《通信原理第6版》樊昌信版第4章

1、1第第4章章 信道信道4.0 信道的定义及分类信道的定义及分类4.1 无线信道无线信道4.2 有线信道有线信道4.3 信道数学模型信道数学模型4.4 信道特性及其对信号传输的影响信道特性及其对信号传输的影响4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.6 信道容量信道容量2目的目的：了解各种实际信道、信道的数学了解各种实际信道、信道的数学模型和信道容量的概念。模型和信道容量的概念。思路思路：通过介绍实际信道的例子，归纳通过介绍实际信道的例子，归纳信道的特性，阐述信道的数学模型，最后信道的特性，阐述信道的数学模型，最后简绍信道容量的概念。简绍信道容量的概念。要求要求：注重了解各种实际信道的特点，注重了解各

2、种实际信道的特点，掌握信道的数学模型，简单运用信道容量掌握信道的数学模型，简单运用信道容量公式解决实际问题。公式解决实际问题。34.0 信道定义及分类信道定义及分类信道信道是指以传输媒质为基础的信号通道。是指以传输媒质为基础的信号通道。信道与发送设备、接收设备一起组成通信信道与发送设备、接收设备一起组成通信系统。没有信道，通信就无法进行；信道系统。没有信道，通信就无法进行；信道的好坏直接影响通信的质量。的好坏直接影响通信的质量。44.0 信道定义及分类信道定义及分类如果信道仅是指信号的如果信道仅是指信号的传输媒质传输媒质，这种信，这种信道称为道称为狭义信道狭义信道.如果信道不仅是传输媒质，而且

3、包括通信如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为系统中的一些转换装置，这种信道称为广广义信道义信道。常把广义信道简称为信道。常把广义信道简称为信道。5无线狭义 仅指传输媒质有线有记忆编码信道无记忆广义 设备媒质恒参信道调制信道随参信道信信道道6调制信道和编码信道调制信道和编码信道 发转换器发转换器 媒媒 质质 收转换器收转换器 解解 调调 器器 调调 制制 器器调制信道调制信道7调制信道和编码信道调制信道和编码信道 发转换器发转换器 媒媒 质质 收转换器收转换器 解解 调调 器器 调调 制制 器器编码信道编码信道 译译 码码 器器 编编 码码 器器84.14.1无

4、线信道无线信道无线信道利用电磁波在空间中的传播来实无线信道利用电磁波在空间中的传播来实现信号传输。现信号传输。无线信道电磁波的频率无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制受天线尺寸限制根据通信距离、频率和位置的不同，电磁根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波传播分为：波传播分为： 地波传播、天波传播、视线传播地波传播、天波传播、视线传播9对流层：地面上对流层：地面上 0 10 km平流层：约平流层：约10 60 km电离层：约电离层：约60 400 km地地 面面对流层对流层平流层平流层电离层电离层10 km60 km0 km电离层对于传播的影响电离层对于传播的影响 反射反射 散射散射地球大气层的

5、结构地球大气层的结构101 1、地波传播、地波传播传播路径地 面图图4-1 地波传播地波传播l频率频率 2 MHzl有绕射能力有绕射能力l距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米112、天波传播、天波传播地 面信号传播路径图图 4-2 天波传播天波传播l频率：频率：2 30 MHzl特点：被电离层反射特点：被电离层反射l一次反射距离：一次反射距离： 30 MHz，将穿透，将穿透电离层，不能被反射。电离层，不能被反射。l距离距离: 和天线高度有关和天线高度有关50822DrDhm 式中，式中，D 收发天线间距离收发天线间距离(km)，r为地球半径为地球半径 h为收发天线高度为收发天线高度13u无

6、线电中继无线电中继图图4-4 4-4 无线电中继无线电中继 无线电视距中继是指工作频率在超短波和微无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波波 波段时，电磁波基本上是沿视线传播，通波段时，电磁波基本上是沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电电路。相邻信距离依靠中继方式延伸的无线电电路。相邻中继站之间的距离一般在中继站之间的距离一般在4050公里。公里。 增大视线传播距离的途径增大视线传播距离的途径14优点优点：传输容量大，发射功率小，通信稳传输容量大，发射功率小，通信稳定可靠，节省有色金属。定可靠，节省有色金属。缺点：缺点：每隔每隔50km左右设置一个中继站（微左右设置一个中继站（微波为直

