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第三章 信道第三章 信道 南京航空航天大学电子信息工程学院 通信原理教研组 南京航空航天大学电子信息工程学院 通信原理教研组 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组2 信道定义与分类信道定义与分类1 信道的数学模型信道的数学模型2 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响3 信道中的噪声信道中的噪声4 信道容量信道容量5 本章内容本章内容 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组3 3 2 信道的定义3 2 信道的定义 是指以是指以传输媒质为基础的信号通路传输媒质为基础的信号通路 可分 为 可分 为有线信道有线信道与与无线信道无线信道两类 两类 一 狭义信道一 狭义信道 有线信道 有线信道 明线 对称电缆 同轴电缆及光缆等 明线 对称电缆 同轴电缆及光缆等 无线信道 无线信道 地波传播 短波地波传播 短波电离层反射电离层反射 超短波或 微波 超短波或 微波视距中继视距中继 人造 人造卫星中继卫星中继以及各种以及各种散射信道散射信道等 等 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组4 除传输媒质外 还包括相关变换装置 如发送设 备 接收设备 馈线与天线 调制器 解调器等 在 内的信道 按照功能可分为 除传输媒质外 还包括相关变换装置 如发送设 备 接收设备 馈线与天线 调制器 解调器等 在 内的信道 按照功能可分为调制信道调制信道和和编码信道编码信道 调制器调制器 发转换器发转换器 媒质媒质 收转换器收转换器 解调器解调器 调制信道 编码信道 编码器译码器 调制信道 编码信道 编码器译码器 二 广义信道二 广义信道 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组5 1 调制信道的特点1 调制信道的特点 1 有一对 或多对 1 有一对 或多对 输入端输入端和一对 或多对 和一对 或多对 输出端输出端 2 绝大多数信道都是 2 绝大多数信道都是线性的线性的 满足叠加原理 3 信号通过信道具有一定的 满足叠加原理 3 信号通过信道具有一定的迟延时间迟延时间 4 信道对信号有损耗 包括 4 信道对信号有损耗 包括固定损耗或时变损耗固定损耗或时变损耗 5 即使 5 即使没有没有信号输入 在信道的输出端仍信号输入 在信道的输出端仍有有一定的 功率输出 一定的 功率输出 噪声噪声 一 调制信道模型一 调制信道模型 3 3 信道的数学模型3 3 信道的数学模型 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组6 输出与输入的关系 输出与输入的关系 eo t f ei t n t 时变线 性网络 时变 线性 网络 ei t e0 t ei1 t e01 t ei2 t e02 t eim t e0m t ei t 输入的输入的已调信号已调信号 eo t 信道总信道总输出波形输出波形 n t 加性噪声加性噪声 或称加性干扰 或称加性干扰 f ei t 已调信号通过网络所发生的已调信号通过网络所发生的时变时变线性变换 线性变换 若为若为k t ei t 的形式则称其为乘性干扰 的形式则称其为乘性干扰 2 调制信道的表示2 调制信道的表示 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组7 1 乘性干扰 乘性干扰 k t 不随时间变化或变化极为缓慢 称为不随时间变化或变化极为缓慢 称为恒 参信道 恒 参信道 k t 是随机快速变化的 称为是随机快速变化的 称为随参信道随参信道 它 是非恒参信道的统称 它 是非恒参信道的统称 2 加性干扰 加性干扰 n t 独立于独立于ei t 3 调制信道对信号的影响 调制信道对信号的影响 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组8 输入 输出均为数字信号 输入 输出均为数字信号 信道的影响表 现在输入 输出序列是否一致 信道的影响表 现在输入 输出序列是否一致 信道特性越差 和干扰越大 则发生差错的概率也就越大 无记忆编码信道 有记忆编码信道 信道特性越差 和干扰越大 则发生差错的概率也就越大 无记忆编码信道 有记忆编码信道 