第2章信道与噪声

1、第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 第一章第一章 小小 结结1 1、通信系统的模型、分类与通信方式通信系统的模型、分类与通信方式2 2、信息与事件发生概率的关系、信息与事件发生概率的关系3 3、信息量与平均信息量的计算信息量与平均信息量的计算4 4、通信系统的两个性能指标（模拟、通信系统的两个性能指标（模拟、数字通信系统数字通信系统）第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 第第2 2章信道与噪声章信道与噪声 一一 信道的定义、分类与模型信道的定义、分类与模型 二二 恒参信道及其对传输信号的影响恒参信道及其对传输信号的影响 三三 随参信道及其对传输信号的影响随参信道及其对传输信号的影响 四四 信道容

2、量信道容量 第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 为什么要研究信道？为什么要研究信道？ 信道特性的优劣直接影响到整个通信系统的质量。信道特性的优劣直接影响到整个通信系统的质量。研究信道的研究信道的目的目的：弄清对信号传输的影响，寻求提高通：弄清对信号传输的影响，寻求提高通信有效性和可靠性的方法。信有效性和可靠性的方法。通信系统的一般模型通信系统的一般模型第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.1.1 2.1.1 信道的定义信道的定义 任何一个通信系统均由发送端、信道和接收端三任何一个通信系统均由发送端、信道和接收端三大部分组成。因此，大部分组成。因此，信道是通信系统不可缺少的重要信道是通信系统不

3、可缺少的重要组成部分组成部分。 信道是信道是信号传输的媒质信号传输的媒质。通俗地说通俗地说，信道是以传，信道是以传输媒质为基础的信号通道；输媒质为基础的信号通道；具体地说具体地说，信道是指由有，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路；线或无线电线路提供的信号通路；抽象地说抽象地说，信道是，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。制和损害。2.1 信道的定义、分类信道的定义、分类第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.1.2 2.1.2 信道的分类信道的分类(j)()(j) ()H 幅频特性恒参信道 其参数恒定不变相频特性调制

4、信道多径效应变参信道 其参数随时间而变衰落现象:()()有线信道无线信道狭义信道物理信道调制信道 模拟信道 连续信道）广义信道编码信道 数字信道（离散信道）信道分类 有记忆信道编码信道无记忆信道P17 第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 调制信道与编码信道调制信道与编码信道编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编 码 信 道调 制 信 道第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 练习练习 P36 2-1答：所谓调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的答：所谓调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器部分。从调制和解调的角度来看，调制器

5、输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调制信号进行某种变换。不过是对已调制信号进行某种变换。 所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。从编译码的角度看来，编码器的输出是某一数字序列，而从编译码的角度看来，编码器的输出是某一数字序列，而译码器的输入同样也是某一数字序列，它们可能是不同的译码器的输入同样也是某一数字序列，它们可能是不同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端，可以数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端，可以用一个对数字序列进行

6、变换的方框来概括。用一个对数字序列进行变换的方框来概括。 根据调制信道和编码信道的定义可知，编码信道包含调根据调制信道和编码信道的定义可知，编码信道包含调制信道，因而编码信道的特性也依赖调制信道的特性。制信道，因而编码信道的特性也依赖调制信道的特性。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.2 2.2 信道的模型信道的模型 为了建立信道模型，首先必须了解信道的主要特征，其为了建立信道模型，首先必须了解信道的主要特征，其主要特征表现在以下几个方面：主要特征表现在以下几个方面：(1) (1) 通信的通信的目的目的是在接收端恢复出原信号，是在接收端恢复出原信号，因此，信道应等效为因此，信道应等效为线性

