通信原理課件第4章_信道與噪聲

1、第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-181通 信 原 理 電 子 教 案通 信 原 理 電 子 教 案 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲西西 北北 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) （2009.3）第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-182第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲 任何一個通信系統(tǒng)，從大的方面均可視為由發(fā)送端、信任何一個通信系統(tǒng)，從大的方面均可視為由發(fā)送端、信道和接收端三大部分組成。因此，道和接收端三大部分組成。因此，信道是通信系統(tǒng)必不可信道是通信系統(tǒng)必不可少的組成部分少的組成部分，信道特性的好壞直接影響通信系統(tǒng)的總特，信道特性的好壞直接影響通

2、信系統(tǒng)的總特性。性。研究內(nèi)容：研究內(nèi)容： 4.14.14.24.2 信道的基本概念信道的基本概念 4.3 4.3 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型 4.44.4 信道特性對信號傳輸?shù)男诺捞匦詫π盘杺鬏數(shù)挠绊懹绊?4.5 4.5 信道的加性噪聲信道的加性噪聲 4.4.6 6 信道容量的概念信道容量的概念 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1834.1 4.1 信道的基本概念信道的基本概念4.1.1 信道的定義信道的定義通俗地說通俗地說，信道是指以傳輸媒介為基礎(chǔ)的信號通路，信道是指以傳輸媒介為基礎(chǔ)的信號通路;具體地說具體地說，信道是由有線或，信道是由有線或/和無線電線路提供的信

3、號通路；和無線電線路提供的信號通路；抽象地講抽象地講，信道是指定的一段頻帶，它讓信號通過，同時，信道是指定的一段頻帶，它讓信號通過，同時又給信號以限制和損害。又給信號以限制和損害。 常用的傳輸媒質(zhì)：常用的傳輸媒質(zhì)：（1）架空明線、電纜、光導(dǎo)纖維）架空明線、電纜、光導(dǎo)纖維(光纜光纜)、波導(dǎo)傳播；、波導(dǎo)傳播；（2）中長波地表波傳播、短波電離層反射、對流層散射、）中長波地表波傳播、短波電離層反射、對流層散射、超短波及微波視距傳播超短波及微波視距傳播(含衛(wèi)星中繼含衛(wèi)星中繼)、光波視距傳播。、光波視距傳播。第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1844.1.2 4.1.2 信道的分類

4、信道的分類 信道可大體分成：狹義信道和廣義信道。信道可大體分成：狹義信道和廣義信道。 1. 狹義信道狹義信道 僅指傳輸媒介僅指傳輸媒介，它包括有線信道和無線信道。它包括有線信道和無線信道。 2. 廣義信道廣義信道不但包括傳輸媒介，還可能包括有關(guān)的器件不但包括傳輸媒介，還可能包括有關(guān)的器件 (饋線、天線、調(diào)制饋線、天線、調(diào)制/解調(diào)器、編碼解調(diào)器、編碼/譯碼器譯碼器) 。通常分成通常分成: :調(diào)制信道和編碼信道。調(diào)制信道和編碼信道。 調(diào)制信道編碼信道調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解調(diào)器編碼器輸出譯碼器輸出狹義信道第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-185編碼信道調(diào)制信道第第4 4

5、章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1864.2 4.2 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型 1.1.調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型 調(diào)制信道的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端。調(diào)制信道的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端。（1）定義：定義：傳輸已調(diào)信號的信道。傳輸已調(diào)信號的信道。 研究的問題：研究的問題：信道信道輸出輸出信號與信號與輸入輸入信號之間的關(guān)系。信號之間的關(guān)系。（2）通過對調(diào)制信道進(jìn)行大量的分析研究，發(fā)現(xiàn)它們有如）通過對調(diào)制信道進(jìn)行大量的分析研究，發(fā)現(xiàn)它們有如下下共性共性 : 有一對（或多對）輸入端，一對（或多對）輸出端有一對（或多對）輸入端，一對（或多對）輸出端; 絕大部分信道

6、是線性的，即滿足疊加原理；絕大部分信道是線性的，即滿足疊加原理； 信號通過信道需要一定的遲延時間；信號通過信道需要一定的遲延時間； 信道對信號有損耗（固定損耗或時變損耗）；信道對信號有損耗（固定損耗或時變損耗）； 即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出（噪聲）。功率輸出（噪聲）。 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-187（3）模型）模型對于二對端的信道模型來說，其輸出與輸入之間的關(guān)系式可對于二對端的信道模型來說，其輸出與輸入之間的關(guān)系式可表示成：表示成：0( )( )( )ietf e tn tfei(t)-