7、线传播，而地球为球体）。波为直线传播，而地球为球体）。应用应用：主要用于长途干线、移动通信网及：主要用于长途干线、移动通信网及某些数据收集系统。某些数据收集系统。 15u卫星通信卫星通信卫星中继信道是无线电中继信道的一种卫星中继信道是无线电中继信道的一种特殊形式。它是航天技术与通信技术相结特殊形式。它是航天技术与通信技术相结合的产物。合的产物。 16在离地面在离地面35860km的赤道上空放至的赤道上空放至3颗同步卫星，颗同步卫星，就可实现除南、北极地区之外的全球覆盖（且有部就可实现除南、北极地区之外的全球覆盖（且有部分重叠），从而可实现全球通信。分重叠），从而可实现全球通信。特点特点：传输距

8、离远，覆盖：传输距离远，覆盖地域广，传播稳定可靠，传地域广，传播稳定可靠，传输容量大等。输容量大等。缺点缺点：发射功率大，延迟：发射功率大，延迟大，一次性投入大。大，一次性投入大。应用应用：广泛用于传输多路：广泛用于传输多路电话、电报、数据和电视。电话、电报、数据和电视。 17u平流层通信平流层通信平流层通信是指用位于平流层的高空平平流层通信是指用位于平流层的高空平台代替卫星作为基站的通信，平台高度距台代替卫星作为基站的通信，平台高度距地面地面17km22km，可覆盖半径约，可覆盖半径约500km的通信区。的通信区。184、散射传播、散射传播散射是由于传播煤质的不均匀性使电磁波的散射是由于传播

9、煤质的不均匀性使电磁波的传播产生向许多方向折射的现象。传播产生向许多方向折射的现象。散射传播分为：电离层散射、对流层散射和散射传播分为：电离层散射、对流层散射和流星余迹散射。流星余迹散射。u电离层散射电离层散射机理机理 ： 由电离层不均匀性引起由电离层不均匀性引起频率频率 ： 30 60 MHz距离距离 ： 1000 km以上以上19u对流层散射对流层散射 机理机理 ：由对流层中的大气不均匀性引起。距：由对流层中的大气不均匀性引起。距地面高约地面高约10余千米的大气层称为对流层。余千米的大气层称为对流层。 频率频率 ： 100 4000 MHz 最大距离：最大距离： 600 km图图4-7 对

10、流层散射通信对流层散射通信地球地球有效散射区有效散射区域域20u流星余迹散射流星余迹散射 是由于流星经过大气层时，产生的很强的电离是由于流星经过大气层时，产生的很强的电离余迹使电磁波散射的现象。余迹使电磁波散射的现象。流星余迹高度流星余迹高度为为80 120 km，长度长度：15 40 km； 存留时间存留时间：小于：小于1秒至几分钟秒至几分钟 频率频率：30 100 MHz 传播距离传播距离：1000 km以上以上 特点特点：低速存储、高速突发、断续传输：低速存储、高速突发、断续传输图图4-8 流星余迹散射通信流星余迹散射通信流星余迹流星余迹214.2 4.2 有线信道有线信道一、三种有线电

11、信道一、三种有线电信道 1、明线、明线 平行而相互绝缘的架平行而相互绝缘的架空裸线线路。空裸线线路。 优点优点：传输损耗小传输损耗小（与电缆相比）（与电缆相比） 缺点缺点：易受气候环境易受气候环境影响，易受干扰影响，易受干扰。结论结论：已逐渐淘汰。已逐渐淘汰。222 2、对称电缆、对称电缆 在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质线的传输媒质 ，每对的两根线拧成扭绞状，每对的两根线拧成扭绞状，又称双绞线。又称双绞线。优点优点：与外界相互干扰小，与外界相互干扰小， 传输性能较稳定。传输性能较稳定。 缺点缺点：损耗比明线大。损耗比明线大。主要应用主要应用

12、：用户电话接入线。用户电话接入线。23由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着介质。介质。3、同轴电缆、同轴电缆 实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。电缆抗电磁干扰性能较好。24 为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内，构成多芯同轴电缆，装在一个大的保护套内，构成多芯同轴电缆，另外还可以装入一

13、些二芯绞线对或四芯线组，另外还可以装入一些二芯绞线对或四芯线组，作为传输控制信号用。作为传输控制信号用。25优点优点：与外界相互干扰小，（外导体接地与外界相互干扰小，（外导体接地起屏起屏 蔽作用），带宽大。蔽作用），带宽大。缺点缺点：成本较高（与对称电缆相比）。成本较高（与对称电缆相比）。应用应用：比较广泛。如电视电缆（比较广泛。如电视电缆（75），），实验室仪器用的信号电缆（实验室仪器用的信号电缆（50 ）26 以光导纤维（简称光纤以光导纤维（简称光纤, Optical Fiber ）为）为传输媒质、光波作为载波的光纤信道。传输媒质、光波作为载波的光纤信道。 由于可见光的频率非常高，约为由于

