北郵通信原理課件 第八章信道

1、第八章 信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院牛凱2022年4月北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 第八章 信道n8.1 引言n8.2 信道定義和分類n8.3 通信信道實(shí)例 n8.4 信道數(shù)學(xué)模型n8.5 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?n8.6 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?n8.7 分集接收n8.8 信道容量n8.9 信道復(fù)用北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.1 引言n信道n通信系統(tǒng)的重要組成部分 n直接影響通信系統(tǒng)的傳輸性能北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.2 信道定義和分類n狹義信道:信號傳輸?shù)拿劫|(zhì)n廣義信道:信號傳輸媒質(zhì)+相關(guān)通信設(shè)備n編碼信道、調(diào)制信道 北京郵電大學(xué)信息與通信工程

2、學(xué)院 信道分類n按照信道輸入輸出端信號的類型n連續(xù)信道(模擬信道)和離散信道(數(shù)字信道)n按照信道的物理性質(zhì)n無線信道、有線信道、光信道等n按照信道的參數(shù)穩(wěn)定性n恒參信道：信道的性質(zhì)(參數(shù))不隨時間變化如：有線信道、光信道、部分無線信道等n隨參信道：信道的性質(zhì)(參數(shù)) 隨時間變化如：部分無線信道等北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.3 通 信 信 道 實(shí) 例 n恒參信道n有線信道n光纖信道n無線電視距中繼信道n衛(wèi)星信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.3 通 信 信 道 實(shí) 例 n隨參信道n地面移動通信信道(1) 多徑信號、多徑傳播(2) 傳播性質(zhì)隨時間變化基站手機(jī)tRP門限t北京郵電大學(xué)信

3、息與通信工程學(xué)院 8.3 通 信 信 道 實(shí) 例 n隨參信道n短波電離層反射信道地球30km600km(1) 多徑信號、多徑傳播(2) 傳播性質(zhì)隨時間變化北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.3 通 信 信 道 實(shí) 例 n隨參信道n對流層散射信道(1) 多徑信號、多徑傳播(2) 傳播性質(zhì)隨時間變化地球1012km北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.4 信 道 數(shù) 學(xué) 模 型 n連續(xù)信道模型n輸入和輸出信號都是連續(xù)信號n離散信道模型n輸入和輸出信號都是離散信號北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.4.1 連續(xù)信道模型n連續(xù)信道的性質(zhì)n具有一對（或多對）輸入和輸出端n大多數(shù)信道是線性的n信號經(jīng)過信道會

4、有延時，并還會受到固定的或時變的損耗n無輸入信號時，在信道的輸出端仍有噪聲輸出 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 連續(xù)信道的等效模型n時變線性網(wǎng)絡(luò)北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 連續(xù)信道的等效模型(2)n多端時變線性網(wǎng)絡(luò)北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 連續(xù)信道模型n線性算子n非時變隨參信道時n時變恒參信道n加性干擾n人為干擾鄰臺干擾、開關(guān)干擾、工業(yè)電器設(shè)備等自然干擾閃電、大氣中的電磁暴、宇宙噪聲等內(nèi)部干擾電阻的熱噪聲、半導(dǎo)體散彈噪聲、電源干擾等n窄帶干擾單頻干擾，幅度和相位變化的正弦波脈沖干擾突發(fā)的幅度和占空比隨機(jī)變化、占空比很小的 脈沖起伏噪聲時間上連續(xù)變化、頻域上具有很大的帶寬北京郵電大學(xué)信

5、息與通信工程學(xué)院 按隨機(jī)噪聲性質(zhì)分類單頻噪聲：外臺信號脈沖噪聲：電氣開關(guān)合斷噪聲、工業(yè)電火花起伏噪聲：熱噪聲、散彈噪聲、宇宙噪聲加性噪聲來源分類人為噪聲：外臺信號、電氣開關(guān)合斷、點(diǎn)火系統(tǒng)自然噪聲：天電噪聲來源于雷電、磁暴、宇宙射 線、太陽黑子內(nèi)部噪聲：系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部本身產(chǎn)生的各種噪聲， 電阻器熱噪聲、電子管、半導(dǎo)體管中 的電子起伏（散彈噪聲）連續(xù)信道模型北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.4.2 離散信道模型n編碼信道的數(shù)學(xué)模型反映其輸出數(shù)字序列和其輸入數(shù)字序列之間的關(guān)系 n概率關(guān)系北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 二進(jìn)制離散信道模型n可用轉(zhuǎn)移概率矩陣表示北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 四進(jìn)制離散

