西电《通信原理》课件第三章

1、西安电子科技大学西安电子科技大学第三章第三章第三章第三章 信道与噪声信道与噪声第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学2内容提要内容提要3.1 信道分类信道分类3.2 信道模型信道模型3.3 恒参信道的特性及其对信号传输的影响恒参信道的特性及其对信号传输的影响3.4 随参信道的特性及其对信号传输的影响随参信道的特性及其对信号传输的影响3.5 信道加性噪声信道加性噪声3.6 信道容量信道容量作业：作业：1、2、4、6、12、13、16、19、20西安电子科技大学西安电子科技大学第三章第三章3.1 信道分类信道分类返回返回第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学4一、狭义信道一、狭义信道n

2、信号的物理传输信号的物理传输媒质媒质。n有线信道（有形而看得见，摸得着）有线信道（有形而看得见，摸得着）n双绞线，光纤，同轴电缆，对称电缆，等。双绞线，光纤，同轴电缆，对称电缆，等。n无线信道（无形而看不见，摸不着）无线信道（无形而看不见，摸不着）n地波传播、短波电离层反射、超短波或微波地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道，等。电信道，等。第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学5二、广义信道二、广义信道n广义信道广义信道信号的传输通道（传输系统）信号的传输通道（传输系统）n广义信道除了包括传输媒质外，还包

3、括通信系统广义信道除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变换装置有关的变换装置n这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。调制器、解调器等等。n这相当于在狭义信道的基础上，这相当于在狭义信道的基础上， 扩大了信道的范扩大了信道的范围。围。n它的引入主要是从研究信息传输的角度出发，使它的引入主要是从研究信息传输的角度出发，使通信系统的一些基本问题研究比较方便。通信系统的一些基本问题研究比较方便。第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学6广义信道分类广义信道分类n狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，狭义信道是广义信道十分

4、重要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。狭义信道的特性。n广义信道按照它包括的功能，可以分为调广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道。制信道、编码信道。n调制信道调制信道当研究调制与解调问题时，我们当研究调制与解调问题时，我们所关心的是调制器输出的信号形式、解调器输所关心的是调制器输出的信号形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而并不关心信号入端信号与噪声的最终特性，而并不关心信号的中间变换过程。的中间变换过程。n编码信道编码信道如果研究编码与译码问题时采用如果研究编码与译码问题时采用编码信道，会使问题的分析更容易

5、。编码信道，会使问题的分析更容易。第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学7调制信道和编码信道调制信道和编码信道西安电子科技大学西安电子科技大学第三章第三章3.2 信道模型信道模型返回返回第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学9一、调制信道模型一、调制信道模型调制信道的共性：调制信道的共性：n有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；n绝大多数的信道都是线性的绝大多数的信道都是线性的 ，即满足，即满足线性叠加原理线性叠加原理；n信号通过信道具有固定的或时变的信号通过信道具有固定的或时变的延迟延迟时间；时间；n信号通过信道会受到固定的或

6、时变的信号通过信道会受到固定的或时变的损耗损耗；n即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。输出（噪声）。n模型模型线性线性时变时变网络网络线性时变网络si(t)so(t)第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学10二、调制信道的输入与输出二、调制信道的输入与输出n二对端的调制信道模型，其输出与输入的关系有二对端的调制信道模型，其输出与输入的关系有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输入的已调信号输入的已调信号 调制信道

7、对输入信号的响应输出波形调制信道对输入信号的响应输出波形 加性噪声加性噪声 )(tsfi( )( )( ) ( )oiis tc ts tf s t( )( )( )oiSCS乘性干扰，与乘性干扰，与信号共存共失信号共存共失 加性干扰，加性干扰，始终存在始终存在 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学11三、调制信道分类三、调制信道分类n通常信道特性通常信道特性 是一个复杂的函数，它可能包是一个复杂的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落括各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等。等。n根据信道传输函数的时变特性可以将调制信道分根据信道传输函数的时变特性可以将调制信道

