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1、通信原理通信原理第三章第三章第三章第三章 信道与噪声信道与噪声信道与噪声信道与噪声 刘柏森刘柏森4/3/20231CP 第三章 信道与噪声第三章第三章 信道与噪声信道与噪声3.1 信道定义与数学模型信道定义与数学模型3.2 恒参信道及其传输特性恒参信道及其传输特性3.3 随参信道及其传输特性随参信道及其传输特性3.4 分集接收技术分集接收技术3.5 加性噪声加性噪声3.6 信道容量的概念信道容量的概念4/3/20232CP 第三章 信道与噪声3.1信道定义与数学模型信道定义与数学模型3.1.1信道定义信道定义.信道是指以传输媒质为基础的信号通道。信道是指以传输媒质为基础的信号通道。假如信道仅是
2、指信号的传输媒质，这种信道称假如信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道；为狭义信道；假如信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统假如信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。4/3/20233CP 第三章 信道与噪声3.1.1 信道定义信道定义狭义信道依据传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。无线信道包括地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等。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，这些装置可以是发送设
3、备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。广义信道依据它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。还可以定义其他形式的广义信道。常把广义信道简称为信道。4/3/20234CP 第三章 信道与噪声调制信道用于探讨调制与解调问题是便利和恰当的。编码信道用于探讨编码与译码问题时使问题的分析更简洁。调制信道和编码信道4/3/20235CP 第三章 信道与噪声3.1.2 信道的数学模型信道的数学模型信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，它对通信系统的分析和设计是特别便利的。4/3/20236CP 第三章 信道与噪声1.调制信道模型调制信道模型有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；绝大多数
4、的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有确定的输出（噪声）。4/3/20237CP 第三章 信道与噪声输出与输入的关系有 可看成是乘性干扰。假如我们了解 与 的特性，就能知道信道对信号的具体影响。4/3/20238CP 第三章 信道与噪声通常信道特性 是一个困难的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等。同时由于信道的拖延特性和损耗特性随时间作随机变更，故 往往只能用随机过程来描述。基本不随时间变更，即信道对信号的影响是固定的或变更极为缓慢的，称为恒定参量信道，
5、简称恒参信道；随时间随机快变更，称为随机参量信道，简称随参信道4/3/20239CP 第三章 信道与噪声 加性噪声信道模型c是信道衰减因子，通常可取c=1；n(t)是加性噪声。加性噪声n(t)通常是一种高斯噪声，该信道模型通常称为加性高斯噪声信道。4/3/202310CP 第三章 信道与噪声带有加性噪声的线性滤波器信道C()在信号频带范围之内不是常数，但不随时间变更，4/3/202311CP 第三章 信道与噪声C()在信号频带范围之内不是常数，且随时间变更，电离层反射信道、移动通信信道都具有这种特性。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。4/3/202312CP 第三章 信道与
6、噪声2.编码信道模型编码信道模型输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。二进制编码信道模型 4/3/202313CP 第三章 信道与噪声输出的总的错误概率为 由于信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无记忆编码信道。4/3/202314CP 第三章 信道与噪声多进制无记忆编码信道模型4/3/202315CP 第三章 信道与噪声3.2 恒参信道及其传输特性恒参信道及其传输特性恒参信道的信道特性不随时间变更或变更很缓慢。信道特性主要由传输媒质所确定，假如传输媒质是基本不随时间变更的，所构成的广义信道通常属于恒参信道；假如传输媒质随时间随机快变更，则