6、信道模型北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.5 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?恒參信道非時變線性網(wǎng)絡(luò)( )x t( )( )( )y tx th t( )( )x tX( )( )y tY( )( )( )YXH()( ) |( )|jHHe 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.5 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?1. 信號經(jīng)過信道不失真的要求0( )()y tkx tt0( )j tHke不失真要求0( )()h tktt北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.5 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?1. 信號經(jīng)過信道不失真的要求 帶寬有限時北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.5 恒參信道特

7、性及其對信號傳輸?shù)挠绊?2. 信道的時延特性及群時延特性 d ( )( )dG 信道的群時延特性信道的時延特性 cos t經(jīng)過信道后，變?yōu)閨H()| cos t+()=k cos t-() = - () = - ()/ 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.5 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?2. 信道的時延特性及群時延特性 信道的時延特性 不同頻率的正弦信號經(jīng)過信道的時延 例： () = () + 0 () = - () + 0 )/信道的時延特性為常數(shù)時，不會引起信號波形失真北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.5 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?2. 信道的時延特性及群時延特性 信道的群

8、時延特性 一般來說，與信道的時延特性不同 例： () = () + 0 G() = - d() /d 信道的群時延特性為常數(shù)時，不會引起信號包絡(luò)失真 ()-HH 2()1 ()0相同區(qū)域不同區(qū)域北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 例8.5.1北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 例8.5.1北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 例8.5.1網(wǎng)絡(luò)對信號包絡(luò)Acos t有群時延t0，對cosct無時延北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 例8.5.2 已知已調(diào)信號s(t) = m(t)cosct為窄帶信號，在s(t)的頻帶范圍內(nèi)信道的幅頻特性為常數(shù)(設(shè)為1)，相頻特性為： () = -( -c) t0 + 0， t0和

9、0為常數(shù)，求s(t)通過信道的輸出，并分析結(jié)果 解：用低通等效法 由s(t)的窄帶特性，其解析信號為( )( )cosj ( )sin( )cjtccz tm ttm ttm t e( )( )( ) ( )LLstm tSM00( ) j tLHe00( ) ( ) ( ) ( ) j tLoLLSSHMe北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 例8.5.200( )()jLostm tt e00( )( )()ccjtjtjoLoz tst em tt ee00( )R ( )()cos()oocs tz tm ttt結(jié)果分析：(1) t0 是信道在 =c附近的群時延(2) 信道的時延特性為 ()

10、 = - () / = - (-c) t0 + 0 / 0= c t0 時， () = t0 為常數(shù)， () = - t0 ，理想相頻特性 0c t0 時， () 不是常數(shù)， s(t) 有相應(yīng)的相位頻率失真 m(t) 無失真，其延時等于群時延北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6 隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊憂8.6.1 隨參信道的數(shù)學(xué)模型隨參信道的特點(diǎn)：(1) 對信號的衰減隨時間變化(2) 對信號的時延隨時間變化(3) 多徑傳播 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6 隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊憂8.6.1 隨參信道的數(shù)學(xué)模型)(tbnna)(nTtg)(tsA)(tbtccos)(t

11、rALiiciittttbt1)(cos)()()(tsAna)(nTtgtccosn發(fā)送信號表示第i條路徑信號衰耗因子，隨時間隨機(jī)變化表示第i條路徑的傳輸時延，也是時間的隨機(jī)函數(shù)表示第i條路徑的傳輸時延，也是時間的隨機(jī)函數(shù)北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 )()(ttici)(trALiiciittttbt1)(cos)()(11( )( ) cos( ) ( )cos( ) sin( ) ( )sinLiiiciLiiicir tAtt b tttAtt b ttt8.6 隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊憂8.6.1 隨參信道的數(shù)學(xué)模型窄帶隨機(jī)過程北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6.2 隨

12、參信道對信號傳輸?shù)挠绊憂平坦性衰落北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6.2 隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊憂平坦性衰落222( )()exp(2)p ( )1 2 ,p瑞利分布均勻分布北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6.2 隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊憂頻率選擇性衰落信道的相干帶寬fs=1/Ts，max Ts， f fs若f s f，不同的頻率分量受到不同程度的衰落頻率選擇性衰落北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 2( )12cos()2jjHee 8.6.2 隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊憂頻率選擇性衰落021123)(Hf225相干帶寬si(t)=Acost延遲Acost-)so(t)=Bcos(t+)

13、北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6.2 隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊憂頻率選擇性衰落不為常數(shù)時， so(t) = B(t)cosct+ c (t)= B(t)cosct+(t)幅度和相位均有隨機(jī)調(diào)制，輸出不再是單一譜線，發(fā)生頻率彌散0fc)(fSf北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6.2 隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊憂移動信道的多普勒擴(kuò)展及相干時間移動臺與基站之間的相對運(yùn)動，使接收信號的載頻發(fā)生多普勒頻移多普勒頻移fd= fmcos，fm=v/= vfc/c， fc-fm fr fc+fm多普勒擴(kuò)展Tc 1/fm相干時間反映了信道沖擊相應(yīng)的時變性北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6.2 隨參信

