通信原理II第2次課課件剖析

1、1.復(fù)習(xí)(1) 信道定義及分類 廣義信道定義除狹義信道外，還包括通信系統(tǒng)的某些設(shè)備。 廣義信道分類 廣義信道舉例調(diào)制信道：是指調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的部分。在該信道中傳輸?shù)氖且颜{(diào)信號。編碼信道：編碼信道是調(diào)制器輸入端到解調(diào)器輸出端的部分。編碼信道是對數(shù)字序列進(jìn)行變換的信道。 調(diào)制信道分類恒參信道：如果調(diào)制信道的參數(shù)（信道幅頻特性和時(shí)延特性）不隨時(shí)間變化或者基本不隨時(shí)間變化，則可以認(rèn)為是恒參信道，其分析模型可以看作是一個(gè)非時(shí)變線性系統(tǒng)；隨參信道的參數(shù)隨時(shí)間隨機(jī)變化，是一種時(shí)變多徑信道。(2) 恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?恒參信道的特性 恒參信道的傳輸特性通?？梢杂梅l特性、相頻特性（或時(shí)延

2、特性以及群時(shí)延特性）來表征。 恒參信道無失真?zhèn)鬏敆l件幅頻特性為常數(shù)（是一條水平直線），相頻特性是頻率的線性函數(shù)（是一條通過原點(diǎn)的直線）。（在通頻帶內(nèi)）信道的幅頻特性為常數(shù)，時(shí)延特性（）也是常數(shù)。（在通頻帶內(nèi)）幅頻特性為常數(shù)，群時(shí)延特性（）為常數(shù)時(shí)，信號經(jīng)過信道傳輸后不會產(chǎn)生包絡(luò)失真。 恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懭艉銋⑿诺赖膫鬏斕匦圆荒軡M足無失真?zhèn)鬏敆l件，則會引起信號波形失真（線性失真）。對數(shù)字信號傳輸尤其當(dāng)傳輸速率高時(shí)，將導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間干擾，造成誤碼。2.本次課學(xué)習(xí)的主要章節(jié)8.4 隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.4 隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道有兩個(gè)基本特征：電磁波的多徑傳播和傳輸媒質(zhì)

3、的性質(zhì)隨時(shí)間隨機(jī)變化，所以隨參信道是一種時(shí)變多徑信道。8.4.1 隨參信道舉例 短波電離層反射信道、超短波及微波對流層散射信道和移動通信信道屬于隨參信道。圖8.4.1是移動通信信道傳播路徑的示意圖。圖中，基站傳輸給移動臺的信號常常因?yàn)橹車ㄖ?、山丘和其他障礙物而產(chǎn)生散射、衍射和反射，結(jié)果，我們觀察到的發(fā)送信號是通過多條（不同）傳播路徑和不同的傳輸時(shí)延到達(dá)接收端。另外，基站和移動臺之間的相對移動或信道內(nèi)物體的運(yùn)動將造成信道的時(shí)變性。移動臺到基站的傳輸也相同。移動臺視距基站衍射陰影散射反射散射圖8.4.1 移動信道的傳播路徑8.4.2 隨參信道的數(shù)學(xué)模型隨參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜得多，對信號的

4、影響也要嚴(yán)重得多，其根本原因在于它包含一個(gè)復(fù)雜的傳輸煤質(zhì)。本節(jié)從隨參信道傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)出發(fā)，導(dǎo)出隨參信道（其模型為時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)）的輸入輸出關(guān)系。1. 隨參信道傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)由隨參信道舉例可以看出，隨參信道的傳輸媒質(zhì)具有三個(gè)特點(diǎn)：(1) 對信號的衰耗隨時(shí)間變化；(2) 對信號的時(shí)延隨時(shí)間變化；(3) 多徑傳播。2. 隨參信道的數(shù)學(xué)模型令發(fā)送端的信號為 （8.4.1）其中：基帶波形；為信息碼元。信號經(jīng)多徑傳播后，每條路徑對應(yīng)一個(gè)時(shí)變傳播時(shí)延和一個(gè)時(shí)變乘性衰減因子，因此無噪聲疊加的接收信號可表示為 （8.4.2）將式（8.4.1）代入式（8.4.2），有 （8.4.3）式（8.4.3）可作為隨參信道

