CH5-信道與噪聲解析課件

1、-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-通 信 原 理程琳 蘭州大學信息科學與工程學院M.Pmail: chenglin or chenglinwttAddress：Department of Electronics & Information Science, School of Information Science&Engineering, Lanzhou University, Tianshui Southern Road 222#， Gansu Province，P.R.ChinaPrinciples of Communications-蘭州大

2、學信息科學與工程學院電信、通信工程系-通 信 原 理10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-2 第五章 信道與噪聲主要內容提要： 引言 信道的定義與分類 通信信道實例 信道的數(shù)學模型分析 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?分集接收技術 通信系統(tǒng)中的噪聲 09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-3 本章的教學基本要求 本章要求了解通信信道的基本定義與分類方式，理解通信信道實例、信道的數(shù)學模型、分集接收原理、分集接收的具體實現(xiàn)方式、分集信號的合并方式，掌

3、握恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?、隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憽Ａ私馔ㄐ畔到y(tǒng)中常見的幾種形式的噪聲。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-4 1. 引 言信道是通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，其特性對于通信系統(tǒng)的性能有很大的影響。一般來說，實際信道都不是理想的。首先，這些信道具有非理想的頻率響應特性，另外還有噪聲和信號通過信道傳輸時攙雜進去的其他干擾。信道的頻率特性及噪聲和干擾將影響信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?本章重點研究信道分類、信道模型以及信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?，并介紹信道容量、信道復用等重要概念。

4、 09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-5 2. 信道的定義與分類一、狹義信道和廣義信道： 信道可分為狹義信道、廣義信道。1、狹義信道：是發(fā)送設備和接受設備之間用以傳輸信號的傳輸介質（媒介，媒質）。狹義信道是直觀的，人們習慣于把它按傳輸介質是否是導線分為有線信道和無線信道兩大類。2、廣義信道：將傳輸介質和各種信號形式的轉換、耦合等設備都歸納在一起，凡信號經(jīng)過的一切通道統(tǒng)稱為廣義信道。廣義信道可分為調制信道和編碼信道。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信

5、息科學與工程學院電信、通信工程系-6 編碼信道解調器2. 信道的定義與分類 調制信道 編碼器發(fā)送設備接收設備 譯碼器 噪聲源輸入輸出傳輸媒質調制器09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-7 信道有線信道，如電纜、光纖等無線信道，如中短波、微波信道等恒參信道隨參信道有記憶信道無記憶信道廣義信道 狹義信道調制信道編碼信道二、通信信道的分類09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-8 1、按照信道輸入輸出端信號的類型劃分可劃分為連續(xù)

6、信道（模擬信道）和離散信道（數(shù)字信道）。連續(xù)信道的輸入輸出信號為連續(xù)信號（又稱模擬信號），例如廣義信道中的調制信道即屬于連續(xù)信道。離散信道的輸入輸出信號為離散信號（又稱數(shù)字信號），廣義信道中的編碼信道即屬于離散信道。如果輸入為連續(xù)信號，輸出為離散信號或反之，則稱為半連續(xù)和半離散信道。 二、通信信道的分類09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-9 對連續(xù)信道，可繼續(xù)劃分為恒參信道和隨參信道。恒參信道的性質參數(shù)不隨時間變化。如果實際信道的性質參數(shù)不隨時間變化，或者基本不隨時間變化，或者變化極慢，則可以認為是恒參信

7、道，亦稱定參信道。隨參信道的性質參數(shù)隨時間隨機變化，亦稱變參信道。 Note：大多數(shù)情況下，有線信道（包含光纖）可看作是恒參信道；部分無線信道可看作是恒參信道，另一部分是隨參信道。2. 信道的定義與分類09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-10 2、按照信道的物理性質劃分可劃分為無線信道、 有線信道、 光信道等舉例： 二、通信信道的分類有線信道 架空明線 雙絞線 對稱電纜 同軸電纜 光導纖維 波導無線信道 超短波及微波接力（視距中繼） 衛(wèi)星中繼通信 光波視距傳播（激光空間、深空通信） 中長波地表面波傳播 短

