通信原理-課件-第4章

第4章信道信道分類：無線信道－電磁波（含光波）有線信道－電線、光纖信道中的干擾：有源干擾－噪聲無源干擾－傳輸特性不良本章重點：

介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對于信號傳輸?shù)挠绊憽?第4章信道信道分類：1第4章信道

4.3信道的數(shù)學(xué)模型信道模型的分類：

調(diào)制信道編碼信道編碼信道調(diào)制信道2第4章信道4.3信道的數(shù)學(xué)模型編碼信道調(diào)制信第4章信道

4.3.1調(diào)制信道模型式中 －信道輸入端信號電壓； －信道輸出端的信號電壓； －噪聲電壓。通常假設(shè)：這時上式變?yōu)椋? －信道數(shù)學(xué)模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖4-13調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型3第4章信道4.3.1調(diào)制信道模型f[ei(第4章信道因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。因k(t)與ei(t)相乘，故稱其為乘性干擾。若k(t)作隨機快變化，則稱信道為隨參信道。若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。乘性干擾特點：當(dāng)沒有信號時，沒有乘性干擾。4第4章信道4第4章信道

4.3.2編碼信道模型二進制編碼信道簡單模型－無記憶信道模型

P(0/0)和P(1/1)－正確轉(zhuǎn)移概率

P(1/0)和P(0/1)－錯誤轉(zhuǎn)移概率

P(0/0)=1–P(1/0)P(1/1)=1–P(0/1)

P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)圖4-13二進制編碼信道模型發(fā)送端接收端5第4章信道4.3.2編碼信道模型P(1/第4章信道四進制編碼信道模型

01233210接收端發(fā)送端6第4章信道四進制編碼信道模型01233210接收第4章信道

4.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

恒參信道的影響恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道…恒參信道

非時變線性網(wǎng)絡(luò)

信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無失真條件：振幅～頻率特性：為水平直線時無失真

左圖為典型電話信道特性

用插入損耗便于測量(a)插入損耗～頻率特性7第4章信道4.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?第4章信道

相位～頻率特性：要求其為通過原點的直線， 即群時延為常數(shù)時無失真

群時延定義：頻率(kHz)（ms）群延遲(b)群延遲～頻率特性

0相位～頻率特性8第4章信道相位～頻率特性：要求其為通過原點的直線第4章信道頻率失真：振幅～頻率特性不良引起的頻率失真

波形畸變

碼間串?dāng)_解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補償相位失真：相位～頻率特性不良引起的對語音影響不大，對數(shù)字信號影響大解決辦法：同上非線性失真：可能存在于恒參信道中定義：輸入電壓～輸出電壓關(guān)系是非線性的。其他失真： 頻率偏移、相位抖動…非線性關(guān)系直線關(guān)系圖4-16非線性特性輸入電壓輸出電壓9第4章信道頻率失真：振幅～頻率特性不良引起的非線性第4章信道變參信道的影響變參信道：又稱時變信道，信道參數(shù)隨時間而變。變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播…變參信道的特性：衰減隨時間變化時延隨時間變化多徑效應(yīng)：信號經(jīng)過幾條路徑到達接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。下面重點分析多徑效應(yīng)10第4章信道變參信道的影響10第4章信道多徑效應(yīng)分析： 設(shè)發(fā)射信號為 接收信號為

(4.4-1)

式中 －由第i條路徑到達的接收信號振幅； －由第i條路徑達到的信號的時延； 上式中的 都是隨機變化的。11第4章信道多徑效應(yīng)分析：11第4章信道 應(yīng)用三角公式可以將式(4.4-1)

改寫成：

(4.4-2)

上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機變化的。式中 －接收信號的包絡(luò) －接收信號的相位緩慢隨機變化振幅緩慢隨機變化振幅12第4章信道 應(yīng)用三角公式可以將式(4.4-1)緩慢第4章信道所以，接收信號可以看作是一個包絡(luò)和相位隨機緩慢變化的窄帶信號：結(jié)論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時，接收信號因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號(瑞利型衰落、頻率彌散)。 這種包絡(luò)起伏稱為快衰落－衰落周期和碼元周期可以相比。 另外一種衰落：慢衰落－由傳播條件引起的。13第4章信道所以，接收信號可以看作是一個包絡(luò)和相位隨第4章信道多徑效應(yīng)簡化分析：設(shè)發(fā)射信號為：f(t)

僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時延不同兩條路徑的接收信號為：Af(t-

0)和Af(t-

0-

)

其中：A

－傳播衰減，

0

－第一條路徑的時延，

－

兩條路徑的時延差。

求：此多徑信道的傳輸函數(shù)設(shè)f(t)的傅里葉變換（即其頻譜）為F(

)：

14第4章信道多徑效應(yīng)簡化分析：設(shè)14第4章信道 （4.4-8）則有上式兩端分別是接收信號的時間函數(shù)和頻譜函數(shù)，故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)為上式右端中，A－常數(shù)衰減因子， －確定的傳輸時延， －和信號頻率

