通信原理第三章课件

第三章

信道

信道是通信系统必不可少的组成部分。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。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。一、信道的定义与分类

1、狭义信道狭义信道是发送设备和接受设备之间用以传输信号的传输媒质。分为两大类。

双绞线压线钳EIA/TIA568A双绞线标准同轴电缆(CoaxialCable)同轴电缆结构中心导体—传递信号绝缘体—隔绝屏蔽网—接地外层包覆—保护外皮同轴电缆的分类基带同轴电缆：50欧姆电缆，用于数字传输。数据传输速率：10Mb/s，信号传输距离：1-1.2km。宽带同轴电缆：75欧姆电缆，用于模拟传输。CATV中标准传输电缆，带宽可达：300-450MHz,传输距离：100km。同轴电缆的优缺点抗干扰能力强带宽较宽，数据传输速率高，传输距离远。价格贵，很重，无法结构化布线应用：电视网络、近距离计算机网络、长途电话传输光纤、光缆轴心：玻璃材质，用来传送光波讯号。被覆层：折射率极低的物质。外皮：不透光的材质,用以隔绝外在的干扰源,保护脆弱的轴心。光电转换器光纤的类型单模光纤：轴心直径较细,约

5~10微米,传输距离长，散射率小，传输性能极佳。多模光纤：轴心直径较宽,约50~100微米,传输距离短,传输性能略差。光纤工作波段目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；82.5Gbps，810Gbps，3210Gbps的光纤传输已经实用常用的三个波长窗口（光纤波段） 0.85um：衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，但价格便宜1.30um：衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）1.55um：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（最坏情况）

对称电缆典型应用：通信电缆每条电缆中有数十甚至上百个线对，用它们接电话或者信号，根据颜色的不同，可以区分它们的顺序。国际标准：正：白红黑黄紫负：兰橙绿棕灰卫星微波物理特性：中继站、相对静止、同步卫星、匹配高度：35784km.传输特性：频率范围：1GHz-10GHz。4/6GHz频段：上行：5.925-6.425GHz

下行：3.7-4.2GHz（饱和）12/14GHz频段：上行：14-14.5GHz

下行：11.7-12.2GHz应用：电视转播、远程电话传输、企业网络蜂窝传输技术物理特性：小区覆盖。传输特性：靠基站布置实现全区域覆盖，具有穿透饶射等能力。900MHz、1800MHz等频段。应用：GSM系统、CDMA网络二、信道的数学模型1.调制信道模型调制信道对信号的影响是由信道的特性及外界干扰造成的，可以用一个二对端（或多对端）的时变线性网络来表示，即只需关心调制信道输出信号与输入信号之间的关系。对于二对端信道模型，其输出与输入的关系有:e0(t)=f[ei(t)]+n(t)ei(t)模拟信号或数字信号；e0(t):信道总输出波形；n(t)：加性噪声，与ei(t)无关。f[·]：通过网络发生的线性变换，假设可以把f[ei(t)]写成k(t)·ei(t),则有e0(t)=k(t)·ei(t)+n(t)

k(t)：产生乘性噪声，它依赖于网络特性，只有ei(t)存在时，乘性噪声才存在。有的信道，其k(t)基本不随时间变化或基本不变化，称为恒参信道；k(t)随机快变化，则称为随参信道（或变参信道）。

即调制信道可分为恒参信道和随参信道。2．编码信道模型编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，因此编码信道可以用数字的转移概率来描述。P(1/1)0011P(0/0)P(0/1)pe=p(0)×p(1/0)+p(1)×p(0/1)由于编码信道包含调制信道，且其特性也紧紧依赖调制信道，调制信道不理想会造成误码，故主要讨论调制信道的特性。调制信道又分为恒参信道和随参信道，下面分别讨论。

在信道有效的传输带宽内，|

H(ω)|不是恒定不变的，而是随频率的变化有所波动。这种振幅频率特性的不理想导致信号通过信道时波形发生失真，又称为幅度频率失真。如有线电话信道的衰减—频率特性就是不理想的网络的传输特性通常可以用幅度—频率特性和相位—频率特性来表征。信号通过线性系统不失真的条件是该系统的传输函数H(ω)=H(ω)ejφ(ω)满足下述条件

如果传输特性不好（即上述两个条件不满足），会使信号传输产生失真（也称畸变）。1、幅度——频率畸变

幅度——频率畸变是信道的幅度——频率特性不理想引起的，主要是在信道有效的传输带宽内，|H(ω)|不是恒定不变的，而是随频率的变化有所波动。这种振幅频率特性的不理想导致信号通过信道时波形发生失真，又称为幅度频率失真。产生原因：信道中存在各种滤波器、混合线圈、串联电容、分布电感等。影响：l

对模拟信号，使波形失真，如语音信号，不同频率强弱变化；l

对数字信号，会引起相邻码元波形在时间上相互重叠（因信道特性变化），从而造成码间串扰、误码。2、1．

相位——频率畸变：经常用群迟延——频率特性来描述相频特性：群迟延——频率特性为：τ(ω)=dφ(ω)/dω，当φ(ω)=-ωtd即τ(ω)=-td时，无相频畸变。ωφ(ω)-ωtdωτ(ω)-td00此时信号的不同频率成分将有相同的群迟延，因而信号经传输后不发生畸变。如果信道的相位——频率特性偏离线性关系，即φ(ω)≠-ωtd

