通信原理课件(樊昌信版)

通信原理（第7版）

信道第4章1通信原理（第7版）信道第4章1信道分类信道模型恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声信道容量

本章内容:

第4章信道

2信道分类本章内容:第4章信道2

—传输媒质有线信道——明线、电缆、光纤无线信道——自由空间或大气层

概述狭义信道：广义信道：

调制信道——研究调制/解调问题编码信道——研究编码/译码问题信道的定义与分类3—传输媒质概述狭义无线信道§4.14无线信道§4.14对流层平流层电离层10km60km0km对流层：约

0~10km平流层：约10~60km电离层：约60~400

km地球大气层的结构：5对流层平流层电离层10km60km0km对流层：约地波ground-wave频率：<2MHz特性：有绕射能力距离：数百或数千米用于：AM广播传播路径

地波传播方式传播路径天波传播方式无线信道电磁波的传播方式：天波sky-wave频率：2~30MHz特性：被电离层反射距离：<4000km（一跳）用于：远程、短波通信6地波ground-wave传播路径地波传播方式传播路径ddh接收天线发射天线传播途径Drr视线传播方式

频率：>30MHz特性：直线传播、穿透电离层用途：卫星和外太空通信超短波及微波通信距离：与天线高度有关

视线传播line-of-sight无线信道D

为收发天线间距离(km)

设收发天线的架设高度均为40m，则最远通信距离为：

D=44.7km例如7ddh接收发射传播途径Drr视线传播方式频率：>30微波中继（微波接力）卫星中继（静止卫星、移动卫星）平流层通信8微波中继（微波接力）8无线信道微波中继9无线信道微波中继9无线信道卫星中继地面站地面站地球10无线信道卫星中继地面站地面站地球10对流层散射通信地球有效散射区域无线信道散射通信11对流层散射通信地球有效散射区域无线信道散射通信11流星余迹无线信道流星余迹散射特性:

高度80~120km，长度15~40km

存留时间：小于1秒至几分钟频率:

30~100MHz距离:

1000km以上用途:低速存储、高速突发、断续传输12流星余迹无线信道流星余迹散射特性:高度80~120有线信道§4.2明线对称电缆同轴电缆光纤13有线信道§4.2明线对称电缆同轴电缆光纤131880年纽约街貌明线141880年纽约街貌明线14屏蔽双绞线(STP)（可减少噪声干扰）非屏蔽双绞线(UTP)（便宜、易弯曲、易安装）由多对双绞线组成有线信道对称电缆15屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)由多对有有线信道同轴电缆16有线信道同轴电缆16

宽带（射频）同轴电缆：75Ω，用于传输模拟信号多用于有线电视（CATV）系统传输距离可达几十千米

基带同轴电缆：50Ω，多用于数字基带传输速率可达10Mb/s传输距离<几千米有线信道17宽带（射频）同轴电缆：基带同轴电缆：有线信道17单模阶跃折射率光纤

光纤结构示意图结构：纤芯包层按折射率分类：阶跃型梯度型按模式分类：多模光纤单模光纤有线信道光纤18单模阶跃折射率光纤光纤结构示意图结构：有线信道光纤18缺点应用优点有线信道19缺点应用优点有线信道19信道数学模型§4.320信道数学模型§4.320

模型：有一对（或多对）输入端和输出端大多数信道都满足线性叠加原理对信号有固定或时变的延迟和损耗无信号输入时，仍可能有输出（噪声）共性：叠加有噪声的线性时变/时不变网络：§4.3.1调制信道模型21模型：有一对（或多对）输入端和输出端共性：叠加有噪声的线性入出关系：22入出关系：22不同的物理信道具有不同的特性C()=常数（可取1）加性高斯白噪声信道模型23不同的物理信道具有不同的特性C()=常数（可取1）加性+=1二进制无记忆编码信道模型可用转移概率来描述。+=1P(0/0)

P(1/1)

正确P(1/0)

P(0/1)

错误

模型：§4.3.2编码信道模型24+=1二进制可用转移概率来描述01233210接收端发送端四进制无记忆编码信道2501233210接收端发送端四进制25恒参/随参信道特性对信号传输的影响§4.426恒参/随参信道特性对信号传输的影响§4.426特点：传输特性随时间缓变或不变。举例：各种有线信道、卫星信道…

1.