8、分为两大类：为两大类：n恒参信道恒参信道 基本不随时间变化，信道对信号的基本不随时间变化，信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的影响是固定的或变化极为缓慢的 n随参信道随参信道传输函数传输函数 随时间随机快变化随时间随机快变化 n在常用物理信道中，在常用物理信道中， 的特性有三种典型形式。的特性有三种典型形式。)(C)(C)(C)(C第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学12加性高斯噪声信道加性高斯噪声信道 n第一种形式是常数，或在信号频带范围之内是常数。第一种形式是常数，或在信号频带范围之内是常数。n这种信道可以用加性噪声信道数学模型来表示这种信道可以用加性噪声信道数学模型来表示 )

9、()()()()(0tntcstntstri第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学13带有加性噪声的线性滤波器信道带有加性噪声的线性滤波器信道 n第二种形式第二种形式 在信号频带范围之内不是常数，但不在信号频带范围之内不是常数，但不随时间变化。随时间变化。n这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性滤波器这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性滤波器 )(C)()()()()()(0tntstctntstri第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学14带有加性噪声的线性时变滤波器带有加性噪声的线性时变滤波器 n第三种形式第三种形式 随时间变化随时间变化n如电离层反射信道、移动通信信

10、道都具有这种特性。如电离层反射信道、移动通信信道都具有这种特性。n这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性时变这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性时变滤波器，信道特性可以表征为时变单位冲激响应滤波器，信道特性可以表征为时变单位冲激响应。 )(C0( )( )( )( )(),icr ts tn ts tn tt第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学15四、编码信道模型四、编码信道模型n编码信道包括调制信道、调制器和解调器，它与编码信道包括调制信道、调制器和解调器，它与调制信道模型有明显的不同，是一种调制信道模型有明显的不同，是一种数字信道或数字信道或离散信道离散信道。n编码信道输

11、入是离散的时间信号，输出也是离散编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列的时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。变成另一种输出数字序列。n由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，字序列发生错误， 因此输入、输出数字序列之间因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组的关系可以用一组转移概率转移概率来表征。来表征。第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学16二进制编码信道模型二进制编码信道模型 P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01

12、输出总的错误概率为：输出总的错误概率为：) 1/0() 1 ()0/1 ()0(PPPPPe第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学17n由于信道噪声或其它因素影响导致输出数由于信道噪声或其它因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的，因此这种字序列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无记忆编码信道。信道是无记忆编码信道。 n根据无记忆编码信道的性质可以得到根据无记忆编码信道的性质可以得到1)0/1 ()0/0( PP1) 1/0() 1/1 ( PP西安电子科技大学西安电子科技大学第三章第三章3.3 恒参信道的特性及其对信恒参信道的特性及其对信号传输的影响号传输的影响返回返回第三章第三

13、章西安电子科技大学西安电子科技大学19n恒参信道的信道特性不随时间变化或变化恒参信道的信道特性不随时间变化或变化很缓慢。很缓慢。n信道特性主要由传输媒质所决定。信道特性主要由传输媒质所决定。n如果传输媒质是基本不随时间变化的，如果传输媒质是基本不随时间变化的， 所构成所构成的广义信道通常属于恒参信道；的广义信道通常属于恒参信道；n如果传输媒质随时间随机快变化，则构成的广如果传输媒质随时间随机快变化，则构成的广义信道通常属于随参信道。义信道通常属于随参信道。第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学20一、恒参信道举例一、恒参信道举例n对称电缆（双绞线）对称电缆（双绞线）n为了减小各线对之间的

14、相互干扰，每一对线都拧成扭绞状为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状 n既可用于模拟传输，也可用于数据传输既可用于模拟传输，也可用于数据传输n带宽依赖于线的粗细和传输距离带宽依赖于线的粗细和传输距离n无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线(UTP)n屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP): 以箔屏蔽来减少干扰以箔屏蔽来减少干扰第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学21同轴电缆同轴电缆n基带同轴电缆：基带同轴电缆：n50，为数据通信传输基，为数据通信传输基带数字信号，带数字信号，n局域网中广泛使用局域网中广泛使用n10Mb/s, 1kmn宽带同轴电缆：宽带同轴电缆：n75，多用于，多用于CATV系统

