数字通信原理第3章-自学

1、第一章第一章 绪论绪论 1.传等概独立二进制，每一波形信息量为传等概独立二进制，每一波形信息量为1比特。比特。 2.等概时等概时 且信息熵最大且信息熵最大Hmax = log2 M (bit/符号符号)p1M11I= log2 = log2 = log2 M (bit)符号）/)(log)(21bitxpxpinii1.3 信息及其度量信息及其度量 3.非等概时非等概时 H I总总=m*Hbit。I= log2p1P(bit)第一章第一章 绪论绪论2模拟通信系统模拟通信系统有效性有效性有效传输频带有效传输频带可靠性可靠性输出信噪比输出信噪比1.4主要性能指标主要性能指标数字通信系统数字通信系统

2、有效性有效性传输速率传输速率可靠性可靠性差错率差错率第一章第一章 绪论绪论3传输速率传输速率单位时间内传输码元的数目单位时间内传输码元的数目（波特（波特/Baud/B）传码率传码率RB 传信率传信率Rb频带利用率频带利用率单位时间内传递的平均信息量或比特数单位时间内传递的平均信息量或比特数(bit/s 或或bps)单位频带内的码元传输速率单位频带内的码元传输速率/传信率传信率（B/Hz或或b/(sHz)）差错率差错率误码率误码率Pe误信率误信率Pb码元被传错的概率码元被传错的概率差错比特在传输总比特数中所占的比例差错比特在传输总比特数中所占的比例第一章第一章 绪论绪论等概传输时等概传输时 二进

3、制二进制 Rb=RB (b/s)M进制进制 Rb=RB log2 M (b/s) 或或RB= M为符号的进制数，等概时熵最大为符号的进制数，等概时熵最大H= log2 M )(log2BMRb不等概传输时不等概传输时 Rb=RB H (b/s)4Rb不变：不变：RB2=RBMlog2M (B)RB不变：不变：RbM=Rb2log2M (b/s) 总结：数字通信中：总结：数字通信中： 传码率增大，则有效性提高传码率增大，则有效性提高 误码率降低，则可靠性提高误码率降低，则可靠性提高第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声53.1 信道定义与数学模型信道定义与数学模型3.2 恒参信道及其传输特

4、性恒参信道及其传输特性3.3 随参信道及其传输特性随参信道及其传输特性3.4 分集接收技术分集接收技术3.5 加性噪声加性噪声3.6 信道容量的概念信道容量的概念第第 3 章章 信道与噪声信道与噪声返回主目录返回主目录第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声63.1信道定义与数学模型信道定义与数学模型 3.1.1信道定义信道定义信道：指以传输媒质为基础的信号通道。信道：指以传输媒质为基础的信号通道。1、狭义信道：、狭义信道：传输媒质传输媒质。传输媒质传输媒质无线信道：无线信道：有线信道：有线信道： 明线、电缆、光纤明线、电缆、光纤地波传播、短波电离层反射、地波传播、短波电离层反射、超短波或

5、微波视距中继、人造超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电卫星中继、散射及移动无线电信道等信道等P36第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声7 狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效果的狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。 常把广义信道简称为信道。常把广义信道简称为信道。 2、广义信道：、广义信道：传输媒质传输媒质+通信系统中的一些通信系统中的一些 。可以是发送设备、接收设备、馈线可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。与天线、调制器、解调器等等。调制信道调

6、制信道编码信道编码信道按功能按功能转换装置转换装置第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声8图图 3 1 调制信道和编码信道调制信道和编码信道编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编 码 信 道调 制 信 道调制信道调制信道：从调制器的输出端到解调器的输入端所包含的发转换装置、：从调制器的输出端到解调器的输入端所包含的发转换装置、 媒媒质和收转换装置三部分。质和收转换装置三部分。用以研究调制与解调问题用以研究调制与解调问题编码信道编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。即编码信道包括调制器、：编码器输出端到译码器输入端的部分。即编码信道包括调制器、调制信道和解调器。调制信

