通信信号处理_第二章

1第二章通信信号和无线信道2014年3月30日2第二章通信信号的表示和无线信道§2.1通信信号的表示§2.2无线信道§2.3无线信道抗衰落技术22014年3月30日3§§2.12.1通信信号的表示通信信号的表示2.1.2、解析信号2.1.3、基带信号2.1.4、复基带信号2.1.5、随机信号的基带表示2.1.6、带限信号2.1.1、引言返回2014年3月30日42.1.1引言•信号是信息的载体，实际的信号总是实信号，但在实际应用中采用复信号，因为从有效信息的利用角度来看，实信号的频谱是共轭对称的，如：实信号s(t)频谱：2*2()()()()()jftjftSfstedtSfstedtSfpp+∞--∞+∞-∞===-∫∫32014年3月30日5其负频谱部分可以去掉，只保留正频率部分。其频率不再存在共轭对称性，所对应的时域信号就是复信号。利用复信号表示减少了频带宽度。采用实信号采用复信号传输过程传输过程接收后进行信号处理接收后进行信号处理返回2014年3月30日62.1.1解析信号•解析信号•实部•虚部•h(t)就称为Hilbert变换器或Hilbert滤波器•Hilbert滤波器传递函数ˆ()()()Aststjst=+[]()()cos()stattj=1ˆ()()()()ststhtsttp=*=*()1Hf=42014年3月30日7•Hilbert滤波器的幅频特性1f幅频特性()Hfjf2p2p-相频特性()Hf2014年3月30日8•Hilbert变换性质①实信号经过Hilbert变换，信号频谱幅度保持不变②解析信号实部和虚部之间存在③实信号的Hilbert变换④如果Hilbert变换满足12()()*()xtxtxt=1212ˆˆˆ()()*()()*()xtxtxtxtxt==2(){[()]}[()]stHHstHst=-=-ˆ()[()]stHst=-52014年3月30日9•解析信号的描述为了全面描述通信信号处理中的各种解析信号Ø定义滤波器Ø第一类解析信号(确定信号)如果解析信号的频谱满足Ø第二类解析信号（随机信号）如果解析信号的功率谱密度满足101()1/20[sgn()]2200fjUffjff⎧⎪===+-⎨⎪⎩2()0()2()()()000ASffSfUfSfSfff⎧⎪===⎨⎪⎩2()0()2()()()000AssssPffPfUfPfPfff⎧⎪===⎨⎪⎩2014年3月30日10•两类解析信号的构造方法是不同的对于确定信号，关心频谱，往往采用第一类解析信号；对于随机信号，更关心功率谱密度，往往采用第二类解析信号。2返回62014年3月30日11对雷达和通信一类的信息系统，常用的信号是实的窄带信号，用公式表示：式中fc为载波频率，上述窄带信号的正负频率分量明显分开，负频率分量很容易就被滤除，保证正频率。并将幅度加倍，即可得到其解析信号为[2()][2()]1()()cos[2()]()2ccjfttjfttcstatfttateepfpfpf+-+⎡⎤=+=+⎣⎦2()()()cjftjtAstateepf=2.1.2基带信号2014年3月30日12是复载波,作为信息的载波而不含有用信息成分，如果将载波频率下移到零中频，就得到基带信号，即：将上式两边乘以得一新的信号：把这种零载频的信号称为基带信号(basebandsingal)或称零中频信号。2cjftep()()()jtBstatef=2cjftep-72014年3月30日13•实的窄带信号•解析信号•基带信号（零中频信号）•解析信号与基带信号的关系•基带信号的直角坐标形式基带信号是复信号，不存在双边谱():():BIBQstst同相分量，正交分量()()cos[()]()sin[()]()()BBIBQstattjattstjstjj=+=+2()()cjftABststep=()()()jtBstatej=2()()()cjftjtAstateepj=[2()][2()]1()()cos[2()]()[]2ccjfttjfttcstatfttateepjpjpj+-+=+=+2014年3月30日14对比和可知基带信号与解析信号存在以下关系：由上式可知：１基带信号就是解析的复包络,它和一样是复信号。２基带信号的中心频率为零，所以它既有正频率分量，又有负频率分量．但它是复信号，其频率具有共轭对称性。３若对基带信号剔除负频率分量就会造成有用信息损失。４基带信号是解析信号的频移形式。()Ast()Bst2()()cjftABststep=()Bst()Ast()Ast()Bst82014年3月30日15•由实信号确定基带信号的两种方法1）滤波+频移方法2)频移+滤波方法()Bst⊗exp(2)cjftp-⊗exp(2)cjftp-返回2014年3月30日162.1.3复基带信号•实的窄带信号•解析信号与基带信号的关系•窄带信号的复基带表示•窄带信号、基带信号、解析信号具有相同能量返回[2()][2()]1()()cos[2()]()2ccjfttjfttcstatfttateepjpjpj+-+⎡⎤=+=+⎣⎦2()()cjftABststep=2()Re[()]cjftBststep=92014年3月30日172.1.4随机信号的基带表示广义平稳信号其中•基带信号与解析信号相关函数的关系•解析信号功率谱•基带信号功率谱2()2Re[()]cjftBststep=2()()cjftBAststep-=2()()cBAjfssRRepttt-=()2()()(()1(0);()0(0))AssPfUfPfUffUff==≥=()()2()()BAssccscPfPffUffPff=+=++2014年3月30日18•相关函数和互相关函数•功率谱和互功率谱返回,,,,1()()Re[()]21()()Im[()]2BIBQBBIBQBQBIBssssssssRRRRRRtttttt===--=,,,,1()()[()()]41()()[()()]4BIBQBBBIBQBQBIBBssssssssssPfPfPfPfPfPfPfPfj==+-=--=--102014年3月30日192.1.5带限信号1.