8、波電離層反射 超短波及微波對流層散射 超短波超視距繞射移動散射無線電信道09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-11 3. 通信信道實例一、恒參信道及其實例： 據(jù)前分類可知，恒參信道的性質參數(shù)不隨時間變化，或者基本不隨時間變化，或者變化極慢 。 常見恒參信道分為有線信道、光纖信道、無線視距中繼信道。具體有架空明線、對稱電纜、同軸電纜、光纜、地面微波中繼等。 下面給出若干實例。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-12 架空

9、明線 架空明線是指平行而相互絕緣的架空裸線線路。與電纜相比，它的優(yōu)點是傳輸損耗低。但它易愛氣候和天氣的影響，并且對外界噪聲干擾較敏感。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-13 雙絞線 雙絞線由兩根彼此絕緣的銅線組成，這兩根線按照規(guī)則的螺線狀絞合在一起。每一對線作為一根通信鏈路使用。通常，將許多這樣的線結捆扎在一起，并用堅硬的、起保護作用的護皮包裹成一根電纜。將線對絞合起來是為了減輕同一根電纜內的相鄰線對之間的串擾，且相鄰線對通常具有不同的絞合長度。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信

10、工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-14 對稱電纜 對稱電纜是在同一保護套內有許多對相互絕緣的雙導線的傳輸介質。導線材料是鋁或銅，直徑為0.41.4mm。為了減少各線對之間的相互干擾，每一對線都擰成扭絞狀。由于這些結構上的特點，故電纜的傳輸損耗比明線大得多，但其傳輸特性比較穩(wěn)定。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-15 同軸電纜 同軸電纜由同軸的兩個導體構成，外導體是一個圓柱形的空管（在可彎曲的同軸電纜中，它可以由金屬絲編織而成），內導體是金屬線（芯線）。它們之間填充著絕緣

11、介質，可能是塑料，也可能是空氣。在采用空氣絕緣的情況下，內導體依靠有一定間距的絕緣子來定位?？闺姶鸥蓴_性能較好。 在有線電視（CATV）網(wǎng)絡中大量采用這種結構的同軸電纜。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-16 光導纖維（光纖） 光纖是一種纖細（2125m）柔韌能夠傳導光線的介質。有多種玻璃和塑料可用于制造光纖，使用超高純二氧化硅熔絲的光纖可得到最低損耗。光纖的外形是圓柱體，由三個同軸部分組成：纖芯、包層（覆層）以及防護罩。 光纖的特點是：損耗低（目前的技術可使 光纖的損耗低于0.2dB/km ）、通頻帶

12、寬、 重量輕 、不怕腐蝕以及不受電磁干擾（因此光纖通信的性質非常穩(wěn)定，可以看作是典型的恒參信道）等。此外的優(yōu)點是利用光纖代替電纜可節(jié)省大量有色金屬。 光纖可分為：多模光纖MMF、單模光纖SMF。 具體的幾個例子如下所示。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-17 多模光纖MMF纖芯較粗多束光線以不同的反射角傳播，因此到達目的地的時間不同，造成光脈沖逐漸展寬、失真可使用發(fā)光二極管（LED）、激光管（LD）作為光源輸入脈沖輸出脈沖多模光纖MMF09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十

13、月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-18 單模光纖SMF纖芯較細使單個波長的光線沿光纖一直傳播單束光線沿直線傳播輸入脈沖輸出脈沖單模光纖SMF09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-19 一種新型的光纖結構光子晶體光纖（PCF）光子晶體光纖示意圖09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-20 典型的光纜結構玻璃封套塑料外套玻璃內芯單芯光纜多芯光纜玻璃內芯塑料外套玻璃封套外殼09 十月 2022-蘭州大學信

14、息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-21 芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束高密度多芯光纜09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-22 無線電視距中繼 無線電視距中繼是指工作頻率在超短波和微波時，電磁波基本上沿視線傳播，通信距離依靠中繼方式延伸的無線電線路。相鄰中繼站間距離一般在4050km。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-23 兩個地面站之間直線傳送距離：

