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现代通信系统原理2022-5-301复习与小结1. 对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用（ ）和（ ）来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用（ ）和（ ）来衡量。2.平均信息量：3.传码率与传信率的关系：符号bitxPxPxPxPxPxPxPxPIniiinn122222121)(log)()(log)()(log)()(log)(NRRBb2log22222logBBbRRR第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-302 4. 码元速率不变，二进制信息速率与多进制信息速率之间的关系： 系统信息速率不变

2、，多进制码元速率与二进制码元速率之间的关系： 5. 误码率 ： 6.误信率 ：22222bBBNbNRNNRNRRlogloglogBNbNbBRNRRR222logeP系统传输的总码元数接收的错误码元数eP系统传输的总比特数数系统传输中出错的比特ebPebP第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-303第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声 2.1 2.1 信道的基本概念信道的基本概念 2.2 2.2 恒参信道及其对所传信号的影响恒参信道及其对所传信号的影响 2.3 2.3 随参信道及其对所传信号的影响随参信道及其对所传信号的影响 2.4 2.4 信道的加性噪声信道的

3、加性噪声 2.5 2.5 通信中的常见噪声通信中的常见噪声 2.6 2.6 信道容量的概念信道容量的概念 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3042.1 2.1 信道的基本概念信道的基本概念2.1.1 2.1.1 信道的定义信道的定义 信道，通俗地说，是指以传输媒质为信道，通俗地说，是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是的作用是传输信号传输信号，它提供一段频带让信，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以号通过，同时又给信号加以限制

4、和损害限制和损害。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3052.1.2 2.1.2 信道的分类信道的分类 信道可大体分成：信道可大体分成：狭义狭义信道和信道和广义广义信道。信道。 1. 1. 狭义信道狭义信道 狭义信道是指在发端设备和收端设备中间狭义信道是指在发端设备和收端设备中间的传输媒介，它包括的传输媒介，它包括有线信道有线信道和和无线信道无线信道。 2. 2. 广义信道广义信道 广义信道通常也可分成两种，广义信道通常也可分成两种，调制信道调制信道和和编码信道编码信道。 6 o 调制信道与编码信道编码器输出调制器发转换器媒质收转换器解调器解调器输出调制信道编

5、码信道调制器中含发滤波器，解调器中含收滤波器 收、发转换器：放大，频率变换等功能图 调制信道与编码信道第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3072.1.3 2.1.3 信道的数学模型信道的数学模型 1.1.调制信道模型调制信道模型 调制信道的范围是从调制器输出端到解调制信道的范围是从调制器输出端到解调器输入端。通常它具有如下性质：调器输入端。通常它具有如下性质： （1 1）有一对）有一对( (或多对或多对) )输入端和一对输入端和一对( (或多或多对对) )输出端；输出端； （2 2）绝大部分信道都是线性的，即满足）绝大部分信道都是线性的，即满足叠加原理；叠加原理

6、；第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-308 （3 3）信号通过信道会出现迟延时间；）信号通过信道会出现迟延时间； （4 4）信道对信号有损耗它包括固定损耗或）信道对信号有损耗它包括固定损耗或时变损耗；时变损耗； （5 5）即使没有信号输入，在信道的输出端）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。仍可能有一定的功率输出（噪声）。 时变线性网络时变线性网络ei(t) e0(t)ei1(t) e01(t)ei2(t) e02(t)eim(t) e0m(t). . .(a) (b)图2-2 调制信道模型第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信

7、系统原理2022-5-309 对于二对端的信道模型来说，其输出与对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间的关系式可表示成：输入之间的关系式可表示成：将上式进一步简化可以写成：将上式进一步简化可以写成： 这样信道对信号的影响可归纳为两点：这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是一是乘性干扰乘性干扰k k( (t t) )，二是，二是加性干扰加性干扰n n( (t t) )。不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k k( (t t) )及及n n( (t t) )。 )()()(0tnteftei)()()()(0tntetktei第第2 2章章 信道与噪声信

8、道与噪声现代通信系统原理2022-5-3010 根据信道中根据信道中k k( (t t) )的特性不同，可以将信的特性不同，可以将信道分为：道分为：恒参信道恒参信道和和随参信道随参信道。 2. 2. 编码信道模型编码信道模型 从编码器输出端到译码器输入端的所有从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。换的方框加以概括，此方框称为编码信道。 编码信道的模型可用数字信号的转移概编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。率来描述。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-

