1、12/1/20221西安电子科技大学通信工程原理第三章课件设计12/1/20222第三章 信道本章大纲本章大纲信道的定义、分类和模型恒参信道的传输特性及其对信号的影响随参信道的传输媒质的三个特点，多径传播对信号的影响信道加性噪声的统计特性连续信道的信道容量，香农公式12/1/20223一、信道的定义与分类一、信道的定义与分类1.狭义信道狭义信道：仅指传输媒质。：仅指传输媒质。分为：有线信道有线信道 （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。）2.广义信道广义信道：除了传输媒质外，
2、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：调制信道调制信道 研究调制与解调的角度定义12/1/20224一、信道的定义与分类一、信道的定义与分类编码信道编码信道 研究编码和解码的角度定义 图3-1 调制信道与编码信道 需要指出，无论何种广义信道，传输媒质是其主要部分，通信质量的好坏，主要取决于传输媒质的特性。编码信道调制信道12/1/20225二、信道数学模型二、信道数学模型 1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，如图3-2所示。图3-2 调制信道模型入出关系：式中 是输入的已调信号；)(
3、)()(0tnteftei)(tei)(tei)(0te12/1/20226二、信道数学模型二、信道数学模型 是信道总的输出；是加性噪声（或称加性干扰），与 不 不发生依赖关系,或者说 独立于 。作为数学上的一种简洁：依赖于网络特性，它对 来说是一种乘性干扰。讨论：（1）调制信道对信号的干扰有两种：乘性干扰 和加性干扰 .分析信道对信号的具体影响，在于了解 与 的特性。)(0te)(tn)()(tntn)(tei)(tn)(tei)()()()(0tntetktei)(tei)(tk)(tk)(tn)(tk)(tn12/1/20227二、信道数学模型二、信道数学模型（2）分析乘性干扰 的影响时
4、，可把调制信道分为两大类：恒参信道恒参信道，即 随时间缓变或不变；随参信道随参信道，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。2.2.编码信道模型编码信道模型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。)(tk)(tk)(tk12/1/20228二、信道数学模型二、信道数学模型 图3-3二进制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 （由于编码信道包含调制信道，因而它的特性在很大程
5、度上依赖于调制信道。调制信道又分为恒参信道和随参信道，故将重点加以讨论。)1/0(1)1/1()0/1(1)0/0(PPPP1010)0/0(P)1/0(P)0/1(P)1/1(P12/1/20229三、三、恒参信道的特性及其对信号的影恒参信道的特性及其对信号的影 恒参信道是指乘性干扰 基本不随时间变化的信道。因此，恒参信道可等效为一个线性时不变网络。可用和共同来描述。1.传输特性 幅频特性 相频特性 )(tk)(H)()()(jeHH)(H)(12/1/202210三、三、恒参信道的特性及其对信号的影响恒参信道的特性及其对信号的影响 1不失真条件 引入群迟延频率特性，它定义为相频特性的导数，
6、即 若 呈线性关系，则 曲线是一条水平直线，如图3-4所示。这时，信号的不同频率成分将有相同的时延，因而信号经过该信道传输后将不发生失真。成线性关系为一条水平线)()()(HKeHtjdd)()()(12/1/202211 三、三、恒参信道的特性及其对信号的影响恒参信道的特性及其对信号的影响 图3-4理想的相频特性及群迟延频率特性2 2两种失真及其影响两种失真及其影响实际的信道特性并不理想，必然对信号产生两种失真：00KK12/1/202212 三、三、恒参信道的特性及其对信号的影响恒参信道的特性及其对信号的影响 幅频失真幅频失真 指信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰减。它对模拟通信影响
7、较大，导致信号波形畸变，输出信噪比下降。相频失真相频失真（或群迟延失真）指信号中不同频率的分量分别受到信道不同的时延。它对数字通信影响较大，会引起严重的码间干扰，造成误码。综述：恒参信道通常用它的幅频特性及相频特性来表述。这两个特性的不理想，将是损害信号传输特性的重要因素。实际中常采用“均衡”措施去补偿信道的传输特性。12/1/202213四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 随参信道的传输特性主要依赖于其传输媒质，它以电离层反射信道、对流层散射信道为主要代表。1传输媒质特点：（1）对信号的衰耗随时间而变；（2）传输的时延随时间而变；（3）多径传播。12
8、/1/202214四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 2引起多径传播的原因 所谓多径传播，是指由发射点出发的电波可能经过多条路径达到接收点，其示意图如图3-5所示。由于每条路径对信号的衰减和时延都随电离层或对流层的机理变化而变化，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。图3-5 多径传播示意图 设 发 射 波 为 幅 度 恒 定、频 率 单 一 的 载波 ，经过多条路径传播后的接收信号 可表示为 tA0cos)(tR)(cos)()(0tttVtR收发收发12/1/202215四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其
9、对信号传输的影响 式中 V(t)是合成波R(t)的包络，其一维分布为瑞利分布；是合成波R(t)的相位，其一维分布为均匀分布。于是，R(t)可视为一个窄带过程，又称R(t)为衰落信号。3 3多经传播对信号传输的影响多经传播对信号传输的影响（1）产生瑞利型衰落从波形上看，幅度恒定频率单一的载波信号变成了包络和相位受到调制的窄带信号,见图3-6（a）。（2）引起频率弥散)(t12/1/202216四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 从频谱上看，单个频率变成了窄带频谱,见图3-6（b）。图3-6衰落信号的波形与频谱示意图)(tvdttdf)(20)(波形)(频
