第九讲无线信道和无线通信性能

第九讲无线信道和无线通信性能第1页，共29页，2023年，2月20日，星期一第九讲：无线信道与无线通信性能信道的概念与无线信道信道的概念信道数学模型信道的加性噪声描述白噪声、带限白噪声描述信道的加性噪声

数字通信系统的抗噪声性能无线通信系统的多径干扰多径信道的影响第2页，共29页，2023年，2月20日，星期一第一节：信道的概念与无线信道1）信道的概念狭义信道：仅指传输媒质。分为：有线信道：包括架空明线、对称电缆、同轴电缆以及光导纤维。无线信道：包括地波传播、短波电离层反射、超短波或微波无线电视距离传输、卫星中继以及各种散射信道等。广义信道：除了传输媒质外，还包括有关的转换设备，如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。这种范围扩大了的信道称为广义信道。分为：第3页，共29页，2023年，2月20日，星期一信道的概念调制信道：研究调制与解调的角度定义，即把信道模型看成信号的波形变化。编码信道：研究编码和解码的角度定义，即把信道影响看成检测概率和误码率影响。调制信道与编码信道的图示：调制器信道解调器噪声源基带信号输入基带信号输出编码解码第4页，共29页，2023年，2月20日，星期一2）信道数学模型—调制信道模型调制信道模型：调制信道一般可看成一个输出端叠加有噪声的时变线性网络：时变线性网路调制信道数学模型：其中：是加性噪声（又称为加性干扰），与不发生依赖关系,即独立于。而把称为乘性噪声（乘性干扰）。第5页，共29页，2023年，2月20日，星期一分析乘性干扰的影响时，可把调制信道分为两大类：恒参信道：即随时间缓变或不变；随参信道：即随机快变化。通常，将架空明线、电缆、光导纤维、超短波及微波视距传播、卫星中继等视为恒参信道。而将短波电离层反射信道、各种散射信道、超短波移动通信信道等视为随参信道。信道数学模型—调制信道模型第6页，共29页，2023年，2月20日，星期一编码信道的特性可用信道转移概率（条件概率）来描述。以二进制无记忆编码信道为例。3）信道数学模型—编码信道模型正确转移概率：P(0/0)、P(1/1)错误转移概率：P(1/0)、P(0/1)且有：第7页，共29页，2023年，2月20日，星期一第二讲：信道的加性噪声描述

加性噪声是分散在通信系统中各处噪声的集中表示。它独立于有用信号，却始终干扰有用信号。加性噪声的主要代表是起伏噪声（包括热噪声、散弹噪声、和宇宙噪声）。为了研究噪声背景下通信系统的性能，必须了解噪声的统计特性。通常为了简化，一律把起伏噪声定义为高斯白噪声。高斯白噪声：在整个频域内，功率谱密度是一个常数，其自相关韩式和功率谱为：第8页，共29页，2023年，2月20日，星期一Po(f)no20f0ττn2(δ)oR()τ白噪声的谱密度和自相关函数1）白噪声描述白噪声只有在（同一时刻）时才相关，而在任意两个时刻上的随机变量都是不相关的。若白噪声是高斯分布的，则称之为高斯白噪声。高斯白噪声在任意两个不同时刻上的取值之间，不仅是互不相关的，而且还是统计独立的。第9页，共29页，2023年，2月20日，星期一白噪声通过理想低通滤波器，设理想矩形的低通滤波器的传输特性为：2）带限白噪声描述

则输出噪声的功率谱密度为：可见，输出噪声的功率谱密度在内是均匀的，在此范围外则为零。通常把这样的噪声称为带限白噪声。第10页，共29页，2023年，2月20日，星期一带限白噪声的自相关函数为：带限白噪声描述

Po(ω)Ro(τ)0-fHfH0τ（a）（b）带限白噪声的功率谱和自相关函数带限白噪声的自相关函数和功率谱图示：第11页，共29页，2023年，2月20日，星期一3）信道的加性噪声

加性高斯白噪声的一维概率密度函数为：当研究调制与解调问题时，起伏噪声往往先通过一个带通滤波器才到达解调器输入端，此处的噪声将是一个窄带高斯白噪声。发送端信道频段滤波器第12页，共29页，2023年，2月20日，星期一信道的加性噪声

