郑州大学通信原理牛虹第4章

信道：无线信道－电磁波有线信道－电线、光纤信道中的干扰：有源干扰－噪声无源干扰－传输特性不良本章重点：

信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。1目前一页\总数六十七页\编于六点4.1无线信道无线信道电磁波的频率－受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层：地面上0~10km平流层：约10～60km电离层：约60～400km地面对流层平流层电离层10km60km0km2目前二页\总数六十七页\编于六点传播路径地面图4-1地波传播电磁波的传播：地波传播频率<2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米

3目前三页\总数六十七页\编于六点地面信号传播路径图4-2天波传播电磁波的传播：天波传播频率：2~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：4000km4目前四页\总数六十七页\编于六点

电离层：离地面60—600km的大气层

成因——太阳辐射的紫外线和X射线组成——分子，原子，离子，自由电子半导体媒质由于折射率随高度增加而减小，当短波在电离层传播时，因逐步折射使轨道发生弯曲，在某一高度产生全反射，使信号返回地面，形成短波电离层反射信道。一跳距离4000公里。

D层，F1层（夜晚消失）E层，F2层（经常存在）5目前五页\总数六十七页\编于六点视线传播：频率>30MHz距离:和天线高度有关

(4.1-3)

式中，D–收发天线间距离(km)。[例]若要求D=50km，则由式(4.1-3)ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图4-3视线传播m电磁波的传播：6目前六页\总数六十七页\编于六点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：图4-4无线电中继7目前七页\总数六十七页\编于六点无线电视距中继——沿视线传输工作频率：超短波和微波，中继距离：30~50km。终端站终端站中继站中继站中继站电波传播路径

特点：传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金属、投资少、维护方便，被广泛用来传输多路电话及电视等。8目前八页\总数六十七页\编于六点

卫星中继构成同步通信卫星（中继站，转发器）地球站（终端站）上下行线路

卫星中继信道示意图

轨道：赤道平面高度：35860Km时间：24h，静止覆盖范围：18000Km9目前九页\总数六十七页\编于六点

工作频段：L频段(1.5/1.6GHz)C频段(4/6GHz)Ku频段(12/14GHz)Ka频段(20/30GHz)特点：通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、覆盖区域广等。但信号衰减大（对发射功率要求高），电波往返所需要的时间较长（对于静止卫星约需0.26s左右），造价高。10目前十页\总数六十七页\编于六点平流层通信：用位于平流层高空平台的转发站代替卫星作为基站。高空平台：17-22km，充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机可覆盖500km通信区域；费用低，延迟小，建设快，容量大。11目前十一页\总数六十七页\编于六点图4-7对流层散射通信地球有效散射区域散射传播电离层散射 机理－由电离层不均匀性引起 频率－30~60MHz

距离－1000km以上对流层散射 机理－由对流层不均匀性（湍流）引起 频率－100~4000MHz

最大距离<600km12目前十二页\总数六十七页\编于六点流星余迹散射

流星余迹特点－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 特点－低速存储、高速突发、断续传输流星余迹13目前十三页\总数六十七页\编于六点4.2有线信道明线电缆光纤14目前十四页\总数六十七页\编于六点明线架空明线，电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸线，用于20世纪初。安装简单，传输损耗比电缆低，但通信质量差，受气候环境等影响较大并且对外界噪声干扰比较敏感。基本已被淘汰，但在我国一些农村和边远地区或受条件限制的地方仍有架空明线15目前十五页\总数六十七页\编于六点对称电缆传输损耗大，传输特性稳定，价格便宜、安装容易。16目前十六页\总数六十七页\编于六点

双绞线(TwistedPair)也称双扭线，由一对或多对相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成（减少对邻近线对的电磁干扰）。双绞线的外层可以再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。屏蔽双绞线(STP，ShieldTwistedPair)非屏蔽双绞线(UTP，UnShieldTwistedPair)