7、系统线性系统。(2) (2) 信号在信道中传输会引起信号在信道中传输会引起衰落和时延衰落和时延。衰落使信号幅度发生变化，传播时延使得输出总衰落使信号幅度发生变化，传播时延使得输出总是滞后于输入是滞后于输入。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 (3) (3) 信道中存在着信道中存在着干扰或噪声干扰或噪声。噪声和干扰既。噪声和干扰既有内部的也有外部的，它们的存在对通信会带来有内部的也有外部的，它们的存在对通信会带来不利影响。不利影响。(4) (4) 信号在实际信道中传输时会信号在实际信道中传输时会产生失真产生失真，包，包括线性失真和非线性失真。括线性失真和非线性失真。信道模型分为调制信道模型和编码

8、信道模型。信道模型分为调制信道模型和编码信道模型。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 调制信道传输的是调制信道传输的是已调信号已调信号，它具有的特性：，它具有的特性：1 1、有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出、有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出 端。端。2 2、信道是线性的，满足叠加原理。、信道是线性的，满足叠加原理。3 3、信道有一定的迟延时间，有损耗。、信道有一定的迟延时间，有损耗。4 4、即使没有信号输入，输出端仍有一定的功率输出、即使没有信号输入，输出端仍有一定的功率输出（噪声）。（噪声）。1 1调制信道模型调制信道模型第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 调制信道模型调

9、制信道模型第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 二对端的信号模型，输入与输出的关系：二对端的信号模型，输入与输出的关系： eo(t)=fei(t)+n(t) 若若f fe ei i( (t t) )满足满足 fei(t)=k(t) ei(t) 则称则称k k( (t t) )为为乘性干扰乘性干扰，输出信号可表示为，输出信号可表示为eo(t)=k(t) ei(t)+n(t) 式中式中，n n( (t t) )为为加性干扰加性干扰。k(t)的性质决定是恒参信道还是随参信道的性质决定是恒参信道还是随参信道。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2 2编码信道模型编码信道模型 对于对于理想编码信道理想编码

10、信道，其前向概率，其前向概率P P( (b bj j/ /a ai i) )满足：满足：0) 1/0(, 0)0/1 (1) 1/1 (, 1)0/0(PPPP 对于对于实际编码信道实际编码信道，在一般情况下，其前向概，在一般情况下，其前向概率率P P( (b bj j/ /a ai i) )为：为：0) 1/0(, 0)0/1 (1) 1/1 (, 1)0/0(PPPP二进制编码信道模型二进制编码信道模型第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 并且满足并且满足1) 1/1 () 1/0(1)0/1 ()0/0(PPPP 对于多进制的情况，其编码信道的模型与二对于多进制的情况，其编码信道的模型与二

11、进制编码信道模型类似。进制编码信道模型类似。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 四进制编码信道模型四进制编码信道模型 第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.3 2.3 典型的恒参信道典型的恒参信道 恒参信道恒参信道是由架空明线、电缆、中长波地波传是由架空明线、电缆、中长波地波传播，超短波及微波视距传播，光导纤维以及光波播，超短波及微波视距传播，光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的信道。视距传播等传输媒质构成的信道。一、有线信道一、有线信道 通常指双绞线、同轴电缆、明线和光纤等通常指双绞线、同轴电缆、明线和光纤等。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 明线（明线（open wire)open

12、 wire)：平行而相互绝缘的架空裸线线路：平行而相互绝缘的架空裸线线路 优点：传输损耗低；优点：传输损耗低； 缺点：易受气候和天气的影响，对外界干扰敏感。缺点：易受气候和天气的影响，对外界干扰敏感。双绞线双绞线(twist wire(twist wire）或或对称电缆对称电缆：由两对相互绝缘的双导线相互绞接而构：由两对相互绝缘的双导线相互绞接而构成的传输媒质成的传输媒质 优点：传输可靠性高、成本低、敷设方便；优点：传输可靠性高、成本低、敷设方便； 缺点：频率范围窄，传输距离短，易受电磁干扰缺点：频率范围窄，传输距离短，易受电磁干扰(EMI)(EMI)和无线电信号和无线电信号干扰干扰(RFI)

