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1、第2章 信道与噪声现代通信系统原理第2章 信道与噪声 2.1 信道的基本概念 2.2 恒参信道及其对所传信号的影响 2.3 随参信道及其对所传信号的影响 2.4 信道的加性噪声 2.5 通信中的常见噪声 2.6 信道容量的概念 Date1第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.1 信道的基本概念2.1.1 信道的定义信道，通俗地说，是指以传输媒质为 基础的信号通路。具体地说，信道是指由 有线或无线电线路提供的信号通路。信道 的作用是传输信号，它提供一段频带让信 号通过，同时又给信号加以限制和损害。 Date2第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.1.2 信道的分类 信道可大体分成：狭义信道和广义
2、信道。1. 狭义信道 狭义信道是指在发端设备和收端设备中间的传输媒介，它包括有线信道和无线信道。 2. 广义信道广义信道通常也可分成两种，调制信道和 编码信道。 具体情况见p20图。Date3第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.1.3 信道的数学模型 1.调制信道模型 调制信道的范围是从调制器输出端到解 调器输入端。通常它具有如下性质： （1）有一对(或多对)输入端和一对(或多 对)输出端；（2）绝大部分信道都是线性的，即满足叠加原理；Date4第2章 信道与噪声现代通信系统原理（3）信号通过信道会出现迟延时间；（4）信道对信号有损耗它包括固定损耗或时变损耗；（5）即使没有信号输入，在信道的
3、输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。 Date5第2章 信道与噪声现代通信系统原理对于二对端的信道模型来说，其输出与 输入之间的关系式可表示成：将上式进一步简化可以写成：这样信道对信号的影响可归纳为两点： 一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰n(t)。不同特性的信道，仅反映信道模型有不 同的k(t)及n(t)。 Date6第2章 信道与噪声现代通信系统原理根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：恒参信道和变参信道。 2. 编码信道模型 从编码器输出端到译码器输入端的所有 转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变 换的方框加以概括，此方框称为编码信道。编码信道的模型可用数字信号的转移概 率来
4、描述。 Date7第2章 信道与噪声现代通信系统原理模型中，把 、 、 、 称为信道转移概率。以 为例，其含义 是“经信道传输，把0转移为1的概率”。 Date8第2章 信道与噪声现代通信系统原理转移概率由编码信道的特性决定，一个 特定的编码信道就会有相应确定的转移概率 。 编码信道可进一步分为无记忆编码信道 和有记忆编码信道。 Date9第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.2 恒参信道及其对所传信号的影响由于恒参信道对信号传输的影响是固 定不变的或者是变化极为缓慢的，因而可 以等效为一个非时变的线性网络。2.2.1 信号不失真传输条件网络的传输特性可以表示为： Date10第2章 信道与噪
5、声现代通信系统原理要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应该具备以下两个 理想条件：（1）网络的幅频特性 是一个不随频 率变化的常数;（2）网络的相频特性 应与频率成负斜率直线关系。 Date11第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.2.2 幅度频率畸变 图2-6 典型音频电话信道的相对衰耗 若传输数字信号，会引起相邻数字信号 波形之间在时间上的相互重叠，即码间串扰 。 Date12第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.2.3 相位频率畸变（群迟延畸变） 图2-7 典型电话信道群迟延-频率特性 对模拟信号的影响不太严重，但若传输 数字信号，会引起严重的码间串扰。 Date1
6、3第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.2.4 减小畸变的措施减小幅度-频率畸变的措施：改善电话信 道中的滤波性能，或者再通过一个线性补偿 网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措 施通常称之为“均衡”。 减小相位-频率畸变的措施：采取相位均 衡技术补偿群迟延畸变。 除此之外，还存在其它类型影响信号传 输的因素。Date14第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.3 随参信道及其对所传信号的影响2.3.1 随参信道传输媒质的特点典型的传输媒质：电离层反射、对流 层散射等。 特点（1）信号的衰耗随时间随机变化；（2）信号传输的时延随时间随机变化 ； （3）多径传播。Date15第2章 信道与噪声现代
7、通信系统原理2.3.2 随参信道对信号传输的影响 1. 多径衰落与频率弥散 设发射信号为 ，则经过条路径 传播后的接收信号可用下式表述。式中， 第i条路径的接收信号振幅；第i条路径的传输时延；第i条路径的随机相位。 Date16第2章 信道与噪声现代通信系统原理经过理论分析和实际观察可以得出结论： 、 和 可看作是缓慢变化的随机过程。 化简后接收信号可用下式表述：其中， 是多径信号合成后的包络；是多径信号合成后的相位。 包络 和相位 都是缓慢变化的随 机过程。于是， 可视为一个窄带随机过程 。 Date17第2章 信道与噪声现代通信系统原理图2-9 衰落信号的波形与频谱示意图 （1）从波形上看
8、，多径传播的结果使确定的载频信号变成了包络和相位都随机变化的 窄带信号，这种信号称为衰落信号；Date18第2章 信道与噪声现代通信系统原理（2）从频谱上看，多径传播引起了频率弥散（色散），即由单个频率变成了一个窄 带频谱；通常将由于电离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为慢衰落；而把由于多径效 应引起的信号衰落称为快衰落。 Date19第2章 信道与噪声现代通信系统原理2. 频率选择性衰落与相关带宽 当发送的信号是具有一定频带宽度的信 号时，多径传播会产生频率选择性衰落。下面假定多径传播的路径只有两条的情 况进行分析。令发送信号为f (t)，其频谱函数为F(w)。则到达接收点的两路信号，具有