7、表示已調(diào)信號通過網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的時變線性變換；表示已調(diào)信號通過網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的時變線性變換；n(t)-信道噪聲與信道噪聲與ei(t)無依賴關(guān)系，或者說無依賴關(guān)系，或者說n(t)獨(dú)立于獨(dú)立于 ei(t)，常稱常稱n(t)為加性干擾（噪聲）為加性干擾（噪聲） 。第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-188)()()()(0tntetktei結(jié)論：結(jié)論：這樣信道對信號的影響可歸納為兩點(diǎn)：一是這樣信道對信號的影響可歸納為兩點(diǎn)：一是乘性干擾乘性干擾k(t)（依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，只能用隨機(jī)過程來表示），（依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，只能用隨機(jī)過程來表示），二是二是加加性干擾性干擾n(t)。不同特性的信道，

8、僅反映信道模型有不同的不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的k(t)及及n(t)。根據(jù)信道中根據(jù)信道中k(t)的特性不同，可以將信道分為：的特性不同，可以將信道分為： 恒參信道恒參信道: k(t)t 不變或慢變；不變或慢變； 變參信道變參信道（隨參信道）（隨參信道）: k(t)t 隨機(jī)快變。隨機(jī)快變。 進(jìn)一步簡化可以寫成進(jìn)一步簡化可以寫成0( )( )( )ietf e tn t第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1892. 2. 編碼信道模型編碼信道模型 編碼信道構(gòu)成編碼信道構(gòu)成: :從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒

9、質(zhì)等效一個器及傳輸媒質(zhì)等效一個完成數(shù)字序列變換完成數(shù)字序列變換的方框。的方框。特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸入、輸出皆為數(shù)字序列。輸入、輸出皆為數(shù)字序列。研究的問題：研究的問題：是否出現(xiàn)差錯；出現(xiàn)差錯可能性的大小是否出現(xiàn)差錯；出現(xiàn)差錯可能性的大小模型模型：可用數(shù)字信號的可用數(shù)字信號的轉(zhuǎn)移概率轉(zhuǎn)移概率來描述。來描述。 說明：說明： P(0/0) 、P(1/0) 、P(1/1) 、P(0/1) 稱為信道轉(zhuǎn)移概率。稱為信道轉(zhuǎn)移概率。含義：含義：P(1/0)是是“經(jīng)信道傳輸，把經(jīng)信道傳輸，把0轉(zhuǎn)移為轉(zhuǎn)移為1的概率的概率”。轉(zhuǎn)移概率：轉(zhuǎn)移概率：決定于決定于第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-181

10、0 正確轉(zhuǎn)移概率：正確轉(zhuǎn)移概率：P(0/0) 、 P(1/1) 錯誤轉(zhuǎn)移概率：錯誤轉(zhuǎn)移概率：P(1/0) 、 P(0/1) 且且1)0/1()0/0( PP1)1/0()1/1( PP 編碼信道分類：編碼信道分類：無記憶編碼信道無記憶編碼信道（假設(shè)解調(diào)器輸出碼元出錯（假設(shè)解調(diào)器輸出碼元出錯 相互獨(dú)立）相互獨(dú)立）； 有記憶編碼信道有記憶編碼信道。 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1811 多進(jìn)制編碼信道模型多進(jìn)制編碼信道模型第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1812 4.4 4.4 信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫π盘杺鬏數(shù)挠绊?4.4.1 4

11、.4.1 恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺缹π盘杺鬏數(shù)挠绊?.1.引言引言 恒參信道恒參信道特征特征： k(t)t不變或慢變。不變或慢變。對信號傳輸?shù)挠绊憣π盘杺鬏數(shù)挠绊懯鞘枪潭ú蛔兊幕蛘呤亲兓瘶O為緩慢。固定不變的或者是變化極為緩慢。 恒參信道恒參信道定義定義：由架空明線，電纜，中長波地波傳播，超由架空明線，電纜，中長波地波傳播，超短波及視距波傳播，人造衛(wèi)星中繼，光導(dǎo)纖維以及光視距傳短波及視距波傳播，人造衛(wèi)星中繼，光導(dǎo)纖維以及光視距傳播等媒質(zhì)構(gòu)成的信道。播等媒質(zhì)構(gòu)成的信道。 恒參信道恒參信道模型模型：因而可以等效為一個：因而可以等效為一個線性時不變線性時不變網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性傳