14、可见光的频率非常高，约为108MHz的的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。发展前途的有线传输介质。二、光纤信道二、光纤信道27光纤由芯、封套和外套三部分组成。芯是光纤由芯、封套和外套三部分组成。芯是光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，有封套。由于玻的玻璃或塑料纤维线构成，有封套。由于玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，因此璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。可

15、使光波保持在芯线内。 外 套绝 缘包 层纤 维 芯28根据光纤传输数据模式的不同，它可分为根据光纤传输数据模式的不同，它可分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤和单模光纤两种。多模光纤多模光纤指光在光纤中可能有多条不同角指光在光纤中可能有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播，如图度入射的光线在一条光纤中同时传播，如图 (a)所示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。所示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。吸 收 护 套纤 芯包 层(a) 多 模(b) 单 模29单模光纤单模光纤指光在光纤中的传播没有反射，指光在光纤中的传播没有反射，而沿直线传播而沿直线传播, ,如图如图(b)(b)所示。这种光纤的所示。

16、这种光纤的直径非常细，就像一根波导那样，可使光直径非常细，就像一根波导那样，可使光线一直向前传播。线一直向前传播。吸收护套纤芯包层(a) 多模(b) 单模3031优点优点：损耗低、频带宽、线径细、重量轻、：损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属、不受电磁干扰。属、不受电磁干扰。缺点缺点：作为完整的通信系统，尚有些器件：作为完整的通信系统，尚有些器件的技术问题还未能解决。的技术问题还未能解决。主要应用主要应用： 目前在长距离干线上应用较广。目前在长距离干线上应用较广。估计有可能最终全面取代电缆估计有可能最终全面取代电缆。 324.3

17、4.3信道的数学模型信道的数学模型信道模型的分类：信道模型的分类： 调制信道调制信道和和编码信道编码信道编码器调制器发送转换器媒质接收转换器解调器调码器调制信道编码信道 信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，它对通信系统的分析和设计是十分方便的。它对通信系统的分析和设计是十分方便的。33v 有一对有一对(或多对或多对)输入端和一对输入端和一对(或多对或多对)输出端输出端;v 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；加原理；v 信号通过信道有固定的或时变的延迟时间；信号通过信道有固定的或时变的延迟时间；v

18、信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；v 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。有一定的输出（噪声）。4.3.1 4.3.1 调制信道模型调制信道模型34输出与输入的关系有输出与输入的关系有 是信道内噪声，加性干扰。是信道内噪声，加性干扰。 乘性干扰乘性干扰 (与与 呈现非线性关系呈现非线性关系) 。 如果了解如果了解 与与 的特性，就能知道信道的特性，就能知道信道对信号的具体影响。对信号的具体影响。 )()(0tnteftei)(*)()(tetktefii)(tk)(tk)(tnei(t)eo

19、(t)线性时变网络 )()()()()(0tntetktntefteii)(tn)(tei35通常信道特性通常信道特性 k(t) 是一个复杂的函数，它可能是一个复杂的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、衰落等。包括各种线性失真、非线性失真、衰落等。由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，故变化，故k(t) 往往只能用随机过程来描述。往往只能用随机过程来描述。若若 k(t) 基本不随时间变化，即信道对信号的影基本不随时间变化，即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的，称为恒定参量响是固定的或变化极为缓慢的，称为恒定参量信道，简称恒参信道。信道

20、，简称恒参信道。若若 k(t) 随时间随机快变化，称为随机参量信道，随时间随机快变化，称为随机参量信道，简称随参信道。简称随参信道。364.3.2、编码信道模型、编码信道模型调制信道是通过调制信道是通过k(t)和和n(t)使已调信号发生使已调信号发生模拟性的变化，而编码信道对信号的影响则模拟性的变化，而编码信道对信号的影响则是一种数字序列变换，即把一种数字序列变是一种数字序列变换，即把一种数字序列变换为另一种数字序列。换为另一种数字序列。由于编码信道传输的是编码后的数字信号，由于编码信道传输的是编码后的数字信号，所以我们关心的是数字信号经信道传输后的所以我们关心的是数字信号经信道传输后的差错情

