通信原理(樊昌信)第4章信道

1、 信 道信道分类信道模型恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声信道容量 本章内容: l信道的定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。信道的定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。l信道的分类：狭义信道：仅是指信号的传输媒质；信道的分类：狭义信道：仅是指信号的传输媒质； 广义信道：不仅是指传输媒质，而且包括通广义信道：不仅是指传输媒质，而且包括通 信系统中的一些转换装置。信系统中的一些转换装置。 l信道的功能：将信号从发送端传送到接收端。信道的功能：将信号从发送端传送到接收端。 概 述信道的定义与分类 传输媒质l有线信道明线、电缆、光纤明线、电缆、光纤l无线信道自由空间或大气层自由空间或

2、大气层n狭义信道狭义信道：n广义信道广义信道： l调制信道研究研究调制调制/ /解调解调问题问题l编码信道研究研究编码编码/ /译码译码问题问题无线信道4.1 对流层平流层电离层10 km60 km0 kml 对流层：约 0 10 kml 平流层：约 1060 kml 电离层：约 60400 kmn地球大气层的结构：r地波地波 ground- wave频率频率： 2 MHz特性：有绕射能力特性：有绕射能力距离：数百或数千米距离：数百或数千米用于：用于：AMAM广播广播传播路径 地波传播方式地波传播方式传播路径天波传播方式天波传播方式无线信道n电磁波的传播方式：r天波天波 sky- wave频率

3、：频率：230 MHz特性：被电离层反射特性：被电离层反射距离：距离： 30 MHz 特性：直线传播、穿透电离层特性：直线传播、穿透电离层 用途：卫星和外太空通信用途：卫星和外太空通信 超短波及微波通信超短波及微波通信 距离：与天线高度有关距离：与天线高度有关 r 视线传播视线传播 line-of-sight无线信道D 为收发天线间距离为收发天线间距离(km) 设收发天线的架设设收发天线的架设高度均为高度均为40 m，则最，则最远通信距离为：远通信距离为： D = 44.7 km)(50822mDrDh例如u 微波中继（微波接力）微波中继（微波接力）u 卫星中继（静止卫星、移动卫星）卫星中继（

4、静止卫星、移动卫星）u 平流层通信平流层通信无线信道u 微波中继微波中继 无线信道u 卫星中继卫星中继 地面站地面站地球l卫星中继信道是以通信卫星转发器作为中继站与接收、发送地球站之间构成。l若卫星运行轨道在赤道平面作圆周运动，离地面高度为35786km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时，与地球自转同步，这种卫星称为静止卫星(同步卫星)。l若以静止卫星作为中继站，采用三个相差120的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外)，如下图所示。l卫星中继信道具有传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大等突出的优点。目前广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。地球AB卫星中继信

5、道示意图 对流层散射通信对流层散射通信地球有效散射区域有效散射区域无线信道r 散射通信散射通信 流星余迹流星余迹无线信道r 流星余迹散射流星余迹散射特性: 高度80 120 km，长度15 40 km 存留时间：小于1秒至几分钟频率: 30 100 MHz距离: 1000 km以上用途: 低速存储、高速突发、断续传输有线信道4.2 明线 对称电缆 同轴电缆 光纤1880年纽约街貌年纽约街貌n明线明线屏蔽双绞线(STP) （可减少噪声干扰）非屏蔽双绞线(UTP)（便宜、易弯曲、易安装）由 多 对双绞线组成有线信道n对称电缆对称电缆l双绞线的传输距离 传输模拟信号：56km需放大； 传输数字信号：

6、23km需转发； 远程中速时，最大距离15km； 用于局域网时，最大距离100m。有线信道n同轴电缆同轴电缆 宽带宽带（射频）同轴电缆：同轴电缆：l75，用于传输模拟信号l多用于有线电视（CATV）系统l传输距离可达几十千米 基带基带同轴电缆同轴电缆：l50，多用于数字基带传输l速率可达10Mb/sl传输距离几千米有线信道单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤 光纤结构示意图结构结构：l纤芯纤芯l包层包层按折射率分类按折射率分类：l阶跃型阶跃型l梯度型梯度型按模式分类按模式分类：l多模光纤多模光纤l单模光纤单模光纤有线信道n光纤光纤缺点缺点应用应用优点优点有线信道 光纤信道是远距离传送光波的一种

7、手段，其长度常达光纤信道是远距离传送光波的一种手段，其长度常达几十公里，甚至几百或几千公里。在这样长的距离上传送几十公里，甚至几百或几千公里。在这样长的距离上传送光信号，对光纤提出了较高的要求。这些要求中最主要的光信号，对光纤提出了较高的要求。这些要求中最主要的是低损耗和低色散。是低损耗和低色散。 低损耗是光纤能实现远距离传输的前提。不同波长的低损耗是光纤能实现远距离传输的前提。不同波长的光在光纤中传输的损耗是不同，在波长等于光在光纤中传输的损耗是不同，在波长等于1.31m与与1.55m时出现两个损耗最小点，其损耗一般可低至时出现两个损耗最小点，其损耗一般可低至0.2dB/km以下，所以称这两

