貢獻(xiàn)僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍011NMkrrk=101NmMkrGkr=合并器平均輸出信噪比支路信號(hào)平均信噪比合并增益2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲602. 等增益合并等增益合并 當(dāng)加權(quán)系數(shù)k1=k2=kN時(shí)，即為等增益合并1(1)4MrrNp=+-1(1)4MMrGNrp=+-合并前每條支路的平均信噪比2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲613. 最大比值合并最大比值合并 各條支路加權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比。 可以證明，

31、 當(dāng)各支路加權(quán)系數(shù)為 平均輸出信噪比最大 合并增益與分集支路數(shù)N成正比2KkAas=第k條支路信號(hào)幅度每條支路噪聲平均功率MrNr=MMrGNr=2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲62 最大比值合并的性能最好，選擇式合并的性能最差。 當(dāng)N較大時(shí)， 等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益12345678910246810log2SNR合并SNR支路N (分集支路數(shù))a 為最大比值合并b 為等增益合并c 為選擇式合并abc2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲633.5加性噪聲加性噪聲 加性噪聲與信號(hào)相互獨(dú)立，并且始終存在， 實(shí)際中只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不能徹底消除加

32、性噪聲。 因此，加性噪聲不可避免地會(huì)對(duì)通信造成危害2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲643.5.1噪聲的分類噪聲的分類 根據(jù)噪聲的來源進(jìn)行分類 (1) 人為噪聲。 (2) 自然噪聲 (3) 內(nèi)部噪聲 根據(jù)噪聲的性質(zhì)分類 單頻噪聲、 脈沖噪聲 和起伏噪聲。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲653.5.2起伏噪聲及特性起伏噪聲及特性 主要討論熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲的產(chǎn)生原因，分析其統(tǒng)計(jì)特性 熱噪聲是由傳導(dǎo)媒質(zhì)中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的， 這種在原子能量級(jí)上的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的普遍特性。 在通信系統(tǒng)中，電阻器件噪聲、天線噪聲、饋線噪聲以及接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲均可以等效成熱噪聲2022-5-7

33、CP 第三章 信道與噪聲663.5.2起伏噪聲及特性起伏噪聲及特性 在阻值為R的電阻器兩端所呈現(xiàn)的熱噪聲，其單邊功率譜密度為 在室溫(T=290K)條件下，f1000GHz時(shí)，功率譜密度Pn(f)基本上是平坦的。 通常我們把這種噪聲按白噪聲處理。24( )(/)exp()1nZRhfPfVHhfKT=-Pn( f )2kRT00.20.4hf / KT2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲673.5.2起伏噪聲及特性起伏噪聲及特性通信系統(tǒng)中熱噪聲的功率譜密度可表示為 Pn(f)=2KTR (V2/Hz)系統(tǒng)中，電阻器件噪聲、天線噪聲、饋線噪聲以及接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲均可以等效成熱噪聲熱噪聲電壓服

34、從高斯分布，且均值為零abR(a)abGin(t)(b)abRun(t)(c)KTGBIn4KTRBUn42022-5-7CP 第三章 信道與噪聲683.5.2起伏噪聲及特性起伏噪聲及特性 熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲這些起伏噪聲都可以認(rèn)為是一種高斯噪聲，且功率譜密度在很寬的頻帶范圍都是常數(shù)。因此，起伏噪聲通常被認(rèn)為是近似高斯白噪聲。高斯白噪聲的雙邊功率譜密度為0( )(/)2nnpfHzw=0( )( )2nnRtd t=2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲69 帶通型噪聲的頻譜具有一定的寬度，噪聲的帶寬可以用不同的定義來描述。 為了使得分析噪聲功率相對(duì)容易，通常用噪聲等效帶寬來描述。0(

35、 )( )2()()nnnncncpf dfpf dfBpfpf- =面積相等Pn( f )Pn( fc )OBnffc2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲703.6 信道容量的概念信道容量的概念 是指信道中信息無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾省?調(diào)制信道是一種連續(xù)信道，可以用連續(xù)信道的信道容量來表征； 編碼信道是一種離散信道，可以用離散信道的信道容量來表征。 我們只討論連續(xù)信道的信道容量。2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲713.6.1 離散信道的信道容量 P（xi）為發(fā)送符號(hào)xi的概率 P（yi）為收到符號(hào)yi的概率 P（yi/ xi ）為轉(zhuǎn)移概率，i=1，2，n 無噪聲時(shí)P（yi/ xi

36、）=0 互信息()( ,)( ;)loglog( )( ) ()log( )log()ijijijiijiijP xyP x yI x yP xP x P yP xP xy= -+2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲72 互信息 平均自信息 熵 平均條件自信息 條件熵()( ,)( ;)loglog( )( ) ()log( )log()ijijijiijiijP xyP x yI x yP xP x P yP xP xy= -+1( )() log()niiiHxP xP x= -1111()( ,)log()()()log()nmijijijmmjijijijH x yP x yP xyP yP xyP xy= -= -邋邋2022-5-7CP 第三章 信道與噪聲73 信息傳輸速率 信道容量( )()( )()ttRH xH x yr H xH x y=-=-單位時(shí)間內(nèi)傳送的符號(hào)