通信原理教案-ch4-信道

1、不得用于商业用途不得用于商业用途Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse系部：信电学院任课教师：课时安排：理论4课时课题道信章4第frr教学目标二衰称念响hl寸。概影!算的的司曲计道统时、二量信系干屋容鍛誓對道1_|0久備i、ixfc熟ffi謔方洪带，道信的及片算信散道性加0NX离B特、与TOL忆m移念AAW謔记滔频概叫MW无鑄勒的附随毎懈产。宀加、理、念道笹道直，風M.Btni信B响扩嘲握nt步闵嗥延落掌O恒记的时亠我。仆无统径性用M掌散系多作W，离信选其期类亩通供戦及限分搞对条频式t本型其俞与时墓模及僻落要限。恥秤n灿

2、咏吐氧胡囁&需翳對能釦对盼SC翳懈练懈恒快懈e懈了熟理握与理道了1.并Z掌落3.信4.重点念落揪念选概率的频落与亠拓落快衰与坦落平衰、曼宽、带间法子时式方相干公的盼、相农停制扩积中述传延频式量描真时勒方算容型失径普与计管模无多多用的信率道道道作量道BBB的容rm釦釦釦集道c采恒随随分信BS1234567难点别区的落衰性口力择区选的率落频衰算与快计落与量亠疥落容坦衰道平慢信LZTPP教学过程。M这编信隼散等&闯M鳩卅蠡W对解抉to还信、肖经胡输机反调诟啓号彭昙输变言包离札邢卅伽电煤路#路款号气收线网线彖及/缆馈。的的妬道道H毗电天S擦律|道道线如图入创入”调1lll刖俞上一弋匸口吝讦型架设道调暉

3、码少主力模1如制W1为译泌输t)叠ee怡码Q川Q劃传纠机nn质关编-U-鑒号躺满hhB有、出质出信左，C输等+遂输实的输号抑酗道传维质信器要器信模治沱信的纤媒制制号主码字潼型菽5r究号导输调调信是编数信训堤研信光传：从调用从码制厳揃譴要：、：分：已作：编调嚴与信、壬ii:n!Eii:乂ii:输质ii:输括财端数章滋道B传媒B传包响辭JA多本义漩义B制：输码：道影1鴛狄狭米广义调能传编能信的1d有绝毫广功里功码道1.1.Z3信号通过时有传输时延与衰减4.信道内有噪声n(t)，即无输入e.(t)=0,仍有输出n(t)n(t)为加性噪声调制信道可等效为一时变线性网络：简化：其中k(t)为乘性干扰，n

4、(t)为加性干扰。恒参信道nk(t)变化很慢或基本不变，如有线(Wired)、光纤(Opticalfiber)、微波视距接力、卫星等；随参信道nk(t)随上作随机快变化，如短波电离层反射(Ionospherereflection)、微波对流层散射(tropospherescatter)、移动通信信道等；1.1.2编码信道编码信道一影响数字信号序列的变换，使之发生某种概率的差错。因此信道模型应采用数字信号的转移概率来描述。如二进制无记忆信道模型，如图3.3所示。其码元差错与前后码元无关。无记忆二进制信道模型转移概率矩阵其中P(0I0)与P(lll)为正确转移概率；P(1I0)与P(0I1)为受信

5、道特性影响造成的差错转移概率，平均差错概率为Pe=P(1|0)P(0)+P(0|1)P(1)。12恒参信道恒参n满足k(t)常数，信道特性随时间缓慢变化。一般可近似为线性时不变系统。恒参信道模型对时不变线性网络，eo(t)=e.(t)*h(t)+n(t)不考虑噪声n(t)影响，则eo(t)=e(t)*h(t)，在频域为Eo)=H(e)E。理想情况下，H(m)=kexp%Td)，为理想全通网络，其中k为传输衰减，Td为传输时延。实际中，有幅一频畸变与相一频畸变1.2.1幅-频畸变在信号传输频带B内，幅频特性有起伏，IH(血)1匕k=n可导致传输信号波形畸变。幅频特性畸变122相频畸变H(rn)=

6、IH(讪expj。)，不理想情况下，(p(rn)拒Td，不是直线，其群延迟：导致传输波形畸变群延迟产生畸变相一频畸变与幅一频畸变一样属于线性畸变，模拟信号：对模拟话音影响小(耳朵对相位不敏感)，对模拟视频信号影响大；数字信号：对数字信号影响大，易造成码间串扰，解决办法：用网络“均衡”作信道补偿。1.3随参信道k(t)丰常数。主要是由于复杂传输媒质所起的作用。特点：信号的传输衰减随时间变化、信号的传输时延随时间变化、存在多径效应。典型变参信道媒质：短波电离层反射信道、对流层散射信道1.3.1典型的随参信道电离层反射信道：电离层(Ionosphere)距地面60T50km，对1.5MHz30MHz

