通信原理教案_ch4_信道

1、系 部： 信电学院任课教师： 课时安排： 理论4课时课题第4章 信道课型新知课教学目标1. 了解信道的定义与基本分类，掌握恒参信道、随参信道、离散信道、连续信道的概念，并熟练掌握采用概率模型描述离散无记忆信道、连续无记忆信道的方法。2. 理解恒参信道特性及其对通信系统的影响，理解随参信道特性及其对通信系统的影响，掌握恒参信道无失真传输条件、多径时延扩展、多普勒频移、相干带宽、相干时间、慢衰落与快衰落、平坦衰落与频率选择性衰落的概念。3. 理解分集接收的主要方式及其作用。掌握信道容量的概念与计算，熟练掌握二进制对称信道(BSC)与限功率、限时、限频条件下加性高斯白噪声(AWGN)信道的信道容量计

2、算。4. 了解信道编码定理。重点1. 采用概率模型描述信道的方法2. 恒参信道无失真传输条件3. 随参信道多径时延扩展、相干带宽、平坦衰落与频率选择性衰落的概念4. 随参信道多普勒频移、相干时间、慢衰落与快衰落的概念5. 分集的作用与方式6. 信道容量的计算7. BSC信道信道容量与香农公式难点1. 平坦衰落与频率选择性衰落的区别2. 慢衰落与快衰落的区别3. 信道容量计算教学手段、方法理论讲解教具PPT教学过程1.信道本章主要研究信道(Channel)模型、信道特性及对信号传输的影响、信道噪声等。1.1 信道的定义·狭义信道：信号的传输媒质如架空明线、电缆、大气、电离层反射、对流层

3、散射、毫米波波导、光导纤维等·广义信道：传输媒质 +有关传输设备，如：天馈线、收发信机、调制与解调器等广义信道又分：调制信道、编码信道，如图所示。·调制信道：从调制器输出 解调器输入之间的传输线路功能：传输已调信号 实质上作为整体来观察与分析已调信号传输后的变换结果，这里传输媒质作用是主要的·编码信道：从编码器输出 译码器输入之间的传输线路功能：传输编码数字信号 整体地观察与分析数字信号传输后的变换结果。显然，编码信道包括调制信道模拟信号传输主要受调制信道影响，而数字信号传输还受编码信道的影响1.1.1 调制信道模型1. 有输入端与输出端(一对或多对)2. 绝大多

4、数信道是线性的，满足叠加原理3. 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 ei(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(t)为加性干扰。恒参信道k(t)变化很慢或基本不变，如有线(Wired)、光纤(Optical fiber)、微波视距接力、卫星等；随参信道k(t)随t作随机快变化，如短波电离层反射(Ionosphere reflection)、微波对流层散射(troposphere scatter)、移动通信信道等；1.1.2 编码信道编码信道影响数字信号序列的变换，使之发生某种概率

5、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(0|0)与 P(1|1)为正确转移概率； P(1|0)与 P(0|1)为受信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)。1.2 恒参信道恒参满足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) = ei(t) h(t) + n(t)不考虑噪声n(t)影响，则 eo(t) = ei(t) h(t)，在频域为Eo()

6、 = H()Ei()。理想情况下，H() = k exp(jd)，为理想全通网络，其中 k为传输衰减，d 为传输时延。实际中，有幅频畸变与相频畸变1.2.1 幅-频畸变在信号传输频带B内，幅频特性有起伏，|H()| = k =可导致传输信号波形畸变。幅频特性畸变1.2.2 相频畸变H() = |H()| expj()，不理想情况下，()d，不是直线，其群延迟：导致传输波形畸变群延迟产生畸变相频畸变与幅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

7、) 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1.电离层反射信道：电离层(Ionosphere)距地面 60350km，对1.5MHz 30MHz电波有反射 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合成信号电平产生快衰落变化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

8、流层大气结构不均匀性对UHF与微波信号产生能量漫反射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变化衰落；2.信号传输时延随时间t变化多普勒频移现象发送信号相位不变 时延变化 接收信号产生随机起伏(t)产生附加频移 (t) = d(t)/dt 多普勒频移其后果使信号频谱展宽称为频率弥散(色散)。一般地，(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( 104波特)，影响小。3.多径传输造成信号波形畸变a. 时间选