15、，系统，传送频分复用的模拟信号传送频分复用的模拟信号n6MHz/300400MHz，100kmn单向放大器单向放大器第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学22光纤光纤n纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载信息载信息n光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器n光纤的特点光纤的特点n传送速率高，通信容量大传送速率高，通信容量大(2530THz带宽带宽/波段波段)。目。目前，在试验室中光纤带宽超过前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；82.5Gbps，810Gbps ，3210Gbps系统已经实用系统已

16、经实用n传输损耗小传输损耗小(0.2dB/km)，适合长距离传输，适合长距离传输n抗干扰性能好，保密性好抗干扰性能好，保密性好n轻便轻便n连接困难连接困难第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学23微波中继微波中继n在自由空间沿视距传输。在自由空间沿视距传输。 n两点间的传输距离一般为两点间的传输距离一般为30km50km，当长距离通信，当长距离通信时，需要在中间建立多个中继站时，需要在中间建立多个中继站n微波中继信道具有传输容量大、长途传输质量稳定、节约微波中继信道具有传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金属、投资少、维护方便等优点。有色金属、投资少、维护方便等优点。 n应用：长距离传

17、输话音和电视信号；应用：长距离传输话音和电视信号；第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学24卫星中继卫星中继 n卫星中继信道是利用人造卫星作为中继站构成的通信信道。卫星中继信道是利用人造卫星作为中继站构成的通信信道。n若卫星运行轨道在赤道平面、离地面高度为若卫星运行轨道在赤道平面、离地面高度为35780km时，时，绕地球运行一周的时间恰为绕地球运行一周的时间恰为24小时与地球自转同步，这种卫小时与地球自转同步，这种卫星称为星称为静止卫星静止卫星。不在静止轨道运行的卫星称为。不在静止轨道运行的卫星称为移动卫星移动卫星。n若以静止卫星作为中继站，采用三个相差若以静止卫星作为中继站，采用三个相

18、差1200的静止通的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外两极盲区除外)，n若采用中、低轨道移动卫星，则需要多颗卫星覆盖地球。若采用中、低轨道移动卫星，则需要多颗卫星覆盖地球。n所需卫星的个数与卫星轨道高度有关，轨道越低所需卫所需卫星的个数与卫星轨道高度有关，轨道越低所需卫星数越多。星数越多。n卫星中继信道的主要特点是通信容量大、传输质量稳定、传卫星中继信道的主要特点是通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、覆盖区域广等突出的优点。输距离远、覆盖区域广等突出的优点。n另外，由于卫星轨道离地面较远，信号衰减大，电波往返所另外，由于卫星轨道离地面较远

19、，信号衰减大，电波往返所需要的时间较长。需要的时间较长。n卫星中继信道主要用来传输多路电话、电视和数据。卫星中继信道主要用来传输多路电话、电视和数据。 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学25第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学26二、恒参信道特性二、恒参信道特性n恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。因此，其传输特性可以等效为一个极其缓慢的。因此，其传输特性可以等效为一个线性时不变线性时不变网络。网络。n线性网络的传输特性可以用线性网络的传输特性可以用幅度频率特性幅度频率特性和和相位相位频率特性频率特性来表征。来表征。

20、n理想恒参信道特性理想恒参信道特性 0)(KH0( )dtjHeK时间延迟时间延迟 传输系数传输系数 dt)(dtdd)()(第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学27理想信道的幅频特性、相频特性理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延和群迟延-频率特性频率特性 OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学28n理想恒参信道的冲激响应为理想恒参信道的冲激响应为 n若输入信号为若输入信号为 ，n则理想恒参信道的输出为则理想恒参信道的输出为n理想恒参信道对信号传输的影响是理想恒参信道对信号传输的影响是 n对信号在幅度上产生固定的衰减；对信号在幅度