14、道對信號傳輸?shù)挠绊憂移動信道的多普勒擴(kuò)展及相干時間移動臺與基站之間的相對運(yùn)動，是接收信號的載頻發(fā)生多普勒頻移多普勒頻移fd= fmcos，fm=v/= vfc/c， fc-fm fr fc+fm多普勒擴(kuò)展Ts Tc 或Rs fm快衰落信道、時間選擇性衰落Ts fm慢衰落信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.6.3 抗衰落措施n擴(kuò)頻技術(shù)n交織技術(shù)n糾錯編碼技術(shù)n自適應(yīng)信道均衡技術(shù)n分集技術(shù)北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.7 分集接收基站天線1天線2天線Md接收合并一路低于門限的概率兩路完全不相關(guān)的概率兩路完全相關(guān)的概率北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 宏分集宏分集* 也稱為“多基站”分集*

15、多個基站設(shè)置在不同的地理位置、不同方向上， * 同時和小區(qū)內(nèi)的一個移動臺進(jìn)行通信* 分集數(shù)N越大，分集效果越好，N增大* N增大，改善是有限、系統(tǒng)復(fù)雜* N=24基站手機(jī)基站基站控制處理8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 空間分集空間分集發(fā)發(fā)分集分集* 多副天線發(fā)射相同的信號* 天線數(shù)M=24 * 天線之間的距離d應(yīng)足夠大 通常d 為10 20個波長 * 一副天線接收天線1天線2天線Md接收合并發(fā)送處理8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 空間分集空間分集收收分集分集* 一副天線發(fā)射* 多副天線接收相同的信號* 天線數(shù)M=24 * 天線之間的距離d應(yīng)足夠大 通常d 為10

16、 20個波長 基站天線1天線2天線Md接收合并8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 空間分集空間分集收發(fā)收發(fā)分集分集* 多副天線發(fā)射相同的信號* 多副天線接收相同的信號* 天線數(shù)M=24 * 天線之間的距離d應(yīng)足夠大 通常d 為10 20個波長 *發(fā)射天線天線數(shù)M 1，接收天線天線數(shù)M 2 等效分集數(shù)M 1M 28.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 頻率分集頻率分集* 多載波上同時發(fā)送相同的信息* 載波之間的間隔足夠大，大于信道的相干帶寬* 接收端分別解調(diào)、處理后合并8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 時間分集時間分集* 在不同的時間上發(fā)送相同的信息* 時間的間

17、隔足夠大，大于相干時間* 接收端分別接收、處理后合并8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 極化分集極化分集* 同一副天線上同時發(fā)送極化方向相互垂 直的兩路電磁波* 兩路無線信號載有相同的信息* 接收端分別解調(diào)、處理后合并* 空間分集的特殊情況* 節(jié)省空間8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 角度分集角度分集* 同一副天線上同時發(fā)送方向不同的兩路 無線信號* 兩路無線信號載有相同的信息* 相關(guān)性較差* 接收端分別解調(diào)、處理后合并* 空間分集的特殊情況* 節(jié)省空間8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 路徑分集路徑分集RAKE接收接收* 多徑信道 接收到的信號是經(jīng)過多路

18、反射的、散射 等的傳播路徑后信號的疊加* 多路信號載有相同的信息* 分離多徑，分別接收、合并* 分離多徑信道 利用PN碼的相關(guān)性，對各 路分別進(jìn)行相關(guān)接收，提 出不同延時的相關(guān)峰* 合并8.7 分集接收搜尋檢測中頻信號合并PN(1)PN(2)PN(3)PN()北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 合并合并技術(shù)技術(shù)* 選擇式合并 性能較差 接收多路中，選擇最強(qiáng)信號* 等增益合并 性能較好 接收多路，無加權(quán)加到一起* 最大比合并 性能最好 接收多路中，最強(qiáng)信號加權(quán)因子大，即在合 并后的信號中占的比重大；反之加權(quán)因子小， 在合并后的信號中占的比重亦小8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 合并合并技術(shù)技術(shù)N（分集支路數(shù)）（分集支路數(shù)）a 為最大比值合并為最大比值合并b 為等增益合并為等增益合并c 為選擇式合并為選擇式合并SNR支路支路SNR合并合并log210864212345678910abc8.7 分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.8 信道容量 n離散信道n連續(xù)信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8.9 信道復(fù)