7、道和解调器。用以研究编码与译码问题用以研究编码与译码问题第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声9 【目的目的】：为研究为研究调制调制与与解调解调问题所建立问题所建立。 3.1.2信道的数学模型信道的数学模型1. 调制信道模型调制信道模型 （3） 信号通过信道具有固定的或时变的信号通过信道具有固定的或时变的延迟延迟时间；时间； （4） 信号通过信道会受到固定的或时变的信号通过信道会受到固定的或时变的损耗损耗； （5） 即使没有信号输入，即使没有信号输入， 在信道的输出端仍可能有一定在信道的输出端仍可能有一定 的输出（的输出（噪声噪声）。）。 【调制信道共性调制信道共性】： （1） 有一对（

8、或多对）有一对（或多对）输入输入端和一对（或多对）端和一对（或多对）输出输出端；端； （2） 绝大多数的信道都是绝大多数的信道都是线性线性的，的， 即满足线性叠加原理；即满足线性叠加原理； 用来表征实际物理信道的特性，用来表征实际物理信道的特性，对通信系统的分析和设计是十分方便的。对通信系统的分析和设计是十分方便的。第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声10线 性 时 变 网 络si(t)so(t)图图 3 2 调制信道模型调制信道模型用一个二端口用一个二端口(或多端口或多端口)线性时变网络表示调制信道模型线性时变网络表示调制信道模型 输出与输入的关系有输出与输入的关系有 r(t)=so

9、(t)+n(t)=fsi(t)+n(t) (3.1 - 1)已调信号已调信号fsi(t)反映了反映了信道特性信道特性si(t)为输入为输入的已调信号的已调信号so(t)为调制信道对为调制信道对输入信号的响应输输入信号的响应输出波形出波形n(t)为加性噪声，为加性噪声，与与si(t)相互独立相互独立【信道模型信道模型】输入信号的响输入信号的响应输出波形应输出波形n(t)n(t)1. 调制信道模型调制信道模型关心输入信号形式和最终结果，关心输入信号形式和最终结果，对于调制信道内部的变换过程并不关心。对于调制信道内部的变换过程并不关心。用具有一定输入、输出关系的方框来表示用具有一定输入、输出关系的方

10、框来表示第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声11 一般情况，一般情况， fsi(t) = so(t) = c(t)*si(t) (3.1 - 2)信道冲激响应信道冲激响应c(t)C()信道传输函数信道传输函数可看做乘性干扰可看做乘性干扰分析信道对信号的具体影响，归结为了解分析信道对信号的具体影响，归结为了解c(t)c(t)（或（或C()C()）与）与n(t)n(t)的特性。的特性。 r(t)=so(t)+n(t)=fsi(t)+n(t) = c(t)*si(t) +n(t) 或或 S()=C()Si() (3.1 - 3)1. 调制信道模型调制信道模型【信道模型信道模型】可表示为可表示

11、为与输入信号的卷积与输入信号的卷积C() 信道传输特性信道传输特性/信道传输函数信道传输函数。对信号可看成是乘性干扰。对信号可看成是乘性干扰。第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声12 c(t) 或或C() （1）分类）分类恒参信道恒参信道：C()基本不随时间变化，信道对信号的基本不随时间变化，信道对信号的 影响是固定的或变化极为缓慢的影响是固定的或变化极为缓慢的按传输特性按传输特性随参信道：随参信道：信道传输函数信道传输函数C()随时间随机快变化随时间随机快变化 1. 调制信道模型调制信道模型【信道特性信道特性】第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声13（2）C()的三种典型形式

12、的三种典型形式 第一种形式：第一种形式：C()=常数常数c()cr(t)csi(t)n(t)n(t)si(t)信道图图 3 3 加性噪声信道模型加性噪声信道模型r(t) = so(t)+n(t)= csi(t) + n(t) (3.1 - 4)加性噪声加性噪声通常是高斯噪声通常是高斯噪声信道衰减因子信道衰减因子通常可取通常可取c=1最常用、最主要最常用、最主要1. 调制信道模型调制信道模型【信道特性信道特性】这种信道可以用加性噪声信道数学模型来表示这种信道可以用加性噪声信道数学模型来表示在常用物理信道中在常用物理信道中C()有三种典型形式有三种典型形式第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声