8、波长为光纤的两个窗口。以下，所以称这两波长为光纤的两个窗口。 线路种类线路种类构造构造特征特征主要用途主要用途双绞线双绞线 便宜、构造简单，便宜、构造简单，传输频带宽，有漏传输频带宽，有漏话现象，容易混入话现象，容易混入杂音杂音电话用户线电话用户线低速低速LAN同轴电缆同轴电缆 价格稍高，传输价格稍高，传输频带宽，漏话感应频带宽，漏话感应少，分支、接头容少，分支、接头容易易CATV分配电缆分配电缆高速高速LAN光纤光纤 低损耗，频带宽，低损耗，频带宽，重量轻，直径小，重量轻，直径小，无感应，无漏话无感应，无漏话国际间主干线国际间主干线国内城市间主国内城市间主干线高速干线高速LAN表表 有线信道

9、的线路种类、构造、特征和主要用途有线信道的线路种类、构造、特征和主要用途 信道数学模型4.3 n信道模型的分类：信道模型的分类：u调制信道调制信道u编码信道编码信道编码信道调制信道l有一对（或多对）输入端和输出端有一对（或多对）输入端和输出端l大多数信道都满足线性叠加原理大多数信道都满足线性叠加原理l对信号有固定或时变的延迟和损耗对信号有固定或时变的延迟和损耗l无信号输入时，仍可能有输出（无信号输入时，仍可能有输出（噪声噪声 n(t)n(t) ）叠加有叠加有噪声噪声的的线性时变线性时变/ /时不变时不变网络：网络：4.3.1 调制信道模型模型：模型：共性：共性：31调制信道数学模型调制信道数学

10、模型式中式中 信道输入端信号电压；信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压；信道输出端的信号电压； 噪声电压。噪声电压。通常假设：通常假设：这时上式变为：这时上式变为：f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图4-15 调制信道数学模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio32因因k(t)k(t)随随t t变，故信道称为时变信道。变，故信道称为时变信道。n(t)n(t)是信道加性噪声，其独立于信号且始终存在。是信道加性噪声，其独立于信号且始终存在。因因k(t)k(t)与与e ei i(t)(t)相乘，故称

11、其为相乘，故称其为乘性干扰乘性干扰。若若k(t)k(t)随时间作随机快变化，故又称信道为随时间作随机快变化，故又称信道为随参信道随参信道。若若k(t)k(t)随时间变化很慢或很小，则称信道为随时间变化很慢或很小，则称信道为恒参信道恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，就没有乘性干扰。乘性干扰特点：当没有信号时，就没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio结论：结论：（1 1）调制信道对信号的影响程度取决于乘性干调制信道对信号的影响程度取决于乘性干扰扰 k(t)k(t)和加性干扰和加性干扰 n(t) n(t) ，使信号的波形发生失真，使信号的波形发生失真。（2 2）分析乘性干扰的影响时，

12、可把调制信道分为两大分析乘性干扰的影响时，可把调制信道分为两大类：一类是恒参信道，即类：一类是恒参信道，即 k(t)k(t)随时间缓变或不变；另随时间缓变或不变；另一类是随参信道，即随时间随机快变化。一类是随参信道，即随时间随机快变化。3334恒参信道举例：恒参信道举例：明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等各种有线明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等各种有线信道；中长波地波传播、卫星中继、光波视距传播等部分无线信道；中长波地波传播、卫星中继、光波视距传播等部分无线信道。信道。随参信道举例：随参信道举例：短波电离层反射信道、各种散射信道（如超短短波电离层反射信道、各种散射信道（如超短波流星余迹散射、超短

13、波及微波对流层散射、超短波电离层散波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射）超短波超视距绕射等。射）超短波超视距绕射等。+ = 1二进制二进制无记忆无记忆编码信道编码信道模型模型可用 转移概率来描述。+ = 1 P(0/0) P(1/1) 正确 P(1/0) P(0/1) 错误e(0) (1/0)(1) (0/1)PPPPPn 模型模型：4.3.2 编码信道模型01233210接收端发送端四进制四进制无记忆无记忆编码信道编码信道恒参/随参信道特性对信号传输的影响4.4 l特点：传输特性随时间缓变或不变。l举例：各种有线信道、卫星信道 )()()( jeHH )(H )( 1.