15、50 -100 km地球地面站之間的直視線路 微波傳送中繼塔地面微波接力09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-24 衛(wèi)星中繼信道人造衛(wèi)星中繼信道可視為無線電中繼信道的一種特殊形式。衛(wèi)星中繼信道由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下行線路構成。其中上行與下行線路是地球站至衛(wèi)星及衛(wèi)星至地球站的電波傳播路徑，而信道設備集中于地球站與衛(wèi)星中繼站中。相對于地球站來說，同步衛(wèi)星在空中的位置是靜止的。軌道在赤道平面上的人造同步衛(wèi)星，當它離地面高度為35860km時，可以實現(xiàn)地球上18000km范圍內的多點之間的聯(lián)接，采用三個適

16、當配置的同步衛(wèi)星中繼站就可以覆蓋全球（除兩極盲區(qū)外）。這種信道具有傳輸距離遠、覆蓋地域廣、傳播穩(wěn)定可靠、傳輸容量大等突出的優(yōu)點。目前廣泛用來傳輸多路電話、電報、數(shù)據(jù)和電視。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-25 利用地球同步衛(wèi)星實現(xiàn)全球通信與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星可覆蓋全球傳輸延遲時間長適用于海洋、山區(qū)、沙漠等地區(qū)的通信35,800公里地球09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-26 地球同步衛(wèi)星與地面站的通信

17、示意圖09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-27 3. 通信信道實例二、隨參信道及其實例： 據(jù)前面的分類可知，隨參信道的性質參數(shù)會隨時間隨機變化。 常見隨參信道有短波電離層反射，超短波流星余跡散射，超短波及微波對流層散射，超短波電離層散射以及超短波視距繞射等。 由于上述傳輸媒質所構成的調制信道模擬信道的特性會隨著傳輸媒質性質的隨機變化和電磁波信號的多途徑傳輸而隨機變化，因此這些信道的模型應該屬于隨參信道模型。 下面給出若干實例。 09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 202

18、2-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-28 短波電離層反射 離地面60600km的大氣層稱為電離層。實際觀察表明，電離層可分為D、E、F1、F2四層。F2是反射層，其高度為250300km，故一次反射的最大距離約為4000km，如果通過兩次反射，通信距離可達8000km。這種信道存在多徑傳播現(xiàn)象。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-29 超短波及微波對流層散射信道 離地面1012km以下的大氣層稱為對流層，對流層散射信道是一種超視距的傳播信道，其一跳的傳播距離約為100500km。09 十月 2

19、022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-30 流星余跡散射信道 當?shù)厍蛲饷娴男⌒碗E星進入大氣層后，由于其高速墜落運動產(chǎn)生的高溫使途徑上的氣體及星體表面物質氣化，產(chǎn)生等離子體層，由此形成的臨時散射層，可用來進行通信，多用于軍事用途。流星余跡散射體09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-31 4. 信道的數(shù)學模型分析一.連續(xù)調制信道模型及其特征： 調制信道圖示是為研究調制與解調問題所建立的一種廣義信道，是模擬信道。 它具有如下共性特征： （1

20、）有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端； （2）絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足線性疊加原理； （3）信號通過信道具有固定的或時變的延遲時間； （4）信號通過信道會受到固定的或時變的損耗； （5）即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-32 時變線性網(wǎng)絡si(t)so(t)時變線性網(wǎng)絡si1(t)si2(t)sim(t)so1(t)so2(t)s0n(t)(m對輸入)(n對輸出)調制信道的數(shù)學模型 圖 5.4-0 多輸入多輸出端連續(xù)信道模型0

21、9 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-33 圖 5.41 調制信道模型(5.4 - 1)(5.4 - 2)(5.4 - 3)恒定參量信道（恒參信道）和隨機參量信道（隨參信道）。 調制信道的數(shù)學模型09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-34 圖 5.4 2 加性噪聲信道模型(5.4 -4)第一種形式： C()是常數(shù)，或在信號頻帶范圍之內是常數(shù)。調制信道的數(shù)學模型09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10

22、 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-35 第二種形式： C()在信號頻帶范圍之內不是常數(shù)，但不隨時間變化。圖 5.4-3 帶有加性噪聲的線性濾波器信道(5.4 - 5)調制信道的數(shù)學模型09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-36 第三種形式： C()在信號頻帶范圍之內不是常數(shù)，且隨時間變化。(5.4 - 6)圖 5.4 4 帶有加性噪聲的線性時變?yōu)V波器信道調制信道的數(shù)學模型09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電

