通信原理課件：chap3 信道與噪聲

2022/10/21通信原理1Chap3信道與噪聲

2022/10/21通信原理2本章綱要3.1信道定義與數(shù)學模型3.2恒參信道及其傳輸特性3.3隨參信道及其傳輸特性3.4分集接收技術3.5加性噪聲3.6信道容量的概念作業(yè)2022/10/21通信原理3信道定義與數(shù)學模型信道：信號傳輸?shù)耐ǖ纼纱筇攸c：通信系統(tǒng)中重要的、不可缺少的重要環(huán)節(jié)——傳輸；通信系統(tǒng)中噪聲主要來源——噪聲的集中表現(xiàn)之處。分類：狹義信道無線信道有線信道廣義信道調制信道編碼信道2022/10/21通信原理4信道定義與數(shù)學模型3.1.1狹義信道含義：僅包含信號的傳輸媒介，即習慣上所說的信道。狹義信道有線信道無線信道電纜光纜短波廣播超短波、微波傳輸

移動通信衛(wèi)星通信2022/10/21通信原理5信道定義與數(shù)學模型3.1.2廣義信道包括信號的各種變換裝置和傳輸媒介的信道。通常有調制信道和編碼信道兩種。離散信號媒質

收轉換器

解調器

譯碼器

編碼器編碼信道連續(xù)信號

調制器發(fā)轉換器

調制信道2022/10/21通信原理6信道定義與數(shù)學模型調制信道范圍：調制器輸出端→解調器輸入端共性：有一對(或多對)輸入、輸出端；線性的；對信號有延遲、損耗；無信號輸入時，仍有噪聲輸出。2022/10/21通信原理7信道定義與數(shù)學模型調制信道模型：二對端（多對端）線性時變網(wǎng)絡可寫成r(t)=so(t)+n(t)=f[si(t)]+n(t)若有f[si(t)]=c(t)si(t)，則r(t)=c(t)si(t)+n(t)c(t)：乘性干擾。恒參信道c(t)=常數(shù)隨參信道c(t)≠常數(shù)n(t)：加性干擾。2022/10/21通信原理8信道定義與數(shù)學模型C(ω)的三種典型形式1.加性噪聲信道2022/10/21通信原理9信道定義與數(shù)學模型帶有加性噪聲的線性濾波器2022/10/21通信原理10信道定義與數(shù)學模型帶有加性噪聲的線性時變?yōu)V波器2022/10/21通信原理11信道定義與數(shù)學模型編碼信道范圍：編碼器輸出端→譯碼器輸入端模型：Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)無記憶編碼信道：P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1

轉移概率完全由編碼信道的特性所決定。任意一個碼元的差錯與前后碼元的差錯不發(fā)生任何依賴關系。BACK2022/10/21通信原理12恒參信道3.2.1常用的恒參信道明線（架空明線）組成：相互絕緣的平行架空裸線。優(yōu)點：傳輸損耗?。ㄅc電纜相比）。缺點：易受氣候、環(huán)境影響，易受干擾。結論：已逐漸淘汰。2022/10/21通信原理13恒參信道對稱電纜組成：處于同一保護套內的許多對相互絕緣的雙導線，每對的兩根線擰成扭絞狀。優(yōu)點：與外界相互干擾較??；傳輸性能穩(wěn)定。缺點：損耗比明線大。主要應用：用戶電話接入線。2022/10/21通信原理14恒參信道同軸電纜組成：由同軸的兩根導體組成，其間填充以介質。優(yōu)點：與外界間相互干擾??；帶寬大。缺點：成本較高（與對稱電纜相比）。應用：廣泛。常用的有2種阻抗，一是75Ω，如電視電纜；二是50Ω，如實驗室儀器常用的信號電纜。2022/10/21通信原理15恒參信道光纖組成：以光導纖維為傳輸媒介，光波作為載波的通道。優(yōu)點：傳輸損耗小，頻帶寬，重量輕，線徑細，耐腐蝕，不受電磁干擾等。缺點：作為完整的通信系統(tǒng)，尚有些器件的技術問題還未能解決。主要應用：目前在長距離干線上應用較廣。估計可能最終全面取代電纜。2022/10/21通信原理16恒參信道微波中繼微波通常指頻率范圍為300MHz~300GHz的電磁波，包括UHF、SHF、EHF頻段。優(yōu)點：傳輸容量大、通信穩(wěn)定可靠。缺點：需每隔50km左右設一個中繼站。應用：廣泛。2022/10/21通信原理17恒參信道衛(wèi)星中繼在離地面35860km的赤道上空放置了3顆同步衛(wèi)星，就可實現(xiàn)除南、北兩極地區(qū)之外的全球覆蓋，從而可實現(xiàn)全球通信。優(yōu)點：傳輸距離遠，覆蓋地域廣，傳輸穩(wěn)定可靠，傳輸容量大。缺點：技術要求高，一次性投入大。應用：廣泛。2022/10/21通信原理18恒參信道3.2.2恒參信道的傳輸特性恒參信道等效線性時不變網(wǎng)絡采用線性系統(tǒng)分析線性系統(tǒng)的分析方法包括時域的沖激響應（卷積）和頻域的頻率特性（付氏分析）。網(wǎng)絡的傳輸特性用幅頻函數(shù)、相頻函數(shù)描述。2022/10/21通信原理19恒參信道幅頻特性理想幅頻特性：水平直線。實際電話信道幅頻特性2022/10/21通信原理20恒參信道特點：僅300~1100Hz內平坦;成因：信道中惰性元件（如電感、電容、濾波器等）；影響：模擬信號：失真；數(shù)字信號：碼元擴展→碼間干擾。克服：自身改善：精心設計；補償：均衡技術。2022/10/21通信原理21恒參信道相頻特性理想相頻特性：過坐標零點的直線理想群遲延特性：水平直線。相位—頻率特性理想時：群遲延—頻率特性2022/10/21通信原理22恒參信道群遲延產(chǎn)生信號畸變示意圖發(fā)送端信號：三次諧波基波合成波接收端信號：三次諧波基波合成波2022/10/21通信原理23恒參信道實際電話信道相頻特性和群延遲特性

