CH5-信道与噪声

1、2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-通通 信信 原原 理理 兰州大学信息科学与工程学院兰州大学信息科学与工程学院M.P:M.P86mail: Email: oror AddressAddress：Department of Electronics & Information Science, School of Information Science&Engineering, Lanzhou University, Tianshui Southern Road 222#， Gansu

2、Province，P.R.ChinaPrinciples of Communications2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-2 第五章第五章 信道与噪声信道与噪声主要内容提要：主要内容提要： 引言引言 信道的定义与分类信道的定义与分类 通信信道实例通信信道实例 信道的数学模型分析信道的数学模型分析 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响 分集接收技术分集接收技术 通信系统中的噪声通信系统中的噪声 2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-

3、3 本章的教学基本要求本章的教学基本要求 本章要求本章要求了解了解通信信道的基本定义通信信道的基本定义与分类方式，与分类方式，理解理解通信信道实例、信道通信信道实例、信道的数学模型、分集接收原理、分集接收的数学模型、分集接收原理、分集接收的具体实现方式、分集信号的合并方式，的具体实现方式、分集信号的合并方式，掌握掌握恒参信道特性及其对信号传输的影恒参信道特性及其对信号传输的影响、随参信道特性及其对信号传输的影响、随参信道特性及其对信号传输的影响。响。了解了解通信系统中常见的几种形式的通信系统中常见的几种形式的噪声。噪声。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-4

4、1. 引引 言言信道是通信系统必不可少的组成部分，信道是通信系统必不可少的组成部分，其特性对于通信系统的性能有很大的影其特性对于通信系统的性能有很大的影响。响。一般来说，实际信道都不是理想的。首一般来说，实际信道都不是理想的。首先，这些信道具有非理想的频率响应特先，这些信道具有非理想的频率响应特性，另外还有噪声和信号通过信道传输性，另外还有噪声和信号通过信道传输时搀杂进去的其他干扰。时搀杂进去的其他干扰。信道的频率特性及噪声和干扰将影响信信道的频率特性及噪声和干扰将影响信息传输的有效性和可靠性。息传输的有效性和可靠性。 本章重点研究本章重点研究信道分类信道分类、信道模型信道模型以及以及信道特性

5、对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响，并介，并介绍绍信道容量信道容量、信道复用信道复用等重要概念。等重要概念。 2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-5 2. 信道的定义与分类信道的定义与分类一、狭义信道和广义信道：一、狭义信道和广义信道： 信道可分为狭义信道、广义信道。信道可分为狭义信道、广义信道。1、狭义信道狭义信道：是发送设备和接受设备之间用以：是发送设备和接受设备之间用以传输信号的传输介质（媒介，媒质）。狭义信传输信号的传输介质（媒介，媒质）。狭义信道是直观的，人们习惯于把它按传输介质是否道是直观的，人们习惯于把它按传输介质是否是导线分为是导线分为有

6、线信道有线信道和和无线信道无线信道两大类。两大类。2、广义信道：广义信道：将传输介质和各种信号形式的转将传输介质和各种信号形式的转换、耦合等设备都归纳在一起，凡信号经过的换、耦合等设备都归纳在一起，凡信号经过的一切通道统称为广义信道。广义信道可分为一切通道统称为广义信道。广义信道可分为调调制信道制信道和和编码信道编码信道。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-6 编码信道解调器解调器2. 信道的定义与分类信道的定义与分类 调制信道 编编码码器器发送设备接收设备 译译码码器器 噪声源噪声源输输入入输输出出传输媒质传输媒质调制器调制器2022年7月4日星期一-兰州大

7、学信息科学与工程学院电信、通信工程系-7 信道有线信道，如电缆、光纤等无线信道，如中短波、微波信道等恒参信道恒参信道随参信道随参信道有记忆信道无记忆信道广义信道 狭义信道调制信道编码信道二、通信信道的分类二、通信信道的分类2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-8 1、按照信道输入输出端信号的类型划分、按照信道输入输出端信号的类型划分可划分为可划分为连续信道连续信道（模拟信道）和（模拟信道）和离散离散信道信道（数字信道）。（数字信道）。连续信道连续信道的输入输出信号为连续信号的输入输出信号为连续信号（又称模拟信号），例如广义信道中的（又称模拟信号），例如广义信道中