13、声14 第二种形式：第二种形式：C() 常数，但不随时间变化常数，但不随时间变化线性滤波器c(t)r(t) c(t) si(t) n(t)n(t)si(t)信道*图图 3-4 带有加性噪声的线性滤波器信道带有加性噪声的线性滤波器信道 r(t) = so(t)+n(t)= c(t)*si(t) + n(t) (3.1 - 5)1. 调制信道模型调制信道模型【信道特性信道特性】（2）C()的三种典型形式的三种典型形式信道冲激响应信道冲激响应c(t)第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声15第三种形式：第三种形式：C() 常数，且随时间变化常数，且随时间变化线性时变滤波器c(t,)r(t) c

14、(t,) si(t) n(t)n(t)si(t)信道*图图 3 5 带有加性噪声的线性时变滤波器信道带有加性噪声的线性时变滤波器信道r(t) = so(t)+n(t)= *si(t) + n(t) (3.1 - 6)时变单位冲激响应时变单位冲激响应1. 调制信道模型调制信道模型【信道特性信道特性】（2）C()的三种典型形式的三种典型形式c(t,)时变冲激响应时变冲激响应信道传输函数为信道传输函数为C(, )电离层反射信道、移动通信信道都具有这种特性电离层反射信道、移动通信信道都具有这种特性第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声162. 编码信道模型编码信道模型【特性特性】是数字信道或离散

15、信道是数字信道或离散信道。图图 3 6 二进制编码信道模型二进制编码信道模型导致错误导致错误输入数字序列输入数字序列输出数字序列输出数字序列发发0先验概率先验概率发发1先验概率先验概率错误转移概率错误转移概率正确转移的概率正确转移的概率正确转移的概率正确转移的概率P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号输入、输出关系可以用转移概率来表征输入、输出关系可以用转移概率来表征第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声17【输出的总错误概率输出的总错误概率】 P ( 0 / 0 )

16、 + P ( 1 / 0 ) = 1 P(1/1)+P(0/1)=12. 编码信道模型编码信道模型【特性特性】是数字信道或离散信道是数字信道或离散信道。P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01 P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1) (3.1 - 10) Pe=无记忆编码信道（错误统计独立）无记忆编码信道（错误统计独立）全概率公式全概率公式信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，错误转移概率错误转移概率P(1/0)与与P(0/1)也就越大也就越大因为噪声等引起的错误统计独立，所以是无记忆编码信道因为噪声等引起的

17、错误统计独立，所以是无记忆编码信道第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声18恒参信道：信道特性不随时间变化恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。变化很慢。 3.2 恒参信道及其传输特性恒参信道及其传输特性对称电缆对称电缆同轴电缆同轴电缆第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声19恒参信道：信道特性不随时间变化恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。变化很慢。 3.2 恒参信道及其传输特性恒参信道及其传输特性对称电缆对称电缆同轴电缆同轴电缆微波中继信道微波中继信道视距传输视距传输第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声20恒参信道：信道特性不随时间变化恒参信道：信道特性不

18、随时间变化or变化很慢。变化很慢。 3.2 恒参信道及其传输特性恒参信道及其传输特性视距传输视距传输地球对称电缆对称电缆同轴电缆同轴电缆微波中继信道微波中继信道卫星中继信道卫星中继信道第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声21恒参信道：信道特性不随时间变化恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。变化很慢。 3.2 恒参信道及其传输特性恒参信道及其传输特性卫星中继信道卫星中继信道对称电缆对称电缆同轴电缆同轴电缆微波中继信道微波中继信道地球AB第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声22恒参信道特性恒参信道特性 恒参信道恒参信道 = 线性时不变网络线性时不变网络（传输特性）（传输特性