7、构成的广义信道通常属于随参信道。如由架空明线、电缆、中长波地波传播、对称电缆、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道。4/3/202316CP 第三章 信道与噪声3.2.1 有线电信道有线电信道1.对称电缆对称电缆在同一爱护套内有很多对相互绝缘的双导线的传输媒在同一爱护套内有很多对相互绝缘的双导线的传输媒质。质。导线材料是铝或铜，导线材料是铝或铜，直径为直径为0.41.4 mm。为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。绞状。通常有两种类型：通常有两种类型：非屏蔽（非屏蔽（UTP
8、）和屏蔽（和屏蔽（STP）。）。4/3/202317CP 第三章 信道与噪声1.对称电缆对称电缆特点电缆的传输损耗比较大，但其传输特性比较稳定，并且价格便宜、安装简洁。对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路，在很多局域网如以太网、令牌网中也接受高等级的UTP电缆进行连接。STP电缆的特性同UTP的特性相同，由于加入了屏蔽措施，对噪声有更好的屏蔽作用，但是其价格要昂贵一些4/3/202318CP 第三章 信道与噪声2.同轴电缆同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着介质。实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗
9、电磁干扰性能较好。在有线电视网络中大量接受这种结构的同轴电缆。4/3/202319CP 第三章 信道与噪声为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在一个大的爱护套内，构成多芯同轴电缆，另外还可以装入一些二芯绞线对或四芯线组，作为传输限制信号用。4/3/202320CP 第三章 信道与噪声3.2.2 微波中继信道微波中继信道频率范围一般在几百兆赫至几十吉赫其传输特点是在自由空间沿视距传输两点间的传输距离一般为3050 km长距离通信须要在中间建立多个中继站。被广泛用来传输多路电话及电视等。4/3/202321CP 第三章 信道与噪声在一条微波中继信道上可接受二频制或四频制频率配置方式以提高频谱利用
10、率和减小射频波道间或邻近路由的传输信道间的干扰，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、维护便利等优点。4/3/202322CP 第三章 信道与噪声3.2.3 卫星中继信道卫星中继信道利用人造卫星作为中继站构成的通信信道静止卫星：若卫星运行轨道在赤道平面，离地面高度为35780km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时，与地球自转同步。移动卫星：不在静止轨道运行的卫星主要用来传输多路电话、电视和数据4/3/202323CP 第三章 信道与噪声3.2.3 卫星中继信道卫星中继信道工作频段有：L频段(1.5/1.6GHz)、C频段(4/6GHz)、Ku频段(12/14GH
11、z)、Ka频段(20/30GHz)。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。信号衰减大信号延迟大4/3/202324CP 第三章 信道与噪声3.2.4 恒参信道特性恒参信道特性恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变更极其缓慢的。其传输特性可以等效为一个线性时不变网络。线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特性来表征。4/3/202325CP 第三章 信道与噪声1.志向恒参信道特性志向恒参信道特性 信道的相频特性通常还接受群拖延-频率特性来衡量，群拖延-频率特性就是相位-频率特性的导数，若输入信号为s(t)，则志向恒参信道的输出为 称信号是无失真传输4/3/202
12、326CP 第三章 信道与噪声4/3/202327CP 第三章 信道与噪声2.幅度幅度-频率失真频率失真又称为频率失真，属于线性失真。接受均衡器(a)所示是典型音频电话信道的幅度衰减特性(b)CCITT M.1020建议规定的衰减特性4/3/202328CP 第三章 信道与噪声3.相位相位-频率失真频率失真相位-频率失真也是属于线性失真。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不明显。可以接受均衡器对相频特性进行补偿，改善信道传输条件。4/3/202329CP 第三章 信道与噪声3.3 随参信道及其传输特性随参信道及其传输特性信道传输特性随时间随机快速变更的信道
13、。陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道4/3/202330CP 第三章 信道与噪声3.3.1 陆地移动信道陆地移动信道工作频段主要在VHF和UHF频段，电波传播特点是以直射波为主。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，电波传输环境较为困难4/3/202331CP 第三章 信道与噪声1.自由空间传播 d为接收天线与放射天线之间直线距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz。4/3/202332CP 第三章 信道与噪声4/3/202333CP 第三章 信