9、择性衰落频率色散(频谱展宽)设发射信号：A cos(0t)，经n条不同路径传播后的接收信号为ai(t)：第i条路径接收信号的随机振幅；di(t)：第i条路径接收信号的随机时延；i(t)：第i条路径接收信号对应di(t)的随机相位，i(t) = 0di(t)。令 有 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 T =数字波形畸变大，时间选择性衰落对低速数传(T )影响大。b. 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 f(t)F

10、()，第一条路径时延为t0，衰减为K 接收信号为Kf(t t0) KF () exp(jt0)，第二条路径时延为 t0 + ，衰减相同接收信号为 Kf(t t0 ) KF () expj(t0 + )，合成信号R(t) = Kf(t t0) + f(t t0 )KF () exp(jt0) 1 + exp(j)因此，信道的传输函数为H() = K 1 + exp(j) exp(jt0)幅频特性为|H()| = K |1 + exp(j)| = 2K|cos ( /2 )|H()|有零振幅点，/, 3/,.所以，当 |F ()|较宽零点附近谱成份受严重衰减引起波形畸变。 零点间隔愈小衰减影响越大

11、。推广至多径，更为复杂，但基本规律同上。所以，相对时延差 产生频率选择性的相关频谱带宽愈小波形畸变大。定义相关带宽其中m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 T B 容易存在频率选择性衰落c.时间弥散造成波形展宽m除造成频率选择性衰落外，还会因多径传输波形重叠造成波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T m，一般 T/m 10(即满足 B f)。1.3.3 抗多径衰落措施1. 采用分集接收分集分散得到相互统计独立的几条主要路径信号，再合并衰落。分集方式·空间分集：有足够间距(100个波长左右

12、)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(|fo2 fo1| 1/m)；·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。2. 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

13、声(noise)来源与分类：按照性质分类1、窄带噪声各种发射机、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(Impulse Noise)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：工业干扰开关、电气设备点火系统、火花干扰；天电干扰雷电、磁暴、太阳黑子活动等。3、起伏噪声电子设备各种元器件、宇宙天体等产生的随机起伏噪声。来源有：(1)、散弹噪声(Shot noise)：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。(2)、热噪声(Thermal no

14、ise)：导体中自由电子不规则布朗热运动(3)、宇宙噪声(Cosmic noise)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) 由于上述噪声均由大量单个不规则的独立噪声组合而成按中心极限定理，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n0/2(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。1.5 信道容量离散信道(编码信道)用符号转移概率描述的信道连续信道(调制信道)主要

15、由调制解调方式决定，信道模型用时变线性网络描述1.5.1 信息及度量1. 信息量若xi出现的概率为P(xi)，则其信息量为：2.平均信息量设N种信息源中第i种信息出现ni次，且其出现的概率为P(xi) ，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：1.5.2 编码信道输入(信源输出)xi (i = 1,2, · · · , n) 输出yj (j = 1,2, · · · , m)有噪信道中，xi与yj (随机对应)，存在转移概率P(yj|xi), P(x

16、i|yj)。P(xi)：信源发送概率P(xi|yj)：后验概率，发xi而收到yj后对xi的不确定性度量，表示输出端还保留的关于 xi 的信息量；发xi 收yj 时所获得的关于xi信息量等于xi包含的信息量 经传输后的剩余信息量 = log2 P(xi) + log2 P(xi|yj)对各xi与yj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 = r H(x) H(x|y)无噪声时，信道不存在不确定性，传输后无不确定成分，H(x|y) = 0，因此R =rH(x)。例子通信原理第

17、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 = B log2 (1 + N /S ) bits/s说明： 1、此式是一理论极限值理想通信系统。通过寻求理想调制方式来实现如目前扩频、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 不变增大B，可在任意差错概率下降低对 S/N 的要求；S/N 不变增大B，使C 。·S/N 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，C 是有限制的。因为噪声功率N = n0B，B N = n0B (S/N) 限制C的增大。令B ，