19、）线性网络的传输特性线性网络的传输特性幅度频率特性幅度频率特性相位频率特性相位频率特性恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。信号分析方法信号分析方法第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声231. 理想恒参信道特性理想恒参信道特性理想恒参信道理想恒参信道= 理想的无失真传输信道理想的无失真传输信道恒参信道特性恒参信道特性等效的线性网络传输特性等效的线性网络传输特性H() = K0 e-jtd (3.2 - 1)无失真传输条件无失真传输条件传输系数传输系数时间延迟时间延迟幅频特性为幅频特性为 |H()|=K0 (3.2 -

20、 2)相频特性为相频特性为 ()=td (3.2 - 3)相频特性相频特性 群迟延群迟延-频率特性频率特性dtdwwdw)()(表示对信号的不同频率成分具有相同的延迟表示对信号的不同频率成分具有相同的延迟K0，td都是与频率无关的常数都是与频率无关的常数相频特性的导数相频特性的导数第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声24图图 3-13 理想信道的幅频特性、理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延相频特性和群迟延-频率特性频率特性 OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)1. 理想恒参信道特性理想恒参信道特性恒参信道特性恒参信道特性理想恒参信道：理想恒参信道：在整个频率范围在整个

21、频率范围( (或在信号频带范围之内或在信号频带范围之内) )幅频特性为常数幅频特性为常数相频特性为相频特性为的线性函数的线性函数第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声25理想恒参信道的冲激响应理想恒参信道的冲激响应 h(t)=K0(t-td) (3.2 - 5)若输入信号若输入信号s(t)， 则理想恒参信道的输出则理想恒参信道的输出 r(t)= h(t)* s(t) = K0s(t-td) （3.2 - 6)理想恒参信道传输特性理想恒参信道传输特性H() = K0 e-jtd 无失真传输条件无失真传输条件无失真传输无失真传输 结论：理想恒参信道对信号传输的影响是：结论：理想恒参信道对信号

22、传输的影响是： (1) 对信号在对信号在上产生固定的上产生固定的； (2) 对信号在对信号在上产生固定的上产生固定的。 1. 理想恒参信道特性理想恒参信道特性恒参信道特性恒参信道特性第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声26幅度幅度-频率失真频率失真 信道幅度信道幅度-频率特性不是常数频率特性不是常数相位相位-频率失真频率失真 信道相位信道相位-频率特性不是频率特性不是的线性函数的线性函数2. 两种失真及其影响两种失真及其影响恒参信道特性恒参信道特性（1）幅度）幅度-频率失真频率失真 频率失真频率失真原因：实际信道的幅度频率特性不理想原因：实际信道的幅度频率特性不理想 指信号中不同的频率

23、分量分别受到信道不同的衰减指信号中不同的频率分量分别受到信道不同的衰减模拟信号波形模拟信号波形失真失真 数字信号数字信号可能可能错码错码 影响：影响：线性失真线性失真第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声27图 3 14 典型音频电话信道的幅度衰减特性350080020002800 30006f / Hz12(a)0300A( f ) / dB(b)3020100120024003600f / HzA( f ) / dB衰减在衰减在3003000Hz频率范围内比较平坦；频率范围内比较平坦；300Hz以下和以下和3000Hz以上衰耗增加很快，这种衰减特性正好适应人类话音以上衰耗增加很快，这

24、种衰减特性正好适应人类话音信号传输。信号传输。第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声28（2）相位）相位-频率失真频率失真群迟延失真群迟延失真 指信号中不同频率分量分别受到信道不同的延迟指信号中不同频率分量分别受到信道不同的延迟模拟模拟不明显不明显数字数字码间干扰码间干扰 影响：影响：2. 两种失真及其影响两种失真及其影响恒参信道特性恒参信道特性传输速率传输速率 ，码间干扰码间干扰 ，使误码率性能降低，使误码率性能降低。“均衡补偿均衡补偿”线性失真线性失真第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声29图 3 15 典型电话信道相频特性和群迟延频率特性 (a) 相频特性； (b) 群迟延