5、的數(shù)學(xué)模型，接下來將利用它來分析多徑隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憽?.4.3 隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?. 多徑引起的衰落類型多徑引起的劣化類型有平坦性衰落及頻率選擇性衰落。(1) 平坦性衰落 平坦性衰落的概念多徑傳播將導(dǎo)致接收信號的幅度及載波的相位隨機(jī)變化（而基帶信號的波形變化不大，其畸變可以忽略），這種現(xiàn)象稱作平坦性衰落（也稱為非頻率選擇性衰落）。 引起平坦性衰落的機(jī)理令，式（8.4.3）可改寫成 （8.4.4）當(dāng)最大傳輸時(shí)延，且（等價(jià)）時(shí)，可認(rèn)為 （8.4.5）其中，是的數(shù)學(xué)期望。式（8.4.5）表示經(jīng)多徑傳播后，基帶信號的波形變化不大，其畸變可以忽略。于是，式（8.4.4）可寫成（

6、8.4.6） 令 （8.4.7） （8.4.8）則有 （8.4.9）其中，為的隨機(jī)包絡(luò) （8.4.10），為的隨機(jī)相位 （8.4.11）經(jīng)不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)的不同信號相關(guān)性很小，根據(jù)概率論的中心極限定理（大量的獨(dú)立隨機(jī)變量之和的分布接近高斯分布），當(dāng)路徑數(shù)很大，式（8.4.7）和式（8.4.8）中的和為高斯過程。因此過程是一窄帶高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程，由教材3.5節(jié)可知，其包絡(luò)的一維分布服從瑞利分布，相位為均勻分布，這種衰落視為平坦性衰落，又稱為瑞利（rayleigh）衰落。 對信號傳輸?shù)挠绊憣鶐盘柖?，信道多徑傳輸引起的?fù)包絡(luò)相當(dāng)于乘性干擾，雖然不會產(chǎn)生碼間干擾，但這時(shí)仍有系統(tǒng)性能降低。 移動

7、通信信道的隨機(jī)模型在移動通信中通常按照地物類型分別建立不同信道的隨機(jī)模型：如果在接收信號中沒有視距傳播的直射波，僅有許多反射波時(shí)（例如在障礙物均勻的城市街道或森林中），瑞利過程被認(rèn)為是非常適合作為這種信道的隨機(jī)模型。如果接收信號中有視距傳播的直射波，并且該視距信號成為主接收信號分量（例如在偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村），這時(shí)的接收信號就呈現(xiàn)為正弦波加窄帶高斯過程，其包絡(luò)服從萊斯分布（見教材式（3.6.8）。此時(shí)，適宜用萊斯過程來對移動通信信道建模。(2) 頻率選擇性衰落 頻率選擇性衰落的概念信號的不同頻率分量受到不同程度的衰落（所謂衰落是一種信號電平隨時(shí)間變化的現(xiàn)象），這種衰落稱作頻率選擇性衰落。例8.4.1

8、設(shè)二徑信道可用題圖8.4.2所示的網(wǎng)絡(luò)來等效。試求它的傳輸函數(shù)，并討論二徑信道特性對信號傳輸?shù)挠绊憽ｎ}圖8.4.2 二徑傳播信道模型解 由題圖得等式兩邊求傅里葉變換 于是，有 幅頻特性 由上圖可見，二徑信道的幅頻特性與頻率有關(guān)：在一些頻率，二徑相位差為的整數(shù)倍（等效同相），則兩經(jīng)相加，幅頻特性最大（傳輸極點(diǎn)）；在另一些頻率，二徑相位差為的奇數(shù)倍（等效相反），則兩經(jīng)相減，幅頻特性最?。▊鬏斄泓c(diǎn)）。結(jié)果分析：當(dāng)傳輸信號帶寬大于時(shí)，信道將呈現(xiàn)頻率選擇性衰落；信號帶寬小于時(shí)，信號受到平坦性衰落。例8.4.1雖然是二徑信道模型，而實(shí)際上往往是信號在多徑隨參信道中傳播，不過，可以通過多徑相對時(shí)延的統(tǒng)計(jì)量來