14、道与噪声2.反射波与散射波反射波与散射波当电波辐射到地面或建筑物表面时，会发生反射或散射，从而产生多径传播现象4/3/202334CP 第三章 信道与噪声 其中：为介电常数，为电导率，为波长。4/3/202335CP 第三章 信道与噪声3.折射波折射波电波在空间传播中，由于大气中介质密度随高度增加而减小，导致电波在空间传播时会产生折射、散射等大气折射对电波传输的影响通常可用地球等效半径来表征。k=re/rok称为地球等效半径系数，r0=6370km为地球实际半径，re为地球等效半径。在标准大气折射状况下，地球等效半径系数k=4/34/3/202336CP 第三章 信道与噪声3.3.2短波电离层
15、反射信道短波电离层反射信道短波电离层反射信道是利用地面放射的无线电波在电离层，或电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信道。由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面60600 km的大气层成为电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成。当频率范围为330 MHz(波长为10100m)的短波(或称为高频)无线电波射入电离层时，由于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4/3/202337CP 第三章 信道与噪声电离层厚度有数百千米，可分为D、E、F1和F2四层在白天，由于太阳辐射强，所以D、E、F1和F2四层都存在。在夜晚，由于太阳辐射弱，D和F1层几乎完全消逝
16、，只有E和F2层存在由于太阳辐射的变更，电离层的密度和厚度也随时间随机变更，因此短波电离层反射信道也是随参信道。D、E层主要是吸取电波，使电波能量损耗。F2层是反射层，其高度为250300 km，所以一次反射的最大距离约为4000 km。4/3/202338CP 第三章 信道与噪声最高可用频率是指当电波以0角入射时，能从电离层反射的最高频率，可表示为 fMUF=f0 sec0=f0/cos0 f0为0=0时能从电离层反射的最高频率(称为临界频率)。在白天，电离层较厚，F2层的电子密度较大，最高可用频率较高。在夜晚，电离层较薄，F2层的电子密度较小，最高可用频率要比白天低。4/3/202339C
17、P 第三章 信道与噪声(a)一次反射和两次反射；(b)反射区高度不同；(c)寻常波与非寻常波；(d)漫射现象4/3/202340CP 第三章 信道与噪声3.3.3随参信道特性随参信道特性特点：(1)对信号的衰耗随时间随机变更；(2)信号传输的时延随时间随机变更；(3)多径传播。随参信道比恒参信道困难得多，它对信号传输的影响也比恒参信道严峻得多。4/3/202341CP 第三章 信道与噪声1.多径衰落与频率弥散多径衰落与频率弥散假设发送信号为单一频率正弦波，即从各条路径到达接收端的信号相互独立，则接收端接收到的合成波为 4/3/202342CP 第三章 信道与噪声由于X(t)和Y(t)都是相互独
18、立的随机变量之和，依据概率论中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋于正态分布。4/3/202343CP 第三章 信道与噪声当n足够大时，X(t)和Y(t)都趋于正态分布。通常状况下X(t)和Y(t)的均值为零，方差相等，其一维概率密度函数为4/3/202344CP 第三章 信道与噪声也可以表示为包络和相位的形式 由第 2 章随机信号分析理论我们知道，包络V(t)的一维分布听从瑞利分布，相位(t)的一维分布听从匀整分布，且有4/3/202345CP 第三章 信道与噪声r(t)可以看成是一个窄带随机过程。两个结论:多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信
19、号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。4/3/202346CP 第三章 信道与噪声2.频率选择性衰落与相关频率选择性衰落与相关带宽带宽当发送信号是具有确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，还会产生频率选择性衰落。当信道输入信号为si(t)时，输出信号为 信道传输函数为 4/3/202347CP 第三章 信道与噪声信道幅频特性为4/3/202348CP 第三章 信道与噪声对于信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。信号通过这种传输特性的信道时，信号的频谱将产生失真。当失真随时间随机变更时就形成频率选择性衰落。特殊是当信号的频
