西電《通信原理》課件第三章

1、西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)第三章第三章1第三章第三章 信道與噪聲信道與噪聲第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)2內(nèi)容提要內(nèi)容提要3.1 信道分類信道分類3.2 信道模型信道模型3.3 恒參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺赖奶匦约捌鋵π盘杺鬏數(shù)挠绊?.4 隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?.5 信道加性噪聲信道加性噪聲3.6 信道容量信道容量作業(yè)：作業(yè)：1、2、4、6、12、13、16、19、20西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)第三章第三章33.1 信道分類信道分類返回返回第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)4一、狹義信道一、狹義信

2、道n信號的物理傳輸信號的物理傳輸媒質(zhì)媒質(zhì)。n有線信道（有形而看得見，摸得著）有線信道（有形而看得見，摸得著）n雙絞線，光纖，同軸電纜，對稱電纜，等。雙絞線，光纖，同軸電纜，對稱電纜，等。n無線信道（無形而看不見，摸不著）無線信道（無形而看不見，摸不著）n地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、散射及移動無線視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、散射及移動無線電信道，等。電信道，等。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)5二、廣義信道二、廣義信道n廣義信道廣義信道信號的傳輸通道（傳輸系統(tǒng)）信號的傳輸通道（傳輸系統(tǒng)）n廣義信道除了包括傳輸媒質(zhì)外，

3、還包括通信系統(tǒng)廣義信道除了包括傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)有關(guān)的變換裝置有關(guān)的變換裝置n這些裝置可以是發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、這些裝置可以是發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等。調(diào)制器、解調(diào)器等等。n這相當(dāng)于在狹義信道的基礎(chǔ)上，這相當(dāng)于在狹義信道的基礎(chǔ)上， 擴(kuò)大了信道的范擴(kuò)大了信道的范圍。圍。n它的引入主要是從研究信息傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，使它的引入主要是從研究信息傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，使通信系統(tǒng)的一些基本問題研究比較方便。通信系統(tǒng)的一些基本問題研究比較方便。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)6廣義信道分類廣義信道分類n狹義信道是廣義信道十分重要的組成部分，狹義信道是廣義信道

4、十分重要的組成部分，通信效果的好壞，在很大程度上將依賴于通信效果的好壞，在很大程度上將依賴于狹義信道的特性。狹義信道的特性。n廣義信道按照它包括的功能，可以分為調(diào)廣義信道按照它包括的功能，可以分為調(diào)制信道、編碼信道。制信道、編碼信道。n調(diào)制信道調(diào)制信道當(dāng)研究調(diào)制與解調(diào)問題時，我們當(dāng)研究調(diào)制與解調(diào)問題時，我們所關(guān)心的是調(diào)制器輸出的信號形式、解調(diào)器輸所關(guān)心的是調(diào)制器輸出的信號形式、解調(diào)器輸入端信號與噪聲的最終特性，而并不關(guān)心信號入端信號與噪聲的最終特性，而并不關(guān)心信號的中間變換過程。的中間變換過程。n編碼信道編碼信道如果研究編碼與譯碼問題時采用如果研究編碼與譯碼問題時采用編碼信道，會使問題的分析更

5、容易。編碼信道，會使問題的分析更容易。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)7調(diào)制信道和編碼信道調(diào)制信道和編碼信道西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)第三章第三章83.2 信道模型信道模型返回返回第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)9一、調(diào)制信道模型一、調(diào)制信道模型調(diào)制信道的共性：調(diào)制信道的共性：n有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端；有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端；n絕大多數(shù)的信道都是線性的絕大多數(shù)的信道都是線性的 ，即滿足，即滿足線性疊加原理線性疊加原理；n信號通過信道具有固定的或時變的信號通過信道具有固定的或時變的延遲延遲時間；時間；n信號通過信道會受到固

6、定的或時變的信號通過信道會受到固定的或時變的損耗損耗；n即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。輸出（噪聲）。n模型模型線性線性時變時變網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)線 性 時 變 網(wǎng) 絡(luò)si(t)so(t)第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)10二、調(diào)制信道的輸入與輸出二、調(diào)制信道的輸入與輸出n二對端的調(diào)制信道模型，其輸出與輸入的關(guān)系有二對端的調(diào)制信道模型，其輸出與輸入的關(guān)系有n 反映了信道特性，不同的物理信道具有不同的特性。反映了信道特性，不同的物理信道具有不同的特性。 )()()()()(0tntsftntstri輸入的已調(diào)信號輸入的已

