专业课复试通信原理第4章

1、1第4章 信道信 息 源发送设备 信 道接收设备受 信 者噪声源2第4章 信 道 信道的定义狭义信道：仅指信号的传输媒介；广义信道：除包含传输媒介外，还包括有关的变换装置。在讨论通信的一般原理时通常采用广义信道，为叙述方便，常把广义信道简称为信道。狭义信道按具体媒介不同分为：有线信道：明线、电缆、光缆等，传输效率较高；无线信道：短波、卫星中继等，传输效率较低，安全性较差。广义信道按包含的功能不同分为调制信道和编码信道。3第4章 信 道信道中的干扰：有源干扰 噪声，加性无源干扰 传输特性不良，乘性本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。4第4章 信 道4.1 无线信道无线

2、信道中，信号传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。无线信道电磁波的频率受天线尺寸限制。为了有效地发射或接收电磁波，要求天线尺寸不小于电磁波波长的1/10，若频率过低（波长过长）则天线难以实现，例如若频率为3000Hz，则其波长为100km，此时要求天线尺寸大于10km。第4章 信 道小知识中性层：地面到60公里高度，大气成分多处于中性（即非电离状态）。电离层：60 500公里高度，由于太阳辐射影响，大气物质开始电离，根据电子浓度不同可分为D、E、F1、F2、G层，其中D、E层电子密度小，短波电磁波基本不反射，但会受到吸收损耗（即衰减）。F1、F2层是反射层。F1、D层在夜晚基本消失。电离层反射

3、信道。磁层：500公里以上。大气层按大气的电磁特性分为3层：5第4章 信 道对流层：地面到大约1016公里处，该层集中了整个大气的四分之三质量和几乎全部的水汽量，因而该层大气湍流运动十分发达，产生了不均匀性，所以能对电磁波产生散射。该层顶部气温基本不变，经常晴空万里，能见度高，空气平稳，适合喷气客机。对流层散射信道。平流层：水汽极少，天气现象比较少见。近年来 开始对平流层通信进行研究。中层热层外大气层大气层根据温度变化分为5层：6传播路径地 面 地波传播电磁波传播的分类：地波、天波、视线、散射地波：沿地球表面传播频率 2 MHz有绕射能力距离：数百或数千千米 天波：电离层反射频率：2 30 M

4、Hz特点：被电离层反射一次反射距离： 30 MHz距离: 和天线高度h有关 式中，D 收发天线间距离(km)。例 若要求D = 50 km，则由上式可得：增大视线传播距离的其他途径中继通信卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信对流层散射通信地球有效散射区域散射传播：电离层、对流层、流星余迹散射电离层散射机理 由电离层不均匀性引起频率 30 60 MHz距离 1000 km以上对流层散射机理 由对流层不均匀性（湍流）引起频率 100 4000 MHz最大距离 600 km9第4章 信 道10第4章 信 道流星流星余迹散射流星余迹特点 高度80 120 km，长度15 40 km存留时间：十分之几

5、秒至几分钟特点 高速突发、断续传输、低速存储 频率 30 100 MHz距离 1000 km以上流星余迹散射通信流星余迹11通信使用的频段及主要用途 12第4章 信 道4.2 有线信道明线、电缆、光纤 明线 优点：传输损耗低（与电缆相比） 缺点：易受气候影响，通信质量 不稳定，频带窄。架设在电线杆上的架空线路。第4章 信 道对称电缆：由若干对双绞线组成双绞线导体绝缘层 分类：三类线、五类线、超五类线 缺点：容易受到外部高频电磁波干扰，且线路本身会产生一定噪声，误码率较高 优点：频带较明线宽，多线对采用双绞线，减少了线对间的串扰 主要应用：局域网、电话系统1314导体金属编织网保护层实心介质同轴