传输特性幅频特性相频特性线性时不变系统

恒参信道特性及其对信号传输的影响

2.无失真传输27特点：传输特性随时间缓变或不变。1.传输特性恒参信道群迟延特性幅频特性相频特性28恒参信道群迟延特性幅频特性相频特性28

若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:恒参信道固定的迟延固定的衰减——这种情况称为无失真传输理想恒参信道的冲激响应:29恒参信道固定的迟延固定的衰减——这种情况称为无失真传输理想

3.失真影响措施恒参信道群迟延失真:

幅频失真：

相频失真：相邻码元之间发生重叠303.失真影响措施恒参信道群迟延失真:幅频失真：相频特性典型音频电话信道:

幅度衰减特性群迟延频率特性恒参信道31相频特性典型音频电话信道:幅度衰减特性群迟指传输特性随时间随机快变的信道。随参信道特性及其对信号传输的影响短波电离层反射信道32指传输特性随时间随机快变的信道。随参信道特性及其对随参信道

衰减随时间变化时延随时间变化

多径传播多径传播示意图：33随参信道衰减随时间变化多径传播33

3.多径效应第i条路径接收信号振幅经过n条路径传播（各路径有时变的衰落和传输时延），且经过各条路径到达接收端的信号相互独立—

多经传播的影响传输时延则接收信号为

设发送信号为幅度恒定频率单一343.多径效应第i条路径经过n条路径传播（各路径有时变的衰根据概率论中心极限定理：当n足够大时，x(t)和y(t)趋于正态分布。

同相~正交形式包络~相位形式瑞利分布均匀分布多径效应包络相位随机缓变

的窄带信号西安电子科技大学通院35根据概率论中心极限定理：当n同相~正交形式包络~波形发送信号接收信号频谱结论36波形发送信号接收信号频谱结论36我们更关心的问题：多径效应37我们更关心的问题：多径效应37多径效应传输衰减均为K

传输时延分别为1和2发射信号接收信号设两条路径的信道为f(t)fo(t)=Kf(t-1)+

Kf(t-2

)信道传输函数fo(t)

=2-1相对时延差则接收信号为常数衰减因子确定的传输时延因子与信号频率有关的复因子38多径效应传输衰减均为K发射信号接收信号设两条路径的信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。——频率选择性衰落如何减小？信道幅频特性频选衰落的含义：信道对不同f的信号分量的衰减大小不同，且随时间变化.39信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。——频率选信道相关带宽：定义为相邻传输零点的频率间隔

，工程经验公式：

4.减小频率选择性衰落的措施△f

△f

＝1/应使信号带宽Bs

＝(1/3~1/5)△f数字信号的码元宽度:Ts

＝(3~5)→RB↓mmBs

<△f40信道相关带宽：归纳

随参信道特性

多径效应

减小衰落的措施41归纳随参信道特性多径效应减小衰落的措施41信道噪声§4.542信道噪声§4.5421.何谓噪声

按噪声来源

2.噪声类型人为噪声自然噪声内部噪声

（如热噪声）脉冲噪声

窄带/单频噪声

起伏噪声（热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）起伏噪声

按噪声性质431.何谓噪声2.噪声类型人为噪声脉冲噪声热噪声：

式中

k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数T－热力学温度（ºK）R－阻值（）

B

－带宽（Hz）热噪声电压有效值：44热噪声：式中热噪声电压有效值：44归纳信道加性噪声n(t):代表：起伏噪声（热噪声等）

性质：高斯白噪声

n(t)⤳BPF⤳窄带高斯噪声45归纳信道加性噪声n(t):代表：起伏噪声（热噪声等）45平均功率：噪声等效带宽：功率谱：噪声等效带宽

Pn(f)接收滤波器特性通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率

=通过实际接收滤波器的噪声功率。

物理

意义窄带高斯噪声:Pn(f0)46平均功率：噪声等效带宽：功率谱：噪声等效带宽P信道容量§4.6西安电子科技大学通信工程学院

——指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率47信道容量§4.6西安电子科技大学通信工程学院式中，P(xi)‒发送符号xi的概率（i=1,2,3,⋯,n）（1）信源发送的平均信息量（熵）（2）因信道噪声而损失的平均信息量式中，P(yj)‒收到yj的概率（j=1,2,3,⋯,m）；P(xi/yj)‒收到yj后判断发送的是xi的转移概率§4.6.1离散信道容量48式中，P(xi)‒发送符号xi的概率（i=1,2,3,⋯,（3）信息传输速率R

——信道每秒传输的平均信息量[H(x)–H(x/y)]

‒是接收端得到的平均信息量

r

‒信道每秒传输的符号数为（符号速率）——最大信息传输速率：对一切可能的信源概率分布，求R的最大值：含义：每个符号能够传输的最大平均信息量（4）信道容量Ct

等价式：49（3）信息传输速率R——信道每秒传输的平均信息量[H(S

－信号平均功率（W）；B

－带宽（Hz）n0－噪声单边功率谱密度；N=n0B

－噪声功率（W）由香农信息论可证，白噪声背景下的连续信道容量为:——香农公式等价式：§4.6.2连续信道容量50S－信号平均功率（W）；B－带宽（Hz）由香农信息意义：含义：51意义：含义：51