二进制编码信道 多进制编码信道 二进制编码信道 多进制编码信道 二 编码信道模型二 编码信道模型 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组9 解调器每个输出码元的差错发生是解调器每个输出码元的差错发生是相互独 立的 相互独 立的 则信道是无记忆的 即一码元的差错与 其前后码元是否发生差错无关 则信道是无记忆的 即一码元的差错与 其前后码元是否发生差错无关 P i j 转移概率转移概率0 1 1 P 1 0 P 0 0 P 0 1 P 1 1 0 P 0 0 P 1 0 1 P 0 1 P 1 1 1 二进制时 二进制时 nn P 0 n P n n P 1 n 1 无记忆编码信道模型 无记忆编码信道模型 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组10 0 9 0 1 0 1 0 9 0 1 0 1 弱干扰 无干扰 强干扰 弱干扰 无干扰 强干扰 0 1 0 1 0 5 0 5 0 5 0 5 0 1 1 0 1 1 几种特例几种特例 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组11 信道中一个信道中一个码元发生差错是与前后码 元的差错是关联的 码元发生差错是与前后码 元的差错是关联的 则其模型比较复杂 相应的转移概率计算也很复杂 则其模型比较复杂 相应的转移概率计算也很复杂 本课程只涉及无记忆信道 本课程只涉及无记忆信道 2 有记忆编码信道 有记忆编码信道 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组12 1 明线1 明线 平行而相互绝缘的平行而相互绝缘的架空裸线线路架空裸线线路 优点优点 传输损 耗低 传输损 耗低 缺点 缺点 易受气候和天气的影响 并且对外界噪 声干扰较敏感 易受气候和天气的影响 并且对外界噪 声干扰较敏感 2 对称电缆2 对称电缆 在同一保护层内有多对在同一保护层内有多对相互绝缘的双导线相互绝缘的双导线的传输 媒质 每一对线都拧成 的传输 媒质 每一对线都拧成扭绞状扭绞状 减小各线对之间的相 互干扰 传输损耗比明线大得多 但传输特性比较稳定 减小各线对之间的相 互干扰 传输损耗比明线大得多 但传输特性比较稳定 1 三种有线电信道1 三种有线电信道 3 4 恒参信道举例恒参信道举例 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组13 3 同轴电缆3 同轴电缆 由同轴的两个导体构成 外导体是一个圆柱形的空 管 由 由同轴的两个导体构成 外导体是一个圆柱形的空 管 由金属丝编织金属丝编织而成 内导体是而成 内导体是金属线金属线 芯线 它 们之间填充着介质 也可能是空气 芯线 它 们之间填充着介质 也可能是空气 塑料外皮 双绞线 5对 对称电缆 同轴电缆 对称电缆 同轴电缆 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组14 三种有线电信道的比较三种有线电信道的比较 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组15 以以光导纤维为传输媒质 光波为载波光导纤维为传输媒质 光波为载波的信道 优点 的信道 优点 传输容量极大传输容量极大 损耗低 频带宽 线径细 重量轻 可弯曲半径小 不怕腐蚀 节省有色金属 损耗低 频带宽 线径细 重量轻 可弯曲半径小 不怕腐蚀 节省有色金属 不 受电磁干扰 不 受电磁干扰 中继站中继站 2 光纤信道2 光纤信道 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组16 光源光源是光载波的发生器 半导体发光二极管 LED 或激光二极管 LD 光源 是光载波的发生器 半导体发光二极管 LED 或激光二极管 LD 光源 光纤线路光纤线路是一根或多很光纤 是一根或多很光纤 光探测器光探测器 用PIN光电二极管或雪崩光电二极管 APD管 来实现光强度的检测 用PIN光电二极管或雪崩光电二极管 APD管 来实现光强度的检测 直接中继器直接中继器是光放大器 直接将光信号放大以补 偿光纤的传输损耗 以便延长传输距离 是光放大器 直接将光信号放大以补 偿光纤的传输损耗 以便延长传输距离 间接中继器间接中继器是将光信号先解调为电信号 经放大 或再生处理后 再调制到光载波上 利用光纤继续进 行传输 是将光信号先解调为电信号 经放大 或再生处理后 