带限信号定义实值信号，如果付氏变换有频谱或功率谱，称为带限信号。2.时限信号定义如果实值信号，称为时限信号。返回()0,sPffB=∀()st()0,SffB=∀()0,sttT=∀2014年3月30日202.2.12.2.1、、无线信道无线信道2.2.22.2.2、、电磁波的传播机制电磁波的传播机制2.2.32.2.3、、路径损失与衰落路径损失与衰落2.2.42.2.4、、信道干扰信道干扰§§2.22.2无线信道无线信道返回112014年3月30日212.2.1无线信道•信道：是发射端和接收端之间传播媒介的总称。按传播媒介不同,物理信道分为有线信道和无线信道。有线信道：用于有线通信，是平稳和可预测的。无线信道：是随机的，不易分析的。返回2014年3月30日222.2.2电磁波的传播机制基站在无线通信系统中：移动用户前向连接或下行连接—downlink移动用户基站反向连接或上行连接—uplink无线连接无线连接122014年3月30日23多径传输：一个无线信道中传播的无线电信号往往会沿一些不同的路径达到接收端，这一现象称为信号的多径传输。虽然电磁波传播的形式很复杂，但电磁波在空间传播一般可归结为以下五种基本传播机制：2014年3月30日24•直射波（自由空间传播）：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。•反射(Deflection)：电磁波入射到一个物体尺寸比波长大得多的物体上时会发生反射。即指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。132014年3月30日25nn散射散射(Scattering)(Scattering)：：无线电波在传播过程中，遇到一些无线电波在传播过程中，遇到一些尺寸小于波长的目标物（尺寸小于波长的目标物（粗糙的表面粗糙的表面，电线杆，树等），电线杆，树等）都会将入射的能量散射到所有方向，其信号强度最弱。都会将入射的能量散射到所有方向，其信号强度最弱。nn绕射绕射(Diffraction)(Diffraction)：：从较大的山丘或建筑物绕射后到达从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。接收点的传播信号，其强度与反射波相当。nn透射波（透射波（PenetrationPenetration））：当射线到达两种不同介质界：当射线到达两种不同介质界面时，有一部分能量透射到第二种介质中。面时，有一部分能量透射到第二种介质中。透射会使场透射会使场强产生急剧衰减。强产生急剧衰减。2014年3月30日26衡量一表面是否粗糙的标准是Rayleigh准则。这一标准对已知入射角定义表面隆起的临界高度hc若一表面的最小~最大隆起高度差hhc则认为表面是平坦的，反之则是粗糙的。ciλh=8sinθiq142014年3月30日27返回2014年3月30日282.2.3路径损失与衰落信道对传输信号的影响有三种效应：路径损失路径损失阴影衰落阴影衰落多径衰落多径衰落返回152014年3月30日29接收信号功率表达式：——表示路径损失，描述的是大尺度区间（数百米或数千米）内接收信号强度随发射、接收距离而变化的特性。d——移动用户与基站的距离。n——路径损失指数。不同环境的路径损失指数不同。它决定路径损失随距离增加而增大速率。见表3.2.1()()()nrPddSdRd-=nd-2014年3月30日302～3工厂（被阻塞）4～6楼房（被阻塞）1.6～1.8楼房（直射）3～5城市阴影区（蜂窝式）2.7～3.5城区（蜂窝式）2自由空间路径损失指数n环境表3.2.1不同环境的路径损失指数162014年3月30日31——阴影衰落。电磁波在传播时会遇到建筑物，地形起伏等障碍物，在这样的障碍物后面会形成一个电磁场阴影区对移动用户进行干扰，导致衰减。他描述的是中等尺度区间（数百波长）内信号的慢变化特性—慢衰落()Sd2014年3月30日32——多径衰落。由移动传播环境中多径传输而引起的衰落。描述小尺度区间（数个或数十个波长）内接收信号场强的瞬时值的快速变化特性——快衰落又称短期衰落或瑞利衰落此外多径传播还会导致信号在时间、空间和频率上的扩展，对传输信号影响非常明显。()Rd172014年3月30日33室外通信信号衰落特特性图2014年3月30日34一、路径损失PL（dB）---------大尺度路径损耗自由空间的路径损失定义为有效发射功率与接收功率之差，表示多径传输引起的信号功率扩展。其中，为发射功率，是接收功率；、,分别为收发天线增益；为信号波长；d为收发天线之间的距离。tPrPrGtGl182014年3月30日35二、衰落(fading)--------小尺度衰落是指无线信号在经过短时间或短距传播后其幅度快速变化。接收信号在时域上的慢速扰动为慢衰落，衰落深度大（移动系统中，变化范围有30~40dB）；接收信号在空间的快速扰动为快衰落；接收信号在相位上的衰落为选择性衰落选择性衰落。。()sta()rta()tj2014年3月30日36移动信道环境中任意时间t接收瞬时衰落复信号为：是包络，表示相位。其中为慢衰落，为快衰落，为选择性衰落()()()jtrtteja=()ta()tj()()()srtttaaa=()sta()rta()tj•接收的瞬时衰落信号模型：192014年3月30日371）慢衰落：又称为长期衰落（long-termfading）主要由建筑物或自然界特征的阻塞效应引起。慢衰落的平均接收功率符合对数正态分布其概率密度函数为：x为表示信号电平慢扰动的随机变量，和σ分别是x的均值和标准偏差,σ的标准值为8dB221(lg)exp,0()20,0xxpxxxmsps⎧⎡⎤--⎪⎢⎥=⎨⎣⎦⎪≤⎩m2014年3月30日38对数正态阴影衰落由于受到地形地物等阴影的