第四章信道(2)

1、邯郸学院邯郸学院第四章第四章 信道信道邯郸学院邯郸学院回顾回顾1、信道的定义、信道的定义信道是信号的传输媒质信道是信号的传输媒质信道分类信道分类：按信道的组成划分，可分为：按信道的组成划分，可分为广义信道广义信道和和狭义信道狭义信道。按传输介质划分，可分为按传输介质划分，可分为有线信道有线信道和和无线信道无线信道。按传输信号的特征，可分为模拟信道和数字信道。按传输信号的特征，可分为模拟信道和数字信道。邯郸学院邯郸学院回顾回顾2、无线信道的传输方式：、无线信道的传输方式：天波（天波（sky wave）地波（地波（ground wave）视线（视线（line of sight）传播）传播（2MHz

2、以下）以下）2MHz30MHz（高于（高于30MHz）最简单的办法就是提升天线的高度最简单的办法就是提升天线的高度22( )850DDhmr邯郸学院邯郸学院回顾回顾卫星通信卫星通信平流层通信平流层通信视线（视线（line of sight）传播）传播22( )850DDhmr散射传播（前向传播）散射传播（前向传播）30MHz-60MHz电离层不均匀通信频率范围：100MHz-4000MHz有效传播距离：600km30MHz-100MHz传播距离：1000km以上电离层散射电离层散射流星余迹散射流星余迹散射对流层散射对流层散射适用于低速存储、高速转发的方式进行数据传输。邯郸学院邯郸学院回顾回顾外

3、部保护层外导体绝缘层内导体3、有线信道的传输方式：、有线信道的传输方式：常用有线传输介质：明线、双绞线、同轴电缆、光纤等。常用有线传输介质：明线、双绞线、同轴电缆、光纤等。光纤芯包层外部保护层(a) 单根光纤结构(b) 光缆结构外壳外套芯封套邯郸学院邯郸学院Contents4.1 无线信道无线信道4.3 信道的数学模型信道的数学模型4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响4.2 有线信道有线信道4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.6 信道容量信道容量邯郸学院邯郸学院4.3 信道的数学模型信道的数学模型调制信道：调制信道：为了研究调制和解调特性，把发送端调制器输出端至接收端解调为

4、了研究调制和解调特性，把发送端调制器输出端至接收端解调器输入端之间的部分称为信道。器输入端之间的部分称为信道。 编码信道：编码信道：为了研究数字通信系统中的信道编码和解码时，把编码器输出端至解为了研究数字通信系统中的信道编码和解码时，把编码器输出端至解码器输入端之间的部分称为信道。码器输入端之间的部分称为信道。 邯郸学院邯郸学院4.3.1 调制信道模型调制信道模型输出量表示为：输出量表示为：0( )( ) ( )( )ie tk t e tn t二端口网络二端口网络k(t)乘性干扰乘性干扰n(t)加性干扰加性干扰e0(t)输出端电压输出端电压ei(t)输入信号电压输入信号电压n(t)加性干扰加

5、性干扰当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰k(t)乘性干扰乘性干扰当没有信号输入时，信道输出端没有乘性干扰当没有信号输入时，信道输出端没有乘性干扰邯郸学院邯郸学院4.3.1 调制信道模型调制信道模型0( )( ) ( )( )ie tk t e tn tk(t)乘性干扰乘性干扰它是时间它是时间t的函数，表示信道的特性是随时间变化的。的函数，表示信道的特性是随时间变化的。随时间变化的信道成为随时间变化的信道成为时变信道时变信道k(t)乘性干扰乘性干扰引起的失真随时间做随机变化引起的失真随时间做随机变化特性随机变化的信道称为特性随机变化的信道称为随参信道

6、随参信道特性不随时间变化或者变化很小的信道称为特性不随时间变化或者变化很小的信道称为恒参信道恒参信道邯郸学院邯郸学院4.3.2编码信道模型编码信道模型调制信道调制信道编码信道编码信道信道信道失真失真乘性干扰k(t)和加性干扰n(t)使信号的波形发生失真。序列中的数字发生错误错误概率模型用转移概率（transfer probability）来描述邯郸学院邯郸学院4.3.2编码信道模型编码信道模型(0/0)1(1/0)PP 转移概率（转移概率（transfer probability）(1/1)1(0/1)PP 无记忆（无记忆（memoryless）信道）信道 前后码元发生的错误是相互独立的。前后

