通信原理韩庆文 信道与干扰.pptx

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1、重庆大学通信工程学院数字通信原理主要内容主要内容 2.1 .1 信息论初步信息论初步2.2 信道的基本概念2.3 信号通过线性时不变系统信号通过线性时不变系统2.4 白噪声白噪声2.5 变参信道及其对信号传输的影响第1页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道及其对信号传输的影响变参信道变参信道1变参信道对信号传输的影响变参信道对信号传输的影响2变参信道特性的改善3第2页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道变参信道包含的传输媒质比较复杂，信道特性随时间变化很快，比恒参信道复杂得多，对信号传输过程的影响也要严重得多 变参信道传输媒质的特点1.对信号的衰耗随时间的变化而变2

2、.传输的时延随时间而变3.多径传播第3页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道及其对信号传输的影响变参信道变参信道1变参信道对信号传输的影响变参信道对信号传输的影响2变参信道特性的改善3第4页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道对信号传输的影响频率弥散与快衰落 频率选择性衰落和时间弥散 慢衰落 第5页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率弥散与快衰落可用变参信道传送单频信号来说明频率弥散快衰落现象 发射波发射波经过经过n n条路径传播后条路径传播后的接收信号的接收信号第i i条路径的接收信号振幅，随时间不同而随机变化 第i i条路径的接收信号时延，随时间不同而

3、随机变化 第i i条路径的随机相位 第6页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率弥散与快衰落缓慢变化的随机过程 分别是的分别是的cosct和和sin ct的包络的包络第7页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率弥散与快衰落合成波合成波R(t)R(t)的包络的包络合成波合成波R(t)的相位的相位第8页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率弥散与快衰落变化缓慢变化缓慢R(t)R(t)是窄带随机过程是窄带随机过程变化缓慢第9页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率弥散与快衰落可见从波形上看，多径传播的结果使确定的单一载频信号Vcosct变成了包络和相位都随机变化的窄带

4、信号，这种信号称为衰落信号；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 第10页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率弥散与快衰落可见从频谱上看，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。分析说明分析说明第11页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明任意时刻任意时刻t t是是n n个随机变量之和个随机变量之和足够大足够大在在“和和”中的每一个随机变量可以认为是独立地出现的中的每一个随机变量可以认为是独立地出现的且具有均匀分布特性且具有均匀分布特性 中心极限定理中心极限定理是高斯随机变量是高斯随机变

5、量平稳高斯过程平稳高斯过程 R(t)R(t)是窄带高斯过程是窄带高斯过程 V(t)V(t)一维服从瑞利分布一维服从瑞利分布 (t)(t)一维服从均匀分布一维服从均匀分布第12页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明信号的包络服从瑞利分布的衰落，通常称之为瑞利型衰落。设瑞利型衰落信号的包络值记为V，则随机变量V的一维概率密度函数f(V)可表示成：相位(t)的一维概率密度函数也可表示为：第13页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明1.V=时，f(V)有极大值：第14页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明2.V的数学期望：第15页/共67页重庆大学通信工程学院

6、数字通信原理分析说明3.V的均方值（二阶原点矩）：第16页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明4.V的方差（二阶中心矩）：第17页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明5.当：V V的中值的中值第18页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明6.信号低于的概率：信号包络低于信号包络低于的时的时间约为间约为3939。第19页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明7.信号包络V超过某一指定值K的概率：第20页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理衰落特性的描述衰落特性通常用“衰落深度”和“衰落速度”两个参量来衡量。衰落深度：用来描述接收信号电平变

7、化的范围大小的。它描述了接收信号电平变化的基本范围，对我国通信情况的大量统计平均表明，衰落深度约为1020dB(短波)。衰落速度：用来描述电平变化的快慢情况。它定义为每分钟以正斜率通过中值电平的平均次数，对散射信道，衰落速率可达0.2-2赫，短波信道为5-50次分。第21页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理包络电平包络电平V小于横坐标的概率（）小于横坐标的概率（）相对于中值的分贝数相对于中值的分贝数衰落深度90%10%衰落深度第22页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道对信号传输的影响频率弥散与快衰落 频率选择性衰落和时间弥散 慢衰落 第23页/共67页重庆大学通信工程学

8、院数字通信原理频率选择性衰落和时间弥散多径传播除了会造成频率弥散和快衰现象外，还会引起频率选择性衰落和时间弥散。频率选择性衰落是指信号频谱中某一些分量衰耗特别大、而另一些频谱分量衰耗却比较小，从而造成传输后的信号出现畸变分析说明 第24页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明多径传播路径有两条多径传播路径有两条到达接收点的两路信号具有相同强度到达接收点的两路信号具有相同强度只是到达时间不同只是到达时间不同(即时延不同即时延不同)发射信号发射信号f(t)f(t)经过两条路径传播的信号为经过两条路径传播的信号为固定时延固定时延两路相对时延两路相对时延某一确定强度某一确定强度框图框图第2