21、况，即误码特性，所以编码信道的模差错情况，即误码特性，所以编码信道的模型用数字转移概率来表示。型用数字转移概率来表示。 371、无记忆信道、无记忆信道: (信道内只存在起伏噪声信道内只存在起伏噪声)特点：任意一个码元的差错与前后码元的差特点：任意一个码元的差错与前后码元的差错不发生任何依赖关系。错不发生任何依赖关系。 二进制编码信道模型二进制编码信道模型 P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01输出的总的错误概率为：输出的总的错误概率为： ) 10() 1 ()01 ()0(pppppe1)01 ()00( pp1) 10() 11 ( pp382 2、有记忆信

22、道、有记忆信道: : ( (信道内除起伏噪声外信道内除起伏噪声外, ,还存在衰落效应等还存在衰落效应等) )特点：信号的传输与前后码元有依赖关系，特点：信号的传输与前后码元有依赖关系，信道中码元发生差错的事件是非独立的，有信道中码元发生差错的事件是非独立的，有记忆信道模型以及转移概率表示式变得很复记忆信道模型以及转移概率表示式变得很复杂。杂。 394.44.4信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响一、恒参信道及传输特性一、恒参信道及传输特性 恒参信道恒参信道：信道特性主要由传输媒质决定，信道特性主要由传输媒质决定，如果传输媒质特性基本不随时间变化，所构成如果传输媒质特性基本不随时间变

23、化，所构成的信道称为恒参信道。的信道称为恒参信道。 40恒参信道对信号传输的影响是确定的或者恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。因此，可以等效为一个非是变化极其缓慢的。因此，可以等效为一个非时变的线性网络。时变的线性网络。理论上说，只要知道这个线性网络的传输理论上说，只要知道这个线性网络的传输特性，就可利用信号通过线性系统的分析方法，特性，就可利用信号通过线性系统的分析方法，求得已调信号通过恒参信道的变化规律。求得已调信号通过恒参信道的变化规律。线性网络的传输特性可以用幅度频率特性线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特性来表征。和相位频率特性来表征。41u幅度频率畸

24、变幅度频率畸变 是由于有线电话信道的幅度频率特性是由于有线电话信道的幅度频率特性的不理想造成的，又称频率失真。的不理想造成的，又称频率失真。理想幅度频率特性是水平的，实际的理想幅度频率特性是水平的，实际的电话幅度频率特性不是水平的。电话幅度频率特性不是水平的。这是由于信道中存在惰这是由于信道中存在惰性元件造成的。性元件造成的。42影响影响：模拟信号失真；模拟信号失真； 数字信号码元展宽，造成码间干扰数字信号码元展宽，造成码间干扰克服克服：自身改善精心设计：自身改善精心设计 补偿均衡技术补偿均衡技术43 指相位频率特性偏离线性关系所引起的畸指相位频率特性偏离线性关系所引起的畸变。变。1、理想相频

25、特性是一直线、理想相频特性是一直线 群延迟频率特性群延迟频率特性dd)()(OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)u相位频率畸变相位频率畸变44一种典型的音频电话信道的群延迟特性。一种典型的音频电话信道的群延迟特性。 ()O理想特性(b)()O理想特性(a)当非单一频率的信号通过该当非单一频率的信号通过该信道时，信号中不同的频率信道时，信号中不同的频率分量将有不同的群延迟，从分量将有不同的群延迟，从而引起信号畸变。而引起信号畸变。成因成因：同幅频特性：同幅频特性影响影响：模拟信号失真：模拟信号失真(人耳对相位失真不敏感人耳对相位失真不敏感) 数字信号引起严重的码间干扰数字信号引起严

26、重的码间干扰克服克服：同幅频特性：同幅频特性2、实际电话信道的群延迟特性、实际电话信道的群延迟特性45 随参信道随参信道是信道传输特性随时间随机快是信道传输特性随时间随机快速变化的信道。速变化的信道。 随参信道的特点：随参信道的特点： l对信号的衰耗随时间随机变化；对信号的衰耗随时间随机变化；l信号传输的时延随时间随机变化；信号传输的时延随时间随机变化；l多径传播多径传播二、随参信道及其传输特性二、随参信道及其传输特性46多径传播是指信号经过几条路径到达接收多径传播是指信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播

27、现象。随时间而变，即存在多径传播现象。何谓多径传播？何谓多径传播？多径传播有以下几种形式多径传播有以下几种形式: (1) 电波从电离层的一次反射和多次反射；电波从电离层的一次反射和多次反射； (2) 电离层反射区高度所形成的细多径；电离层反射区高度所形成的细多径； (3) 地球磁场引起的寻常波和非寻常波；地球磁场引起的寻常波和非寻常波； (4) 电离层不均匀性引起的散射现象。电离层不均匀性引起的散射现象。47ABAB(a)(b)ABAB(c)(d )(a)一次反射和两次反射；一次反射和两次反射； (b) 反射区高度不同；反射区高度不同； (c) 寻常波与非寻常波；寻常波与非寻常波； (d) 漫

