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  • 信道噪声

    2012-10-14 21:59:09
    描述信道噪声的关系,调制信道、编码信道、恒参信道、随参信道
  • 电力线信道脉冲噪声中基于分数低阶统计的MIMO检测方法
  • 介绍了电力线信道中的有色背景噪声,窄带噪声,工频噪声,并给出了仿真模型公式
  • OFDM系统窄带干扰下联合信道噪声估计,易友文,江涛,为了抑制基于OFDM的无线通信系统的窄带干扰,本文提出了一种联合信道估计和噪声估计的算法,利用解码的结果改进信道噪声功率��
  • 通信原理-信道噪声

    2010-06-05 08:58:11
    刘柏森 通信原理 信道 噪声 刘柏森 通信原理 信道 噪声 刘柏森 通信原理 信道 噪声 刘柏森 通信原理 信道 噪声
  • 信道噪声与信道容量

    千次阅读 2020-03-30 23:57:17
    信道中噪声 1.加性噪声 加性噪声(Additive noise)是信道中存在的不需要的电信号,它独立于信号始终存在。 影响:加性噪声会使模拟信号失真,数字信号发生错码,限制信息的传输速率。 2.加性噪声分类 按噪声...

                                        信道中的噪声

    1.加性噪声

            加性噪声(Additive noise)是信道中存在的不需要的电信号,它独立于信号始终存在。

            影响:加性噪声会使模拟信号失真,数字信号发生错码,限制信息的传输速率。

    2.加性噪声分类

    按噪声来源分 定义 举例或特性  
    人为噪声
    由人类的活动产生的
     
    如家电用具产生的电磁波辐射

     
     
    自然噪声 自然界中存在的各种电磁波辐射
     
    如大气噪声、宇宙噪声
     
     
    内部噪声(热噪声)
     
    主要是系统内部电子器件和导体中自由电子受热不断运动,在运动中和其他粒子碰撞而随机地以折线路径运动,呈现为布朗运动。
     
    热噪声是由大量自由电子受热激励引起的随机运动产生,其统计特性服从高斯分布,所以热噪声又称为高斯白噪声
     
     

                

    按噪声性质分类
     
    定义 举例或特性
    脉冲噪声
     
    是突发性地产生的,幅度很大, 其频谱较宽。
     
    如电火花;
    其不是普遍持续存在,对话音通信影响较小,但对数字通信影响可能较大。
     
    窄带噪声
     
    来自相邻电台或其他电子设备,其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。
     
    窄带噪声只存在特定频率、时间、地点,影响有限。
    起伏噪声
     
    是遍布在时域和频域内的随机噪声。
     

    热噪声、宇宙噪声;

    它始终存在
     

    3.窄带高斯噪声

            信号解调时,热噪声经过接收机带通滤波器的过滤,变成了带限(bandlimited)白噪声,也称为窄带噪声。由于滤波器是一种线性电路,高斯过程通过线性电路后,仍为一高斯过程,故此窄带噪声又称为窄带高斯噪声。


    4、乘性噪声


           乘性噪声:与传输信号的关系是相乘的关系,不是独立存在,是伴随着传输信号而出现。
           举例:移动无线信道的多径衰落信道,其衰落对传输信号的影响相当于乘性噪声、脉冲编码调制中的量化噪声。


                                      信道容量

    一、离散信道容量

    1.离散信道容量定义

              信道能够传输的最大平均信息速率。

    2.度量单位

    1)每个符号能够传输的平均信息量最大值,用C表示;
    2)单位时间(秒)内能够传输的平均信息量最大值,用Ct表示。

    Ct = 符号传输速率 * C 

    3.离散信道模型

    假设发送符号x1,x2.......xn出现的概率为P(xi),i = 1,2,3,.....n;

           接收符号y1,y2.......yn出现的概率为P(yj),j  = 1,2,........n;

    P(yj/xi)为转移概率,即发送xi的条 件下收到yj的条件概率          

                                                                                  

     

    4.有扰信道中收到一个符号时获得的平均信息量

    先说两个概念:自信息量与条件自信息量

         Xi的自信息的含义:a.在事件xi发生前:表示xi发生的不确定性

                                                                 b.在事件xi发生后:表示xi所提供的信息量

         条件自信息量:设yj的条件下,发生xi的条件概率为p(X_{i}/Y_{j})那么他的条件自信息量定义为:

                                         即在事件yj已出现的条件下,随机事件xi出现所带来的信息量。

     

