通信信号处理基础知识

通信信号处理（I）

（48学时）通信工程学院冯文江Email:fengwj@

课程概况教学目的了解通信信号的描述形式、无线传输信道的特征和模型；了解通信信号处理的研究对象；掌握通信信号的时域、频域、空域和码域处理方法；跟踪通信信号处理的发展趋势和技术动态。课程概况教学内容第一章：通信信号处理基本知识：通信信号处理基础知识；通信信号的描述形式；无线传输信道的特征和模型。第二章：均衡技术：符号间干扰（ISI）产生的原因；均衡的作用；均衡实现原理；均衡器结构分类；均衡性能评价准则；均衡算法。第三章：阵列信号处理：阵列天线系统种类、结构、特点和模型；阵列信号处理涉及的信源数估计、DOA估计和数字波束形成方法，重点学习MUSIC类算法的原理、描述、适用范围和特点。

课程概况教学内容第四章：多用户检测技术：系统模型、检测准则、性能指标；MMSE多用户检测、自适应多用户检测、盲多用户检测的结构、原理和性能。第五章：分集接收技术：分集接收的概念、任务、类型和作用；重点学习隐分集接收方法、信号合并方式、RAKE接收技术。第六章：协同通信信号处理：协同通信的概念、方式和特点；重点学习协同分集、协同中继和协同定位相关技术的原理、方法、性能和特点以及目前关注的重点研究内容。

课程概况教学内容第七章：认知无线电中的信号处理：认知无线电、认知无线网络、多认知无线网络的概念；重点介绍频谱感知技术、协同频谱感知技术、网络发现与识别技术、认知安全技术等。第八章：新一代宽带无线通信中的信号处理：MassiveMIMO中的互耦检测、FullDuplex通信中的干扰抵消。

课程概况课程定位该课程定位是“通信与信息系统”和“信号与信息处理”学科学术型研究生的专业基础课（学位课程）；是“电路与系统”学科学术型研究生的专业方向课（非学位课）；是“电子与通信工程”领域专业型研究生的特色专业课。

课程概况教学模式围绕通信信号处理涉及的研究领域，培养学生发现问题和解决问题的能力，采用逐步递进，理论与实际相结合的教学模式。

工程应用背景

基本概念

处理算法

应用效果

实际需要改进措施

课程概况参考文献张贤达、保铮：通信信号处理，国防工业出版社，2000邱天爽：通信中的自适应信号处理，电子工业出版社，2005郭业才：通信信号分析与处理，合肥工大出版社，2009JosephBoccuzzi著，刘祖军译:SignalProcessingforWirelessCommunications，电子工业出版社，2010IEEETransactionsonCommunicationsIEEETransactionsonAntennasandPropagationIEEETransactionsonSignalProcessing传输有线传输无线传输基带传输频带传输模拟调制（AM、FM、PM）数字调制（FSK、PSK、ASK）通信系统：传输+容量传输：有效性（尽可能多）、可靠性（尽可能好）第一章：通信信号处理基础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组网骨干网络（核心网络）接入网络（空中接口）容量：频谱效率、频谱利用率1）组网方式：点对点、点对多点、AdHoc、Mesh2）多址方式：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA3）复用技术：蜂窝技术4）双工方式：单工、半双工、全双工（FDD、TDD）第一章：通信信号处理基础知识通信信号处理研究对象通信信号的特点：传输环境复杂：多径效应、阴影效应、多普勒效应干扰：互调干扰、多址干扰、耦合效应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的通信信号处理技术时域：时域均衡、时间分集（交织）频域：频率分集接收和信号合并处理空域：空间分集、空时分集、协同分集信号处理码域：多用户检测空、时、频、码域多维联合信号处理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平稳随机过程严格平稳过程（狭义平稳过程）