25、频率特性 ()O理想特性(b)()O理想特性(a)第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声301、狭义信道：、狭义信道：传输媒质传输媒质。 广义信道：广义信道：传输媒质传输媒质+通信系统中的一些通信系统中的一些转换装置转换装置。调制信道调制信道编码信道编码信道广义信道广义信道2. 调制信道数学模型调制信道数学模型r(t)=so(t)+n(t)=fsi(t)+n(t) = c(t)*si(t) +n(t) 线 性 时 变 网 络si(t)so(t)信道冲激响应信道冲激响应c(t)C()信道传输函数信道传输函数第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声31 第二种形式：第二种形式：C() 常

26、数，但不随时间变化常数，但不随时间变化线性滤波器c(t)r(t) c(t) si(t) n(t)n(t)si(t)信道*r(t)= so(t)+n(t) = c(t)*si(t) + n(t)第三种形式：第三种形式：C() 常数，且随时间变化常数，且随时间变化线性时变滤波器c(t,)r(t) c(t,) si(t) n(t)n(t)si(t)信道*r(t) = so(t)+n(t) =c(t,)*si(t) + n(t) 第一种形式：第一种形式：C()=常数常数c()cr(t)csi(t)n(t)n(t)si(t)信道r(t) = so(t)+n(t) = csi(t) + n(t)第第 3

27、章章 信信 道道 与与 噪噪 声声323. 编码信道模型编码信道模型输出的总错误概率输出的总错误概率P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)4. 恒参信道：信道特性不随时间变化恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。变化很慢。 （1） 理想恒参信道特性理想恒参信道特性幅频特性为常数，幅频特性为常数，对信号在对信号在上产生固定的上产生固定的；相频特性为相频特性为的线性函数，的线性函数，对信号在对信号在上产生固定的上产生固定的。（2）失真）失真幅度幅度-频率失真频率失真 信道幅度信道幅度-频率特性不是常数频率特性不

28、是常数相位相位-频率失真频率失真 信道相位信道相位-频率特性不是频率特性不是的线性函数的线性函数第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声33随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。 陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。 3.3随参信道及其传输特性随参信道及其传输特性 3.3.1 陆地移动信道陆地移动信道1. 自

29、由空间传播自由空间传播 线性衰减线性衰减2. 反射波与散射波反射波与散射波 时变、多径衰落时变、多径衰落3. 折射波折射波 引起超视距传播引起超视距传播第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声34图 3 19 电波折射示意图折射电波地表面引起超视距传播引起超视距传播第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声353.3.2短波电离层反射信道短波电离层反射信道电离层：离地面电离层：离地面60600 km的大气层为电离层。的大气层为电离层。短波电离层反射信道：地面发射的无线电波在电离层反射所短波电离层反射信道：地面发射的无线电波在电离层反射所 形成的信道。形成的信道。 使用频率：频率范围使用频

30、率：频率范围330 MHz (波长为波长为10100m)的短波的短波(或或 称为高频称为高频)无线电波。无线电波。0FFED300 kmAB地球FBA地球反射点第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声36 短波电离层反射信道最主要的特征是短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播多径传播， 多径传多径传播有以下几种形式播有以下几种形式: (a) 一次反射和多次反射；一次反射和多次反射； (b) 反射区高度形成细多径；反射区高度形成细多径； (c) 地球磁场引起的寻常波和非寻常波；地球磁场引起的寻常波和非寻常波； (d) 电离层不均匀性引起的漫射现象。电离层不均匀性引起的漫射现象。 AB(a)

31、AB(b)AB(c)AB(d )第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声373.3.3 随参信道特性随参信道特性 1. 随参信道的传输媒质特点：随参信道的传输媒质特点： (1) 对信号的对信号的衰耗衰耗随时间随时间随机随机变化；变化； (2) 信号传输的信号传输的时延时延随时间随时间随机随机变化；变化； (3) 多径传播多径传播。 第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声38接收信号接收信号 = 各路信号合成各路信号合成（衰减、时延都随时间变化的多路信号）（衰减、时延都随时间变化的多路信号）设发送信号设发送信号 s(t)=A cosct （3.3-12）多径接收信号多径接收信号 r(t