10、率)(a)(btf12/1/202217四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响（3）造成频率选择性衰落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，还会产生频率选择性衰落。频率选择性衰落是多径传播的又一重要特征。为了分析方便，我们假设多径传播的路径只有两条，信道模型如图3-22所示。其中，k为两条路径的衰减系数，为两条路径信号传输相对时延差。)(t12/1/202218四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 当信道输入信号为时，输出信号为 其频域表示式为 信道传输函数为 可以看出,信道传
11、输特性主要由项决定。信道幅频特性为)(tsi)()()(0ttkstkstsii)()(01)()()()(tjwteittejiieksekskss)(01)()()(jwteiekssH)(1tjwtee2)(cos2)(sin)(cos11)()(tktvjtvkekHtjwte12/1/202219四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 上式表示，对于信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。显然，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化时就形成频率选择性衰落。特别是当信号的频谱宽于时，有些频率分量会被信道衰减到零，造成
12、严重的频率选择性衰落。)(1t12/1/202220四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 另外，相对时延差通常是时变参量，故传输特性中零点、极点在频率轴上的位置也随时间随机变化，这使传输特性变得更复杂.)(t12/1/202221四、随参信道的特性及其对信号传输的影四、随参信道的特性及其对信号传输的影响响设最大多经时延差为 ,则定义相邻传输零点的频率间隔为相关带宽为减小选择性衰落，往往要限制数字信号的传输数率，实际上等于限制了数字信号的频谱宽度，即信号频带(）必须小于相关带宽。一个工程上经验公式 mmf1SBfBS)5131(即数字信号的码元脉冲宽度mS
13、T)53(12/1/202222四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 综上分析，多经传播引起的瑞利型衰落（属快衰落）和频率选择性衰落是严重影响信号传输的两个因素。因此，对随参信道往往要采用抗快衰落措施，如各种抗衰落的调制解调技术及接收技术等。其中较为有效的一种就是分集接收技术（分散接收，集中处理）。12/1/202223四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 4 4分集接收技术分集接收技术 陆地移动信道、短波电离层反射信道等随参信道引起的多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散等，会严重影响接收信号质量，使通信系
14、统性能大大降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采用抗衰落的有效措施。常采用的技术措施有，抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、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。12/1/202224四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响所谓分集接收是指接收端按照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
15、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。12/1/202225四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 分集接收包含有两重含义：一是分散接收一是分散接收，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。分集方式分集方式为了在接收端得到多个互相独立或基本独立的接收信号，一般可利用不同路径、不同频率、不同角度、不同极化、不同时间等接收手段来获取。因此，分集方式也有空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等多种方式。12/
16、1/202226四、随参信道的特性及其对传输的影响四、随参信道的特性及其对传输的影响 （1）空间分集空间分集是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一定程度，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需要两副间隔一定距离的天线.12/1/202227（2）频率分集频率分集是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一定程度，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。因此，载波频率的间隔应满足 式中，为载波频率间隔，为相关带宽，为最大多径时延差。mcBf1f
17、cBm12/1/202228四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 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 ,此时有 （3）时间分集时间分集是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。时间分集主要用于衰落信道中传输数字信号。以上介绍的是几种显分集方式，在CDMA系统中还采用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使用。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。合并方式合并方式kHz
