通信原理(信道第二次課)

1/31/20233.5恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽龊銋⑿诺朗侵感诺赖奶匦詤?shù)長(zhǎng)期不變或變化非常緩慢。前述有線信道（光纖與電纜）、無(wú)線電視距傳播信道、微波及衛(wèi)星中繼信道都屬于恒參信道?！龊銋⑿诺揽梢杂脮r(shí)不變線性系統(tǒng)來(lái)描述?！龊銋⑿诺缹?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)為：幅度-頻率畸變和相位-頻率畸變?？梢哉J(rèn)為在一次通信過(guò)程中是不變的。3.5.1幅度-頻率畸變3.5.1相位-頻率畸變相位-頻率特性幅度-頻率特性1/31/2023相位-頻率特性幅度-頻率特性幅度大小變化和出現(xiàn)時(shí)間不同■無(wú)失真系統(tǒng)

H(ω)=Ko,Φ(ω)=ωtd

,

1/31/2023幅度-頻率畸變■有失真系統(tǒng)所謂幅度-頻率畸變，又稱為頻率失真。在通常的有線電話信道中可能存在各種濾波器，尤其是帶通濾波器，還可能存在混合線圈、串聯(lián)電容器和分路電感等，因此電話信道的幅度-頻率特性總是不理想的。此時(shí)若要傳輸數(shù)字信號(hào)，還會(huì)引起相鄰數(shù)字信號(hào)波形之間在時(shí)間上的相互重疊，即造成碼間串?dāng)_（碼元之間相互串?dāng)_）。為了減少這種畸變，一般加線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，稱為均衡。

1/31/2023相位-頻率畸變■有失真系統(tǒng)相位-頻率畸變，是指信道的相位-頻率特性或群遲延-頻率特性偏離而引起的畸變。電話信道的相位-頻率畸變主要來(lái)源于信道中的各種濾波器及可能有的加感線圈，尤其在信道頻帶的邊緣，相頻畸變就更嚴(yán)重。當(dāng)非單一頻率的信號(hào)通過(guò)該電話信道時(shí)，信號(hào)頻譜中的不同頻率分量將有不同的遲延，即它們到達(dá)的時(shí)間先后不一，從而引起信號(hào)的畸變。。相頻畸變對(duì)模擬話音通道影響并不顯著，這是因?yàn)槿硕鷮?duì)相頻畸變不太靈敏；但對(duì)數(shù)字信號(hào)，尤其當(dāng)傳輸速率比較高時(shí)，相頻畸變將會(huì)引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_，在數(shù)字通信系統(tǒng)內(nèi)一定要重視相移失真對(duì)信號(hào)傳輸可能帶來(lái)的影響。

1/31/2023其他失真因素非線性失真是指信號(hào)輸入和輸出的信號(hào)的振幅關(guān)系不是直線關(guān)系，造成信號(hào)產(chǎn)生新的諧波分量，諧波失真，由元器件特性不理想造成；頻率偏移是指信道輸入信號(hào)的頻率經(jīng)過(guò)信道傳輸后產(chǎn)生平移，由振蕩器的頻率誤差引起；振蕩器的頻率不穩(wěn)定還引起相位抖動(dòng)。幅頻失真對(duì)語(yǔ)音的影響較大，因?yàn)槿硕鷮?duì)幅度比較敏感。相頻失真則對(duì)視頻的影響較大，人的視覺很容易覺察相位上的變化。1/31/2023vivoR1R2vivoRC例：vivoLR1/31/20233.7隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽鲭S參信道特性參數(shù)（衰耗與時(shí)延）隨時(shí)間快速變化■隨參信道多存在多徑傳播隨參信道是一種時(shí)變多徑傳播信道：

●對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化；●傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化；●多徑傳播。

時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)H1（ω，t）時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)H2（ω，t）時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)Hi（ω，t）時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)Hn（ω，t）發(fā)送信號(hào)

接收信號(hào)

s（t）

r（t）

Hi（ω，t）=|Hi（ω，t）|·e-jφi（ω，t）

時(shí)變多徑傳播信道1/31/20233.7隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸?

