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西安電子科技大學(xué)

通信工程原理

第三章課件設(shè)計(jì)11/24/20221西安電子科技大學(xué)

通信工程原理

第三章課件設(shè)計(jì)11/23/第三章信道本章大綱信道的定義、分類和模型恒參信道的傳輸特性及其對(duì)信號(hào)的影響隨參信道的傳輸媒質(zhì)的三個(gè)特點(diǎn),多徑傳播對(duì)信號(hào)的影響信道加性噪聲的統(tǒng)計(jì)特性連續(xù)信道的信道容量,香農(nóng)公式11/24/20222第三章信道本章大綱11/23/20222一、信道的定義與分類

1.

狹義信道:僅指傳輸媒質(zhì)。分為:有線信道(包括架空明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜以及光導(dǎo)纖維。)無線信道(包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波無線電視距離傳輸、衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。)2.廣義信道:除了傳輸媒質(zhì)外,還包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換設(shè)備,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。這種范圍擴(kuò)大了的信道稱為廣義信道。分為:調(diào)制信道研究調(diào)制與解調(diào)的角度定義11/24/20223一、信道的定義與分類

1.

狹義信道:僅指傳輸媒質(zhì)。分為:1一、信道的定義與分類

編碼信道

研究編碼和解碼的角度定義圖3-1調(diào)制信道與編碼信道

需要指出,無論何種廣義信道,傳輸媒質(zhì)是其主要部分,通信質(zhì)量的好壞,主要取決于傳輸媒質(zhì)的特性。調(diào)制發(fā)轉(zhuǎn)換媒收轉(zhuǎn)換解調(diào)譯碼器輸入編碼器輸出11/24/20224一、信道的定義與分類

編碼信道研究編碼和解碼的角度定義

二、信道數(shù)學(xué)模型

1.調(diào)制信道模型調(diào)制信道一般可看成一個(gè)輸出端疊加有噪聲的時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò),如圖3-2所示。圖3-2調(diào)制信道模型入出關(guān)系: 式中

是輸入的已調(diào)信號(hào);

時(shí)變線11/24/20225

二、信道數(shù)學(xué)模型1.調(diào)制信道模型時(shí)變線11/23/2

二、信道數(shù)學(xué)模型

是信道總的輸出;是加性噪聲(或稱加性干擾),與不不發(fā)生依賴關(guān)系,或者說獨(dú)立于。作為數(shù)學(xué)上的一種簡潔:依賴于網(wǎng)絡(luò)特性,它對(duì)來說是一種乘性干擾。討論:(1)調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的干擾有兩種:乘性干擾和加性干擾.分析信道對(duì)信號(hào)的具體影響,在于了解與的特性。11/24/20226

二、信道數(shù)學(xué)模型是信道總的輸出;

二、信道數(shù)學(xué)模型

(2)分析乘性干擾的影響時(shí),可把調(diào)制信道分為兩大類:恒參信道,即隨時(shí)間緩變或不變;隨參信道,即隨機(jī)快變化。通常,將架空明線、電纜、光導(dǎo)纖維、超短波及微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等視為恒參信道。而將短波電離層反射信道、各種散射信道、超短波移動(dòng)通信信道等視為隨參信道。2.編碼信道模型編碼信道的特性可用信道轉(zhuǎn)移概率(條件概率)來描述。以二進(jìn)制無記憶編碼信道為例。11/24/20227

二、信道數(shù)學(xué)模型(2)分析乘性干擾的影響時(shí),可把調(diào)

二、信道數(shù)學(xué)模型

圖3-3二進(jìn)制編碼信道模型正確轉(zhuǎn)移概率:P(0/0)、P(1/1)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率:P(1/0)、P(0/1)且有(由于編碼信道包含調(diào)制信道,因而它的特性在很大程度上依賴于調(diào)制信道。調(diào)制信道又分為恒參信道和隨參信道,故將重點(diǎn)加以討論。11/24/20228

二、信道數(shù)學(xué)模型圖3-3二進(jìn)制編碼信道模型11/23/2三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影恒參信道是指乘性干擾基本不隨時(shí)間變化的信道。因此,恒參信道可等效為一個(gè)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)。可用和共同來描述。1.