13、(RFI)的影响，传输损耗大。的影响，传输损耗大。同轴电缆：同轴电缆：由同轴的两个导体构成的传输媒质，外导体是一个圆柱形的空由同轴的两个导体构成的传输媒质，外导体是一个圆柱形的空管管( (或金属屏蔽网或金属屏蔽网) )，内导体是金属芯线，内导体和外导体间填充着绝缘，内导体是金属芯线，内导体和外导体间填充着绝缘介质。介质。 优点：传输性能稳定、频率范围宽、容量大；优点：传输性能稳定、频率范围宽、容量大； 缺点：不便于安装、敷设。缺点：不便于安装、敷设。光纤光纤：以光导纤维：以光导纤维( (光纤光纤) )为传输媒质、光波为载波的光纤信道。为传输媒质、光波为载波的光纤信道。 优点：损耗低、频带宽、重

14、量轻、不怕腐蚀，不受电磁干扰优点：损耗低、频带宽、重量轻、不怕腐蚀，不受电磁干扰 缺点：光纤不便于连接。缺点：光纤不便于连接。一、有线信道一、有线信道第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 双绞线双绞线：又称为双扭线，它是由若干对且每对有两：又称为双扭线，它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 同轴电缆结构示意图同轴电缆结构示意图同轴电缆同轴电缆：由内导线铜质芯线：由内导线铜质芯线( (单股实心线或多股绞单股实心线或多股绞合线合线) )、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以

15、及保、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。护塑料外层所组成。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 光光 纤纤(Optical Fiber) 光导纤维光导纤维( (简称光纤简称光纤) )是光纤通信系统的传输是光纤通信系统的传输介质。由于可见光的频率非常高，约为介质。由于可见光的频率非常高，约为108MHz108MHz的的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远量级，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，是目前最有发展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。前途的有线传输介质。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 第第2 2章章信道与

16、噪声信道与噪声 外 套绝 缘包 层纤 维 芯光纤结构示意图光纤结构示意图光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成。光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 吸 收 护 套纤 芯包 层(a) 多 模(b) 单 模两种光纤传输示意图两种光纤传输示意图多模光纤多模光纤：指光在光纤：指光在光纤中可能有多条不同角中可能有多条不同角度入射的光线在一条度入射的光线在一条光纤中同时传播光纤中同时传播单模光纤单模光纤：指光在光：指光在光纤中的传播没有反纤中的传播没有反射，而沿直线传播射，而沿直线传播光纤传播速度光纤传播速度10THz bps第第2 2章章信道与噪声信道与噪声

17、思考：思考：如何进一步提高光通信的信息传输速率和频带如何进一步提高光通信的信息传输速率和频带利用率？能否利用利用率？能否利用光子的轨道角度量光子的轨道角度量？第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 无线视距中继信道的构成无线视距中继信道的构成二、无线视距中继二、无线视距中继 指工作频率在超短波和微波波段时指工作频率在超短波和微波波段时电磁波电磁波基本基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。相邻中继站间距离无线电线路。相邻中继站间距离：4050Km第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 视距传播视距传播 频率频率

18、高于高于30MHz30MHz的电磁波将穿透电离层，不能被反射，的电磁波将穿透电离层，不能被反射，且沿地表绕射能力也很小。且沿地表绕射能力也很小。 应用：卫星通信，微波中继应用：卫星通信，微波中继接收天线接收天线r r地面地面d dr rh hD D发射天线发射天线 mrDhrhdDrhrhhdhrrd882222222222第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 三、卫星中继信道三、卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.4.1 2.4.1 恒参信道的数学模型恒参信道的数学模型恒参信道是指信道恒参信

19、道是指信道传递函数传递函数h h(t)(t)不随时间不随时间t t变化的信道，变化的信道，也就是说，信道参数是稳定的，也就是说，信道参数是稳定的，不随时间变化不随时间变化的的。其输出与输入之间的关系为：其输出与输入之间的关系为：时域：时域：y(t)=x(t)*h(t) 频域频域： Y(j)=H(j)X(j) 恒参信道的模型恒参信道的模型2.4 恒参信道及其对传输信号的影响恒参信道及其对传输信号的影响h(t)x(t)y(t)卷积：是一种积分运算，它可以用来描述线性移不变系统的输卷积：是一种积分运算，它可以用来描述线性移不变系统的输入和输出的关系，即输出可以通过输入和一个表征系统特性的入和输出的关