12、輸特性：)()()(jeHH第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18132.2.信號不失真?zhèn)鬏敆l件信號不失真?zhèn)鬏敆l件要使任意一個信號通過線性網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生波形失真，網(wǎng)絡(luò)的傳要使任意一個信號通過線性網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生波形失真，網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性應(yīng)該具備以下兩個理想條件：輸特性應(yīng)該具備以下兩個理想條件： （1）網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性幅頻特性 是一個不隨頻率變化的常數(shù)是一個不隨頻率變化的常數(shù); （2）網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的相頻特性相頻特性 應(yīng)與頻率成負(fù)斜率直線關(guān)系。應(yīng)與頻率成負(fù)斜率直線關(guān)系。)(H)()(第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1814（3）網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)的相位的相位- -頻

13、率特性還常采用頻率特性還常采用群遲延群遲延- -頻率特性頻率特性 來來衡量。所謂群遲延衡量。所謂群遲延-頻率特性就是相位頻率特性就是相位-頻率特性對頻率的導(dǎo)數(shù)，頻率特性對頻率的導(dǎo)數(shù)，即即)(dd)()(第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18153. 幅度頻率畸變幅度頻率畸變是指信道的幅度是指信道的幅度-頻率特性偏離圖頻率特性偏離圖4-A(a)所示關(guān)系所引所示關(guān)系所引起的起的信號畸變信號畸變。問題：問題：若傳輸數(shù)字信號，若傳輸數(shù)字信號，還還會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時間上的相互重疊，即碼間串?dāng)_。間上的相互重疊，即碼間串?dāng)_。 典型電話信道插入

14、損耗頻率特性典型電話信道插入損耗頻率特性頻率頻率(kHz)損損耗耗第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18164.4.相位頻率畸變（群遲延畸變）相位頻率畸變（群遲延畸變） 是指信道的相位是指信道的相位-頻率特性或群遲延頻率特性或群遲延-頻率特性偏離圖頻率特性偏離圖4-A（b）、（）、（c）所示關(guān)系而引起的畸變）所示關(guān)系而引起的畸變 。 典型電話信道群遲延典型電話信道群遲延- -頻率特性頻率特性 問題：問題：對模擬信號的影響不太嚴(yán)重，但若傳輸數(shù)字信號，會對模擬信號的影響不太嚴(yán)重，但若傳輸數(shù)字信號，會引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_誤碼引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_誤碼。 頻率頻率(kHz)（ms）群

15、延遲群延遲第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18175. 5. 減小畸變的措施減小畸變的措施（1 1）減小幅度）減小幅度- -頻率畸變的措施頻率畸變的措施 改善電話信道中的濾波性能，或者再通過一個線性補(bǔ)償網(wǎng)改善電話信道中的濾波性能，或者再通過一個線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦。這后一措施通常稱之為絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦。這后一措施通常稱之為“均均衡衡”。 （2 2）減小相位）減小相位- -頻率畸變的措施頻率畸變的措施 采取采取相位均衡相位均衡技術(shù)補(bǔ)償群遲延畸變。技術(shù)補(bǔ)償群遲延畸變。 除此之外，還存在其它類型影響信號傳輸?shù)囊蛩?，如：除此之外，還存在其它類型影響信

16、號傳輸?shù)囊蛩?，如：非非線性畸變線性畸變、頻率偏移頻率偏移及及相位抖動相位抖動等。等。第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18184.4.2 4.4.2 隨參信道及其對所傳信號的影響隨參信道及其對所傳信號的影響 隨參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜得多，對信號的影響也隨參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜得多，對信號的影響也要嚴(yán)重得多。其根本原因在于它要嚴(yán)重得多。其根本原因在于它包含一個復(fù)雜的傳輸媒質(zhì)包含一個復(fù)雜的傳輸媒質(zhì)。雖然，隨參信道中包含著除媒質(zhì)外的其它轉(zhuǎn)換器，自然也應(yīng)雖然，隨參信道中包含著除媒質(zhì)外的其它轉(zhuǎn)換器，自然也應(yīng)該把它們的特性算作隨參信道特性的組成部分。但是，從對該把它們的