传输模拟和数字信号；通信距离：几到十几千米；导线越粗，距离越远，价格越高；性能价格比高。17目前十七页\总数六十七页\编于六点3.同轴电缆(CoaxialCable)结构：内导体（铜质单股实心线或多股绞合线)、外导体（网状编织屏蔽层）介质层保护塑料外层特点：对外界干扰具有较好的屏蔽，抗电磁干扰性能较好。大量用于有线电视网络。18目前十八页\总数六十七页\编于六点4.光纤芯:非常细的玻璃或塑料纤维线，介质包层:折射率低，可使光波保持在芯线内外套:塑料或其它材料防止外部的潮湿气体侵入，防止磨损或挤压19目前十九页\总数六十七页\编于六点2a2bn1n1n2n2均匀：非均匀：单模：光的传播没有反射，而沿直线传播多模：可以有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播20目前二十页\总数六十七页\编于六点基本要求：低损耗，低色散21目前二十一页\总数六十七页\编于六点损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55m0.7

0.9

1.11.31.5

1.7光波波长（m）1.55m1.31m图4-12光纤损耗与波长的关系22目前二十二页\总数六十七页\编于六点4.3信道的数学模型广义信道：传输媒质+系统中的一些转换装置

调制信道编码信道编码信道调制信道23目前二十三页\总数六十七页\编于六点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。通常假设：这时上式变为： －信道数学模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)图4-13调制信道数学模型24目前二十四页\总数六十七页\编于六点k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰；

而n(t)称为加性干扰。因k(t)随t变，故信道称为时变信道。若k(t)作随机快变化，称信道为随参信道；若k(t)变化很慢或很小，则称为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰；加性干扰特点：独立于信号，叠加在信号之上。25目前二十五页\总数六十七页\编于六点4.3.2编码信道模型

编码信道调制信道26目前二十六页\总数六十七页\编于六点二进制编码信道简单模型－无记忆信道模型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) P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)图4-13二进制编码信道模型发送端接收端27目前二十七页\总数六十七页\编于六点四进制编码信道模型01233210接收端发送端28目前二十八页\总数六十七页\编于六点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…

编码信道调制信道29目前二十九页\总数六十七页\编于六点影响：确定的，变化缓慢信号恒参信道非时变线性网络信号等效30目前三十页\总数六十七页\编于六点传输特性幅频特性相频特性群迟延-频率特性信号非时变线性网络信号31目前三十一页\总数六十七页\编于六点

理想线性网络：幅频特性、相频特性

群迟延-频率特性

32目前三十二页\总数六十七页\编于六点典型电话信道幅频特性——幅频失真

(a)插入损耗～频率特性300~3000Hz平坦；300Hz以下和3000Hz以上衰耗增加很快。33目前三十三页\总数六十七页\编于六点影响：波形幅度失真，码间串扰原因：信道中的电抗元件（滤波器，混合线圈，串联电容，分路电感等）措施：设计信道传输特性，控制幅频畸变；加线性补偿网络——均衡34目前三十四页\总数六十七页\编于六点

典型电话信道相频特性和群迟延频率特性——相频失真

35目前三十五页\总数六十七页\编于六点两种都属于线性失真影响：模拟语音不显著，数字码间串扰原因：信道中的电抗元件（滤波器，混合线圈，串联电容，分路电感等）措施：通过设计改善滤波特性，加线性补偿网络——均衡影响信号传输的其他因素：非线性畸变（元器件振幅特性）频率偏移（收发载频）相位抖动（载频不稳）36目前三十六页\总数六十七页\编于六点变参信道的影响变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。变参信道举例：天波、地波、散射传播…变参信道的特性：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。37目前三十七页\总数六十七页\编于六点 设发射信号为 接收信号为

(4.4-1)

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； 都是随机变化的。38目前三十八页\总数六十七页\编于六点

改写成：

(4.4-2)

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39目前三十九页\总数六十七页\编于六点所以，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。

40目前四十页\总数六十七页\编于六点

衰落：信号包络因传播出现起伏的现象

快衰落（多径引起）：衰落周期和码元周期可以相比。慢衰落－由传播条件引起的。41目前四十一页\总数六十七页\编于六点多径效应简化分析：设发射信号为：f(t)

仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同两条路径的接收信号为：Af(t-0)和Af(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：此多径信道的传输函数设