傳輸特性

幅頻特性

相頻特性

11/24/20229三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影恒參信道是指乘性干擾三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

1.不失真條件

引入群遲延—頻率特性,它定義為相頻特性的導(dǎo)數(shù),即若呈線性關(guān)系,則曲線是一條水平直線,如圖3-4所示。這時(shí),信號(hào)的不同頻率成分將有相同的時(shí)延,因而信號(hào)經(jīng)過該信道傳輸后將不發(fā)生失真。11/24/202210三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

1.不失真條件11三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

圖3-4理想的相頻特性及群遲延—頻率特性2.兩種失真及其影響實(shí)際的信道特性并不理想,必然對(duì)信號(hào)產(chǎn)生兩種失真:11/24/202211三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

圖3-4理想三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

幅頻失真指信號(hào)中不同頻率的分量分別受到信道不同的衰減。它對(duì)模擬通信影響較大,導(dǎo)致信號(hào)波形畸變,輸出信噪比下降。相頻失真(或群遲延失真)指信號(hào)中不同頻率的分量分別受到信道不同的時(shí)延。它對(duì)數(shù)字通信影響較大,會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾,造成誤碼。綜述:恒參信道通常用它的幅頻特性及相頻特性來表述。這兩個(gè)特性的不理想,將是損害信號(hào)傳輸特性的重要因素。實(shí)際中常采用“均衡”措施去補(bǔ)償信道的傳輸特性。11/24/202212三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

幅頻失真指四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

隨參信道的傳輸特性主要依賴于其傳輸媒質(zhì),它以電離層反射信道、對(duì)流層散射信道為主要代表。1.傳輸媒質(zhì)特點(diǎn):(1)對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變;(2)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變;(3)多徑傳播。11/24/202213四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戨S參信道的傳輸特性四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

2.引起多徑傳播的原因所謂多徑傳播,是指由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)過多條路徑達(dá)到接收點(diǎn),其示意圖如圖3-5所示。由于每條路徑對(duì)信號(hào)的衰減和時(shí)延都隨電離層或?qū)α鲗拥臋C(jī)理變化而變化,所以接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合成。圖3-5多徑傳播示意圖

設(shè)發(fā)射波為幅度恒定、頻率單一的載波,經(jīng)過多條路徑傳播后的接收信號(hào)可表示為電離層對(duì)流層散射區(qū)11/24/202214四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.引起多徑傳播的原四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

式中V(t)是合成波R(t)的包絡(luò),其一維分布為瑞利分布;是合成波R(t)的相位,其一維分布為均勻分布。于是,R(t)可視為一個(gè)窄帶過程,又稱R(t)為衰落信號(hào)。3.多經(jīng)傳播對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?)

產(chǎn)生瑞利型衰落從波形上看,幅度恒定頻率單一的載波信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào),見圖3-6(a)。(2)

引起頻率彌散11/24/202215四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯街蠽(t)是合四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

從頻譜上看,單個(gè)頻率變成了窄帶頻譜,見圖3-6(b)。

圖3-6衰落信號(hào)的波形與頻譜示意圖11/24/202216四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憦念l譜上看,單個(gè)頻率四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?)

造成頻率選擇性衰落當(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,還會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。頻率選擇性衰落是多徑傳播的又一重要特征。為了分析方便,我們假設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條,信道模型如圖3-22所示。其中,k為兩條路徑的衰減系數(shù),為兩條路徑信號(hào)傳輸相對(duì)時(shí)延差。11/24/202217四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1/23/20221四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

當(dāng)信道輸入信號(hào)為時(shí),輸出信號(hào)為

其頻域表示式為

信道傳輸函數(shù)為

可以看出,信道傳輸特性主要由項(xiàng)決定。信道幅頻特性為

11/24/202218四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1/23/2022四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

上式表示,對(duì)于信號(hào)不同的頻率成分,信道將有不同的衰減。顯然,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),有些頻率分量會(huì)被信道衰減到零,造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。

11/24/202219四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

11/23/202四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

另外,相對(duì)時(shí)延差通常是時(shí)變參量,故傳輸特性中零點(diǎn)、極點(diǎn)在頻率軸上的位置也隨時(shí)間隨機(jī)變化,這使傳輸特性變得更復(fù)雜.11/24/202220四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懥硗?,相?duì)時(shí)延差四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺O(shè)最大多經(jīng)時(shí)延差為,則定義相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔為相關(guān)帶寬為減小選擇性衰落,往往要限制數(shù)字信號(hào)的傳輸數(shù)率,實(shí)際上等于限制了數(shù)字信號(hào)的頻譜寬度,即信號(hào)頻帶()必須小于相關(guān)帶寬。一個(gè)工程上經(jīng)驗(yàn)公式即數(shù)字信號(hào)的碼元脈沖寬度11/24/202221四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺O(shè)最大多經(jīng)時(shí)延差為四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

綜上分析,多經(jīng)傳播引起的瑞利型衰落(屬快衰落)和頻率選擇性衰落是嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸?shù)膬蓚€(gè)因素。因此,對(duì)隨參信道往往要采用抗快衰落措施,如各種抗衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及接收技術(shù)等。其中較為有效的一種就是分集接收技術(shù)(分散接收,集中處理)。11/24/202222四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1/23/20四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

4.分集接收技術(shù)

陸地移動(dòng)信道、短波電離層反射信道等隨參信道引起的多徑時(shí)散、多徑衰落、頻率選擇性衰落、頻率彌散等,會(huì)嚴(yán)重影響接收信號(hào)質(zhì)量,使通信系統(tǒng)性能大大降低。為了提高隨參信道中信號(hào)傳輸質(zhì)量,必須采用抗衰落的有效措施。常采用的技術(shù)措施有,抗衰落性能好的調(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。11/24/202223四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.分集接收技術(shù)1四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰^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。11/24/202224四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰^分集接收是指接收端四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

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。分集方式為了在接收端得到多個(gè)互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的接收信號(hào),一般可利用不同路徑、不同頻率、不同角度、不同極化、不同時(shí)間等接收手段來獲取。因此,分集方式也有空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集、時(shí)間分集等多種方式。11/24/202225四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛旨邮瞻?、隨參信道的特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊?/p>

(1)空間分集空間分集是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.

11/24/202226四、隨參信道的特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊懀?)空間分集11/23(2)頻率分集頻率分集是將待發(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,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)為接收到信號(hào)的衰落是相互獨(dú)立的。因此,載波頻率的間隔應(yīng)滿足

式中,為載波頻率間隔,為相關(guān)帶寬,為最大多徑時(shí)延差。11/24/202227(2)頻率分集頻率分集是將待發(fā)送的信息分別調(diào)制到不同的載波頻四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

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,此時(shí)有

(3)時(shí)間分集時(shí)間分集是將同一信號(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。時(shí)間分集主要用于衰落信道中傳輸數(shù)字信號(hào)。以上介紹的是幾種顯分集方式,在CDMA系統(tǒng)中還采用Rake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。

合并方式11/24/202228四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺谝苿?dòng)通信中,當(dāng)工作四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

在接收端采用分集方式可以得到N個(gè)衰落特性相互獨(dú)立的信號(hào),所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的N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。假設(shè)N個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)分別為,則合并器輸出為

式中,為第i個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)。11/24/202229四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺诮邮斩瞬捎梅旨绞剿?、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇x擇不同的加權(quán)系數(shù),就可構(gòu)成不同的合并方式。常用的三種合并方式是: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)選擇式合并11/24/202230四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇x擇不同的加權(quán)系數(shù),就四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

選擇式合并是所有合并方式中最簡單的一種,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.

選擇式合并的平均輸出信噪比為

合并增益為

11/24/202231四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇x擇式合并是所有合并四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

式中,為合并器平均輸出信噪比,為支路信號(hào)最大平均信噪比??梢?,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。(2)等增益合并而且當(dāng)加權(quán)系數(shù)時(shí),即為等增益合并。假設(shè)每條支路的平均噪聲功率是相等的,則等增益合并的平均輸出信噪比為

合并增益為

11/24/202232四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯街校瑸楹喜⑵髌剿?、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

式中,為合并前每條支路的平均信噪比。

(3)最大比值合并

最大比值合并方法最早是由Kahn提出的。最大比值合并原理是各條支路加權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比。信噪比越大,加權(quán)系數(shù)越大,對(duì)合并后信號(hào)貢獻(xiàn)也越大。若每條支路的平均噪聲功率是相等的,可以證明,當(dāng)各支路加權(quán)系數(shù)