一般性衰落(瑞利衰落）設(shè)發(fā)送信號(hào)為s（t）=Acosω0t，該信號(hào)經(jīng)過(guò)n條路徑傳播后，接收信號(hào)r(t)：

(3.7-1)

一般性衰落和頻率選擇性衰落式中，μi(t)為第i條路徑的接收信號(hào)振幅；τi(t)為第i條路徑的信號(hào)傳播時(shí)延，且有φi(t)=-ω0τi(t)。

μi(t)和φi(t)都是隨時(shí)間變化的。實(shí)驗(yàn)表明，μi(t)和φi(t)隨時(shí)間變化與發(fā)送載頻的周期性變化相比，通常要緩慢得多，即μi(t)和φi(t)均可以認(rèn)為是隨時(shí)間緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程。

1/31/20233.7隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸?

一般性衰落(瑞利衰落）改寫式（3.7-1）為：

設(shè)，，有，

r(t)=Xc(t)cosωot-Xs(t)sinωot

=V(t)cos[ωot+φ(t)]

（3.7-5）

其中，（3.7-6）分別是接收信號(hào)r（t）合成波的包絡(luò)和相位。，1/31/20233.7隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸?

一般性衰落(瑞利衰落）前面式子中，由于μi(t)和φi(t)是緩慢變化的，所以XC（t）、XS（t）及包絡(luò)V（t）和相位φ（t）也是緩慢變化的。我們稱r（t）是一個(gè)窄帶隨機(jī)過(guò)程。圖3.19衰落信號(hào)的波形與頻譜示意圖從頻譜上看，時(shí)變多徑傳播信道將正弦載波的單個(gè)離散頻率變成了具有一定寬度的窄帶頻譜，如圖3.19（b）所示，我們常稱之為頻率彌散。從波形上看，時(shí)變多徑傳播的結(jié)果使確定的單一正弦載波信號(hào)Acosω0t變成了包絡(luò)和相位都受到調(diào)制的信號(hào)，如圖3.19（a）所示，這樣的信號(hào)，通常被稱之為衰落信號(hào)；fotf（Hz）波形

r（t）

包絡(luò)

V（t）

功率譜密度

Pr（f）

（a）

（b）

1/31/20233.7隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸?

一般性衰落(瑞利衰落）根據(jù)隨機(jī)過(guò)程的理論，r(t)是一個(gè)窄帶高斯隨機(jī)過(guò)程。而且其包絡(luò)幅度V（t）的一維分布服從瑞利分布，而相位φ(t)的一維分布服從[0，2π]上的均勻分布。信號(hào)的包絡(luò)服從瑞利分布律的衰落，通常稱之為瑞利型衰落。因此，具有時(shí)變多徑傳播特性的隨參信道又可稱為瑞利型衰落信道。瑞利型衰落信號(hào)的包絡(luò)值隨機(jī)變量（V）和相位值隨機(jī)變量（φ）取值的一維概率密度函數(shù)f（V）和?（φ）可分別表示成：

，（

V≥0，σ>0）

（3.7-7）

，（-π≥ф≥π）1/31/20233.7隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚?

頻率選擇性衰落V0延遲t0延遲t0+τ加法器V0V0s（t）

V0s（t-t0-τ）

V0s（t）

V0s（t-t0）

s（t）

r（t）

圖3.20兩徑傳播信道模型

兩徑傳播系統(tǒng)模型的傳輸特性H（ω）為

H（ω）=R(ω)╱S(ω)

=V0e-jωt0(1+e-jωτ)所謂頻率選擇性衰落，是信號(hào)頻譜中某些分量的一種衰落現(xiàn)象，這是多徑傳播的又一個(gè)重要特征。

1/31/20233.7隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚?