9、確定一個(gè)信道頻率范圍，并將其與信號帶寬進(jìn)行比較，以判定信道的衰落類型。強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，如果二徑傳播的相對時(shí)延差是隨時(shí)間變化的，則此二徑信道為隨參信道。 對信號傳輸?shù)挠绊懭簦藭r(shí)式（8.4.4）中不能近似為，在這種情況下，不僅接收信號的幅度和相位隨機(jī)變化，不同路徑信號的不同信息碼元之間會產(chǎn)生很大相互干擾（稱作碼間干擾），使數(shù)字信號波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真，引起很大誤碼，嚴(yán)重時(shí)不能正常通信。2. 多徑信道的時(shí)延擴(kuò)展與相干帶寬以上利用最大傳輸時(shí)延解釋了多徑隨參信道中存在的兩種衰落現(xiàn)象。這里，引用時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬這兩個(gè)參量來闡明在什么條件下，信號通過多徑隨參信道傳輸會引起平坦性衰落或者頻率選擇性衰落。(1) 時(shí)延

10、擴(kuò)展 時(shí)延擴(kuò)展是多徑時(shí)延的一個(gè)重要的統(tǒng)計(jì)量。 若多徑隨參信道的第徑相對時(shí)延差為（），則多徑時(shí)延的統(tǒng)計(jì)特性可用下列參量來描述： 多徑相對時(shí)延的均值； 均方根時(shí)延擴(kuò)展（簡稱時(shí)延擴(kuò)展）； 最大多徑時(shí)延差（最大多徑時(shí)延差定義為最大傳輸時(shí)延和最小傳輸時(shí)延的差值）。 (2) 相干帶寬 相干帶寬是與時(shí)延擴(kuò)展相關(guān)的一個(gè)重要概念，相干帶寬定義為接收信號所有頻率分量的幅度是相關(guān)的頻率范圍（頻率間隔）。 一般，對于多徑隨參信道而言，用時(shí)延擴(kuò)展來近似求出信道的相干帶寬，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式表示 （8.4.12）(3) 信道的頻率選擇性類型判定方法 如果傳輸?shù)男盘枎挻笥谛诺赖南喔蓭挄r(shí)，會發(fā)生頻率選擇性衰落，信道對傳輸信

11、號不同頻率分量的影響是不同的，將引起碼間干擾。為了防止出現(xiàn)信道碼間干擾失真，要求 （8.4.13）此時(shí)，多徑隨參信道是一個(gè)平坦衰落信道或頻率非選擇性衰落信道。3.移動引起的信道時(shí)變性在移動通信中，移動臺和基站之間的相對移動（或信道內(nèi)物體的運(yùn)動）會造成傳播路徑的改變，從而使信道具有時(shí)變性。(1) 時(shí)變信道的衰落類型信道的時(shí)變特性致使信號在信道傳輸中受到快衰落或者慢衰落。 在信號的碼元間隔內(nèi)，信道的沖激響應(yīng)快速變化，致使信號在信道傳輸中產(chǎn)生失真，且受到了快衰落。在信號的碼元間隔內(nèi)，信道的沖激響應(yīng)基本不變，此時(shí)的信號在信道傳輸中受到了慢衰落。(2) 移動信道的多普勒擴(kuò)展設(shè)發(fā)射信號是一個(gè)頻率為的單頻信