7、調(diào)信號 調(diào)制信道對輸入信號的響應(yīng)輸出波形調(diào)制信道對輸入信號的響應(yīng)輸出波形 加性噪聲加性噪聲 )(tsfi( )( )( ) ( )oiis tc ts tf s t( )( )( )oiSCS乘性干擾，與乘性干擾，與信號共存共失信號共存共失 加性干擾，加性干擾，始終存在始終存在 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)11三、調(diào)制信道分類三、調(diào)制信道分類n通常信道特性通常信道特性 是一個復(fù)雜的函數(shù)，它可能包是一個復(fù)雜的函數(shù)，它可能包括各種線性失真、非線性失真、交調(diào)失真、衰落括各種線性失真、非線性失真、交調(diào)失真、衰落等。等。n根據(jù)信道傳輸函數(shù)的時變特性可以將調(diào)制信道分根據(jù)信道傳輸函數(shù)的時變特

8、性可以將調(diào)制信道分為兩大類：為兩大類：n恒參信道恒參信道 基本不隨時間變化，信道對信號的基本不隨時間變化，信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的影響是固定的或變化極為緩慢的 n隨參信道隨參信道傳輸函數(shù)傳輸函數(shù) 隨時間隨機(jī)快變化隨時間隨機(jī)快變化 n在常用物理信道中，在常用物理信道中， 的特性有三種典型形式。的特性有三種典型形式。)(C)(C)(C)(C第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)12加性高斯噪聲信道加性高斯噪聲信道 n第一種形式是常數(shù)，或在信號頻帶范圍之內(nèi)是常數(shù)。第一種形式是常數(shù)，或在信號頻帶范圍之內(nèi)是常數(shù)。n這種信道可以用加性噪聲信道數(shù)學(xué)模型來表示這種信道可以用加性噪聲信道數(shù)

9、學(xué)模型來表示 )()()()()(0tntcstntstri第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)13帶有加性噪聲的線性濾波器信道帶有加性噪聲的線性濾波器信道 n第二種形式第二種形式 在信號頻帶范圍之內(nèi)不是常數(shù)，但不在信號頻帶范圍之內(nèi)不是常數(shù)，但不隨時間變化。隨時間變化。n這種信道在數(shù)學(xué)上可表示為帶有加性噪聲的線性濾波器這種信道在數(shù)學(xué)上可表示為帶有加性噪聲的線性濾波器 )(C)()()()()()(0tntstctntstri第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)14帶有加性噪聲的線性時變?yōu)V波器帶有加性噪聲的線性時變?yōu)V波器 n第三種形式第三種形式 隨時間變化隨時間變化n如電離層反射

10、信道、移動通信信道都具有這種特性。如電離層反射信道、移動通信信道都具有這種特性。n這種信道在數(shù)學(xué)上可表示為帶有加性噪聲的線性時變這種信道在數(shù)學(xué)上可表示為帶有加性噪聲的線性時變?yōu)V波器，信道特性可以表征為時變單位沖激響應(yīng)濾波器，信道特性可以表征為時變單位沖激響應(yīng)。 )(C0( )( )( )( )(),icr ts tn ts tn tt第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)15四、編碼信道模型四、編碼信道模型n編碼信道包括調(diào)制信道、調(diào)制器和解調(diào)器，它與編碼信道包括調(diào)制信道、調(diào)制器和解調(diào)器，它與調(diào)制信道模型有明顯的不同，是一種調(diào)制信道模型有明顯的不同，是一種數(shù)字信道或數(shù)字信道或離散信道離散信

11、道。n編碼信道輸入是離散的時間信號，輸出也是離散編碼信道輸入是離散的時間信號，輸出也是離散的時間信號，對信號的影響則是將輸入數(shù)字序列的時間信號，對信號的影響則是將輸入數(shù)字序列變成另一種輸出數(shù)字序列。變成另一種輸出數(shù)字序列。n由于信道噪聲或其他因素的影響，將導(dǎo)致輸出數(shù)由于信道噪聲或其他因素的影響，將導(dǎo)致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯誤，字序列發(fā)生錯誤， 因此輸入、輸出數(shù)字序列之間因此輸入、輸出數(shù)字序列之間的關(guān)系可以用一組的關(guān)系可以用一組轉(zhuǎn)移概率轉(zhuǎn)移概率來表征。來表征。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)16二進(jìn)制編碼信道模型二進(jìn)制編碼信道模型 P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)

12、P(0/1)01輸出總的錯誤概率為：輸出總的錯誤概率為：) 1/0() 1 ()0/1 ()0(PPPPPe第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)17n由于信道噪聲或其它因素影響導(dǎo)致輸出數(shù)由于信道噪聲或其它因素影響導(dǎo)致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯誤是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，因此這種字序列發(fā)生錯誤是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，因此這種信道是無記憶編碼信道。信道是無記憶編碼信道。 n根據(jù)無記憶編碼信道的性質(zhì)可以得到根據(jù)無記憶編碼信道的性質(zhì)可以得到1)0/1 ()0/0( PP1) 1/0() 1/1 ( PP西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)第三章第三章183.3 恒參信道的特性及其對信恒參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懱杺鬏數(shù)挠?/p>