再调制到光载波上 利用光纤继续进 行传输 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组17 当光纤中只能当光纤中只能传输一种光波的模式传输一种光波的模式 时 称为时 称为单模光纤单模光纤 单模光纤的芯径极小 传光特性较 好 但因截面尺寸小 在制造 耦合和 连接上都比较困难 光纤中能传输 单模光纤的芯径极小 传光特性较 好 但因截面尺寸小 在制造 耦合和 连接上都比较困难 光纤中能传输多种光波的模式多种光波的模式则称 为 则称 为多模光纤多模光纤 多模光纤在制造 耦合和连接上都 比单模光纤容易 多模光纤在制造 耦合和连接上都 比单模光纤容易 对光纤最主要的要求是对光纤最主要的要求是低损耗低损耗和和低色散低色散 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组18 工作频率在工作频率在超短波和微波波段超短波和微波波段时 电磁波基 本上沿 时 电磁波基 本上沿视线视线传播 通信距离依靠中继方式延伸 相邻中继站间距离一般在 传播 通信距离依靠中继方式延伸 相邻中继站间距离一般在40 50km40 50km 传输容量大 传输容量大 发射功率小发射功率小 通信稳定可靠 通信稳定可靠 节省有 色金属 节省有 色金属等优点 被广泛用来传输等优点 被广泛用来传输多路电话及电视多路电话及电视 3 无线电视距中继无线电视距中继 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组19 视距传播距离与天线高度的关系视距传播距离与天线高度的关系 频率 30 MHz 距离 和天线高度有关 D表示收发天线间距离 km 频率 30 MHz 距离 和天线高度有关 D表示收发天线间距离 km 接收天线接收天线 dd h 发射天线 传播途径 发射天线 传播途径 D 地面地面 r r 视线传播视线传播 22 850 DD hm r 222 50 50m 85050 DD h r 例2 1 若要求D 50km 由上式可得 例2 1 若要求D 50km 由上式可得 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组20 在微波视距中继通信系统中 为在微波视距中继通信系统中 为提高频谱 利用率和减小射频信号邻近波道间的干扰 提高频谱 利用率和减小射频信号邻近波道间的干扰 需 要合理设计射频波道频率配置 需 要合理设计射频波道频率配置 四频制和二频制配置方式四频制和二频制配置方式 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组21 同步通信卫星同步通信卫星的轨道在赤道平面上 离地面高度为 35860km 它作为中继站可实现地球上 的轨道在赤道平面上 离地面高度为 35860km 它作为中继站可实现地球上18000km范围内 的多点之间的连接 18000km范围内 的多点之间的连接 优点 优点 传输距离远 覆盖地域广传输距离远 覆盖地域广 传播稳定可靠 传输容量大 应用 广泛用来传输多路电话 电报 数据和电视 在几百公里高度的 传播稳定可靠 传输容量大 应用 广泛用来传输多路电话 电报 数据和电视 在几百公里高度的低轨道上运行的卫星低轨道上运行的卫星 由于要 求地球站的发射功率较小 特别适用于 由于要 求地球站的发射功率较小 特别适用于移动通信和个 人通信系统 移动通信和个 人通信系统 4 卫星中继信道4 卫星中继信道 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组22 通信卫星 地球站 上行线路及下行线路通信卫星 地球站 上行线路及下行线路 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组23 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 目前已发射目前已发射3颗北斗导航卫星 颗北斗导航卫星 2012年左右年左右发射发射 10多颗卫星后 系统将覆盖多颗卫星后 系统将覆盖亚太地区的定位亚太地区的定位 导航和 授时以及短报文通信服务能力 导航和 授时以及短报文通信服务能力 2020年左右年左右 发射静 止轨道和 发射静 止轨道和30颗非静止轨道卫星组网 届时将完全建成颗非静止轨道卫星组网 届时将完全建成 覆盖全球覆盖全球的北斗卫星导航系统 的北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统由由空间段 