通信原理第四章

第三章信道信道和噪声的一般知识：一、信道及其数学模型二、恒参信道三、随(变)参信道四、信道中的噪声五、信道容量一、信道及其数学模型（1）狭义信道：信号的传输媒质

1、有线信道:包括明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等

2、无线信道:地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等广义信道：除包括传输媒质外，还可以包括有关的变换装置(如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等)。

1、调制信道：如图4-13所示，调制器输出端到解调器输入端的部分。用于研究调制和解调

2、编码信道：如图4-14，4-15，编码器输出端到译码器输入端的部分。用于研究信道编译码波段划分及各波段传播特点极长波100000m极低频ELF3KHz以下超长波100000-10000m甚低频VLF3-30KHz长波10000-1000m低频LF30-300KHz近距离300km内：地表面波远距离2000km：主要天波中波1000-100m中频MF300-3000KHz白天被电离层吸收，地表面波晚上，天波参加，距离远短波100-10m高频HF3-30MHz天波，地面吸收强，但海面较好超短波10-1m（米波）甚高频VHF30-300MHz空间波分米波100-10cm特高频UHF300-3000MHz直视传播（微波）厘米波10-1cm超高频SHF3-30GHz直视传播（微波）毫米波10-1mm极高频EHF30-300GHz直视传播（微波）亚毫米1-0.75mm超极高频300-400GHz直视传播（微波）信号通过信道时，一般受到两种类型的干扰或损害：信道对信号的确定性的干扰产生原因：信道的幅度和相位传输特性不理想。如色散、频率偏移、信道非线性等。解决方法：原则上可通过均衡方法解决。信道对信号的随机性的干扰产生原因：各种加性和乘性噪声。如热噪声、脉冲噪声和短波及散射信道中的随机衰落现象等。解决方法：通过选择合理的信号形式、最佳接收方法和适当的误差控制等加以限制。一、信道及其数学模型（2）调制信道模型：信道特点：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，即满足叠加原理。3、具有一定的迟延时间和固定的或时变的损耗。4、即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率稳出(噪声)。其输出与输入的关系可以写成：ei(t)：输入的已调信号、eo(t)：信道总输出波形、n(t)：加性噪声(或称加性干扰)、设n(t)与ei(t)相互独立。一、信道及其数学模型（3）假定：信道对信号的影响：

1、乘性干扰k(t)，

2、加性干扰n(t)。k(t)及n(t)不同，信道的特性不同：

1、恒(定)参(量)信道，即k(t)可看成不随时间变化或基本不变化

2、随(机)参(量)信道，它是非恒参信道的统称，k(t)随机快变化。成立，则有一、信道及其数学模型（4）编码信道模型：包含调制信道，故它要受调制信道的影响。1、无记忆编码信道：一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关2、有记忆编码信道：一码元的差错与其前后码元是否发生差错有关如常用到的二进制无记忆编码信道模型：P（0/0）0P（1/1）011P(X/Y)称为信道转移概率P(0/0)=1-P(1/0)、P(1/1)=1-P(0/1)Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)一、信道及其数学模型（5）二、恒参信道(1)其k(t)可看成不随时间变化或基本不变化。如：

1、有线：架空明线、电缆、光导纤维等。

2、无线：中长波地波传播、超短波及微波视距传播，人造卫星中继、光波视距传播等传输媒质构成的信道。几种有线信道：

1、明线：与电缆相比，传输损耗低。但易受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感，频带窄。

2、对称电缆：传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定，

3、同轴电缆：传输特性稳定、频带宽、损耗大

4、光纤信道：损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰等优点。光纤信道组成：光源、光纤线路及光调制器/光电探测器。中继器。有两种类型：

1、直接中继器：直接将光信号放大以补偿光纤的传输损耗。

2、间接(再生)中继器：将光信号先解调为电信号，经放大或再生处理后，再调制到光载波上，利用光纤继续传输。二、恒参信道(2)色散：指信号的群速度随频率或模式不同而引起的信号失真这种物理现象。多模光纤的色散有三种：1、材料色散：由材料的折射指数随频率而变化引起的色散。2、模式色散：在多模光纤中，由于一个信号同时激发不同的模式，即使是同一频率，各模式的群速也是不同的。这样引起的色散称为模式色散。3、波导色散：对同一模式，不同的频谱分量有不同的群速，由此引起的色散。光纤色散将会使信号产生畸变，它限制着通信容量和信号传输距离的增加。二、恒参信道(2)无线电视距中继 指工作频率在超短波和微波波段，电磁波基本上沿视线传播，当微波天线高度在50m左右，直视通信距离约为50km。依靠中继方式延伸通信距离，它主要用于长途干线、移动通信网及某些数据收集。无线电中继信道的构成如图4-4所示。它由终端站、中继站及各站间的电波传播路径中继方式：直接中继、间接(再生)中继传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，以及和同轴电缆相比，可以节省有色金属等优点，被广泛用来传输多路电话及电视。二、恒参信道(3)卫星中继信道：特殊形式的微波接力通信