随机变量的概率分布函数与的概率分布函数对所有的时延τ都是相同的。（高斯白噪声AWGN）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τ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，平稳特性不变循环平稳过程周期平稳（cyclostationary）特性：统计特性表现为周期或多周期平稳变化，本身是非平稳信号（通信信号的循环平稳特性是由于正弦载波、训练序列、扩频序列、跳频序列、循环前缀等参数的周期性所致）一阶循环平稳过程：数学期望具有周期性二阶循环平稳过程：相关函数具有周期性高阶循环平稳过程：高阶统计量具有周期性一阶循环平稳过程随机信号的均值（数学期望）均值的Fourier级数展开循环频率α=m/T0；循环均值二阶循环平稳过程自相关函数具有时间周期性相关函数的Fourier级数展开循环相关系数循环自相关函数循环功率谱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功率谱和循环互功率谱谱相关系数用功率谱辨识非最小相位系统时存在多重性用循环功率谱可以辨识非最小相位系统信号检测：频谱感知、网络发现、调制模式识别等解析信号在通信系统中实际传输的是实信号，而在信号处理时则以复信号为处理对象，为此，需要对接收信号预处理，构造出复信号解析信号实部虚部Hilbert滤波器传递函数解析信号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窄带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，但不存在双边谱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）基带输出信号平稳信号的基带表示

平稳信号平稳基带信号与解析信号相关函数的关系平稳解析信号功率谱平稳基带信号功率谱平稳基带信号的相关函数和互相关函数平稳基带信号的功率谱和互功率谱平稳信号的基带表示结论：实的信号、基带信号、解析信号、同相分量、正交分量都是平稳随机信号基带信号同相分量和正交分量的相关函数相等，各占一半信号功率；互相关函数是时延的奇函数基带信号的同相分量和正交分量统计特性相同同一时刻采样，基带信号的同相分量和正交分量统计独立载波是否存在初相位，不改变平稳基带信号的统计特性循环平稳信号的基带表示实的循环平稳信号，循环频率循环平稳基带信号与解析信号的关系一阶循环平稳基带信号的数学期望二阶循环平稳基带信号的相关函数循环谱和互循环谱带限信号带限信号定义：如果实值信号的Fourier变换的频谱或功率谱，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，接收信号为周期信号的相关函数周期信号集合各子信号容易与自身的时间偏移区分；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、时变无线通信信道基础知识无线电波按照传播方式分类：地波、电离层反射波、对流层反射波、空间波、自由空间空间波地波——地表面传播：电波沿地球表面传播，通过绕射到达视线范围以外。地面会吸收地波，其强弱与电波频率、地面性质有关；电离层反射波——天波传播：电波利用距地面60km高空的电离层反射传播。当然，电离层也会吸收电波，其强弱与电波频率和电离层的变化(位置、层数、厚度)有关；对流层反射波——散射传播：利用大气层中距地面10-20km高空对流层的不均匀性来散射电波，传播距离可达300-800km，电波反射强弱与高度有关，越高越弱；无线通信信道基础知识空间波——直射传播：电波沿直线传播(直接波)，也通过地球表面反射传播(地反射波)，接收电场强度是二者的合成。直接波不受地面影响，但地反射波会受反射点地质、地形影响。空间波通过大气层的底层传播，传播距离与地球曲率半径有关；自由空间波——直射传播：电波由地面发出，经过低空大气层和电离层到达外层空间传播(卫星通信、深空通信)，自由空间(真空)电波传播特性稳定。无线通信信道基础知识无线电波按照波长大小分类：长波、中波、短波、超短波、微波等长波：波长1000m以上，频率300kHz以下。其传播方式主要有地表面传播和天波传播，地形地貌对地表面传播影响小，电离层对天波传播吸收较弱，传播特性稳定。但由于地表面波衰减慢，对其他电台形成的干扰严重，由雷电产生的天电干扰对其影响大；中波：波长100-1000m，频率300kHz-30MHz。其传播方式主要还是地表面传播和天波传播，地形地貌对地表面传播影响小，但需要穿过电离层较深处才能反射。波长在200-2000m的中长波主要用于广播，称为广播波段，传播距离可达200-300km。无线通信信道基础知识短波：波长10-100m，频率3MHz-30MHz。其传播方式主要靠电离层反射，天波在电离层中的损耗小，可利用天波在电离层中的一次或多次反射实现远距离传播。但由于电离层厚度、高度、密度随时变化，短波通信信号会时强时弱(白天更明显)；超短波：波长1-10m，频率30MHz-300MHz。其传播方式主要有散射传播和直射传播，主要用于电视、调频广播、雷达等，传播距离可达30-100km。微波：波长1m以下，频率300MHz-300GHz。其传播方式主要有直射传播，主要用于通信、雷达等。由于地形、地貌、地物、气候等会引起反射、绕射、散射和吸收，产生衰落和失真。无线通信信道基础知识归结起来，无线电波的传播途径主要有：直射波和地面反射波、对流层反射波、电离层反射波和山体绕射波等无线通信信道基础知识此外，电波遇到各种障碍物时会发生反射、绕射和散射现象，会对直射波形成干涉（多径效应）；收发信机之间相对运动会产生多普勒效应。多径效应和多普勒效应导致信号在时域和频域扩展，表现为选择性衰落地表面波损耗随频率升高急剧减弱，随距离增加急剧减小。无线通信信道基础知识电波传播效应传输损失：大范围内信号强度随距离变化(数百或数千米)，表现为电磁波的能量扩散现象n为路径损失指数：自由空间为2；城区为2.7-3.5；城市阴影区为3-5；直视楼房为1.6-1.8；阻塞楼房为4-6；厂区为2-3。

