通信原理第3章課件

西安電子科技大學(xué)

通信工程原理

第三章課件設(shè)計7/29/20231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信號的影響隨參信道的傳輸媒質(zhì)的三個特點(diǎn)，多徑傳播對信號的影響信道加性噪聲的統(tǒng)計特性連續(xù)信道的信道容量，香農(nóng)公式7/29/20232一、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7/29/20233一、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7/29/20234

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輸出端疊加有噪聲的時變線性網(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；

時變線7/29/20235

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，它對來說是一種乘性干擾。討論：（1）調(diào)制信道對信號的干擾有兩種：乘性干擾和加性干擾.分析信道對信號的具體影響，在于了解與的特性。7/29/20236

二、信道數(shù)學(xué)模型

（2）分析乘性干擾的影響時，可把調(diào)制信道分為兩大類：恒參信道，即隨時間緩變或不變；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。7/29/20237

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。7/29/20238三、恒參信道的特性及其對信號的影恒參信道是指乘性干擾基本不隨時間變化的信道。因此，恒參信道可等效為一個線性時不變網(wǎng)絡(luò)。可用和共同來描述。1.

傳輸特性

幅頻特性

相頻特性

7/29/20239三、恒參信道的特性及其對信號的影響

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，信號的不同頻率成分將有相同的時延，因而信號經(jīng)過該信道傳輸后將不發(fā)生失真。7/29/202310三、恒參信道的特性及其對信號的影響

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際的信道特性并不理想，必然對信號產(chǎn)生兩種失真：7/29/202311三、恒參信道的特性及其對信號的影響

幅頻失真指信號中不同頻率的分量分別受到信道不同的衰減。它對模擬通信影響較大，導(dǎo)致信號波形畸變，輸出信噪比下降。相頻失真（或群遲延失真）指信號中不同頻率的分量分別受到信道不同的時延。它對數(shù)字通信影響較大，會引起嚴(yán)重的碼間干擾，造成誤碼。7/29/202312四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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、對流層散射信道為主要代表。1．傳輸媒質(zhì)特點(diǎn)：（1）對信號的衰耗隨時間而變；（2）傳輸?shù)臅r延隨時間而變；（3）多徑傳播。7/29/202313四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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。由于每條路徑對信號的衰減和時延都隨電離層或?qū)α鲗拥臋C(jī)理變化而變化，所以接收信號將是衰減和時延隨時間變化的各路徑信號的合成。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可表示為電離層對流層散射區(qū)7/29/202314四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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)可視為一個窄帶過程，又稱R(t)為衰落信號。3．多經(jīng)傳播對信號傳輸?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變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號,見圖3-6（a）。（2）

引起頻率彌散7/29/202315四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

從頻譜上看，單個頻率變成了窄帶頻譜,見圖3-6（b）。

圖3-6衰落信號的波形與頻譜示意圖7/29/202316四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懀?）

造成頻率選擇性衰落當(dāng)發(fā)送信號是具有一定頻帶寬度的信號時，多徑傳播除了會使信號產(chǎn)生瑞利型衰落之外，還會產(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)，為兩條路徑信號傳輸相對時延差。7/29/202317四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

當(dāng)信道輸入信號為時，輸出信號為

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決定。信道幅頻特性為

7/29/202318四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

上式表示，對于信號不同的頻率成分，信道將有不同的衰減。顯然，信號通過這種傳輸特性的信道時信號的頻譜將產(chǎn)生失真。當(dāng)失真隨時間隨機(jī)變化時就形成頻率選擇性衰落。特別是當(dāng)信號的頻譜寬于時，有些頻率分量會被信道衰減到零，造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。

7/29/202319四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

另外，相對時延差通常是時變參量，故傳輸特性中零點(diǎn)、極點(diǎn)在頻率軸上的位置也隨時間隨機(jī)變化，這使傳輸特性變得更復(fù)雜.7/29/202320四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懺O(shè)最大多經(jīng)時延差為,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)字信號的傳輸數(shù)率，實際上等于限制了數(shù)字信號的頻譜寬度，即信號頻帶(）必須小于相關(guān)帶寬。一個工程上經(jīng)驗公式即數(shù)字信號的碼元脈沖寬度7/29/202321四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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)重影響信號傳輸?shù)膬蓚€因素。因此，對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）。7/29/202322四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

4．分集接收技術(shù)

陸地移動信道、短波電離層反射信道等隨參信道引起的多徑時散、多徑衰落、頻率選擇性衰落、頻率彌散等，會嚴(yán)重影響接收信號質(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、移動通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。7/29/202323四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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信號衰落特性相互獨(dú)立，并對多個信號進(jìn)行特定的處理，以降低合成信號電平起伏，減小各種衰落對接收信號的影響。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。7/29/202324四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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攜帶同一信息的、統(tǒng)計獨(dú)立的衰落信號；二是集中處理，即接收端把收到的多個統(tǒng)計獨(dú)立的衰落信號進(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互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的接收信號，一般可利用不同路徑、不同頻率、不同角度、不同極化、不同時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、時間分集等多種方式。7/29/202325四、隨參信道的特性及其對傳輸?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信號，只要各位置間的距離大到一定程度，則所收到信號的衰落是相互獨(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.

7/29/202326（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的衰落是相互獨(dú)立的。在實際中，當(dāng)載波頻率間隔大于相關(guān)帶寬時，則可認(rèn)為接收到信號的衰落是相互獨(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，為最大多徑時延差。7/29/202327四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

在移動通信中，當(dāng)工作頻率在900MHz頻段，典型的最大多徑時延差為5,此時有

（3）時間分集時間分集是將同一信號在不同的時間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大，則各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立的。時間分集主要用于衰落信道中傳輸數(shù)字信號。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，在實際應(yīng)用中還可以將多種分集結(jié)合使用。例如在CDMA移動通信系統(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7/29/202328四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

在接收端采用分集方式可以得到N個衰落特性相互獨(dú)立的信號，所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的N個獨(dú)立衰落信號相加后合并輸出，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個獨(dú)立衰落信號分別為,則合并器輸出為

式中，為第i個信號的加權(quán)系數(shù)。7/29/202329四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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7/29/202330四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

選擇式合并是所有合并方式中最簡單的一種，其原理是檢測所有接收機(jī)輸出信號的信噪比，選擇其中信噪比最大的那一路信號作為合并器的輸出.

選擇式合并的平均輸出信噪比為

合并增益為

7/29/202331四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

式中，為合并器平均輸出信噪比，為支路信號最大平均信噪比?？梢?，對選擇式分集，每增加一條分集路徑，對合并增益的貢獻(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，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

7/29/202332四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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，對合并后信號貢獻(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，分集合并后的平均輸出信噪比最大。式中，為第條支路信號幅度，為每條支路噪聲平均功率。7/29/202333四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?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?？梢钥闯觯谶@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，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。7/29/202334五、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，卻始終干擾有用信號。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7/29/202335五、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，起伏噪聲往往先通過一個帶通濾波器才到達(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帶通濾波器而得