13、響返回返回第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)19n恒參信道的信道特性不隨時間變化或變化恒參信道的信道特性不隨時間變化或變化很緩慢。很緩慢。n信道特性主要由傳輸媒質(zhì)所決定。信道特性主要由傳輸媒質(zhì)所決定。n如果傳輸媒質(zhì)是基本不隨時間變化的，如果傳輸媒質(zhì)是基本不隨時間變化的， 所構(gòu)成所構(gòu)成的廣義信道通常屬于恒參信道；的廣義信道通常屬于恒參信道；n如果傳輸媒質(zhì)隨時間隨機(jī)快變化，則構(gòu)成的廣如果傳輸媒質(zhì)隨時間隨機(jī)快變化，則構(gòu)成的廣義信道通常屬于隨參信道。義信道通常屬于隨參信道。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)20一、恒參信道舉例一、恒參信道舉例n對稱電纜（雙絞線）對稱電纜（雙絞線）n

14、為了減小各線對之間的相互干擾，每一對線都擰成扭絞狀為了減小各線對之間的相互干擾，每一對線都擰成扭絞狀 n既可用于模擬傳輸，也可用于數(shù)據(jù)傳輸既可用于模擬傳輸，也可用于數(shù)據(jù)傳輸n帶寬依賴于線的粗細(xì)和傳輸距離帶寬依賴于線的粗細(xì)和傳輸距離n無屏蔽雙絞線無屏蔽雙絞線(UTP)n屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線(STP): 以箔屏蔽來減少干擾以箔屏蔽來減少干擾第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)21同軸電纜同軸電纜n基帶同軸電纜：基帶同軸電纜：n50，為數(shù)據(jù)通信傳輸基，為數(shù)據(jù)通信傳輸基帶數(shù)字信號，帶數(shù)字信號，n局域網(wǎng)中廣泛使用局域網(wǎng)中廣泛使用n10Mb/s, 1kmn寬帶同軸電纜：寬帶同軸電纜：n75，多用于

15、，多用于CATV系統(tǒng)，系統(tǒng)，傳送頻分復(fù)用的模擬信號傳送頻分復(fù)用的模擬信號n6MHz/300400MHz，100kmn單向放大器單向放大器第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)22光纖光纖n纖芯和包層構(gòu)成的雙層通信圓柱體，依靠光波承纖芯和包層構(gòu)成的雙層通信圓柱體，依靠光波承載信息載信息n光纖傳輸系統(tǒng)：光源、光纖線路和光電探測器光纖傳輸系統(tǒng)：光源、光纖線路和光電探測器n光纖的特點(diǎn)光纖的特點(diǎn)n傳送速率高，通信容量大傳送速率高，通信容量大(2530THz帶寬帶寬/波段波段)。目。目前，在試驗(yàn)室中光纖帶寬超過前，在試驗(yàn)室中光纖帶寬超過50Tbps；82.5Gbps，810Gbps ，3210Gbp

16、s系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用n傳輸損耗小傳輸損耗小(0.2dB/km)，適合長距離傳輸，適合長距離傳輸n抗干擾性能好，保密性好抗干擾性能好，保密性好n輕便輕便n連接困難連接困難第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)23微波中繼微波中繼n在自由空間沿視距傳輸。在自由空間沿視距傳輸。 n兩點(diǎn)間的傳輸距離一般為兩點(diǎn)間的傳輸距離一般為30km50km，當(dāng)長距離通信，當(dāng)長距離通信時，需要在中間建立多個中繼站時，需要在中間建立多個中繼站n微波中繼信道具有傳輸容量大、長途傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)約微波中繼信道具有傳輸容量大、長途傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)約有色金屬、投資少、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。有色金屬、投資少、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)

17、。 n應(yīng)用：長距離傳輸話音和電視信號；應(yīng)用：長距離傳輸話音和電視信號；第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)24衛(wèi)星中繼衛(wèi)星中繼 n衛(wèi)星中繼信道是利用人造衛(wèi)星作為中繼站構(gòu)成的通信信道。衛(wèi)星中繼信道是利用人造衛(wèi)星作為中繼站構(gòu)成的通信信道。n若衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面、離地面高度為若衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面、離地面高度為35780km時，時，繞地球運(yùn)行一周的時間恰為繞地球運(yùn)行一周的時間恰為24小時與地球自轉(zhuǎn)同步，這種衛(wèi)小時與地球自轉(zhuǎn)同步，這種衛(wèi)星稱為星稱為靜止衛(wèi)星靜止衛(wèi)星。不在靜止軌道運(yùn)行的衛(wèi)星稱為。不在靜止軌道運(yùn)行的衛(wèi)星稱為移動衛(wèi)星移動衛(wèi)星。n若以靜止衛(wèi)星作為中繼站，采用三個相差若以靜止衛(wèi)星作