由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。

1、无源卫星：只能反射无线电信号，现已被淘汰。

2、有源卫星：可以转发无线电信号，是现在的主要发展对象低地球轨道LEO(LowEarthOrbit)：距地面500-5000km，卫星运行周期在2—4h； 链路，如果轨道高度太低，，这样，卫星寿命受影响，。中地球轨道MEO：距地面5000-20000km，运行周期4-12h；静止轨道GEO(Geostationary)，距地面为35786km，卫星运行周期为24h。也叫同步通信卫星。如图4-5所示卫星轨道越低：传输损耗小、时延小，受大气阻力影响大，会消耗更多燃料，器件腐蚀也较严重，寿命越短。卫星轨道越高，对地面覆盖区域则愈大，所需卫星数越少，但传输损耗亦大、时延大。特点：传输距离远、覆盖地域广、信道特性稳定可靠、传输容量大。二、恒参信道(4)恒参信道可用一个非时变的线性网络来等效。用幅度-频率特性及相位-频率特性来表征。于是网络的传递函数及H(ω)可表示为：为网络的幅度-频率特性(简称幅频特性)；为相位-频率特性(简称相频特性)理想信道的条件(即信号通过网络无畸变条件)为：则理想信道的输出信号υO(t)及其频谱分别为：可见，信号通过理想恒参信道时其波形不失真，只是幅度上变为原来的K0，时间上延迟了二、恒参信道(5)二、恒参信道(6)：畸变

幅度-频率畸变：是—种线性畸变如何减小幅度-频率畸变：1、滤波：2、均衡：加线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。

通常采群迟延-频率特性来衡量，即相位-频率特性对频率的导数。若相位-频率特性用φ(ω)来表示，则群迟延-频率特性τ(ω)为：τ(ω)=φ(ω)/dω采取均衡措施也可得到补偿。相位-频率畸变：是—种线性畸变非线性畸变：主要由信道中元器件的振幅特性非线性引起的，它造成谐波失真及若干寄生频率等；频率偏移：通常是由于载波电话(单边带)信道中接收端解调载频与发送端调制载频之间有偏差造成的；相位抖动：也是由于调制和解调载频不稳定性造成的，这种抖动的结果相当于发送信号附加上一个小指数的调频。二、恒参信道(7)：畸变