有關(guān)的復(fù)因子，其模為15第4章信道 （4.4-8）15第4章信道按照上式畫出的模與角頻率

關(guān)系曲線： 曲線的最大和最小值位置決定于兩條路徑的相對時延差

。而

是隨時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強度隨時間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關(guān)，故常稱其為頻率選擇性衰落。

圖4-18多徑效應(yīng)16第4章信道圖4-18多徑效應(yīng)16圖4-18多徑效應(yīng)第4章信道定義：相關(guān)帶寬＝1/

實際情況：有多條路徑。設(shè)

m－多徑中最大的相對時延差定義：相關(guān)帶寬＝1/

m多徑效應(yīng)的影響： 多徑效應(yīng)會使數(shù)字信號的碼間串?dāng)_增大。為了減小碼間串?dāng)_的影響，通常要降低碼元傳輸速率。因為，若碼元速率降低，則信號帶寬也將隨之減小，多徑效應(yīng)的影響也隨之減輕。17圖4-18多徑效應(yīng)第4章信道定義：相關(guān)帶寬＝1/第4章信道接收信號的分類確知信號：接收端能夠準確知道其碼元波形的信號隨相信號：接收碼元的相位隨機變化起伏信號：接收信號的包絡(luò)隨機起伏、相位也隨機變化。通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性18第4章信道接收信號的分類18第4章信道

4.5信道中的噪聲噪聲信道中存在的不需要的電信號。又稱加性干擾。按噪聲來源分類人為噪聲－例：開關(guān)火花、電臺輻射自然噪聲－例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲19第4章信道4.5信道中的噪聲19第4章信道熱噪聲來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。頻率范圍：均勻分布在大約0～1012Hz。熱噪聲電壓有效值： 式中

k=1.38

10-23（J/K）－波茲曼常數(shù)；

T

－熱力學(xué)溫度（oK）；

R

－阻值（

）；

B

－帶寬（Hz）。性質(zhì)：高斯白噪聲20第4章信道熱噪聲20第4章信道

按噪聲性質(zhì)分類脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時間比間隔時間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。窄帶噪聲：來自相鄰電臺或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的?？梢钥醋魇且环N非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。

討論噪聲對于通信系統(tǒng)的影響時，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。21第4章信道按噪聲性質(zhì)分類21第4章信道窄帶高斯噪聲帶限白噪聲：經(jīng)過接收機帶通濾波器過濾的熱噪聲窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率： 式中Pn(f)－雙邊噪聲功率譜密度22第4章信道窄帶高斯噪聲22第4章信道噪聲等效帶寬：

式中 Pn(f0)－原噪聲功率譜密度曲線的最大值

噪聲等效帶寬的物理概念： 以此帶寬作一矩形濾波特性，則通過此特性濾波器的噪聲功率，等于通過實際濾波器的噪聲功率。利用噪聲等效帶寬的概念，在后面討論通信系統(tǒng)的性能時，可以認為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內(nèi)是恒定的。圖4-19噪聲功率譜特性

Pn(f)Pn(f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬23第4章信道噪聲等效帶寬：圖4-19噪聲功率譜特性第4章信道

4.6信道容量信道容量－指信道無差錯傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省?/p>

4.6.1離散信道容量兩種不同的度量單位：C－每個符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾礐t

－單位時間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祪烧咧g可以互換24第4章信道4.6信道容量24第4章信道

4.6.2連續(xù)信道容量可以證明式中S

－信號平均功率（W）；

N

－噪聲功率（W）；

B

－帶寬（Hz）。設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則N=n0B； 故上式可以改寫成：由上式可見，連續(xù)信道的容量Ct和信道帶寬B、信號功率S及噪聲功率譜密度n0三個因素有關(guān)。25第4章信道4.6.2連續(xù)信道容量25第4章信道 當(dāng)S

，或n0

0時，Ct

。 但是，當(dāng)B

時，Ct將趨向何值？令：x=S/n0B，上式可以改寫為：利用關(guān)系式上式變?yōu)?6第4章信道26第4章信道 上式表明，當(dāng)給定S/n0時，若帶寬B趨于無窮大，信道容量不會趨于無限大，而只是S/n0的1.44倍。這是因為當(dāng)帶寬B增大時，噪聲功率也隨之增大。

Ct和帶寬B的關(guān)系曲線：圖4-24信道容量和帶寬關(guān)系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)27第4章信道圖4-24信道容量和帶寬關(guān)系S/n0S第4章信道上式還可以改寫成如下形式：式中 Eb

－每比特能量；

Tb=1/B

－每比特持續(xù)時間。 上式表明，為了得到給定的信道容量Ct，可以增大帶寬B以換取Eb的減??；另一方面，在接收功率受限的情況下，