21、上产生固定的衰减；n对信号在时间上产生固定的迟延。对信号在时间上产生固定的迟延。n这种情况也称信号是这种情况也称信号是无失真传输无失真传输。n整个频率范围其幅频特性为常数整个频率范围其幅频特性为常数(或在信号频带范围之内或在信号频带范围之内为常数为常数)，n其相频特性为其相频特性为 的线性函数的线性函数 )()(0dttKth)(ts)()(0dttsKtr第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学29三、幅频失真三、幅频失真n如果信道的幅度如果信道的幅度-频率特性在信号频带范频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生幅度围之内不是常数，则会使信号产生幅度-频率失真频率失真 n幅度幅

22、度-频率失真是由实际信道的幅度频率频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的，这种失真又称为特性的不理想所引起的，这种失真又称为频率失真，属于频率失真，属于线性失真线性失真。n信道的幅度信道的幅度-频率特性不理想会使通过它频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，的信号波形产生失真， 若在这种信道中传若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰码间干扰。第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学30典型音频电话信道的幅度衰减特性典型音频电话信道的幅度衰减特性 第三章第三章西安

23、电子科技大学西安电子科技大学31四、相位四、相位-频率失真频率失真n当信道的相位当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道的信号产生相位将会使通过信道的信号产生相位-频率失真，频率失真，属于线性失真。属于线性失真。n在话音传输中，由于人耳对相频失真不太在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此相频失真对模拟话音传输影响敏感，因此相频失真对模拟话音传输影响不明显。不明显。n如果传输数字信号，相频失真同样会引起如果传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰，特别当传输速率较高时，相频码间干扰，特别当传输速率较高时，相频失真会引起严重的失真会引起严重的码间干扰码间

24、干扰，使误码率性，使误码率性能降低。能降低。 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学32典型电话信道相频特性和群迟延频率特性典型电话信道相频特性和群迟延频率特性西安电子科技大学西安电子科技大学第三章第三章3.4 随参信道的特性及其对信随参信道的特性及其对信号传输的影响号传输的影响返回返回第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学34一、随参信道举例一、随参信道举例n随参信道是指信道传输特性随时间随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化随机快速变化的信道。的信道。n随参信道举例随参信道举例n陆地移动信道陆地移动信道n短波电离层反射信道短波电离层反射信道n超短波流星余迹散射信道超短波流星

25、余迹散射信道n超短波及微波对流层散射信道超短波及微波对流层散射信道n超短波电离层散射超短波电离层散射n超短波超视距绕射超短波超视距绕射 n第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学35一、随参信道举例一、随参信道举例n自由空间传播自由空间传播n接收天线输出功率接收天线输出功率n归一化，归一化，GT=GR=1时时n自由空间传播损耗自由空间传播损耗24dGGPPRTTR24dPPTR24dPPLRTfs第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学36一、随参信道举例一、随参信道举例n自由空间传播损耗自由空间传播损耗第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学37陆地移动信道陆地移动信道n陆地移动

26、通信工作频段主要在陆地移动通信工作频段主要在VHF和和UHF频段，电波传频段，电波传播特点是以直射波为主。但是，播特点是以直射波为主。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响，电波在传播过程中会产生反射波、散地形地物的影响，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，电波传输环境较为复杂，因此射波以及它们的合成波，电波传输环境较为复杂，因此移动信道是典型的随参信道。移动信道是典型的随参信道。n移动信道的传播路径移动信道的传播路径hbd2dd1hm第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学38短波电离层反射信道短波电离层反射信道n电离层厚度有数百千米，可分为电离

27、层厚度有数百千米，可分为D、E、F1和和F2四层，如图所示。由于太阳辐射的变化，电离层四层，如图所示。由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离层反射信道也是随参信道。在白天，由于太阳辐层反射信道也是随参信道。在白天，由于太阳辐射强，所以射强，所以D、E、F1和和F2四层都存在。在夜晚，四层都存在。在夜晚，由于太阳辐射减弱，由于太阳辐射减弱，D层和层和F1层几乎完全消失，层几乎完全消失，因此只有因此只有E层和层和F2层存在。由于层存在。由于D、E层电子密度层电子密度小，不能形成反射条件，所以短波电波不会被反小，不能形成反射条件