頻率選擇性衰落幅頻特性為：

|1+e-jωτ|=|1+cosωτ-jsinωτ|

=|2cos2（ωτ/2）-j2sin（ωτ/2）cos（ωτ/2）|

=2|cos（ωτ/2）||1+e-jωτ|=2|cos（ωτ/2）|

0π/τ2π/τ3π/τ4π/τ5π/τω

2圖3.21兩徑傳播信道的幅頻特性示意圖

當(dāng)一個(gè)傳輸波形的頻譜寬于1/τ時(shí)，傳輸信號(hào)的某些頻率成分將比另外的頻率成分受到更大的衰減（甚至根本傳輸不過(guò)去），波形將受到嚴(yán)重的畸變。這種畸變就是所謂的頻率選擇性衰落（簡(jiǎn)稱選擇性衰落）所引起的。設(shè)最大多徑時(shí)延差τm

，則定義△f=1/τm即為相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔。這個(gè)頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的相關(guān)帶寬。如果，傳輸信號(hào)的頻譜寬于△f，則該信號(hào)將產(chǎn)生明顯的頻率選擇性衰落。為了不引起明顯的頻率選擇性衰落，要求：●

限制傳輸信號(hào)的頻帶寬度（在0.2△f～0.5△f內(nèi)）；●選擇載波信號(hào)使傳輸信號(hào)的頻譜中心f0在信道傳輸特性│H（ω）│的極點(diǎn)處（相關(guān)帶寬△f=1/τm的整數(shù)倍頻率上）。1/31/2023多徑傳輸對(duì)信號(hào)的影響產(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(hào)變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào)。引起頻率彌散：從頻譜上看，單個(gè)頻譜變成了窄帶頻譜。發(fā)生頻率選擇性衰落：是信號(hào)頻譜中某些分量產(chǎn)生衰落的一種現(xiàn)象，即對(duì)不同的頻譜，多徑傳輸?shù)慕Y(jié)果將有不同的衰減，某些頻率上出現(xiàn)傳輸極點(diǎn)，某些頻率上出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)。1/31/20233.8隨參信道特性的改善——分集接收隨參信道的時(shí)變和多徑傳播特點(diǎn)，造成一般性瑞利型衰落和頻率選擇性衰落，它們對(duì)信號(hào)傳輸造成影響將會(huì)嚴(yán)重降低通信系統(tǒng)的性能。為了抗快衰落，通?？刹捎枚喾N措施，例如，各種抗衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗衰落接收技術(shù)等。分集技術(shù)、編碼與交織傳輸技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)等都是常用的抗衰落技術(shù)。

分集技術(shù)如果在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同路徑的信號(hào)，將這些信號(hào)適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號(hào)，則能夠大大減少衰落的影響。這就是分集技術(shù)的基本思想。分集兩字就是分散得到幾個(gè)合成信號(hào)并集中（合并）這些信號(hào)的意思。只要將分集的幾個(gè)信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，那么經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜⒑缶湍苁瓜到y(tǒng)性能大為改善。

時(shí)變多徑衰落信道的技術(shù)對(duì)策1/31/20233.8隨參信道特性的改善——分集接收一.分集方式

1.

空間分集

空間分集是在接收端架設(shè)幾副天線，各天線的位置間要求有足夠的間距（一般在100個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)以上），以保證各天線上獲得的信號(hào)基本互相統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。2.

角度分集

角度分集是利用天線波束指向不同使信號(hào)不相關(guān)的原理構(gòu)成的一種分集方法。例如，在微波面天線上設(shè)置若干個(gè)照射器，產(chǎn)生相關(guān)性很小的幾個(gè)波束。3.

頻率分集

頻率分集是用多個(gè)不同載頻傳送同一個(gè)消息，如果各個(gè)載頻的頻差相隔比較遠(yuǎn)（例如，頻差選成多徑時(shí)延差的倒數(shù)），則各載頻信號(hào)也基本相互不相關(guān)。4.

時(shí)間分集

時(shí)間分集是在不同的時(shí)隙發(fā)送荷載同一數(shù)據(jù)信息的信號(hào)，是相鄰兩個(gè)時(shí)隙之間的間隔等于或大于最大多徑時(shí)延差τm，在接收端將載有同一數(shù)據(jù)信息的不同時(shí)隙信號(hào)存儲(chǔ)并以適當(dāng)方式合并，就實(shí)現(xiàn)了時(shí)間分集。5.