時(shí),分集合并后的平均輸出信噪比最大。式中,為第條支路信號(hào)幅度,為每條支路噪聲平均功率。11/24/202233四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯街?,為合并前每條四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

最大比值合并后的平均輸出信噪比為

合并增益為

可見,合并增益與分集支路數(shù)成正比。可以看出,在這三種合并方式中,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。11/24/202234四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懽畲蟊戎岛喜⒑蟮钠骄濉⑿诺赖募有栽肼?/p>

加性噪聲是分散在通信系統(tǒng)中各處噪聲的集中表示。它獨(dú)立于有用信號(hào),卻始終干擾有用信號(hào)。加性噪聲的主要代表是起伏噪聲(包括熱噪聲、散彈噪聲、和宇宙噪聲)。這類噪聲是不能回避的客觀存在,是影響通信質(zhì)量的主要因素之一。為了研究噪聲背景下通信系統(tǒng)的性能,必須了解噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。分析表明:熱噪聲、散彈噪聲、和宇宙噪聲均為高斯噪聲,且在很寬的頻率范圍內(nèi)都具有平坦的功率譜密度,故今后一律把起伏噪聲定義為高斯白噪聲。其雙邊功率譜密度為11/24/202235五、信道的加性噪聲加性噪聲是分散在通信系統(tǒng)中各處噪聲的集中五、信道的加性噪聲

其一維概率密度函數(shù)為當(dāng)研究調(diào)制與解調(diào)問題時(shí),起伏噪聲往往先通過一個(gè)帶通濾波器才到達(dá)解調(diào)器輸入端,此處的噪聲將是一個(gè)窄帶高斯白噪聲。也就是說,調(diào)制信道的加性噪聲可直接表述為窄帶高斯白噪聲。設(shè)帶通型噪聲的功率譜密度如圖3-7所示,它可以由高斯白噪聲通過一個(gè)帶通濾波器而得到。11/24/202236五、信道的加性噪聲其一維概率密度函數(shù)為11/23/2022五、信道的加性噪聲

圖3-7帶通型噪聲的功率譜密度

假設(shè)功率譜密度曲線下的面積與圖中矩形虛線下的面積相等,即式中,為等效噪聲帶寬,其物理含義是白噪聲通過實(shí)際帶通濾波器的效果與通過寬度為,高為1的矩型濾波器的效果一樣。上述噪聲帶寬的定義將適用于今后常見的窄帶高斯噪聲。且認(rèn)為帶寬為的窄帶高斯噪聲,其功率譜密度在帶寬內(nèi)是平坦的。11/24/202237五、信道的加性噪聲

圖3-7帶通型噪聲的功率譜密度11/六、信道容量

信道容量是信道的極限傳輸能力。1.

定義

信道無差錯(cuò)傳輸信息的最大信息速率稱為信道容量,記之為C。2.連續(xù)信道的信道容量根據(jù)香農(nóng)信息論可以證明,受到高斯白噪聲干擾的連續(xù)信道的信道容量為式中,B為信道帶寬(Hz),S為信號(hào)功率(W),為噪聲單邊功率譜密度(W/Hz),為噪聲功率(W)。上式就是著名的香農(nóng)公式。它告訴我們以下重要結(jié)論:(1)提高信噪比S/N,能提高信道容量C。11/24/202238六、信道容量

信道容量是信道的極限傳輸能力。11/23/六、信道容量

(2)若0,則C,這意味無干擾信道容量為無窮大。(3)增加信道帶寬B,不能使信道容量C無限制地增加,即當(dāng)B

時(shí),C(4)C一定,B與S/N可進(jìn)行互換(5)若信源的信息速率R小于或等于信道容量C,則理論上可實(shí)現(xiàn)無誤差(任意小的差錯(cuò)率)傳輸。若RC,則不可能實(shí)現(xiàn)無誤傳輸。通常,把實(shí)現(xiàn)了極限信息速率傳輸(即達(dá)到信道容量值)且能做到任意小差錯(cuò)率的通信系統(tǒng),稱為理想通信系統(tǒng)。例題11/24/202239六、信道容量