20、系，即输出可以通过输入和一个表征系统特性的函数（函数（冲击响应函数冲击响应函数）进行卷积运算得到。）进行卷积运算得到。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 H H(j(j) )为信道的传递函数，为信道的传递函数，H H(j(j) )可进一步表示为可进一步表示为H(j)=|H(j)|ej() 式中，式中，| |H H(j(j)|)|为为幅频幅频特性，特性，( () )为为相频相频特性。特性。(j )(j )dHKt 对于非理想信道对于非理想信道(j )(j )dHKt 对于理想信道（对于理想信道（线性系统不失真的条件线性系统不失真的条件）：）：（K、td 为常数）第第2 2章章信道与噪声信道与噪声

21、 OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)理想信道理想信道的幅频特性、的幅频特性、 相频特性和相频特性和群迟延群迟延- -频率特性频率特性 dtdd群迟延频率特性群迟延频率特性:第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 （2 2）对信号在）对信号在时间时间上产生固定的延迟。上产生固定的延迟。（1 1）对信号在）对信号在幅度幅度上产生固定的衰减上产生固定的衰减；理想信道对信号传输的影响：理想信道对信号传输的影响：第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.4.2 2.4.2 实际恒参信道的两类失真实际恒参信道的两类失真 (1) (1) 幅频幅频失真：失真：| |H H(j(j)|)|常数，而是频

22、率常数，而是频率的函数。的函数。 (2) (2) 相频相频失真：失真：(j(j)线性函数，而是频率线性函数，而是频率的非线的非线 性函数。性函数。 对于语音信号来说，相频失真不会对语音的听觉产生对于语音信号来说，相频失真不会对语音的听觉产生较大的影响，对较大的影响，对听觉产生较大影响的是幅频失真听觉产生较大影响的是幅频失真。 而对于彩色图像信号来说，则刚好相反，因为彩色图而对于彩色图像信号来说，则刚好相反，因为彩色图像信号中的红、绿、蓝像信号中的红、绿、蓝3 3基色信号是用相位来表示的，因此，基色信号是用相位来表示的，因此，相位失真会对彩色图像信号产生较大的影响，即相频失真相位失真会对彩色图像

23、信号产生较大的影响，即相频失真对对视频视频的影响较大。的影响较大。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 幅度幅度- -频率失真频率失真：信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰落信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰落例如：确知信号通过恒参信道例如：确知信号通过恒参信道-3 -2-1123 2Retcttei恒参信道恒参信道021 elsewherettth, 020,11e0(t)ei(t)h(t)第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 若在存在有幅度若在存在有幅度-频率失真的信道中传输数字信号，会引起接受数字信号频率失真的信道中传输数字信号，会引起接受数字信

24、号波形畸变，而且相邻信号之间在时间上的相互重叠，造成波形畸变，而且相邻信号之间在时间上的相互重叠，造成符号间干扰。符号间干扰。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 (a) (a) 相频特性；相频特性； (b) (b) 群迟延频率特性群迟延频率特性 ()O理想特性(b)()O理想特性(a)相位相位-频率失真频率失真第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 不管是幅频失真还是相频失真，最终都反映不管是幅频失真还是相频失真，最终都反映到时间波形的变化上。对于到时间波形的变化上。对于模拟信号模拟信号，将造成，将造成信号失真，输入输出信噪比下降；对于信号失真，输入输出信噪比下降；对于数字信数字信号号，则会引起判