32、)=V(t)cosct+(t) (3.3 - 21) 合成波包络合成波包络一维分布服从一维分布服从瑞利分布瑞利分布合成波相位合成波相位一维分布服从一维分布服从均匀分布均匀分布r(t)可视为一窄带随机过程可视为一窄带随机过程陆地移动信道、陆地移动信道、 短波电离层反射信道等，相对于载波短波电离层反射信道等，相对于载波V(t)、(t)是是慢变化随机过程，于是慢变化随机过程，于是r(t)可看成是一个可看成是一个。单一频率、幅度恒定单一频率、幅度恒定 2. 多径传播多径传播 含义：含义：指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点。接收点。 hbd2dd1hm

33、AB第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声39（1）瑞利衰落）瑞利衰落 多径传播使单一频率的正弦信号变成了多径传播使单一频率的正弦信号变成了的窄带信号，称其为衰落信号。的窄带信号，称其为衰落信号。即即多径传播使信号产生瑞多径传播使信号产生瑞利衰落利衰落。fcfV(t)tOS( f )合成波包络V(t)频率近似为 fc-fcOS( f )DffcfDf3.多径传播对传输信号的影响多径传播对传输信号的影响（2）频率弥散）频率弥散 从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了，即，即多径传播引起了频率弥散多径传播引起了频率弥散。频谱频谱第第 3 章章 信信 道道 与

34、与 噪噪 声声403.多径传播对传输信号的影响多径传播对传输信号的影响多径传播的又一重要特征多径传播的又一重要特征例：两信道多径传播，分析合成信号幅频特性。例：两信道多径传播，分析合成信号幅频特性。k为两条路径的衰减系数为两条路径的衰减系数kk延迟D(t)si(t)so(t)(t)为两条路径信号传输为两条路径信号传输的相对时延差。的相对时延差。 当发送信号具有一定频带宽度时，多径传播会使信号当发送信号具有一定频带宽度时，多径传播会使信号产生频率选择性衰落。产生频率选择性衰落。这是信号中某些分量被衰落的一种现象。这是信号中某些分量被衰落的一种现象。（3）频率选择性衰落）频率选择性衰落第第 3 章

35、章 信信 道道 与与 噪噪 声声413.多径传播对传输信号的影响多径传播对传输信号的影响图图 3 23 信道幅频特性信道幅频特性当当i为固定值，为固定值，信号不同的频率成信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。分，信道将有不同的衰减。信号通信号通过这种传输特性的信道时，信号的过这种传输特性的信道时，信号的频谱将产生失真。频谱将产生失真。当失真随时间随当失真随时间随机变化时就形成频率选择性衰落。机变化时就形成频率选择性衰落。 特别是当信号的频谱宽于特别是当信号的频谱宽于 时，时，有些频率分量会被信道衰减到零，有些频率分量会被信道衰减到零， 造成严重的频率选择性衰落。造成严重的频率选择性衰落。 )

36、(1tD|H()|2kO2D(t)1f(t)通常是时变参量，故传输特性通常是时变参量，故传输特性中零点、极点在频率轴上的位置也中零点、极点在频率轴上的位置也随时间随机变化，这使传输特性变随时间随机变化，这使传输特性变得更复杂。得更复杂。 （3）频率选择性衰落）频率选择性衰落|H()|2kOf2Di1Di1多径时延量多径时延量(t)决定了幅频决定了幅频衰减情况衰减情况第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声42“多径多径”传播，信道的传输特性、频率选择性衰落复杂得多传播，信道的传输特性、频率选择性衰落复杂得多mCBD1信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔信道传输特性相邻两个零点之间的频率间

37、隔（3）频率选择性衰落）频率选择性衰落3.多径传播对传输信号的影响多径传播对传输信号的影响m m信道最大多径时延差信道最大多径时延差相关带宽相关带宽若信号频谱若信号频谱BBC C，则产生严重的频率选择性衰落。，则产生严重的频率选择性衰落。减小频率选择性衰落的措施：减小频率选择性衰落的措施：限制限制数字信号数字信号传输速率传输速率。工程上的经验公式：工程上的经验公式： BS=(1/51/3)BC 或或 TS=(35）m第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声43随参信道中问题：随参信道中问题：多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散抗衰落技术抗

38、衰落技术：提高随参信道中信号传输质量。：提高随参信道中信号传输质量。3.4分集接收技术分集接收技术调制解调技术、扩频技术、调制解调技术、扩频技术、 功率控制技术、与交功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、织结合的差错控制技术、 。在短波通信、移动通信系统中广泛应用在短波通信、移动通信系统中广泛应用分集接收技术分集接收技术第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声44指收端按照某种方式使它收到的携带同一信息的多指收端按照某种方式使它收到的携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定个信号衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落的处理，

39、以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落对接收信号的影响。对接收信号的影响。一是分散接收一是分散接收，使接收端得到多个携同一信息、统计独，使接收端得到多个携同一信息、统计独立的衰落信号；立的衰落信号；二是集中处理二是集中处理，收端把收到的多个统计独立的衰落信号，收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行进行适当合并适当合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。，从而降低衰落的影响，改善系统性能。 分集接收有两重含义：分集接收有两重含义：分集接收分集接收:第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声45空间分集空间分集频率分集频率分集角度分集角度分集极化分集极化分集时间分集时间分集分集方式：分集方式：合并

40、方式：合并方式：选择式合并选择式合并 性能最差性能最差等增益合并等增益合并 最方便可行最方便可行最大比值合并最大比值合并 性能最好性能最好合并：根据某种方式把得到的各个独立衰落信号相加合并：根据某种方式把得到的各个独立衰落信号相加 后合并输出，从而获得分集增益。后合并输出，从而获得分集增益。分集：获得多个携同一信息、统计独立的接收信号。分集：获得多个携同一信息、统计独立的接收信号。第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声46特点：与信号相互独立、始终存在、无法彻底消除。特点：与信号相互独立、始终存在、无法彻底消除。3.5 加性噪声加性噪声通信中噪声的定义：通信中噪声的定义： 对信号的传输和

41、处理形成干扰的所有波形的集合（随机）。对信号的传输和处理形成干扰的所有波形的集合（随机）。第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声47按来源按来源 3.5.1噪声的分类噪声的分类人为噪声人为噪声（工业噪声、无线电噪声）工业噪声、无线电噪声） 人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声自然噪声自然噪声 自然界的电磁波源所产生的噪声自然界的电磁波源所产生的噪声内部噪声内部噪声（热噪声、散弹噪声）热噪声、散弹噪声） 通信设备本身产生的各种噪声通信设备本身产生的各种噪声临近电台干扰、跳频干扰临近电台干扰、跳频干扰汽车点火、电动机、电焊机汽车点火、电动机、电焊机

42、按噪声对信按噪声对信号的作用方号的作用方式式加性噪声加性噪声 m(t)+n(t) 独立于有用信号独立于有用信号乘性噪声乘性噪声 m(t)+ m(t)n(t) =m(t)+1+n(t) 信道衰耗信道衰耗or电阻发生变化，则噪声成为电阻发生变化，则噪声成为 调制信号的波形调制信号的波形第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声48单频噪声单频噪声脉冲噪声脉冲噪声起伏噪声起伏噪声(1) 单频噪声：单频噪声：主要是无线电干扰，可能是单一频率主要是无线电干扰，可能是单一频率or窄窄 带谱。带谱。 特点：是连续波干扰。特点：是连续波干扰。 措施：通过合理设计系统措施：通过合理设计系统可避免可避免。 按噪

43、声性质按噪声性质 3.5.1噪声的分类噪声的分类(2) 脉冲噪声：脉冲噪声：是在时间上无规则的突发脉冲波形。是在时间上无规则的突发脉冲波形。 特点：突发脉冲形式、干扰时间短、脉冲幅度大、特点：突发脉冲形式、干扰时间短、脉冲幅度大、周期随机。周期随机。 措施：合理选频、远离脉冲噪声源。措施：合理选频、远离脉冲噪声源。 第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声49(3) 起伏噪声：起伏噪声：是一种连续波随机噪声。是一种连续波随机噪声。 包括：热噪声、散弹噪声、宇宙噪声包括：热噪声、散弹噪声、宇宙噪声 特点：具有很宽的频带、始终存在、是影响通信特点：具有很宽的频带、始终存在、是影响通信系统性能的