(2)若0,則C,這西安電子科技大學(xué)

通信工程原理

第三章課件設(shè)計(jì)11/24/202240西安電子科技大學(xué)

通信工程原理

第三章課件設(shè)計(jì)11/23/第三章信道本章大綱信道的定義、分類和模型恒參信道的傳輸特性及其對(duì)信號(hào)的影響隨參信道的傳輸媒質(zhì)的三個(gè)特點(diǎn),多徑傳播對(duì)信號(hào)的影響信道加性噪聲的統(tǒng)計(jì)特性連續(xù)信道的信道容量,香農(nóng)公式11/24/202241第三章信道本章大綱11/23/20222一、信道的定義與分類

1.

狹義信道:僅指傳輸媒質(zhì)。分為:有線信道(包括架空明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜以及光導(dǎo)纖維。)無線信道(包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波無線電視距離傳輸、衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。)2.廣義信道:除了傳輸媒質(zhì)外,還包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換設(shè)備,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。這種范圍擴(kuò)大了的信道稱為廣義信道。分為:調(diào)制信道研究調(diào)制與解調(diào)的角度定義11/24/202242一、信道的定義與分類

1.

狹義信道:僅指傳輸媒質(zhì)。分為:1一、信道的定義與分類

編碼信道

研究編碼和解碼的角度定義圖3-1調(diào)制信道與編碼信道

需要指出,無論何種廣義信道,傳輸媒質(zhì)是其主要部分,通信質(zhì)量的好壞,主要取決于傳輸媒質(zhì)的特性。調(diào)制發(fā)轉(zhuǎn)換媒收轉(zhuǎn)換解調(diào)譯碼器輸入編碼器輸出11/24/202243一、信道的定義與分類

編碼信道研究編碼和解碼的角度定義

二、信道數(shù)學(xué)模型

1.調(diào)制信道模型調(diào)制信道一般可看成一個(gè)輸出端疊加有噪聲的時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò),如圖3-2所示。圖3-2調(diào)制信道模型入出關(guān)系: 式中

是輸入的已調(diào)信號(hào);

時(shí)變線11/24/202244

二、信道數(shù)學(xué)模型1.調(diào)制信道模型時(shí)變線11/23/2

二、信道數(shù)學(xué)模型

是信道總的輸出;是加性噪聲(或稱加性干擾),與不不發(fā)生依賴關(guān)系,或者說獨(dú)立于。作為數(shù)學(xué)上的一種簡潔:依賴于網(wǎng)絡(luò)特性,它對(duì)來說是一種乘性干擾。討論:(1)調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的干擾有兩種:乘性干擾和加性干擾.分析信道對(duì)信號(hào)的具體影響,在于了解與的特性。11/24/202245

二、信道數(shù)學(xué)模型是信道總的輸出;

二、信道數(shù)學(xué)模型

(2)分析乘性干擾的影響時(shí),可把調(diào)制信道分為兩大類:恒參信道,即隨時(shí)間緩變或不變;隨參信道,即隨機(jī)快變化。通常,將架空明線、電纜、光導(dǎo)纖維、超短波及微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等視為恒參信道。而將短波電離層反射信道、各種散射信道、超短波移動(dòng)通信信道等視為隨參信道。2.編碼信道模型編碼信道的特性可用信道轉(zhuǎn)移概率(條件概率)來描述。以二進(jìn)制無記憶編碼信道為例。11/24/202246

二、信道數(shù)學(xué)模型(2)分析乘性干擾的影響時(shí),可把調(diào)

二、信道數(shù)學(xué)模型

圖3-3二進(jìn)制編碼信道模型正確轉(zhuǎn)移概率:P(0/0)、P(1/1)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率:P(1/0)、P(0/1)且有(由于編碼信道包含調(diào)制信道,因而它的特性在很大程度上依賴于調(diào)制信道。調(diào)制信道又分為恒參信道和隨參信道,故將重點(diǎn)加以討論。11/24/202247

二、信道數(shù)學(xué)模型圖3-3二進(jìn)制編碼信道模型11/23/2三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影恒參信道是指乘性干擾基本不隨時(shí)間變化的信道。因此,恒參信道可等效為一個(gè)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)??捎煤凸餐瑏砻枋?。1.