地面段和用户段空间段 地面段和用户段三 部分组成 空间段包括 三 部分组成 空间段包括5颗静止轨道卫星和颗静止轨道卫星和30颗非静止 轨道卫星 颗非静止 轨道卫星 地面段包括主控站 注入站和监测站等若 干个地面站 用户段包括北斗用户终端以及与其他卫 星导航系统兼容的终端 地面段包括主控站 注入站和监测站等若 干个地面站 用户段包括北斗用户终端以及与其他卫 星导航系统兼容的终端 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组24 3 5 恒参信道对信号传输的影响3 5 恒参信道对信号传输的影响 恒参信道对信号传输的影响是确定的或变化 极其缓慢 等效于一个 恒参信道对信号传输的影响是确定的或变化 极其缓慢 等效于一个非时变的线性网络非时变的线性网络 信号通过不产生失真信号通过不产生失真 应满足 1 幅频特性是不随频率变化的常数 2 相频特性与频率成线性关系 信道的传输特性可表示为 应满足 1 幅频特性是不随频率变化的常数 2 相频特性与频率成线性关系 信道的传输特性可表示为 j eHH 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组25 O K0 H a O td b O td c 理想情况幅频特性 相频特性和群迟延 频率特性理想情况幅频特性 相频特性和群迟延 频率特性 一般利用群延迟分析相频特性 一般利用群延迟分析相频特性 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组26 音频电话信道音频电话信道 低频端截止频率约在低频端截止频率约在300Hz 300 1100Hz范围内衰耗比较平坦范围内衰耗比较平坦 1100 2900Hz之间 衰耗线性上升的 之间 衰耗线性上升的 2900Hz以上 每倍频程增加以上 每倍频程增加 80 90dB 解决方案 解决方案 改善电话信道中的滤波性能 或者通过 线性补偿网络 使衰耗特性曲线变得平坦 改善电话信道中的滤波性能 或者通过 线性补偿网络 使衰耗特性曲线变得平坦 均衡 均衡 原因 原因 有线电话信道中可能存在各种有线电话信道中可能存在各种滤波器 混合 线圈 串联电容和分路电感 滤波器 混合 线圈 串联电容和分路电感等 等 影响 影响 模拟信号模拟信号失真失真 数字信号 数字信号码间干扰码间干扰 1 幅度幅度 频率畸变频率畸变 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组27 解决方案 解决方案 群迟延畸变也是线性畸变 可采用群迟延畸变也是线性畸变 可采用相位 均衡技术 相位 均衡技术补偿 补偿 原因 原因 信道中的各种信道中的各种滤波器滤波器及可能有的及可能有的加感线圈加感线圈 尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重 尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重 d d 影响 影响 对模拟话音通信影响对模拟话音通信影响并不显著并不显著 因为人耳对相 频畸变不太灵敏 数字信号传输会引起 因为人耳对相 频畸变不太灵敏 数字信号传输会引起码间干扰码间干扰 群迟延 群迟延 相位特性对频率求导相位特性对频率求导 2 相位相位 频率畸变频率畸变 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组28 3 6 随参信道举例随参信道举例 1 短波电离层反射信道 1 短波电离层反射信道 由于太阳辐射的紫外线和由于太阳辐射的紫外线和X射线 使离地面射线 使离地面 60 600 km的大气层成为的大气层成为电离层电离层 当频率范围为 当频率范围为3 30 MHz的短波的短波 HF 也称为高 频 也称为高 频 无线电波射入电离层时 由于无线电波射入电离层时 由于折射现象折射现象会使 电波发生反射返回地面 从而形成短波电离层反 射信道 会使 电波发生反射返回地面 从而形成短波电离层反 射信道 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组29 一次反射的最大距离约为4000km 两次反射的通信距离可达8000km 一次反射的最大距离约为4000km 两次反射的通信距离可达8000km 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组30 当电磁波垂直入射 当电磁波垂直入射 0 0 0 时 能从电离层反 射的最高频率称为 0 时 能从电离层反 射的最高频率称为临界频率 临界频率 当电磁波以 当电磁波以 0 0角 入射时 能从电离层反射的最高频率称为 角 入射时 能从电离层反射的最高频率称为最高可 用频率 最高可 用频率 由于电离层的密度随昼夜 季节及年份 由于电离层的密度随昼夜 季节及年份剧烈 变化 剧烈 变化 使得最高可用频率和吸收损耗也相应变 化 使得最高可用频率和吸收损耗也相应变 化 工作频率需要经常更换工作频率需要经常更换 短波通信的工作频率短波通信的工作频率 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组31 短波通信中的多径传播短波通信中的多径传播 第一种情况第一种情况下的路程下的路程时延差最大时延差最大可达几毫秒 它不仅引起可达几毫秒 它不仅引起 快衰落快衰落 而且还会产生 而且还会产生多径时延失真多径时延失真 其他三种情况其他三种情况主要的影响是主要的影响是快衰落快衰落 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组32 2 对流层散射信道 对流层散射信道 对流层散射通信对流层散射通信 地球 有效散射区域 地球 有效散射区域 机理 由机理 由对流层不均匀性 湍流 对流层不均匀性 湍流 引起引起 频率 100 4000 MHz频率 100 4000 MHz 距离 100 600 km距离 100 600 km 离地面离地面10 12Km以下的大气层称为以下的大气层称为对流层对流层 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组33 3 陆地移动信道陆地移动信道 陆地移动通信频段主要在陆地移动通信频段主要在VHF和UHF频段 电 波传播以直射波为主 VHF和UHF频段 电 波传播以直射波为主 由于城市建筑群和其他 地形地物的影响 电波在传播过程中会产生反 射波 散射波以及它们的合成波 由于城市建筑群和其他 地形地物的影响 电波在传播过程中会产生反 射波 散射波以及它们的合成波 hb d2 d d1 hm 路径损耗路径损耗 阴影衰落阴影衰落 多径传播多径传播 Rayleigh Rice随机衰落Rayleigh Rice随机衰落 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组34 3 7 随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响 随参信道对信号传输影响 随参信道对信号传输影响 对信号的衰减随时间变化对信号的衰减随时间变化 传输时延随时间变化传输时延随时间变化 多径效应 多径效应 信号经过几条路径到达接收 端 而且每条路径的长度 时延 和衰减 都随时间而变 即存在 信号经过几条路径到达接收 端 而且每条路径的长度 时延 和衰减 都随时间而变 即存在多径传播现象多径传播现象 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组35 设发射信号为 接收信号为 设发射信号为 接收信号为 由第 由第i i条路径到达的条路径到达的接收信号振幅接收信号振幅 由第 由第i i条路径达到的条路径达到的信号的时延信号的时延 上式中的都是 上式中的都是随机变化随机变化的 的 1 多径效应和频率弥散 多径效应和频率弥散 tA 0 cos n i n i iiii tttttttR 11 00 cos cos t i t i ttt iii 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组36 n i n i iiii tttttttR 11 00 sin sin cos cos 00 cos sin cs XttXtt 应用三角公式化简上式 应用三角公式化简上式 接收信号可以由互相正交的两个分量组成 这两个分量的振幅都缓慢随机变化 接收信号可以由互相正交的两个分量组成 这两个分量的振幅都缓慢随机变化 振幅缓慢随机变化振幅缓慢随机变化 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组37 接收端的合成信号可以看作是一个包络和相 位随机缓慢变化的窄带信号 接收端的合成信号可以看作是一个包络和相 位随机缓慢变化的窄带信号 0 cos R tV ttt 接收信号的包络 接收信号的相位 接收信号的包络 接收信号的相位 22 tXtXtV sc tan 1 