實際中：群遲延不為常數(shù)。說明不同的頻率的信號經(jīng)過信道傳輸后，到達輸出端的相對時間不一致。2022/10/21通信原理24恒參信道特點：僅小范圍平坦；成因：同幅頻特性；影響：模擬信號：失真（但人耳對相位失真不敏感）數(shù)字信號：碼間干擾克服：同幅頻特性。幅頻失真和相頻失真都是線性失真。造成失真的其他因素：非線性畸變、頻率偏移及相位抖動等2022/10/21通信原理25例題1教材P65習題3-3

設某一恒參信道可用圖3-1所示的線性二端網(wǎng)絡來等效。試求它的傳輸函數(shù)，并說明信號通過該信道時會產(chǎn)生哪些失真？解：該網(wǎng)絡的傳輸函數(shù)為幅頻特性相頻特性2022/10/21通信原理26例題1

群遲延特性

輸出信號 因為|H(ω)|≠常數(shù)，φ(ω)與ω呈非線性關系，即群遲延特性τ(ω)≠常數(shù)，因此會產(chǎn)生幅頻失真和相頻失真（或群遲延失真）。2022/10/21通信原理27例題2設某恒參信道的幅頻特性為，其中，td為常數(shù)，試確定信號s(t)通過該信道后輸出信號表達式，并討論之。解：方法一：經(jīng)過傅里葉反變換可得：2022/10/21通信原理28例題2方法二：BACK2022/10/21通信原理29隨參信道3.3.1常用的隨參信道陸地移動信道電波傳播方式自由空間傳播直射波接收天線的功率自由空間波損耗反射波折射波散射波習題3-62022/10/21通信原理30則可得接收機天線上獲得的功率為自由空間路徑損耗為或2022/10/21通信原理31隨參信道短波電離層反射短波是指頻率范圍為3~30MHz（波長10~100m）的電磁波。傳播路徑利用離地面60~600km的電離層反射信號。電離層分為D、E、F1、F2四層，其中D、F1夜間消失，F(xiàn)2是反射層。工作頻率演示2022/10/21通信原理32隨參信道優(yōu)點：可以利用天然的、不易摧毀的中繼層，傳輸距離遠，受地形影響小。缺點：傳輸可靠性差。應用：短波AM廣播，數(shù)據(jù)通信。通信距離最大為8000km，隨高度增加而減小。F2二次反射一次反射2022/10/21通信原理33隨參信道超短波/微波對流層散射超短波是指頻率30~300MHz（波長為1~10m）的電磁波機理特點：與短波電離層反射信道類似，僅是一跳距離要近得多，常為100~500km。應用：點對點通信、干線通信2022/10/21通信原理34隨參信道3.3.2隨參信道的特性隨參信道傳輸媒質具有以下三個特點：對信號的衰耗隨時間而變；傳輸?shù)臅r延隨時間而變；多徑傳播（引起選擇性衰落效應，對通信危害極大）。2022/10/21通信原理35隨參信道多徑傳播（多徑效應）含義：從同一發(fā)射點發(fā)出的信號，經(jīng)由多條路徑傳輸后到達同一接收點，從而總接收信號為多路信號之合成的現(xiàn)象。形式：電波從電離層的一次反射和多次反射；電離層反射區(qū)高度所形成的細多徑；地球磁場引起的尋常波和非尋常波；電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象。2022/10/21通信原理36隨參信道2022/10/21通信原理37隨參信道分析設發(fā)射信號為單頻正弦波，則經(jīng)多徑傳輸后的總接收信號r(t)為第i條路經(jīng)的接收信號振幅第i條路經(jīng)的傳輸延時實際中，可將它看成一個窄帶隨機過程。