12、號，第條入射波與移動臺運(yùn)動方向的夾角為，如圖8.4.3所示，則其多普勒頻率為 （8.4.14）其中，是最大多普勒頻率。為移動速度（相對速度），為信號波長，=299 792 458是光速。第條入射波的入射方向運(yùn)動方向圖8.4.3 多普勒頻移角度示意圖由于多普勒頻移，單頻信號的頻率發(fā)生了偏移：（當(dāng)移動臺與電磁波傳播方向相向移動時(shí)取正號，背向移動時(shí)取負(fù)號），相當(dāng)于單頻信號通過移動信道后成為隨機(jī)調(diào)頻信號。如果接收到多條有不同入射角的多徑信號，則產(chǎn)生的多普勒頻移也不同，使得接收信號的功率頻譜展寬，其頻譜范圍約為至，稱此頻率彌散現(xiàn)象為多普勒擴(kuò)展。(3) 信道相干時(shí)間與多普勒擴(kuò)展 相干時(shí)間相干時(shí)間是一個(gè)時(shí)間

13、度量，表示在上信道對信號的響應(yīng)基本是時(shí)不變的。相干時(shí)間和最大多普勒頻率成倒數(shù)關(guān)系（它們的乘積是常數(shù)），兩者的關(guān)系可近似為 （8.4.15） 信道的衰落快速性類型判定方法如果碼元間隔大于信道的相干時(shí)間，該信道就是快衰落的，其衰落特性將在一個(gè)碼元間隔內(nèi)改變多次，從而引起基帶脈沖波形的失真。為了避免由于快衰落而引起信號失真，要求 （8.4.16）此時(shí)，時(shí)變信道是一個(gè)慢衰落信道，信道狀態(tài)在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變。式（8.4.16）給出的慢衰落條件又可以表示成 （8.4.17）式中，為多普勒擴(kuò)展，。(4) 時(shí)變多徑信道對衰落的影響 若同時(shí)考慮時(shí)變多徑信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展及多普勒擴(kuò)展對衰落的共同影響，則

14、在平坦性衰落的信道條件下，由于多普勒擴(kuò)展，又可分類為平坦性快衰落和平坦性慢衰落。在頻率選擇性衰落的信道條件下，由于多普勒擴(kuò)展，同樣又可分類為頻率選擇性快衰落和頻率選擇性慢衰落。作業(yè)題：習(xí)題8-2補(bǔ)充習(xí)題8-9 一個(gè)無線移動通信系統(tǒng)，采用qpsk調(diào)制，信息速率，信道多徑相對時(shí)延的均值為，二階距為。試計(jì)算相干帶寬，并確定信號是否會遭受頻率選擇性衰落？8-10 分析一個(gè)載頻為的無線系統(tǒng)，移動速度為，為避免快衰落，該系統(tǒng)的碼元速率至少應(yīng)是多少？隨參信道小結(jié) 1.隨參信道的基本特征 電磁波的多徑傳播 信道的時(shí)變性2.衰落類型 多徑傳播引起的劣化類型有平坦性衰落（非頻率選擇性衰落，有時(shí)又稱為瑞利衰落）及頻

15、率選擇性衰落。 信道的時(shí)變特性致使信號在信道傳輸中受到快衰落或者慢衰落。3.時(shí)變多徑信道的信道參數(shù) 反映信道頻率選擇性的信道參數(shù)是多徑時(shí)延擴(kuò)展（或相干帶寬）。 反映信道時(shí)變特性的信道參數(shù)是多普勒擴(kuò)展（或相干時(shí)間）。 12 古今名言敏而好學(xué)，不恥下問孔子業(yè)精于勤，荒于嬉；行成于思，毀于隨韓愈興于詩，立于禮，成于樂孔子己所不欲，勿施于人孔子讀書破萬卷，下筆如有神杜甫讀書有三到，謂心到，眼到，口到朱熹立身以立學(xué)為先，立學(xué)以讀書為本歐陽修讀萬卷書，行萬里路劉彝黑發(fā)不知勤學(xué)早，白首方悔讀書遲顏真卿書卷多情似故人，晨昏憂樂每相親于謙書猶藥也，善讀之可以醫(yī)愚劉向莫等閑，白了少年頭，空悲切岳飛發(fā)奮識遍天下字，立志讀盡人