第3章 信道与噪声

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,3,章 信道与噪声,通信原理,2024/11/11,1,西 北 工 业 大 学,2011.1,第,3,章 信道与噪声,通 信 原 理,2024/11/11,2,第,3,章,信道与噪声,3.1,引言,任何一个通信系统，从大的方面均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成。因此，,信道是通信系统必不可少的组成部分,，信道特性的好坏直接影响通信系统的总特性。,研究内容：,3.1,引言,3.2,信道的基本概念,3.3,恒参信道及其对所传信号的,影响,3.4,随参信道,及其对所传信号的,影响,3.5,信道的加性噪声,3.,6,信道容量的概念,2024/11/11,3,3.2,信道的基本概念,3.2.1,信道的定义,通俗地说,，信道是指以传输媒介为基础的信号通路,;,具体地说,，信道是由有线或,/,和无线电线路提供的信号通路；,抽象地讲,，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。,常用的传输媒质：,（,1,）架空明线、电缆、光导纤维,(,光缆,),、波导传播；,（,2,）中长波地表波传播、短波电离层反射、对流层散射、超短波及微波视距传播,(,含卫星中继,),、光波视距传播。,2024/11/11,4,3.2.2,信道的分类,信道可大体分成：狭义信道和广义信道。,1.,狭义信道,仅指传输媒介,，,它包括有线信道和无线信道。,2.,广义信道,不但包括传输媒介，还可能包括有关的器件,（馈线、天线、调制,/,解调器、编码,/,译码器）。,通常分成,:,调制信道和编码信道。,2024/11/11,5,编码信道,调制信道,2024/11/11,6,3.2.3,信道的数学模型,1.,调制信道模型,调制信道的范围,：从调制器输出端到解调器输入端。,（,1,）定义：,传输已调信号的信道。,研究的问题：,信道,输出,信号与,输入,信号之间的关系。,（,2,）,通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它们有如下,共性,：,有一对（或多对）输入端，一对（或多对）输出端,;,绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理；,信号通过信道需要一定的迟延时间；,信道对信号有损耗（固定损耗或时变损耗）；,即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。,2024/11/11,7,（,3,）模型,根据上述共性，可用一个二对端（或多对端）的,时变线性网络,来表示调制信道。,对二对端信道模型来说，输出、输入间关系式可表示成：,f,e,i,(,t,),-,表示已调信号通过网络所发生的时变线性变换；,n,(,t,)-,信道噪声与,e,i,(,t,),无依赖关系，或者说,n,(,t,),独立于,e,i,(,t,),，常称,n,(,t,),为,加性干扰,（噪声）,。,2024/11/11,8,注：,k,(,t,),的存在，对,e,i,(,t,),来说是一种干扰，常称为,乘性干扰,。,结论：,信道对信号的影响可归纳为两点：一是,乘性干扰,k,(,t,),，,二是,加性干扰,n,(,t,),。不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的,k,(,t,),及,n,(,t,),。,根据信道中,k,(,t,),的特性不同，可以将信道分为：,恒参信道,:,k,(,t,),t,不变或慢变；,变参信道,（随参信道）,:,k,(,t,),t,随机快变。,无妨假定,f,e,i,(,t,),-,可简写成,k,(,t,),e,i,(,t,),。其中，,k,(,t,),依赖于网络的特性，,k,(,t,),乘,e,i,(,t,),反映网络特性对,e,i,(,t,),的“时变线性”作用。,2024/11/11,9,2.,编码信道模型,编码信道构成,:,从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质等效一个,完成数字序列变换,的方框。,特点：,输入、输出皆为数字序列。,研究的问题：,是否出现差错；出现差错可能性的大小。,模型,作用描述,：,可用数字信号的,转移概率,来描述。,说明：,P(0/0),、,P(1/0),、,P(1/1),、,P(0/1),称为信道转移概率。,含义：,P(1/0),是“经信道传输，把,0,转移为,1,的概率”。,转移概率：,决定于编码信道的特性；,对编码信道做大量的统计分析得到。,2024/11/11,10,正确转移概率：,P(0/0),、,P(1/1),错误转移概率：,P(1/0),、,P(0/1),且,编码信道分类：,无记忆编码信道,（假设解调器输出码元,出错相互独立）；,有记忆编码信道,。,2024/11/11,11,多进制编码信道模型,2024/11/11,12,3.3,恒参信道及其对所传信号的影响,引言,恒参信道,特征,：,k,(,t,),t,不变或慢变。,对信号传输的影响,是固定不变的或者是变化极为缓慢。,恒参信道,定义,：,由架空明线，电缆，中长波地波传播，超短波及视距波传播，人造卫星中继，光导纤维以及光视距传播等媒质构成的信道。,恒参信道,模型,：因而可以等效为一个,线性时不变,网络。,网络的,传输特性,：,2024/11/11,13,3.3.1,信号不失真传输条件,要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应该具备以下两个理想条件：,（,1,）,网络的,幅频特性,是一个不随频率变化的常数,;,（,2,）,网络的,相频特性,应与频率成负斜率直线关系。,其中,t,0,为传输时延常数。,2024/11/11,14,（,3,）网络,的相位,-,频率特性还常采用,群迟延,-,频率特性,来衡量。所谓群迟延,-,频率特性就是相位,-,频率特性对频率的导数，即,2024/11/11,15,3.3.2,幅度频率畸变,是指信道的幅度,-,频率特性偏离,图,3-5,所示关系所引起的,信号畸变,。,问题：,若传输数字信号，,还,会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，即码间串扰。