2022/10/21通信原理38隨參信道通常情況下，X(t)和Y(t)

都服從正態(tài)分布，且均值為0，方差相等。瑞利分布均勻分布2022/10/21通信原理39隨參信道結論X(t)、Y(t)緩變→V(t)、φ(t)緩變→

r(t)為窄帶隨機過程。時域（波形）：確知的等幅波→包絡忽強忽弱的隨機調幅波，即衰落。頻域（頻譜）：單根譜線→窄帶，即頻譜彌散（頻譜展寬）。例子2022/10/21通信原理40隨參信道對數(shù)字系統(tǒng)的影響：發(fā)信號：即：發(fā)信號在時間軸上被展寬。這種失真類似于該信號通過濾波器后的失真∴信道可看成是一個帶限濾波器接收信號：受多徑傳播的影響變?yōu)椋航邮招盘?022/10/21通信原理41隨參信道τ是兩條路徑信號的相對時延差

模型的傳輸特性為2022/10/21通信原理42隨參信道頻率選擇性衰落兩徑傳播分析模型的傳輸特性看成兩個網(wǎng)絡級聯(lián)幅頻特性：討論2022/10/21通信原理43隨參信道說明：信號頻率不同時受到的衰減不一樣，且衰減量與τ有關。τ的值隨日常時間而變化?！鄡蓮絺鞑サ姆l特性取決討論：處為零點為避免頻率選擇性衰落，應2022/10/21通信原理44隨參信道多徑傳播設多徑傳播最大相對時延差為τmax于是傳輸信號的帶寬應滿足在工程設計中，為了保證接收信號質量，通常選擇信號帶寬。對數(shù)字傳輸?shù)挠绊憘鬏斔俾矢摺盘枎挻蟆资茴l率選擇性衰落→碼間干擾。因而，需限制數(shù)字傳輸速率RB。2022/10/21通信原理45例題3假設某隨參信道具有兩條路徑，路徑時延差為τ=1ms，試求該信道在哪些頻率上傳輸損耗最大？哪些頻率上傳輸信號最有利？解：根據(jù)兩徑傳播模型，模型傳輸特性為假設該隨參信道兩條路徑對信號的衰減系數(shù)相同（均為V0），則該信道的幅頻特性為：2022/10/21通信原理46例題3

當時，對傳輸信號最有利，此 時出現(xiàn)傳輸極點： 當時，對傳輸信號損耗最 大，此時出現(xiàn)傳輸零點：BACK2022/10/21通信原理47分集接收技術1.分集接收的概念抗快衰落技術按廣義信道的含義說，分集接收可看作是隨參信道中的一個組成部分或一種改造形式，而改造后的隨參信道，衰落特性將得到改善。分集的含義①使各路徑信號相互獨立（分散接收）②適當合并→系統(tǒng)性能↑（集中處理）2022/10/21通信原理48分集接收技術2.分集接收的方式（1）空間分集——使用空間多個天線（2）頻率分集——使用多個頻率傳同一信息（3）角度分集——天線指向不同（4）極化分集——接收水平、垂直極化波空間分集和頻率分集用得較多。分集方法均不是互相排斥的。在實際使用時可以是組合式的。2022/10/21通信原理49分集接收技術3.各分散的信號進行合并的方法最佳選擇式：選擇信噪比最好的一個接收等增益相加式：各支路等增益相加最大比值相加式：使增益和本支路信噪比成正比后相加GM=N2022/10/21通信原理50例題4某空間分集系統(tǒng)采用4重分集，試分別計算選擇式合并、等增益合并及最大比值合并方法的合并增益？解：已知分集支路數(shù)N=4選擇式合并的合并增益等增益合并的合并增益最大比值合并的合并增益性能：3>2>12022/10/21通信原理51分集接收技術