8、的调制信道即属于连续信道。调制信道即属于连续信道。离散信道离散信道的输入输出信号为离散信号的输入输出信号为离散信号（又称数字信号），广义信道中的编码（又称数字信号），广义信道中的编码信道即属于离散信道。信道即属于离散信道。如果输入为连续信号，输出为离散信号如果输入为连续信号，输出为离散信号或反之，则称为或反之，则称为半连续和半离散信道半连续和半离散信道。 二、通信信道的分类二、通信信道的分类2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-9 对连续信道，可继续划分为对连续信道，可继续划分为恒参信道恒参信道和和随参信道随参信道。恒参信道恒参信道的性质的性质参数参数不随时间变

9、化。如果实际不随时间变化。如果实际信道的性质信道的性质参数参数不随时间变化，或者基本不随不随时间变化，或者基本不随时间变化，或者变化极慢，则可以认为是恒参信道，时间变化，或者变化极慢，则可以认为是恒参信道，亦称定参信道。亦称定参信道。随参信道随参信道的性质的性质参数参数随时间随机变化，亦称变随时间随机变化，亦称变参信道。参信道。 Note：大多数情况下，有线信道（包含光纤）可：大多数情况下，有线信道（包含光纤）可看作是恒参信道；部分无线信道可看作是恒参信道，看作是恒参信道；部分无线信道可看作是恒参信道，另一部分是随参信道。另一部分是随参信道。2. 信道的定义与分类信道的定义与分类2022年7月

10、4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-10 2、按照信道的物理性质划分、按照信道的物理性质划分可划分为可划分为无线信道无线信道、 有线信道有线信道、 光信道光信道等等举例：举例： 二、通信信道的分类二、通信信道的分类有线信道有线信道 架空架空明线明线 双绞线双绞线 对称电缆对称电缆 同轴电缆同轴电缆 光导纤维光导纤维 波导波导无线信道无线信道 超短波及微波接力（超短波及微波接力（视距中继视距中继） 卫星中继通信卫星中继通信 光波视距传播（激光空间、深空通信）光波视距传播（激光空间、深空通信） 中长波地表面波传播中长波地表面波传播 短波电离层反射短波电离层反射 超短波及微波对流

11、层散射超短波及微波对流层散射 超短波超视距绕射超短波超视距绕射 移动散射无线电信道移动散射无线电信道2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-11 3. 通信信道实例通信信道实例一、恒参信道及其实例：一、恒参信道及其实例： 据前分类可知，恒参信道的性质据前分类可知，恒参信道的性质参数参数不随时间变化，或者基本不随时不随时间变化，或者基本不随时间变化，或者变化极慢间变化，或者变化极慢 。 常见恒参信道分为常见恒参信道分为有线信道、光纤有线信道、光纤信道、无线视距中继信道信道、无线视距中继信道。具体有架空。具体有架空明线、对称电缆、同轴电缆、光缆、地明线、对称电缆、同轴

12、电缆、光缆、地面微波中继等。面微波中继等。 下面给出若干实例。下面给出若干实例。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-12 架空明线架空明线 架空明线架空明线是指平行而相互绝缘的架空裸线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。与电缆相比，它的优点是传输损耗低。线路。与电缆相比，它的优点是传输损耗低。但它易爱气候和天气的影响，并且对外界噪声但它易爱气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感。干扰较敏感。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-13 双绞线双绞线 双绞线双绞线由两根彼此绝缘的铜线组成，由两根彼此绝缘的铜线组成，这两根线按照规则

13、的螺线状绞合在一起。这两根线按照规则的螺线状绞合在一起。每一对线作为一根通信链路使用。通常，每一对线作为一根通信链路使用。通常，将许多这样的线结捆扎在一起，并用坚将许多这样的线结捆扎在一起，并用坚硬的、起保护作用的护皮包裹成一根电硬的、起保护作用的护皮包裹成一根电缆。将线对绞合起来是为了减轻同一根缆。将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串扰，且相邻电缆内的相邻线对之间的串扰，且相邻线对通常具有不同的绞合长度。线对通常具有不同的绞合长度。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-14 对称电缆对称电缆 对称电缆对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝是在

14、同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输介质。导线材料是铝或铜，缘的双导线的传输介质。导线材料是铝或铜，直径为直径为0.41.4mm。为了减少各线对之间的为了减少各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。由于这些相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。由于这些结构上的特点，故电缆的传输损耗比明线大得结构上的特点，故电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定。多，但其传输特性比较稳定。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-15 同轴电缆同轴电缆 同轴电缆同轴电缆由同轴的两个由同轴的两个导体构成，外导体是一个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管（在可弯曲圆柱形的空管