7、码元发生的错误是相互独立的。p(0/0),p(1/0),p(0/1),p(1/1) 信道转换概率，由编码信道的特性所决定信道转换概率，由编码信道的特性所决定邯郸学院邯郸学院4.3.2编码信道模型编码信道模型无记忆二、四进制编码信道模型无记忆二、四进制编码信道模型R邯郸学院邯郸学院4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响随参信道随参信道调制信道模型调制信道模型举例：天波传输举例：天波传输 地波传输地波传输 视距传输信道视距传输信道 各种散射信道各种散射信道恒参信道恒参信道举例：三种有线电信道举例：三种有线电信道 无线电视距中继通信无线电视距中继通信 卫星中继通信卫星中继通信邯郸学

8、院邯郸学院（1 1）幅频特性为一条水平直线，即）幅频特性为一条水平直线，即恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响( )dwwt( )()H wK常数( )H w幅频特性幅频特性相频特性相频特性恒参信道的传输特性恒参信道的传输特性H(w)H(w)可用幅频可用幅频特性和相频特性共同描述特性和相频特性共同描述无失真传输（理想恒参信道）条件：无失真传输（理想恒参信道）条件：( )w含义：信号的不同频率成分经过信道后具有相同的迟延。含义：信号的不同频率成分经过信道后具有相同的迟延。含义：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的衰减含义：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的衰减（2 2）

9、相频特性是一条通过原点的直线，即）相频特性是一条通过原点的直线，即()( )( )jwH wH w e邯郸学院邯郸学院恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响或者将相频特性等效地要求其群时延群时延特性 等于常数（水平直线），即：( )w( )( )()ddwwtdw常数)(k)(k理想的相频及群迟延频率特性曲线：邯郸学院邯郸学院（2 2）相频失真）相频失真 （相位失真）：（相位失真）：( )dwt表示信号中不同频率的分量分表示信号中不同频率的分量分别受到信道不同的时延。别受到信道不同的时延。恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响实际信道对信号产生的两种失真：实际信道对信号产生

10、的两种失真：（1 1）幅频失真）幅频失真 （频率失真）：（频率失真）：( )H wK表示信号中不同频率的分量分表示信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰减。别受到信道不同的衰减。模拟信号：波形失真模拟信号：波形失真信噪比下降信噪比下降数字信号：码间串扰数字信号：码间串扰造成误码造成误码模拟信号：对语音信号影响不大，对视频信号影响大模拟信号：对语音信号影响不大，对视频信号影响大数字信号：码间串扰数字信号：码间串扰误码率增大误码率增大邯郸学院邯郸学院恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响频率失真、相位失真均属于线性失真，通常可用线性网络补偿，频率失真、相位失真均属于线性失真，通常可用线

11、性网络补偿，这种补偿网络通常称为幅度和相位均衡器。这种补偿网络通常称为幅度和相位均衡器。除以上两种线性失真外，还存在除以上两种线性失真外，还存在其他失真：其他失真：非线性失真、频率偏移（非线性失真、频率偏移（deviatideviationon）和相位抖动）和相位抖动(phase jitter)(phase jitter)上述因素产生的信号失真不易去除。上述因素产生的信号失真不易去除。R邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响传输特性：传输特性：（1）对信号的衰耗随时间而变化（2）传输的时延随时间而变化（3）多径传播对信号产生的影响称为多径效应( , )( , )( ,

12、 )jw tH w tH w t e由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点。发收电离层多径传播后的接收多径传播后的接收信号将是衰减和时信号将是衰减和时延随时间变化的各延随时间变化的各路径信号的合成路径信号的合成邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响设发射波为设发射波为 n条路径传播后的接收信号为条路径传播后的接收信号为R（t）tA0cosniiittttR10)(cos)()()(cos)(01tttinii)(ti 第i条路径的接收信号振幅)(ti第i条路径的传输时延)()(0ttii邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响niiittt

13、tR10cos)(cos)()(niiittt10sin)(sin)(niiictttX1)(cos)()(niiistttX1)(sin)()(ttXttXtRsc00sin)(cos)()()(cos)(0tttV设：邯郸学院邯郸学院回顾窄带随机过程回顾窄带随机过程( )( )( )( )a ttttcs、或者、的特性确定可见，随机过程的统计特性可由反之也成立)(cos)()(tttatctttttcsccsin)(cos)()(重要结论之二：重要结论之二：一个均值为零，方差为一个均值为零，方差为2的窄带高斯过程的窄带高斯过程(t)(t)，其包络其包络a (t)的一维分布是的一维分布是瑞利