17、特性算作隨參信道特性的組成部分。但是，從對信號傳輸影響來看，信號傳輸影響來看，傳輸媒質(zhì)的影響是主要的傳輸媒質(zhì)的影響是主要的，而轉(zhuǎn)換器特，而轉(zhuǎn)換器特性的影響是次要的，甚至可以忽略不計(jì)。性的影響是次要的，甚至可以忽略不計(jì)。 因此，因此，本節(jié)僅討論隨參信道的傳輸媒質(zhì)所具有的一般特性本節(jié)僅討論隨參信道的傳輸媒質(zhì)所具有的一般特性以及它對信號傳輸?shù)挠绊?。以及它對信號傳輸?shù)挠绊憽?第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18191.1.隨參信道傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)隨參信道傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)典型的傳輸媒質(zhì)：典型的傳輸媒質(zhì)：電離層反射、對流層散射等。電離層反射、對流層散射等。 共同特點(diǎn)：共同特點(diǎn)： （1

18、）信號的衰耗隨時間隨機(jī)變化；信號的衰耗隨時間隨機(jī)變化； （2）信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機(jī)變化；信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機(jī)變化； （3）多徑傳播。多徑傳播。結(jié)果：結(jié)果：經(jīng)隨參信道傳播經(jīng)隨參信道傳播后，接收的信號將是衰后，接收的信號將是衰減和時延隨時間變化的減和時延隨時間變化的多路徑信號的合成。多路徑信號的合成。第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18202.2.隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道對信號傳輸?shù)挠绊?（1 1）多徑衰落與頻率彌散）多徑衰落與頻率彌散 設(shè)發(fā)射信號為設(shè)發(fā)射信號為 ，則經(jīng)過，則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信條路徑傳播后的接收信號可用下式表述。號可用下式表述。co

19、scAt11( )( )cos( )( )cos( )nicdiiniciiR ta tttta ttt( )it式中，式中，ai(t)第第i條路徑的接收信號振幅；條路徑的接收信號振幅； tdi(t) 第第i條路徑的傳輸時延；條路徑的傳輸時延； 第第i條路徑的隨機(jī)相位。條路徑的隨機(jī)相位。 )()(tttdici第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1821經(jīng)過經(jīng)過理論分析理論分析和和實(shí)際觀察實(shí)際觀察可以得出可以得出結(jié)論結(jié)論： 、 可看作可看作是緩慢變化的隨機(jī)過程?；喓蠼邮招盘柨捎孟率奖硎觯菏蔷徛兓碾S機(jī)過程。化簡后接收信號可用下式表述：其中，其中，a( (t) )是多徑

20、信號合成后的包絡(luò)；是多徑信號合成后的包絡(luò)； 是多徑信號合成后的相位。是多徑信號合成后的相位。 包絡(luò)包絡(luò)a(t)和相位和相位 都是緩慢變化的隨機(jī)過程。都是緩慢變化的隨機(jī)過程。于是于是: : R(t)可視為一個可視為一個a(t)的一維分布的一維分布 (t)的一維分布的一維分布)(tai)(ti( )( )cos( )cR ta ttt)(t)(t第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1822 從波形上看從波形上看，多徑傳播的結(jié)果使確定的載頻信號變成了包絡(luò)，多徑傳播的結(jié)果使確定的載頻信號變成了包絡(luò)（服從瑞利分布）和相位都隨機(jī)變化的窄帶信號，這種信號稱為（服從瑞利分布）和相位都隨機(jī)

21、變化的窄帶信號，這種信號稱為衰衰落信號落信號( (瑞利衰落瑞利衰落) )； 從頻譜上看從頻譜上看，多徑傳播引起了，多徑傳播引起了頻率彌散頻率彌散（色散），即由單個頻（色散），即由單個頻率變成了一個窄帶頻譜。率變成了一個窄帶頻譜。 通常將由于電離層濃度變化等因素所引起的信號衰落稱為通常將由于電離層濃度變化等因素所引起的信號衰落稱為慢衰落慢衰落；而把由于多徑效應(yīng)引起的信號衰落稱為而把由于多徑效應(yīng)引起的信號衰落稱為快衰落快衰落。衰落信號的衰落信號的波形波形與與頻譜頻譜示意圖示意圖 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1823（2 2）頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬）頻率選擇性衰落與相