三、荡随(变)参信测道（1）变参姨信道姑的参呆数k(堪t)随时出间而咐变化颤，特铸性复炸杂。献如短波女电离斥层反两射、俭超短葛波流阅星余抵迹散父射、现超短以波及闭微波抹对流极层散青射、颂超短局波电支离层艳散射菜以及疏超短节波超金视距突绕射倘调制允信道短波羽、超甚短波惠、微桑波传播餐路径西：1、地寄波传阔播：惜沿地冒表面姿传播区。距薄离近国，限晚于几黎十千炕米范咐围。2、对汇流层研散射件：离塞地面10怀-1义2k膝m以下发的大扎气层狠。在梯对流付层中塘，由攻于大未气湍炮流运呈动等耽原因皇产生剃了不蚁均匀说性，慨引起横电波亩散射时。3、天棋波传弟播：贞由电华离层果反射尤传播脏。天波翠传播丽：由向电离池层反爆射传器播。睛距离示远（童多次诸反射救可传袋几千女，乃矮至上前万千富米）弊。在超天波冻和地殊波作总用距董离之皱间的(几十够至一粪百多肾公里)区域晨内，笨短波伙信号妖很弱始，称发为寂汇静区骑。电离旷层：布离地尖面高60蹦-6传00阵km的大唇气层挺。由顷分子旗、原停于、窃离子腾及自缸由电乖子组务成的塘。形予成的国主要薄原因程是太且阳辐撞射的舌紫外攻线和x射线翼。电菜离层编可分效为D、E、F1、F2等四纽奉层，跟电子万密度叛依此占增加乏。1、D层：漫离地喉面高耕度60一90坛km，夜婚间消监失。D层不桑足以终反射孝短波睛，但将都给各穿透D层的休电波民以较漂大约滩吸收化损耗介。所炮以又唉称为窃吸收停层。霞随着牌频率葬的降鸣低，顷吸收准损耗营加大划。工决作频弊率低酿于某跟一“晒最低本可用参频率贷”时箩，过颈大的休吸收馒损耗央将使赔通信槐中断姿。2、E层：岸高度l温00一12货0k兄m。与D层一颗样，敏在太狼阳照笛射下叙形成闸，对举短波萌起反跟射作妨用。贵但夜斜间E层近奸于消柿失，悄失去恭对短渗波的隶反射烧。3、F层：膨对短搬波有疮良好横的反招射作顺用，种也称午反射律层。懒分为F1和F2F1层：临高度千为17挺0一22拿0k鸭m，电能子密缘瑞度较坛夜晚贤明显夕减弱僻；F2层：罢高度璃在22臂5—贩45孟0k隙m左右愧，夜仍间虽握不完答全消心失，锈但电炭子密胃度较议白天更降低拼一个楼量级苍，保冶持了句反射徐作用烫。三、榨随(变)参信孕道(2捧):短波声电离垒层反射信道1、临摇界频轨率f0：能趁从电氏离层卵反射雹的最殃高频卫率。低于比此频粒率时透，该线层对字垂直溉入射聪波的懂电波俘将起盟反射婶作用惑；而当藏频率太高于f0时，筐垂直派入射得的电羽波将器穿出母该层徐。2、最残高可炒用频共率(M尽UF池):当电故磁波句以φ0角入寇射时物，能遵从电离层障反射维的最锹高频肯率。工作茫频率盒应采马用按盖近于碑最高笼可用富频率朱。原因刃：低兵频率秒的电腔波将践受到菊较大啦的吸琴收损紧耗；萍同时驼，电环离层葡的各论分层需都可裁能对偶它产病生反物射，傍多径原传输绑效应泰严重主。整个鹅电离污层的川最高用可用揪频率物实际独上为叠电子暂密度础最大伞的F2层的故最高怜可用普频率欧。此裕时，例理论罢上只组有一倒条传戒输路响径。这从而氏避免载多径穿传输虎带来券的种察种弊袍端。通常汽将工边作频疾率取母在(0效.8一0.肉9)抛MU溉F。三、盒随(变)参信爽道(2暑):短波杏电离恢层反射信道多径哄传播序：发晚端发广射的摧电波零通过伸多条之途径耗传播纳到收孤端。由于希不同透路径正的长怨度及京其对青电波选的延枯时不牌同，跌信号创到达榴收端夕的时芳间有锯先有沫后，皆其(最大)时间鹿差称窑为多鲜径延宗时差担。其朵大小光决定困了多精径传蚂播对挪通信轻系统盟性能羽影响哀的程洞度。主要祥原因塑：1、电拦波经历电离态层的点一次聪反射笋和多倘次反俭射；2、几叹个反略射层竭高度蛇不同容；3、电念离层于不均刷匀性途引起践的漫库射现仰象；4、地赤球磁尾场引维起的到电磁获波束孩分裂蛇成寻旱常波以与非茎寻常城波等寺。多径撒效应稿引起专：信年号衰日落(接收根信号德强度赖随机桨起伏)、频寒率弥迟散及说频率您选择项性衰退落。三、熄随(变)参信哄道(2乎):短波板电离恨层反射信道此外誉还会钞引起谊：快衰浅落：当短波斥电离镇层多窃径干论涉衰荣落的价速率(每秒崭钟通运过中诸值的崇次数)在每倚秒零王点几的到几醋次之践间这廊种衰蛋落。慢衰激落：琴干涉寒衰落兆的周详期为继小时遥甚至村更长客的时床间。赤如何出克服柳快衰作落的摧影响映：一群般采蜜用分靠集接向收。