7、电波有反射a远距离传输。电离层反射传播路径快衰落：各条传输反射路径相对时延变化a合成信号电平产生快衰落变化a变化周期为零点几秒几秒。慢衰落：信道衰落(包络的起伏即衰落)随电离层吸收变化而变化，随季节、年份、昼夜变化a变化周期几分几小时。2、微波对流层散射信道对流层距地面10-12km。对流层散射传播路径利用对流层大气结构不均匀性a对UHF与微波信号产生能量漫反射a接收信号系收发天线波束交叉的公共部分散射体，经多重反射而形成的矢量和。散射体结构随温度、湿度、风速而变化a衰减也随之存在慢衰落、快衰落。1.3.2变参信道对信号传输的影响1信号衰减随时间t变化a衰落；2信号传输时延随时间t变化a多普勒

8、频移现象发送信号相位不变a时延变化a接收信号产生随机起伏0(t)a产生附加频移A(t)=d0(t)/dt多普勒频移a其后果使信号频谱展宽a称为频率弥散(色散)。一般地，Ae(t)值较低(零点几Hz几十Hz)，对低速数传(几十波特几百波特)影响大，对高速数传(二104波特)，影响小。3多径传输一造成信号波形畸变时间选择性衰落一频率色散频谱展宽)设发射信号：Acos仙0t)，经n条不同路径传播后的接收信号为a(t)：第i条路径接收信号的随机振幅；Td(t):第i条路径接收信号的随机时延；0；(t)：第i条路径接收信号对应Td(t)的随机相位，申(t)=Td(t)oidii0di令.；-.V-III

9、:.-i=l有V-.a随机调幅波从波形上看：时域上衰落，包络和相位受到调制；频谱展宽，所谓频率弥散色散)设T为数字调制后的码元宽度，则多径导致TT=a数字波形畸变大，时间选择性衰落对低速数传(TT)影响大。频率选择性衰落当传输频带(有一定频谱宽度)信号时，会因多径时延差造成某些谱成份被衰减掉的现象。以简单的两条路径为例。设传输信号为ft)yF(，第一条路径时延为t0,衰减为Ka接收信号为Kf(t-t0)aKF(rn)exp(j叫，第二条路径时延为t0+t,衰减相同a接收信号为Kf(tt0t)aKF(劲exp切(t0+t)，合成信号R(t)=Kf(t-t0)+f(t-t0t)aKF)exp(/t

10、0)1+exp(/勿)因此，信道的传输函数为H(m)=K1+exp(Q;)exp(et0)幅频特性为IH)1=K11+exp(-jMT)l=2Klcos(mt/2)1IH()|有零振幅点，n/T,3n/T,所以，当IF(讪较宽n零点附近谱成份受严重衰减=引起波形畸变。TT=零点间隔愈小n衰减影响越大。推广至多径，更为复杂，但基本规律同上。所以，相对时延差tn产生频率选择性的相关频谱带宽愈小n波形畸变大。定义相关带宽其中Tm最大时延差，设计上应使信号带宽B满足显然，数字码元速率fntjnbfn容易存在频率选择性衰落c.时间弥散造成波形展宽Tm除造成频率选择性衰落外，还会因多径传输波形重叠T造成波

11、形引起严重的码间干扰。波形展宽显然，频率选择性衰落和波形展宽导致波形畸变限制了数字波形传输速率，设计上应满足TTm，般T/Tm10(即满足BAf)o1.3.3抗多径衰落措施采用分集接收分集一分散得到相互统计独立的几条主要路径信号，再合并n衰落J分集方式空间分集：有足够间距(100个波长左右)的几副接收天线；频率分集：用多个有足够间隔的载频传输同一信号(Ifo2-fo1|1/t)；角度分集：同一天线的几个不同指向的波束接收同一信号；极化分集：分别接收水平极化波和垂直极化波(两种波相关性小，尤其是短波信道)信号合并方式最佳选择方式：从几个分散信号选择信噪比最高的一个信号；等增益方式：几个分散信号等

12、增益相加作接收信号；最大比方式：各支路信号增益加权合并，加权系数与信噪比成正比。采用不同调制方式采用一些新的调制技术，如时频编码、扩频、OFDM、透明带内单边带(TTIB)等技术皆有抗多径的能力。1.4噪声噪声(noise)来源与分类：按照性质分类1、窄带噪声一各种发射机、广播电台信号对通信接收机构成干扰。主要是正弦干扰、窄带干扰，特点：频率固定。短波段干扰多，微波段相对较少。2、脉冲噪声(ImpulseNoise)突发性、大幅度、短持续时间。干扰谱集中在低频段到几十MHz频段内，干扰严重。主要有：工业干扰一开关、电气设备点火系统、火花干扰；天电干扰一雷电、磁暴、太阳黑子活动等。3、起伏噪声电