23、信、通信工程系-37 對于多徑傳輸信道，則有：(5.4 - 7)(5.4 - 8)(5.4 - 9)調制信道的數(shù)學模型09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-38 4. 信道的數(shù)學模型分析二、離散編碼信道模型及其特征： 編碼信道圖示包括調制信道、調制器和解調器，是一種數(shù)字信道或離散信道。由于信道噪聲或其他因素的影響，將導致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯誤，因此輸入、輸出數(shù)字序列之間的關系可以用一組信道轉移概率來表征。 編碼信道可分為無記憶編碼信道和有記憶編碼信道兩類。 無記憶編碼信道：指編碼信道碼元的轉移概率矩陣與其前后

24、碼元的取值無關的信道。 有記憶編碼信道：指編碼信道碼元的轉移概率矩陣與其前后碼元的取值有關的信道。最簡單的是馬爾可夫鏈（Markov）形式的有記憶編碼信道。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-39 4. 信道的數(shù)學模型分析二、編碼信道模型： 在編碼信道中其輸入、輸出數(shù)字序列之間的關系可以用一組信道轉移概率來表征。 信道轉移概率P(yj|xi)： 信道轉移概率P(yj|xi)是信道輸入符號(即發(fā)送符號)為 xi, 而信道輸出符號(即接受符號)為yj的條件概率： P(yj|xi) = P(y=yj x=xi)

25、 。它表示信道輸入端的數(shù)字信號序列到輸出端發(fā)生了轉移的程度。編碼信道的模型可以用信道的轉移概率來描述。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-40 （1）離散無記憶信道的信道轉移概率 一般情況下，發(fā)送符號集X=xi，i=1，2，,L，有L種符號；接收符號集Y=yj，j=1，2，M，有M種符號。離散無記憶信道的轉移概率用下列概率矩陣表示： 下面給出一個二進制無記憶編碼信道情形。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-41 圖

26、5.4 5 二進制無記憶編碼信道模型 編碼信道數(shù)學模型發(fā)送端 X接收端 Y09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-42 二進制無記憶編碼信道的轉移概率矩陣其中，p(0|0)、p(1|1)，是正確轉移概率，p(1|0)、p(0|1)是錯誤轉移概率。p(1|0)又稱為虛報概率，p(0|1)又稱為漏報概率。由概率的性質知： p(0|0)=1-p(1|0) p(1|1)=1-p(0|1)編碼信道數(shù)學模型09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通

27、信工程系-43 對于多進制無記憶編碼信道：對于二進制無記憶編碼信道：(5.4 - 11)信道輸出的總的錯誤概率Pe： M元輸入符號：N元輸出符號：轉移概率：(5.4 - 12)(5.4 - 13)(5.4 - 14)編碼信道數(shù)學模型09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-44 四進制無記憶編碼信道模型00123123編碼信道數(shù)學模型09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-45 多進制無記憶編碼信道模型編碼信道數(shù)學模型09 十

28、月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-46 （2）對稱信道 當信道轉移概率矩陣中的各行和各列分別具有相同集合的元素時，這類信道稱為對稱信道。譬如二進制無記憶對稱信道的轉移概率矩陣如下所示： 1-p p p 1-pP(yj|xi) =(5.4 - 15)09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-47 5. 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懸?、恒參信道含義及其若干實例 ： 已知恒參信道的性質參數(shù)是不隨時間變化，或者基本不隨時間變化，或者

29、變化極慢的 。 常見恒參信道分為有線信道、光纖信道、無線視距中繼信道。具體有架空明線、對稱電纜、同軸電纜、光纜、地面微波中繼等。具體的例子參見前述內容。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-48 5. 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懚⒑銋⑿诺纻鬏斕匦约捌鋵π盘杺鬏數(shù)挠绊懀?1、恒參信道的傳輸特性： 恒參信道的主要特點是可以把信道等效成一個線性時不變網(wǎng)絡，傳輸技術主要解決由線性失真引起的符號間干擾和由信道引入的加性噪聲所造成的判斷失誤。 理想恒參信道就是理想的無失真?zhèn)鬏斝诺?信號經(jīng)過信道不失真)。09 十