18、Bfmc200105116s12/1/202229四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 在接收端采用分集方式可以得到N个衰落特性相互独立的信号，所谓合并就是根据某种方式把得到的N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，通常是采用加权相加方式合并。假设N个独立衰落信号分别为,则合并器输出为 式中，为第i个信号的加权系数。NiiiNNtratratratratr12211)()()()()(ia)(,),(),(21trtrtrN 12/1/202230四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其
19、对信号传输的影响选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。常用的三种合并方式是：选常用的三种合并方式是：选择式合并、等增益合并和最大比值合并择式合并、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噪比、合并增益等。（1）选择式合并12/1/202231四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 选择式合并是所有合并方式中最简单的一种，其原理是检测所有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.选择式合并的平均输出信噪比为 合并增益为 NkMkrr101NkMMkrrG10112/1/202232四、随参信道的特性及其对信
20、号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 式中，为合并器平均输出信噪比，为支路信号最大平均信噪比。可见，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。（2）等增益合并而且当加权系数时，即为等增益合并。假设每条支路的平均噪声功率是相等的，则等增益合并的平均输出信噪比为 合并增益为 411NrrM411NrrGMMNkkk21Mr0r12/1/202233四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 式中，为合并前每条支路的平均信噪比。（3）最大比值合并 最大比值合并方法最早是由Kahn提出的。最大比值合并原理是各条支路加权系
21、数与该支路信噪比成正比。信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号贡献也越大。若每条支路的平均噪声功率是相等的，可以证明，当各支路加权系数 时，分集合并后的平均输出信噪比最大。式中，为第条支路信号幅度，为每条支路噪声平均功率。2kkAakA2r12/1/202234四、随参信道的特性及其对信号传输的影响四、随参信道的特性及其对信号传输的影响 最大比值合并后的平均输出信噪比为 合并增益为 可见，合并增益与分集支路数成正比。可以看出，在这三种合并方式中，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。NrrGMMrNrM12/1/202235
22、五、信道的加性噪声五、信道的加性噪声 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）。这类噪声是不能回避的客观存在，是影响通信质量的主要因素之一。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。分析表明：热噪声、散弹噪声、和宇宙噪声均为高斯噪声，且在很宽的频率范围内都具有平坦的功率谱密度，故今后一律把起伏噪声定义为高斯白噪声。其双边功率谱密度为)()/(2)(0fHzWnPn12/1/202236五、信道的加性噪声五、信道的加性噪声 其一维概率密度函数为当研究调制与解调问题时，起伏噪
23、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。也就是说，调制信道的加性噪声可直接表述为窄带高斯白噪声。设带通型噪声的功率谱密度 如图3-7所示，它可以由高斯白噪声通过一个带通滤波器而得到。222exp21)(nnvvf)(nP12/1/202237五、信道的加性噪声五、信道的加性噪声 图3-7 带通型噪声的功率谱密度假设功率谱密度 曲线下的面积与图中矩形虚线下的面积相等，即式中，为等效噪声带宽，其物理含义是白噪声通过实际带通滤波器的效果与通过宽度为，高为1的矩型滤波器的效果一样。上述噪声带宽的定义将适用于今后常见的窄带高斯噪声。且认为带宽为 的窄带高斯噪声，其
24、功率谱密度 在带宽 内是平坦的。)(nP)(2)(cnnnfPBdffPnBnBnB)(nPnB)(nP)(0fPnnBnB0f0ff012/1/202238六、六、信道容量信道容量 信道容量是信道的极限传输能力。1.定义定义 信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量，记之为C。2 连续信道的信道容量根据香农信息论可以证明，受到高斯白噪声干扰的连续信道的信道容量为式中，B为信道带宽（Hz），S为信号功率（W），为噪声单边功率谱密度（W/Hz）,为噪声功率（W）。上式就是著名的香农公式香农公式。它告诉我们以下重要结论：（1）提高信噪比S/N，能提高信道容量C。)1(log)1(log022BnSBNSBC12/1/202239六、六、信道容量信道容量（2）若 0，则C ，这意味无干扰信道容量为无穷大。（3）增加信道带宽B，不能使信道容量C无限制地增加，即当B 时，C (4)C一定，B 与S/N可进行互换(5)若信源的信息速率R小于或等于信道容量C，则理论上可实现无误差（任意小的差错率）传输。若R C，则不可能实现无误传输。通常，把实现了极限信息速率传输（即达到信道容量值）且能做到任意小差错率的通信系统，称为理想通信系统理想通信系统。例题例题0n044.1nS