28、，所以短波电波不会被反射。射。D、E层对电波传输的影响主要是吸收电波，层对电波传输的影响主要是吸收电波，使电波能量损耗。使电波能量损耗。F2层是反射层，其高度为层是反射层，其高度为250300km，所以一次反射的最大距离约为，所以一次反射的最大距离约为4000km。 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学39电离层结构示意图电离层结构示意图 0FFED300 kmAB地球FBA地球反射点第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学40短波电离层反射信道短波电离层反射信道n最高可用频率：是指当电波以角入射时，最高可用频率：是指当电波以角入射时，能从电离层反射的最高频率，可表示为能从电离层反

29、射的最高频率，可表示为 n 时能从电离层反射的最高频率称为时能从电离层反射的最高频率称为临界频率临界频率 。 n在白天，电离层较厚，在白天，电离层较厚，F2层的电子密度较层的电子密度较大，最高可用频率较高。在夜晚，电离层大，最高可用频率较高。在夜晚，电离层较薄，较薄，F2层的电子密度较小，最高可用频层的电子密度较小，最高可用频率要比白天低。率要比白天低。 00secffMUF000f第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学41短波电离层反射信道短波电离层反射信道n短波电离层反射信道最主要的特征是多径短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播，多径传播有以下几种形式传播，多径传播有以下几种形式

30、n电波从电离层的一次反射和多次反射；电波从电离层的一次反射和多次反射；n电离层反射区高度所形成的细多径；电离层反射区高度所形成的细多径；n地球磁场引起的寻常波和非寻常波；地球磁场引起的寻常波和非寻常波；n电离层不均匀性引起的漫射现象。电离层不均匀性引起的漫射现象。第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学42多径形式示意图多径形式示意图第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学43二、随参信道特性二、随参信道特性n随参信道特性：随参信道特性：n对信号的衰减随时间而变化对信号的衰减随时间而变化n传输的时延随时间而变化传输的时延随时间而变化n多径传播多径传播n由于随参信道比恒参信道复杂得多，它

31、对信号传由于随参信道比恒参信道复杂得多，它对信号传输的影响也比恒参信道严重得多。下面我们将从输的影响也比恒参信道严重得多。下面我们将从两个方面进行讨论两个方面进行讨论第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学44多径衰落与频率弥散多径衰落与频率弥散n假设发送信号为单一频率正弦波假设发送信号为单一频率正弦波 n多径信道一共有多径信道一共有n条路径，各条路径具有条路径，各条路径具有时变衰耗时变衰耗和和时变时变传输时延传输时延且各条路径到达接收端的信号相互且各条路径到达接收端的信号相互独立独立n则接收端接收到的合成波为则接收端接收到的合成波为 tAtsccos)(11221( )( )cos( )

32、( )cos( ) ( )cos( ) ( )cos( )ccncnniciir ta ttta ttta ttta ttt第第i条路径到达接收端信号振幅条路径到达接收端信号振幅 传输时延传输时延 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学45n传输时延可以转换为相位的形式传输时延可以转换为相位的形式 n根据概率论中心极限定理，根据概率论中心极限定理，n当当n足够大时，足够大时，x(t)和和y(t)都趋于正态分布都趋于正态分布n表示为包络和相位的形式表示为包络和相位的形式 n包络的一维分布服从瑞利分布，相位的一维分布服从均匀包络的一维分布服从瑞利分布，相位的一维分布服从均匀分布分布 niic

33、itttatr1)(cos)()()()(ttici11( )( )coscos( )sinsin ( )cos( )sinnniiciiciiccr ta tta ttX ttY ttniiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()()(cos)()(tttVtrc第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学46n相对于载波来说相对于载波来说 和和 是慢变化随机过程是慢变化随机过程 n于是于是r(t)可以看成是一个窄带随机过程。可以看成是一个窄带随机过程。 n我们可以得到以下两个结论我们可以得到以下两个结论n多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和多径传播使单一频率的正弦信号变