30、月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-49 5. 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?理想恒參信道的傳輸特性：傳輸特性幅頻特性相頻特性群遲延-頻率特性(5.5 - 1)(5.5 - 2)(5.5 - 3)(5.5 - 4)09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-50 5. 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憶_激響應若輸入為(5.5 - 5)(5.5 - 6)，則輸出為圖5.5-1 理想信道的幅頻特性、 相頻特性和群遲延-頻率特性 09

31、 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-51 5. 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懤硐牒銋⑿诺缹π盘杺鬏數(shù)挠绊懯牵?(1) 對信號在幅度上產(chǎn)生固定的衰減（K0）； (2) 對信號在時間上產(chǎn)生固定的遲延（td）。 這種情況也稱信號是無失真?zhèn)鬏敗?理想恒參信道又可分為理想低通信道和理想帶通信道。只要限帶信號的帶寬在所給信道帶寬范圍之內，則該信號可以實現(xiàn)無失真?zhèn)鬏敗?9 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-52 5. 恒參信道特性及其

32、對信號傳輸?shù)挠绊?、恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊?1 幅度-頻率失真： 幅度-頻率失真是由實際信道的幅度頻率特性的不理想所引起的，這種失真又稱為頻率失真，屬于線性失真。信道的幅度-頻率特性不理想會使通過它的信號波形產(chǎn)生失真，若傳輸數(shù)字信號，則會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時間上的相互重疊，造成碼間干擾。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-53 關于人類語音信號傳輸 大量統(tǒng)計結果表明，語音的頻譜通常在808000Hz之間。原“國際電報電話咨詢委員會（CCITT）”建議采用3003400Hz的頻帶范圍，也即單路音頻

33、電話信道有效帶寬為3100Hz。0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.4 kHzdB40302010009 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-54 5. 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憟D 5.52 （a） 典型音頻電話信道的幅度衰減特性（b）CCITT M.1020建議規(guī)定的衰減特性 音頻電話信道衰減特性在 3003000 Hz頻率范圍內比較平坦；300 Hz以下和 3000Hz以上衰耗增加很快，這種衰減特性正好適應人類語音信號的傳輸。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信

34、工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-55 舉例：只對基波衰減的信道所產(chǎn)生的失真vi(t)=sint+1/ 2sin3t vo(t)=1/2sin t +1/2sin3t(a)輸入信號波形(b)輸出信號波形09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-56 5. 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憟D 5.5 - 3 典型電話信道相頻特性和群遲延頻率特性 (a) 相位-頻率特性； (b) 群遲延頻率特性2、 相位-頻率失真 相位-頻率失真也是屬于線性失真。它對模擬話音傳輸影響不明顯，主要也

35、是因為人耳對信號相位不敏感所致。如果傳輸數(shù)字信號，相頻失真同樣會引起碼間干擾。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-57 舉例： 通過對基波相移、對三次諧波相移2的信道所產(chǎn)生的失真 vi(t)=sint+1/ 2sin3t vo(t)=sin (t-T/2) +1/2sin3(t-T/3)(a)輸入信號波形(b)輸出信號波形09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-58 舉例：限帶脈沖波形通過電話信道所產(chǎn)生的失真09 十月

36、2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-59 5. 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?、信道的時延特性及群時延特性： 信道的時延特性： 信道的群時延特性： 一般，時延特性為常數(shù)時，信號傳輸不引起信號的波形失真；群時延特性為常數(shù)時，信號傳輸不引起信號包絡的失真。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-60 6. 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?一、隨參信道含義及其若干實例 ： 據(jù)前所述，隨參信道的性質參數(shù)隨時間隨機變化，故亦稱變參信道。

37、 譬如短波電離層反射信道和分米波對流層散射信道是兩種典型的隨參信道。它們的共同特點是都存在時變多徑傳播引起的選擇性衰落，常常統(tǒng)稱為衰落信道。這兩種信道都包括大氣層，具有很強的大氣噪聲是它們共同的特征。 相關例子參見后述例子。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-61 電離層反射對流層散射 隨參信道舉例示意圖09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-62 隨參信道特性 隨參信道的傳輸媒質具有以下三個突出特點： (1) 對信號的

