矿大通信原理课件CH 4 信道

4.1引

言

广义信道按包含的功能，可划分为调制信道与编码信道，如图所示。信道（信号通道）狭义信道：信号的传输媒质广义信道：媒质及有关变换装置（发送、接受设备，天线、馈线，调制解调器，等）有线信道无线信道1图4–1调制信道和编码信道广义信道定义原因：只关心变换的最终结果，而无需关心详细的物理过程。调制信道：指图中调制器输出端到解调器输入端的部分，又称模拟信道。研究调制和解调时，常用调制信道。编码信道：指图中编码器输出端到译码器输入端的部分，有时又称数字信道。4.2信

道

数

学

模

型

24.2信道的数学模型

调制信道模型调制信道具有如下共性：

1）有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端；

2）绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；3）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到(固定或时变的)损耗；4）即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功率输出(噪声)。模型因此，可用一个二对端(或多对端)时变线性网络来表示调制信道，如图。3则二对端数学模型可以写为其中，n(t)为加性噪声（或加性干扰）；k(t)依赖于网络的特性，反映网络特性对的作用。k(t)的存在，对来说是一种干扰，通常称为乘性干扰。分为两大类K(t)4在分析乘性干扰k(t)，可以把信道粗略分为两大类：恒参信道：指k(t)可看成不随时间变化或相对于信道上传输信号的变化较为缓慢的调制信道（常可等效为一个线性时不变网络来分析）。随参信道：是非恒参信道的统称，或者说，k(t)是随机变化的调制信道。编码信道模型5编码信道模型编码信道模型用数字的转移概率来描述。

最常见的无记忆的二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图4-3所示。（所谓信道无记忆是指：一码元的差错与其前后码元的差错发生是相互独立的。)1001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)图4-3二进制编码信道模型xy信道转移概率6在此模型中，P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)、P(1/0)称为信道转移概率。其中P(0/0)与P(1/1)是正确转移的概率，而P(0/1)与P(1/0)是错误转移概率。需要注意：转移概率完全由编码信道特性决定。一个特定的编码信道，有确定的转移概率。1001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)图4-3二进制编码信道模型xy误码率7误码率为Pe=P(0)×P(1/0)+P(1)×P(0/1)

1001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)图4-3二进制编码信道模型xy4.3恒参信道84.3恒参信道特性及其对信号 传输的影响

恒参信道主要包括架空明线、电缆、中长波地波传播、超短波及微波视距传输、卫星中继、光纤等传输媒质构成的信道。

模型恒参信道特性9恒参信道的传输特性通常可用幅度-频率特性及相位-频率特性来表征。在信号无失真传输中（理想信道）H(ω)=K0e-jωtd：

∣H(ω)∣=K0（衰减），

φ(ω)＝-ωtd

（时延）。只对ei(t)进行幅度的衰减和时延。理想10幅度－频率畸变

产生原因：

由有线电话信道中可能存在的各种滤波器、混合线圈、串联电容、分路电感等造成信道的幅度－频率特性不理想所引起的，又称为频率失真。一般典型音频电话信道可用图4-4所示的幅度－频率特性曲线近似表示。

频率(Hz)030011002900衰耗(dB)图4-4典型音频电话信道的相对衰耗产生的影响

11产生的影响：

对于模拟信号：造成波形失真对于数字信号：造成码间串扰引起相邻码元波形在时间上的相互重叠克服措施：

改善信道中的滤波性能增加线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦 ——均衡器相位－频率畸变

12相位－频率畸变

产生原因：

来源于信道中的各种滤波器及可能的加感线圈。相位-频率畸变是指信道的相位-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。

分析方法：

常采用群延迟-频率特性(相位-频率特性对频率的导数)来衡量；若相位-频率特性用φ(ω)来表示，则群迟延-频率特性实际典型的电话信道的群迟延-频率特性13对理想信道，呈现性关系，(为常数)的曲线将是一条水平直线，如图4-5。实际典型的电话信道的群迟延-频率特性如图4-6。