加性窄带高斯白噪声的时域表达式为：窄带高斯白噪声的功率谱密度：其中和分别是零均值的高斯白噪声：第13页，共29页，2023年，2月20日，星期一第三节：数字通信系统的抗噪声性能1）2PSK二进制移相键控调制2DPSK调制：当正弦载波的相位随二进制数字信号离散变化，则产生二进制移相键控信号。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。二进制移相键控信号的时域表达式为：在2PSK调制中，应选择双极性，即：第14页，共29页，2023年，2月20日，星期一2PSK二进制移相键控调制若是脉宽为高度为1的矩形脉冲时有：若用表示第个符号的绝对相位，则有：这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对移相方式。第15页，共29页，2023年，2月20日，星期一二进制移相键控信号的典型时间波形：2PSK二进制移相键控调制码型变换乘法器双极性不归零)(tS)(2tePSK二进制移相键控信号的调制原理图第16页，共29页，2023年，2月20日，星期一2）2PSK二进制移相键控解调2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如下：带通滤波器相乘器低通滤波器定时脉冲输出

抽样判决器a

b

cde

第17页，共29页，2023年，2月20日，星期一2PSK信号相干解调各点时间波形2PSK二进制移相键控解调第18页，共29页，2023年，2月20日，星期一当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒π”现象。2PSK二进制移相键控解调第19页，共29页，2023年，2月20日，星期一这里只讨论—2PSK相干解调系统性能2PSK信号的解调通常采用相干解调方式，其性能分析模型如图所示：3）2PSK的抗噪声性能发送端信道带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出

第20页，共29页，2023年，2月20日，星期一其中在码元时间宽度区间，发送端产生的2PSK信号可表示为：2PSK的抗噪声性能接收端带通滤波器输出波形为：第21页，共29页，2023年，2月20日，星期一相乘器输出波形为：)(tz低通滤波器滤除高频分量，输出波形为：)(tx在时刻抽样值的概率密度函数和为：，发送“1”符号，发送“0”符号2PSK的抗噪声性能第22页，共29页，2023年，2月20日，星期一2PSK的抗噪声性能式中：同理可得发送“0”而错判为“1”的概率为：由最佳判决门限分析可知，在发送“1”符号和发送“0”符号概率相等时，最佳判决门限。此时计算发送“1”而错判为“0”的概率为：第23页，共29页，2023年，2月20日，星期一2PSK系统的总误码率为：2PSK的抗噪声性能在大信噪比(r>>1)条件下，上式可近似表示为:第24页，共29页，2023年，2月20日，星期一第四节：无线通信系统的多径干扰1）无线传输信道高速的无线传输信道，有两个最基本的特征：一是多径效应：即传输的信号在该信道中将会经过不同时延的传输路径到达接收端，形成多径衰落或多径干扰。二是时变性：无论是传输介质还是发射端和接收端的相对位置，都是随着时间而变化的。由于信道使用者不能预测接收信号随时间变换的情况，因此，对多径信道的研究往往是从统计学的角度进行的。第25页，共29页，2023年，2月20日，星期一无线传输信道多径衰落信道可以用时变的滤波器来表示。具有多径效应的信道，不考虑噪声时，传输关系式可以写为：发送端信道接收端对于2BPSK信号：接收信号：第26页，共29页，2023年，2月20日，星期一无线传输信道得到多径信道的脉冲响应为：其中

为信道时变脉冲响应。考虑第27页，共29页，2023年，2月20日，星期一2）多径信道的影响多径效应会扩展信号的频谱，其脉冲响应c(t)的均方根频谱宽度称为信道的多普勒频率扩展Bd。Bd大小衡量信号c(t)随时间变化的快慢，与之相关的一个参数是相关时间Tcd：多径信道传输信号中第一个到达信号分量和最后一个到达信号分量之间的时间差Tm，称为信道的多径扩展。与之相关的是相干带宽，记为Bcd是多径扩展的倒数：第28页，共29页，2023年，2月20日，星期一

多径信道的影响—频率选择性衰落多径信道传输函数的存在会引