14、分布瑞利分布；其相位其相位 (t)的一维分布是的一维分布是均匀分布均匀分布；邯郸学院邯郸学院ttXttXtRsc00sin)(cos)()()(cos)(0tttV其包络其包络V(t)的一维分布是的一维分布是瑞利分布瑞利分布；其相位其相位(t)的一维分布是的一维分布是均匀分布均匀分布；随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响由于 ， 缓慢变化，故 及 也缓慢变化，所以，R（t）可视为一个平稳(均值为常数、自相关函数只与时间间隔有关)高斯窄带过程。)(ti)(ti)(tXc)(tXs)(tV)(t邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响多径传播使确定的载波信号变为

15、包络和相位受到调制的窄带信号，称为衰落信号衰落信号。多径效应引起的衰落快衰落快衰落（衰落周期常能和数字信号 的一个码元周期相比较）由于季节、日夜、天气等变化引起的衰落慢衰落慢衰落（衰落 周期以若干天或若干小时计）下面我们重点分析多径效应引起的快衰落对信号传输的影响：邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响从波形上，确知等幅波变成了包络缓慢起伏的随机调幅波瑞利型衰落频率弥散频率选择性衰落从频谱上看，单根线谱变成了窄带频谱衰落与频率有关多径效应C频率选择性衰落是多径效应中最严重的一种。邯郸学院邯郸学院从波形上，确知等幅波变成了包络缓慢起伏的随机调幅波瑞利型衰落频率弥散从频谱

16、上看，单根线谱变成了窄带频谱随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响0频率选择性衰落衰落与频率有关设多径传播的路径有两条，到达接收点的两路信号具有相同的强度和一个相对时延差。令发射信号为f（t），到达接收点的两条路径信号分别为：)(0tAf)(0tAf为固定时延， 为两条路径信号的相对时延差)()(Ftf0)()(0jeAFtAf)(00)()(jeAFtAf邯郸学院邯郸学院两径传播的传输特性 为：随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响)(H接收到的信号可表示为：接收到的信号可表示为：0)()()(00jeAFt

17、AftAf)1 (je)()1()()(0FeeAFHjj)1(0jjeAe表示一确定的传输时延0jeA为一常数衰减因子，邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响sincos11jej2cos22sin2cos2cos2)2sin2(cos2cos22cos2sin22cos2222jj表示此多径信道的传输衰减和信号频率及时延差有关邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响传播极点n2传播零点)12(n由于这种衰落与频率有关，故称其为频率选择性衰落。经过分析，多径信道的衰减和信号频率及时延差有关，因而导致信号中的某些频率成分或其倍频波随机性严重衰落

18、衰落现象。R邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响(1/ )Hz相关带宽减小频率选择性衰落的措施：对于只有两条路径传播的信道，若一宽带信号的带宽大于那么信号频谱中的不同频率成分的幅度之间必然出现强烈的差异。对于实际的多径信道，不只有两条路径，设m为最大多径时延差m/1为此信道的相关带宽邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响11()1/35smB减小频率选择性衰落的措施：当信号的带宽 时，将产生严重的频率选择性衰落。为了避免，应使1/smB工程上，1/smB对于数字信号，带宽取决于码元的速率RB，而RB等于码元宽度Ts的倒数，因此(3 5)sm

19、T邯郸学院邯郸学院随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响时延差是随机变化的，导致多径传输特性特性的零极点也是随机变化的，所以必须采用其他有效的抗快衰落的措施：分集接收技术（分散接收，集中处理）、扩频技术、11()1/35smB(3 5)smT确知信号确知信号随相信号随相信号起伏信号起伏信号邯郸学院邯郸学院例题例题1：( )( )dH wKwwt 设一恒参信道的幅频特性和相频特性分别为：其中K和td都是常数，试确定信号s(t)通过该信道后的输出信号的时域表示式，并讨论之。解：该信道的传输函数为：()( )( )djwtjwH wH w eKe冲激响应为：( )()dh tKtt输出信号

20、为：( )( )* ( )()dy ts th tKs tt讨论：该恒参信道满足无失真条件，故信号在传输过程中无失真。邯郸学院邯郸学院例题例题2：设某随参信道的最大多径时延差等于3ms，为了避免发生选择性衰落，试估算该信道的相关带宽和在该信道上传输的数字信号码元的脉冲宽度。根据工程经验，信号带宽为：11()3mfkHz 解：该信道的相关带宽：11()35sBf故码元宽度为：(3 5)(9 15)smTmsR邯郸学院邯郸学院4.5 信道中的噪声信道中的噪声n(t)加性干扰加性干扰人为噪声人为噪声发射机信号、开关接触、发射机信号、开关接触、 工业点火辐射、荧光灯干扰工业点火辐射、荧光灯干扰自然噪声