34、成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落多径传播使信号产生瑞利型衰落；n多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了传播引起了频率弥散频率弥散。)(tV)(t第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学47频率选择性衰落与相关带宽频率选择性衰落与相关带宽n当发送信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播当发送信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播除了会使信号产生瑞利型衰落之外，还会产生频率选除了会使信号产生瑞利型衰落之外，还会产生频率选择性衰落。择性衰落。n假

35、设多径传播的路径只有两条假设多径传播的路径只有两条n输出信号为输出信号为)()()(0ttkstkstsii第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学48n其频域表示式为其频域表示式为n信道传输函数为信道传输函数为n信道幅频特性为信道幅频特性为( )0( )( )( )( ) ( ) 1jtiijtiSkSkSekSe )(01)()()(tjiekSSH( )( )( )12cos2jttHkek 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学49信道幅频特性信道幅频特性信号通过这种传输特性的信道时信号的频谱将产生失真。信号通过这种传输特性的信道时信号的频谱将产生失真。对于一般的多径传播，信

36、道的传输特性将比两条路径信道对于一般的多径传播，信道的传输特性将比两条路径信道传输特性复杂得多，但同样存在传输特性复杂得多，但同样存在频率选择性衰落频率选择性衰落现象。现象。 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学50n多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征。n设信道最大多径时延差为设信道最大多径时延差为 n则定义多径传播信道的相关带宽为则定义多径传播信道的相关带宽为n它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。n如果信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率如果信号的频谱比相关带

37、宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。选择性衰落。n为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。关带宽。n在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为相关带宽的号带宽为相关带宽的 。n当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰 mmcB11 5 1 3三、相干带宽三、相干带宽第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学51如何避免频率选择性衰落如何避

38、免频率选择性衰落n信号频谱窄带化信号频谱窄带化n积极措施：积极措施：n分集，均衡，正交频分复用分集，均衡，正交频分复用OFDM，单载波频，单载波频域均衡域均衡FDE，西安电子科技大学西安电子科技大学第三章第三章3.5 信道加性噪声信道加性噪声返回返回第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学53一、噪声分类一、噪声分类n加性噪声与信号相互独立，并且始终存在。加性噪声与信号相互独立，并且始终存在。n实际中只能采取措施减小加性噪声的影响，而不实际中只能采取措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消除加性噪声。因此，加性噪声不可避免能彻底消除加性噪声。因此，加性噪声不可避免地会对通信造成危害。地会对通信

39、造成危害。n噪声来源噪声来源n人为噪声人为噪声n人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声 n自然噪声自然噪声n自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声 n内部噪声内部噪声n通信设备本身产生的各种噪声通信设备本身产生的各种噪声 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学54按照噪声的性质分类按照噪声的性质分类 n单频噪声单频噪声是一种连续波干扰。是一种连续波干扰。n可以通过合理设计系统避免单频噪声的干扰。可以通过合理设计系统避免单频噪声的干扰。n脉冲噪声脉冲噪声是在时间上无规则的突发脉冲波形。是在时间上无规则的突发脉冲波形

40、。n包括工业干扰中的电火花、汽车点火噪声、雷电等。包括工业干扰中的电火花、汽车点火噪声、雷电等。n脉冲噪声的特点是以脉冲噪声的特点是以突发突发脉冲形式出现、干扰持续脉冲形式出现、干扰持续时间时间短短、脉冲、脉冲幅度大幅度大。n周期是随机的且相邻突发脉冲之间有较长的安静时间。周期是随机的且相邻突发脉冲之间有较长的安静时间。n由于脉冲很窄，所以其频谱很宽。由于脉冲很窄，所以其频谱很宽。n可以通过选择合适的工作频率、远离脉冲源等措施减小可以通过选择合适的工作频率、远离脉冲源等措施减小和避免脉冲噪声的干扰。和避免脉冲噪声的干扰。n起伏噪声起伏噪声是一种连续波随机噪声。是一种连续波随机噪声。n包括热噪声