6、线同轴电缆截面示意图第4章 信 道同轴电缆 优点：具有良好的传输特性和屏蔽特性，带宽高 种类：基带同轴电缆(50欧，数字) 宽带同轴电缆(75欧，模拟) 传输信号类型：数字信号与模拟信号均可主要应用：有线电视系统、局域网15第4章 信 道光纤传输信号：光信号，用光脉冲的有无来代表二进制数字。 传输原理：全反射。 种类： 多模：纤芯直径为50或62.5m，可以存在多条入射角不同的光线。 单模：纤芯直径为710m（一个光波的波长），光线不出现反射，直接向前传输。 优点： 频带宽； 缺点：太细，精确连接两根光纤比较困难 抗雷击和电磁干扰； 重量轻。 保密性强； 传输损耗小；16第4章 信 道调制信道

7、编码信道狭义调 制 器发 转 换 器 媒 质收 转 换 器解 调 器编 码 器解 码 器为了便于研究，不管信道过程做了什么变换，也不管用什么传输媒质，我们只关心通过信道后的结果，即只关心输出信号与输入信号的关系。数学模型17第4章 信 道4.3 信道的数学模型18第4章 信 道4.3.1 调制信道模型式中： 信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压； 噪声电压。 输入信号经信道后发生的线性变换。通常假设：这时上式变为： 调制信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)调制信道数学模型19第4章 信 道n(t)：加性噪声，无论有无信号其始终存在。k(t)：乘性干扰，没有信号时没有乘性

8、干扰。因 k(t) 随 t 变，故信道称为时变信道。若 k(t) 作随机变化，则称信道为随参信道。若 k(t) 变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。20第4章 信 道4.3.2 编码信道模型 编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。 调制信道对信号的影响：通过 k(t) 和 n(t) 使信号波形失真。 编码信道对信号的影响：是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列，使序列中的数字发生错误。 故有时把编码信道看成是一种数字信道。 21第4章 信 道可以用错误概率来描述编码信道的特性，这种错误概率通常称为转移概率，例如P(0/0)、P(0/1)。 二进制编码信道简单模型

9、无记忆信道模型P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)发送端接收端 P(0/0)和P(1/1) 正确转移概率 P(1/0)和P(0/1) 错误转移概率 P(0/0) = 1 P(1/0) P(1/1) = 1 P(0/1) 编码信道中产生错码的原因以及转移概率的大小主要由调制信道不理想造成。22第4章 信 道4.4 信道特性对信号传输的影响恒参信道的影响恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道和某些视距传输线路恒参信道实质上是一个非时变线性网络，因此只要知道这个网络的传输特性，就可以利用信号通过线性系统的分析方法得知信号通过恒参信道时受到的影响。恒参信道的主要传输特

10、性通常用振幅-频率特性（简称幅频特性）和相位-频率特性（简称相频特性）来描述。第4章 信 道信道的幅频特性不理想会引起幅频畸变（又称频率失真）。衰耗(dB)频率(Hz)原因：感性负载、容性负载如何引起畸变？ 幅频特性（ ）23不同频率的信号受到的幅度衰减程度不一样24第4章 信 道红：基波蓝：三次谐波黑：信号（合成波）信号由基波和三次谐波组成，且幅度比为2:1传输后基波比三次谐波衰减得多，比值为2:1从图中可看出信号不同频率分量的衰耗不同造成信号幅度畸变（即波形失真）。25第4章 信 道改善 ： 加线性补偿网络，即“均衡”= 为常数，不会出现幅度畸变线性补偿网络 H2()H1()H() 条件：

11、26第4章 信 道 相频特性不理想会引起相频畸变，主要原因是 容性、感性负载。 相频特性经常采用群迟延频率特性来衡量：它代表信号的不同频率成分的传输迟延。如何引起畸变？ 相位频率特性27第4章 信 道红：基波蓝：三次谐波黑：信号（合成波）信号由基波和三次谐波组成，且幅度比为2:1传输后，由于迟延不同，基波相移，三次谐波相移2从图中可看出信号不同频率分量的传输迟延不同造成信号相频畸变，波形失真了，对于数字信号传输，它同样会引起严重的码间串扰。如何改善？28第4章 信 道k信号不同频率成分有相同的传输迟延，因此不会畸变29第4章 信 道+= 为常数，不会出现相频畸变改善 ： 加线性补偿网络，即“均