图4-5理想的相位—频率特性及群延迟—频率特性=K0

K0

0.81.62.43.20.20.40.60.81.0相对群延迟ms频率(kHz)图4-6群延迟—频率特性畸变实例14非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变,如图4-7。（动画演示）

群迟延畸变和幅频畸变一样，是线性畸变。因此，也可采取均衡措施进行补偿。

4.4随参信道特性及其对信号传输的影响

154.4随参信道特性及其对信号 传输的影响

随参信道及其主要特性随参信道包括短波电离层反射、超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射等传输媒质所构成的调制信道。

在此以短波（10m<λ<100m的无线电波）电离层反射信道为例对随参信道进行简单介绍，其传输路径如图。

16电离层是指离地面高60~600km的大气层。当短波电磁波经过时经反射、折射完成远距离的反射传输，同时也受到衰减、延时等影响。

随参信道主要具有三个特点：

17随参信道主要具有三个特点：

多径传播后的接收信号将是衰减和时延都随时间变化的各条路径的信号的合成。对信号的衰耗随时间而变化；传输的时延随时间而变化；多径传播。引起多径传播的主要原因18引起多径传播的主要原因：

多径传输的影响19多径传输的影响(主要从多径时延差的影响进行研究)两径传输模型（设衰减相同）

设到达接收点的两路信号具有相同的强度和一个相对时延差τ。当信号经过上图所示的两径传播后，其合成输出信号将随着输入信号的频率、两径的时延差τ的不同而变化，如下图。

20常把多径传输对信号传输的影响称为一般衰落及频率弥散和频率选择性衰落。

一般衰落及频率弥散21一般衰落及频率弥散

当τ≠0时，输出信号包络和相位是缓慢变化的，可视为一个窄带过程：

波形上，多径传播的结果使确定的载波信号Acos0t变成了包络和相位都受到调制的窄带信号，这样的信号通常称之为衰落信号；频谱上，多径传输引起频率弥散，即由单个频率变成一个窄带频谱。包络V(t)的一维分布服从瑞利分布，称为瑞利型衰落。(t)的一维分布服从均匀分布。频率选择性衰落

22频率选择性衰落

信号频谱中某些分量的一种衰落（衰减大）现象，这是多径传播又一个重要特征。

仍然以两径传播为例，随着信号频率的改变，输出信号的波形(幅度)也不相同。模型的传输特性为：传输特性的幅度-频率特性为幅频特性曲线23多径效应幅频特性曲线如图当（n为整数）时，出现传播极点；当时，出现传输零点。另外，相对时延差一般是随时间变化的，故传输特性出现的零点与极点也是随时间变化的。相关带宽24相关带宽多径传播中，频率选择性同样依赖于相对时延差。此时，相对时延差（简称多径时延差）通常用最大多径时延差m来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。

定义相邻传输零极点的频率间隔为多径传播媒质的相关频带。

为了不引起选择性衰落，传输信号的频带必须小于多径传播媒质的相关频带Δ。

如，数字传输时，为减小码间干扰影响，通常要限制数字信号的传输速率。

一般衰落及频率弥散和频率选择性衰落都是非线性畸变，一旦产生很难采用一般方法将其消除掉。

随参信道特性的改善——分集接收

25随参信道特性的改善——分集接收

分集接收的原理分集接收的基本思想：分散得到几个统计独立的合成信号并集中这些信号，那么经适当的合并后构成总的接收信号，就能使系统的性能大为改善。分集的分类26分集接收的种类

空间分集：在接收端架设几副有足够的间距（100个信号波长以上）天线，以保证各天线上获得的信号基本相互独立。频率分集

：用多个不同载频传送同一个消息，如果各载频的频差相隔比较远，则各载频信号也基本互不相关。角度分集：利用天线波束指向不同信号不相关的原理构成的一种分集方法。极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种极化方法。集中方法27合并方法最佳选择式