tX tX t c s f V t 0 2 fdtdt t f 0 f 简化上式 简化上式 发送信号发送信号 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组38 结论结论 快衰落 快衰落 衰落周期和码元周期可以相比 衰落周期和码元周期可以相比 慢衰落 慢衰落 衰落周期远远大于码元周期 衰落周期远远大于码元周期 1 从时域上看 多径传播的结果使确定的 载频信号变成了 1 从时域上看 多径传播的结果使确定的 载频信号变成了包络和相位都随机变化包络和相位都随机变化的窄带 信号 这种信号称为 的窄带 信号 这种信号称为时间时间衰落 fading 信号衰落 fading 信号 2 从频域上看 多径传播引起了 2 从频域上看 多径传播引起了频率弥散 色散 频率弥散 色散 即由单个频率变成了一个窄带频谱 即由单个频率变成了一个窄带频谱 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组39 2 频率选择性衰落和相干带宽 频率选择性衰落和相干带宽 接收信号分别为 接收信号分别为 AfAf t t 0 0 和 和AfAf t t 0 0 其中 其中 A A 传播衰减 传播衰减 0 0第一条路径的时延 第一条路径的时延 两条路径的时延差 两条路径的时延差 设发射信号为 设发射信号为 f f t t 且仅有两条路径 且仅有两条路径 路 径衰减相同 时延不同 路 径衰减相同 时延不同 求此多径信道的传输函数求此多径信道的传输函数 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组40 所以多径信道的传输函数为 所以多径信道的传输函数为 其中 其中 A A 常数衰减因子 表示确定传输时延 与 常数衰减因子 表示确定传输时延 与 有关的复因子 有关的复因子 0 0 j eAFtAf 0 0 j eAFtAf 1 0 00 jj eeAFtAftAf 1 1 0 0 jj jj eAe F eeAF H 0 j e 1 j e 时域 频域 时域 频域 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组41 当一个传输信号的频谱宽于1 时 将致 使某些频率分量被衰落 这种现象称为 当一个传输信号的频谱宽于1 时 将致 使某些频率分量被衰落 这种现象称为频率选 择性衰落 简称选择性衰落 频率选 择性衰落 简称选择性衰落 22 1 1cos sin2 cos 2 j e 复因子模值复因子模值 频率选择性衰落频率选择性衰落 t 与相对时延差有关 与相对时延差有关 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组42 相关带宽相关带宽 如果如果传输信号的带宽大于 传输信号的带宽大于 f f 信号会产生 信号会产生 明显的频率选择性衰落明显的频率选择性衰落 引起严重的码间干扰 为了减小码间串扰的影响 通常要 引起严重的码间干扰 为了减小码间串扰的影响 通常要降低码元 传输速率 降低码元 传输速率 此时信号带宽也随之减小 对于任意多径情况 设信道的最大时延差 为 则 此时信号带宽也随之减小 对于任意多径情况 设信道的最大时延差 为 则相邻两个零点之间的频率间隔相邻两个零点之间的频率间隔通常称 为 通常称 为相关带宽 相关带宽 1 m f m 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组43 3 8 随参信道特性的改善随参信道特性的改善 抗慢衰落 抗慢衰落 加大发射功率 在接收机内采用 自动增益控制等技术 加大发射功率 在接收机内采用 自动增益控制等技术 抗快衰落 抗快衰落 各种抗衰落的调制 解调技术 抗 衰落接收技术 扩频技术 其中明显有效且常用 的措施是 各种抗衰落的调制 解调技术 抗 衰落接收技术 扩频技术 其中明显有效且常用 的措施是分集接收技术分集接收技术 随参信道衰落会严重影响通信系统的性能 实际中需要采取各种措施 随参信道衰落会严重影响通信系统的性能 实际中需要采取各种措施抵消衰落的影响抵消衰落的影响 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组44 基本思想基本思想 在接收端 在接收端同时获得几个不 同的合成信号 同时获得几个不 同的合成信号 并将这些信号适当合并构 成总的接收信号 将 并将这些信号适当合并构 成总的接收信号 将有可能有可能大大减小衰落 的影响 大大减小衰落 