15、（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导金属丝编织而成），内导体是金属线（芯线）。它体是金属线（芯线）。它们之间填充着绝缘介质，们之间填充着绝缘介质，可能是塑料，也可能是空可能是塑料，也可能是空气。在采用空气绝缘的情气。在采用空气绝缘的情况下，内导体依靠有一定况下，内导体依靠有一定间距的绝缘子来定位。抗间距的绝缘子来定位。抗电磁干扰性能较好。电磁干扰性能较好。 在有线电视（在有线电视（CATV）网）网络中大量采用这种结构的络中大量采用这种结构的同轴电缆。同轴电缆。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-16 光导纤维（光纤）光导

16、纤维（光纤） 光纤是一种纤细（光纤是一种纤细（2125m）柔韧能够传柔韧能够传导光线的介质。有多种玻璃和塑料可用于制造光导光线的介质。有多种玻璃和塑料可用于制造光纤，使用超高纯二氧化硅熔丝的光纤可得到最低纤，使用超高纯二氧化硅熔丝的光纤可得到最低损耗。光纤的外形是圆柱体，由三个同轴部分组损耗。光纤的外形是圆柱体，由三个同轴部分组成：纤芯、包层（覆层）以及防护罩。成：纤芯、包层（覆层）以及防护罩。 光纤的特点是：损耗低（目前的技术可使光纤的特点是：损耗低（目前的技术可使 光纤的损耗低于光纤的损耗低于0.2dB/km ）、通频带宽、）、通频带宽、 重重量轻量轻 、不怕腐蚀以及不受电磁干扰（因此光纤

17、、不怕腐蚀以及不受电磁干扰（因此光纤通信的性质非常稳定，可以看作是典型的恒参信通信的性质非常稳定，可以看作是典型的恒参信道）等。此外的优点是利用光纤代替电缆可节省道）等。此外的优点是利用光纤代替电缆可节省大量有色金属。大量有色金属。 光纤可分为：光纤可分为：多模光纤多模光纤MMFMMF、单模光纤单模光纤SMFSMF。 具体的几个例子如下所示。具体的几个例子如下所示。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-17 多模光纤多模光纤MMF纤芯较粗纤芯较粗多束光线以不同的反射角传播，因此到达目的多束光线以不同的反射角传播，因此到达目的地的时间不同，造成光脉冲逐渐展宽、失真

18、地的时间不同，造成光脉冲逐渐展宽、失真可使用发光二极管（可使用发光二极管（LED）、激光管（）、激光管（LD）作）作为光源为光源输出脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤MMF2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-18 单模光纤单模光纤SMF纤芯较细纤芯较细使单个波长的光线沿光纤一直传播使单个波长的光线沿光纤一直传播单束光线沿直线单束光线沿直线传播传播输入脉输入脉冲冲输出脉输出脉冲冲单模光纤单模光纤SMF2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-19 一种新型的光纤结构光子晶体光纤（一种新型的光纤结构光子晶体光纤（PCF）光子晶体光纤示意图20

19、22年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-20 典型的光缆结构典型的光缆结构玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-21 芯芯封套封套外套加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束高密度多芯光缆高密度多芯光缆2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-22 无线电视距中继无线电视距中继 无线电视距中继无线电视距中继是指工作频率在超短波和是指工作频率在超短波和微波时，电磁波基本上沿视线传播，通信距微波时，电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电线

20、路。相邻中离依靠中继方式延伸的无线电线路。相邻中继站间距离一般在继站间距离一般在4050km。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-23 两个地面站之间直线传送两个地面站之间直线传送距离：距离：50 -100 km地地球球地面微波接力地面微波接力2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-24 卫星中继信道卫星中继信道人造卫星中继信道可视为无线电中继信道的一种特殊形式。人造卫星中继信道可视为无线电中继信道的一种特殊形式。卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路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

21、行线路是地球站至卫星及卫星至地球构成。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，而信道设备集中于地球站与卫星中继站的电波传播路径，而信道设备集中于地球站与卫星中继站中。相对于地球站来说，同步卫星在空中的位置是静止站中。相对于地球站来说，同步卫星在空中的位置是静止的。的。轨道在赤道平面上的人造同步卫星，当它离地面高度为轨道在赤道平面上的人造同步卫星，当它离地面高度为35860km时，可以实现地球上时，可以实现地球上18000km范围内的多点之范围内的多点之间的联接，采用三个适当配置的同步卫星中继站就可以覆间的联接，采用三个适当配置的同步卫星中继站就可以覆盖全球（除两极盲区外）