14、传输特性传输特性幅频特性相频特性线性时不变系统n 恒参信道 特性及其对信号传输的影响 2. 无失真传输无失真传输()dj tHeK( )HKdt)(u恒参信道恒参信道 非时变线性网络非时变线性网络 信号通过线性系统信号通过线性系统的分析方法。线性系统中无失真条件：的分析方法。线性系统中无失真条件：p振幅频率特性：为水平直线时无失真，即要求振幅频率特性：为水平直线时无失真，即要求振幅特性与频率无关。振幅特性与频率无关。p相位频率特性：要求其为通过原点的直线，即相位频率特性：要求其为通过原点的直线，即群时延为常数时无失真。群时延为常数时无失真。恒参信道( )HKdt)(dtdd)()(群迟延特性幅

15、频特性相频特性含义：信号的不同频率含义：信号的不同频率成分经过信道传输后具成分经过信道传输后具有相同的衰减。有相同的衰减。含义：信号的不同频率成含义：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相分经过信道传输后具有相同的时延。同的时延。 若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:o( )()ds tK s tt( )dj tHeK恒参信道( )()dh tKtt固定的迟延固定的衰减 这种情况称为无失真传输理想恒参信道的冲激响应：理想恒参信道的冲激响应： dt dt )( 3. 失真失真 影响影响 措施措施恒参信道群迟延失真:( )HKu ： u ： 相频特性典型音频电话信道: 幅度衰减特性群迟延频

16、率特性恒参信道(a) 插入损耗频率特性频率(kHz)（ms）群延迟(b) 群延迟频率特性0相位频率特性(用插入损耗便于测量用插入损耗便于测量) 指传输特性随时间随机快变的信道。n 随参信道 特性及其对信号传输的影响l短波电离层反射信道随参信道l 衰减随时间变化衰减随时间变化l 时延随时间变化时延随时间变化l 多径传播多径传播多径传播多径传播 示意图：示意图：( )cosctAs t112211( )( )cos( )( )cos( ) ( )( )( )( )( )cos( ) coscosccncnncinciiiiir ta tttatttattttta tta tt 3. 多径效应多径效

17、应第i条路径接收信号振幅经过n n条路径条路径传播（各路径有时变时变的衰落衰落和时延）时延） 多经传播的影响传输时延则接收信号接收信号为 设发送发送信号为幅度恒定频率单一根据概率论中心极限定理：当根据概率论中心极限定理：当 n 足够大时，足够大时，x(t)和和y(t) 趋于趋于正态正态分布。分布。 niiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()(同相 正交形式包络 相位形式瑞利瑞利分布分布均匀均匀分布分布cos( )( )cV ttt11( )( )coscos( )sinsin ( )cos( )sinnniiciiciiccr ta tta ttX ttY tt多径效应包络

18、相位随机缓变 的窄带信号波形发送信号接收信号频谱( )co(s( )cr tV ttt( )cosctAs t结论结论我们更关心的问题：多径效应多径效应 传输衰减均为 K 传输时延分别为 1和 2发射信号接收信号设两条路径的信道为f (t)fo(t) = K f(t - 1) + K f(t - 2 ) 信道传输函数fo(t) = 2 - 1相对时延差1o( )( )(1)( )jjFHKeeF则接收信号为11()o( )=( )+( )jjFKFeKFe 常数衰减因子1(1)jjeeK确定的传输时延因子 与信号频率 有关的复因子( )12 cos2jHeu 信道对信号不同的信道对信号不同的频

19、率频率成分，将有不同的衰减。成分，将有不同的衰减。 频率选择性衰落频率选择性衰落如何减小如何减小？信道幅频特性信道幅频特性曲线的最大和最小曲线的最大和最小位置决定于两条路位置决定于两条路径的相对时延差径的相对时延差 u 多径信道的相关带宽：多径信道的相关带宽：定义为定义为相邻传输零点的频率间隔相邻传输零点的频率间隔 ，工程经验公式：，工程经验公式： 4. 减小频率选择性衰落的措施f f 1/ u 应使信号带宽应使信号带宽 Bs (1/3 1/5)fu 数字信号的码元宽度数字信号的码元宽度: :Ts (3 5) RBmmBs f归纳n 随参信道特性n 多径效应n 减小衰落的措施信道噪声4.5 1

20、. 何谓何谓噪声噪声n 按噪声 2. 噪声类型噪声类型人为噪声自然噪声 内部噪声 （如热噪声）脉冲噪声 窄带/单频噪声 起伏噪声 （热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）起伏噪声n 按噪声热噪声： 式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波兹曼常数 T 热力学温度（K） R 阻值（） B 带宽（Hz）热噪声电压有效值：)V(4kTRBV 归纳l代表：起伏噪声（热噪声等） l性质：高斯白噪声l n(t) BPF 窄带高斯噪声0( )(W/Hz)2nnPf)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvfdffPNn)(l 平均功率：l 噪声等效带宽：l 功率谱：噪声等效带宽 Pn(f)接收滤波器特性

21、 通过通过宽度为宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率的矩形滤波器的噪声功率 = 通过实际接收滤波器的噪声功率。通过实际接收滤波器的噪声功率。000( )( )2()()nnnnnPf dfPffPfBdPf 物理 意义Pn (f0)信道容量4.6 指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率式中，P(xi) 发送符号xi的概率（i=1,2,3, ,n）（1）信源发送的平均信息量（熵）niiixPxPxH12)(log)()(（2）因信道噪声而损失的平均信息量mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(式中，P(yj) 收到yj的概率（j=1,2,3, ,m）； P(xi/yj) 收到yj后判断发送的是xi的转移概率4.6.1 离散信道容量（3）信息传输速率 R 信道每秒传输的平均信息量H(x) H(x/y) 是接收端得到的平