42目前四十二页\总数六十七页\编于六点

则有

故得出此多径信道的传输函数为

A－常数衰减因子， －确定的传输时延， －和信号频率有关的复因子，其模为43目前四十三页\总数六十七页\编于六点 多径信道的传输衰减与信号频率及时延差有关。曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差。而是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落。图4-18多径效应44目前四十四页\总数六十七页\编于六点图4-18多径效应信号带宽大于1/时，信号频谱中不同频率分量的幅度之间会出现强烈的差异实际情况：有多条路径。设m－多径中最大的相对时延差定义：相关带宽＝1/m定义：相关带宽＝1/45目前四十五页\总数六十七页\编于六点多径效应的影响： 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。46目前四十六页\总数六十七页\编于六点接收信号的分类确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号；随相信号：由于传输时延的随机性，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47目前四十七页\总数六十七页\编于六点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、电台辐射自然噪声－例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声48目前四十八页\总数六十七页\编于六点热噪声来源：电阻性元器件中自由电子的热运动。频率范围：均匀分布在大约0～1012Hz。热噪声电压有效值： 式中

k=1.3810-23（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49目前四十九页\总数六十七页\编于六点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。其频谱较宽。例如电火花。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正弦波。起伏噪声：包括热噪声、电子管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。50目前五十页\总数六十七页\编于六点前置BF解调器高斯白噪声带通型窄带高斯噪声窄带高斯噪声：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。带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声51目前五十一页\总数六十七页\编于六点式中Pn(f)－双边噪声功率谱密度图4-19噪声功率谱特性Pn(f)52目前五十二页\总数六十七页\编于六点噪声等效带宽：

式中 Pn(f0)－原噪声功率谱密度曲线的最大值

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。

图4-19噪声功率谱特性Pn(f)53目前五十三页\总数六十七页\编于六点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。54目前五十四页\总数六十七页\编于六点4.6信道容量信道容量－指信道能够传输的最大平均信息速率。

4.6.1离散信道容量两种不同的度量单位：C－每个符号能够传输的平均信息量最大值Ct

－单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换55目前五十五页\总数六十七页\编于六点计算离散信道的信道容量发送符号：x1，x2，x3，…，xn接收符号：y1，y2，y3，…，ymP(xi)=发送符号xi的出现概率，

i＝1，2，…，n；P(yj)=收到yj的概率，

j＝1，2，…，mP(yj/xi)=转移概率，即发送xi的条件下收到yj的条件概率x1x2x3y3y2y1接收端发送端xn。。。。。。。。。ym图4-20信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)56目前五十六页\总数六十七页\编于六点[发送xi时收到yj所获得的信息量]=[发送xi前接收端对xi的不确定程度（即xi的信息量）]—[收到yj后接收端对xi的不确定程度][发送xi时收到yj所获得的信息量]=-log2P(xi)-[-log2P(xi

/yj)]对所有的xi和yj取统计平均值，收到一个符号时获得的平均信息量：平均信息量/符号＝57目前五十七页\总数六十七页\编于六点平均信息量/符号＝式中 －为每个发送符号xi的平均信息量，称为信源的熵。 －为接收yj符号已知后，发送符号xi的平均信息量。 收到一个符号的平均信息量只有[H(x)–H(x/y)]，而发送符号的信息量原为H(x)，少了的部分H(x/y)就是传输错误率引起的损失。

58目前五十八页\总数六十七页\编于六点二进制时设发送“1”的概率P(1)=， 则发送“0”的概率P(0)＝1-

信源的熵H()可以写成：由此图可见，当＝1/2时， 此信源的熵达到最大值。 这时两个符号的出现概率相等， 其不确定性最大。图4-21二进制信源的熵H()59目前五十九页\总数六十七页\编于六点无噪声信道发送符号和接收符号 一一对应。此时P(xi

/yj)=0；

平均信息量/符号＝H(x)–H(x/y)所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为H(x)。而原来在有噪声条件下，从一个符号获得的平均信息量为[H(x)－H(x/y)]。说明H(x/y)即为因噪声而损失的平均信息量。x1x2x3y3y2y1接收端发送端。。。。。。。yn图4-22无噪声信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn60目前六十页\总数六十七页\编于六点容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值

(比特/符号)当信道中的噪声极大时，H(x/y)=H(x)。这时C=0，即信道容量为零。容量Ct的定义：

(b/s)

式中r－单位时间内信道传输的符号数61目前六十一页\总数六十七页\编于六点0011P(0/0)=127/128P(1/1)=127/128P(1/0)=1/128P(0/1)=1/128发送端图4-23对称信道模型接收端【例4.6.1】设信源由两种符号“0”和“1”组成，符号传输速率为1000符号/秒，且这两