22、。盖全球（除两极盲区外）。这种信道具有传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、这种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、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。电报、数据和电视。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-25 利用地球同步卫星实现全球通信利用地球同步卫星实现全球通信与地面站相对固定位置使用3个卫星可覆盖全球传输延迟时间长适用于海洋、山区、沙漠等地区的通信2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-26 地球同步卫星与地面站的通信示意图地球同步

23、卫星与地面站的通信示意图2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-27 3. 通信信道实例通信信道实例二、随参信道及其实例：二、随参信道及其实例： 据前面的分类可知，随参信道的性质据前面的分类可知，随参信道的性质参参数数会随时间随机变化。会随时间随机变化。 常见随参信道有常见随参信道有短波电离层反射短波电离层反射，超短波超短波流星余迹散射流星余迹散射，超短波及微波对流层散射超短波及微波对流层散射，超超短波电离层散射以及超短波视距绕射短波电离层散射以及超短波视距绕射等。等。 由于上述传输媒质所构成的调制信道由于上述传输媒质所构成的调制信道模模拟信道拟信道的特性会随着传

24、输媒质性质的随机变的特性会随着传输媒质性质的随机变化和电磁波信号的多途径传输而随机变化，因化和电磁波信号的多途径传输而随机变化，因此这些信道的模型应该属于随参信道模型。此这些信道的模型应该属于随参信道模型。 下面给出若干实例。下面给出若干实例。 2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-28 短波电离层反射短波电离层反射 离地面离地面60600km的大气层称为的大气层称为电离层电离层。实际观察。实际观察表明，电离层可分为表明，电离层可分为D、E、F1、F2四层。四层。F2是反射是反射层，其高度为层，其高度为250300km，故一次反射的最大距离，故一次反射的最大距离

25、约为约为4000km，如果通过两次反射，通信距离可达，如果通过两次反射，通信距离可达8000km。这种信道存在。这种信道存在多径传播多径传播现象。现象。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-29 超短波及微波对流层散射信道超短波及微波对流层散射信道 离地面离地面1012km以下的大气层称为以下的大气层称为对流层对流层，对流层散，对流层散射信道是一种超视射信道是一种超视距的传播信道，其距的传播信道，其一跳的传播距离约一跳的传播距离约为为100500km。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-30 流星余迹散射信道流星余迹散射信道 当

26、地球外面的小型陨当地球外面的小型陨星进入大气层后，由星进入大气层后，由于其高速坠落运动产于其高速坠落运动产生的高温使途径上的生的高温使途径上的气体及星体表面物质气体及星体表面物质气化，产生等离子体气化，产生等离子体层，由此形成的临时层，由此形成的临时散射层，可用来进行散射层，可用来进行通信，多用于军事用通信，多用于军事用途。途。流星余迹流星余迹散射体散射体2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-31 4. 信道的数学模型分析信道的数学模型分析一一.连续调制信道模型及其特征：连续调制信道模型及其特征： 调制信道调制信道图示图示是为研究调制与解调问题所建立是为研究调制

27、与解调问题所建立的一种广义信道，是的一种广义信道，是模拟信道模拟信道。 它具有如下共性特征：它具有如下共性特征： （1 1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；出端； （2 2）绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加）绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；原理； （3 3）信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；）信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间； （4 4）信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；）信号通过信道会受到固定的或时变的损耗； （5 5）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能

28、有一定的输出（噪声）。一定的输出（噪声）。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-32 时变线性网络si(t)so(t)时变线性网络si1(t)si2(t)sim(t)so1(t)so2(t)s0n(t)(m对输入)(n对输出)调制信道的数学模型调制信道的数学模型 图图 5.4-0 多输入多输出端连续信道模型多输入多输出端连续信道模型2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-33 图图 5.45.41 1 调制信道模型调制信道模型0( )( )( ) ( )( )tir ts tn tf s tn t(5.4 - 1)()()(0tst

29、ctsi(5.4 - 2)()()(0iSCS(5.4 - 3)线 性 时 变 网 络si(t)so(t)(tc恒定参量信道（恒参信道）和随机参量信道（随参信道）。 调制信道的数学模型调制信道的数学模型2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-34 图图 5.4 2 5.4 2 加性噪声信道模型加性噪声信道模型c() cr(t) csi(t) n(t)n(t)si(t)信道)(0ts(5.4 -4)第一种形式：第一种形式： C()C()是常数，或在信号频带范围之内是常数是常数，或在信号频带范围之内是常数。调制信道的数学模型调制信道的数学模型2022年7月4日星期一-

30、兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-35 第二种形式：第二种形式： C()C()在信号频带范围之内不是常数，但在信号频带范围之内不是常数，但不随时间变化。不随时间变化。图 5.4-3 带有加性噪声的线性滤波器信道(5.4 - 5)线性滤波器c(t)r(t) c(t) si(t) n(t)n(t)si(t)信道*)(0ts调制信道的数学模型调制信道的数学模型2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-36 第三种形式：第三种形式： C()C()在信号频带范围之内不是常数，且在信号频带范围之内不是常数，且随时间变化随时间变化。(5.4 - 6)线性时变滤波器c(t

31、,)r(t)c(t,) si(t)n(t)n(t)si(t)信道*)(0ts图图 5.4 4 5.4 4 带有加性噪声的线性时变滤波器信道带有加性噪声的线性时变滤波器信道调制信道的数学模型调制信道的数学模型2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-37 对于对于多径传输信道多径传输信道，则有：，则有：(5.4 - 7)1( , )( ) ()njjjc tc tt01( )( )( )( , )( )( )( ) ()( )injijjr ts tn tc ts tn tc t s tn t(5.4 - 8)(5.4 - 9)调制信道的数学模型调制信道的数学模型20

32、22年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-38 4. 信道的数学模型分析信道的数学模型分析二、离散编码信道模型及其特征：二、离散编码信道模型及其特征： 编码信道编码信道图示图示包括调制信道、调制器和解调器，包括调制信道、调制器和解调器，是一种数字信道或离散信道。由于信道噪声或是一种数字信道或离散信道。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组用一组信道转移概率信道转移概率来表征。来表征。 编码信道可分为编码信道可分为无记忆编码信道无记

33、忆编码信道和和有记忆有记忆编码信道编码信道两类。两类。 无记忆编码信道：无记忆编码信道：指编码信道码元的转移指编码信道码元的转移概率矩阵与其前后码元的取值无关的信道。概率矩阵与其前后码元的取值无关的信道。 有记忆编码信道：有记忆编码信道：指编码信道码元的转移指编码信道码元的转移概率矩阵与其前后码元的取值有关的信道。最概率矩阵与其前后码元的取值有关的信道。最简单的是简单的是马尔可夫链（马尔可夫链（Markov）形式的有记形式的有记忆编码信道。忆编码信道。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-39 4. 信道的数学模型分析信道的数学模型分析二、编码信道模型：二、编码

34、信道模型： 在编码信道编码信道中其输入、输出数字序列之间中其输入、输出数字序列之间的关系可以用一组的关系可以用一组信道转移概率信道转移概率来表征。来表征。 信道转移概率信道转移概率P(yj|xi)： 信道转移概率信道转移概率P(yj|xi)是信道输入符号是信道输入符号(即发送符号即发送符号)为为 xi, 而信道输出符号而信道输出符号(即接受即接受符号符号)为为yj的条件概率：的条件概率： P(yj|xi) = P(y=yj x=xi) 。它表示信道输入端的数字信号序列。它表示信道输入端的数字信号序列到输出端发生了转移的程度。编码信道的模型到输出端发生了转移的程度。编码信道的模型可以用信道的转移

35、概率来描述。可以用信道的转移概率来描述。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-40 （1）离散无记忆信道的信道转移概率）离散无记忆信道的信道转移概率 一般情况下，发送符号集一般情况下，发送符号集X=xi，i=1，2，,L，有有L种符号；接收符号集种符号；接收符号集Y=yj，j=1，2，M，有有M种符号。种符号。离散无记忆信道的转移概率用下列概率矩阵表示：离散无记忆信道的转移概率用下列概率矩阵表示： 下面给出一个二进制无记忆编码信道情形。下面给出一个二进制无记忆编码信道情形。112111222212(|)(|).(|)(|)(|).(|)(|)(5.4 10).(

36、|)(|).(|)MMjiLLMLp yxp yxp yxp yxp yxp yxP yxp yxp yxp yx 2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-41 图图 5.4 5.4 5 5 二进制无记忆编码信道模型二进制无记忆编码信道模型 编码信道数学模型编码信道数学模型发送端发送端 X接收端接收端 Y2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-42 二进制无记忆编码信道的转移概率矩阵二进制无记忆编码信道的转移概率矩阵其中，其中，p p(0|0)(0|0)、p p(1|1)(1|1)，是正确转移概率，是正确转移概率，p p(1|0)(1

37、|0)、p p(0|1)(0|1)是错误转移概率。是错误转移概率。p p(1|0)(1|0)又称又称为为虚报概率虚报概率，p p(0|1)(0|1)又称为又称为漏报概率漏报概率。由概率。由概率的性质知：的性质知： p p(0|0)=1-(0|0)=1-p p(1|0)(1|0) p p(1|1)=1-(1|1)=1-p p(0|1)(0|1)(0|0)(1|0)(|)(0|1)(1|1)jippp yxpp编码信道数学模型编码信道数学模型2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-43 对于多进制无记忆编码信道对于多进制无记忆编码信道：对于二进制无记忆编码信道：对于二

38、进制无记忆编码信道：(0) (1/0)(1) (0/1)ePPPPP(5.4 - 11)信道输出的总的错误概率信道输出的总的错误概率Pe： 1) 1/0() 1/1 (1)0/1 ()0/0(PPPP)/()/(ijijxXyYPxyP110110,NMyyyYxxxXM元输入符号元输入符号：N元输出符号：元输出符号：转移概率：转移概率：(5.4 - 12)(5.4 - 13)(5.4 - 14)编码信道数学模型编码信道数学模型2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-44 四进制无记忆编码信道模型四进制无记忆编码信道模型00123123编码信道数学模型编码信道数学

39、模型2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-45 x0 x1xM 1y0y1yN 1X Y 多进制无记忆编码信道模型多进制无记忆编码信道模型编码信道数学模型编码信道数学模型2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-46 （2 2）对称信道）对称信道 当信道转移概率矩阵中的各行和各列分别当信道转移概率矩阵中的各行和各列分别具有相同集合的元素时，这类信道称为具有相同集合的元素时，这类信道称为对称信对称信道道。譬如二进制无记忆对称信道的转移概率矩。譬如二进制无记忆对称信道的转移概率矩阵如下所示：阵如下所示： 1-p p p 1-pP(yj|x

40、i) =(5.4 - 15)31316161616131311P31316161616131312022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-47 5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响一、恒参信道含义及其若干实例一、恒参信道含义及其若干实例 ： 已知恒参信道的性质已知恒参信道的性质参数参数是不是不随时间变化，或者基本不随时间变化，随时间变化，或者基本不随时间变化，或者变化极慢的或者变化极慢的 。 常见恒参信道分为常见恒参信道分为有线信道有线信道、光纤光纤信道信道、无线视距中继信道无线视距中继信道。具体有。具体有架空架空明线明线、对称电缆

41、对称电缆、同轴电缆同轴电缆、光缆光缆、地地面微波中继面微波中继等。具体的例子参见前述内等。具体的例子参见前述内容。容。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-48 5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响：二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响： 1、恒参信道的传输特性：、恒参信道的传输特性： 恒参信道的主要特点是可以把信道等效成恒参信道的主要特点是可以把信道等效成一个一个线性时不变线性时不变网络，传输技术主要解决由网络，传输技术主要解决由线线性失真性失真引起的符号间干扰和由信道引入的加性引起

42、的符号间干扰和由信道引入的加性噪声所造成的判断失误。噪声所造成的判断失误。 理想恒参信道理想恒参信道就是理想的就是理想的无失真无失真传输信道传输信道(信号经过信道不失真信号经过信道不失真)。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-49 5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响 理想恒参信道的理想恒参信道的传输特性：传输特性：dtjeKH0)(传输特性传输特性0)(KH幅频特性幅频特性( )dt 相频特性相频特性( )( )ddtd 群迟延群迟延-频率特性频率特性(5.5 - 1)(5.5 - 2)(5.5 - 3)(5.5 - 4)2

43、022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-50 OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响)()(0dttKth冲激响应冲激响应)()(0dttsKtr若输入为若输入为(5.5 - 5)(5.5 - 6)(ts，则输出为，则输出为图图5.5-1 5.5-1 理想信道的幅频特性、理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延相频特性和群迟延- -频率特性频率特性 2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-51 5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输

44、的影响理想恒参信道理想恒参信道对信号传输的影响是：对信号传输的影响是： (1) (1) 对信号在对信号在产生产生固定的衰减固定的衰减（K K0 0）；）； (2) (2) 对信号在对信号在产生产生固定的迟延固定的迟延（t td d）。）。 这种情况也称这种情况也称信号是无失真传输信号是无失真传输。 理想恒参信道理想恒参信道又可分为又可分为理想低通信道理想低通信道和和理想带通理想带通信道信道。只要限带信号的带宽在所给信道带宽范围之内，。只要限带信号的带宽在所给信道带宽范围之内，则该信号可以实现无失真传输。则该信号可以实现无失真传输。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工