22、關(guān)帶寬 考察：考察：假定多徑傳播的路徑只有兩條，且到達(dá)接收點(diǎn)的兩路信假定多徑傳播的路徑只有兩條，且到達(dá)接收點(diǎn)的兩路信號的強(qiáng)度相同，只是在到達(dá)時間上差一個時延號的強(qiáng)度相同，只是在到達(dá)時間上差一個時延 。 令發(fā)送信號為令發(fā)送信號為f (t)，其頻譜函數(shù)為，其頻譜函數(shù)為F()。則有：。則有： )()(Ftf00()()jtKf ttKFe)(00)()(tjeKFttKf1 )()()(0jtjeKeFRH1 )()(0jtjeeKFtR00( )()()R tKf ttf tt當(dāng)這兩條傳輸路徑的信號合成后得：當(dāng)這兩條傳輸路徑的信號合成后得：因此，信道的傳遞函數(shù)為因此，信道的傳遞函數(shù)為第第4 4章章

23、 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1824其幅頻特性為其幅頻特性為 ( )(1)(1)2cos2oj tjjHKeeKeK1 )()()(0jtjeKeFRH 圖圖4-18 兩條路徑傳播時選擇性衰落特性兩條路徑傳播時選擇性衰落特性 選擇性衰落選擇性衰落:當(dāng)一個傳輸信號的頻譜寬于當(dāng)一個傳輸信號的頻譜寬于1/時，將致使某些頻時，將致使某些頻率分量被衰落，這種現(xiàn)象稱為率分量被衰落，這種現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落，簡稱選擇性，簡稱選擇性衰落。衰落。 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1825 上述概念可推廣到一般的上述概念可推廣到一般的多徑傳播中去。多徑傳播

24、中去。多徑傳播時的多徑傳播時的相對時延差通常用最大多徑時延差相對時延差通常用最大多徑時延差 來表征，并用它來估來表征，并用它來估算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上的位置。相鄰兩個零點(diǎn)之間的頻率算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上的位置。相鄰兩個零點(diǎn)之間的頻率間隔為：間隔為： m1cmB這個頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的這個頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的相關(guān)帶寬相關(guān)帶寬。結(jié)論：結(jié)論： 如果傳輸信號的頻譜比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生明顯的選擇性衰如果傳輸信號的頻譜比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生明顯的選擇性衰落。落。 為了減小選擇性衰落，傳輸信號的頻帶必須小于多徑傳輸信道為了減小選擇性衰落，傳輸信號的頻帶必須小于多徑傳輸信道的相關(guān)帶寬。的

25、相關(guān)帶寬。工程設(shè)計(jì)中，通常選擇信號帶寬為相關(guān)帶寬的工程設(shè)計(jì)中，通常選擇信號帶寬為相關(guān)帶寬的1/51/3。 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18263.3.隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善 對于慢衰落，主要采取加大發(fā)射功率和在接收機(jī)內(nèi)采用對于慢衰落，主要采取加大發(fā)射功率和在接收機(jī)內(nèi)采用自動增益控制等技術(shù)和方法即可。自動增益控制等技術(shù)和方法即可。 對于快衰落，通?？刹捎枚喾N措施，例如，各種抗衰落對于快衰落，通常可采用多種措施，例如，各種抗衰落的調(diào)制的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)等。其中明解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)等。其中明顯有效且常用的抗衰落措施是

26、顯有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)分集接收技術(shù)。 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1827（1 1）分集接收的基本思想）分集接收的基本思想 基本思想基本思想：如果能在接收端同時獲得幾個不同的合：如果能在接收端同時獲得幾個不同的合成信號，并將這些信號適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號，成信號，并將這些信號適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號，將有可能大大減小衰落的影響。將有可能大大減小衰落的影響。分集分集兩字的含義是，兩字的含義是，分分散得到散得到幾個合成信號，而后幾個合成信號，而后集集中（合并）處理中（合并）處理這些信號。這些信號。要求要求：被分集的幾個信號來自同一信號源，但相互被分集

27、的幾個信號來自同一信號源，但相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立或基本獨(dú)立（統(tǒng)計(jì)獨(dú)立或基本獨(dú)立（只有被分集的幾個合成信號之只有被分集的幾個合成信號之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，合并后才能使系統(tǒng)性能改善）。間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，合并后才能使系統(tǒng)性能改善）。 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1828第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1829 （2 2）分散得到合成信號的方式）分散得到合成信號的方式 為了獲取互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的合成信號，大致有如下為了獲取互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的合成信號，大致有如下幾種幾種分集方式分集方式: : 1）空間分集）空間分集不同空間不同空間； 2）頻率分集）頻率分集不