9、5页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理模拟框图V0V0时延t0时延t0第26页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明传递函数传递函数第27页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明取取H(H()的模的模 零点零点极大值极大值相对时延差随时间变化的传输特性出现的零点与极点在频率轴上的位置随时间而变 第28页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理推广到多径信道频率选择性衰落依赖于相对时延差多径传播的相对时延差（简称多径时延差）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。多径传播的最大时延差多径传播的最大时延差相邻传输零点的频率间隔多径传播媒

10、质的“相关带宽”第29页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率选择性衰落和时间弥散如传输波形的频谱宽度大于f，波形将产生明显的频率选择性衰落，为了不引起明显的选择性衰落，传播波形的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽f0，工程实现中，一般取传输信号带宽35倍频率选择性衰落造成的波形畸变称为“时间弥散”。在多径信道中传输数字信号，特别是传输高速数字信号时，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰，为了减小码间干扰，必须限制数字信号的传输速率。分析说明 第30页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分析说明TT发端送入的信号f(t)为一方波经延迟为t0和t0+两条路径传播在接收点得到的波形f

11、0(t)与f(t)比较是发生了畸变幅度变得高低不平波形被展宽多径传播为各条路径的最大相对时延。这种波形展宽现象称为“时间弥散”。第31页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理时间弥散时间弥散可能会造成前后数字波形的重叠，导致码间干扰为减少这种影响，必须满足Ts大大降低了数字波形的传输速度。短波电离层反射媒质的信道0.2-2ms，常选码元宽度Ts=5-15ms，码元宽度与码速成反比，5毫秒宽度的码元，码速为200波特，对二进制码，它的比特速率为200bs，当码宽为15毫秒时，码速为66.6波特，二进制时的比特速率为66.6bs。由于多径时延的影响，数字波形的传输速度被大大地限制了。变参信道的

12、多径传播对数字信号的传输带来的影响是严重的，这也是变参信道对数字信号传输的主要影响。第32页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道对信号传输的影响频率弥散与快衰落 频率选择性衰落和时间弥散 慢衰落 第33页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理慢衰落由于变参信道的传输媒质均为不同高度的大气层，对电波传播的特性总是随着昼夜、季节、时间的不同在不断地变化着，因而对被传输信号的衰减也是不断变化的。这种变化通常仍叫它为衰落现象，不同的是，这种变化比多径传播造成的衰落现象要缓慢得多。所以，通常把这种衰落现象叫“慢衰落”，而把多径传播造成的衰落称之为“快衰落”。慢衰落特性也可用积累概率分布

13、曲线来表示慢衰落一般说来对所传信号频谱中的各个频率分量几乎产生同样影响，因而对信号损害不大。一般可以通过调节设备的增益来补偿。第34页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道及其对信号传输的影响变参信道变参信道1变参信道对信号传输的影响变参信道对信号传输的影响2变参信道特性的改善3第35页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道特性的改善变参信道对信号传输的最大危害是多径传播引起的快衰落现象和多径时延。为了抗快衰落通常可采用多种措施，较为有效且常用的抗衰落措施就是分集接收技术 分集接收分集方法合并方式第36页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分集接收分集接收就是设法

14、取得n组相互独立的信号，再按适当的方法集中起来，以便衰落强度相互补偿，使总的接收信号比较平稳，从而克服或减弱信号包络的起伏。采用分集接收的信号质量可以大大提高，变参信道中分集接收是抗快衰落的有效方法。第37页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道特性的改善分集接收分集方法合并方式第38页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分集方式空间分集极化分集角度分集频率分集时间分集第39页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理空间分集收端使用n付同样的天线，将它们安置在有一定距离的不同位置，以降低不同天线接收信号间的相关性。分集分集接收接收输出输出发送端发送端接收端接收端.第40页/

15、共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理空间分集天线放置的位置不同，效果也不同包含电离层反射和对流层散射媒质的信道，直立方向和水平垂直相关系数的速率降低得较快。若天线间隔达到100个波长左右，就可以认为两天线接收信号完全不相关了。直立方向直立方向水平垂直方向水平垂直方向水平顺延方向水平顺延方向第41页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理空间分集通常情况下，分集天线数（分集重数）越大，性能越好但是当分集重数增加到一定数量以后，分集重数对性能的改善能力将越来越差在考虑分集重数时不能一味求多，造成不必要的浪费，一般情况下多采用24付天线，我们称之为二一四置空间分集。第42页/共67页重庆大学通

16、信工程学院数字通信原理分集方式空间分集极化分集角度分集频率分集时间分集第43页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理极化分集有时候衰落的部分原因是由于信号通过传输媒质极化方向发生了变化。在短波电离层反射信道中，接收信号的水平极化分量和垂直极化分量间的相关性很小。可用两个位置很近，但极化方向不同的天线分集接收信号。在对流层散射和微波视距信道中，水平极化和垂直极化电波之间的相关系数接近于1，此时不能用极化分集。第44页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分集方式空间分集极化分集角度分集频率分集时间分集第45页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理角度分集利用天线波束指向不同方向间隔增

17、大而相关性减小的特性进行分集。为了实现角度分集，收发天线都应该具有不止个波束，以便按不同角度时传输该信息在微波波段，分集的角度间隔可能在零点几度这种方法现在用得不多。第46页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分集方式空间分集极化分集角度分集频率分集时间分集第47页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率分集利用同一途径传输的两个不同载波的包络的相关系数随其频率间隔的增加而减小的特性进行分集如载频差大于最大多径时延的倒数时，可认为不同载波的信号基本上不相关，这样我们可按不同的频率进行分集。第48页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理频率分集当载波频率间隔大于相关带宽时可以认为

18、接收信号的衰落是相互独立的载波频率间隔应满足 载波频率间隔 相关带宽最大多径时延差 例：移动通信工作频率900MHz，典型最大多径时延差为5s第49页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理分集方式空间分集极化分集角度分集频率分集时间分集第50页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理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，各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的，得到的n个信号便不相关。时间分集主要用于衰落信道中传输数字信号。重复发送的时间间隔应满足：衰落频率运动速度第51页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理时间分集若目标静止，则v=0，此

19、时重复发送时间间隔为无穷大时间分集对于静止目标来说是无效的。衰落频率运动速度第52页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理变参信道特性的改善分集接收分集方法合并方式第53页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理合并方式采用分集方式，在接收端可以得到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个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。第54页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理合并方式选择不同的加权系数，就可得到不同的合并方式只有选择适当的合并方法进行合并，才能克服快衰落，使信号平稳，合并性能通常用平均输出信噪比、合并增益来体现。不同的合并方式，其组合方式不同，对

20、信噪比的改善程度也各有不同。N N个独立衰落信号分别为 合并器的输出第i i个信号的加权系数第55页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理合并方式选择式合并(开关式)等增益合并(组合式)最大比值合并(组合式)第56页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理选择式合并（开关式）选择式合并是所有合并方式中最简单的一种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。输出输出发送端发送端选选择择逻逻辑辑接收端接收端.k1k2kN.第57页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理选择式合并（开关式）输出输出发送端发送端选选择择逻逻辑辑接收端接收端.k1k2kN.选

21、择式合并实现方法简单，但效果差，没有充分利用其它路收到的信号 第58页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理选择式合并（开关式）平均输出信噪比 合并增益 支路信号最大信噪支路信号最大信噪比比合并器平均输出信噪比第59页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理合并方式选择式合并(开关式)等增益合并(组合式)最大比值合并(组合式)第60页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理等增益合并（组合式）当加权系数k1=k2=kN时,为等增益合并假设每条支路的平均噪声功率相等，则等增益合并的平均输出信噪比为：合并增益为：等增益合并易于实现，实现效果比选择式合并好。第61页/共67页重庆大学通信工程

22、学院数字通信原理合并方式选择式合并(开关式)等增益合并(组合式)最大比值合并(组合式)第62页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理最大比值合并最大比值合并原理是各条支路加权系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。输出输出发送端发送端相相加加接收端接收端.可变增益k k1 1可变增益k k2 2可变增益k kn n.第63页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理最大比值合并平均输出信噪比 合并增益 合并前支路信号平合并前支路信号平均信噪比均信噪比合并器平均输出信噪比第64页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理最大比值合并每条支路的平均噪声功率相等 各支路加权系数 第第k条支路条支路的信号幅度的信号幅度每条支路的平均噪声功率控制各分集支路接收机的增益，使信噪比小的增益小，信噪比大的增益大，然后合并，这样得到的总信号能保持最大的信噪比。这种方法优于其它两种。第65页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理三种合并方式性能比较这三种合并方式中，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。第66页/共67页重庆大学通信工程学院数字通信原理感谢您的观看！第67页/共67页