38、衰耗隨時間隨機變化； (2) 信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機變化；(3) 存在多徑傳播現(xiàn)象。6. 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-63 6.隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?二、隨參信道的數(shù)學模型分析 ： 若取信號發(fā)送端的信號形如：其中當取A為信號幅度，an為信息碼元，g(t)則為信息碼元波形，于是b(t)形如上述信號經(jīng)由多徑傳輸后到達接收端的信號可形式地表示為： 09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電

39、信、通信工程系-64 6.隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懙趇條路徑信號的衰耗因子，它隨時間變化第i條路徑信號的傳輸時延,隨時間變化實際觀察發(fā)現(xiàn)， 和 與載波 相比，變化緩慢的多，因此，r（t）可看作是窄帶隨機過程。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-65 6.隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?三、隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?： 隨參信道對信號傳輸會造成一般性衰落以及頻率選擇性衰落。在這里，不妨以移動信道情形為例來分析隨參信道的多徑衰落現(xiàn)象及其影響。多徑衰落與頻率彌散：(Multi-path fading

40、and frequency dispersal)輸入信號09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-66 若有n條多徑信道，信號相互獨立，則接收到的合成波為 示意圖 移動信道的傳播路徑 示例分析 09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-67 式中09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-68 的包絡和相位形式：瞬時相位滿足均勻分布瞬時幅度滿足瑞利

41、分布(Rayleigh)式中包絡相位09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-69 6.隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?由上述分析可見，相對于載波來說，V(t)和(t)是慢變化的隨機過程，于是r(t)可以看成是一個窄帶隨機過程。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-70 兩個基本結論:(1) 多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡和相位受調制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號，即多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落； (2) 從頻譜

42、上看， 多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜， 即多徑傳播引起了頻率彌散。6. 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?Offc輸入單一離散譜輸出頻譜09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-71 2. 頻率選擇性衰落與相干帶寬 (Frequency-selective fading and coherence bandwidth)圖示 兩條路徑信道模型 6. 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-7

43、2 圖示 信道幅頻特性6. 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?m 稱為最大多徑時延差，而Bc則稱為多徑傳播信道的相干帶寬。它表示信道傳輸特性相鄰兩個零點之間的頻率間隔。信道傳輸函數(shù)為 09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-73 如果信號的頻譜比相干帶寬還寬（ ffs ），則將產(chǎn)生嚴重的頻率選擇性衰落。為了減小頻率選擇性衰落，就應使信號的頻譜小于相干帶寬（ffs）。在工程設計中，為了保證接收信號質量， 通常選擇信號帶寬為信道相干帶寬的1/51/3。 當在多徑信道中傳輸數(shù)字信號時，特別是傳輸高速數(shù)字信號，頻率選

44、擇性衰落將會引起嚴重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響，就必須限制數(shù)字信號傳輸速率,譬如在短波信道中數(shù)字碼元速率一般只有100到300波特。 6. 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-74 6.隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?四、隨參信道的衰落特性 ：1、瑞利衰落： 指多徑傳輸后的信號之和的同相、正交分量相對于載波而言是慢變化過程，這是一個窄帶高斯平穩(wěn)隨機過程，該信號的包絡的概率分布為瑞利分布，相位則為均勻分布。2、廣義瑞利衰落： 指當接收點的信號可視為余弦波加窄帶高斯

45、過程時，其包絡概率分布為廣義瑞利分布或稱為萊斯分布。3、慢衰落（平坦性衰落）： 指信道特性慢變化（超過若干小時）引起的信號幅度的隨機變化稱為慢衰落。4、快衰落（頻率選擇性衰落）： 指由于多徑傳輸和信道特性變化引起的衰落頻率約為幾十、幾百赫茲的衰落形式為快衰落。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-75 7. 分集接收技術一、分集接收原理： 在實際通信過程中，為了對抗多徑衰落現(xiàn)象造成的信號失真，經(jīng)常采用的抗衰落性能好的技術措施具體有：調制解調技術擴頻技術功率控制技術與交織結合的差錯控制技術分集接收技術等。 其