信道容量C依赖于B、S和n0增大S

可增加C，若S

，则C

；

减小n0

可增加C，若n0

0，则C

；

增大B

可增加C，但不能使C无限制增大。

当B

时，C将趋向一个定值：结论：

信道容量和带宽关系S/n0S/n0BC1.44(S/n0)52信道容量C依赖于B、S和n0结论：信道容

C一定时，信道带宽B、信噪比S/N、传输时间t三者之间可以互相转换。增加B，可以换取S/N的降低；反之亦然。

若S/N不变，增加B，可以换取t的减少。应用：【例如】53C一定时，信道带宽B、信噪比S/N、传输时间t三者之间30dB每个像素的信息量一幅图片的信息量解：例5430dB每个像素的信息量一幅图片的信息量解：例54

通信原理（第7版）

信道第4章55通信原理（第7版）信道第4章1信道分类信道模型恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声信道容量

本章内容:

第4章信道

56信道分类本章内容:第4章信道2

—传输媒质有线信道——明线、电缆、光纤无线信道——自由空间或大气层

概述狭义信道：广义信道：

调制信道——研究调制/解调问题编码信道——研究编码/译码问题信道的定义与分类57—传输媒质概述狭义无线信道§4.158无线信道§4.14对流层平流层电离层10km60km0km对流层：约

0~10km平流层：约10~60km电离层：约60~400

km地球大气层的结构：59对流层平流层电离层10km60km0km对流层：约地波ground-wave频率：<2MHz特性：有绕射能力距离：数百或数千米用于：AM广播传播路径

地波传播方式传播路径天波传播方式无线信道电磁波的传播方式：天波sky-wave频率：2~30MHz特性：被电离层反射距离：<4000km（一跳）用于：远程、短波通信60地波ground-wave传播路径地波传播方式传播路径ddh接收天线发射天线传播途径Drr视线传播方式

频率：>30MHz特性：直线传播、穿透电离层用途：卫星和外太空通信超短波及微波通信距离：与天线高度有关

视线传播line-of-sight无线信道D

为收发天线间距离(km)

设收发天线的架设高度均为40m，则最远通信距离为：

D=44.7km例如61ddh接收发射传播途径Drr视线传播方式频率：>30微波中继（微波接力）卫星中继（静止卫星、移动卫星）平流层通信62微波中继（微波接力）8无线信道微波中继63无线信道微波中继9无线信道卫星中继地面站地面站地球64无线信道卫星中继地面站地面站地球10对流层散射通信地球有效散射区域无线信道散射通信65对流层散射通信地球有效散射区域无线信道散射通信11流星余迹无线信道流星余迹散射特性:

高度80~120km，长度15~40km

存留时间：小于1秒至几分钟频率:

30~100MHz距离:

1000km以上用途:低速存储、高速突发、断续传输66流星余迹无线信道流星余迹散射特性:高度80~120有线信道§4.2明线对称电缆同轴电缆光纤67有线信道§4.2明线对称电缆同轴电缆光纤131880年纽约街貌明线681880年纽约街貌明线14屏蔽双绞线(STP)（可减少噪声干扰）非屏蔽双绞线(UTP)（便宜、易弯曲、易安装）由多对双绞线组成有线信道对称电缆69屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)由多对有有线信道同轴电缆70有线信道同轴电缆16

宽带（射频）同轴电缆：75Ω，用于传输模拟信号多用于有线电视（CATV）系统传输距离可达几十千米

基带同轴电缆：50Ω，多用于数字基带传输速率可达10Mb/s传输距离<几千米有线信道71宽带（射频）同轴电缆：基带同轴电缆：有线信道17单模阶跃折射率光纤

光纤结构示意图结构：纤芯包层按折射率分类：阶跃型梯度型按模式分类：多模光纤单模光纤有线信道光纤72单模阶跃折射率光纤光纤结构示意图结构：有线信道光纤18缺点应用优点有线信道73缺点应用优点有线信道19信道数学模型§4.374信道数学模型§4.320

模型：有一对（或多对）输入端和输出端大多数信道都满足线性叠加原理对信号有固定或时变的延迟和损耗无信号输入时，仍可能有输出（噪声）共性：叠加有噪声的线性时变/时不变网络：§4.3.1调制信道模型75模型：有一对（或多对）输入端和输出端共性：叠加有噪声的线性入出关系：76入出关系：22不同的物理信道具有不同的特性C()=常数（可取1）加性高斯白噪声信道模型77不同的物理信道具有不同的特性C()=常数（可取1）加性+=1二进制无记忆编码信道模型可用转移概率来描述。+=1P(0/0)

P(1/1)

正确P(1/0)

P(0/1)

错误

模型：§4.3.2编码信道模型78+=1二进制可用转移概率来描述01233210接收端发送端四进制无记忆编码信道7901233210接收端发送端四进制25恒参/随参信道特性对信号传输的影响§4.480恒参/随参信道特性对信号传输的影响§4.426特点：传输特性随时间缓变或不变。举例：各种有线信道、卫星信道…

1.

