第2章信道与噪声概要.ppt

1 第2章信道与噪声 2 1信道的定义 分类与模型2 2恒参信道及其对所传信号的影响2 3变参信道及其对所传信号的影响2 4信道内的噪声 干扰 2 5通信中常见的几种噪声2 6信道容量的概念 2 2 1 1信道的定义 广义和狭义 广义地说 是指以传输媒介 质 为基础的信号通路 具体地说 广义信道是指由有线的或无线的线路设备及连接媒体 质 所共同提供的信号通路 抽象地说 广义信道就是指定的一段频带 它既让信号通过 同时又给信号一限制和带来损害 信道的作用是传输信号 狭义地理解信道 则仅指通信设备之间信号传输的媒介 目前采用的有线信道有双绞线及其电缆 同轴电缆 波导 光缆 无线信道则为无线电波的中 长波地表波传播 超短波及微波视距传播 短波电离层反射 超短波流星余迹散射 对流层散射 电离层散射 超短波超视距绕射 波导传播 光波视距传播等 2 1信道的定义 分类与模型 3 2 1 2信道的分类 由信道的定义可看出 信道可以从两种定义方式来划分 即狭义信道和广义信道划分 狭义信道划分通常可按连接发送 接收通信设备的具体媒介的不同类型分为有线信道和无线信道两大类 所谓有线信道是指传输媒介为明线 对称电缆 同轴电缆 光缆及波导等一类能够看得见的媒介 有线信道也是现代通信网中最常用的信道之一 如对称电缆 又称电话电缆 广泛应用于 市内 近程传输 除此之外还有端机的各接口连接线 无线信道可以这样认为 凡不属有线信道的媒质均为无线信道的媒质 它的传输媒质比较多 除真空空间外 它还包括短波电离层反射 大气对流层散射等 无线信道的传输特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠 但无线信道具有方便 灵活 通信 4 者可移动及易实现一对多或者多对多通信 广播 等优点 广义信道通常也可分成两种 调制信道和编码信道 调制信道是从研究调制与解调的性能出发而构成的 它的范围是从调制器输出端到解调器输入端 这样 从调制和解调的角度来看 由调制器输出端到解调器输入端的所有转换器及传输媒质 不管其中间过程如何 它们不过是把已调信号进行了某种变换而已 即只需关心变换的最终结果 而无需关心形成这个最终结果的详细过程 因此 研究调制与解调问题时 就只研究信道的模拟传输特性 如带宽 信噪比 幅频和相频特性 编码信道则是从直接研究数字系统的最终传输性能出发而构成的 它是指包含调制解调器在内的所有通信设备和连接媒介 它的输入 输出信号都是数字信号 在研究信道特性时关心的仅是误码率而不是信号失真情况 但实际上在一个信道中误码特性 5 按广义信道定义的信道结构划分 对有调制解调的则与调制信道有关 对无调制解调的误码特性则还由其收 发滤波器特性及n t 等因素有关 因此 两个本质是一致的 只是表述方法不同而已 6 2 1 3信道的模型 在通信系统中 了解信道主要是为了对通信系统进行性能分析 而广义信道的定义也是本着这一原则定义的 至于狭义信道则仅是广义信道的一个特殊划分方式 即其中的一部分 所以在此仅讨论广义信道模型就可以反映信道特性了 1 调制信道模型 研究人员以调制信道定义的范围为接口 通过对通信系统中相关部件进行大量的考察总结之后 发现它有如下主要特性 1 有一对 或多对 输入端 则必然有一对 或多对 输出端 2 绝大部分信道是线性的 输入与输出呈线性关系 即满足叠加原理 3 信号通过信道需要一定的迟延时间 固定或时变 7 4 信道对信号有一定的损耗 固定或时变 5 即使没有信号输入 在信道的输出端仍可能有一定的功率输出 噪声信号产生 8 对于二对端的信道模型来说 它的输入和输出之间的关系式可表示成 式中 ei t 输入的已调激励信号 eo t 信道输出信号波形 n t 信道噪声 或称信道干扰 f ei t 表示信道对信号影响 变换 的某种函数关系 由于上式的f ei t 形式是个高度概括的结果 为了进一步理解信道对信号的影响 考虑到绝大部分是线性信道 我们把函数f ei t 可以设想成为k t ei t 的形式 则有绝大部分信道 9 理想期望的信道 理想信道 应是 k t 常数 n t 0 即 对于多端对信道 仅需将上面的关系式用矩阵形式来表达即可 10 11 四进制无记忆编码信道模型 用来描述的概率函数有 P 0 0 P 1 0 P 2 0 P 3 0 P 1 1 P 0 1 P 2 1 P 3 1 P 2 2 P 0 2 P 1 2 P 3 2 P 3 3 P 0 3 P 1 3 P 2 3 它们之间同样满足 P 0 0 P 1 0 P 2 0 P 3 0 1P 1 1 P 0 1 P 2 1 P 3 1 1P 2 2 P 0 2 P 1 2 P 3 2 1P 3 3 P 0 3 P 1 3 P 2 3 1 12 2 2恒参调制信道及其对所传信号的影响 2 2 1幅度 频率特性畸变 衰耗 对信号传输的影响是 信号经过信道传输后各频率分量幅度和原来的分量不一致 即频率分量比例发生改变 故引起信号合成波形失真 图2 4典型音频电话信道的相对衰耗 幅度 频率特性畸变 是指信号通过信道时其不同的频率分量随频率值不同而衰耗不同所引起的畸变 13 2 2 2相位 频率特性畸变 群迟延畸变 所谓相位 频率畸变 是指信号通过信道时其不同的频率分量随频率值大小而偏离线性关系所引起的畸变 电路信道的相位 频率畸变主要来源于信道中的各种滤波器及可能有的电感线圈及电容器件 尤其在信道频带的边缘 相频畸变就更严重 相频畸变同样可以带来信号波形失真 但对模拟话音信号影响并不显著而对视频信号影响比较大 这是因为人的眼与耳对相频畸变敏感程度不一引起 而对数字信号传输则有较大的影响 尤其当传输速率比较高时 相频畸变将会引起严重的码间串扰 给通信带来很大损害 信道的相位 频率特性还经常采用群迟延 频率特性来衡量 所谓群迟延 频率特性 它就是相位 频率特性的导数 14 群延迟特性具有明确的物理意义 它实际就是信道中传输的信号各频率分量经信道传输后所附加的延迟时间 当一个信号通过信道后产生的附加延迟时间相等时 信号才不会出现相位失真 当然也就不会出现相应的波形失真 即 若相位 频率特性用 表示 则群迟延 频率特性 通常称为群迟延畸变或群迟延 为 图2 5相移失真前后的波形比较 基波延时180度时二次谐波延迟360度 15 图2 6理想信道的群迟延特性 16 图2 7典型电话信道的群迟延特性 17 2 2 3减小畸变的措施 恒参信道通常用它的幅度 频率特性及相位 频率特性来表述 因此 两个特性的不理想将是损害信号传输的重要因素 通常可通过均衡 补偿 的方法来校正 即用幅度均衡器和相位均衡器 此外 也还存在其它一些因素使信道的输出与输入发生畸变 例如非线性畸变 频率偏移及相位抖动等 非线性畸变主要由信道中的元器件 如磁芯 电子器件等 的非线性特性引起 造成谐波失真或产生寄生频率等 频率偏移通常是由于载波电话系统中接收端解调载波与发送端调制载波之间的频率有偏差 例如 解调载波可能没有锁定在调制载波上 而造成信道传输的信号之每一分量可能产生的频率变化 相位抖动也可由调制和解调载波发生器的不稳定性造成的 这种抖动的结果相当于发送信号附加上一个小指数的调频 以上这些畸变需要在系统设计时从技术上加以重视 18 2 3变参调制信道及其对所传信号的影响 2 3 1变参信道传输媒质的特点变参信道传输媒质通常具有以下特点 1 对信号的衰耗随时间的变化而变化 2 对信号的传输时延也随时间发生变化 3 信号传输具有多径传播 多径效应 像无线电短波的天波传播 移动通信的基站与移动手机之间的电波传播 还有 卫星通信中地面设备与星载设备之间的电波传播 它们都是变参信道的电波传播 19 2 3 2产生多径效应的机理分析 图2 8多径传播示意图 多径效应是信号在信道中传输时经不同的物理路径传播而到达接收端的一种现象 主要在移动通信 短波通信 卫星通信等等中出现 它会导致信号沿传播路径出现周期性衰落 即选择性衰落 下面来分析其作用机理 20 式中 ai t n条路径信号中第i条路径到达接收端的信号瞬时幅度 tdi t 对应于第i条路径的信号延迟时间 i t 相应于第i条路径的瞬时相位 即 i t ctdi t 设发送端为一单频余弦波信号 则经多径传播的信号到达接收点后的混合信号表达式为 21 由于ai t 和 i t 随时间的变化要比信号载频的周期变化慢得多 因此式上式又可写成 22 1 从波形上看 多径传播的结果使单一载频信号Acos ct变成了包络和相位都变化 实际上受到调制 的窄带信号 2 从频谱上看 多径传播引起了频率弥散 色散 即由单个频率变成了一个窄带频谱 3 多径传播会引起选择性衰落 下面来分析多径效应对信号传输的影响 为分析简单 下面假定只有两条传输路径 且认为接收端的幅度与发端一样 只是在到达时间上差一个时延 若发送信号为f t 它的频谱为F 记为 23 设经信道传输后第一条路径的时延为t0 在假定信道衰减为K的情况下 到达接收端的信号为Kf t t0 相应于它的傅氏变换为 另一条路径的时延为 t0 假定信道衰减也是K 故它到达接收端的信号为Kf t t0 相应于它的傅氏变换为 24 25 图2 9两条路径传播时在某一点选择性衰落特性 26 2 3 3变参调制信道特性的改善 分集接收 分集接收的方式 空间分集 频率分集 角度分集 极化分集 各分散接收信号进行合并的方法通常有 最佳选择式 2 等增益相加式 3 最大比值相加式 分集接收 采用物理的方法将信道中互不相关的多路信号收集起来 然后按一定的方法合成最终要接收的信号 27 至此 我们对信道已有了一个较全面的认识 为了方便理解 把信道分类归纳如下 28 2 4信道内的噪声 干扰 从噪声性质来区分有 单频噪声 脉冲干扰噪声 起伏噪声 无线电噪声 由通信双方所在空间里的各种无线电信号所组成 2 工业噪声 由通信双方所在空间里的各种工业控制电信号及工业电脉冲和强电磁场 3 天电噪声 由太空向大地的各种宇宙辐射 4 内部噪声 由设备内部元器件产生的噪声 从噪声来源分可有 29 2 5通信中常见的几种噪声 2 5 1白噪声所谓白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频率域 内是常数 即服从均匀分布 之所以称它为白噪声 是因为它的频谱覆盖了整个信道带宽 类似于光学中包括全部可见光频率在内的白光光谱 在噪声中 凡是不符合上述条件的噪声便称为有色噪声 即噪声谱密度只包括整个频谱的部分频率 实际上 通信系统中完全理想的白噪声是不存在的 通常情况下只要噪声功率谱密度函数均匀分布的频率范围超过通信系统工作频率范围非常大时 就可近似认为是白噪声 例如 热噪声的频率可以高到1013Hz 且功率谱密度函数在0 1013Hz内基本均匀分布 因此可以将它看作白噪声 30 理想的白噪声功率谱密度通常被定义为 式中n0的单位是W Hz 通常 也有采用单边频谱的形式 即频率在0到无穷大范围内 这时 白噪声的功率谱密度函数又常写成 31 32 2 5 2高斯噪声在实际信道中 除了白噪声外 还有另一种常见噪声是高斯型噪声 即高斯噪声 所谓高斯 Gaussian 噪声是指它的幅度概率密度函数服从高斯分布 即正态分布 的一类噪声 可用数学表达式表示成 式中 a为噪声的数学期望值 也就是均值 2为噪声的方差 exp x 是以e为底的指数函数 图2 12高斯分布的密度函数 33 34 4 对不同的a 表现为p x 的图形左右平移 对不同的 p x 的图形将随 的减小而变高和变窄 5 当a 0 1时 则称前面的高斯噪声谱密度分布式为标准化的正态分布 这时即有 35 这个积分不易计算 但可借助于一般的积分表查出不同x值的近似值 正态概率分布函数还经常表示成与误差函数相联系的形式 所谓误差函数 它的定义式为 36 通常 通信信道中噪声的均值a 0 我们由此可得到一个重要的结论 即在噪声均值为零时 噪声的平均功率等于噪声的方差 这是因为 37 2 5 3高斯型白噪声 所谓高斯白噪声是指噪声的幅度概率密度函数满足正态分布统计特性 同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声 这类噪声 理论分析要用到较深的随机过程理论知识 故不展开讨论 它的一个例子就是维纳过程 值得注意的是高斯型白噪声 它是对噪声的两个不同方面的特性而言的 即对幅度概率密度函数和功率谱密度函数而言的 不可混淆 38 2 5 4窄带高斯噪声 它是指噪声的功率谱密度函数是窄带 而噪声幅度分布又符合高斯分布一类噪声 这种噪声的形成可以认为是 当高斯白噪声通过一个以 c为中心角频率的窄带系统时 就可形成窄带高斯噪声 这里所谓的窄带系统是指系统的频带宽度B比起中心频率来小得很多的通信系统 即B fc c 2 的系统 这种假设是符合大多数信道的实际情况的 实际中 一般一个已调普通信号通过窄带系统后就形成窄带信号 它的特点是频谱局限在 c附近很窄的频率范围内 其包络和相位都在作缓慢随机变化 与信号通过窄带系统一样 高斯白噪声通过窄带系统后 可表示为 2 38 39 图2 13窄带高斯噪声的频谱及时域波形 40 窄带高斯噪声的表达式 2 38 可变成另一种形式 即 式中 nI t 称为噪声的同相分量 即 nQ t 称为噪声的正交分量 即 几种结论 1 一个均值为零的窄带高斯噪声n t 假定它是平稳随机过程 则它的同相分量nI t 和正交分量nQ t 也是平稳随机过程 且均值也都为零 方差也相同 即 41 2 窄带高斯噪声的随机包络服从瑞利分布 即 42 图2 14窄带高斯噪声的包络和相位概率密度函数曲线 43 2 5 5