21、自然噪声闪电、天体辐射、热噪声闪电、天体辐射、热噪声 内部噪声内部噪声有源器件中的电子或有源器件中的电子或 载流子的起伏变化等载流子的起伏变化等注：加性噪声有一部分是可以设法消除的，例如人为噪声中的开关接注：加性噪声有一部分是可以设法消除的，例如人为噪声中的开关接 触，还有一部分是很难消除的触，还有一部分是很难消除的随机噪声随机噪声0( )( ) ( )( )ie tk t e tn t邯郸学院邯郸学院4.5 信道中的噪声信道中的噪声随机噪声随机噪声单频噪声单频噪声（窄带噪（窄带噪声）声）频带极窄，并不能对所有系统都有影响脉冲噪声脉冲噪声例如：闪电。脉冲幅度大、频谱宽，但是发生持续时间短，不能

22、始终影响通信系统起伏噪声起伏噪声例如：例如：热噪声、散弹噪声、宇宙噪声，它总是存在，不可避免（主要考虑热热噪声噪声 热力学热力学0K0K不存在不存在）邯郸学院邯郸学院4.5 信道中的噪声信道中的噪声运动中的自由电子与其他粒子碰撞而随机地以折线路径运动，即布朗运动（Brownian motion）。运动的结果为电流平均均值为零，但会产生一个交流电流分量，这个分量称为热噪声。热噪声。热噪声产生的原因：热噪声产生的原因：为了研究噪声背景下通信系统的性能，必须了解噪声的统计特性：分析表明起伏噪声（热噪声、散弹噪声、宇宙噪声）均为高斯噪声，且频谱在很宽的频率范围内均匀分布，故一律把起伏噪声或热噪声称为高

23、斯白噪声高斯白噪声。邯郸学院邯郸学院 )(tui 解调器 BPF )(tn )(tui )(tni )(tno )(tmo 已调信号传输过程中叠加的白噪声带通滤波器信道带通噪声4.5 信道中的噪声信道中的噪声在研究调制和解调问题时，信道噪声往往通过一个带通滤波器才能到达解调器输入端，因此噪声将是一个窄带高斯噪声窄带高斯噪声为了描述窄带噪声的带宽，我们需要了解什么是噪声等效带宽：邯郸学院邯郸学院意义：高度为Pn(f0)、宽度为Bn的理想矩形滤波器（虚线）的面积和功率谱密度 曲线下面的面积相等，即功率相等。)(Scfcf4.5 信道中的噪声信道中的噪声设：窄带噪声的双边功率谱密度为 ：000( )

24、( )2()()nnnnnPf dfPf dfBPfPf( )nPf则噪声等效带宽可表示为：( )nPf可认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。邯郸学院邯郸学院小结小结1、信道的数学模型、信道的数学模型（1）调制信道模型）调制信道模型0( )( ) ( )( )ie tk t e tn tn(t)加性干扰加性干扰当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰k(t)乘性干扰乘性干扰当没有信号输入时，信道输出端没有乘性干扰当没有信号输入时，信道输出端没有乘性干扰邯郸学院邯郸学院特性随机变化的信道称为特性随机变化的信道称为随参信道随参信道特性不随时间变化或

25、者变化很小的信道称为特性不随时间变化或者变化很小的信道称为恒参信道恒参信道小结小结（2）编码信道模型）编码信道模型(0/0)1(1/0)PP 转移概率（转移概率（transfer probability）(1/1)1(0/1)PP 邯郸学院邯郸学院无记忆（无记忆（memoryless）信道）信道 前后码元发生的错误是相互独立的。前后码元发生的错误是相互独立的。小结小结2、信道特性对信号传输的影响、信道特性对信号传输的影响a a、幅频特性为一条水平直线，即、幅频特性为一条水平直线，即( )dwwt( )()H wK常数（1 1）恒参信道的传输特性）恒参信道的传输特性H(w)H(w)可可用幅频特性和相频特性共同描述用幅频特性和相频特性共同描述无失真传输（理想恒参信道）条件：无失真传输（理想恒参信道）条件：b b、相频特性是一条通过原点的直线，即、相频特性是一条通过原点的直线，即()( )( )jwH wH w e( )( )()ddwwtdw常数邯郸学院邯郸学院小结小结频率失真、相位失真均属于线性失真，通常可用线性网络补偿，频率失真、相位失真均属于线性失真，通常可用线性网络补偿，这种补偿网络通