極化分集

極化分集是通過(guò)分別接收水平極化和垂直極化波而構(gòu)成的一種分集方法。一般說(shuō)，這兩種波是相關(guān)性極小的。分集方法不是互相排斥的，在實(shí)際使用時(shí)可以是組合式的，例如由二重空間分集和二重頻率分集組成四重分集系統(tǒng)等。1/31/20233.8隨參信道特性的改善——分集接收二.接收合并方式1.

最佳選擇合并

最佳選擇式是從幾個(gè)分集接收信號(hào)中，設(shè)法選擇其中信噪比最好的一個(gè)，作為最后的接收信號(hào)。2.

最大比值合并

最大比相加式是通過(guò)控制各接收支路增益，使它們分別與本支路的信噪比成正比，然后再相加獲得最后的接收信號(hào)。3.

相等增益合并

相等增益相加式是將幾個(gè)分集接收到的信號(hào)以相同的支路增益進(jìn)行直接相加，相加后的信號(hào)作為最后的接收信號(hào)。最大比值合并等增益合并最佳選擇合并△r（分集對(duì)信噪比的改善）

1086420246810k

（分集重?cái)?shù)）圖3.22不同合并方式對(duì)系統(tǒng)信噪比的改善從總的分集效果來(lái)說(shuō)，分集技術(shù)除能提高接收信號(hào)電平外（例如二重空間分集在不增加發(fā)射機(jī)功率情況下，可使接收信號(hào)電平增加一倍左右），主要是改善了衰落特性，使信道的衰落得到平滑和減少。

1/31/2023差錯(cuò)控制編碼與交織傳輸技術(shù)時(shí)變多徑衰落信道的其他技術(shù)對(duì)策收射頻信源發(fā)送數(shù)據(jù)收射頻前向糾錯(cuò)編碼M重碼組交織擴(kuò)頻及調(diào)制器解擴(kuò)及解調(diào)器M重碼組解交織前向糾錯(cuò)解碼信宿接收數(shù)據(jù)（b）接收端

（a）發(fā)送端

圖X.X前向糾錯(cuò)編碼（FEC）與碼組交織相結(jié)合減小衰落對(duì)傳輸?shù)挠绊?/p>

普通的前向糾錯(cuò)碼，如分組碼或卷積碼一般容易糾正由加性高斯白噪聲引起的隨機(jī)錯(cuò)誤，而對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤（連續(xù)的多個(gè)誤碼）的糾錯(cuò)能力較差，除非增大分組碼的編碼長(zhǎng)度（加入更多的冗余）或加大卷積碼約束長(zhǎng)度。如果能將突發(fā)錯(cuò)誤在時(shí)間域進(jìn)行擴(kuò)散處理，使其隨機(jī)地分散在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，然后再利用分組碼或卷積碼的特點(diǎn)來(lái)糾正這些隨機(jī)錯(cuò)誤，可收到很好的抗衰落效果。編碼的交織傳輸正是基于這樣一種思想，它的實(shí)現(xiàn)是由一個(gè)M×N的存儲(chǔ)器塊組成的交織器來(lái)完成的。1/31/2023自適應(yīng)均衡技術(shù)時(shí)變多徑衰落信道的其他技術(shù)對(duì)策近年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)已經(jīng)引入自適應(yīng)均衡技術(shù)，主要克服傳輸系統(tǒng)的不理想產(chǎn)生的碼間串?dāng)_問(wèn)題。均衡可分頻域均衡和時(shí)域均衡，前者是校正頻率特性（指對(duì)信道的幅頻特性和相頻特性進(jìn)行校正），后者則直接校正畸變波形。用來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡功能的裝置稱為均衡器，且有時(shí)域均衡器和頻域均衡器之分。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，多采用時(shí)域均衡的方法。

對(duì)于非時(shí)變信道（如各種有線信道、微波視距傳播及衛(wèi)星信道等），均衡器的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，已獲得了成功的應(yīng)用。對(duì)于移動(dòng)通信信道，由于信道是時(shí)變的，要求均衡器具有快速收斂和自適應(yīng)快速跟蹤能力。

