通信信号处理第一章.ppt

通信信号处理(32学时),通信工程学院冯文江Email:fengwj,课程概况,教学目标了解通信信号的各种描述形式、无线传输信道特征、模型；了解通信信号处理对象、常用方法、主要内容；重点掌握通信信号的时域处理和空域处理方法；了解5个主题：时域均衡、认知无线电中的信号处理、协同通信中的信号处理、阵列天线系统中的信号处理、多用户检测。,参考文献,张贤达、保铮：通信信号处理，国防工业出版社，北京，2000JosephBoccuzzi著，刘祖军译:SignalProcessingforWirelessCommunications，电子工业出版社，北京，2010JosephC.Liberti等著，马凉等译：无线通信中的智能天线，机械工业出版社，北京，2002年IEEETransactiononCommunicationsIEEETransactiononAntennasandPropagationIEEETransactiononVehicularTechnologyIEEETransactiononSignalProcessing,通信,有线通信,无线通信,基带传输,频带传输,模拟调制,数字调制,窄带通信,宽带通信,通信网络,骨干网络（核心网络）,接入网络（空中接口）,组网方式：点对点、点对多点、AdHoc、Mesh多址方式：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA复用技术：蜂窝技术,第一章通信信号处理基本知识,信源,基带,信源编码,调制,信道编码,功放,上变频,信宿,基带,信源解码,解调,选放,下变频,信道解码,第一章通信信号处理基本知识,1.1通信信号处理研究对象,通信信号具有的重要特点：传输环境非常复杂：多径效应、阴影效应、各种干扰干扰：多普勒效应、耦合效应、多址干扰信号传输可靠性要求高信号传输有效性要求高通信信号处理主要针对通信系统的接收部分利用通信信号处理技术改善接收性能，弥补传输环境造成的影响,常用信号处理技术,时域：均衡、交织（时间分集）频域：OFDM、频率分集空域：智能天线、空间分集、协同分集多域（空、时、频、码）联合：多用户检测,1.2通信信号的表示和特征,通信信号分类随机信号与确定信号平稳信号和非平稳信号连续信号与离散信号低通信号与带通信号有限功率信号与无限功率信号通信信号具有随机特征通信信号处理采用统计分析方法,一、平稳过程,严格平稳过程（狭义平稳过程）随机变量的联合概率分布函数与的联合概率分布函数对所有的时延都是相同的。广义平稳过程（弱平稳、协方差、二阶平稳）数学期望为常数功率有限协方差,平稳信号统计特性,自相关函数关于时延共轭对称功率谱密度是非负实数信号功率有限信号通过LTI系统，平稳特性不变,二、循环平稳过程,周期平稳特性：统计特性表现为周期或多周期平稳变化一阶（均值）循环平稳过程二阶（相关函数）循环平稳过程高阶循环平稳过程,一阶循环平稳过程,随机信号的均值均值的Fourier级数展开循环频率；循环均值,二阶循环平稳过程,随机信号的相关函数相关函数的Fourier级数展开循环相关函数对称形式循环谱相关密度函数,二阶循环平稳过程,二阶循环平稳过程性质,随机信号通过LTI系统，输出信号功率谱和互功率谱循环谱相关密度函数和循环谱互相关密度函数谱相关系数用功率谱或相关函数辨识非最小相位系统存在多重性用循环二阶统计量可以辨识非最小相位系统,三、解析信号,实际传输用实信号，信号处理用复信号解析信号实部虚部Hilbert滤波器传递函数,三、解析信号,Hilbert变换性质实信号经过Hilbert变换，信号频谱幅度保持不变解析信号实部和虚部之间存在实信号的Hilbert变换如果Hilbert变换满足,三、解析信号,解析信号描述定义滤波器第一类解析信号第二类解析信号,四、基带信号,实的窄带信号解析信号基带信号（零中频信号）解析信号与基带信号的关系基带信号的直角坐标形式基带信号是复信号，不存在双边谱,五、复基带信号,实的窄带信号解析信号与基带信号的关系窄带信号的复基带表示窄带信号、基带信号、解析信号具有相同能量,五、复基带信号,接收端存在带通滤波器时冲激响应包络，基带冲激响应输出信号（时域）基带输出信号,六、随机信号的基带表示,广义平稳信号基带信号与解析信号相关函数的关系解析信号功率谱基带信号功率谱相关函数和互相关函数功率谱和互功率谱,六、随机信号的基带表示,结论实的信号、基带信号、解析信号、正交分量、同相分量都是平稳随机信号同相分量和正交分量相关函数相等，各占一半信号功率；互相关函数是时延的奇函数同相分量和正交分量统计特性相同同一时刻取值，同相分量和正交分量统计独立载波是否存在初相位，不改变基带平稳信号的统计特性,循环平稳信号的基带表示,实值循环平稳信号，循环频率基带循环平稳信号一阶循环平稳过程，统计期望二阶循环平稳过程，相关函数循环谱和互循环谱,七、带限信号,带限信号定义实值信号，如果付氏变换有频谱或功率谱，称为带限信号或低通信号。