通信原理 第八章 信道

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1、第八章 信道,北京邮电大学信息工程学院 林家儒 2018年10月,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,第八章 信道,8.1 引言 8.2 信道定义和分类 8.3 通信信道实例 8.4 信道数学模型 8.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响 8.6 随参信道特性及其对信号传输的影响 8.7 分集接收 8.8 信道容量 8.9 信道复用,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.1 引言,信道 通信系统的重要组成部分 直接影响通信系统的传输性能,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.2 信道定义和分类,狭义信道: 信号传输的媒质 广义信道: 信号传输

2、媒质+相关通信设备 编码信道、调制信道,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,信道分类,按照信道输入输出端信号的类型 连续信道(模拟信道)和离散信道(数字信道) 按照信道的物理性质 无线信道、有线信道、光信道等 按照信道的参数稳定性 恒参信道：信道的性质(参数)不随时间变化 如：有线信道、光信道、部分无线信道等 随参信道：信道的性质(参数) 随时间变化 如：部分无线信道等,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.3 通 信 信 道 实 例,恒参信道 有线信道 光纤信道 无线电视距中继信道 卫星信道,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.3 通 信

3、 信 道 实 例,随参信道 地面移动通信信道,(1) 多径信号、多径传播,(2) 传播性质随时间变化,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.3 通 信 信 道 实 例,随参信道 短波电离层反射信道,(1) 多径信号、多径传播,(2) 传播性质随时间变化,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.3 通 信 信 道 实 例,随参信道 对流层散射信道,(1) 多径信号、多径传播,(2) 传播性质随时间变化,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.4 信 道 数 学 模 型,连续信道模型 输入和输出信号都是连续信号,离散信道模型 输入和输出信号都是离散

4、信号,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.4.1 连续信道模型,连续信道的性质 具有一对（或多对）输入和输出端 大多数信道是线性的 信号经过信道会有延时，并还会受到固定的或时变的损耗 无输入信号时，在信道的输出端仍有噪声输出,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,连续信道的等效模型,时变线性网络,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,连续信道的等效模型(2),多端时变线性网络,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,连续信道模型,线性算子 非时变随参信道时 时变恒参信道,加性干扰 人为干扰邻台干扰、开关干扰、工业电器设备等 自然干扰闪

5、电、大气中的电磁暴、宇宙噪声等 内部干扰电阻的热噪声、半导体散弹噪声、电源干扰等 窄带干扰单频干扰，幅度和相位变化的正弦波 脉冲干扰突发的幅度和占空比随机变化、占空比很小的 脉冲 起伏噪声时间上连续变化、频域上具有很大的带宽,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,连续信道模型,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.4.2 离散信道模型,编码信道的数学模型反映其输出数字序列和其输入数字序列之间的关系 概率关系,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,二进制离散信道模型,可用转移概率矩阵表示,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,四进制离散

6、信道模型,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响,恒参信道非时变线性网络,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响,1. 信号经过信道不失真的要求,不失真 要求,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响,1. 信号经过信道不失真的要求带宽有限时,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响,2. 信道的时延特性及群时延特性,信道的群时延特性,信道的时延特性,cos t经过信道后，变为 |H(

7、)| cos t+()=k cos t- () = - () = - ()/,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响,2. 信道的时延特性及群时延特性信道的时延特性不同频率的正弦信号经过信道的时延例： () = () + 0 () = - () + 0 )/,信道的时延特性为常数时，不会引起信号波形失真,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响,2. 信道的时延特性及群时延特性信道的群时延特性一般来说，与信道的时延特性不同例： () = () + 0 G() = - d() /d,信道的群

8、时延特性为常数时，不会引起信号包络失真,相同区域,不同区域,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,例8.5.1,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,例8.5.1,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,例8.5.1,网络对信号包络Acos t有群时延t0，对cosct无时延,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,例8.5.2,已知已调信号s(t) = m(t)cosct为窄带信号，在s(t)的频带范围内信道的幅频特性为常数(设为1)，相频特性为： () = -( -c) t0 + 0， t0和0为常数，求s(t)通过信道的输出，并分析结果

9、,解：用低通等效法由s(t)的窄带特性，其解析信号为,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,例8.5.2,结果分析： (1) t0 是信道在 =c附近的群时延 (2) 信道的时延特性为 () = - () / = - (-c) t0 + 0 /0= c t0 时， () = t0 为常数， () = - t0 ，理想相频特性0c t0 时， () 不是常数， s(t) 有相应的相位频率失真m(t) 无失真，其延时等于群时延,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6 随参信道特性和对信号传输的影响,8.6.1 随参信道的数学模型,随参信道的特点： (1) 对信号的

10、衰减随时间变化 (2) 对信号的时延随时间变化 (3) 多径传播,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6 随参信道特性和对信号传输的影响,8.6.1 随参信道的数学模型,发送信号,表示第i条路径信号衰耗因子，随时间随机变化,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6 随参信道特性和对信号传输的影响,8.6.1 随参信道的数学模型,窄带随机过程,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6.2 随参信道对信号传输的影响,平坦性衰落,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6.2 随参信道对信号传输的影响,平坦性衰落,瑞利分布,均匀

11、分布,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6.2 随参信道对信号传输的影响,频率选择性衰落,信道的 相干带宽,fs=1/Ts，max Ts， f fs 若f s f，不同的频率分量受到不同程度的衰落 频率选择性衰落,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6.2 随参信道对信号传输的影响,频率选择性衰落,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6.2 随参信道对信号传输的影响,频率选择性衰落,不为常数时， so(t) = B(t)cosct+ c (t)= B(t)cosct+(t) 幅度和相位均有随机调制，输出不再是单一谱线，发生 频率弥散

12、,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6.2 随参信道对信号传输的影响,移动信道的多普勒扩展及相干时间,移动台与基站之间的相对运动，使接收信号的载频发生 多普勒频移,多普勒频移fd= fmcos，fm=v/= vfc/c， fc-fm fr fc+fm 多普勒扩展,Tc 1/fm相干时间 反映了信道冲击相应的时变性,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6.2 随参信道对信号传输的影响,移动信道的多普勒扩展及相干时间,移动台与基站之间的相对运动，是接收信号的载频发生 多普勒频移,多普勒频移fd= fmcos，fm=v/= vfc/c， fc-fm fr fc+fm 多普勒扩展,Ts Tc 或Rs fm慢衰落信道,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.6.3 抗衰落措施,扩频技术 交织技术 纠错编码技术 自适应信道均衡技术 分集技术,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,8.7 分集接收,一路低于门限的概率,两路完全不相关的概率,两路完全相关的概率,2018/10/17,北京邮电大学信息工程学院 J,宏分集 * 也称为“多基站”分集 * 多个基站设置在不同的地理位置、不同方向上， * 同时和小区内的一个移动台进行通信 * 分集数N越大，分集效果越好，N增大 * N增大，改善是有限、系统复杂 * N=24,