    发送xi时收到yj所获得的信息量等于发送xi前接收端对xi的不确定程度(即xi的自信息量)减去收到yj后接收端对xi的不确定
    程度(即条件自信息量):即
    发送xi时收到yj所获得的信息量 = - \log_{2}P(X_{i}) - [\log_{2}P(X_{i}/Y_{i})]

    对所有的xi和yj取统计平均值,得出收到一个符号时获得的平均信息量:

    其中H(x)为每个发送符号Xi的平均信息量,称为信源的熵,即      

    H(x / y) = 是条件熵,表示接收yj符号已知后,发送符号xi的平均信息量。

    经过推导(由概率中贝叶斯公式)得知:

    由此得到:发送符号的信息量原来为H(x),而收到一个符号的平均信息量只有[H(x) – H(x/y)],少了的部分H(x/y)就是传输
    错误率引起的损失。

    5.无扰信道中收到一个符号时获得的平均信息量

    对于无扰信道,有以下特点:

                                   a.发送符号与接收符号一一对应,即发送Xi,接收端必为Yi,因此收到的信息量为:

                                   b.此时转移概率P(xi /yj) = 0(i≠j),因此条件熵 H(x/y)= 0。

    故在无干扰条件下,接收一个符号获得的平均信息量就为H(x)。

    6.离散信道容量计算公式:

                 

       当信道中的噪声极大时, H(x / y) = H(x)。此时C = 0,即信道容量为零。

    7.二进制对称信道

     

        当信道转移概率矩阵中各行和各列分别具有相同集合的元素时,这类信道称为对称信道。

      其中,二进制转移概率矩阵为:可以看出,各行各列元素都一样。

    将上述的关系带入信道容量的计算公式,可以得到二进制对称信道的信道容量(0,1等概率出现):

                                                       此公式仅限于二进制对称信道

    需要说明的是:二进制对称信道是离散信道的特例。

                             当0、 1等概出现时, H(x) – H(x/y)的计算结果就是信道容量。
                             当0、 1不等概出现时, H(x) – H(x/y)的计算结果不是信道容量,而是当前条件下收到一个符号获得的平均信息量。

    二、连续信道容量

    信道容量(channel capacity)是指单位时间(秒)内信道上所能传输的最大信息量。
     

    1.香农公式:

     其中,S表示信号平均功率(W);N 表示噪声功率(W);B表示信道带宽(Hz)

    设噪声单边功率谱密度为n0,则噪声功率N = n0B,进而香农公式可写为

    2.香农公式分析

    1)增加信道带宽并不能无限制地使信道容量增大,而只是S / n0的1.44倍。这是因为当带宽B增大时,噪声功率也随之增大。

    2)信道容量一定时,带宽与信噪比之间可以互换。

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  • 3.1 信道分类 3.2 信道模型 3.3 恒参信道的特性及其对信号传输的影响 3.4 随参信道的特性及其对信号传输的影响 3.5 信道加性噪声 3.6 信道容量
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  • 第三章信道噪声

    2020-12-07 13:26:14
    3.1 信道定义与数学模型 定义 通信系统=发送设备+信道+接收设备 信道限制和损害信号 信道是指以传输媒质为基础的信号通道(第10讲pdf有信道的一般组成框图) 分类 狭义信道=传输媒质(狭义信道特性会影响通信效果 ...

    3.1 信道定义与数学模型

    定义

    通信系统=发送设备+信道+接收设备

    信道限制和损害信号

    信道是指以传输媒质为基础的信号通道(第10讲pdf有信道的一般组成框图)

    分类

    • 狭义信道=传输媒质(狭义信道特性会影响通信效果 )

      • 有线信道
      • 无线信道
    • 广义信道=传输媒质+转换装置(常把广义信道简称为信道 )

      • 调制信道=发转换装置+媒质+收转换装置
        • 从调制器输出端到解调器输入端
      • 编码信道=调制器+调制信道+解调器
        • 从编码器输出端到译码器输入端

    数学模型

    信道共性

    • ( 1)有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端
    • ( 2)绝大多数的信道都是线性的 ,即满足线性叠加原理;
    • ( 3)信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间
    • ( 4)信号通过信道会受到固定的或时变的损耗
    • ( 5)即使没有信号输入,在信道的输出端仍可能有一定的输出(噪声)。

    调制信道

    数学模型:二端口(或多端口)线性时变网络

    输入输出关系:r(t)=s0(t)+n(t)=f[si(t)]+n(t)r(t)=s_0(t)+n(t)=f[s_i(t)]+n(t)