时限信号定义如果实值信号，称为时限信号。带限信号相关函数发射信号，通过带限信道，接收信号为,八、周期信号的相关函数,周期信号集合各子信号容易与自身时间偏移形式区分；各子信号容易与其它子信号区分周期信号周期信号相关函数和互相关函数,1.3无线通信信道基础知识,信道：收发两端传输媒体的总称有线信道无线信道前向连接downlink（下行链路）后向连接uplink（上行链路）无线通信系统性能与无线信道传播特性密切相关视距传播（LOS）、非视距传播（NLOS）无线信道的随机性（位置变化、环境变化等）导致：接收信号幅度、相位、频率偏移、时变,1.3无线通信信道基础知识,电磁波空间传播方式：直射、反射、绕射、散射传输损失：大范围内信号强度随距离变化阴影衰落：中范围信号电平中值慢变多径衰落：小范围信号瞬时值快变多径传播导致信号在时间、空间和频率上的扩展接收信号总功率,一、自由空间传播模型,自由空间定义均匀无损耗无限大空间；各向同性电导率为零，相对介电常数和相对磁导率为1自由空间传播模型路径损失模型（大尺寸模型）衰落模型（小尺寸模型）Friis方程,一、自由空间传播模型,路径损失：有效发射功率与有效接收功率之比Friis方程只适用于Fraunhofer区域Fraunhofer距离远场区域经验公式,特殊应用,移动通信环境传输路径直视路径反射路径接收功率n：路径损失指数,无线电波不规则传播,基于不规则度（degreeofirregularity,DOI）建立不规则无线传播模型无线传播距离存在一个上界和一个下界：超出上界，通信终止；位于下界范围内，能正常通信；如果在上下界之间，通信的有效性取决于不同方向上的实际传播距离，有3种现象：对称通信；不对称通信；通信中断无线传播不规则模型（radioirregularitymodel,RIM），将能量模型（含干扰）和DOI因子结合,二、反射、绕射和散射,1、反射：反射系数水平极化垂直极化固有阻抗大尺寸光滑表面：镜面反射反射场强折射场强,1、反射,移动通信环境：二射线地面反射模型反射波与直射波的程差接收场强接收信号功率,2、绕射,Huygens原理：波前的所有点都可以看成是产生二次波的源，由这些源产生的所有子波在传播方向上会形成一个新的波前。直射波与绕射波的程差绕射系数相位差,3、散射,Rayleigh准则：表面隆起临界高度散射损失因子,三、阴影衰落（长期衰落）,阴影衰落特征：接收信号在时域上慢速扰动，衰落深度大（3040dB），用对数正态分布的随机变量描述路径损失,四、多径信道模型,多径效应产生的原因：多径传播终端随机移动物体相对运动发射信号带宽多径效应表现形式：信号强度在很小的空间范围或时间间隔内快速变化不同路径信号的多普勒频移变化引起随机频率调制时延扩展,四、多径信道模型,输入信号输出信号信道冲激响应连续多径信道，输出信号为,五、衰落信道动态特性,时延-时间差相关函数频率差-时间差相关函数时延-多普勒功率谱频率差-多普勒功率谱用c(,t)表示信道冲激响应，不同路径传播时延；t电波传播时间；用户移动时间,五、衰落信道动态特性,一维动态特性函数功率时延剖面时间差相关函数频率差相关函数多普勒功率谱,五、衰落信道动态特性,信道特征参数信道相干时间（时间差相关函数）信道相干带宽（频率差相关函数）信道多径扩展（功率时延剖面）信道多普勒频移（多普勒功率谱）信道多普勒扩展信道最大时延扩展信道扩展因子（多径扩展和多普勒扩展）,六、多径衰落,衰落：接收信号幅度和相位变化快衰落（短期衰落、Rayleigh衰落）：收发之间的阻碍物及其变化引起（多径效应和多普勒效应）特征：接收信号在空域快速扰动，幅度不大，但变化剧烈,六、多径衰落,接收信号包络的概率密度函数两个统计量（用于确定纠错编码方式和分集方式）电平穿越速率平均衰落持续时间存在直视路径时Racian因子,接收电平,七、选择性衰落,选择性衰落：描述接收信号的相位特性多普勒扩展（时间选择性衰落）相位差多普勒频偏色散效应导致带宽信号中不同频率成份有不同的多普勒频偏，从而产生多普勒扩展多普勒扩展与相干时间的关系,多普勒功率谱,七、选择性衰落,多径扩展（频率选择性衰落）接收信号平均多径时延和多径扩展相干带宽平坦衰落（频率非选择性）,功率时延剖面,七、选择性衰落,3、角度扩展（空间选择性衰落）针对阵列天线系统接收天线角度扩展(多径效应)发射天线角度扩展(反射和散射)相干距离：两个阵元上信道响应保持强相关的最大空间距离,八、信号模型,上行连接SU-SIMO信号模型上行连接MU-SIMO信号模型下行连接SU-MISO信号模型下行连接MU-MISO信号模型,