1、Center for Wireless Communications (CWC), BUPT1通信原理通信原理信道及信道容量信道及信道容量Center for Wireless Communications (CWC), BUPT2基本內(nèi)容基本內(nèi)容 信道的基本概念信道的基本概念 信道數(shù)學模型：調(diào)制、編碼信道模型信道數(shù)學模型：調(diào)制、編碼信道模型 恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺捞匦约捌鋵π盘杺鬏數(shù)挠绊?隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?分集接收技術(shù)分集接收技術(shù) Shannon信道容量公式信道容量公式Center for Wireless Communica

2、tions (CWC), BUPT3信道的基本概念信道的基本概念 信道：信號通道，必不可少信道：信號通道，必不可少 影響通信系統(tǒng)可靠性能的兩個主要因素：噪聲和信道傳輸特性的影響通信系統(tǒng)可靠性能的兩個主要因素：噪聲和信道傳輸特性的不理想。不理想。編碼器輸出調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解調(diào)器解調(diào)器輸出調(diào)制信道編碼信道Center for Wireless Communications (CWC), BUPT4信道的基本概念（續(xù)）信道的基本概念（續(xù)） 信號的傳輸媒質(zhì)稱為狹義信道。信號的傳輸媒質(zhì)稱為狹義信道。 除傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)的某些設(shè)備，等所構(gòu)除傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)的某些設(shè)備，等所構(gòu)成

3、的部份稱為廣義信道。由調(diào)制器、傳輸媒質(zhì)、解調(diào)成的部份稱為廣義信道。由調(diào)制器、傳輸媒質(zhì)、解調(diào)器組成的廣義信道稱為編碼信道（數(shù)字序列）；由發(fā)器組成的廣義信道稱為編碼信道（數(shù)字序列）；由發(fā)射機、天線、傳輸媒質(zhì)、天線、接收機所組成的廣義射機、天線、傳輸媒質(zhì)、天線、接收機所組成的廣義信道稱為調(diào)制信道（已調(diào)信號）。信道稱為調(diào)制信道（已調(diào)信號）。 根據(jù)具體問題來選擇不同類型的信道。根據(jù)具體問題來選擇不同類型的信道。Center for Wireless Communications (CWC), BUPT5信道數(shù)學模型信道數(shù)學模型 反映信道輸出和輸入之間的關(guān)系。反映信道輸出和輸入之間的關(guān)系。 調(diào)制信道模型：

4、傳輸已調(diào)信號，關(guān)心的是信號的失真調(diào)制信道模型：傳輸已調(diào)信號，關(guān)心的是信號的失真情況及噪聲對信號的影響。已調(diào)信號的瞬時值是連續(xù)情況及噪聲對信號的影響。已調(diào)信號的瞬時值是連續(xù)變化的，故也稱調(diào)制信道為連續(xù)信號，甚至稱為信道變化的，故也稱調(diào)制信道為連續(xù)信號，甚至稱為信道。 編碼信道模型：輸出輸入都是數(shù)字信號編碼信道模型：輸出輸入都是數(shù)字信號數(shù)字序列變數(shù)字序列變換，離散或數(shù)字信道。包含調(diào)制信道換，離散或數(shù)字信道。包含調(diào)制信道依賴于調(diào)制信依賴于調(diào)制信道的性能，噪聲的干擾體現(xiàn)在誤碼上，關(guān)心的是誤碼道的性能，噪聲的干擾體現(xiàn)在誤碼上，關(guān)心的是誤碼率而不是信號失真情況率而不是信號失真情況使用轉(zhuǎn)移概率來描述。使用轉(zhuǎn)

5、移概率來描述。 Center for Wireless Communications (CWC), BUPT6調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型 具有一對（或多對）輸入和輸出端；具有一對（或多對）輸入和輸出端； 線性：大多數(shù)信道是線性的，疊加原理；線性：大多數(shù)信道是線性的，疊加原理； 時延：信號經(jīng)過信道有延時，且會受到固定或時變損時延：信號經(jīng)過信道有延時，且會受到固定或時變損耗；耗； 受噪聲干擾：輸入信號為受噪聲干擾：輸入信號為0時，信道輸出端仍有噪聲信時，信道輸出端仍有噪聲信號輸出。號輸出。 兩對端（或多對端）時變線性網(wǎng)絡(luò)。兩對端（或多對端）時變線性網(wǎng)絡(luò)。Center for Wireless Com

6、munications (CWC), BUPT7調(diào)制信道模型（續(xù)調(diào)制信道模型（續(xù)1 1） f*： 信道時變線性算子，線性失真，非線性失真，損耗，時變信道時變線性算子，線性失真，非線性失真，損耗，時變損耗等。工程上應(yīng)是非線性失真足夠小。損耗等。工程上應(yīng)是非線性失真足夠小。 恒參信道：恒參信道： f*為非時變線性算子；為非時變線性算子； 時變信道：時變信道： f*為時變線性算子；為時變線性算子； 隨參信道：隨參信道： f*隨時間隨機變化。隨時間隨機變化。ei（t）f*eo(t)=fei(t)+n(t)n(t)Center for Wireless Communications (CWC), BUP

7、T8調(diào)制信道模型（續(xù)調(diào)制信道模型（續(xù)2 2） 乘性干擾乘性干擾k(t)：線性、非線性畸變，遲延、損耗特性隨：線性、非線性畸變，遲延、損耗特性隨時間發(fā)生變化。注意只有時間發(fā)生變化。注意只有ei(t)存在時，乘性噪聲才存存在時，乘性噪聲才存在。在。 加性干擾加性干擾n(t)：加性噪聲，與：加性噪聲，與ei(t)獨立。獨立。 失真度：失真度：)()()()(0tntetkteidtteteii2)()(Center for Wireless Communications (CWC), BUPT9編碼信道模型編碼信道模型 二進制編碼信道二進制編碼信道 用轉(zhuǎn)移概率矩陣表示為用轉(zhuǎn)移概率矩陣表示為 Pyx=

8、P(y/x) P00=P(0/0)，P10=P(1/0) P01=P(0/1)，P11=P(1/1) 誤碼率：誤碼率： ) 1/0() 1 ()0/1 ()0(PPPPPe11011000PPPPCenter for Wireless Communications (CWC), BUPT10編碼信道模型（續(xù)）編碼信道模型（續(xù)） 無記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元無記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元的取值無關(guān)；的取值無關(guān)； 有記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元有記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元的取值有關(guān)；的取值有關(guān)； 對稱編碼信道：二進制編碼信道的轉(zhuǎn)移

9、概率對稱編碼信道：二進制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率P(0/1) = P(1/0) 非對稱編碼信道：二進制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率非對稱編碼信道：二進制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率P(0/1) P(1/0)Center for Wireless Communications (CWC), BUPT11恒參信道特性恒參信道特性 恒參信道是指由架空明線、電纜、中長波地波傳播，恒參信道是指由架空明線、電纜、中長波地波傳播，超短波及微波視距傳播，人造衛(wèi)星中繼，光導纖維以超短波及微波視距傳播，人造衛(wèi)星中繼，光導纖維以及光波視距傳播等傳輸煤質(zhì)構(gòu)成的信道。及光波視距傳播等傳輸煤質(zhì)構(gòu)成的信道。 恒參信道的性質(zhì)不隨時間變化：恒參信道的性

10、質(zhì)不隨時間變化：線性時不變系統(tǒng)線性時不變系統(tǒng)。實。實際信道的特性不隨時間變化或基本不變，或變化極慢際信道的特性不隨時間變化或基本不變，或變化極慢。ei（t）h(t)eo(t)=ei(t)*h(t)+n(t)n(t)Center for Wireless Communications (CWC), BUPT12恒參信道特性（續(xù)）恒參信道特性（續(xù)） h(t) H()= H() ej() 幅頻特性：幅頻特性： H() k(常數(shù)常數(shù))，產(chǎn)生幅頻畸變；，產(chǎn)生幅頻畸變； 相頻特性：相頻特性：() td ，產(chǎn)生相位畸變；，產(chǎn)生相位畸變； 用群遲延頻率特性：用群遲延頻率特性：()=d()/d來描述相頻特性。來

11、描述相頻特性。 理想信道：理想信道： H()=k，衰減，衰減ei(t)、有時延；、有時延； ()= td，無相頻畸變。，無相頻畸變。 工程設(shè)計時，應(yīng)使工程設(shè)計時，應(yīng)使 H() 的畸變范圍及的畸變范圍及()的誤差范的誤差范圍符合系統(tǒng)要求。圍符合系統(tǒng)要求。Center for Wireless Communications (CWC), BUPT13不理想恒參信道不理想恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懠翱朔胧π盘杺鬏數(shù)挠绊懠翱朔胧?模擬信號模擬信號 - - H() k，使模擬信號失真，解調(diào)后基帶信號失真。，使模擬信號失真，解調(diào)后基帶信號失真。 - -() td，對語音信號影響不大，對語音信號影響不大

12、(耳朵對相位不敏感耳朵對相位不敏感)，僅對視頻信，僅對視頻信號影響大號影響大 - -均衡，使信道、均衡器聯(lián)合頻率特性在信號頻率范圍內(nèi)無畸變。均衡，使信道、均衡器聯(lián)合頻率特性在信號頻率范圍內(nèi)無畸變。 數(shù)字信號數(shù)字信號 - - H()不理想，可能造成碼間串擾、誤碼。不理想，可能造成碼間串擾、誤碼。 - -合理設(shè)計收、發(fā)濾波器，消除信道產(chǎn)生的碼間串擾。信道特性緩慢合理設(shè)計收、發(fā)濾波器，消除信道產(chǎn)生的碼間串擾。信道特性緩慢變化時，用時域均衡器，使碼間串擾降到最小且可自適應(yīng)信道特性變化時，用時域均衡器，使碼間串擾降到最小且可自適應(yīng)信道特性變化。變化。 Center for Wireless Commun

13、ications (CWC), BUPT14隨參信道特性隨參信道特性 隨參信道是指短波電離層反射，超短波流星余跡散射，超短波及隨參信道是指短波電離層反射，超短波流星余跡散射，超短波及微波對流層散射，短波電離層散射以及超短波超視距繞射等傳輸微波對流層散射，短波電離層散射以及超短波超視距繞射等傳輸媒質(zhì)所分別構(gòu)成的調(diào)制信道。媒質(zhì)所分別構(gòu)成的調(diào)制信道。 從對信號傳輸?shù)挠绊憗砜矗瑐鬏斆劫|(zhì)的影響是主要的，而其中轉(zhuǎn)從對信號傳輸?shù)挠绊憗砜矗瑐鬏斆劫|(zhì)的影響是主要的，而其中轉(zhuǎn)換器的影響是次要的，甚至可忽略不計，因此，主要研究傳輸媒換器的影響是次要的，甚至可忽略不計，因此，主要研究傳輸媒質(zhì)的共性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

14、。質(zhì)的共性及其對信號傳輸?shù)挠绊憽?多徑傳輸且每條路徑的衰減及時延都是隨機變化的：（多徑傳輸且每條路徑的衰減及時延都是隨機變化的：（1）對信號）對信號的衰耗隨時間而變化；的衰耗隨時間而變化； （2）傳輸?shù)臅r延隨時間而變；）傳輸?shù)臅r延隨時間而變； （3 3）多徑傳播。）多徑傳播。Center for Wireless Communications (CWC), BUPT15隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道對信號傳輸?shù)挠绊懓l(fā)射單頻信號發(fā)射單頻信號 Acos0t，瑞利衰落、頻率彌散。，瑞利衰落、頻率彌散。 接收信號接收信號 ).,2 ,1( )(cos)()(mitttutRioi)(cos)(0tt

15、tuii)(cos)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos)(tttVttXttXtttutttuoosocoiioii) t (X) t (X) t (V2s2c)t (X) t (X(arctg) t (scCenter for Wireless Communications (CWC), BUPT16隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道對信號傳輸?shù)挠绊? (續(xù)續(xù)1)1) 由于由于ui(t)（第（第i條徑的接收信號振幅）、條徑的接收信號振幅）、i(t)（第（第i條徑的相對時條徑的相對時延差）及延差）及i(t)是隨時間緩慢變化是隨時間緩慢變化(相對于發(fā)射載頻的周期相對于發(fā)射載

16、頻的周期)的，的，因此，因此，Xc(t)、Xs(t)、(t)、V(t)也是緩慢變化的，于是也是緩慢變化的，于是R(t)可可視為一個窄帶隨機過程。視為一個窄帶隨機過程。 瑞利分布：瑞利分布： 均勻分布：均勻分布： 由于多徑使得確定的載波信號由于多徑使得確定的載波信號Acos0t變成了包絡(luò)和相位都受變成了包絡(luò)和相位都受到調(diào)制的窄帶信號，衰落信號。從時域來看，多徑時延擴散；到調(diào)制的窄帶信號，衰落信號。從時域來看，多徑時延擴散；從頻域來看，頻率展寬從頻域來看，頻率展寬,21)(f)2vexp()v()v(f222Center for Wireless Communications (CWC), BUP

17、T17隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道對信號傳輸?shù)挠绊? (續(xù)續(xù)2)2) 時變多徑信道時變多徑信道 tR(t)f0時域：瑞利衰落（快衰落）頻域：頻率彌散Center for Wireless Communications (CWC), BUPT18隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懤e隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懤e 以兩條路徑且衰減恒定為例以兩條路徑且衰減恒定為例f(t)V0V0延遲t0延遲t0+V0f(t-t0)+V0f(t-t0- )2cos(2)()1 ()(2022200000jtjjjjtjjtjeeVeeeeVeeVH0212523)2cos(2)(0VHf02VCenter for Wire

18、less Communications (CWC), BUPT19隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懤e隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懤e( (續(xù)續(xù)) ) 是變化的，故傳輸特性零點、極點是變化的。是變化的，故傳輸特性零點、極點是變化的。 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落 設(shè)最大遲延為設(shè)最大遲延為m，則相關(guān)帶寬，則相關(guān)帶寬f=1/m 當信號帶寬當信號帶寬Bf時，時，R(t)波形一定有畸變波形一定有畸變 當信號帶寬當信號帶寬Bf時，時，R(t)時強時弱（與時強時弱（與有關(guān)）有關(guān)） 為了不引起明顯的選者性衰落，為了不引起明顯的選者性衰落，B應(yīng)小于應(yīng)小于f且采用分集且采用分集接收等技術(shù)使信號穩(wěn)定接收等技術(shù)使信號穩(wěn)定Cen

19、ter for Wireless Communications (CWC), BUPT20隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善 分集接收：由于存在多徑與時變性，隨參信道中的信號在接收端有分集接收：由于存在多徑與時變性，隨參信道中的信號在接收端有可能會受到嚴重的衰減。這種衰減使得接收端不可能正確地判斷發(fā)可能會受到嚴重的衰減。這種衰減使得接收端不可能正確地判斷發(fā)送信號，除非有其它的衰減程度比較小的信號副本提供給接收機，送信號，除非有其它的衰減程度比較小的信號副本提供給接收機，這種方法就被稱為分集（這種方法就被稱為分集（diversity）。分集接收就是為了克服各種）。分集接收就是為了克服各種衰落，

20、提高系統(tǒng)性能而發(fā)展起來的移動通信中的一項重要技術(shù)，其衰落，提高系統(tǒng)性能而發(fā)展起來的移動通信中的一項重要技術(shù)，其基本思路是：基本思路是：將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的（獨立的）多路信號，然后將這些信號的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大。 - -對數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小；對數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小； - -對模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。對模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。 擴頻技術(shù)：擴頻技術(shù)：尤其對窄帶干擾非常有用，在擴頻通信基本原理中介紹尤其對窄帶干擾非常有用，在擴頻通信基本原理中介紹。Center for Wireless Communicatio

21、ns (CWC), BUPT21分集接收技術(shù)分集接收技術(shù) 分集技術(shù)根據(jù)獲得獨立路徑信號的方法：分集技術(shù)根據(jù)獲得獨立路徑信號的方法： (1) 時間分集：時間分集： (2) 頻率分集：頻率分集： (3) 空間分集：空間分集： (4)時頻分集時頻分集 為獲得好的分集效果，時間分集要求發(fā)送冗余信號的若干時隙之為獲得好的分集效果，時間分集要求發(fā)送冗余信號的若干時隙之間相互間相互獨立，頻率分集要求幾個載波頻率之間相互，頻率分集要求幾個載波頻率之間相互獨立，而空間，而空間分集為保證多個發(fā)送或多個接收信號之間的獨立性，要求各副天分集為保證多個發(fā)送或多個接收信號之間的獨立性，要求各副天線之間的距離要足夠大線之間

22、的距離要足夠大(大于若干波長大于若干波長) 由上可見，空間分集技術(shù)是在不犧牲信號頻率帶寬和保證數(shù)據(jù)傳由上可見，空間分集技術(shù)是在不犧牲信號頻率帶寬和保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時獲得分集增益，因而得到了廣泛的應(yīng)用。常用的空輸速率的同時獲得分集增益，因而得到了廣泛的應(yīng)用。常用的空間分集有接收分集、發(fā)送分集、極化分集和角度分集等。間分集有接收分集、發(fā)送分集、極化分集和角度分集等。Center for Wireless Communications (CWC), BUPT22連續(xù)信道的信道容量連續(xù)信道的信道容量 帶寬受限帶寬受限W和平均功率受限和平均功率受限S的條件下，獨立的加性白高斯噪聲信的條件下，獨立的加性白高斯噪聲信道的信道容量道的信道容量 幾點說明幾點說明 當當 時，信道容量時，信道容量 當當 時，信道容量時，信道容量 當當 時，信道容量時，信道容量 仙農(nóng)公式給出了理論極限，但并未給出達到信道容量限的實際仙農(nóng)公式給出了理論極限，但并未給出達到信道容量限的實際系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。)1 (log2NSWC(bit/s)0NCSCShanno