18、為中繼站，采用三個相差1200的靜止通的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外兩極盲區(qū)除外)，n若采用中、低軌道移動衛(wèi)星，則需要多顆衛(wèi)星覆蓋地球。若采用中、低軌道移動衛(wèi)星，則需要多顆衛(wèi)星覆蓋地球。n所需衛(wèi)星的個數(shù)與衛(wèi)星軌道高度有關(guān)，軌道越低所需衛(wèi)所需衛(wèi)星的個數(shù)與衛(wèi)星軌道高度有關(guān)，軌道越低所需衛(wèi)星數(shù)越多。星數(shù)越多。n衛(wèi)星中繼信道的主要特點(diǎn)是通信容量大、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、傳衛(wèi)星中繼信道的主要特點(diǎn)是通信容量大、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣等突出的優(yōu)點(diǎn)。輸距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣等突出的優(yōu)點(diǎn)。n另外，由于衛(wèi)星軌道離地面較遠(yuǎn)，信號衰減大，電波往返所另外，由

19、于衛(wèi)星軌道離地面較遠(yuǎn)，信號衰減大，電波往返所需要的時間較長。需要的時間較長。n衛(wèi)星中繼信道主要用來傳輸多路電話、電視和數(shù)據(jù)。衛(wèi)星中繼信道主要用來傳輸多路電話、電視和數(shù)據(jù)。 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)25第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)26二、恒參信道特性二、恒參信道特性n恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯谴_定的或者是變化恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯谴_定的或者是變化極其緩慢的。因此，其傳輸特性可以等效為一個極其緩慢的。因此，其傳輸特性可以等效為一個線性時不變線性時不變網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。n線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以用線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以用幅度頻率特性幅度頻率特性和和相位相位頻率特性頻率

20、特性來表征。來表征。n理想恒參信道特性理想恒參信道特性 0)(KH0( )dtjHeK時間延遲時間延遲 傳輸系數(shù)傳輸系數(shù) dt)(dtdd)()(第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)27理想信道的幅頻特性、相頻特性理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延和群遲延-頻率特性頻率特性 OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)28n理想恒參信道的沖激響應(yīng)為理想恒參信道的沖激響應(yīng)為 n若輸入信號為若輸入信號為 ，n則理想恒參信道的輸出為則理想恒參信道的輸出為n理想恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯抢硐牒銋⑿诺缹π盘杺鬏數(shù)挠绊懯?n對信號在幅度上產(chǎn)生固定

21、的衰減；對信號在幅度上產(chǎn)生固定的衰減；n對信號在時間上產(chǎn)生固定的遲延。對信號在時間上產(chǎn)生固定的遲延。n這種情況也稱信號是這種情況也稱信號是無失真?zhèn)鬏敓o失真?zhèn)鬏敗整個頻率范圍其幅頻特性為常數(shù)整個頻率范圍其幅頻特性為常數(shù)(或在信號頻帶范圍之內(nèi)或在信號頻帶范圍之內(nèi)為常數(shù)為常數(shù))，n其相頻特性為其相頻特性為 的線性函數(shù)的線性函數(shù) )()(0dttKth)(ts)()(0dttsKtr第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)29三、幅頻失真三、幅頻失真n如果信道的幅度如果信道的幅度-頻率特性在信號頻帶范頻率特性在信號頻帶范圍之內(nèi)不是常數(shù)，則會使信號產(chǎn)生幅度圍之內(nèi)不是常數(shù)，則會使信號產(chǎn)生幅度-頻率失

22、真頻率失真 n幅度幅度-頻率失真是由實(shí)際信道的幅度頻率頻率失真是由實(shí)際信道的幅度頻率特性的不理想所引起的，這種失真又稱為特性的不理想所引起的，這種失真又稱為頻率失真，屬于頻率失真，屬于線性失真線性失真。n信道的幅度信道的幅度-頻率特性不理想會使通過它頻率特性不理想會使通過它的信號波形產(chǎn)生失真，的信號波形產(chǎn)生失真， 若在這種信道中傳若在這種信道中傳輸數(shù)字信號，則會引起相鄰數(shù)字信號波形輸數(shù)字信號，則會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時間上的相互重疊，造成之間在時間上的相互重疊，造成碼間干擾碼間干擾。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)30典型音頻電話信道的幅度衰減特性典型音頻電話信道的幅度衰減特

23、性 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)31四、相位四、相位-頻率失真頻率失真n當(dāng)信道的相位當(dāng)信道的相位-頻率特性偏離線性關(guān)系時，頻率特性偏離線性關(guān)系時，將會使通過信道的信號產(chǎn)生相位將會使通過信道的信號產(chǎn)生相位-頻率失真，頻率失真，屬于線性失真。屬于線性失真。n在話音傳輸中，由于人耳對相頻失真不太在話音傳輸中，由于人耳對相頻失真不太敏感，因此相頻失真對模擬話音傳輸影響敏感，因此相頻失真對模擬話音傳輸影響不明顯。不明顯。n如果傳輸數(shù)字信號，相頻失真同樣會引起如果傳輸數(shù)字信號，相頻失真同樣會引起碼間干擾，特別當(dāng)傳輸速率較高時，相頻碼間干擾，特別當(dāng)傳輸速率較高時，相頻失真會引起嚴(yán)重的失真會引