20、谱宽于 时，些频率重量会被信道衰减到零，造成严峻的频率选择性衰落。4/3/202349CP 第三章 信道与噪声对于一般的多径传播，通常用最大多径时延差来表征。设信道最大多径时延差为m，则定义多径传播信道的相关带宽为它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。假如信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严峻的频率选择性衰落。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。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1/51/3。当在多径信道中传输数字信号时，特殊是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引起严峻的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，就必需限制数字信号传输速率4/3/
21、202350CP 第三章 信道与噪声3.4 分集接收技术分集接收技术常接受的抗衰落技术措施有调制解调技术、扩频技术、功率限制技术、与交织结合的差错限制技术、分集接收技术等。其中分集接收技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用4/3/202351CP 第三章 信道与噪声所谓分集接收，是指接收端依据某种方式使它收到的携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落对接收信号的影响。从广义信道的角度来看，分集接收可看作是随参信道中的一个组成部分，通过分集接收使包括分集接收在内的随参信道衰落特性得到改善。分集接收包含有
22、两重含义：一是分散接收，使接收端能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；二是集中处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能4/3/202352CP 第三章 信道与噪声3.4.1分集方式分集方式空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等4/3/202353CP 第三章 信道与噪声1.空间分集空间分集接收端在不同的位置上接收同一个信号，只要各位置间的距离大到确定程度，则所收到信号的衰落是相互独立的。因此，空间分集的接收机至少须要两副间隔确定距离的天线接收端各接收天线之间的间距应满足 d3分集重数在 24 重比较合适4/3/202354
23、CP 第三章 信道与噪声2.频率分集频率分集将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要载波频率之间的间隔大到确定程度，则接收端所接收到信号的衰落是相互独立的。在实际中，当载波频率间隔大于相关带宽时，则可认为接收到信号的衰落是相互独立的。在移动通信中，当工作频率在900MHz频段，典型的最大多径时延差为5 s，4/3/202355CP 第三章 信道与噪声3.时间分集时间分集将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的。主要用于在衰落信道中传输数字信号。重复发送的时间间隔应满足fm为衰落频率，v为移动台运动速度时间分集对于静止状
24、态的移动台是无效果的。4/3/202356CP 第三章 信道与噪声以上介绍的是几种显分集方式，在CDMA系统中还接受Rake接收机形式的隐分集方式。另外，在实际应用中还可以将多种分集结合运用。例如在CDMA移动通信系统中，通常将空间分集与Rake接收相结合，改善传输条件，提高系统性能。4/3/202357CP 第三章 信道与噪声3.4.2 合并方式合并方式依据某种方式把得到的各个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。合并可以在中频进行，也可以在基带进行，通常是接受加权相加方式合并。合并器输出为ai为第i个信号的加权系数选择式合并、等增益合并和最大比值合并。表征合并性能的参数有平均输出信
25、噪比、合并增益等4/3/202358CP 第三章 信道与噪声1.选择式合并选择式合并其原理是检测全部接收机输出信号的信噪比，选择其中信噪比最大的那一路信号作为合并器的输出对选择式分集，每增加一条分集路径，对合并增益的贡献仅为总分集支路数的倒数倍合并器平均输出信噪比支路信号平均信噪比合并增益4/3/202359CP 第三章 信道与噪声2.等增益合并等增益合并当加权系数k1=k2=kN时，即为等增益合并合并前每条支路的平均信噪比4/3/202360CP 第三章 信道与噪声3.最大比值合并最大比值合并各条支路加权系数与该支路信噪比成正比。可以证明，当各支路加权系数为平均输出信噪比最大合并增益与分集支
26、路数N成正比第k条支路信号幅度每条支路噪声平均功率4/3/202361CP 第三章 信道与噪声最大比值合并的性能最好，选择式合并的性能最差。当N较大时，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益4/3/202362CP 第三章 信道与噪声3.5加性噪声加性噪声加性噪声与信号相互独立，并且始终存在，实际中只能实行措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消退加性噪声。因此，加性噪声不行避开地会对通信造成危害4/3/202363CP 第三章 信道与噪声3.5.1噪声的分类噪声的分类依据噪声的来源进行分类(1)人为噪声。(2)自然噪声(3)内部噪声依据噪声的性质分类单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。4/3