28、同頻率不同頻率； 3）角度分集）角度分集不同角度不同角度 ； 4）極化分集）極化分集不同極化不同極化。 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1830 （3 3）集中合成信號的方式）集中合成信號的方式 對各分散的合成信號進(jìn)行合并的方法有多種，最常用的有：對各分散的合成信號進(jìn)行合并的方法有多種，最常用的有： 1）最佳選擇式）最佳選擇式擇出信噪比最大的一個；擇出信噪比最大的一個； 2）等增益相加式）等增益相加式以相同支路增益進(jìn)行直接相加；以相同支路增益進(jìn)行直接相加； 3）最大比值相加式）最大比值相加式各支路增益與本支路的信噪比成各支路增益與本支路的信噪比成正比。正比。 以上合并

29、方式中最大比值合并方式性能最好，等增益相加以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益相加方式次之，最佳選擇方式最差。方式次之，最佳選擇方式最差。 實(shí)例實(shí)例:無分集時，若無分集時，若Pe=102，則在用四重分集時，則在用四重分集時，Pe降至降至107左左右。右。 第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1831 3.5 3.5 信道的加性噪聲信道的加性噪聲前述研究乘性干擾前述研究乘性干擾k(t),下面討論信道中的加性噪聲下面討論信道中的加性噪聲n(t)。雖雖獨(dú)立于獨(dú)立于有用信號卻有用信號卻始終干擾始終干擾有用信號。有用信號。1.1.噪聲的來源噪聲的來源 （1）人為噪聲人為噪

30、聲來源于無關(guān)的其他信號源。如：外臺來源于無關(guān)的其他信號源。如：外臺信號、開關(guān)接觸噪聲、電火花等。信號、開關(guān)接觸噪聲、電火花等。 （2）自然噪聲自然噪聲指自然界存在的各種電磁波源。如：指自然界存在的各種電磁波源。如：閃電、大氣中磁暴、銀河系噪聲及其他宇宙噪聲等。閃電、大氣中磁暴、銀河系噪聲及其他宇宙噪聲等。 （4）內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲來源于信道本身所包含的各種電子器來源于信道本身所包含的各種電子器件、轉(zhuǎn)換器以及天線或傳輸線等。如：熱噪聲、散彈噪聲、件、轉(zhuǎn)換器以及天線或傳輸線等。如：熱噪聲、散彈噪聲、電源哼聲等。電源哼聲等。第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-18322.2.常見

31、的隨機(jī)噪聲分類常見的隨機(jī)噪聲分類從從噪聲性質(zhì)噪聲性質(zhì)來區(qū)分來區(qū)分 （1）窄帶噪聲）窄帶噪聲：是一種連續(xù)波干擾，如外臺干擾。是一種連續(xù)波干擾，如外臺干擾。特點(diǎn)：特點(diǎn)：干擾頻率是固定、帶寬很窄，在頻率軸上的位置可以實(shí)測。干擾頻率是固定、帶寬很窄，在頻率軸上的位置可以實(shí)測?？梢灶A(yù)先設(shè)法防止或避開可以預(yù)先設(shè)法防止或避開（頻率、方向）（頻率、方向）。 （2）脈沖干擾）脈沖干擾 ：在時間上無規(guī)則的突發(fā)的噪聲。如電火：在時間上無規(guī)則的突發(fā)的噪聲。如電火花、天電干擾中的雷電?；?、天電干擾中的雷電。特點(diǎn)：特點(diǎn)：幅度大、持續(xù)時間短、間歇幅度大、持續(xù)時間短、間歇期長、占據(jù)頻帶寬期長、占據(jù)頻帶寬（高頻衰減快）（高頻衰