24、起嚴(yán)重的碼間干擾碼間干擾，使誤碼率性，使誤碼率性能降低。能降低。 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)32典型電話信道相頻特性和群遲延頻率特性典型電話信道相頻特性和群遲延頻率特性西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)第三章第三章333.4 隨參信道的特性及其對信隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懱杺鬏數(shù)挠绊懛祷胤祷氐谌碌谌挛靼搽娮涌萍即髮W(xué)西安電子科技大學(xué)34一、隨參信道舉例一、隨參信道舉例n隨參信道是指信道傳輸特性隨時間隨參信道是指信道傳輸特性隨時間隨機(jī)快速變化隨機(jī)快速變化的信道。的信道。n隨參信道舉例隨參信道舉例n陸地移動信道陸地移動信道n短波電離層反射信道短波電離層反射信道n超短波流

25、星余跡散射信道超短波流星余跡散射信道n超短波及微波對流層散射信道超短波及微波對流層散射信道n超短波電離層散射超短波電離層散射n超短波超視距繞射超短波超視距繞射 n第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)35一、隨參信道舉例一、隨參信道舉例n自由空間傳播自由空間傳播n接收天線輸出功率接收天線輸出功率n歸一化，歸一化，GT=GR=1時時n自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗24dGGPPRTTR24dPPTR24dPPLRTfs第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)36一、隨參信道舉例一、隨參信道舉例n自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)37陸地移動信

26、道陸地移動信道n陸地移動通信工作頻段主要在陸地移動通信工作頻段主要在VHF和和UHF頻段，電波傳頻段，電波傳播特點(diǎn)是以直射波為主。但是，播特點(diǎn)是以直射波為主。但是， 由于城市建筑群和其他由于城市建筑群和其他地形地物的影響，電波在傳播過程中會產(chǎn)生反射波、散地形地物的影響，電波在傳播過程中會產(chǎn)生反射波、散射波以及它們的合成波，電波傳輸環(huán)境較為復(fù)雜，因此射波以及它們的合成波，電波傳輸環(huán)境較為復(fù)雜，因此移動信道是典型的隨參信道。移動信道是典型的隨參信道。n移動信道的傳播路徑移動信道的傳播路徑hbd2dd1hm第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)38短波電離層反射信道短波電離層反射信道n電離層厚

27、度有數(shù)百千米，可分為電離層厚度有數(shù)百千米，可分為D、E、F1和和F2四層，如圖所示。由于太陽輻射的變化，電離層四層，如圖所示。由于太陽輻射的變化，電離層的密度和厚度也隨時間隨機(jī)變化，因此短波電離的密度和厚度也隨時間隨機(jī)變化，因此短波電離層反射信道也是隨參信道。在白天，由于太陽輻層反射信道也是隨參信道。在白天，由于太陽輻射強(qiáng)，所以射強(qiáng)，所以D、E、F1和和F2四層都存在。在夜晚，四層都存在。在夜晚，由于太陽輻射減弱，由于太陽輻射減弱，D層和層和F1層幾乎完全消失，層幾乎完全消失，因此只有因此只有E層和層和F2層存在。由于層存在。由于D、E層電子密度層電子密度小，不能形成反射條件，所以短波電波不會

28、被反小，不能形成反射條件，所以短波電波不會被反射。射。D、E層對電波傳輸?shù)挠绊懼饕俏针姴ǎ瑢訉﹄姴▊鬏數(shù)挠绊懼饕俏针姴?，使電波能量損耗。使電波能量損耗。F2層是反射層，其高度為層是反射層，其高度為250300km，所以一次反射的最大距離約為，所以一次反射的最大距離約為4000km。 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)39電離層結(jié)構(gòu)示意圖電離層結(jié)構(gòu)示意圖 0FFED300 kmAB地球FBA地球反射點(diǎn)第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)40短波電離層反射信道短波電離層反射信道n最高可用頻率：是指當(dāng)電波以角入射時，最高可用頻率：是指當(dāng)電波以角入射時，能從電離層反射的最高頻