的影响 要求要求 只有被分集的几个合成信号之 间是 只有被分集的几个合成信号之 间是统计独立统计独立的 合并后才能使系统性能 改善 的 合并后才能使系统性能 改善 1 分集接收的基本思想 分集接收的基本思想 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组45 为了获取为了获取互相独立或基本独立互相独立或基本独立的合成信 号 有如下几种常见分集方式 的合成信 号 有如下几种常见分集方式 1 空间分集 2 频率分集 3 角度分集 4 极化分集 1 空间分集 2 频率分集 3 角度分集 4 极化分集 2 得到独立信号的方式得到独立信号的方式 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组46 对分散的信号进行合并的 常见方法 1 最佳选择方式 2 等增益合并方式 3 最大比值合并方式 对分散的信号进行合并的 常见方法 1 最佳选择方式 2 等增益合并方式 3 最大比值合并方式 3 集中合成信号的方式集中合成信号的方式 最大比合并方式 等增益合并 最佳选择方式最大比合并方式 等增益合并 最佳选择方式 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组47 3 9 信道的加性噪声信道的加性噪声 信道中的加性噪声按信道中的加性噪声按来源来源来分 来分 人为噪声 开关火花 电台辐射 人为噪声 开关火花 电台辐射 自然噪声 闪电 大气噪声 宇宙 噪声 自然噪声 闪电 大气噪声 宇宙 噪声 内部噪声 内部噪声 热噪声热噪声 散弹噪声 散弹噪声 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组48 按噪声按噪声性质性质来分 来分 单频噪声单频噪声 脉冲干扰脉冲干扰 起伏噪声起伏噪声 是通信系统最基本的 噪声源 是通信系统最基本的 噪声源 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组49 1 1 热噪声热噪声 在电阻一类导体中自由电子的布朗运动引起的噪 声 服从 在电阻一类导体中自由电子的布朗运动引起的噪 声 服从高斯分布高斯分布 3 3 宇宙噪声宇宙噪声 天体辐射波对接收机形成的噪声 它在整个空间 的分布是不均匀的 最强的来自银河系的中部 其强 度与季节 频率等因素有关 也服从 天体辐射波对接收机形成的噪声 它在整个空间 的分布是不均匀的 最强的来自银河系的中部 其强 度与季节 频率等因素有关 也服从高斯分布高斯分布 2 2 散弹噪声散弹噪声 由真空电子管和半导体器件中电子发射的由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性不均匀性引 起的 是一个 引 起的 是一个高斯随机过程高斯随机过程 起伏噪声的分类起伏噪声的分类 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组50 散弹噪声 热噪声 宇宙噪声都是一种高斯 噪声 且在 散弹噪声 热噪声 宇宙噪声都是一种高斯 噪声 且在相当宽的频率范围内具有平坦的功 率谱密度 相当宽的频率范围内具有平坦的功 率谱密度 实际通信系统分析中三种起伏噪声 被近似成 实际通信系统分析中三种起伏噪声 被近似成高斯白噪声高斯白噪声 接收机接收机信道信道 高斯白噪声 信号 窄带高斯噪声 信号 高斯白噪声 信号 窄带高斯噪声 信号 信号信号 噪声源噪声源 1 2 3 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组51 1 高斯白噪声高斯白噪声 高斯白噪声 Gaussian white noise 高斯白噪声 Gaussian white noise 幅 值概率密度函数 幅 值概率密度函数服从高斯分布 且服从高斯分布 且功率谱密度功率谱密度 函数在整个频域内是常数 即服从均匀分布 函数在整个频域内是常数 即服从均匀分布 2 2 1 2 2 ax xp exp 0 2 1 xp ax 一维概率密度函数 一维概率密度函数 2013 11 29copyright 南航电子信息工程学院通信原理教研组南航电子信息工程学院通信原理教研组52 高斯白噪声高斯白噪声 n P R 2 0 n 2 0 n 双边功率谱双边功率谱 00 22 nn nn RP 自相关函数自相关函数 单边功率谱单边功率谱0 0 n Pn 0 2 n Pn 2013 11 29copyright 南航电子信息工