    • sis_i为输入已调信号
    • sos_o为输出响应信号
    • n(t)n(t)为加性噪声 (其相互独立于sis_i
    • f[si(t)]f[s_i(t)]反映了信道特性(不同的物理信道具有不同的特性 )

    一般情况f[si(t)]f[s_i(t)]可以表示为信道单位冲激响应c(t)c(t)与输入信号的卷积

    • so(t)=c(t)si(t)s_o(t)=c(t)﹡s_i(t)
    • SO(ω)=C(ω)Si(ω)S_O(ω)=C(ω)S_i(ω)

    C(ω)C(ω)依赖于信道特性,对于信号来说 C(ω)C(ω)可看成是乘性干扰

    根据 C(ω)C(ω)的时变特性的不同,信道可以分为两大类

    • 恒参信道 :C(ω)C(ω)基本不随时间变化
      • 即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的
    • 随参信道 :C(ω)C(ω)随时间随机快变化

    C(ω)C(ω)的特性有三种典型形式 (第10讲pdf有信道数学模型组成框图)

    • C(ω)C(ω)是常数(或在信号频带范围之内是常数 )

      • r(t)=s0(t)+n(t)=csi(t)+n(t)r(t)=s_0(t)+n(t)=cs_i(t)+n(t)
      • c 是信道衰减因子,通常可取 c =1
      • n(t)n(t)是加性噪声(通常是一种高斯噪声),这种信道可以用加性噪声信道数学模型来表示
    • C(ω)C(ω)在信号频带范围之内不是常数,但不随时间变化

      • r(t)=so(t)+n(t)=c(t)si(t)+n(t)r(t)=s_o(t)+n(t)=c(t)﹡s_i(t)+n(t)
      • 这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性滤波器
    • C(ω)C(ω)随时间变化

      • r(t)=so(t)+n(t)=c(tτ)si(t)+n(t)r(t)=s_o(t)+n(t)=c(t,τ)﹡s_i(t)+n(t)
      • 这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性时变滤波器

    编码信道模型

    编码信道输入是离散时间信号,输出也是离散时间信号

    • 对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列

    由于信道噪声等的影响,将导致输出数字序列发生错误

    • 输入输出数字序列之间的关系用一组转移概率来表征 (二进制编码信道模型框图)

      • P(0)P(1)P(0)、P(1)分别是发送“ 0”符号和“1”符号的先验概率
      • P(0/0)P(1/1)P(0/0)、P(1/1)是正确转移的概率
      • P(1/0)P(0/1)P(1/0)、P(0/1)分别是发送“ 0”符号和“1”符号的错误转移概率
    • 输出总的错误概率为: Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)P_e=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)

    • 无记忆编码信道 :信道噪声等的影响导致输出数字序列发生错误是统计独立

      • P(0/0)+P(1/0)=1P(0/0)+P(1/0)=1
      • P(1/1)+P(0/1)=1P(1/1)+P(0/1)=1
    • 编码信道是有记忆的(噪声等影响导致输出发生错误是不独立的,则编码信道模型要复杂得多)

    3.2 恒参信道及其传输特性

    (第十一讲 )

    恒参信道举例

    • 对称电缆
    • 同轴电缆
    • 微波中继信道
    • 卫星中继信道
      • 优点:通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、覆盖区域广
      • 缺点:星轨道离地面较远,信号衰减大,电波往返所需要的时间较长
      • 用途:传输多路电话、电视和数据

    恒参信道特性

    传输特性可以等效为一个线性时不变网络

    线性网络的传输特性可以用幅频特性相频特性来表征

    理想恒参信道特性

    理想恒参信道 = 理想无失真传输信道

    • 在整个频率范围其幅频特性为常数

    • 其相频特性为ω 的线性函数

    • 幅频特性:H(ω)=K0ejωtdH(ω)=K_0e^{jωt_d}

      • K0K_0为传输系数 (Hω=K0|H(ω)|=K_0)、tdt_d为时间延迟
    • 相频特性:φω=ωtdφ(ω)=ωt_d

      • 信道的相频特性通常还采用群迟延-频率特性 :τω=dφωdω=tdτ(ω)=\frac{dφ(ω)}{dω}=t_d

    冲激响应:h(t)=K0δ(ttd)h(t)=K_0δ(t-t_d)

    若输入信号为s(t) ,则理想恒参信道的输出为:r(t)=K0s(ttd)r(t)= K_0s(t-t_d)