45、程系-52 5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响2 2、恒参信道对信号传输的影响、恒参信道对信号传输的影响: :1 1 幅度幅度- -频率失真：频率失真： 幅度幅度- -频率失真频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的，这种失真又称为理想所引起的，这种失真又称为频率失真频率失真，属于，属于线性线性失真失真。信道的幅度。信道的幅度- -频率特性不理想会使通过它的信号频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，若传输数字信号，则会引起相邻数字波形产生失真，若传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成信

46、号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰码间干扰。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-53 关于人类语音信号传输关于人类语音信号传输 大量统计结果表明，语音的频谱通常在大量统计结果表明，语音的频谱通常在808000Hz之间。之间。原原“国际电报电话咨询国际电报电话咨询委员会（委员会（CCITT）”建建议采用议采用3003400Hz的频带范围，也即单的频带范围，也即单路音频电话信道有效路音频电话信道有效带宽为带宽为3100Hz。0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.4 kHzdB4030201002022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学

47、院电信、通信工程系-54 5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响图图 5.52 5.52 （a a） 典型音频电话信道的幅度衰减特性典型音频电话信道的幅度衰减特性（b b）CCITT M.1020CCITT M.1020建议规定的衰减特性建议规定的衰减特性3500 80020002800 30006f / Hz 1 2(a)0300A( f ) / dB(b)3020100120024003600f / HzA( f ) / dB 音频电话信道衰减特性在音频电话信道衰减特性在 3003003000 Hz3000 Hz频率范围频率范围内比较平坦；内比较平坦；300

48、 Hz300 Hz以下和以下和 3000Hz3000Hz以上衰耗增加很以上衰耗增加很快，这种衰减特性正好适应人类语音信号的传输。快，这种衰减特性正好适应人类语音信号的传输。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-55 举例：只对基波衰减的信道所产生的失真举例：只对基波衰减的信道所产生的失真vi(t)=sint+1/ 2sin3t vo(t)=1/2sin t +1/2sin3t(a)输入信号波形(b)输出信号波形2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-56 5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响图图 5

49、.5 - 3 5.5 - 3 典型电话信道相频特性和群迟延频率特性典型电话信道相频特性和群迟延频率特性 (a) (a) 相位相位- -频率特性；频率特性； (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)22、 相位相位- -频率失真频率失真 相位相位- -频率失真频率失真也是属于也是属于线性失真线性失真。它对模拟话音传输影。它对模拟话音传输影响不明显，主要也是因为人耳对信号相位不敏感所致。如果响不明显，主要也是因为人耳对信号相位不敏感所致。如果传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰。传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰。2022年7月4日星期一-兰

50、州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-57 举例：举例： 通过对基波相移通过对基波相移、对三次谐波相移对三次谐波相移2 2的信道的信道所产生的失真所产生的失真 vi(t)=sint+1/ 2sin3t vo(t)=sin (t-T/2) +1/2sin3(t-T/3)(a)输入信号波形(b)输出信号波形2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-58 举例：限带脉冲波形通过电话信道所产生的失真举例：限带脉冲波形通过电话信道所产生的失真2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-59 5. 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对

51、信号传输的影响33、信道的时延特性及群时延特性：、信道的时延特性及群时延特性： 信道的时延特性：信道的时延特性： 信道的群时延特性：信道的群时延特性： 一般，时延特性为常数时，信号传输不引一般，时延特性为常数时，信号传输不引起信号的起信号的波形失真波形失真；群时延特性为常数时，信；群时延特性为常数时，信号传输不引起号传输不引起信号包络信号包络的失真。的失真。()() ( )( )Gdd 2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-60 6. 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响 一、随参信道含义及其若干实例一、随参信道含义及其若干实例 ：

52、据前所述，据前所述，随参信道随参信道的性质的性质参数参数随时随时间随机变化，故亦称间随机变化，故亦称变参信道变参信道。 譬如譬如短波电离层反射信道短波电离层反射信道和和分米波对流层分米波对流层散射信道散射信道是两种典型的随参信道。它们的共同是两种典型的随参信道。它们的共同特点是都存在特点是都存在时变多径传播时变多径传播引起的引起的选择性衰落选择性衰落，常常统称为常常统称为衰落信道衰落信道。这两种信道都包括大气。这两种信道都包括大气层，具有很强的大气噪声是它们共同的特征。层，具有很强的大气噪声是它们共同的特征。 相关例子参见后述例子。相关例子参见后述例子。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科