28、射现象漫射现象481.多径效应对信号传输的影响多径效应对信号传输的影响 假设发送信号为单一频率正弦波，假设发送信号为单一频率正弦波，即即 从各条路径到达接收端的信号相互独立，从各条路径到达接收端的信号相互独立，则接收端接收到的合成波为则接收端接收到的合成波为 tAtR0cos)(niiiniiitttttttR1010)(cos)()(cos)()(49经大量观察表明，经大量观察表明， 和和 随时间的变化与发随时间的变化与发射载频的周期相比，通常要缓慢的多，即射载频的周期相比，通常要缓慢的多，即 和和 可以认为是缓慢变化的随机过程。因此可以认为是缓慢变化的随机过程。因此上式可改写成上式可改写成

29、: )(ti)(ti)(ti)(tiniiiniiitttttttR1010sin)(sin)(cos)(cos)()()(cos)(sin)(cos)(000tttVttXttXsc)()(arctan)()()()(22tXtXttXtXtVcssc其中：其中：niiiniiitttttttR1010)(cos)()(cos)()(50 由于由于 及及 是缓慢变化的，因而，是缓慢变化的，因而， 、 及包络及包络 、相位、相位 也是缓慢变也是缓慢变化的。于是，化的。于是， 可视为一个窄带过程。可视为一个窄带过程。)(ti)(ti)(tXc)(tXs)(tV)(t)(tR)(cos)(sin)

30、(cos)()(000tttVttXttXtRsc51结论结论：(1) 从波形上看，多径传播的结果使确从波形上看，多径传播的结果使确定的载波信号变成了包络和相位受到调制的定的载波信号变成了包络和相位受到调制的窄窄带信号带信号，这样的信号，通常称之为衰落信号；，这样的信号，通常称之为衰落信号；（2）从频谱上看，多径传播引起了）从频谱上看，多径传播引起了频率弥散频率弥散，即由单个频率变成了一个窄带频谱。即由单个频率变成了一个窄带频谱。52* *多径传播的接收信号的包络和相位的统计特性多径传播的接收信号的包络和相位的统计特性 )()(arctan)()()()(22tXtXttXtXtVcssc 在

31、任意时刻在任意时刻t1上上Xc(t1) 和和 Xs(t1) 是是n个随机变个随机变量之和。当量之和。当 n充分大时，在充分大时，在“和和”中的每一个中的每一个随机变量可以认为是独立的出现的且具有均匀随机变量可以认为是独立的出现的且具有均匀的特性。因此，根据概率论中的中心极限定理，的特性。因此，根据概率论中的中心极限定理，我们可以确认我们可以确认Xc(t1) 、Xs(t1) 是高斯随机变量。是高斯随机变量。因为因为t1是任取的是任取的,所以有所以有Xc(t) 及及Xs(t) 是是平稳的高平稳的高斯过程斯过程。 53 这样，可知这样，可知 是一个窄带高斯过程，而是一个窄带高斯过程，而 的一维分布服

32、从瑞利分布，而的一维分布服从瑞利分布，而 的一的一维分布服从均匀分布。实践也表明，把衰落维分布服从均匀分布。实践也表明，把衰落信号看成窄带高斯过程是足够准确的。信号看成窄带高斯过程是足够准确的。 信号的包络服从瑞利分布律的衰落，通常称信号的包络服从瑞利分布律的衰落，通常称之为瑞利型衰落。则瑞利型衰落信号的包络值之为瑞利型衰落。则瑞利型衰落信号的包络值记为记为V，则随机变量的一维概率密度函，则随机变量的一维概率密度函f(V)数表数表示成：示成：)(tR)(tV)(t)2exp()(222VVVf)0, 0(V542、频率选择性衰落与相关带宽、频率选择性衰落与相关带宽延迟t0延迟t0+V0V0f(t)V0f(t-t0-)V0V0f(t)V0f(t-t0)V0f(t-t0)+V0f(t-t0-)f(t)()(Ftf0)()(000tjeFVttfV)(0000)()(tjeFVttfV55模型的传输特性模型的传输特性H()为：为： )1 ()()1 ()()()()()(000000)(00jtjjtjtjtjeeVFeeFVFeFVeFVH其中：其中