32、減快）。對模擬信號影響不大，對。對模擬信號影響不大，對數(shù)字信號影響嚴(yán)重?cái)?shù)字信號影響嚴(yán)重（糾錯編碼解決）（糾錯編碼解決）。 （3）起伏噪聲：）起伏噪聲：是以熱噪聲是以熱噪聲熱噪聲、散彈噪聲、熱噪聲、散彈噪聲、和和宇宙宇宙噪聲為代表的噪聲為代表的噪聲。噪聲。特點(diǎn)：特點(diǎn)：無論從時域內(nèi)還是頻域內(nèi)，他們無論從時域內(nèi)還是頻域內(nèi)，他們總是存在的?？偸谴嬖诘摹?結(jié)論：結(jié)論：起伏噪聲起伏噪聲來自信道本身，對信號傳輸?shù)挠绊懖豢杀苊?，來自信道本身，對信號傳輸?shù)挠绊懖豢杀苊?，是通信系統(tǒng)最基本的噪聲源是通信系統(tǒng)最基本的噪聲源（影響通信質(zhì)量的主要因素影響通信質(zhì)量的主要因素）。第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2

33、022-2-1833加性噪聲加性噪聲 n(t)的統(tǒng)計(jì)特性的統(tǒng)計(jì)特性通過對加性噪聲進(jìn)行分析，可通過對加性噪聲進(jìn)行分析，可歸納歸納如下特性：如下特性： n(t)是分散在通信系統(tǒng)各處的噪聲的集中表現(xiàn)。是分散在通信系統(tǒng)各處的噪聲的集中表現(xiàn)。 n(t)的主要代表是起伏噪聲。也是散彈噪聲、熱噪聲、的主要代表是起伏噪聲。也是散彈噪聲、熱噪聲、宇宙噪聲的集中表示。宇宙噪聲的集中表示。 起伏噪聲的統(tǒng)計(jì)特性：起伏噪聲的統(tǒng)計(jì)特性：分析時，皆看為高斯白噪聲。分析時，皆看為高斯白噪聲。 高斯白噪聲高斯白噪聲窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲BPF解調(diào)器解調(diào)器( (功率譜密度如圖功率譜密度如圖) )第第4 4章章 信道與噪聲信道與

34、噪聲通信原理2022-2-1834窄帶噪聲的功率譜密度窄帶噪聲的功率譜密度等效噪聲帶寬的概念等效噪聲帶寬的概念假設(shè)假設(shè) Pn()在在0及及-0處分別有最大值處分別有最大值 Pn(0)及及Pn(-0)，則該，則該噪聲帶寬噪聲帶寬000( )( )2()()nnnnnPdfPdfBPPPn()fc-fc0fBnBnPn(f0)Bn的意義的意義-圖中虛線下的面積等于功率譜密度曲線下的面積。圖中虛線下的面積等于功率譜密度曲線下的面積。注注此此今后常見的窄帶高斯噪聲。今后常見的窄帶高斯噪聲。dffPPnn)(窄帶高斯噪聲功率窄帶高斯噪聲功率第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-183

35、54.6 4.6 信道容量的概念信道容量的概念 1. 1. 信道容量的定義信道容量的定義 在信息論中，稱信道無差錯傳輸信息的最大信息速率在信息論中，稱信道無差錯傳輸信息的最大信息速率為為信道容量信道容量，記之為，記之為C。 信道可以分為：信道可以分為：離散信道（編碼信道）離散信道（編碼信道）和連續(xù)信道和連續(xù)信道（調(diào)制信道）。（調(diào)制信道）。第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1836 2. 2. 山農(nóng)定理山農(nóng)定理/ /公式公式對于對于連續(xù)信道連續(xù)信道，如果信道帶寬為，如果信道帶寬為B（Hz）并且受到加性高）并且受到加性高斯白噪聲的干擾，則其斯白噪聲的干擾，則其信道容量信道容

36、量C的理論公式為：的理論公式為：220log1log1( / )SSCBBb sNn B其中：其中： n0 -高斯白噪聲的功率譜密度高斯白噪聲的功率譜密度（W/Hz）；）； N-白噪聲的平均功率白噪聲的平均功率（W）；）； S-信號的平均功率信號的平均功率（W）；）； S/N-存在于信道中的信噪比。存在于信道中的信噪比。意義：意義：當(dāng)信道特性（當(dāng)信道特性（B、 S和和n0）給定以后，上式表示在具）給定以后，上式表示在具有有一定頻帶寬度一定頻帶寬度的信道中，理論上單位時間內(nèi)可能傳輸?shù)牡男诺乐校碚撋蠁挝粫r間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。信息量的極限數(shù)值。第第4 4章章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理2022-2-1837 3. 3. 關(guān)于山農(nóng)公式