1、第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 1第第 2 章章 信道與噪聲信道與噪聲 2.1 信道的定義、信道的定義、 分類與模型分類與模型 2.2 恒參信道及其對所傳信號的影響恒參信道及其對所傳信號的影響 2.3 變參信道及其對所傳信號的影響變參信道及其對所傳信號的影響 2.4 信道內的噪聲信道內的噪聲(干擾干擾)2.5 通信中常見的幾種噪聲通信中常見的幾種噪聲 2.6 信道容量的概念信道容量的概念 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 22.1.1 2.1.1 信道的定義信道的定義（廣義和狹義）（廣義和狹義） 廣義地說，是指以傳輸媒介廣義地說，是指以傳輸媒介( (質質) )

2、為基礎的信號通路。為基礎的信號通路。 具體地說，廣義信道是指由有線的或無線的具體地說，廣義信道是指由有線的或無線的線路設備及連接線路設備及連接媒體（質）媒體（質）所共同提供的信號通路。所共同提供的信號通路。 抽象地說，廣義信道就是指定的一段頻帶，它既讓信號通過，抽象地說，廣義信道就是指定的一段頻帶，它既讓信號通過，同時又給信號一限制和帶來損害。信道的作用是傳輸信號。同時又給信號一限制和帶來損害。信道的作用是傳輸信號。 狹義地理解信道，狹義地理解信道，則僅指通信設備之間信號傳輸的媒介則僅指通信設備之間信號傳輸的媒介。目。目前采用的有線信道有雙絞線及其電纜，同軸電纜，波導，光纜；前采用的有線信道有

3、雙絞線及其電纜，同軸電纜，波導，光纜；無線信道則為無線電波的中、長波地表波傳播，超短波及微波視無線信道則為無線電波的中、長波地表波傳播，超短波及微波視距傳播，短波電離層反射，超短波流星余跡散射，對流層散射，距傳播，短波電離層反射，超短波流星余跡散射，對流層散射，電離層散射，超短波超視距繞射，波導傳播，光波視距傳播等。電離層散射，超短波超視距繞射，波導傳播，光波視距傳播等。 2.1 2.1 信道的定義、分類與模型信道的定義、分類與模型 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 32.1.2 2.1.2 信道的分類信道的分類 由信道的定義可看出，信道可以從兩種定義方式來劃分：即由信道的定義

4、可看出，信道可以從兩種定義方式來劃分：即狹義信道和廣義信道劃分。狹義信道和廣義信道劃分。 狹義信道劃分通常可按連接發送狹義信道劃分通常可按連接發送/ /接收通信設備的具體媒介接收通信設備的具體媒介的不同類型分為的不同類型分為有線信道和無線信道有線信道和無線信道兩大類。兩大類。 所謂所謂有線信道是有線信道是指傳輸媒介為明線、對稱電纜、同軸電纜、指傳輸媒介為明線、對稱電纜、同軸電纜、光纜及波導等光纜及波導等一類能夠看得見的媒介一類能夠看得見的媒介。有線信道也是現代通信網。有線信道也是現代通信網中最常用的信道之一。如對稱電纜中最常用的信道之一。如對稱電纜( (又稱電話電纜又稱電話電纜) )廣泛應用于

5、廣泛應用于( (市內市內) )近程傳輸，除此之外還有端機的各接口連接線。近程傳輸，除此之外還有端機的各接口連接線。 無線信道可以這樣認為，凡不屬有線信道的媒質均為無線信無線信道可以這樣認為，凡不屬有線信道的媒質均為無線信道的媒質。它的傳輸媒質比較多，除真空空間外，它還包括短波道的媒質。它的傳輸媒質比較多，除真空空間外，它還包括短波電離層反射、大氣對流層散射等。電離層反射、大氣對流層散射等。無線信道的傳輸特性沒有有線無線信道的傳輸特性沒有有線信道的傳輸特性穩定和可靠，信道的傳輸特性穩定和可靠，但無線信但無線信道具有方便、靈活，通信道具有方便、靈活，通信第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪

6、聲聲 4者可移動及易實現一對多或者多對多通信（廣播）等優點。者可移動及易實現一對多或者多對多通信（廣播）等優點。 廣義信道通常也可分成兩種，廣義信道通常也可分成兩種，調制信道和編碼信道調制信道和編碼信道。 調制信道調制信道是從研究調制與解調的性能出發而構成的，是從研究調制與解調的性能出發而構成的，它的范它的范圍是從調制器輸出端到解調器輸入端圍是從調制器輸出端到解調器輸入端。這樣，從調制和解調的角。這樣，從調制和解調的角度來看，由調制器輸出端到解調器輸入端的度來看，由調制器輸出端到解調器輸入端的所有轉換器及傳輸媒所有轉換器及傳輸媒質質，不管其中間過程如何，它們不過是把已調信號進行了某種變，不管其

7、中間過程如何，它們不過是把已調信號進行了某種變換而已，即只需關心變換的最終結果，而無需關心形成這個最終換而已，即只需關心變換的最終結果，而無需關心形成這個最終結果的詳細過程。因此，研究調制與解調問題時，就只研究信道結果的詳細過程。因此，研究調制與解調問題時，就只研究信道的模擬傳輸特性，如帶寬、信噪比、幅頻和相頻特性。的模擬傳輸特性，如帶寬、信噪比、幅頻和相頻特性。 編碼信道則編碼信道則是從直接研究數字系統的最終傳輸性能出發而構是從直接研究數字系統的最終傳輸性能出發而構成的，成的，它是指包含調制解調器在內的所有通信設備和連接媒介它是指包含調制解調器在內的所有通信設備和連接媒介，它的輸入、輸出信號

8、都是數字信號，在研究信道特性時關心的僅它的輸入、輸出信號都是數字信號，在研究信道特性時關心的僅是誤碼率而不是信號失真情況是誤碼率而不是信號失真情況；但實際上在一個信道中誤碼特性；但實際上在一個信道中誤碼特性第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 5按廣義信道定義的信道結構劃分：按廣義信道定義的信道結構劃分：圖圖2-1 2-1 調制信道與編碼信道分界圖調制信道與編碼信道分界圖 編碼器輸出編碼器輸出（模擬信號）（模擬信號）發發轉轉換換器器媒媒質質收收轉轉換換器器解解調調器器調調制制器器譯碼器輸入譯碼器輸入（模擬信號）（模擬信號）調制信道調制信道編碼信道編碼信道對有調制解調的則與調制信道有

9、關，對無調制解調的誤碼特性則對有調制解調的則與調制信道有關，對無調制解調的誤碼特性則還由其收、發濾波器特性及還由其收、發濾波器特性及n(t)n(t)等因素有關。因此，兩個本質是等因素有關。因此，兩個本質是一致的，只是表述方法不同而已。一致的，只是表述方法不同而已。第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 62.1.3 2.1.3 信道的模型信道的模型 在通信系統中，了解信道主要是為了對通信系統進行性能分在通信系統中，了解信道主要是為了對通信系統進行性能分析，而廣義信道的定義也是本著這一原則定義的；至于狹義信道析，而廣義信道的定義也是本著這一原則定義的；至于狹義信道則僅是廣義信道的一個特

10、殊劃分方式，即其中的一部分。所以在則僅是廣義信道的一個特殊劃分方式，即其中的一部分。所以在此僅討論廣義信道模型就可以反映信道特性了。此僅討論廣義信道模型就可以反映信道特性了。1）調制信道模型：）調制信道模型： 研究人員以調制信道定義的范圍為接口，通過對通信系統中研究人員以調制信道定義的范圍為接口，通過對通信系統中相關部件進行大量的考察總結之后，發現它有如下主要特性：相關部件進行大量的考察總結之后，發現它有如下主要特性： (1) (1) 有一對有一對( (或多對或多對) )輸入端，則必然有一對輸入端，則必然有一對( (或多對或多對) )輸出端；輸出端； (2) (2) 絕大部分信道是線性的（輸入

11、與輸出呈線性關系），絕大部分信道是線性的（輸入與輸出呈線性關系）， 即滿足疊加原理；即滿足疊加原理； (3) (3) 信號通過信道需要一定的遲延時間（固定或時變）；信號通過信道需要一定的遲延時間（固定或時變）；第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 7eo1( (t) )ei1( (t) )( ( b) )eo2( (t) )ei2( (t) )eon( (t) )eim( (t) )時時變變線線性性網網絡絡( (n對輸出對輸出) )( (m對輸入對輸入) )多對端多對端 (4) (4) 信道對信號有一定的損耗信道對信號有一定的損耗( (固定或時變固定或時變) )； (5) (5)

12、即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的 功率輸出功率輸出( (噪聲信號產生噪聲信號產生) )。 調制信道特性的網絡表示：調制信道特性的網絡表示：圖圖2-2 2-2 調制信道網絡模型調制信道網絡模型 時變線性網絡時變線性網絡eo( (t) )ei( (t) )( (a) )二對端二對端一輸入一輸入一輸出一輸出第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 8 對于二對端的信道模型來說，它的輸入和輸出之間的關系對于二對端的信道模型來說，它的輸入和輸出之間的關系式可表示成：式可表示成： )()()(tntefteio式中，式中， ei(t)輸入

13、的已調激勵信號；輸入的已調激勵信號； eo(t)信道輸出信號波形；信道輸出信號波形； n(t)信道噪聲信道噪聲(或稱信道干擾或稱信道干擾)； fei(t)表示信道對信號影響表示信道對信號影響(變換變換)的某種函數關系的某種函數關系 由于上式的由于上式的fei(t)形式是個高度概括的結果，為了進一步形式是個高度概括的結果，為了進一步理解信道對信號的影響，考慮到絕大部分是線性信道，我們把函理解信道對信號的影響，考慮到絕大部分是線性信道，我們把函數數fei(t)可以設想成為可以設想成為k(t)ei(t)的形式，則有絕大部分信道：的形式，則有絕大部分信道： )()()()(tntetkteio第第 2

14、 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 9理想期望的信道理想期望的信道(理想信道理想信道)應是：應是：k(t)=常數，常數，n(t)=0， 即：即： )()(tekteio2 2） 編碼信道模型：編碼信道模型： 由于它由于它輸入、輸出都是數字信號，經信道處理后關心的自輸入、輸出都是數字信號，經信道處理后關心的自然是數字信號誤碼特性而不是信號失真情況，因此對編碼信道然是數字信號誤碼特性而不是信號失真情況，因此對編碼信道特性的描述就不宜用普通函數關系來描述，而只能用概率轉移特性的描述就不宜用普通函數關系來描述，而只能用概率轉移函數來描述。但要強調說明的是：函數來描述。但要強調說明的是：由于編碼信

15、道是包含調制信由于編碼信道是包含調制信道的部分，所以對頻帶傳輸系統其誤碼特性是與調制信道特性道的部分，所以對頻帶傳輸系統其誤碼特性是與調制信道特性有關的，僅是關注點和表述方式不一樣而已；而對無調制解調有關的，僅是關注點和表述方式不一樣而已；而對無調制解調器的基帶傳輸系統則誤碼特性是由收、發濾波器特性及器的基帶傳輸系統則誤碼特性是由收、發濾波器特性及n(t)等因等因素有關。素有關。 下面我們就來看一個二進制無記憶的編碼信道模型描述：下面我們就來看一個二進制無記憶的編碼信道模型描述： 對于多端對信道，僅需將上面的關系式用矩陣形式來表達即可。對于多端對信道，僅需將上面的關系式用矩陣形式來表達即可。第

16、第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 10 在這個模型里，把在這個模型里，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)稱為信道稱為信道轉移概率，具體地把轉移概率，具體地把P(0/0)和和P(1/1)稱為正確轉移概率，而把稱為正確轉移概率，而把P(1/0)和和P(0/1)稱為錯誤轉移概率。根據概率性質可知：稱為錯誤轉移概率。根據概率性質可知： 1) 1/0() 1/1 (1)0/1 ()0/0(PPPP圖圖2-3 2-3 二進制無記憶編碼信道模型二進制無記憶編碼信道模型 “0 0”“1 1”“0 0”“1 1”P(0/0)(0/0)P(1/0)(1/0)P(0/1)(0/1

17、)P(1/1)(1/1)第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 11四進制無記憶編碼信道模型四進制無記憶編碼信道模型用來描述的概率函數有：用來描述的概率函數有：P(0/0),P(1/0),P(2/0),P(3/0)P(1/1),P(0/1),P(2/1),P(3/1)P(2/2),P(0/2),P(1/2),P(3/2)P(3/3),P(0/3),P(1/3),P(2/3)它們之間同樣滿足：它們之間同樣滿足：P(0/0)+P(1/0)+P(2/0)+P(3/0)=1P(1/1)+P(0/1)+P(2/1)+P(3/1)=1P(2/2)+P(0/2)+P(1/2)+P(3/2)=1P(

18、3/3)+P(0/3)+P(1/3)+P(2/3)=1第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 122.2 2.2 恒參調制信道及其對所傳信號的影響恒參調制信道及其對所傳信號的影響 2.2.1 2.2.1 幅度幅度頻率特性畸變（衰耗）頻率特性畸變（衰耗） 對信號傳輸的影響是：對信號傳輸的影響是：信號經過信道傳輸后信號經過信道傳輸后各頻率分量幅度和原各頻率分量幅度和原來的分量不一致，即來的分量不一致，即頻率分量比例發生改頻率分量比例發生改變，故引起信號合成變，故引起信號合成波形失真。波形失真。H( ) 0理想信道的幅頻特性理想信道的幅頻特性圖圖2-4 2-4 典型音頻電話信道的相對衰耗典

19、型音頻電話信道的相對衰耗 幅度幅度頻率特性畸變，頻率特性畸變，是指信號通過信道時其不同的頻是指信號通過信道時其不同的頻率分量隨頻率值不同而衰耗不同所引起的畸變率分量隨頻率值不同而衰耗不同所引起的畸變。第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 132.2.2 2.2.2 相位相位頻率特性畸變頻率特性畸變( (群遲延畸變群遲延畸變) ) 所謂相位所謂相位頻率畸變，頻率畸變，是指信號通過信道時其不同的頻率分是指信號通過信道時其不同的頻率分量隨頻率值大小而偏離線性關系所引起的畸變量隨頻率值大小而偏離線性關系所引起的畸變。電路信道的相。電路信道的相位位頻率畸變主要來源于信道中的各種濾波器及可能有

20、的電感線頻率畸變主要來源于信道中的各種濾波器及可能有的電感線圈及電容器件，尤其在信道頻帶的邊緣，相頻畸變就更嚴重。圈及電容器件，尤其在信道頻帶的邊緣，相頻畸變就更嚴重。 相頻畸變同樣可以帶來信號波形失真，相頻畸變同樣可以帶來信號波形失真，但對模擬話音信號影但對模擬話音信號影響并不顯著而響并不顯著而對視頻信號影響比較大對視頻信號影響比較大，這是因為人的眼與耳對相，這是因為人的眼與耳對相頻畸變敏感程度不一引起；而頻畸變敏感程度不一引起；而對數字信號傳輸則有較大的影響，對數字信號傳輸則有較大的影響，尤其當傳輸速率比較高時，相頻畸變將會引起嚴重的碼間串擾，尤其當傳輸速率比較高時，相頻畸變將會引起嚴重的

21、碼間串擾，給通信帶來很大損害。給通信帶來很大損害。 信道的相位信道的相位頻率特性還經常采用群遲延頻率特性還經常采用群遲延頻率特性來衡頻率特性來衡量。所謂群遲延量。所謂群遲延頻率特性，它就是相位頻率特性，它就是相位頻率特性的導數，頻率特性的導數，第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 14 dd)()( 群延遲特性具有明確的物理意義，它實際就是信道中傳輸群延遲特性具有明確的物理意義，它實際就是信道中傳輸的信號各頻率分量經信道傳輸后所附加的延遲時間。當一個信的信號各頻率分量經信道傳輸后所附加的延遲時間。當一個信號通過信道后產生的附加延遲時間相等時，信號才不會出現相號通過信道后產生的附加延

22、遲時間相等時，信號才不會出現相位失真，當然也就不會出現相應的波形失真。位失真，當然也就不會出現相應的波形失真。即：若相位即：若相位頻率特性用頻率特性用( () )表示，則群遲延表示，則群遲延頻率特性頻率特性( (通常稱為群遲延畸變或群遲延通常稱為群遲延畸變或群遲延) )( () )為：為： 圖圖2-5 2-5 相移失真前后的波形比較相移失真前后的波形比較（基波延時（基波延時180180度時二次諧波延遲度時二次諧波延遲360360度）度） 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 15圖圖2-6 2-6 理想信道的群遲延特性理想信道的群遲延特性 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪

23、 聲聲 16圖圖2-7 2-7 典型電話信道的群遲延特性典型電話信道的群遲延特性 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 172.2.3 2.2.3 減小畸變的措施減小畸變的措施 恒參信道通常用它的幅度恒參信道通常用它的幅度頻率特性及相位頻率特性及相位頻率特性來表述。頻率特性來表述。因此，因此，兩個特性的不理想兩個特性的不理想將是損害信號傳輸的重要因素。通常可將是損害信號傳輸的重要因素。通常可通通過均衡（補償）的方法來校正過均衡（補償）的方法來校正（即用幅度均衡器和相位均衡器）。（即用幅度均衡器和相位均衡器）。 此外，也還存在其它一些因素使信道的輸出與輸入發生畸變，此外，也還存在其它

24、一些因素使信道的輸出與輸入發生畸變，例如例如非線性畸變、頻率偏移及相位抖動非線性畸變、頻率偏移及相位抖動等。非線性畸變主要由等。非線性畸變主要由信道信道中的元器件中的元器件( (如磁芯，電子器件等如磁芯，電子器件等) )的非線性特性引起的非線性特性引起，造成諧波失，造成諧波失真或產生寄生頻率等；頻率偏移通常是真或產生寄生頻率等；頻率偏移通常是由于載波電話系統中接收端由于載波電話系統中接收端解調載波與發送端調制載波之間的頻率有偏差解調載波與發送端調制載波之間的頻率有偏差( (例如，解調載波可例如，解調載波可能沒有鎖定在調制載波上能沒有鎖定在調制載波上) )，而造成信道傳輸的信號之每一分量可，而造

25、成信道傳輸的信號之每一分量可能產生的頻率變化；能產生的頻率變化；相位抖動也可由調制和解調載波發生器的不穩相位抖動也可由調制和解調載波發生器的不穩定性造成的定性造成的，這種抖動的結果相當于發送信號附加上一個小指數的，這種抖動的結果相當于發送信號附加上一個小指數的調頻。以上這些畸變需要在系統設計時從技術上加以重視。調頻。以上這些畸變需要在系統設計時從技術上加以重視。 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 182.3 2.3 變參調制信道及其對所傳信號的影響變參調制信道及其對所傳信號的影響 2.3.1 2.3.1 變參信道傳輸媒質的特點變參信道傳輸媒質的特點 變參信道傳輸媒質通常具有以下

26、特點：變參信道傳輸媒質通常具有以下特點： (1) (1) 對信號的衰耗隨時間的變化而變化；對信號的衰耗隨時間的變化而變化； (2) (2) 對信號的對信號的傳輸時延也隨時間發生變化；傳輸時延也隨時間發生變化； (3) (3) 信號傳輸具有多徑傳播信號傳輸具有多徑傳播( (多徑效應多徑效應) )。 像無線電短波的天波傳播，移動通信的基站與移動手機之像無線電短波的天波傳播，移動通信的基站與移動手機之間的電波傳播，還有，衛星通信中地面設備與星載設備之間的間的電波傳播，還有，衛星通信中地面設備與星載設備之間的電波傳播，它們都是變參信道的電波傳播。電波傳播，它們都是變參信道的電波傳播。第第 2 2 章章

27、 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 192.3.2 2.3.2 產生多徑效應的機理分析產生多徑效應的機理分析 圖圖2-8 2-8 多徑傳播示意圖多徑傳播示意圖 多徑效應是信號在信道中傳輸時經不同的物理路徑傳播而多徑效應是信號在信道中傳輸時經不同的物理路徑傳播而到達接收端的一種現象。主要在移動通信、短波通信、衛星通到達接收端的一種現象。主要在移動通信、短波通信、衛星通信等等中出現。信等等中出現。它會導致信號沿傳播路徑出現周期性衰落（即它會導致信號沿傳播路徑出現周期性衰落（即選擇性衰落）選擇性衰落）。下面來分析其作用機理。下面來分析其作用機理。第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 20)(

28、cos)()(cos)()(11tttattttatRicniidinici 式中，式中，ai(t)n條路徑信號中第條路徑信號中第i條路徑到達接收端條路徑到達接收端的信號瞬時幅度；的信號瞬時幅度； tdi(t)對應于第對應于第i條路徑的信號延遲時間；條路徑的信號延遲時間； i(t)相應相應于第于第i條路徑條路徑的瞬時相位，即的瞬時相位，即 i(t)= - -ctdi(t) 設發送端為一單頻余弦波信號，則經多徑傳播的信號到設發送端為一單頻余弦波信號，則經多徑傳播的信號到達接收點后的混合信號表達式為：達接收點后的混合信號表達式為：第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 21 由于由于ai

29、(t)和和 i(t)隨時間的變化要比信號載頻的周期變化慢得隨時間的變化要比信號載頻的周期變化慢得多，因此式上式又可寫成：多，因此式上式又可寫成： 上面變形式上面變形式第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 22 (1) (1) 從波形上看，多徑傳播的結果從波形上看，多徑傳播的結果使單一載頻信號使單一載頻信號A Acoscosc ct t變成了包絡和相位都變化變成了包絡和相位都變化( (實際上受到調制實際上受到調制) )的窄帶信號的窄帶信號； (2) (2) 從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散( (色散色散) )，即，即由單由單個頻率變成了一個窄帶頻譜

30、個頻率變成了一個窄帶頻譜； (3) (3) 多徑傳播會引起選擇性衰落。多徑傳播會引起選擇性衰落。 下面來分析多徑效應對信號傳輸的影響。下面來分析多徑效應對信號傳輸的影響。為分析簡單，下為分析簡單，下面假定只有兩條傳輸路徑，且認為接收端的幅度與發端一面假定只有兩條傳輸路徑，且認為接收端的幅度與發端一 樣，樣，只是在到達時間上差一個時延只是在到達時間上差一個時延。若發送信號為。若發送信號為f(t)，它的頻譜，它的頻譜為為F()，記為：，記為：)()( Ftf第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 23e0tjKFttKf )()(0 設經信道傳輸后第一條路徑的時延為設經信道傳輸后第一條路

31、徑的時延為t0，在假定信道衰減，在假定信道衰減為為K的情況下，到達接收端的信號為的情況下，到達接收端的信號為Kf(t-t0)，相應于它的傅氏，相應于它的傅氏變換為：變換為： 另一條路徑的時延為另一條路徑的時延為( (t t0 0+ +) )，假定信道衰減也是，假定信道衰減也是K K，故它，故它到達接收端的信號為到達接收端的信號為KfKf( (t t- -t t0 0- -) )。相應于它的傅氏變換為：。相應于它的傅氏變換為： 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 24第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 25圖圖2-9 2-9 兩條路徑傳播時在某一點選擇性衰落特性兩條路

32、徑傳播時在某一點選擇性衰落特性 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 262.3.3 2.3.3 變參調制信道特性的改善變參調制信道特性的改善分集接收分集接收 分集接收的方式：分集接收的方式：空間分集。空間分集。頻率分集。頻率分集。 角度分集。角度分集。 (1)(1)極化分集。極化分集。 各分散接收信號進行合并的方法通常有：各分散接收信號進行合并的方法通常有：最佳選擇式。最佳選擇式。 (2)(2)等增益相加式。等增益相加式。 (3)(3)最大比值相加式。最大比值相加式。 分集接收：分集接收： 采用物理的方法將信道采用物理的方法將信道中互不相關的多路信號收集中互不相關的多路信號收集起

33、來，然后按一定的方法合起來，然后按一定的方法合成最終要接收的信號。成最終要接收的信號。第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 27 至此，我們對信道已有了一個較全面的認識，為了方便理至此，我們對信道已有了一個較全面的認識，為了方便理解，把信道分類歸納如下：解，把信道分類歸納如下： k平均電平改善值平均電平改善值圖圖2-10 2-10 三種合并方式的比較三種合并方式的比較 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 282.4 2.4 信道內的噪聲信道內的噪聲( (干擾干擾) ) 從噪聲性質來區分有：從噪聲性質來區分有：單頻噪聲。單頻噪聲。脈沖干擾噪聲。脈沖干擾噪聲。(1)(1)

34、起伏噪聲。起伏噪聲。 無線電噪聲：由通信雙方所在空間里的各種無線電噪聲：由通信雙方所在空間里的各種無線電信號所組成。無線電信號所組成。 (2)(2)工業噪聲：由工業噪聲：由通信雙方所在空間里的各種工通信雙方所在空間里的各種工業控制電信號及工業電脈沖和強電磁場。業控制電信號及工業電脈沖和強電磁場。(3)(3)天電噪聲：由太空向大地的各種宇宙輻射。天電噪聲：由太空向大地的各種宇宙輻射。(4)(4)內部噪聲：由設備內部元器件產生的噪聲。內部噪聲：由設備內部元器件產生的噪聲。 從噪聲來源分可有：從噪聲來源分可有：第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 292.5 2.5 通信中常見的幾種噪聲

35、通信中常見的幾種噪聲 2.5.1 2.5.1 白噪聲白噪聲 所謂白噪聲是指它的功率譜密度函數在整個頻率域所謂白噪聲是指它的功率譜密度函數在整個頻率域(-(-+)+)內是常數，即服從均勻分布。之所以稱它為白噪聲，是因內是常數，即服從均勻分布。之所以稱它為白噪聲，是因為它的頻譜覆蓋了整個信道帶寬，類似于光學中包括全部可見光為它的頻譜覆蓋了整個信道帶寬，類似于光學中包括全部可見光頻率在內的白光光譜。在噪聲中，凡是不符合上述條件的噪聲便頻率在內的白光光譜。在噪聲中，凡是不符合上述條件的噪聲便稱為有色噪聲，即噪聲譜密度只包括整個頻譜的部分頻率。稱為有色噪聲，即噪聲譜密度只包括整個頻譜的部分頻率。 實際上

36、，通信系統中完全理想的白噪聲是不存在的，通常情實際上，通信系統中完全理想的白噪聲是不存在的，通常情況下況下只要噪聲功率譜密度函數均勻分布的頻率范圍超過通信系統只要噪聲功率譜密度函數均勻分布的頻率范圍超過通信系統工作頻率范圍非常大時，就可近似認為是白噪聲工作頻率范圍非常大時，就可近似認為是白噪聲。例如，熱噪聲。例如，熱噪聲的頻率可以高到的頻率可以高到10101313HzHz，且功率譜密度函數在，且功率譜密度函數在0 010101313HzHz內基本均內基本均勻分布，因此可以將它看作白噪聲。勻分布，因此可以將它看作白噪聲。 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 30理想的白噪聲功率譜密

37、度通常被定義為理想的白噪聲功率譜密度通常被定義為: : 2)(0nPn )( 式中式中n n0 0的單位是的單位是W/HzW/Hz。 通常，也有采用單邊頻譜的形式，即頻率在通常，也有采用單邊頻譜的形式，即頻率在0 0到無窮大范到無窮大范圍內。這時，白噪聲的功率譜密度函數又常寫成：圍內。這時，白噪聲的功率譜密度函數又常寫成： 0)(nPn )0(Pn( )Pn( )00 n0/2n0白噪聲功率譜密度的兩種視圖表示白噪聲功率譜密度的兩種視圖表示第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 31圖圖2-11 2-11 理想白噪聲的功率譜密度和自相關函數理想白噪聲的功率譜密度和自相關函數 Pn(

38、( ) )n0/ /2 2 0 0( (a) )Rn( ( ) )n0/ /2 2 0 0( (b) ) 在信號分析中，我們知道功率信號的功率譜密度與其自在信號分析中，我們知道功率信號的功率譜密度與其自相關函數相關函數R R( () )互為傅氏變換對，由此便可得白噪聲的自相關互為傅氏變換對，由此便可得白噪聲的自相關函數如下，即函數如下，即 : :)(2221)(00dpndenPjn第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 322.5.2 2.5.2 高斯噪聲高斯噪聲 在實際信道中，除了白噪聲外，還有另一種常見噪聲是高在實際信道中，除了白噪聲外，還有另一種常見噪聲是高斯型噪聲斯型噪聲(

39、 (即高斯噪聲即高斯噪聲) )。所謂高斯。所謂高斯(Gaussian)(Gaussian)噪聲是指它的幅噪聲是指它的幅度概率密度函數服從高斯分布度概率密度函數服從高斯分布( (即正態分布即正態分布) )的一類噪聲，可用的一類噪聲，可用數學表達式表示成：數學表達式表示成： 222)(exp21)( p paxxp 式中，式中，a為噪聲的數學期望值，也就是均值；為噪聲的數學期望值，也就是均值；2為噪聲的為噪聲的方差；方差；exp(x)是以是以e為底的指數函數。為底的指數函數。 圖圖2-12 2-12 高斯分布的密度函數高斯分布的密度函數 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 33 (1

40、) (1) p p( (x x) )對稱于對稱于x x=a=a直線，即有直線，即有 p p( (a a+ +x x)=)=p p( (a a- -x x) ) (2) (2) p p( (x x) )在在(-,(-,a a) )內單調上升，在內單調上升，在( (a a, +), +)內單調下內單調下降，且在點降，且在點a a處達到極大值，當處達到極大值，當x x時時 (3)(3)第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 34 (4) (4) 對不同的對不同的a a，表現為，表現為p p( (x x) )的圖形左右平移；對不同的圖形左右平移；對不同的的，p p( (x x) )的圖形將隨

41、的圖形將隨的減小而變高和變窄。的減小而變高和變窄。 (5) (5) 當當a a=0,=0,=1=1時，則稱前面的高斯噪聲譜密度分布式時，則稱前面的高斯噪聲譜密度分布式為標準化的正態分布，這時即有為標準化的正態分布，這時即有: : 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 35 這個積分不易計算，但可借助于一般的積分表查出不這個積分不易計算，但可借助于一般的積分表查出不同同x x值的近似值。值的近似值。 正態概率分布函數還經常表示成與誤差函數相聯系的正態概率分布函數還經常表示成與誤差函數相聯系的形式，所謂誤差函數，它的定義式為：形式，所謂誤差函數，它的定義式為： xzdzexerf022

42、)(p p xzdzexerfxerfc22)(1)(p p以上兩式是在討論通信系統抗噪聲性能時常用到的基本公式。以上兩式是在討論通信系統抗噪聲性能時常用到的基本公式。第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 36)()0(tnDRPn所以，有：所以，有： 噪聲的方差：噪聲的方差： )0()0(2RaR )()(22tnEtnE )()()(2tnEtnEtnD p pdPRPnn)(21) 0( 通常，通信信道中噪聲的均值通常，通信信道中噪聲的均值a a=0=0，我們由此可得到，我們由此可得到一個重要的結論，即在噪聲均值為零時，噪聲的平均功一個重要的結論，即在噪聲均值為零時，噪聲的平

43、均功率等于噪聲的方差。這是因為：率等于噪聲的方差。這是因為： 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 372.5.3 2.5.3 高斯型白噪聲高斯型白噪聲 所謂高斯白噪聲是指噪聲的幅度概率密度函數滿足正所謂高斯白噪聲是指噪聲的幅度概率密度函數滿足正態分布統計特性，同時它的功率譜密度函數是常數的一類態分布統計特性，同時它的功率譜密度函數是常數的一類噪聲。這類噪聲，理論分析要用到較深的隨機過程理論知噪聲。這類噪聲，理論分析要用到較深的隨機過程理論知識，故不展開討論，它的一個例子就是維納過程。識，故不展開討論，它的一個例子就是維納過程。 值得注意的是高斯型白噪聲，它是對噪聲的兩個不同值得注

44、意的是高斯型白噪聲，它是對噪聲的兩個不同方面的特性而言的，即對幅度概率密度函數和功率譜密度方面的特性而言的，即對幅度概率密度函數和功率譜密度函數而言的，不可混淆。函數而言的，不可混淆。 第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 382.5.4 2.5.4 窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲 它是指噪聲的功率譜密度函數是窄帶，而噪聲幅度分布又它是指噪聲的功率譜密度函數是窄帶，而噪聲幅度分布又符合高斯分布一類噪聲符合高斯分布一類噪聲。這種噪聲的形成可以認為是：。這種噪聲的形成可以認為是：當高斯當高斯白噪聲通過一個以白噪聲通過一個以c c為中心角頻率的窄帶系統時，就可形成窄為中心角頻率的窄帶系統時，就可形成窄帶高斯噪聲帶高斯噪聲。這里所謂的窄帶系統是指系統的頻帶寬度。這里所謂的窄帶系統是指系統的頻帶寬度B B比起中比起中心頻率來小得很多的通信系統，即心頻率來小得很多的通信系統，即BfB AAIp有隨機過程理論分析可知：有隨機過程理論分析可知：第第 2 2 章章 信信 道道 與與 噪噪 聲聲 45BnSBC021log)/(sb令令N=n0B NSBC1log2)/(sb2.6 2.6 信道容量