29、率，可表示為能從電離層反射的最高頻率，可表示為 n 時能從電離層反射的最高頻率稱為時能從電離層反射的最高頻率稱為臨界頻率臨界頻率 。 n在白天，電離層較厚，在白天，電離層較厚，F(xiàn)2層的電子密度較層的電子密度較大，最高可用頻率較高。在夜晚，電離層大，最高可用頻率較高。在夜晚，電離層較薄，較薄，F(xiàn)2層的電子密度較小，最高可用頻層的電子密度較小，最高可用頻率要比白天低。率要比白天低。 00secffMUF000f第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)41短波電離層反射信道短波電離層反射信道n短波電離層反射信道最主要的特征是多徑短波電離層反射信道最主要的特征是多徑傳播，多徑傳播有以下幾種形式傳播

30、，多徑傳播有以下幾種形式n電波從電離層的一次反射和多次反射；電波從電離層的一次反射和多次反射；n電離層反射區(qū)高度所形成的細(xì)多徑；電離層反射區(qū)高度所形成的細(xì)多徑；n地球磁場引起的尋常波和非尋常波；地球磁場引起的尋常波和非尋常波；n電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象。電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)42多徑形式示意圖多徑形式示意圖第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)43二、隨參信道特性二、隨參信道特性n隨參信道特性：隨參信道特性：n對信號的衰減隨時間而變化對信號的衰減隨時間而變化n傳輸?shù)臅r延隨時間而變化傳輸?shù)臅r延隨時間而變化n多徑傳播多徑傳播n由于隨參信

31、道比恒參信道復(fù)雜得多，它對信號傳由于隨參信道比恒參信道復(fù)雜得多，它對信號傳輸?shù)挠绊懸脖群銋⑿诺绹?yán)重得多。下面我們將從輸?shù)挠绊懸脖群銋⑿诺绹?yán)重得多。下面我們將從兩個方面進(jìn)行討論兩個方面進(jìn)行討論第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)44多徑衰落與頻率彌散多徑衰落與頻率彌散n假設(shè)發(fā)送信號為單一頻率正弦波假設(shè)發(fā)送信號為單一頻率正弦波 n多徑信道一共有多徑信道一共有n條路徑，各條路徑具有條路徑，各條路徑具有時變衰耗時變衰耗和和時變時變傳輸時延傳輸時延且各條路徑到達(dá)接收端的信號相互且各條路徑到達(dá)接收端的信號相互獨(dú)立獨(dú)立n則接收端接收到的合成波為則接收端接收到的合成波為 tAtsccos)(11221

32、( )( )cos( )( )cos( ) ( )cos( ) ( )cos( )ccncnniciir ta ttta ttta ttta ttt第第i條路徑到達(dá)接收端信號振幅條路徑到達(dá)接收端信號振幅 傳輸時延傳輸時延 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)45n傳輸時延可以轉(zhuǎn)換為相位的形式傳輸時延可以轉(zhuǎn)換為相位的形式 n根據(jù)概率論中心極限定理，根據(jù)概率論中心極限定理，n當(dāng)當(dāng)n足夠大時，足夠大時，x(t)和和y(t)都趨于正態(tài)分布都趨于正態(tài)分布n表示為包絡(luò)和相位的形式表示為包絡(luò)和相位的形式 n包絡(luò)的一維分布服從瑞利分布，相位的一維分布服從均勻包絡(luò)的一維分布服從瑞利分布，相位的一維分布服

33、從均勻分布分布 niicitttatr1)(cos)()()()(ttici11( )( )coscos( )sinsin ( )cos( )sinnniiciiciiccr ta tta ttX ttY ttniiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()()(cos)()(tttVtrc第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)46n相對于載波來說相對于載波來說 和和 是慢變化隨機(jī)過程是慢變化隨機(jī)過程 n于是于是r(t)可以看成是一個窄帶隨機(jī)過程?？梢钥闯墒且粋€窄帶隨機(jī)過程。 n我們可以得到以下兩個結(jié)論我們可以得到以下兩個結(jié)論n多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡(luò)和多徑傳

34、播使單一頻率的正弦信號變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號，即號，即多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落；n多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜，即多徑多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜，即多徑傳播引起了傳播引起了頻率彌散頻率彌散。)(tV)(t第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)47頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬n當(dāng)發(fā)送信號是具有一定頻帶寬度的信號時，多徑傳播當(dāng)發(fā)送信號是具有一定頻帶寬度的信號時，多徑傳播除了會使信號產(chǎn)生瑞利型衰落之外，還會產(chǎn)生頻率選除了會使信號產(chǎn)生瑞利型衰落之外，還會產(chǎn)生頻率選

35、擇性衰落。擇性衰落。n假設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條假設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條n輸出信號為輸出信號為)()()(0ttkstkstsii第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)48n其頻域表示式為其頻域表示式為n信道傳輸函數(shù)為信道傳輸函數(shù)為n信道幅頻特性為信道幅頻特性為( )0( )( )( )( ) ( ) 1jtiijtiSkSkSekSe )(01)()()(tjiekSSH( )( )( )12cos2jttHkek 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)49信道幅頻特性信道幅頻特性信號通過這種傳輸特性的信道時信號的頻譜將產(chǎn)生失真。信號通過這種傳輸特性的信道時信號的頻譜將產(chǎn)生失真