9、5-3011 模型中，把模型中，把 、 、 、 称为信道转移概率。以称为信道转移概率。以 为例，其含义为例，其含义是是“经信道传输，把经信道传输，把0 0转移为转移为1 1的概率的概率”。 0 01 12 23 30 01 1图2-3 二进制编码信道模型图2-4 四进制编码信道模型P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)0/0(P)0/1 (P) 10( /P) 11 ( /P)0/1 (P12 o 明线w 最早发展和使用的传输介质。它是由电线杆支持，架设在地面的平行而相互绝缘裸线线路，其导线采用钢、铝或铜线，线径为3-4mm。w 明线易受气候影响和外界电磁扰的影响，通信质量不稳定，且

10、衰耗大，容量小。w 它的优点是敷设技术简单、价格便宜。第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理13明线14 o 双绞线w 双绞线由绞合在一起的一对导线组成，具有较强的抗干扰能力。 双绞线的主要缺点是不适于远距离传输。w许多对位于同一保护套内相互绝缘的双绞线可以构成对称电缆。w 对称电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定。第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理15对称电缆：双绞线第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理16对称电缆：双绞线17 o 同轴电缆w 同轴电缆共有四层。它的内部共有两层导体排列在同一轴上，所以称为“同轴”。w 外导体是一个圆

11、柱形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导体是金属线（芯线）。它们之间填充着介质。w 几根同轴线管往往套在一个大的保护套内，另外还装入一些二芯扭绞线对或四芯线组，作为传输控制信号之用。第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理18同轴电缆同轴电缆截面示意图双同轴电缆及6芯接头 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理19同轴电缆基站用射频同轴电缆(50同轴电缆) 射频同轴电缆20 o 光纤的结构w 60年代，发明激光器,1966年高锟博士提出以光导纤维为传输介质。1000dB/Km衰减很大涂敷层包层(含磷等掺杂剂的SiO2 )纤芯（含氟或硼的SiO2

12、)21 o 光纤的优点w 通信容量大：750亿w 损耗低，传输距离长w 不受电磁干扰，通信质量好w 尺寸小、重量轻，便于施工w 原料为SiO2，很丰富密集波分复用DWDM商用水平为320Gb/s,DWDM实验室水平：Tb/s22 o 卫星中继信道（卫星通信）n 卫星通信的定义：利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信的技术。卫星中继可视为无线电中继信道的一种特殊形式。n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。其中上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径。第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理231.4 信道 转

13、发站（基站）： 人造卫星 （卫星通信系统），目前广泛应用。24 图 卫星中继信道图 静止卫星通信示意图第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30252.2 2.2 恒参信道及其对所传信号的影响恒参信道及其对所传信号的影响 由于恒参信道对信号传输的影响是固定不由于恒参信道对信号传输的影响是固定不变的或者是变化极为缓慢的，因而可以等效为一变的或者是变化极为缓慢的，因而可以等效为一个非时变的线性网络。个非时变的线性网络。2.2.1 2.2.1 信号不失真传输条件信号不失真传输条件 网络的传输特性可以表示为：网络的传输特性可以表示为： )()()(jeHH第第2 2章章 信

14、道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3026 要使任意一个信号通过线性网络不产生波要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应该具备以下两个形失真，网络的传输特性应该具备以下两个理想条件：理想条件： （1 1）网络的幅频特性）网络的幅频特性 是一个不随频是一个不随频率变化的常数率变化的常数; ; （2 2）网络的相频特性）网络的相频特性 应与频率成负应与频率成负斜率直线关系。斜率直线关系。 )(H)(第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理27 f (Hz)30030000衰耗 (dB)理想特性典型音频电话信道特性2.2.2 幅度频率畸变幅度频率畸变第第

15、2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理28 ()0理想特性理想特性 ()0 ()0理想特性第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30292.2.4 2.2.4 减小畸变的措施减小畸变的措施 减小幅度减小幅度- -频率畸变的措施：改善电话信道中频率畸变的措施：改善电话信道中的滤波性能，或者再通过一个的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络线性补偿网络，使，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为“均衡均衡”。 减小相位减小相位- -频率畸变的措施：采取相位均衡技频率畸变的措施：采取相位均衡技术补偿群迟延畸变。术补偿

16、群迟延畸变。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3030 复习： 1. 信道可大体分成：（ ）信道和（ ）信道。 2. 狭义信道包括（ ）信道和（ ）信道 3. 广义信道包括（ ）信道和（ ）信道 4. 根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：（ ）信道和（ ）信道。 5. 恒参信号通过线性网络不失真的条件是？第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30312.3 2.3 随参信道及其对所传信号的影响随参信道及其对所传信号的影响 随参信道传输媒质的特点随参信道传输媒质的特点典型的传输媒质：典型的传输媒质：电离层反射、对流层散电离层

17、反射、对流层散射等。射等。 特点：特点：（1 1）信号的衰耗随时间随机变化；）信号的衰耗随时间随机变化；（2 2）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； （3 3）多径传播。）多径传播。第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3032 多径传播指由发射点出发的电波可能经多径传播指由发射点出发的电波可能经过过多条路径到达多条路径到达接收点，所以接收信号接收点，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。号的合成。 ABabcd收发无线共 同照射区 a、b、c、d散射体，由小气团组成，每个小气团都是一个

18、二次辐射源，它们组成一个散射体。传输特点：多径传输且每条路径的衰减及时延都是随机变化的 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30332.3.1 2.3.1 随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响 无线信号无线信号衰落衰落的种类：的种类：1. 1. 自然衰落（路径自然衰落（路径衰落衰落、大尺度、大尺度衰落衰落）；）；2. 2. 阴影阴影衰落（中尺度衰落）衰落（中尺度衰落）；3. 3. 瑞利瑞利衰落（小尺度衰落）；衰落（小尺度衰落）；4. 频率选择性衰落；频率选择性衰落；第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3034 图图2-10

19、 2-10 两条路径传播时选择性衰落特性两条路径传播时选择性衰落特性 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3035n2) 12(n 当当 时，出现传输极点；时，出现传输极点； 当当 时，出现传输零点；时，出现传输零点； 当一个传输信号的频谱宽于当一个传输信号的频谱宽于 1/ 1/ 时，将时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率选择性衰落，简称率选择性衰落，简称选择性衰落选择性衰落。否则，当。否则，当传输信号的频谱小于相关带宽时，认为发生传输信号的频谱小于相关带宽时，认为发生了了平坦性衰落平坦性衰落。 )(t第第2 2章章

20、 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3036上述概念可推广到一般的多径传播中去。多上述概念可推广到一般的多径传播中去。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差差 来表征，并用它来估算传输零极点在来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。频率轴上的位置。 设信道的最大时延差为设信道的最大时延差为 ，则相邻两个零，则相邻两个零点之间的频率间隔为：点之间的频率间隔为：这个频率间隔通常称为多径传播信道的这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关相关带宽带宽。mmmcB1第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30372

21、.3.2 2.3.2 随参信道特性的改善随参信道特性的改善 对于慢衰落，主要采取对于慢衰落，主要采取加大发射功率加大发射功率和和在接收机内采用在接收机内采用自动增益控制自动增益控制等技术和方法等技术和方法即可。即可。 对于快衰落，通常可采用多种措施，例对于快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种如，各种抗衰落的调制抗衰落的调制/ /解调技术、抗衰落解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术接收技术及扩频技术等。其中明显有效且常等。其中明显有效且常用的抗衰落措施是用的抗衰落措施是分集接收技术分集接收技术。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3038 1. 1. 分集接收的基

22、本思想分集接收的基本思想 基本思想基本思想：如果能在接收端同时获得几：如果能在接收端同时获得几个不同的合成信号，并将这些信号适当合并个不同的合成信号，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。的影响。 要求要求：只有被分集的几个合成信号之间：只有被分集的几个合成信号之间是统计是统计独立独立的，合并后才能使系统性能改善的，合并后才能使系统性能改善。分集的含义：分集的含义：分散分散得到几个合成信号、得到几个合成信号、集中集中处理这些信号。处理这些信号。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3039 2. 2

23、. 分散得到合成信号的方式分散得到合成信号的方式 为了获取互相独立或基本独立的合成信为了获取互相独立或基本独立的合成信号，大致有如下几种分集方式。号，大致有如下几种分集方式。 （1 1）空间分集；）空间分集； （2 2）频率分集；）频率分集； （3 3）角度分集；）角度分集； （4 4）极化分集。）极化分集。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3040 3. 3. 集中合成信号的方式集中合成信号的方式 对各分散的合成信号进行合并的方法有多种，对各分散的合成信号进行合并的方法有多种，最常用的有：最常用的有： （1 1）最佳选择式：选）最佳选择式：选信噪比最好信噪比

24、最好的一个作的一个作为接收信号为接收信号 （2 2）等增益相加式：收各信号以）等增益相加式：收各信号以相同增益相同增益放大相加放大相加 （3 3）最大比值相加式：收各信号与信噪比）最大比值相加式：收各信号与信噪比成正比地放大、相加。成正比地放大、相加。 以上合并方式中以上合并方式中最大比值合并最大比值合并方式性能最好，方式性能最好，等增益相加方式次之，最佳选择方式最差。等增益相加方式次之，最佳选择方式最差。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30412.4 2.4 信道的加性噪声信道的加性噪声 根据信道中加性噪声的来源不同，可以粗略地根据信道中加性噪声的来源不同

25、，可以粗略地分为以下四类：分为以下四类：（1 1）无线电噪声：来源于）无线电噪声：来源于无线电发射机无线电发射机特点：频率范围广，干扰频率固定特点：频率范围广，干扰频率固定 ，可预先防止。，可预先防止。（2 2）工业噪声：来源于各种）工业噪声：来源于各种电气设备电气设备特点：干扰频谱集中在特点：干扰频谱集中在低频低频，选择高于该频段的信，选择高于该频段的信道可防止。道可防止。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30422.4 2.4 信道的加性噪声信道的加性噪声（3 3）天电噪声：来源于）天电噪声：来源于宇宙空间宇宙空间特点：频谱范围广，频率不固定，夏天比特点：

26、频谱范围广，频率不固定，夏天比冬天严重，赤道比两极严重，冬天严重，赤道比两极严重，很难防止很难防止。（4 4）内部噪声：来源于信道本身的）内部噪声：来源于信道本身的各种电各种电子器件子器件特点：过程随机，也称为特点：过程随机，也称为起伏噪声起伏噪声。第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3043从噪声性质来区分可有：从噪声性质来区分可有： （1 1）单频噪声：主要指）单频噪声：主要指无线电干扰无线电干扰特点：连续波干扰，其频率可测，可防止。特点：连续波干扰，其频率可测，可防止。 （2 2）脉冲干扰：工业中的电火花，断续电）脉冲干扰：工业中的电火花，断续电流及电干扰中

27、的闪电流及电干扰中的闪电特点：波形不连续，呈特点：波形不连续，呈脉冲性脉冲性，时间短，强，时间短，强度大，频谱宽，选择适当的工作频段可防止。度大，频谱宽，选择适当的工作频段可防止。 第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-3044（3 3）起伏噪声：信道内部的热噪声，散弹）起伏噪声：信道内部的热噪声，散弹噪声以及宇宙噪声噪声以及宇宙噪声特点：随机的，不可避免。特点：随机的，不可避免。其中影响最大的是其中影响最大的是起伏噪声起伏噪声，它是通信系中，它是通信系中最基本的噪声源。最基本的噪声源。第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30452.4

28、.2 2.4.2 信道中的噪声信道中的噪声1.1.白噪声白噪声 定义：定义：白噪声是指它的功率谱密度函数在整白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从个频域内是常数，即服从均匀分布均匀分布。2.2.高斯型白噪声高斯型白噪声定义：定义：噪声的噪声的概率密度函数概率密度函数满足满足正态分布正态分布统统计特性，同时它的计特性，同时它的功率谱密度函数功率谱密度函数是是常数常数的的一类噪声。一类噪声。第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声现代通信系统原理2022-5-30462.5 2.5 信道容量的概念信道容量的概念 1. 1. 信道容量的定义信道容量的定义 在信息论中，称信道无差错传输信息在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率为信道容量，记之为的最大信息速率为信道容量，记之为C C。 信道可以分为：离