：从几个分散信号中选择其中信噪比最好的一个作为接收信号；

等增益相加式：将几个分散的信号以相同增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号；最大比值相加式：使各支路增益分别与其信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。图中K为分集重数，r为合并后输出信噪比的平均值。284.6信道加性噪声

调制信道对信号传输的影响，包括乘性干扰k(t)和加性干扰n(t)。

加性干扰n(t)也称加性噪声，简称噪声。29加性噪声来源与分类来源

人为噪声：来源于其它无关的信号源，如外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射、荧光灯干扰等；自然噪声：自然界存在的各种电磁波源，如闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其它各种宇宙噪声等；

内部噪声：系统设备本身产生的各种噪声，如导体中自由电子的热运动（热噪声）、电源哼声等。30根据特征分为单频噪声：占有频率很窄的连续波噪声；特点：可视为一个已调正弦波，其幅度、频率或者相位是事先不能预测的。但这种噪声占有极窄的频带，在频率轴上的位置可以测量进而防止，因此并不是所有的通信系统中都存在。如外台信号等。

单频噪声,脉冲噪声，起伏噪声

脉冲噪声31脉冲噪声

：时间上无规则地突发的短促噪声；特点：突发的脉冲幅度大，但持续时间短，相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段。有较宽的频谱，但随频率升高能量降低。如工业上的点火辐射，闪电即偶然的碰撞和电气开关通断产生的噪声等。起伏噪声

32起伏噪声

：以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声；

特点：无论在时域还是频域内它们都是普遍存在和不可避免的；是影响通信质量的主要因素之一，是研究噪声的主要对象。起伏噪声组成33起伏噪声来源热噪声

电阻类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。散弹噪声

由真空电子管或半导体器件中电子发射的不均匀性引起的噪声。

宇宙噪声

是指天体辐射波对接收机形成的噪声。

起伏噪声特点34起伏噪声特点高斯白噪声，且在相当宽的频谱内具有平坦的功率谱密度；经信道、接受转换设备后输出为窄带高斯噪声；对于带宽为Bn的窄带高斯噪声，认为它的功率谱密度Pn()在带宽Bn内是平坦的。

4.7信道容量354.7信道容量信道容量：信道能够传输的最大平均信息速率，即信道的极限传输能力。从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类：

离散信道：输入和输出的信号都是取离散的时间函数；即广义信道中的编码信道；（编码信道）连续信道：输入和输出信号都是取值连续的时间函数；即广义信道中的调制信道。离散信道的信道容量36离散信道的信道容量离散信道模型

(a)是无噪声信道，（b）是有噪声信道。P(xi)——发送符号xi的概率，P(yj)——收到符号yj的概率，P(yj/xi)——发送为xi而收到yi的转移概率。

平均互信息量I(X,Y)

37平均互信息量I(X,Y)

在有噪声信道中，发送符号为而收到符号为时所获得的信息量，即互信息量。

它等于发送符号的信息量减去收到符号yi后对xi的不确定程度：

式中，——收到而发送为的条件概率。

38

对所有发送为而收到为的互信息量取统计平均，则得到从Y中获得的关于X的平均信息量即平均互信息量I(X,Y):式中，H(x)——表示发送的每个符号的平均信息量； H(x/y)——表示发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量。信息传输速率R39信息传输速率R与信道容量C

信道在单位时间内所传输的平均信息量称为信息传输速率R，可表示为式中，r为单位时间内传送的符号数。该式表示有噪声信道中信息传输速率等于每秒钟内信息源发送的信息量与由信道不确定性而引起的丢失的那部分信息量之差。

显然，在无噪声时R=rH(x)；如果噪声很大时，H(x/y)H(x)，则信道传输信息的速率为R0。信道容量40信息传输速率与单位时间传送的符号数目r、信息源概率分布及信道干扰的概率分布有关。对于一切可能的信息源概率分布来说，信道传输