36、。對于一般的多徑傳播，信道的傳輸特性將比兩條路徑信道對于一般的多徑傳播，信道的傳輸特性將比兩條路徑信道傳輸特性復(fù)雜得多，但同樣存在傳輸特性復(fù)雜得多，但同樣存在頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落現(xiàn)象。現(xiàn)象。 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)50n多徑傳播時的相對時延差通常用最大多徑時延差來表征。多徑傳播時的相對時延差通常用最大多徑時延差來表征。n設(shè)信道最大多徑時延差為設(shè)信道最大多徑時延差為 n則定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為則定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為n它表示信道傳輸特性相鄰兩個零點(diǎn)之間的頻率間隔。它表示信道傳輸特性相鄰兩個零點(diǎn)之間的頻率間隔。n如果信號的頻譜比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生嚴(yán)重的頻

37、率如果信號的頻譜比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。選擇性衰落。n為了減小頻率選擇性衰落，就應(yīng)使信號的頻譜小于相為了減小頻率選擇性衰落，就應(yīng)使信號的頻譜小于相關(guān)帶寬。關(guān)帶寬。n在工程設(shè)計(jì)中，為了保證接收信號質(zhì)量，通常選擇信在工程設(shè)計(jì)中，為了保證接收信號質(zhì)量，通常選擇信號帶寬為相關(guān)帶寬的號帶寬為相關(guān)帶寬的 。n當(dāng)在多徑信道中傳輸數(shù)字信號時，特別是傳輸高速數(shù)字信當(dāng)在多徑信道中傳輸數(shù)字信號時，特別是傳輸高速數(shù)字信號，頻率選擇性衰落將會引起嚴(yán)重的碼間干擾號，頻率選擇性衰落將會引起嚴(yán)重的碼間干擾 mmcB11 5 1 3三、相干帶寬三、相干帶寬第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)51如何

38、避免頻率選擇性衰落如何避免頻率選擇性衰落n信號頻譜窄帶化信號頻譜窄帶化n積極措施：積極措施：n分集，均衡，正交頻分復(fù)用分集，均衡，正交頻分復(fù)用OFDM，單載波頻，單載波頻域均衡域均衡FDE，西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)第三章第三章523.5 信道加性噪聲信道加性噪聲返回返回第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)53一、噪聲分類一、噪聲分類n加性噪聲與信號相互獨(dú)立，并且始終存在。加性噪聲與信號相互獨(dú)立，并且始終存在。n實(shí)際中只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不實(shí)際中只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。因此，加性噪聲不可避免能徹底消除加性噪聲。因此，加性噪聲不可避免地

39、會對通信造成危害。地會對通信造成危害。n噪聲來源噪聲來源n人為噪聲人為噪聲n人類活動所產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲人類活動所產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲 n自然噪聲自然噪聲n自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲 n內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲n通信設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲通信設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)54按照噪聲的性質(zhì)分類按照噪聲的性質(zhì)分類 n單頻噪聲單頻噪聲是一種連續(xù)波干擾。是一種連續(xù)波干擾。n可以通過合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)避免單頻噪聲的干擾?？梢酝ㄟ^合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)避免單頻噪聲的干擾。n脈沖噪聲脈沖噪聲是在時間上無規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。是

40、在時間上無規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。n包括工業(yè)干擾中的電火花、汽車點(diǎn)火噪聲、雷電等。包括工業(yè)干擾中的電火花、汽車點(diǎn)火噪聲、雷電等。n脈沖噪聲的特點(diǎn)是以脈沖噪聲的特點(diǎn)是以突發(fā)突發(fā)脈沖形式出現(xiàn)、干擾持續(xù)脈沖形式出現(xiàn)、干擾持續(xù)時間時間短短、脈沖、脈沖幅度大幅度大。n周期是隨機(jī)的且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間有較長的安靜時間。周期是隨機(jī)的且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間有較長的安靜時間。n由于脈沖很窄，所以其頻譜很寬。由于脈沖很窄，所以其頻譜很寬。n可以通過選擇合適的工作頻率、遠(yuǎn)離脈沖源等措施減小可以通過選擇合適的工作頻率、遠(yuǎn)離脈沖源等措施減小和避免脈沖噪聲的干擾。和避免脈沖噪聲的干擾。n起伏噪聲起伏噪聲是一種連續(xù)波隨機(jī)噪聲。是一種