25、决错误，误码率增高，同样导，则会引起判决错误，误码率增高，同样导致通信质量的下降。致通信质量的下降。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 【例例2-4-12-4-1】设某恒参信道可用下图所示的线性网络来等效。设某恒参信道可用下图所示的线性网络来等效。试求它的幅频特性与群时延特性，并说明信号通过时是否试求它的幅频特性与群时延特性，并说明信号通过时是否存在幅频失真及相频失真？存在幅频失真及相频失真？RC输入输出恒参信道等效电路模型恒参信道等效电路模型(j )(j )dHKt P36 2-5?第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 其输出与输入之间的关系为：其输出与输入之间的关系为：时域：时域：so(t)

26、=s(t)*h(t) 频域频域： Y(j)=H(j)X(j) 恒参信道的模型恒参信道的模型h(t)s(t)so(t)P36 习题习题 2-3第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 例例2-4-2 2-4-2 设某恒参信道的传输特性为设某恒参信道的传输特性为 ，其中，其中，t td d为常数。试确定信号为常数。试确定信号s s( (t t) )通过该信道后输出信号通过该信道后输出信号s so o(t)(t)的表达式，并讨论是否存在幅频失真和相频失真。的表达式，并讨论是否存在幅频失真和相频失真。00000()()( )1 cos1()21122ddddddj tj tj Tj Tj tj tjtTjt

27、THT eeeeeeee)(21)(21)()()()(00TttsTttsttsthtstsdddodtjeTHcos1 )(0解：解：输出信号为：输出信号为：由信道的幅频特性和相频特性知信道只有幅频失真没有相频失真。由信道的幅频特性和相频特性知信道只有幅频失真没有相频失真。0011( )()()()22dddh tttttTttT冲激响应为：冲激响应为：练习：练习：P36 2-4第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 练习练习 P P3636 2-2 2-2答：信道参数随时间缓慢变化或不变化的信道答：信道参数随时间缓慢变化或不变化的信道叫恒参信道。通常将架空明线、电缆、光纤、叫恒参信道。通常将

28、架空明线、电缆、光纤、超短波及微波视距传输、卫星中继等视为恒参超短波及微波视距传输、卫星中继等视为恒参信道。信道。作业作业：学习傅立叶变换、傅立叶逆变换、傅立学习傅立叶变换、傅立叶逆变换、傅立叶变换性质（叶变换性质（时移时移、频移频移）、卷积、卷积性质）、卷积、卷积性质等概念。等概念。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.5 2.5 随参信道及其对传输信号的影响随参信道及其对传输信号的影响2.5.1 2.5.1 随参信道的特点随参信道的特点随参信道的参数随参信道的参数随时间随机变化随时间随机变化。典型的一种随参信道是典型的一种随参信道是短波电离层反射信道短波电离层反射信道。 电离层电离层距地

29、面高度在距地面高度在6060600 km600 km，它是由带电粒子组，它是由带电粒子组成的大气层。成的大气层。 利用地面发射的无线电波在利用地面发射的无线电波在电离层与地面之间的一次电离层与地面之间的一次反射或多次反射反射或多次反射形成的信道。形成的信道。 由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离层反射信道属于随参信道。随机变化，因此短波电离层反射信道属于随参信道。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 短波电离层反射信道最主要的特征是短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播多径传播，其几种，其几种形式：形式：(1) (1

30、) 电离层反射区高度不同；电离层反射区高度不同；(2) (2) 电波从电离层的一次和多次反射；电波从电离层的一次和多次反射；(3) (3) 地球磁场引起电磁波束分裂成寻常波与非寻常地球磁场引起电磁波束分裂成寻常波与非寻常波；波；(4) (4) 电离层不均匀引起的漫射现象。电离层不均匀引起的漫射现象。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 (a) (a) 一次反射和两次反射；一次反射和两次反射；(b) (b) 反射区高度不同；反射区高度不同；(c) (c) 寻常波与非寻常波；寻常波与非寻常波； (d) (d) 漫射现象漫射现象ABAB(a)(b)ABAB(c)(d )第第2 2章章信道与噪声信道与噪