41、、散弹噪声和宇宙噪声。包括热噪声、散弹噪声和宇宙噪声。n起伏噪声的特点是具有很宽的频带，并且始终存在，它起伏噪声的特点是具有很宽的频带，并且始终存在，它是影响通信系统性能的主要因素。是影响通信系统性能的主要因素。第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学55起伏噪声及其特性起伏噪声及其特性n热噪声热噪声n是由传导媒质中电子的随机运动而产生的是由传导媒质中电子的随机运动而产生的n热噪声的功率谱密度热噪声的功率谱密度n通常我们把这种噪声按白噪声处理通常我们把这种噪声按白噪声处理 Pn( f )2kRT00.20.4hf / KT第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学56高斯白噪声高斯白噪声

42、n热噪声、散弹噪声和宇宙噪声这些起伏噪声都可以认为是热噪声、散弹噪声和宇宙噪声这些起伏噪声都可以认为是一种高斯噪声，且功率谱密度在很宽的频带范围都是常数。一种高斯噪声，且功率谱密度在很宽的频带范围都是常数。因此，因此，起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声。n高斯白噪声的双边功率谱密度为高斯白噪声的双边功率谱密度为 n其自相关函数为其自相关函数为n其一维概率密度函数为其一维概率密度函数为 0( )(/)2nnPfW Hz)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvf第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学57高斯噪声通过线性系统高斯噪声通过线性系统n一个通

43、信系统的线性部分可以用线性网络来描述，一个通信系统的线性部分可以用线性网络来描述，通常具有带通特性。通常具有带通特性。n当宽带起伏噪声通过带通特性网络时，当宽带起伏噪声通过带通特性网络时， 输出噪声输出噪声就变为就变为带通型噪声带通型噪声。如果线性网络具有窄带特性，。如果线性网络具有窄带特性， 则输出噪声为则输出噪声为窄带噪声窄带噪声。n带通型噪声的频谱具有一定的宽度，带通型噪声的频谱具有一定的宽度，噪声的带宽噪声的带宽可以用不同的定义来描述。为了使得分析噪声功可以用不同的定义来描述。为了使得分析噪声功率相对容易，通常用率相对容易，通常用噪声等效带宽噪声等效带宽来描述。来描述。第三章第三章西安

44、电子科技大学西安电子科技大学58等效噪声带宽等效噪声带宽n噪声等效带宽定义为噪声等效带宽定义为n其物理意义为：高度为其物理意义为：高度为Pn(fc)，宽度为，宽度为Bn的噪的噪声功率与功率谱密度为声功率与功率谱密度为Pn(f)的带通型噪声功率的带通型噪声功率相等相等)()()(2)(0cnncnnnfPdffPfPdffPB西安电子科技大学西安电子科技大学第三章第三章3.6 信道容量信道容量返回返回第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学60引言引言n信道容量是指在白噪声背景下，信道中信信道容量是指在白噪声背景下，信道中信息无差错传输的最大速率。息无差错传输的最大速率。n在信道模型中，我们

45、定义了两种广义信道：在信道模型中，我们定义了两种广义信道：调制信道和编码信道。调制信道和编码信道。n调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量来表征；信道容量来表征；n编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。信道容量来表征。n在此处，我们只讨论连续信道的信道容量。在此处，我们只讨论连续信道的信道容量。 第三章第三章西安电子科技大学西安电子科技大学61一、香农（一、香农（shannon）公式）公式n带宽为带宽为B(Hz)的连续信道，其输入信号为的连续信道，其输入信号为x(t)，信道加性高斯白噪声为信道加性高斯白噪声为n(t)，则信道输出为，则信道输出为n输入信号的功率为输入信号的功率为S；信道噪声的功率为；信道噪声的功率为N， 的均值为零，方差为的均值为零，方差为 ，单边功率谱密度为，单边功率谱密度为n香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时率给定时，在具有一定频带宽度的信道上