傳輸特性

幅頻特性

相頻特性

11/24/202248三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影恒參信道是指乘性干擾三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

1.不失真條件

引入群遲延—頻率特性,它定義為相頻特性的導(dǎo)數(shù),即若呈線性關(guān)系,則曲線是一條水平直線,如圖3-4所示。這時(shí),信號(hào)的不同頻率成分將有相同的時(shí)延,因而信號(hào)經(jīng)過該信道傳輸后將不發(fā)生失真。11/24/202249三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

1.不失真條件11三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

圖3-4理想的相頻特性及群遲延—頻率特性2.兩種失真及其影響實(shí)際的信道特性并不理想,必然對(duì)信號(hào)產(chǎn)生兩種失真:11/24/202250三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

圖3-4理想三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

幅頻失真指信號(hào)中不同頻率的分量分別受到信道不同的衰減。它對(duì)模擬通信影響較大,導(dǎo)致信號(hào)波形畸變,輸出信噪比下降。相頻失真(或群遲延失真)指信號(hào)中不同頻率的分量分別受到信道不同的時(shí)延。它對(duì)數(shù)字通信影響較大,會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾,造成誤碼。綜述:恒參信道通常用它的幅頻特性及相頻特性來表述。這兩個(gè)特性的不理想,將是損害信號(hào)傳輸特性的重要因素。實(shí)際中常采用“均衡”措施去補(bǔ)償信道的傳輸特性。11/24/202251三、恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)的影響

幅頻失真指四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

隨參信道的傳輸特性主要依賴于其傳輸媒質(zhì),它以電離層反射信道、對(duì)流層散射信道為主要代表。1.傳輸媒質(zhì)特點(diǎn):(1)對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變;(2)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變;(3)多徑傳播。11/24/202252四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戨S參信道的傳輸特性四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

2.引起多徑傳播的原因所謂多徑傳播,是指由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)過多條路徑達(dá)到接收點(diǎn),其示意圖如圖3-5所示。由于每條路徑對(duì)信號(hào)的衰減和時(shí)延都隨電離層或?qū)α鲗拥臋C(jī)理變化而變化,所以接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合成。圖3-5多徑傳播示意圖

設(shè)發(fā)射波為幅度恒定、頻率單一的載波,經(jīng)過多條路徑傳播后的接收信號(hào)可表示為電離層對(duì)流層散射區(qū)11/24/202253四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.引起多徑傳播的原四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

式中V(t)是合成波R(t)的包絡(luò),其一維分布為瑞利分布;是合成波R(t)的相位,其一維分布為均勻分布。于是,R(t)可視為一個(gè)窄帶過程,又稱R(t)為衰落信號(hào)。3.多經(jīng)傳播對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?)

產(chǎn)生瑞利型衰落從波形上看,幅度恒定頻率單一的載波信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào),見圖3-6(a)。(2)

引起頻率彌散11/24/202254四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯街蠽(t)是合四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

從頻譜上看,單個(gè)頻率變成了窄帶頻譜,見圖3-6(b)。

圖3-6衰落信號(hào)的波形與頻譜示意圖11/24/202255四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憦念l譜上看,單個(gè)頻率四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?)

造成頻率選擇性衰落當(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,還會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。頻率選擇性衰落是多徑傳播的又一重要特征。為了分析方便,我們假設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條,信道模型如圖3-22所示。其中,k為兩條路徑的衰減系數(shù),為兩條路徑信號(hào)傳輸相對(duì)時(shí)延差。11/24/202256四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1/23/20221四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

當(dāng)信道輸入信號(hào)為時(shí),輸出信號(hào)為

其頻域表示式為

信道傳輸函數(shù)為

可以看出,信道傳輸特性主要由項(xiàng)決定。信道幅頻特性為

11/24/202257四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1/23/2022四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

上式表示,對(duì)于信號(hào)不同的頻率成分,信道將有不同的衰減。顯然,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),有些頻率分量會(huì)被信道衰減到零,造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。