31、声 对流层散射信道对流层散射信道（随参信道）（随参信道）（P P2626图）图） （1 1）对流层离地面）对流层离地面101012km12km的大气层；的大气层； （2 2）漫反射：对流层中由于大气湍流运动引起大）漫反射：对流层中由于大气湍流运动引起大气层的不均匀，引起电磁波的散射。气层的不均匀，引起电磁波的散射。 （3 3）电波信号经过对流层散射也会产生）电波信号经过对流层散射也会产生多径传播多径传播。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 随参信道的三个方面特点：随参信道的三个方面特点： (1) (1) 对信号的衰耗随时间变化而变化；对信号的衰耗随时间变化而变化； (2) (2) 传输的延时随

32、时间随机变化；传输的延时随时间随机变化； (3) (3) 产生产生多径效应多径效应( (多径传播多径传播) )。恒参信道中理想信道对信号传输的影响：恒参信道中理想信道对信号传输的影响： （1 1）对信号在）对信号在幅度幅度上产生固定的衰减上产生固定的衰减； （2 2）对信号在）对信号在时间时间上产生固定的延迟。上产生固定的延迟。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 练习练习 P P3636 2-2 2-2答：信道参数随时间缓慢变化或不变化的信道答：信道参数随时间缓慢变化或不变化的信道叫恒参信道。通常将架空明线、电缆、光纤、叫恒参信道。通常将架空明线、电缆、光纤、超短波及微波视距传输、卫星中继等视

33、为恒参超短波及微波视距传输、卫星中继等视为恒参信道。信道。 信道参数随时间随机变化的信道叫随参信道。信道参数随时间随机变化的信道叫随参信道。短波电离层反射信道、对流层散射信道、超短短波电离层反射信道、对流层散射信道、超短波移动通信信道等为随参信道。波移动通信信道等为随参信道。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 1 1多径信道的数学模型多径信道的数学模型 当发送端发送一个脉冲信号时，则接收端接收到的是当发送端发送一个脉冲信号时，则接收端接收到的是各各条路径条路径传来的信号的合成。传来的信号的合成。ai(i=1，2，n)为各条路径的传输系数为各条路径的传输系数， i(i=1，2，n)为各条路径的传

34、输延时为各条路径的传输延时。2.5.2 2.5.2 多径效应分析多径效应分析第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2 2数学分析结果数学分析结果设发送信号为设发送信号为s s( (t t)=cos)=cosc ct t，则接收信号可表示为，则接收信号可表示为1c12c2cc11( )( )cos()( )cos().( )cos()( )cos( )nniiiiiir ta tta tta tta ttt式中，式中，a ai i( (t t) )为第为第i i条路径到达接收端的信号幅度；条路径到达接收端的信号幅度；i i( (t t) )为第为第i i条路径的延时时间；条路径的延时时间；i i(

35、 (t t)=)=c ci i( (t t) )为随机相位。为随机相位。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 s s( (t t) )与与r r( (t t) )的时域波形的时域波形第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 接收信号接收信号r r( (t t) )的频谱被展宽的频谱被展宽第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 分析结果如下：分析结果如下：(1) (1) 从波形上看，多径传播的结果是使单一频率从波形上看，多径传播的结果是使单一频率信号信号s s( (t t)=cos)=cosc ct t变成了包络变成了包络a a( (t t) )和相位都随时间变化和相位都随时间变化的随机窄带信号的随机窄带信

36、号r r( (t t)=)=a a( (t t) cos) cosc ct t+ +( (t t) )，这种，这种窄带信号称为窄带信号称为衰落信号（瑞利型衰落）衰落信号（瑞利型衰落）。(2) (2) 从频谱上看，多径传播使信号的从频谱上看，多径传播使信号的频谱被展宽频谱被展宽。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.5.3 2.5.3 多径效应的频率选择性衰落多径效应的频率选择性衰落多径效应的另一个影响是使信号引起频率选择性衰落多径效应的另一个影响是使信号引起频率选择性衰落。频率选择性衰落是信号频谱中某些分量的一种衰落现象。频率选择性衰落是信号频谱中某些分量的一种衰落现象。假设路径只要两条：假

37、设路径只要两条：频率选择性衰落的两条路径频率选择性衰落的两条路径kk延迟(t)si(t)so(t)第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 输出信号为输出信号为：0( )( )( )iis tks tks tt 频域表示为频域表示为：( )( )0( )( )( )( )1jtjtiiiSkSkSekSe 信道传输函数信道传输函数：( )0( )( )1( )jtiSHkeS kk延迟(t)si(t)so(t)第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 对不同的频率，两径传播的结果有不同的衰落：对不同的频率，两径传播的结果有不同的衰落：( )( )( )( )222( )1jtjtjtjtHkekeee (

38、 )2( )2cos2( )2 cos2jttk etk 当当 出现出现传播极点传播极点22nn 当当 出现出现传播零点传播零点(21)22nn 跟频率有关的函数跟频率有关的函数第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 例例2-5-1、某随参信道的两径时延差某随参信道的两径时延差 为为1ms，试求试求该信道在哪些频率上传输衰耗最大？选用哪些频率该信道在哪些频率上传输衰耗最大？选用哪些频率传输信号最有利传输信号最有利？(P29)当当 出现出现传播极点传播极点22nn 当当 出现出现传播零点传播零点(21)22nn 练习练习 P P3737 2-9 2-9 第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.6 2

39、.6 分集接收技术分集接收技术 利用分集接收技术可改善随参信道的特性。利用分集接收技术可改善随参信道的特性。 基本原理基本原理：多径效应主要指接收的信号是到达接收机：多径效应主要指接收的信号是到达接收机的各路信号的合成。的各路信号的合成。 “分集接收分集接收”包含两重含义：包含两重含义：一是分散接收，一是分散接收，使接收端得到多个独立的衰落信号；使接收端得到多个独立的衰落信号；二是合并处理，二是合并处理，即将接收的衰落信号进行适当的合并，即将接收的衰落信号进行适当的合并， 从而降低衰落的影响，改善系统性能。从而降低衰落的影响，改善系统性能。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 (1) (1) 空

40、间分集技术空间分集技术: : 在不同位置上接收同一信号。在不同位置上接收同一信号。在接收端架设几副天线在接收端架设几副天线, , 其相对位置其相对位置d d 有足够的距离有足够的距离, , 使各天线获取的信号彼此独立；使各天线获取的信号彼此独立； (2) (2) 频率分集技术频率分集技术：用多个不同的载频传送同一：用多个不同的载频传送同一信息，若各载频的频差较大，则天线获取的信号彼此信息，若各载频的频差较大，则天线获取的信号彼此独立；独立；(3) (3) 角度分集技术角度分集技术：从不同方向上接收到的信号彼：从不同方向上接收到的信号彼此统计独立。此统计独立。分集技术主要有以下几种方式：分集技术

41、主要有以下几种方式：(4)(4) 极化分集极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波。：分别接收水平极化和垂直极化波。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 对利用分集技术接收到的多个信号进行合成，合对利用分集技术接收到的多个信号进行合成，合成的方法主要有：成的方法主要有：(1) (1) 最佳选择式最佳选择式： 从几个分散信号中选择信噪从几个分散信号中选择信噪比最好的一个作为接收信号。比最好的一个作为接收信号。(2) (2) 等增益相加式等增益相加式： 将几个分散信号以相同的将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加后作为接收信号。支路增益进行直接相加后作为接收信号。(3) (3) 最大比值相加式最大

42、比值相加式： 控制各支路增益，使它们控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，再相加后作为接收信号。分别与本支路的信噪比成正比，再相加后作为接收信号。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.7 2.7 信道的加性噪声信道的加性噪声 概括地讲，概括地讲，不携带有用信息的信号就是噪声不携带有用信息的信号就是噪声。显然，噪声是相对于有用信号而言的，一种信号显然，噪声是相对于有用信号而言的，一种信号在某种场合是有用信号，而在另一种场合就有可在某种场合是有用信号，而在另一种场合就有可能是噪声。能是噪声。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 根据来源的不同：根据来源的不同： 自然噪声自然噪声：存在于