无线通信信道基础知识电波传播效应阴影衰落：中范围信号电平中值慢变(数百个波长)由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的慢衰落，信号中值出现缓慢变动，衰落深度与频率、阻碍物有关多径衰落：小范围信号瞬时值快变(数十个波长)由于移动传播环境的多径传播而引起的快衰落，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化多径衰落是移动信道特性中最具特色的部分无线通信信道基础知识电波传播效应由此可知，无线通信信道是一种时变信道，无线电信号通过信道时会遭受来自不同途径的衰减损害，接收信号总功率表现为三种效应的综合：自由空间传播模型自由空间定义均匀无损耗无限大空间；各向同性介质的相对介电常数和相对磁导率为1自由空间传播模型（仅考虑能量扩散引起的传输损耗）电场强度：磁场强度：大尺寸传播模型：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大尺寸传播模型只适用于Fraunhofer区域（天线远场区域）Fraunhofer距离（天线孔径的最大尺寸与波长之比）远场区域经验公式地面实际应用大气折射效应：大气介电常数与温度、湿度、气压、海拔高度有关，由于大气折射，电波不再按直线传播，而是按曲线传播，根据不同折射效应分为正折射、负折射和无折射介质折射率与相对介电常数的关系电波传播速度与介质折射率成反比大气折射导致电波传播方向和速度均发生变化地面实际应用视距传播极限距离：受地球曲率半径、收发天线高度影响，视距传播极限距离为：标准大气折射条件下，地球有效半径是实际半径的1.33倍，约为8500km。上述表达式中极限距离单位是km，天线高度单位是m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因子结合反射当电波传播中遇到两种不同介质的界面，且界面尺寸比电波波长大得多时，就会产生反射，如地球表面、大型建筑物、墙壁表面等。界面的反射特性用反射系数表征，定义为反射波场强与入射波场强之比：水平极化波和垂直极化波的反射系数分别为反射介质复介电常数反射对于频率大于150MHz，入射角小于1度，反射波场强幅度等于入射波场强幅度，但地面反射时会产生反相，即反射波和入射波相位相差直射波与反射波间的路程差由路程差和反相引起的附加相移接收信号场强直射波和反射波的合成场强随反射系数和路程差变化，时而同相相加，时而反相相减，造成合成波衰落绕射当收发天线之间的路径被尖锐的边缘阻挡时会发生绕射。根据Huygens原理，波前的所有点可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，分布于整个空间，包括阻挡物的背面（绕过阻碍物）当收发天线之间不存在直视路径时，围绕阻碍物也会产生波的弯曲在高频段，绕射效应与阻碍物的形状和绕射点入射波的振幅、相位和极化方式有关直射波与绕射波的程差绕射系数相位差散射在电波传播的介质中存在小于波长的物体，且单位体积内阻碍物的个数非常多时，会发生散射散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体上，在实际通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射Rayleigh准则：表面隆起临界高度散射损失因子是表面高度相对于平均表面高度的标准差，是第一类零阶Bessel函数地面实际应用在地面实际应用中，电波传播受环境因素和人为因素影响环境因素：自然地形(高山、丘陵、平原、水域)；地物分布、密度、材质；地貌植被；气候条件。