北郵通信原理課件 第八章 信道

第八章信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院牛凱December23第八章信道8.1引言8.2信道定義和分類8.3通信信道實(shí)例

8.4信道數(shù)學(xué)模型8.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?.6隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?.7分集接收8.8信道容量8.9信道復(fù)用北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.1引言信道通信系統(tǒng)的重要組成部分直接影響通信系統(tǒng)的傳輸性能北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.2信道定義和分類狹義信道: 信號傳輸?shù)拿劫|(zhì)廣義信道: 信號傳輸媒質(zhì)+相關(guān)通信設(shè)備編碼信道、調(diào)制信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@信道分類按照信道輸入輸出端信號的類型連續(xù)信道(模擬信道)和離散信道(數(shù)字信道)按照信道的物理性質(zhì)無線信道、有線信道、光信道等按照信道的參數(shù)穩(wěn)定性恒參信道：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niukai@8.3通信信

道實(shí)例恒參信道有線信道光纖信道無線電視距中繼信道衛(wèi)星信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.3通信信

道實(shí)例隨參信道地面移動通信信道(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)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.3通信信

道實(shí)例隨參信道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niukai@8.3通信信

道實(shí)例隨參信道對流層散射信道(1)多徑信號、多徑傳播(2)傳播性質(zhì)隨時間變化地球10~12km北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.4信

道

數(shù)

學(xué)

模

型

連續(xù)信道模型輸入和輸出信號都是連續(xù)信號離散信道模型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niukai@8.4.1連續(xù)信道模型連續(xù)信道的性質(zhì)具有一對（或多對）輸入和輸出端大多數(shù)信道是線性的信號經(jīng)過信道會有延時，并還會受到固定的或時變的損耗無輸入信號時，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niukai@連續(xù)信道的等效模型時變線性網(wǎng)絡(luò)北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@連續(xù)信道的等效模型(2)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niukai@連續(xù)信道模型線性算子非時變—隨參信道時時變—恒參信道加性干擾人為干擾—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)信息與通信工程學(xué)院niukai@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niukai@8.4.2離散信道模型編碼信道的數(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

概率關(guān)系北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@二進(jìn)制離散信道模型可用轉(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niukai@四進(jìn)制離散信道模型北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

恒參信道—非時變線性網(wǎng)絡(luò)北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

1.信號經(jīng)過信道不失真的要求不失真要求北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

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niukai@8.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

2.信道的時延特性及群時延特性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+(

)]=kcos[

t-

]

(

)=

-

(

)=

-(

)/

北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

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niukai@8.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

2.信道的時延特性及群時延特性信道的群時延特性

—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

(

)

-H

H

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niukai@例8.5.1北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@例8.5.1北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@例8.5.1網(wǎng)絡(luò)對信號包絡(luò)Acos

t有群時延t0，對cos

ct無時延北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@例8.5.2已知已調(diào)信號s(t)=

m(t)cos

ct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

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，其解析信號為北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@例8.5.2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

(

)=

-(

)/=

-[

(-c)t0+

0]/

0=

c

t0

時，

(

)=

t0

為常數(shù)，

(

)=

-

t0

，理想相頻特性

0

c

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niukai@8.6隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊?.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niukai@8.6隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊?.6.1隨參信道的數(shù)學(xué)模型發(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niukai@8.6隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊?.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niukai@8.6.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懫教剐运ヂ浔本┼]電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.6.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懫教剐运ヂ淙鹄植季鶆蚍植急本┼]電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.6.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊戭l率選擇性衰落信道的相干帶寬

fs=1/Ts，

max

Ts，

f

fs若

fs

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niukai@8.6.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊戭l率選擇性衰落北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.6.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊戭l率選擇性衰落

不為常數(shù)時，so(t)=

B(t)cos[

ct+

c

(t)]=

B(t)cos[

ct+

(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)生頻率彌散北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.6.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懸苿有诺赖亩嗥绽諗U(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niukai@8.6.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懸苿有诺赖亩嗥绽諗U(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<<Tc

或Rs>>fm——慢衰落信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.6.3抗衰落措施擴(kuò)頻技術(shù)交織技術(shù)糾錯編碼技術(shù)自適應(yīng)信道均衡技術(shù)分集技術(shù)北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@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niukai@宏分集

*也稱為“多基站”分集

*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=2~4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niukai@空間分集發(fā)分集

*多副天線發(fā)射相同的信號

*天線數(shù)M=2~4

*天線之間的距離d應(yīng)足夠大

通常d為10~20個波長λ

*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niukai@空間分集收分集

*一副天線發(fā)射

*多副天線接收相同的信號

*天線數(shù)M=2~4

*天線之間的距離d應(yīng)足夠大

通常d為10~20個波長λ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niukai@空間分集收發(fā)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=2~4

*天線之間的距離d應(yīng)足夠大

通常d為10~20個波長λ

*發(fā)射天線天線數(shù)M1，接收天線天線數(shù)M2

等效分集數(shù)M1

M2

8.7分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@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niukai@時間分集

*在不同的時間上發(fā)送相同的信息

*時間的間隔足夠大，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niukai@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niukai@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niukai@路徑分集

RAKE接收

*多徑信道

接收到的信號是經(jīng)過多路反射的、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(τ1)PN(τ2)PN(τ3)PN(τ)北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@合并技術(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niukai@合并技術(shù)

8.7分集接收北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.8信道容量

離散信道連續(xù)信道北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@8.9信道復(fù)用

頻分復(fù)用－FDM時分復(fù)用－TDM碼分復(fù)用－CDM北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@

時分多址－TDM

(TimeDivisionMultiplex)

是在發(fā)送端對所發(fā)