1/31/2023自適應(yīng)均衡技術(shù)時(shí)變多徑衰落信道的其他技術(shù)對(duì)策圖X.X2N+1抽頭自適應(yīng)調(diào)整系數(shù)時(shí)域均衡器的結(jié)構(gòu)示意圖

TsTsTsTsC-NC-1C0C1CN加法器抽樣與誤差計(jì)算自適應(yīng)（抽頭增益Ck調(diào)整）控制電路輸入

輸出

實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)均衡所付出的代價(jià)是信道中須傳送不攜帶任何信息的訓(xùn)練序列，導(dǎo)致信道利用率的降低。均衡器每150~200數(shù)據(jù)符號(hào)間隔重復(fù)訓(xùn)練一次，從而也解決了對(duì)信道時(shí)變的跟蹤問(wèn)題。GSM和IS54標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了訓(xùn)練序列，但都不規(guī)定具有的均衡方法，不同生產(chǎn)廠家可采用不同的均衡器。對(duì)于移動(dòng)蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般每150~200數(shù)據(jù)符號(hào)插入14~30符號(hào)的訓(xùn)練序列。訓(xùn)練序列可以放在數(shù)據(jù)塊的前端（如IS54標(biāo)準(zhǔn)），也可以產(chǎn)在數(shù)據(jù)塊的中央（如GSM）。當(dāng)訓(xùn)練序列經(jīng)傳輸信道到達(dá)接收端時(shí)，接收機(jī)依據(jù)事先已知的訓(xùn)練序列信息結(jié)合當(dāng)前訓(xùn)練序列經(jīng)傳輸信道所到達(dá)的樣本，按照一定的算法快速調(diào)整均衡器，使其匹配信道特性。1/31/2023隨機(jī)噪聲（單頻噪聲、脈沖噪聲、起伏噪聲）特別是起伏噪聲，是各類噪聲中最難解決的，也是本節(jié)以至本課程考慮的重點(diǎn)。人為噪聲：外臺(tái)干擾、電器開關(guān)接觸、點(diǎn)火輻射、熒光燈、微波爐干擾等。自然噪聲：閃電、大氣電暴、銀河系噪聲等。內(nèi)部噪聲：熱噪聲、散彈噪聲、自激震蕩、電源哼聲等。3.9信道的加性噪聲噪聲具有一定確知性的噪聲隨機(jī)噪聲1/31/2023熱噪聲：0—1013Hz散彈噪聲：0—108Hz宇宙噪聲：0—3×108Hz3.9信道的加性噪聲起伏噪聲fof0

Bn等效噪聲帶寬Pn(f)噪聲功率譜密度圖3-26帶通型噪聲的功率譜密度與等效噪聲帶寬1/31/20233.10信道容量概念信道容量定義為單位時(shí)間（s）內(nèi)正確傳輸?shù)男畔⒘?。反映了信道可靠傳輸信息的能力。單位bit/s、kbit/s、Mbit/s。無(wú)差錯(cuò)信道（無(wú)噪聲、信道特性理想）的信道容量可以無(wú)限大。表明信道可以容許信息源以任意大的速率發(fā)送信息。實(shí)際信道都是有差錯(cuò)信道（存在噪聲、信道特性非理想），其信道容量取決于單位時(shí)間信息源發(fā)出信息量rH(x)與信息出錯(cuò)丟失的信息量rH(x/y)

的差值。1/31/20233.10信道容量概念3.10.1離散信道的信道容量:(3.10-7)(3.10-2)(信源的熵)(傳輸每符號(hào)丟失信息量)對(duì)于信源不同符號(hào)發(fā)送概率取最大值。對(duì)于二進(jìn)制信源，當(dāng)■“0”和“1”出錯(cuò)概率相同時(shí)，信源輸出：p(0)=p(1)；■“0”的出錯(cuò)概率大于“1”時(shí)，信源輸出：p(0)小于p(1)。1/31/20233.10信道容量概念3.10.2連續(xù)信道的信道容量: