通信原理讲义 前言 ■信道是通信系统必不可少的组成部分 ■信号通过信道通常会产生畸变 ■通信中噪声的影响 第三章信道与噪声 ■对应课本第3章 zhuyu@fudan.edu.cn k手 通信原理 31信道的定义与数学模型 调制信道模型 CP 3 ■狭义信道定义 口仅指信号的传输媒质 s() Channel ■广义信道定义 口还包括通信系统中的一些转换装置 r(D)=S0(1)+n(D)=f[s1()]+n(1) 信道编码 数字调制 r(1)=c(*S(D)+n(D Modulator R()=C(O)S(O)+N() 数字解调 口恒参信道 口随参信道 ------------1 通信原理 後熙k季 通信原理 後k手哪
通信原理讲义 zhuyu@fudan.edu.cn 第三章 信道与噪声 通信原理 2 前言 ◼ 信道是通信系统必不可少的组成部分 ◼ 信号通过信道通常会产生畸变 ◼ 通信中噪声的影响 ◼ 对应课本第3章 3.1 信道的定义与数学模型 ◼ 狭义信道定义 仅指信号的传输媒质 ◼ 广义信道定义 还包括通信系统中的一些转换装置. 信源 Information source 信源编码 Source encoder 数字调制 Digital Modulator 信道 Channel 信道编码 Channel encoder 信宿 Destination 信源解码 Source decoder 数字解调 Digital Demodulator 信道解码 Channel decoder Distortion & Noise 畸 变 、 噪 声 调制信道模型 r(t) = so (t) + n(t) = f [si(t)] + n(t) si (t) Channel s0 (t) r(t) = c(t) s (t) + n(t) i R() = C()Si() +N() 恒参信道 随参信道 CP 3.1 通信原理 3 通信原理 4
信道的几种数学模型 CP3.1 编码信道模型 CP3.1 口线性时变信道 ■无记忆编码信道 s() r()=s(t)+n(t) 滤波器 P(o) bit 0 P(1) 理解:c(,)表示信道在t时刻对一个在t-r时 刻发送的冲击的响应.记住c(x,)随时间t变化 P() 口线性时不变信道 二进制编码信道模型 r(t)=c(t)*S1(t)+n(t) P=P(0)P(10)+P(D)P(01) 口高斯信道 ■多进制无记忆编码信道 cr,1=c6(0) r()=cs()+n( ■有记忆编码信道 通信原理 通信原理 32但参信道与随参信道 321恒参信道 ■恒参信道 ■理想恒参信道的特性 口信道特性不随时间变化或变化很缓慢 口冲击响应h()=K0(t-t) 口频域响应H(o)=K ■有线信道 口线性相位与群延时 口对称电缆 口同轴电缆 口光缆 口微波中继信道 幅频失真 口卫星中继信道 相频失真 後照大季 通信原理 後照k季D
信道的几种数学模型 线性时变 滤波器 si (t) so (t) n(t) r(t) r(t) = csi(t) +n(t) 5 c(,t) = c( ) 高斯信道 c(,t)= c ( ) 通信原理 r(t) = c(t) si(t) + n(t) ( ) ( ) o i + s (t ) = c , t s t − d − 线性时变信道 r(t)= so (t)+ n (t) 理解：c( ,t)表示信道在 t 时刻对一个在 t − 时 刻发送的冲击的响应. 记住 c(,t)随时间 t 变化. 线性时不变信道 CP 3.1 通信原理 6 编码信道模型 ◼ 无记忆编码信道 P (1) bit1 P (0|0) P (0) bit 0 P(1| 0) P(0|1) 0 1 P(1|1) 二进制编码信道模型 e ◼ 多进制无记忆编码信道 ◼ 有记忆编码信道 P = P(0)P(1 |0) + P(1)P(0 |1) CP 3.1 3.2 恒参信道与随参信道 ◼ 恒参信道 信道特性不随时间变化或变化很缓慢 ◼ 有线信道 对称电缆 同轴电缆 光缆 微波中继信道 卫星中继信道 3.2.1 恒参信道 ◼ 理想恒参信道的特性 线性相位与群延时 ◼ 幅频失真 ◼ 相频失真 h(t) = K0 (t − td ) 0 d 冲击响应 频域响应 H( − jt ) = K e 通信原理 7 通信原理 8
322随参信道 33分集( diversity) ■随参信道特点 ■通过某种方式使接收端得到携带同一信息的多个 口信道传输特性随时间随机快速变化的信道 独立观测 ■这次观测信号可以看成是携带同一信息的多个输 ■常见的随参信道 入信号经过相互独立的衰落信道抵达接收端的; 口陆地移动信道 这多个输入信号可以相同,也可以不同 口短波电离层反射信道 信道1 口超短波流星余迹散射信道 编码调制 接收端 □超短波及微波对流层散射信道 信道n 合并 口超短波电离层散射 编码调制 信道n 通信原理 後照k季的 通信原理 後照k季 331时间分集 时间分集在GSM系统中的应用 将携带同一信息的多个信号在相隔时间大于相干 时间的多个时间点上发送 UL:890~915MHz ■交织器( interleaving) DL: 935-960 MHZ 的作用 200kHz带宽E 25 MHz ■ Tradeoff 8个用户时分复用 口带宽 口传输可靠性 TSo TSI TS2 TS3TS4TSSTS6 577us s users per sub channel 4.615ms [ 通信原理 後照大手 通信原理 12後人手隐
通信原理 9 3.2.2 随参信道 ◼ 随参信道特点 信道传输特性随时间随机快速变化的信道. ◼ 常见的随参信道 陆地移动信道 短波电离层反射信道 超短波流星余迹散射信道 超短波及微波对流层散射信道 超短波电离层散射….. 通信原理 10 3.3 分集 (diversity) ◼ 通过某种方式使接收端得到携带同一信息的多个 独立观测; ◼ 这次观测信号可以看成是携带同一信息的多个输 入信号经过相互独立的衰落信道抵达接收端的; ◼ 这多个输入信号可以相同, 也可以不同. 编码调制 接收端 合并 信…道1 信道n 原始 信息 编码调制 信道1 接收端 合并 … 信道n 原始 信息 … 3.3.1 时间分集 ◼ 将携带同一信息的多个信号在相隔时间大于相干 时间的多个时间点上发送 ◼ 交织器(interleaving) 的作用 ◼ Tradeoff 带宽 传输可靠性 时间分集在GSM系统中的应用 UL: 890~915 MHz DL: 935~960 MHz 4.615 ms 577 us 200 kHz 带宽由 8个用户时分复用 通信原理 11 通信原理 12
时间分集在GSM系统中的应用 332频率分集 ■信道编码为12卷积码 ■将携带同一信息的多个信号在相隔带宽大于相干带宽的多 User I's coded bitstream 个频点上发送 D-2 us for outdoor urban cellular (B= 100kHz D-100 ns for indoor environment(B=2MHz) User Is time slots 615 交织带来40ms延时,对语音业务来说可以接受 ■假设载波频率为f=900MHz若希望得到最大分集增益8, 口多载波调制,通过在多个子载波(间隔大于相干带宽)调 需要y>1298ms 制同一符号获得频率分集增益 通信原理 通信原理 333空间分集 333空间分集 ■发射和接收端配置多个天线,当这些天线间 隔足够大时,可认为到达各天线的信号经历 独立的衰落路径. 口对于很多散射体包围的地面附近的移动台而言, 半个至一个载波波长的典型天线间隔足够 口对于位于高处的基站而言,所需的天线间隔较 大,约为几个至数十个波长 ■接收分集 ■发射分集,时空编码 space-time coding ■多天线MMO 通信原理 後照大季 通信原理 16後人手隐
通信原理 13 时间分集在GSM系统中的应用 ◼ 信道编码为1/2卷积码 ◼ 交织带来 40 ms延时, 对语音业务来说可以接受. ◼ 假设载波频率为 fc = 900 MHz. 若希望得到最大分集增益 8, 需要 v > 12.98 m/s. 4.615 ms 通信原理 14 3.3.2 频率分集 ◼ 将携带同一信息的多个信号在相隔带宽大于相干带宽的多 个频点上发送 ~2 us for outdoor urban cellular (Bc = 100kHz) ~100 ns for indoor environment (Bc = 2MHz) 多载波调制, 通过在多个子载波(间隔大于相干带宽)调 制同一符号获得频率分集增益. f f1 f2 f3 f4 3.3.3 空间分集 ◼ 发射和接收端配置多个天线, 当这些天线间 隔足够大时, 可认为到达各天线的信号经历 独立的衰落路径. 对于很多散射体包围的地面附近的移动台而言, 半个至一个载波波长的典型天线间隔足够. 对于位于高处的基站而言, 所需的天线间隔较 大, 约为几个至数十个波长. 3.3.3空间分集 ◼ 接收分集 ◼ 发射分集, 时空编码 space-time coding ◼ 多天线MIMO 通信原理 15 通信原理 16
334合并方式 334合并方式 系统模型 ■选择式合并( selection diversity) 口接收机处有M个独立的衰落信道。每一个信道 ■最大比合并( maximal ratio combining 被称为一个分集支路。并且假定每一个支路的 ■等增益合并( equal aain combining 平均信噪比(SNR)相等SNR=r 口每条支路的瞬时信噪比为随机变量x,它的概 率密度函数为 口求得各种合并方式下的合并后平均信噪比 口定义合并增益为 10logo (Tout /T) 通信原理 通信原理 34加性噪声 3.4热噪声电压的建模 加性噪声存在于几乎所有的通信系统 ■将热噪声电压建模为零均值,平稳的(假设温 噪声的随机性,不可预测性 度恒定),高斯随机过程,双边功率谱密度为 ■噪声产生原因 2Rhlf 口外部噪声:人为的,自然界的,宇宙的 S(= 口内部噪声:导体中自由电子的热运动产生的等 Boltzmanns constant K=1.38x10- 通信原理 後照大季 通信原理 後k手哪
通信原理 17 3.3.4 合并方式 ◼ 系统模型 接收机处有 M 个独立的衰落信道。每一个信道 被称为一个分集支路。并且假定每一个支路的 率密度函数为 平均信噪比(SNR)相等 SNR = X i − x e f (x)= x 0 1 i 每条支路的瞬时信噪比为随机变量 Xi , 它的概 求得各种合并方式下的合并后平均信噪比 out 定义合并增益为 10 10 out log ( ) 通信原理 18 3.3.4 合并方式 ◼ 选择式合并(selection diversity) ◼ 最大比合并(maximal ratio combining) ◼ 等增益合并(equal gain combining) 1 2 3 4 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 6 Number of paths SNR Gain(dB) SEC MRC EGC 3.4 加性噪声 ◼ 加性噪声存在于几乎所有的通信系统 ◼ 噪声的随机性, 不可预测性 ◼ 噪声产生原因 外部噪声: 人为的, 自然界的, 宇宙的 内部噪声: 导体中自由电子的热运动产生的等 3.4 热噪声电压的建模 ◼ 将热噪声电压建模为零均值, 平稳的(假设温 度恒定), 高斯随机过程,双边功率谱密度为 2Rh f W (f )= h f exp KT −1 Planck's constant h = 6.6210−34 , Boltzmann's constant K = 1.3810−23 S 通信原理 19 通信原理 20
热噪声电压的功率谱 热噪声电压的建模 功率谱 ■将热噪声电压建模为高斯白噪声随机过程 2KR ■在阻值为R,温度为T( kelvin),带宽为B的 电阻上的电压均方值为(维纳-辛钦定理) EVO=4KTRB ■接匹配电阻后的最大输出平均功率 EPO)KTB ■典型的双边功率谱密度取值 5n() N=KT=-174d Bm/Hz 通常的通信系统频率小于102Hz 通信原理 通信原理 小结 1一般信道的数学模型 分集技术 口时间分集 口频率分集 口空间分集 口合并技术 ■加性噪声的产生原因 ■内部加性噪声的统计模型 通信原理 後照大手
通信原理 21 热噪声电压的功率谱 10 102 104 106 8 10 1012 1014 1016 -260 0 -250 -240 -230 -220 -210 -200 -190 10 10 frequency SW(f) 通常的通信系统频率小于1012 Hz. 2KTR 双 边功 率谱 通信原理 22 热噪声电压的建模 ( ) 0 0 2 W N S f = , N = KT = −174dBm/Hz ◼ 将热噪声电压建模为高斯白噪声随机过程 ◼ 在阻值为R , 温度为T (kelvin), 带宽为B 的 电阻上的电压均方值为(维纳-辛钦定理) E V 2 (t)= 4KTRB ◼ 接匹配电阻后的最大输出平均功率 EP(t)= KTB ◼ 典型的双边功率谱密度取值 通信原理 23 小结 ◼ 一般信道的数学模型 ◼ 分集技术 时间分集 频率分集 空间分集 合并技术 ◼ 加性噪声的产生原因 ◼ 内部加性噪声的统计模型