53、学与工程学院电信、通信工程系-61 电离层反射电离层反射对流层散射对流层散射 随参信道举例示意图随参信道举例示意图2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-62 随参信道特性随参信道特性 随参信道的传输媒质具有以下三个突随参信道的传输媒质具有以下三个突出特点：出特点： (1) (1) 对信号的对信号的衰耗衰耗随时间随机变化；随时间随机变化； (2) (2) 信号传输的信号传输的时延时延随时间随机变化；随时间随机变化；(3) (3) 存在存在多径传播多径传播现象。现象。6. 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响 2022年7月4日星期一-兰

54、州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-63 6.随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响 二、随参信道的数学模型分析二、随参信道的数学模型分析 ： 若取信号发送端的信号形如：若取信号发送端的信号形如：其中当取其中当取A为信号幅度，为信号幅度，an为信息码元，为信息码元，g(t)则为信息码元波形，于是则为信息码元波形，于是b(t)形如形如上述信号经由多径传输后到达接收端的信号可上述信号经由多径传输后到达接收端的信号可形式地表示为：形式地表示为： ( )( ) cos()cs tA b tt-( )( -)nnb ta g tnT 2022年7月4日星期一-兰州大学信息

55、科学与工程学院电信、通信工程系-64 6.随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响1111( )( ) -( )cos( )( ) -( )cos( )( ) -( )cos( ) cos( ) -( )sin( )sinLiiciiLiiciiLiiiciLiiicir tAt b ttttAt b ttttAt b ttttAt b tttt() -( )ic itt第第i条路径信号条路径信号的衰耗因子，的衰耗因子，它随时间变化它随时间变化第第i条路径条路径信号的传信号的传输时延输时延,随随时间变化时间变化实际观察发现，实际观察发现， 和和 与载波与载波 相比，变化

56、缓慢相比，变化缓慢的多，因此，的多，因此，r（t）可看作是可看作是窄带随机过程窄带随机过程。( )it( )itcosct= ( )cos( )sinccscr ttr tt2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-65 6.随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响 三、随参信道对信号传输的影响三、随参信道对信号传输的影响 ： 随参信道对信号传输会造成随参信道对信号传输会造成一般性衰落一般性衰落以及以及频频率选择性衰落率选择性衰落。在这里，不妨以移动信道情形为例。在这里，不妨以移动信道情形为例来分析随参信道的多径衰落现象及其影响。来分析随参信

57、道的多径衰落现象及其影响。1.1. 多径衰落与频率弥散：多径衰落与频率弥散：( (Multi-path fading and frequency Multi-path fading and frequency dispersaldispersal) )tAtsccos)( 输入信号输入信号2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-66 hbd2dd1hm若有若有n n条多径信道，信号相互独立，则接收到的合成条多径信道，信号相互独立，则接收到的合成波为波为 示意图示意图 移动信道的传播路径移动信道的传播路径)(cos)()(cos)()(11tttatttatricn

58、iiicnii 示例分析示例分析 2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-67 niciiciniittattatr11sinsin)(coscos)()(ttYttXccsin)(cos)(式中式中niiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()(222exp21)(xxxxf222exp21)(yyyyf: )(tX: )(tYyxyExE0)()(2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-68 其它, 020,21)(f)(cos)()(tttVtrc的包络和相位形式：的包络和相位形式：)(tr瞬时相位满足瞬时相位满

59、足均匀分布均匀分布22( )exp2vvvvf v瞬时幅度满足瑞利瞬时幅度满足瑞利分布分布( (RayleighRayleigh) )()()(22tYtXtV( )( )arctan( )Y ttX t式中式中包络包络相位相位2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-69 n f (z)0.50.40.30.20.1r 0nAz(a) 0r 0f ()(b)0r 1r 16.随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响 由上述分析可见，相对于载波来说，由上述分析可见，相对于载波来说，V(t)和和(t)是慢变化的随机过程，于是是慢变化的随机过程，

60、于是r(t)可以看成是一可以看成是一个窄带随机过程。个窄带随机过程。2022年7月4日星期一-兰州大学信息科学与工程学院电信、通信工程系-70 两个基本结论两个基本结论: :(1) (1) 多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号衰落信号，即多径传播使信号产生即多径传播使信号产生瑞利型衰落瑞利型衰落； (2) (2) 从频谱上看，从频谱上看， 多径传播使单一谱线变成了窄带多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，频谱， 即多径传播引起了即多径传播引起了频率弥散频率弥散。6. 随参信道特性及其对信号传输