人为因素：市区、郊区、农村地面实际应用将阻碍物引起的传播损耗称为绕射损耗：与菲涅尔余隙有关正余隙、负余隙第一菲涅尔半径地面实际应用隔墙阻挡：5-20dB；楼层阻挡：20dB；室内损耗：1.9dB/层家具损耗：2-15dB厚玻璃损耗：6-10dB火车车厢损耗：15-30dB电梯穿透损耗：30dB茂密树叶损耗：10dB电波在建筑物内部传播会产生穿透损耗地面实际应用地形地物对电波传播的影响效应地形分类中等起伏地形：在地形剖面上地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度不规则地形：丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形地物分类第一类：开阔地：在电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；第二类：郊区：在靠近终端近处有障碍物但不稠密，如有少量低层房屋或小树林等第三类：市区：有较密集的建筑物和高层楼房地面实际应用地形波动高度定义天线有效高度定义地面实际应用市区环境：传播损耗与电波频率、传播距离有关；不同天线高度能获得不同的增益地面实际应用郊区和开阔地环境：传播损耗与电波频率、传播距离有关；不同天线高度能获得不同的增益郊区场强中值与基准场强中值之差称为修正因子，郊区修正因子、开阔地、准开阔地修正因子如图地面实际应用丘陵环境：不同地形参数对应的修正因子如图地面实际应用斜坡地形和水陆混合路径环境：不同地形参数对应的修正因子如图阴影衰落（长期衰落）当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）等障碍物的遮挡时，会产生电磁场的阴影当移动终端通过阴影区域时，接收场强的中值会变化，从而引起衰落——阴影衰落。阴影衰落变化速率慢，又称为慢衰落慢衰落效应取决于传播环境，包括接收天线周围地形、山丘起伏、建筑物分布与高度、街道走向、天线位置与高度、移动速度、电波频率等阴影衰落（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（30-40dB），用对数正态分布的随机变量描述路径损失均值取决于发射功率、收发天线高度和距离；标准差取决于地形地物和电波频率阴影衰落（长期衰落）阴影衰落会使预测的路径损失产生很大变化阴影衰落会影响移动通信小区的覆盖范围(如GSM终端发射功率为1W或2W，覆盖小区边缘的接收灵敏度为-104dBm，利用路径损失模型计算得到的结果满足要求，但由于阴影衰落，可能有50%的区域不满足要求)阴影衰落会导致通信覆盖盲区解决途径：在系统设计时设置更大的衰落余量，在网络规划时合理选择基站站址多径衰落电波传播过程中遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏地形等阻碍物时，会引起反射，到达接收天线的信号是许多传播路径信号的合成。由于电波通过各条路径的距离不同，各路反射信号到达时间不同，相位和幅度也不同。多路信号在接收端叠加，有时同相叠加增强，有时反相叠加减弱，导致接收信号幅度急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象引起的，称为多径衰落。多径衰落为了导出多径效应的统计特性，假设：在收发信机之间没有直射波有大量反射波存在，且到达接收天线的方向、相位随机，在0-2