44、主要因素。系统性能的主要因素。单频噪声单频噪声脉冲噪声脉冲噪声起伏噪声起伏噪声按噪声性质按噪声性质 3.5.1噪声的分类噪声的分类随机过程的分析方法随机过程的分析方法信号频率小于信号频率小于300MHz时需要考虑时需要考虑宇宙噪声宇宙噪声加性噪声的主要代表是起伏噪声加性噪声的主要代表是起伏噪声起伏噪声是本课程中分析噪声的重点起伏噪声是本课程中分析噪声的重点第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声503.5.2 起伏噪声及特性起伏噪声及特性分析结论：分析结论：热噪声、散弹噪声和宇宙噪声这些起伏噪声都热噪声、散弹噪声和宇宙噪声这些起伏噪声都可以认为是一种高斯噪声，且功率谱密度在很宽的频带范可以

45、认为是一种高斯噪声，且功率谱密度在很宽的频带范围都是常数。围都是常数。因此，起伏噪声通常被认为是近似因此，起伏噪声通常被认为是近似。双边功率谱密度双边功率谱密度)/(2)(0Hzwnfpn自相关函数自相关函数)(2)(0nRn=0=0时才相关，任两时刻上互不相关，统计独立的。时才相关，任两时刻上互不相关，统计独立的。第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声513.5.2 起伏噪声及特性起伏噪声及特性宽带起伏噪声宽带起伏噪声 带通网络带通网络 带通型噪声带通型噪声宽带起伏噪声宽带起伏噪声 窄带网络窄带网络 窄带噪声窄带噪声高斯高斯高斯高斯高斯高斯高斯高斯调制信道的加性噪声调制信道的加性噪声

46、窄带高斯白噪声窄带高斯白噪声可表述为可表述为第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声52设带通型噪声的功率谱密度为设带通型噪声的功率谱密度为Pn(f)()()(2)(0cnncnnnfpdffpfpdffpBfc：带通型噪声功率：带通型噪声功率谱密度的中心频率谱密度的中心频率3.5.2 起伏噪声及特性起伏噪声及特性噪声等效带宽噪声等效带宽Bn的物理意义：的物理意义：高度为高度为Pn(fc)，宽度为，宽度为Bn的噪声功率的噪声功率功率谱密度为功率谱密度为Pn(f)的带通型噪声功率的带通型噪声功率 =面积相等Pn( f )Pn( fc )OBnffc噪声等效带宽噪声等效带宽Bn适用于今后常见的

47、窄带高斯噪声，且认为适用于今后常见的窄带高斯噪声，且认为带宽为带宽为Bn的窄带高斯噪声，其功率谱密度的窄带高斯噪声，其功率谱密度Pn(f)在在Bn内是常数。内是常数。第第 3 章章 信信 道道 与与 噪噪 声声53 两种广义信道两种广义信道3.6 信道容量的概念信道容量的概念信道容量：信道容量：在白噪声背景下，在白噪声背景下，信道中信息无差错传输的最大信道中信息无差错传输的最大。 记为记为C。调制信道：连续信道调制信道：连续信道 可用连续信道的信道容量来表征可用连续信道的信道容量来表征编码信道：离散信道编码信道：离散信道 可用离散信道的信道容量来表征可用离散信道的信道容量来表征第第 3 章章

48、信信 道道 与与 噪噪 声声543.6 信道容量的概念信道容量的概念1. 香农公式香农公式)/)(1(log2sbNSBC香农公式含义香农公式含义：当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定 时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时 间内可能传输的间内可能传输的信息量的极限数值信息量的极限数值。Shannon信道容量公式信道容量公式B：连续信道的带宽：连续信道的带宽(Hz)S：信号功率：信号功率N：噪声功率（信道加性高斯白噪声：噪声功率（信道加性高斯白噪声n(t)的功率）的功率）信道容量信道容量根据噪声统计特性得其概