43、自然界的各种电磁波，如闪电、雷暴及：存在于自然界的各种电磁波，如闪电、雷暴及其它宇宙噪声。其它宇宙噪声。 人为噪声人为噪声：来源于人类的各种活动，如电焊产生的电：来源于人类的各种活动，如电焊产生的电火花、车辆或各种机械设备运行时产生的电磁波和电火花、车辆或各种机械设备运行时产生的电磁波和电源的波动。源的波动。内部噪声内部噪声：指通信系统设备内部由元器件本身产生的各：指通信系统设备内部由元器件本身产生的各 种噪声。种噪声。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 根据噪声的表现形式可分为：根据噪声的表现形式可分为： (1)(1)单频噪声单频噪声：是一种以某一固定频率出现的连续波：是一种以某一固定频率出

44、现的连续波 噪声，如噪声，如50Hz50Hz的交流电噪声。的交流电噪声。 (2) (2)脉冲噪声脉冲噪声：是一种随机出现的无规律噪声，如闪：是一种随机出现的无规律噪声，如闪 电、车辆通过时产生的噪声。电、车辆通过时产生的噪声。 特点：突发性，持续时间短。特点：突发性，持续时间短。(3)(3)起伏噪声起伏噪声：主要是内部噪声，而且是一种随机噪声。元：主要是内部噪声，而且是一种随机噪声。元器件本身产生的热噪声、散弹噪声都可看成是无数独立的器件本身产生的热噪声、散弹噪声都可看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加，它们是服从微小电流脉冲的叠加，它们是服从高斯分布高斯分布的。的。第第2 2章章信道与噪声信道

45、与噪声 单频噪声单频噪声脉冲噪声脉冲噪声起伏噪声起伏噪声第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 以上三种噪声中，单频噪声不是所有的信道中以上三种噪声中，单频噪声不是所有的信道中都有的，且较易防止；脉冲噪声虽然对模拟通信的都有的，且较易防止；脉冲噪声虽然对模拟通信的影响不大，但在数字通信中，一旦突发噪声脉冲，影响不大，但在数字通信中，一旦突发噪声脉冲，由于它的幅度大，会导致一连串误码，造成严重的由于它的幅度大，会导致一连串误码，造成严重的危害，通常采用危害，通常采用纠错编码技术纠错编码技术来减轻这一危害；起来减轻这一危害；起伏噪声是信道所固有的一种连续噪声，既不能避免，伏噪声是信道所固有的一种连续噪

46、声，既不能避免，又始终起作用，因此必须加以重视。又始终起作用，因此必须加以重视。第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2.8 2.8 信信 道道 容容 量量信道容量是指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。信道容量是指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。220log (1)log 1)(b/s)(SSCBBNn BB为信道的带宽，为信道的带宽，S S为信号功率，为信号功率，N N= =n n0 0B B为噪声功率为噪声功率，S/N为信噪比为信噪比，n0为噪声功率谱密度为噪声功率谱密度。2.8.1 连续信道的信道容量连续信道的信道容量对对于于连续信道连续信道, , 根据根据香农信息论香农信息论, , 可得信道容量的公式为可得信道容量的公式为第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 (1) (1) 任何一个连续信道都有一个信道容量任何一个连续信道都有一个信道容量C C，即，即信道的极限传输能力为信道的极限传输能力为C C，要实现任意小的差错概率，要实现任意小的差错概率传输，信号的信息传输速率传输，信号的信息传输速率R Rb b必须小于必须小于C C。 若若R Rb b C C，则不可能实现无差错概率传输。，则不可能实现无差错概率传输。有关信道容量的几个重要结论如下有关信道容量的几个重要结论如下：第第2 2章章信道与噪声信道与噪声 2200limlimlog (