9、相同的衰 减，这样它们可分别表示为： Date20第2章 信道与噪声现代通信系统原理当这两条传输路径的信号合成后得：相应于它的傅氏变换对为 因此，信道的传递函数为 其幅频特性为 Date21第2章 信道与噪声现代通信系统原理图2-10 两条路径传播时选择性衰落特性 当一个传输信号的频谱宽于1/ 时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为 频率选择性衰落，简称选择性衰落。 Date22第2章 信道与噪声现代通信系统原理上述概念可推广到一般的多径传播中去 。多径传播时的相对时延差通常用最大多径 时延差 来表征，并用它来估算传输零极 点在频率轴上的位置。设信道的最大时延差为 ，则相邻两个零点之间的频
10、率间隔为：这个频率间隔通常称为多径传播信道的 相关带宽。Date23第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.3.3 随参信道特性的改善 对于慢衰落，主要采取加大发射功率和 在接收机内采用自动增益控制等技术和方法 即可。对于快衰落，通常可采用多种措施，例 如，各种抗衰落的调制/解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中明显有效且常 用的抗衰落措施是分集接收技术。 Date24第2章 信道与噪声现代通信系统原理1. 分集接收的基本思想 基本思想：如果能在接收端同时获得几 个不同的合成信号，并将这些信号适当合并 构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落 的影响。要求：只有被分集的几个合成信号之间 是统计
11、独立的，合并后才能使系统性能改善 。 Date25第2章 信道与噪声现代通信系统原理2. 分散得到合成信号的方式 为了获取互相独立或基本独立的合成信 号，大致有如下几种分集方式。（1）空间分集；（2）频率分集； （3）角度分集； （4）极化分集。 Date26第2章 信道与噪声现代通信系统原理3. 集中合成信号的方式 对各分散的合成信号进行合并的方法有 多种，最常用的有：（1）最佳选择式； （2）等增益相加式； （3）最大比值相加式。以上合并方式中最大比值合并方式性能 最好，等增益相加方式次之，最佳选择方式 最差。 Date27第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.4 信道的加性噪声根据信道中
12、加性噪声的来源不同，可 以粗略地分为以下四类：（1）无线电噪声； （2）工业噪声；（3）天电噪声； （4）内部噪声。 Date28第2章 信道与噪声现代通信系统原理从噪声性质来区分可有： （1）单频噪声 ;（2）脉冲干扰 ;（3）起伏噪声。其中影响最大的是起伏噪声，它是通信系统最基本的噪声源。而起伏噪声主要包括：信道内所有的热 噪声、散弹噪声和宇宙噪声等。 Date29第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.5 通信中的常见噪声2.5.1 白噪声 定义：白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从均匀分布 。白噪声的功率谱密度函数为：双边谱密度：单边谱密度：Date30第2章 信道与噪
13、声现代通信系统原理功率信号的功率谱密度与其自相关函数 互为傅氏变换对：图2-11 白噪声的功率谱密度与自相关函数 Date31第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.5.2 高斯噪声 定义：高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。 其一维概率密度函数可用数学表达式表示为 ：a为噪声的数学期望值，也就是均值； 为噪声的方差。 Date32第2章 信道与噪声现代通信系统原理在噪声均值为零时，噪声的平均功率等 于噪声的方差。 在通信系统的性能分析中，常常通过求 自相关函数或方差的方法来计算噪声的功率 。 Date33第2章 信道与噪声现代通信系统原理高斯概率密度函数的进一步讨
14、论：图2-12 正态分布的概率密度函数（1） 对称于直线 ，即有 Date34第2章 信道与噪声现代通信系统原理（2） 在 内单调上升，在 内单调下降，且在a点处达到极大值 ;（3）（4）a表示分布中心， 表示集中的程度。（5）当 ， 时，相应的正态分 布称为标准化正态分布，这时有 Date35第2章 信道与噪声现代通信系统原理已知概率密度函数的前提下，正态概率 分布函数可以表示为： 与正态分布相关的还有误差函数 和互补误差函数 ，它们的定义式分别 为： Date36第2章 信道与噪声现代通信系统原理可以证明，利用误差函数的概念，正态 分布函数可表示为：为了方便以后分析，在此给出误差函数 和互
15、补误差函数的主要性质： Date37第2章 信道与噪声现代通信系统原理（1）误差函数是递增函数，它具有如下性质： （2）互补误差函数是递减函数，它具有如下性质：Date38第2章 信道与噪声现代通信系统原理2.5.3 高斯型白噪声 定义：高斯型白噪声也称高斯白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计 特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一 类噪声。2.5.4 窄带高斯噪声 1. 窄带高斯噪声的定义与表达式定义：当高斯噪声通过以 为中心角频率的窄带系统时，就可形成窄带高斯噪声 。 Date39第2章 信道与噪声现代通信系统原理窄带高斯噪声可表示为： 式中， 为噪声的随机包络； 为噪声的随 机相位，相对于载波的变化而言，它们的变 化要缓慢的多。 Date40第2章 信道与噪声现代通信系统原理窄带高斯噪声的另外一种表达形式： 其中 式中 及 分别称为的同相分量和 正交分量，其变化相对于载波要缓慢的多。 Date41第2章 信道与噪声现代通信系统原理2. 统计特性 （1）一个均值为零，方差为 的窄带高斯噪声，假定它是平稳随机过程，则它的同 相分量 、正交分量 同样是平稳高斯 噪声，且均值都为零，方差也相同
