通信原理課件第3章

2023/2/251西安電子科技大學(xué)

通信工程原理

第三章課件設(shè)計(jì)2023/2/252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2023/2/253一、信道的定義與分類

1.

狹義信道：僅指?jìng)鬏斆劫|(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(wú)線信道（包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波無(wú)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2023/2/254一、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(wú)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)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解調(diào)器譯碼器輸入編碼器輸出2023/2/255

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)變線性網(wǎng)絡(luò)2023/2/256

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(shuō)獨(dú)立于。作為數(shù)學(xué)上的一種簡(jiǎn)潔：依賴于網(wǎng)絡(luò)特性，它對(duì)來(lái)說(shuō)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。2023/2/257

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(lái)描述。以二進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道為例。2023/2/258

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。2023/2/259三、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?lái)描述。1.

傳輸特性

幅頻特性

相頻特性

2023/2/2510三、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(guò)該信道傳輸后將不發(fā)生失真。2023/2/2511

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：2023/2/2512

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(lái)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。2023/2/2513四、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。2023/2/2514四、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(guò)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(guò)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)2023/2/2515四、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(guò)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(jiàn)圖3-6（a）。（2）

引起頻率彌散2023/2/2516四、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(jiàn)圖3-6（b）。

圖3-6衰落信號(hào)的波形與頻譜示意圖2023/2/2517四、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。2023/2/2518四、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

2023/2/2519四、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(guò)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。

2023/2/2520四、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.2023/2/2521四、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2023/2/2522四、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）。2023/2/2523四、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。2023/2/2524四、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(lái)看，分集接收可看作是隨參信道中的一個(gè)組成部分，通過(guò)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。2023/2/2525四、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(lái)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。2023/2/2526四、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.

2023/2/2527（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。2023/2/2528四、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2023/2/2529四、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)。2023/2/2530四、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2023/2/2531四、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(jiǎn)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

2023/2/2532四、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?jiàn)，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

2023/2/2533四、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。2023/2/2534四、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(jiàn)，合并增益與分集支路數(shù)成正比?？梢钥闯?，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。2023/2/2535五、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2023/2/2536五、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(wèn)題時(shí)，起伏噪聲往往先通過(guò)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(shuō)，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