传输特性幅频特性相频特性线性时不变系统

恒参信道特性及其对信号传输的影响

2.无失真传输81特点：传输特性随时间缓变或不变。1.传输特性恒参信道群迟延特性幅频特性相频特性82恒参信道群迟延特性幅频特性相频特性28

若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:恒参信道固定的迟延固定的衰减——这种情况称为无失真传输理想恒参信道的冲激响应:83恒参信道固定的迟延固定的衰减——这种情况称为无失真传输理想

3.失真影响措施恒参信道群迟延失真:

幅频失真：

相频失真：相邻码元之间发生重叠843.失真影响措施恒参信道群迟延失真:幅频失真：相频特性典型音频电话信道:

幅度衰减特性群迟延频率特性恒参信道85相频特性典型音频电话信道:幅度衰减特性群迟指传输特性随时间随机快变的信道。随参信道特性及其对信号传输的影响短波电离层反射信道86指传输特性随时间随机快变的信道。随参信道特性及其对随参信道

衰减随时间变化时延随时间变化

多径传播多径传播示意图：87随参信道衰减随时间变化多径传播33

3.多径效应第i条路径接收信号振幅经过n条路径传播（各路径有时变的衰落和传输时延），且经过各条路径到达接收端的信号相互独立—

多经传播的影响传输时延则接收信号为

设发送信号为幅度恒定频率单一883.多径效应第i条路径经过n条路径传播（各路径有时变的衰根据概率论中心极限定理：当n足够大时，x(t)和y(t)趋于正态分布。

同相~正交形式包络~相位形式瑞利分布均匀分布多径效应包络相位随机缓变

的窄带信号西安电子科技大学通院89根据概率论中心极限定理：当n同相~正交形式包络~波形发送信号接收信号频谱结论90波形发送信号接收信号频谱结论36我们更关心的问题：多径效应91我们更关心的问题：多径效应37多径效应传输衰减均为K

传输时延分别为1和2发射信号接收信号设两条路径的信道为f(t)fo(t)=Kf(t-1)+

Kf(t-2

)信道传输函数fo(t)

=2-1相对时延差则接收信号为常数衰减因子确定的传输时延因子与信号频率有关的复因子92多径效应传输衰减均为K发射信号接收信号设两条路径的信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。——频率选择性衰落如何减小？信道幅频特性频选衰落的含义：信道对不同f的信号分量的衰减大小不同，且随时间变化.93信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。——频率选信道相关带宽：定义为相邻传输零点的频率间隔

，工程经验公式：

4.减小频率选择性衰落的措施△f

△f

＝1/应使信号带宽Bs

＝(1/3~1/5)△f数字信号的码元宽度:Ts

＝(3~5)→RB↓mmBs

<△f94信道相关带宽：归纳

随参信道特性

多径效应

减小衰落的措施95归纳随参信道特性多径效应减小衰落的措施41信道噪声§4.596信道噪声§4.5421.何谓噪声

按噪声来源

2.噪声类型人为噪声自然噪声内部噪声

（如热噪声）脉冲噪声

窄带/单频噪声

起伏噪声（热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）起伏噪声

按噪声性质971.何谓噪声2.噪声类型人为噪声脉冲噪声热噪声：

式中

k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数T－热力学温度（ºK）R－阻值（）

B

－带宽（Hz）热噪声电压有效值：98热噪声：式中热噪声电压有效值：44归纳信道加性噪声n(t):代表：起伏噪声（热噪声等）

性质：高斯白噪声

n(t)⤳BPF⤳窄带高斯噪声99归纳信道加性噪声n(t):代表：起伏噪声（热噪声等）45平均功率：噪声等效带宽：功率谱：噪声等效带宽

Pn(f)接收滤波器特性通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率

=通过实际接收滤波器的噪声功率。

物理

意义窄带高斯噪声:Pn(f0)100平均功率：噪声等效带宽：功率谱：噪声等效带宽P信道容量§4.6西安电子科技大学通信工程学院