46、中的分集接收技術是一種有效的抗衰落技術，已在短波通信、移動通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-76 所謂分集接收，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立，并對多個信號進行特定的處理，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分集接收實質上就是分散接收，集中匯總輸出。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)計獨立的衰落信號進行適當?shù)暮喜?，從而降低衰落的影?/p>

47、，改善系統(tǒng)性能。7. 分集接收技術09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-77 7. 分集接收技術二、分集接收實現(xiàn)方式 ：空間分集：在接收端架設幾副天線（圖示）。角度分集：利用天線波束指向不同空間方向使接收信號不相關的原理構成。頻率分集：用多個不同載頻傳送同一個消息。時間分集：當采用擴頻信號傳送信號時，則可以在接收端將不同時延的多徑信號分離開，得到不同時延信號的衰落也互不相關，亦稱多徑分集（Rake接收）。極化分集：分別接收水平極化波和垂直極化波而構成的一種分集方法。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工

48、程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-78 7. 分集接收技術 1. 空間分集圖5.7-1 空間分集示意圖分集重數(shù)在 24 重比較合適。 Back09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-79 7. 分集接收技術 3. 頻率分集：要求不同載波頻率的差大于信道的相關帶寬。(5.7 -1) 4. 時間分集：不同時延信號的衰落互不相關。(5.7 - 2)時間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號，對于靜止狀態(tài)的移動臺是無效果的。 2. 角度分集：采用多副天線指向不同方向來接

49、收信號。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-80 7. 分集接收技術三、分集信號合并方式： 在分集接收中，所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的各個獨立衰落信號相加后合并輸出，從而獲得分集增益。 根據(jù)加權系數(shù)的不同，常用有三種合并方式：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。 (5.7 - 3)09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-81 7. 分集接收技術選擇式合并: 選擇其中信

50、噪比最大的那一路信號作為合并器的輸出。合并增益(5.7 - 4)平均輸出信噪比(5.7 - 5)09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-82 圖 5.7 2 選擇式合并原理圖7. 分集接收技術09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-83 7. 分集接收技術2. 等增益合并：合并增益(5.7 - 6)平均輸出信噪比(5.7 - 7)加權系數(shù)時09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州

51、大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-84 7. 分集接收技術圖 5.7-3 等增益合并、 最大比值合并原理09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-85 7. 分集接收技術3. 最大比值合并（最佳比例合并）： 最大比值合并原理是將各條支路加權系數(shù)與該支路信噪比成正比。信噪比越大，加權系數(shù)越大，對合并后信號貢獻也就越大。若每條支路的平均噪聲功率是相等的，可以證明，當各支路加權系數(shù)為時，分集合并后的平均輸出信噪比最大。(5.7- 8)合并增益(5.7 - 9)平均輸出信噪比(5.7 - 10)09 十月 202

52、2-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-86 圖 5.7 4 三種分集合并的性能比較7. 分集接收技術09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-87 8. 通信系統(tǒng)中的噪聲一、噪聲和干擾： 廣義上講，通信系統(tǒng)中有用信號之外的其它有害信號、干擾信號都是噪聲。在這里對干擾和噪聲做一區(qū)別。1、干擾： 常把周期性的 、有規(guī)律性的有害信號稱作干擾。2、噪聲： 把呈現(xiàn)隨機性的不確定、不能預測的有害信號稱為噪聲。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學

53、院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-88 8. 通信系統(tǒng)中的噪聲二、噪聲的來源及分類：1、若根據(jù)噪聲的來源進行分類，一般可以分為三種類型：1） 人為噪聲：是指人類活動所產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無線電噪聲。工業(yè)噪聲來源于各種電氣設備，如開關接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射及熒光燈干擾等。無線電噪聲來源于各種無線電發(fā)射機，如外臺干擾、寬帶干擾等。2） 自然噪聲：是指自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲。如雷電、磁暴、太陽黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等。可以說整個宇宙空間都是產(chǎn)生自然噪聲的來源。3) 內部噪聲：是指通信設備本身產(chǎn)生的各種噪聲