27、/202364CP 第三章 信道与噪声3.5.2起伏噪声及特性起伏噪声及特性主要探讨热噪声、散弹噪声和宇宙噪声的产生缘由，分析其统计特性热噪声是由传导媒质中电子的随机运动而产生的，这种在原子能量级上的随机运动是物质的普遍特性。在通信系统中，电阻器件噪声、天线噪声、馈线噪声以及接收机产生的噪声均可以等效成热噪声4/3/202365CP 第三章 信道与噪声3.5.2起伏噪声及特性起伏噪声及特性在阻值为R的电阻器两端所呈现的热噪声，其单边功率谱密度为在室温(T=290K)条件下，f1000GHz时，功率谱密度Pn(f)基本上是平坦的。通常我们把这种噪声按白噪声处理。4/3/202366CP 第三章
28、信道与噪声3.5.2起伏噪声及特性起伏噪声及特性通信系统中热噪声的功率谱密度可表示为 Pn(f)=2KTR(V2/Hz)系统中，电阻器件噪声、天线噪声、馈线噪声以及接收机产生的噪声均可以等效成热噪声热噪声电压听从高斯分布，且均值为零4/3/202367CP 第三章 信道与噪声3.5.2起伏噪声及特性起伏噪声及特性热噪声、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。因此，起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声。高斯白噪声的双边功率谱密度为4/3/202368CP 第三章 信道与噪声带通型噪声的频谱具有确定的宽度，噪声的带宽可以用不同的定义来描述。为了
29、使得分析噪声功率相对简洁，通常用噪声等效带宽来描述。4/3/202369CP 第三章 信道与噪声3.6 信道容量的概念信道容量的概念是指信道中信息无差错传输的最大速率。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；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。我们只探讨连续信道的信道容量。4/3/202370CP 第三章 信道与噪声3.6.1 离散信道的信道容量P（xi）为发送符号xi的概率P（yi）为收到符号yi的概率P（yi/xi）为转移概率，i=1，2，n无噪声时P（yi/xi）=0互信息4/3/202371CP 第三章 信道与噪声互信息平均自信息熵平均条件自信息条件
30、熵4/3/202372CP 第三章 信道与噪声信息传输速率信道容量单位时间内传送的符号数4/3/202373CP 第三章 信道与噪声3.6.2 连续信道的信道容量连续信道的信道容量1.香农公式带宽为B(Hz)的连续信道，其输入信号为x(t)，信道加性高斯白噪声为n(t)，则信道输出为y(t)=x(t)+n(t)对于频带限制在B(Hz)的输入信号，依据志向状况的抽样速率2B对信号和噪声进行抽样，将连续信号变为离散信号。此时连续信道的信道容量为4/3/202374CP 第三章 信道与噪声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，在具有确定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输
31、的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不行能实现无差错传输。4/3/202375CP 第三章 信道与噪声由香农公式可得以下结论：(1)增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，(2)减小噪声功率N(或减小噪声功率谱密度n0)可以增加信道容量，若噪声功率趋于零(或噪声功率谱密度趋于零)，则信道容量趋于无穷大(3)增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为4/3/202376CP 第三章 信道与噪声香农公式给出了通信系统
32、所能达到的极限信息传输速率，达到极限信息速率的通信系统称为志向通信系统。但是，香农公式只证明白志向通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统的实现方法。因此，志向通信系统的实现还须要我们不断努力4/3/202377CP 第三章 信道与噪声2.香农公式的应用香农公式的应用对于确定的信道容量C来说，信道带宽B、信号噪声功率比S/N及传输时间三者之间可以相互转换。若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。假如信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传输时间的削减，等等。这种信噪比和带宽的互换性在通信工程中有很大的用处。例如，在宇宙飞船与地面的通信中，飞船上的放射功率不行能做得很大，因此可用增大带宽的方法来换取对信噪比要求的降低。相反，假如信道频带比较惊惶，如有线载波电话信道，这时主要考虑频带利用率，可用提高信号功率来增加信噪比，或接受多进制的方法来换取较窄的频带。4/3/202378CP 第三章 信道与噪声