11/24/202258四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

11/23/202四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

另外,相對(duì)時(shí)延差通常是時(shí)變參量,故傳輸特性中零點(diǎn)、極點(diǎn)在頻率軸上的位置也隨時(shí)間隨機(jī)變化,這使傳輸特性變得更復(fù)雜.11/24/202259四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懥硗?,相?duì)時(shí)延差四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺O(shè)最大多經(jīng)時(shí)延差為,則定義相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔為相關(guān)帶寬為減小選擇性衰落,往往要限制數(shù)字信號(hào)的傳輸數(shù)率,實(shí)際上等于限制了數(shù)字信號(hào)的頻譜寬度,即信號(hào)頻帶()必須小于相關(guān)帶寬。一個(gè)工程上經(jīng)驗(yàn)公式即數(shù)字信號(hào)的碼元脈沖寬度11/24/202260四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺O(shè)最大多經(jīng)時(shí)延差為四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

綜上分析,多經(jīng)傳播引起的瑞利型衰落(屬快衰落)和頻率選擇性衰落是嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸?shù)膬蓚€(gè)因素。因此,對(duì)隨參信道往往要采用抗快衰落措施,如各種抗衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及接收技術(shù)等。其中較為有效的一種就是分集接收技術(shù)(分散接收,集中處理)。11/24/202261四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1/23/20四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

4.分集接收技術(shù)

陸地移動(dòng)信道、短波電離層反射信道等隨參信道引起的多徑時(shí)散、多徑衰落、頻率選擇性衰落、頻率彌散等,會(huì)嚴(yán)重影響接收信號(hào)質(zhì)量,使通信系統(tǒng)性能大大降低。為了提高隨參信道中信號(hào)傳輸質(zhì)量,必須采用抗衰落的有效措施。常采用的技術(shù)措施有,抗衰落性能好的調(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。11/24/202262四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.分集接收技術(shù)1四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰^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。11/24/202263四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰^分集接收是指接收端四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

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。分集方式為了在接收端得到多個(gè)互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的接收信號(hào),一般可利用不同路徑、不同頻率、不同角度、不同極化、不同時(shí)間等接收手段來獲取。因此,分集方式也有空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集、時(shí)間分集等多種方式。11/24/202264四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛旨邮瞻?、隨參信道的特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊?/p>

(1)空間分集空間分集是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.

11/24/202265四、隨參信道的特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊懀?)空間分集11/23(2)頻率分集頻率分集是將待發(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,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)為接收到信號(hào)的衰落是相互獨(dú)立的。因此,載波頻率的間隔應(yīng)滿足

式中,為載波頻率間隔,為相關(guān)帶寬,為最大多徑時(shí)延差。11/24/202266(2)頻率分集頻率分集是將待發(fā)送的信息分別調(diào)制到不同的載波頻四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

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,此時(shí)有

(3)時(shí)間分集時(shí)間分集是將同一信號(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。時(shí)間分集主要用于衰落信道中傳輸數(shù)字信號(hào)。以上介紹的是幾種顯分集方式,在CDMA系統(tǒng)中還采用Rake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。

合并方式11/24/202267四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺谝苿?dòng)通信中,當(dāng)工作四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

在接收端采用分集方式可以得到N個(gè)衰落特性相互獨(dú)立的信號(hào),所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的N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。假設(shè)N個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)分別為,則合并器輸出為

式中,為第i個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)。11/24/202268四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺诮邮斩瞬捎梅旨绞剿?、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇x擇不同的加權(quán)系數(shù),就可構(gòu)成不同的合并方式。常用的三種合并方式是: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)選擇式合并11/24/202269四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇x擇不同的加權(quán)系數(shù),就四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

選擇式合并是所有合并方式中最簡單的一種,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.

選擇式合并的平均輸出信噪比為

合并增益為

11/24/202270四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇x擇式合并是所有合并四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

式中,為合并器平均輸出信噪比,為支路信號(hào)最大平均信噪比??梢?,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。(2)等增益合并而且當(dāng)加權(quán)系數(shù)時(shí),即為等增益合并。假設(shè)每條支路的平均噪聲功率是相等的,則等增益合并的平均輸出信噪比為

合并增益為

11/24/202271四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯街?,為合并器平四、隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

式中,為合并前每條支路的平均信噪比。

(3)最大比值合并

最大比值合并方

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