54、。它來源于通信設備的各種電子器件、傳輸線、天線等。如電阻一類的導體中自由電子的熱運動產(chǎn)生的熱噪聲、電子管中電子的起伏發(fā)射或晶體管中載流子的起伏變化產(chǎn)生的散彈噪聲等。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-89 2按噪聲的性質，可將噪聲分為：（1）單頻噪聲（2）脈沖噪聲（3）起伏噪聲二、噪聲的來源及分類：Note：這三種噪聲都是隨機噪聲。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-90 二、噪聲的來源及分類：（1）單頻噪聲主要是無

55、線電干擾，頻譜特性可能是單一頻率， 也可能是窄帶譜。單頻噪聲的特點是一種連續(xù)波干擾。可以通過合理設計系統(tǒng)來避免單頻噪聲的干擾。（2）脈沖噪聲是在時間上無規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。包括工業(yè)干擾中的電火花、汽車點火噪聲、 雷電等。脈沖噪聲的特點是以突發(fā)脈沖形式出現(xiàn)、干擾持續(xù)時間短、脈沖幅度大、周期是隨機的且相鄰突發(fā)脈沖之間有較長的安靜時間。由于脈沖很窄，所以其頻譜很寬。但是隨著頻率的提高，頻譜強度逐漸減弱?？梢酝ㄟ^選擇合適的工作頻率、遠離脈沖源等措施減小和避免脈沖噪聲的干擾。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-91

56、 (3)起伏噪聲是一種連續(xù)波隨機噪聲，包括熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲。對其特性的表征可以采用隨機過程的分析方法。起伏噪聲的特點是具有很寬的頻帶，并且始終存在，它是影響通信系統(tǒng)性能的主要因素。在以后各章分析通信系統(tǒng)抗噪聲性能時，都是以起伏噪聲為重點。 二、噪聲的來源及分類09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-92 8. 通信系統(tǒng)中的噪聲3、按噪聲的功率密度譜特征劃分： （1）白噪聲：噪聲功率譜分布均勻。 （2）有色噪聲：噪聲功率譜分布不均勻。4、按噪聲與輸入信號的關系來劃分： （1）乘性噪聲：與信道有關，當有

57、用信號出現(xiàn)時，有噪聲信號出現(xiàn)，有用信號消失時，則該噪聲亦同步消失。 （2）加性噪聲：與信號相互獨立，并且始終存在，實際中只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。 09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-93 8. 通信系統(tǒng)中的噪聲三、通信系統(tǒng)中幾種常見噪聲形式及其特征（白噪聲、熱噪聲、高斯噪聲、高斯型白噪聲、窄帶高斯噪聲、帶通型噪聲）：1、白噪聲：指在從零到無窮大的頻帶上都呈現(xiàn)均衡功率譜分布的噪聲。 雙邊譜密度： 單邊譜密度： 相關函數(shù)： 09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、

58、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-94 2、熱噪聲: 是由于導體中組成傳導電流的自由電子無規(guī)則的熱運動而引起的。在任何時刻通過導體每個截面的電子數(shù)目的代數(shù)和是不等于零的，即由自由電子的隨機熱騷動帶來一個大小和方向都不確定（隨機）的電流起伏電流（噪聲電流），它們流過導體就產(chǎn)生一個與其電阻成正比的隨時間而變化的電壓起伏電壓（噪聲電壓）。 熱噪聲屬于起伏噪聲之一。 8. 通信系統(tǒng)中的噪聲09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-95 8. 通信系統(tǒng)中的噪聲2、熱噪聲: 屬于起伏噪聲之一。單邊功率譜密度白噪聲近似圖5.81 熱噪聲的功率譜密度09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-96 8. 通信系統(tǒng)中的噪聲2、熱噪聲: 在一定的頻率范圍內，象熱噪聲這樣的起伏噪聲通常被認為是近似高斯白噪聲。故有雙邊功率譜密度：其自相關函數(shù)：顯然如果傳輸網(wǎng)絡是具有窄帶特性的線性網(wǎng)絡，則其輸出的噪聲必然為窄帶噪聲。09 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工10 十月 2022-蘭州大學信息科學與工程學院電信、通信工程系-97 8. 通信系統(tǒng)中的噪聲3、散彈噪聲：散彈噪聲又稱散