第4章 信道 通信原理 河北工业考研

1、1第4章 信 道4.1 引言 4.4 随参信道4.2 信道数学模型 4.5 信道容量4.3 恒参信道24.1 引言n信道是信号的传输媒质 有线信道：明线，对称电缆，同轴电缆，光缆。 无线信道：地波传播，短波电离层反射，超短波或微波视距中继，人造卫星中继，各种散射信道。n包括有关的变换装置的信道为广义信道3调 制 器发 转 换 器 媒 质收 转 换 器解 调 器调制信道编码信道狭义广义44.2 信道数学模型1.调制信道模型1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端2）线性（满足叠加原理）3）有迟延，有（固定的或时变的）损耗4）即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定功率输出 时变线性网络e

2、i（t）eo（t）5eo(t)=fei(t)+n()n假定 fei(t)()()eo(t)=()ei(t)+n()（），加性噪声，独立于（）（），乘性干扰，依赖于网络的特性（）基本不随时间变化恒参信道（）随机变化随参信道6.编码信道模型n编码信道对信号的影响是一种数字序列的变换n编码信道模型可以用数字的转移概率来描述 p(0/0),p(1/0),p(0/1),p(1/1)信道转移概率，由编码信道的特性所决定 P(0/0)=1-P(1/0) P(1/1)=1-P(0/1) P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)二进制编码信道模型74.3 恒参信道n架空明线 平行而相互绝缘的架空裸线，损

3、耗低，易受天气影响。n电缆 对称电缆 损耗大，传输特性比较稳定。 同轴电缆 比双绞线屏蔽性更好，高带 宽，极好的噪声抑制特性n中长波地波传播n超短波及微波视距传播n人造卫星中继n光导纤维 8有线信道媒质的频率传输范围 9中长波地波传播n地球表面是有电阻的导体，当电磁波在它上面行进时，有一部分电磁能量被消耗，频率越高，地面波损耗越大。地面波传播适用于长波。地面地面波地面空间波直射波反射波发收地波10天波电离层50Km 电离层11超短波及微波视距传播n地面波衰减极大，天波又会穿透电离层，只能采用空间波方式终端终端中继中继12人造卫星中继n轨道在赤道平面，赤道上方36000Km，绕地球一周24小时，

4、同步通信卫星。13光导纤维n当光通过一种介质转入另一种介质时，光线发生折射，如果入射角大于一个临界值，光线将完全反射。光源完全内部反射14恒参信道对信号传输的影响n幅度频率畸变 使传输信号的幅度随频率发生畸变，引起信号波形失真，对数字信号引起码间串扰。n改善 加线性补偿网络，“均衡”衰耗300 1100 Hz典型音频电话信道的相对衰耗15相位频率畸变n相频畸变对模拟话音通信影响不显著，但对高速数字信号引起码间串扰。n相频特性还经常采用群迟延频率特性来衡量n理想的群迟延频率特性，对不同的频率成分有相同的群迟延，不会使信号发生畸变dd)()(16理想的相频及群迟延频率特性n )(k)(k174.4

5、 随参信道n短波电离层反射信道 电离层对电磁波的吸收损耗与层中电子密度成比例，电离层的电子密度随昼夜、季节剧烈变化。n对流层散射信道 由于大气湍流运动等原因产生了不均匀性，引起电波的散射。18对流层微波散射信道 19无线信道的频率范围与应用 20随参信道传输媒质特点n对信号的衰耗随时间而变化n传输的时延随时间而变化n多径传播 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信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成21设发射波为 n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

6、接收信号振幅)(ti第i条路径的传输时延)()(0ttii22n设 niiittttR10cos)(cos)()(niiittt10sin)(sin)(niiictttX1)(cos)()(niiistttX1)(sin)()(ttXttXtRsc00sin)(cos)()()(cos)(0tttV由于 ， 缓慢变化，故 及 也缓慢变化，所以，R（t）可视为一个窄带高斯过程。)(ti)(ti)(tXc)(tXs)(tV)(t高斯随机变量23多径传播使确定的载波信号变为包络和相多径传播使确定的载波信号变为包络和相位受到调制的窄带信号，称为衰落信号。位受到调制的窄带信号，称为衰落信号。多径传播引起

7、了频率弥散。多径传播引起了频率弥散。24多径传播还可能发生频率选择性衰落n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。n令发射信号为f（t），到达接收点的两条路径信号分别为n 固定时延， 两条路径信号的相对时延差)(00ttfV)(00ttfV0t)()(Ftf0)()(000tjeFVttfV)(0000)()(tjeFVttfV25接收信号n两径传播的传输特性 为0)()()(00000tjeFVttfVttfV)1 (je)(H)()1()()(00FeeFVHjtj)1(00jtjeeVsincos11jej2cos22cos2sin22cos22j26

8、频率的选择性衰落27 传播极点 传播零点n当一个传输波形的频谱宽于1/(t)，传输波形的频谱将受到畸变。n多径传播，最大多径时延差 为相邻传输零点的频率间隔 多径传播媒质的相关带宽 为了不引起明显的选择性衰落，传播信号的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽n2)12(nmmf128随参信道特性的改善分集接收n快衰落信道中接收的信号时到达接收机的各径分量的合成，如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的影响。n空间分集，频率分集，角度分集，极化分集等。294.5 信道容量n离散信道的信道容量离散信道的信道容量 在有噪声的信道中，发送符号xi，收

9、到yi所获得的信息量= -2p(xi)-(-2p(xi/yi) 对各xi，yi取统计平均 平均信息量/符号= H（x）发送每个符号的平均信息量 H（x/y）发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量。mjjniiiypxpxp112)()(log)()/(log)/(12jniijiyxpyxp)/()(yxHxH30信息传输速率，信道在单位时间传输的平均信息量：R=Ht（x）-Ht（x/y）n设单位时间传送的符号数为r，则Ht（x）=rH（x） Ht（x/y）=rH（x/y）R=rH（x）-H（x/y）对于一切可能的信息源概率分布来说，信道传输信息的速率R的最大值称为信道容量，记为C)/(

10、)(maxmax)()(yxHxHRCttxPxP31例：等概、对称二元信道，信道带宽为F，求信道容量。n等概 P（0）=P（1） n对称 P（1/0）=P（0/1）=Pe 0 0 1 11-PePePe1-Pe32 12log212log2122)(xH)/(yxH)/(log)/()(121jniijimjjyxpyxpyp) 0/0 (1log) 0/0 () 0/ 1 (1log) 0/ 1 ()0 (22ppppp) 1 / 1 (1log) 1 / 1 () 1 /0(1log) 1 /0()1 (22pppppeeeepppp11log)1 (1log22)11log)1 (1log1 (222eeeeppppFC33连续信道的信道容量连续信道的信道容量 加性高斯白噪声功率N(W),信道带宽B(Hz)信号功率S(W)信道容量信道容量：信道可能传输的最大信息速率。 sbitNSBC/)1 (log2香农公式香农公式34信道带宽为