    理想恒参信道对信号传输的影响

    • 对信号在幅度上产生固定的衰减
    • 对信号在时间上产生固定的迟延

    幅度-频率失真

    又称为频率失真,属于线性失真

    会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠,造成码间干扰

    相位-频率失真

    属于线性失真

    在话音传输中,由于人耳对相频失真不太敏感,因此相频失真对模拟话音传输影响不明显

    如果传输数字信号, 相频失真同样会引起码间干扰

    3. 3 随参信道及其传输特性

    (第十二讲 )

    随参信道举例

    陆地移动信道

    由于城市建筑群等的影响,电波在传播过程中产生反射波等其他波,电波传输环境较为复杂,因此移动信道是典型的随参信道

    工作频段:主要在 VHF 和 UHF 频段

    电波传播特点:以直射波为主

    自由空间传播

    • 接收天线上获得的功率 PR=PTGTGR(λ4πd)2P_R=P_TG_TG_R(\frac λ{4πd})^2

      • 发射机输入给天线功率 PTP_T
      • 发射天线增益 GTG_T
      • 接收天线增益 $ G_R$
      • 接收天线与发射天线之间直线距离 dd (单位为km)
      • 各向同性天线的有效面积 (λ4π)2(\frac λ{4π})^2
      • 各向同性是指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化
    • 自由空间传播损耗 $L_fs=\frac{P_T}{P_R}=(\frac {4πd}λ)^2 $

      • 用dB 可表示 :$[L_fs]=10lg(\frac {4πd}λ)^2=32.44+ 20lgd+20lgf $ (dB)
      • f的单位为MHz

    反射波与散射波

    当电波辐射到地面或建筑物表面时,会发生反射或散射,从而产生多径传播现象

    折射波

    电波在空间传播中,由于大气中介质密度随高度增加而减小,导致电波在空间传播时会产生折射、散射等

    大气折射对电波传输的影响通常可用地球等效半径来表征

    • 地球等效半径系数 k=rer0k=\frac{r_e}{r_0}
    • 地球的实际半径 r0=6370kmr_0=6370km
    • 地球等效半径 rer_e
    • 在标准大气折射情况下,地球等效半径系数 k=43k=\frac{4}{3}
      • re=kr0=8493kmr_e=kr_0=8493km

    短波电离层反射信道

    无线电波在电离层(或电离层与地面之间)的一次反射(或多次反射)所形成的信道

    • 由于太阳辐射的变化,电离层的密度和厚度也随时间随机变化,因此短波电离层反射信道也是随参信道

    • 无线电波频率范围为 3~30MHz

    • 离地60~600 km 的大气层为电离层(由分子、原子、离子及自由电子组成 )

    由于电离层密度和厚度随时间随机变化,因此短波电波满足反射条件的频率
    范围也随时间变化

    • 最高可用频率 :fMUF=f0secφ0f_{MUF}=f_0secφ_0
      • f0φ0=0f_0为φ_0=0时能从电离层反射的最高频率(称为临界频率)
    • 白天电离层较厚, F2层的电子密度较大,最高可用频率较高。
    • 夜晚电离层较薄, F2层的电子密度较小,最高可用频率较低

    短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播

    • 电波从电离层的一次反射和多次反射
    • 电离层反射区高度所形成的细多径
    • 地球磁场引起的寻常波和非寻常波
    • 电离层不均匀性引起的漫射现象

    随参信道特性

    (13讲)

    随参信道的传输媒质具有以下三个特点

    • 对信号的衰耗随时间随机变化
    • 信号传输的时延随时间随机变化
    • 多径传播

    随参信道比恒参信道复杂,对信号传输的影响比恒参信道严重

    多径衰落与频率弥散

    公式略(太多了)

    瑞利分布是一个均值为0,方差为σ2σ^2的平稳窄带高斯过程

    • 描述平坦衰落信号接收包络独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布

    结论

    • 多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号,
      这种信号称为衰落信号,即多径传播使信号产生瑞利型衰落
    • 多径传播使单一谱线变成了窄带频谱,即多径传播引起了频率弥散

    频率选择性衰落与相关带宽

    多径传播除了会使信号产生瑞利型衰落之外,还会产生频率选择性衰落

    多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征

    • 多径传播信道的相关带宽 :
    • 表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔

    如果信号的频谱比相关带宽宽,则将产生严重的频率选择性衰落

    • 信号带宽为相关带宽的

    传输高速数字信号,频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰

    • 减小方法:

    3.4 分集接收技术

    3.5 加性噪声

    • 相互独立
    • 始终存在
    展开全文
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信道中的噪声