时，由于信号的各次谐波通过信道后的相位关系发生改变，叠加后波形就产生了失真，称为相位频率失真，也称相位畸变。由于相位频率特性的非线性性转化为时延不一致而导致的失真，也称为群时延——频率失真。产生原因：滤波器、加感线圈。影响：语音信号，基谐时间关系失真，对视频影响大。数字信号，产生串扰。

克服措施：l

模拟通信：利用线性补偿网络进行频域均衡，使衰耗特性曲线平坦，联合频率特性无畸变。数字通信：合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间串扰;信道特性缓慢变化时，用时域均衡器，使码间串扰降到最小且可自适应信道特性变化。

三、随参信道特性及其对信号传输的影响

随参信道包括短波电离层反射信道、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。

对流层：离地面10km～12km以下大气层电离层：离地面60～600km大气层，形成电离层的原因是太阳辐射的紫外线和x射线。1．特点：都存在多径传播（即由发射端发出的信号可能通过多条路径到达接收点），且每条路径的衰减及时延都是随时间变化的。

2．影响：引起衰落和频率弥散。1）若发射单频信号Acosω0t，产生衰落和频率弥散接收信号是m条路径信号合成

均匀分布：

2）．对于频带信号产生频率选择性衰落频率选择性衰落：信号在传输过程中，某些频率出现传输零点或极点。以两路径为例，设衰减是恒定的

可见，两径传播的结果将对不同的频率有不同的衰减，甚至出现了传输零点和极点，这就是所谓的频率选择性衰落。

说明：τ是变化的，故传输特性零点、极点是变化的。设最大迟延为τm，则相关带宽Δf=1/τm。当信号带宽B>Δf时，R(t)波形一定有畸变。当信号带宽B<<Δf时，R(t)时强时弱，与发射单频信号时现象相似。

为了不引起明显的频率选择性衰弱，B应小于Δf且采用一定措施使信号稳定。一般取B=（1/3~1/5）1/τm。

3．改善随参信道特性的措施

1）最基本的抗衰落措施是分集接收技术。分集接收就是分散接收，集中汇总输出。2）采用频谱扩展技术，以带宽来换取可靠性。分集接收技术

分别接收若干个独立的携带同一信息的信号，并将它们合并在一起，这些信号应不同时被衰减掉，因而可改善随参信道的传输特性。1)．分集方法空间分集。在接收端架设几副天线。频率分集。用多个不同载频传送同一个消息。角度分集。利用天线波束指向不同使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分集方法。

2)．对分散信号的合并方法（1）最佳选择式选信噪比最好的一个作为接收信号。（2）等增益相加将各信号以相同增益放大、相加。（3）最大比值相加将各信号与信噪比成正比地放大、相加。效果：（3）最好，（1）最差。

五、信道的加性噪声

I(xi/yj)=－log2P(xi/yj)I(x,y)=H(x)－H(x/y)(bit/符号)信息量条件信息量互信息量平均互信息量平均信息量(也称信源熵)

二、信道容量和香农公式

1．信息传输速率：单位时间内所传输的平均信息量。

R=Ht(x)-Ht(x/y)=r[H(x)-H(x/y)]，式中Ht(x)——单位时间内信息源发出的平均信息量，或称信息源的信息速率；

Ht(x)=rH(x)Ht(x/y)——单位时间内对x发送而收到y的条件平均信息量。

Ht(x/y)=rH(x/y)

其中r为单位时间传送的符号数。说明：当无噪声时H(x/y)=0，R=H(x)r；当噪声很大时H(x/y)=H(x)，R=0；信道确定后H(x/y)为定值。

2．信道容量

对一切可能的信源概率分布，信道传输信息的速率R的最大值。

C=max(R)=max[H(x)－H(x/y)]r(bit/s)，显然信源等概率分布时的R即为C，

（一）对于离散信道例：一个由字母A,B,C,D组成的字，对于传输的每一个字母用二进制脉冲编码，00表示A，01表示B，10表示C，11表示D，每个脉冲宽度为5ms。1）不同的字母等概率出现时，计算传输的平均信息速率；2）若每个字母出现的概率分别为

例1：在二进制对称信道中，P(1/0)=P(0/1)=0.01，

r=1000符号/S，求C。解：

可见信道丢失信息速率为81bps。

（二）连续信道

这是著名的香农公式，式中S为信号x的功率，B为信道带

宽，S/N为信道信噪比(功率比)。

物理意义：

香农公式是现代通信的基础，实际通信系统在保持一定信道容量时，根据具体情况解决信号带宽B（有效性）与信噪比S/N（可靠性）的矛盾与统一，如FM系统牺牲带宽换取信噪比的改善；移动通信节省带宽，需要加大发信功率等（码分多址移动通信采用了扩频通信技术，节省发信功率，减小干扰。依此可以画出频带利用率与信噪比关系曲线，并确定出香农极限，作为通信系统设计的参考和指导。

例2.已知电视图像由3×105

个像素组成，设每个像素有64

种色彩，每种色彩有16个亮度等级。试计算：

（1）每秒传送30个画面所需的信道容量；

（2）如果接收机信噪声比为30dB，那么传