内均匀分布各个反射波的幅度和相位统计独立多径衰落正交分量和同相分量都是随机变量，当多径路数很大时，根据中心极限定理，大量独立随机变量之和趋近于正态分布，即正交分量和同相分量是高斯随机过程，服从正态分布，其概率密度为：正交分量和同相分量统计独立，联合概率密度为多径衰落在(0，∞)区间内对r积分，得到相位

的概率密度：在[0，2

]区间内对

积分，得到幅度r的概率密度：接收信号相位服从0-2

的均匀分布，接收信号包络服从瑞利分布多径衰落多径信号的一些统计量：包络r的累积分布函数：一阶矩：二阶矩：满足P(r≤rm)

=

0.5的rm值称为信号包络样本区间中值多径衰落接收信号包络服从瑞利分布的前提是多径信号之间统计独立，且没有直达信号，但当收发天线之间距离较近时，直达信号是存在的理论分析表明，如果存在占支配地位分量的大量随机变量之和应服从莱斯分布（RicianDistribution）μ，θ分别是占支配地位分量的幅度和相位衰落信号的特征量衰落率：信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数平均衰落率速度v的单位为km/h，频率f的单位为MHz，平均衰落率A的单位为Hz（如运动时速120km/h，900MHz频段，A=200Hz）衰落信号的特征量电平通过率（LevelCrossRate，LCR）：信号包络在单位时间内以正斜率通过某一规定电平R的平均次数电平通过率的数学表达式电场分量的表达式fm是最大多普勒频移；为包络的均方根电平衰落信号的特征量平均衰落持续时间：信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比对于瑞利衰落电场分量的平均衰落持续时间多普勒效应当收发信机之间存在径向运动时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移衰落信道动态特性前述分析表明：电波传播有4种方式：直射、反射、绕射、散射，表现出3种效应：路径损失、阴影衰落、多径衰落衰落产生的原因：多径效应和多普勒效应。对于宽带信号而言，多普勒效应就是色散效应用表示信道冲激响应。为了描述信道的动态特性，涉及如下变量时延τ：多径效应的每条路径传播存在的相对时延时间差：表征多普勒效应的用户移动时间频率差：表征色散效应导致不同频率信号有不同的多普勒频移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）衰落信道的时域特征和频域特征时延扩展：在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记为△。如果发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号宽度为T+△由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰时延谱的均方根值等于时延扩展市区1.0-3.0us，郊区0.2-2us衰落信道的时域特征和频域特征分析频率分别为f1和f2的两个信号的包络相关性，包络为r1和r2，频率差为

f，则其包络相关系数相关函数分析频域相关性信号包络相关系数等于0.5时对应的频率间隔定义为相干带宽相干带宽等于时延扩展的倒数，时延扩展导致频率选择性衰落衰落信道的时域特征和频域特征多普勒扩展：如果接收信号有N条路径，入射角不同。当N较大时，多普勒频移成为占有一定宽度的多普勒频展相位差多普勒频移接收天线为全向天线，入射角

服从0-2

的均匀分布，即多径波均匀来自各个方向，

到

+d

之间到达的电波功率为Pav×d

/2

，Pav是所有到达电波的平均功率来自

和−

的电波引起相同的多普勒频移，信号频率为

fc

+

fmcos

多普勒频移fD为入射角

的函数，当入射角从

变化到

+d

时，信号频率从f变化到f

+

dfdθΔl=vΔtcosθ

衰落信道的时域特征和频域特征接收信号功率谱尽管发射频率为单频fc，但接收功率谱S(f)却扩展到fc

−

fD到fc

+

fD范围，相当于单频电波通过多径信道时受到随机调频（RandomFM）。接收信号的这种功率谱展宽称为多普勒频展多普勒扩展导致时间选择性衰落衰落信道的时频特征总结角度扩展与空间选择性衰落角度扩展和相干距离是描述无线信道角度色散和空间选择性的主要参数由于收发信机周围各自的散射环境不同，多径信号按照空间方向分布，导致在不同空间位置的衰落特性不同，这就是角度色散和空间选择性角度扩展：信号功率谱密度在角度上的分布(角度功率谱)，角度功率谱二阶中心矩的平方根就是角度扩展。在阵列天线中，定义信号到达或离开角度与平均角度之间的最大偏离(扩散)为角度扩展相干距离：信道冲激响应保持强相关之间的空间间隔(信号包络的空间相关系数等于0.5之间的空间间隔)。相干距离与角度扩展成反比：空间选择性衰落由角度扩展所致典型的大尺寸传播模型Okumura模型

：用于描述准平坦地形大城市地区的路径损耗中值市区中值路径损耗

Lbs为自由空间路径损耗Am(f,d)为大城市地区基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对于自由空间的中值损耗(基本中值损耗)；Hb(hb,d)为基站天线高度增益因子(dB)，即实际基站天线高度相对于标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函数；Hm(hm,f)为移动台天线高度增益因子(dB)，即实际移动台天线高度相对于标准天线高度hm=3m的增益，为频率的函数典型的大尺寸传播模型Okumura模