,2024/11/11,16,3.3.3,相位频率畸变（群迟延畸变）,是指信道的相位,-,频率特性或群迟延,-,频率特性偏离,图,3-5,（,b,）、（,c,）所示关系而引起的畸变。,问题：,对模拟话音信号的影响不太严重，但若传输数字信号，会,引起严重的码间串扰误码,。,2024/11/11,17,3.3.4,减小畸变的措施,（,1,）减小幅度,-,频率畸变的措施,改善电话信道中的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为,“,均衡,”,。,（,2,）减小相位,-,频率畸变的措施,采取,相位均衡,技术补偿群迟延畸变。,除此之外，还存在其它类型影响信号传输的因素，如：,非线性畸变,、,频率偏移,及,相位抖动,等。,2024/11/11,18,3.4,随参信道及其对所传信号的影响,随参信道的特性比恒参信道要复杂得多，对信号的影响也要严重得多。其根本原因在于它,包含一个复杂的传输媒质,；,虽然，随参信道中包含着除媒质外的其它转换器，自然也应该把它们的特性算作随参信道特性的组成部分。但是，从对信号传输影响来看，,传输媒质的影响是主要的,，而转换器特性的影响是次要的，甚至可以忽略不计。,因此，,本节仅讨论随参信道的传输媒质所具有的一般特性以及它对信号传输的影响。,2024/11/11,19,3.4.1,随参信道传输媒质的特点,典型的传输媒质：,电离层反射、对流层散射等。,共同特点：,（,1,）信号的衰耗随时间随机变化；,（,2,）信号传输的时延随时间随机变化；,（,3,）多径传播。,结果：,经随参信道传播后，接收的信号将是衰减和时延随时间变化的多路径信号的合成。,2024/11/11,20,3.4.2,随参信道对信号传输的影响,随参信道对信号传输的影响要比恒参信道严重得多。,（,1,）多径衰落与频率弥散,设发射信号为 ，则经过,n,条路径传播后的接收信号可用下式表述。,式中，,a,i,(,t,),第,i,条路径的接收信号振幅；,t,di,(,t,),第,i,条路径的传输时延；,第,i,条路径的随机相位。,2024/11/11,21,大量观察表明，,和 随时间的变化比信号载频的周期变化通常要缓慢得多，即 和 可看作是缓慢变化的随机过程。于是,其中,-,多径信号合成后的,合成包络,；,-,多径信号合成后的,合成相位,。,包络,a,(,t,),和相位 都是缓慢变化的随机过程。,于是,:,R,(,t,),可视为一个窄带高斯过程。,随机包络、相位分布？,2024/11/11,22,讨论：,从波形上看,，多径传播的结果使确定的载频信号变成了包络（服从瑞利分布）和相位都随机变化的窄带信号，这种信号称为,衰落信号,(,瑞利衰落,),；,从频谱上看,，多径传播引起了,频率弥散,（色散），即由单个频率变成了一个窄带频谱。,通常将由于电离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为,慢衰落,；而把由于多径效应引起的信号衰落称为,快衰落,。,衰落信号的,波形,与,频谱,示意图,2024/11/11,23,（,2,）频率选择性衰落与相关带宽,考察：,假定多径传播的路径只有两条，且到达接收点的两路信号的强度相同，只是在到达时间上差一个时延,。,令发送信号为,则有：,因此，信道的,传递函数,为,2024/11/11,24,其幅频特性为,选择性衰落：,当一个传输信号的频谱宽于,1/,时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为,频率选择性衰落,，简称选择性衰落。,两径传播时选择性衰落特性,2024/11/11,25,上述概念可推广到,一般的多径传播,中去。,此时，相对时延差用最大多径时延差 来表征。相邻两个零点之间的频率间隔为：,这个频率间隔通常称为多径传播信道的,相关带宽,。,结论：,如果传输信号的频谱比相关带宽宽，则将产生明显的选择性衰落。,为了减小选择性衰落，传输信号的频带必须小于多径传输信道的相关带宽。,工程设计中，,使发送信号带宽,B,满足,（,3.4-14,）,2024/11/11,26,3.4.3,随参信道特性的改善,随参信道的衰落，将会严重降低通信系统的性能，必须设法改善。,对于慢衰落,，主要采取加大发射功率和在接收机内采用自动增益控制等技术和方法即可。,对于快衰落,，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制,/,解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中明显有效且常用的抗衰落措施是,分集接收技术,。,2024/11/11,27,1.,分集接收的基本思想,基本思想,：如果能在接收端同时获得,几个,互相独立,或基本独立的合成信号,，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。,分集,两字的含义是，,分,散得到,几个合成信号，而后,集,中（合并）处理,这些信号。,要求：,被分集的几个信号来自同一信号源，但相互统计独立或基本独立（只有被分集的几个合成信号之间是统计独立的，合并后才能使系统性能改善）。,2024/11/11,28,2.,分散得到合成信号的方式,为了获取互相独立或基本独立的合成信号，大致有如下几种,分集方式,:,（,1,）空间分集,不同空间,在接收端（或发射端）架设几副天线接收同一信号，当天线间的距离足够大（一般在,100,个信号波长以上）时，各天线上获得的信号基本相互独立。,（,2,）频率分集,不同频率,用多个载频传送同一个消息，如果各载频的频率间隔比较远（一般大于信道相关带宽），则接收到的多个信号的衰落是相互独立的。,2024/11/11,29,（,3,）角度分集,不同角度,利用天线波束不同指向上的信号互不相关的原理形成的一种分集方法，例如在微波面天线上设置若干个反射器，产生相关性很小的几个波束。,（,4,）极化分集,不同极化,分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分集方法。一般说来，这两种波是相关性极小的（在短波电离层反射信道中）。,注：,分集方法均不是互相排斥的，实际使用时可以互相组合。例如由二重空间分集和二重频率分集组成四重分集系统等。,2024/11/11,30,3.,集中合成信号的方式,对各分散的合成信号进行合并的