12、衡”()2()1() 条件：1()+2()= C线性补偿网络 H2()H1()H()30第4章 信 道结论：注意：以上两个条件需同时满足。 幅频特性为常数； 相频特性为线性或群迟延为常数。恒参信道信号传输不失真的条件：31第4章 信 道随参信道的影响随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播随参信道的特性：衰减随时间变化时延随时间变化多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。 下面重点分析多径效应32第4章 信 道多径效应分析：设 发射信号为 接收信号为式中 由第 i 条路径到达的接收信号振幅； 由第 i 条路径达到的信号的时延；

13、上式中的 都是随机变化的。33第4章 信 道应用三角公式可以将接收信号改写成： 上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。式中 接收信号的包络 接收信号的相位 缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅34第4章 信 道所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。这种包络起伏称为快衰落 衰落周期和码元周期可以相比。另外一种衰落：慢衰落 由传播条件引起的。 35第4章 信 道多径效应简化分析（仅两条传播路径）：设 发射信号为：f(t) 仅有两条路径，路径衰减相同，

14、时延不同 两条路径的接收信号为：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) 其中：A 传播衰减，0 第一条路径的时延， 两条路径的时延差。求：此多径信道的传递函数设 f (t) 的傅里叶变换（即其频谱）为F()： 36第4章 信 道则有故可得此多径信道的传递函数为上式右端中，A 常数衰减因子， 确定的传输时延，其模为1所以该结论可直接用于计算37第4章 信 道传播极点传播零点当2/，即信号带宽f 1/时必然出现传播零点，将1/称为两条路径信道的相关带宽。衰落与频率有关，故称为频率选择性衰落。38第4章 信 道多径传播的相对时延差用最大多径时延差m 表示，则 为多径信道的相关带宽；推广

15、到多径传播：为了不引起明显的选择性衰落，要求信号的带宽小于相关带宽f 。39第4章 信 道综上所述，接收信号可分为以下3类：确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号； 随相信号：接收码元的相位随机变化； 起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。 通过多径信道传输的信号都具有这种特性。多径效应的影响：多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。40第4章 信 道4.5 信道中的噪声噪声信道中存在的不需要的电信号。又称加性干扰。按噪声来源分类人为噪声 例：开关火花、电台辐射

16、自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声41第4章 信 道热噪声来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 频率范围：均匀分布在大约 0 1012 Hz。热噪声电压有效值： 式中k = 1.38 10-23（J/K） 波兹曼常数； T 热力学温度（K）； R 阻值（）； B 带宽（Hz）。性质：高斯白噪声42第4章 信 道按噪声性质分类脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多，频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。 窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。起伏噪声：包括热噪声、电子管

17、内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。43第4章 信 道窄带高斯噪声带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声。窄带高斯噪声功率：式中 Pn(f) 双边噪声功率谱密度44第4章 信 道为了描述窄带噪声的带宽，我们引入噪声等效带宽的概念。将噪声功率谱密度曲线的形状变为矩形，并保持噪声功率不变（即图中矩形虚线的面积等于噪声功率谱密度曲线的面积），且令矩形的高度等于原噪声功率谱密度曲线的最大值Pn(f0)，则此时有： 噪声功率谱特

18、性 Pn(f)45第4章 信 道 Pn(f)即：式中的 Bn 就是噪声等效带宽。噪声等效带宽的物理概念：以此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特性滤波器的噪声功率，等于通过实际滤波器的噪声功率。利用噪声等效带宽的概念，在后面讨论通信系统的性能时，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽 Bn 内是恒定的。46第4章 信 道4.6 信道容量 4.6.1 离散信道容量（信息论内容，略）定义：指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。信道容量表征了信道的极限传输能力。47第4章 信 道 4.6.2 连续信道容量对于带宽有限、平均功率有限的高斯白噪声连续信道，可以证明其信道容量为：式中 S为信号平均功率（W），N为噪声功率（W）， B 为 带宽（Hz）。设噪声单边功率谱密度为n0，则N = n0B；故上式可以改写成：由上式可见，连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。 48第4章 信 道当S ，或n0 0时，Ct 。但是，当B 时，Ct将趋向何值？令：x = S / n0B，上式可以改写为：利用关系式上式变为49第4章 信 道上式表明，当给定S / n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S / n0的1.4