41、連續(xù)波隨機(jī)噪聲。n包括熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲。包括熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲。n起伏噪聲的特點(diǎn)是具有很寬的頻帶，并且始終存在，它起伏噪聲的特點(diǎn)是具有很寬的頻帶，并且始終存在，它是影響通信系統(tǒng)性能的主要因素。是影響通信系統(tǒng)性能的主要因素。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)55起伏噪聲及其特性起伏噪聲及其特性n熱噪聲熱噪聲n是由傳導(dǎo)媒質(zhì)中電子的隨機(jī)運(yùn)動而產(chǎn)生的是由傳導(dǎo)媒質(zhì)中電子的隨機(jī)運(yùn)動而產(chǎn)生的n熱噪聲的功率譜密度熱噪聲的功率譜密度n通常我們把這種噪聲按白噪聲處理通常我們把這種噪聲按白噪聲處理 Pn( f )2kRT00.20.4hf / KT第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技

42、大學(xué)56高斯白噪聲高斯白噪聲n熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲這些起伏噪聲都可以認(rèn)為是熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲這些起伏噪聲都可以認(rèn)為是一種高斯噪聲，且功率譜密度在很寬的頻帶范圍都是常數(shù)。一種高斯噪聲，且功率譜密度在很寬的頻帶范圍都是常數(shù)。因此，因此，起伏噪聲通常被認(rèn)為是近似高斯白噪聲起伏噪聲通常被認(rèn)為是近似高斯白噪聲。n高斯白噪聲的雙邊功率譜密度為高斯白噪聲的雙邊功率譜密度為 n其自相關(guān)函數(shù)為其自相關(guān)函數(shù)為n其一維概率密度函數(shù)為其一維概率密度函數(shù)為 0( )(/)2nnPfW Hz)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvf第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)57高斯噪聲通過線性系統(tǒng)

43、高斯噪聲通過線性系統(tǒng)n一個通信系統(tǒng)的線性部分可以用線性網(wǎng)絡(luò)來描述，一個通信系統(tǒng)的線性部分可以用線性網(wǎng)絡(luò)來描述，通常具有帶通特性。通常具有帶通特性。n當(dāng)寬帶起伏噪聲通過帶通特性網(wǎng)絡(luò)時，當(dāng)寬帶起伏噪聲通過帶通特性網(wǎng)絡(luò)時， 輸出噪聲輸出噪聲就變?yōu)榫妥優(yōu)閹ㄐ驮肼晭ㄐ驮肼?。如果線性網(wǎng)絡(luò)具有窄帶特性，。如果線性網(wǎng)絡(luò)具有窄帶特性， 則輸出噪聲為則輸出噪聲為窄帶噪聲窄帶噪聲。n帶通型噪聲的頻譜具有一定的寬度，帶通型噪聲的頻譜具有一定的寬度，噪聲的帶寬噪聲的帶寬可以用不同的定義來描述。為了使得分析噪聲功可以用不同的定義來描述。為了使得分析噪聲功率相對容易，通常用率相對容易，通常用噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬來描

44、述。來描述。第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)58等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬n噪聲等效帶寬定義為噪聲等效帶寬定義為n其物理意義為：高度為其物理意義為：高度為Pn(fc)，寬度為，寬度為Bn的噪的噪聲功率與功率譜密度為聲功率與功率譜密度為Pn(f)的帶通型噪聲功率的帶通型噪聲功率相等相等)()()(2)(0cnncnnnfPdffPfPdffPB西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)第三章第三章593.6 信道容量信道容量返回返回第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)60引言引言n信道容量是指在白噪聲背景下，信道中信信道容量是指在白噪聲背景下，信道中信息無差錯傳輸?shù)淖畲笏俾省Ｏo差錯傳輸

45、的最大速率。n在信道模型中，我們定義了兩種廣義信道：在信道模型中，我們定義了兩種廣義信道：調(diào)制信道和編碼信道。調(diào)制信道和編碼信道。n調(diào)制信道是一種連續(xù)信道，可以用連續(xù)信道的調(diào)制信道是一種連續(xù)信道，可以用連續(xù)信道的信道容量來表征；信道容量來表征；n編碼信道是一種離散信道，可以用離散信道的編碼信道是一種離散信道，可以用離散信道的信道容量來表征。信道容量來表征。n在此處，我們只討論連續(xù)信道的信道容量。在此處，我們只討論連續(xù)信道的信道容量。 第三章第三章西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)61一、香農(nóng)（一、香農(nóng)（shannon）公式）公式n帶寬為帶寬為B(Hz)的連續(xù)信道，其輸入信號為的連續(xù)信道，其輸入信號為x(t)，信道加性高斯白噪聲為信道加性高斯白噪聲為n(t)，則信道輸出為，則信道輸出為n輸入信號的功率為輸入信號的功率為S；信道噪聲的功率為；信道噪聲的功率為N， 的均值為零，方差為的均值為零，方差為 ，單邊功率譜密度為，單邊功率譜密度為n香農(nóng)公式表明的是當(dāng)信號與信道加性高斯白噪聲的平均功香農(nóng)公式表明的是當(dāng)信號與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時率給定時，在具有一定頻帶寬度的信道上