BACK2022/10/21通信原理52加性噪聲3.5.1概述含義以相加方式對信號進行干擾的噪聲。需注意：它將影響信噪比SNR；它有別于乘性干擾；在通信系統(tǒng)模型中，加性噪聲集中在信道中加入，實際上它是一種等效表示。2022/10/21通信原理53加性噪聲按來源分類人為噪聲：人類活動引起的噪聲。如無線電噪聲、工業(yè)噪聲等。自然噪聲：自然界存在的各種電磁波源引起的噪聲。如天體輻射、閃電、大氣電暴等。內部噪聲：系統(tǒng)設備內部產(chǎn)生的各種噪聲。如熱噪聲、散彈噪聲、電源哼聲等。2022/10/21通信原理54加性噪聲按性質分類“確知”噪聲：這里的“確知”是相對下面的隨機噪聲，嚴格說它亦是隨機的。隨機噪聲：無法預知，不能消除的噪聲。如：單頻干擾、脈沖干擾、起伏噪聲等。2022/10/21通信原理55加性噪聲對通信系統(tǒng)的影響單頻噪聲不是所有的通信系統(tǒng)中都有的而且也比較容易防止；脈沖噪聲由于具有較長的安靜期，故對模擬話音信號的影響不大。但是在數(shù)字通信中，它的影響是不容忽視的。起伏噪聲既不能避免，且始終存在。因此一般來說，它是影響通信質量的主要因素之一。2022/10/21通信原理56加性噪聲3.5.2起伏噪聲無論在時域內還是在頻域內他們總是普遍存在和不可避免的。特點是：1.在很寬的頻率范圍內，存在著大體不變的平均功率譜密度；2.由大量互相獨立的任意分布的隨機雜波疊加而成；3.平均直流分量為零。2022/10/21通信原理57加性噪聲來源熱噪聲產(chǎn)生原因：在電阻一類導體中，自由電子的布朗運動引起的噪聲。特點：服從高斯分布，且具有均勻的功率譜密度。散彈噪聲產(chǎn)生原因：由真空電子管和半導體器件中電子發(fā)射的不均勻性引起的。特點：服從高斯分布2022/10/21通信原理58加性噪聲宇宙噪聲產(chǎn)生原因：天體輻射波對接收機形成的噪聲特點：它在整個空間的分布是不均勻的，最強的來自銀河系的中部，其強度與季節(jié)、頻率等因素有關。統(tǒng)計特性服從高斯分布律，在一般的工作頻率范圍內，它也具有平坦的功率譜密度。性質均為高斯白噪聲。研究調制與解調的問題時，調制信道的加性噪聲可直接表述為窄帶高斯噪聲。2022/10/21通信原理59加性噪聲3.5.3在通信系統(tǒng)中的處理在信道中是集中加入的高斯白噪聲；經(jīng)過接收端帶通濾波器后變?yōu)楦咚拐瓗г肼?；解調器輸入噪聲功率Ni的計算。2022/10/21通信原理60加性噪聲BACK2022/10/21通信原理61信道容量的概念定義：信道得以無差錯傳輸時的信息傳輸速率的最大值，用C表示。香農公式連續(xù)信道的信道容量由香農公式給出：信道帶寬（Hz）信號功率（W）

噪聲單邊功率譜密度（W/Hz）

（窄帶）（高斯）噪聲功率（W）

2022/10/21通信原理62信道容量的概念香農公式成立的條件是信號為高斯分布，噪聲為加性高斯白噪聲。由香農公式可以得出以下結論：香農公式給出了在加性高斯白噪聲背景情況下，無差錯傳輸時的信息速率的理論極限值。香農公式只給出了理論極限值的存在，但未涉及具體的實踐途徑。2022/10/21通信原理63信道容量的概念為了增大信息容量，可采取的措施：或增大傳輸功率S：S→∞，C→∞?；驕p小噪聲功率譜密度n0：n0→0，C→∞。在一定范圍內增大帶寬B，但不能無限增大。因為當B→∞時，維持同樣的C，B與S/N可互換。即：利用帶寬的增大（代價）來換取所需求的信噪比的減小（得益）。