13、子设备各种元器件、宇宙天体等产生的随机起伏噪声。来源有：、散弹噪声(Shotnoise):电子管中电子不规则发射、晶体管载流子不均匀复合等产生的电流围绕平均值起伏形成。、热噪声(Thermalnoise)：导体中自由电子不规则布朗热运动、宇宙噪声(Cosmicnoise银河系天体辐射波，在20300MHz范围内严重。基本上均匀分布，强度同季节等因素有关。上述三种起伏噪声总和构成通信系统中的主要噪声源n(t)n由于上述噪声均由大量单个不规则的独立噪声组合而成n按中心极限定理，最终服从高斯分布，且谱密度在较宽频率范围内呈均匀分布n近似为高斯白噪声，概率分布用正态分布描述，双边功率谱密度为n(/2(

14、W/Hz)。n(t)对通信接收机的干扰，可用信号噪声功率比(信噪比，SNR)S/N、噪声系数等参量来描述。15信道容量离散信道(编码信道)一用符号转移概率描述的信道连续信道(调制信道)一主要由调制解调方式决定，信道模型用时变线性网络描述151信息及度量信息量若x.出现的概率为P(x)，则其信息量为：平均信息量设N种信息源中第i种信息出现n.次，且其出现的概率为P(x.)，则整个消息的信息量:统计平均信息量为：通过平均信息量计算总信息量，利用下式：信息源中各种符号等概出现信息量最大，即：152编码信道输入(信源输出)x.(i=1,2,，n)f输出y(j=1,2,，m).j有噪信道中，x.与y.(

15、随机对应)，存在转移概率P(yj|xi),P(xi|yj)oP(x.)：信源发送概率P(xilyj):后验概率，发x.而收到y.后对工.的不确定性度量，表示输出端还保留的关于x.的信息量；发x.收y.时所获得的关于x.信息量等于x.包含的信息量-经传输后的剩余信息量=-log2P(x.)+log2Pglyp对各x.与y.取统计平均，可得到接收端已获得的平均信息量/符号，即信号传输的信息量/符号。信息传输速率R单位时间内信道所传输的平均信息量，设单位时间内传输符号数为r,则R=rH(x)H(xly)无噪声时，信道不存在不确定性，传输后无不确定成分，H(xly)=0,因此R=rH(x)o例子通信原

16、理第六版P80的【例4-1】。1.5.3调制信道香农定理：在信道带宽B、信道输出信号功率S及白高斯噪声功率N下，信道容量为C=Blog2(1+N/S)bits/s说明：1、此式是一理论极限值n理想通信系统。通过寻求理想调制方式来实现n如目前扩频、超宽带等军事靠近香农极限的调制方式。2、此式表明C与B、S/N之间互换关系。C不变一增大B,可在任意差错概率下降低对S/N的要求；S/N不变一增大B,使CT。S/N一接收机解调前信号噪声功率比(信道传输的信噪比)。B调制信号占据的频谱宽度，说明宽带调制方式抗干扰能力强，但增大B,Cf是有限制的。因为噪声功率N=n0B,BN=n0B(S/N)限制C的增大

17、。令Be可得：maxC=limC-1.44S/n0公式其他形式：宀呦C=B呃(1+S/noB)=B呃(1+ST/n。)=Blog+E/n)其中Tb_1/B为每比特持续时间，Eb=STb为每比特信号能量。Eb/n0形式在误码性能分析时常用在信道容量C一定的条件下，带宽B和信噪比S/N可以互换。这种互换是靠一定的调制方式来实现的，它要求能保证在大带宽且S/N很小情况下仍能有足够的解调输出信噪比(S/N)o。如扩频、UWB均能工作在S/N0dB条件下。仅供个人参考仅供个人参考不得用于商业用途不得用于商业用途仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。Forpersonaluseonlyinstudya

18、ndresearch;notforcommercialuse.NurfurdenpersonlichenfUrStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.Pourletudeetlarechercheuniquementadesfinspersonnelles;pasadesfinscommerciales.to力bKOg力只力Qge衍，KOTopbieucno力b3yQTC只g力只o6yqeHu只，uconegoBaHu衍uHego力*hbiucno力b3OBaTbe只bKOMMepqecKuxqen只x.以下无正文仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch