第三章-信道与干扰(3)

L4复习通信原理电子工业出版社1变参信道定义快衰落和频率弥散频率选择性衰落和时间弥散相关带宽分集接收第三章信道与干扰通信原理电子工业出版社通信原理主要内容3.1概述3.2恒参信道及其对信号传输的影响3.4信道的噪声干扰3.5信道容量3.3变参信道及其对信号传输的影响电子工业出版社通信原理3.4信道的噪声干扰加性噪声1通信中常见噪声2电子工业出版社通信原理加性噪声恒参信道由于传输函数不随时间而变，所以噪声干扰主要是加性噪声。加性噪声分为高斯白噪声和脉冲噪声两类。加性噪声虽然独立于有用信号，但它却始终存在，干扰有用信号，因而不可避免地对通信造成危害。高斯白噪声脉冲噪声电子工业出版社通信原理高斯白噪声高斯噪声在话声通信时表现为稳定的背景噪声它的来源是多方面的，是不可避免的，主要来源是传输媒质的热噪声，设备中的热噪声和散弹噪声，以及由接收天线收到的辐射等。电子工业出版社通信原理加性噪声高斯白噪声脉冲噪声电子工业出版社通信原理脉冲噪声脉冲噪声的来源有人为和天然两种，大部分脉冲噪声是因电气切换和通信设备开关的瞬态引起的；微波衰落和维护工作中的偶然碰撞也会产生较长的突发性脉冲噪声，天然的雷电也会引起脉冲噪声。电子工业出版社通信原理加性噪声加性噪声的分类（噪声来源）无线电噪声工业噪声天电噪声内部噪声加性噪声的分类（噪声性质）单频噪声脉冲噪声起伏噪声电子工业出版社通信原理加性噪声的分类（噪声来源）加性噪声的分类（噪声来源）无线电噪声工业噪声天电噪声内部噪声电子工业出版社通信原理无线电噪声无线电噪声的主要来源是各种用途的外台无线电发射机。这类噪声所覆盖的频率范围很宽，从甚低频段到特高频段，都可能存在无线电干扰，干扰的强度也可能较大。这类干扰的频率是固定的，因此可以预先设法防止或避开；特别是在加强了无线电频率的管理工作后，在频率的稳定性、准确性以及谐波辐射等方面都建立了严格的规定，从而使得它对信道中传输信号的干扰程度可降到最小。电子工业出版社通信原理加性噪声的分类（噪声来源）加性噪声的分类（噪声来源）无线电噪声工业噪声天电噪声内部噪声电子工业出版社通信原理工业噪声工业噪声来源于各种电气设备，如电力线、点火系统、电车、电源开关、电力铁道、高频电炉等干扰来源分布范围较大干扰的强度也变得越来越大。这类干扰的频谱都集中在较低的频率范围内，工作的信道的频率只要高于这个频段就可防止受到它的干扰；也可以在干扰源方面设法消除或减小干扰的产生，例如加强屏蔽和滤波等措施，以此防止接触不良和消除波形失真。电子工业出版社通信原理加性噪声的分类（噪声来源）加性噪声的分类（噪声来源）无线电噪声工业噪声天电噪声内部噪声电子工业出版社通信原理天电噪声天电噪声的主要来源是闪电、大气中的磁暴、太阳黑子以及宇宙射线（天体辐射波）等各种自然现象与其发生的时间、季节、地区等很有关系，因此受天电干扰的影响也是因时，因地而大小不同的。这类干扰所占的频谱范围很宽，并且频率也不像无线电干扰那样是固定的，因此难以防范。电子工业出版社通信原理加性噪声的分类（噪声来源）加性噪声的分类（噪声来源）无线电噪声工业噪声天电噪声内部噪声电子工业出版社通信原理内部噪声内部噪声来源于信道本身所包含的各种电子器件、转换器以及天线或传输线等。这类干扰是自由电子作不规则运动造成的，因此它的波形也是不规则变化的，在示波器上观察就像一堆杂乱无章的茅草一样，通常称之为起伏噪声；由于在数学上可以用随机过程来描述这类干扰，因此又可称为随机噪声，或者简称为噪声。电子工业出版社通信原理加性噪声的分类（噪声性质）加性噪声的分类（噪声性质）单频噪声脉冲噪声起伏噪声电子工业出版社通信原理单频噪声单频噪声指无线电干扰。电台发射的信号频谱是集中在比较窄的频率范围内的，因此可以近似地看作是一个单频；另外，像电源交流电，反馈系统自激振荡等也都属于单频干扰。单频干扰是一种连续波干扰，它的频率是可以通过实测来确定的，因此在采取适当的措施后就有可能防止。电子工业出版社通信原理加性噪声的分类（噪声性质）加性噪声的分类（噪声性质）单频噪声脉冲噪声起伏噪声电子工业出版社通信原理脉冲噪声脉冲干扰包括工业干扰中的电火花，断续电流以及天电干扰中的闪电等。脉冲干扰的波形是不连续的，具有脉冲性质；这类干扰的发生时间很短，但强度却很大，而且周期是随机的，可以用随机的窄脉冲序列表示。脉冲干扰占用的频谱宽，但是，干扰的幅度也随着频率的升高而逐渐减小，干扰影响也因此减弱，由此可见，只要选择的工作频段适当，这类干扰的影响也是可以防止的。电子工业出版社通信原理加性噪声的分类（噪声性质）加性噪声的分类（噪声性质）单频噪声脉冲噪声起伏噪声电子工业出版社通信原理起伏噪声起伏噪声主要指信道内部的热噪声和散弹噪声以及来自空间的宇宙噪声。起伏噪声都是不规则的随机过程，只能采用大量统计的方法来寻求统计特性，由于起伏噪声来自信道本身，因此它对信号传输的影响是不可避免的。电子工业出版社通信原理3.5信道噪声加性噪声1通信中常见噪声2电子工业出版社通信原理通信中常见噪声白噪声高斯噪声高斯型白噪声窄带高斯噪声正弦信号加窄带高斯噪声电子工业出版社通信原理白噪声所谓白噪声，是指它的功率谱密度函数在整个频域范围内是常数，即功率谱密度函数在频域内均匀分布；之所以称它为“白”噪声，是因为它得特性类似于光学中包括全部可见光频率在内的白光。凡是不符合上述条件的噪声称为有色噪声。电子工业出版社通信原理白噪声白噪声的功率谱密度02nnP单边谱00nPnnRP白噪声的自相关函数001222jnnnRed冲击函数强度n0/2*维纳—辛钦定理:平稳随机过程的自相关函数与功率谱密度互为傅里叶变换电子工业出版社通信原理白噪声001222jnnnRed冲击函数强度n0/2可见白噪声只在τ=0时相关，而在任意两个不同时刻上的随机取值都是不相关的。电子工业出版社通信原理白噪声001222jnnnRed0ω0/2nnP0ω0/2nnR完全理想的白噪声是不存在的只要噪声功率谱密度函数均匀分布的频率范围远远超过通信系统工作频率范围，就可近似认为是白噪声电子工业出版社通信原理通信中常见噪声白噪声高斯噪声高斯型白噪声窄带高斯噪声正弦信号加窄带高斯噪声电子工业出版社通信原理高斯噪声高斯噪声是实际信道中另一种常见的噪声，所谓高斯噪声，是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）。高斯噪声的一维概率密度函数表示为：221exp22xapxa120xpx电子工业出版社通信原理高斯噪声一维概率密度函数的特性221exp22xapx1、p(x)以直线x=a对称，即有：paxpax电子工业出版社通信原理高斯噪声一维概率密度函数的特性2、p(x)在(-∞,a)单调增，在(a,+∞)单调减，在点a处有极大值，当x→±∞时，即有：0px221exp22xapx电子工业出版社通信原理高斯噪声一维概率密度函数的特性3、1pxdx12aapxdxpxdx221exp22xapx电子工业出版社通信原理高斯噪声一维概率密度函数的特性4、a表示分布中心，σ表示集中的程度。对不同的a，表现为p(x)的图形左右平移；对不同的σ，p(x)的图形将随σ的减小而变高和变窄。221exp22xapx电子工业出版社通信原理高斯噪声一维概率密度函数的特性5、当a=0，σ=1时，相应的正态分布称为标准化正态分布21exp22xpx221exp22xapx电子工业出版社通信原理高斯噪声通常情况下，通信信道中噪声的均值a=0结论当噪声均值为零时，噪声的平均功率等于噪声的方差，即有：a120xpx2nP电子工业出版社通信原理dPRPnn)(21)0(噪声的方差)0()0())](([)}({}))](()([))((2222RaRtnEtnEtnEtnEtnD)]([)0(tnDRPn所以，有电子工业出版社通信原理正态概率分布函数正态概率分布函数F(x)用来表示随机变量x的概率分布情况，按照定义，它是概率密度函数p(x)的积分，即：xFxpzdz221exp22xapx代入22221exp221exp22xxxzaFxpzdzdzzadz电子工业出版社通信原理正态概率分布函数22221exp221exp22xxxzaFxpzdzdzzadz引入误差函数22xzerfxedz互补误差函数221zxerfcxerfxedz正态分布函数11,22211,22xaerfxaFxxaerfcxa误差函数和互补误差函数的性质误差函数是递增函数erf(-x)=-erf(x)erf(∞)=1互补误差函数是递减函数erfc(∞)=0erfc(x)≈可以借助一般数学手册提供的误差函数表，方便的查出不同x值时误差函数的近似值。电子工业出版社通信原理1,12xexx电子工业出版社通信原理电子工业出版社通信原理通信中常见噪声白噪声高斯噪声高斯型白噪声窄带高斯噪声正弦信号加窄带高斯噪声电子工业出版社通信原理高斯型白噪声高斯型白噪声也称高斯白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，高斯白噪声的功率谱密度函数是常数。高斯型白噪声同时涉及到噪声的两个不同方面，即概率密度函数的正态分布性和功率谱密度函数均匀性，二者缺一不可。典型的高斯型白噪声——热噪声电子工业出版社通信原理典型的高斯型白噪声——热噪声0.20.4/hfKT2kRTnPf在常温条件下，当f1000GHz时，功率谱密度是平坦的，这是一个很宽的频率范围，包含了毫米波在内的所有频段，通常我们把这种噪声按白噪声处理。通信系统中热噪声的功率谱密度可以表示为：22/nPfRKTVHz电子工业出版社通信原理典型的高斯型白噪声——热噪声中心极限定理热噪声电压服从高斯分布，均值为零一维概率密度函数221exp22vpv热噪声可以看作高斯白噪声大量随机变量之和服从正态分布电子工业出版社通信原理高斯白噪声与信道噪声特性分析在通信系统的理论分析中，特别是在分析、计算系统抗噪声性能时，经常假定系统中信道噪声（即前述的起伏噪声）为高斯型白噪声。原因有二：1.高斯型白噪声确实反映了实际信道中的加性噪声情况，比较真实地代表了信道噪声的特性。2.高斯型白噪声可用具体的数学表达式表述，便于推导分析和运算。电子工业出版社通信原理通信中常见噪声白噪声高斯噪声高斯型白噪声窄带高斯噪声正弦信号加窄带高斯噪声电子工业出版社通信原理窄带高斯噪声通信的目的在于传递信息，通信系统必须为携带信息的信号提供一定带宽的通道，这个通道，一方面能让信号畅通无阻，另一方面则必须最大限度的抑制带外噪声，实际通信系统往往是一个带通系统带通情况下的噪声分析电子工业出版社通信原理带通情况下的噪声分析噪声等效带宽窄带高斯噪声的定义与表达式统计特性电子工业出版社通信原理噪声等效带宽当高斯噪声通过中心角频率为ωc的窄带系统时，就可形成窄带高斯噪声。窄带系统——Δffc=ωc/2π窄带系统符合大多数信道的实际情况。窄带高斯噪声的频谱局限在±ωc附近很窄的频率范围内，其包络和相位都在作缓慢随机变化。是一个频率近似为fc，包络和相位随机变