优点错：(1责)要求狗的功督率较扎小终布端设屡备的因成本忘较低(2完)传播犁距离闷远；(3令)受地功形限详制较馒小(4野)不易震受到废人为往破坏轰。缺点叨：(1蜜)传输遵可靠键性差(2炕)由于来电离咸层的穷变化晚，需般要经孔常更珍换工掀作频扁率；(3巴)存在挤快衰能落与冰多径钥时延躺失真刑；(4梢)干扰招电平昼高。三、伏随(变)参信晕道(2羡):短波毒电离捎层反射信道三、潜随(变)参信屿道（3）:对信傲号传走输的纠影响随参转信道斑的输沾媒质期有三循个特威点：(1艘)对信与号的归衰耗侨随时溜间而钟变化(2忍)传输姻的时微延随趴时间骗而变(3挥)多径隆传播顺（由散发射舒端发效出的旷信号悄可能找通过冒多条晋路径劈燕到达符接收中点）分析散发射去波Ac判os功(ω0t)经n条路己径传柔播后射的接树收信传号R(陡t)？μi(t元)、τi(t退)分别股为第i条路岔径的婆接收村信号羽振幅尊、传兵输时蓄延一般湾，μi缘瑞(稀t)、Φi星(t任)的变庄化比杨与发窃射载嘉频要夸缓慢陵得多谎，因传而，XC(t拌)、XS(t毁)及包姓络V(养t)、相兴位Φ(站t)也是穗缓慢旧变化车的。己于是奏，R(姓t)可视奶为一货个窄推带过顷程。侧如图3-笑18所示。设多谁径传劝播的缠路径杠只有皆两条董，且首到达轮接收电点的汉两路烟信号垒具有程相同俗的增饰益V0和一炒个相签对时墓延差τ，用窄下图享所示壤的模咐型来饺表示扣。求其敢传输正特性牢：设发投射信碰号为f(男t)：则：三、能随(变)参信滋道（3）:对信失号传祸输的底影响其中如图4-熄191、由尸图可船看出脏：对承于不株同的研频率察，信日道的竖衰减到不相休同。2、如幼果发仅送信弯号的爆频谱页足够纹宽，浆包括逐零、步极点箭所在辅的频煮率成犯分，这些唉频率骨成分盛将受每到不仆同程便度的父衰减脚产生鸟严重鞠的失哭真。这种帆现象矿类似假于信组号通晶过一钻个有冤选择辱性的掏衰耗劲网络馅，因域此称为频率芽选择痕性衰叮落。设最泛大多舰径时封延差轨为τm，则耕定义迹相邻动传输龙零点窜的频拖率间购隔(通常烈称为绵多径损传播五媒质及的相唤关带尺宽)为Δf更=1恩/τ巨m。结论影：为焰不引逃起明叶显的暴频率乘选择据性衰到落，乐传输件信号炉的频化带必姥须小浓于多肾径传学输媒智质的改相关磁带宽Δf。3、多拒径传贺输原凉理一紫样：春用最锦大多锋径时就延差卧来估稳算传孝输零突极点胞在频率掘轴上捉的位捡置，已从而抛确定捎传输轿信号家的频怪带。三、渠随(变)参信键道（3）:对信洒号传煌输的嚼影响三、离随(变)参信龟道（3）:随参熔信道糖特性千的改愉善分集润接收(分散茄接收跃，集坦中合械并)：将稍接收倍端同之时获终得几抚个不同路岸径的鞋信号昆适当届合并爬构成疤总的彻接收尾信号棍。分集观目的剃：减备小衰砖落的拍影响筝。分集脊要求兵：只愤要被摔分集五的几厨个信客号之润间是伐统计浮独立筐的。分集扩接收称的基饥本方骡法：1、空懒间分雪集：赔几副鹊天线悔，并梯相距虹足够浇远。2、频期率分狼集：陵多个秩不同返载频抽，并昌相差欣足够办大。3、角史度分纽奉集：度天线煌波束脉指向叛不同棵使信中号不凉相关勾的原侄理。4、极送化分隔集：予分别袭接收势水平堡极化圈和垂茅直极捷化波召。5、时律间分茄集：产不同挨时间方上重急复发雹送同误一信浙号波滔形信号膜合并系的方贺法:1、最金佳选贷择式心：选北择其寻中信征噪比捉最好驳的一借个作依为接欧收信向号2、等病增益提相加丘式：烦将各条支路烤直接论相加3、最爬大比兽值相蜓加式惊：各睡支路抛加权扣相加椒。加性明噪声蜓、乘裙性噪白声白(色)噪声茎、有衫色噪镜声信道雅中加渡性噪要声的度来源懂的不遮同，—般分逆为：无线历电噪驼声：挽它来跟源于闪别的挠无线屑电发帖射机牧。工业尽噪声但：来拣源于百各种蛋电气宰设备岁。自然俯噪声管（天先电噪倒声）傅，指绿自然益界存匪在的册各种乌电磁吨波源怜。内部病噪声昏。内凝部噪此声是谦系统肺设备原本身宰产生询的各遣种噪沟声。按随牛机噪套声的揉性质浮进行秀分类惜，可于分为总：单频某噪声案：是桌一种利连续询波的较干扰(如外烛台信危号)，主渐要特记点是卸占有故极窄救的频杏带，堆但在徒频率帐轴上晚的位搬置可家以实坊测。脉冲催噪声辨：是昂在时葡间上策无规兄则地净突发耐的短致促噪钞声，俘但持蹲续时呼间短神。从许频谱浑上看厘，脉注冲噪主声通乞常有脊较宽沸的频盛谱(从甚闲低频拥到高辛频)，但川频率布越高树，其已频谱拒强度障就越改小。起伏陕噪声彩：以随热噪下声、船散弹部噪声只及宇怎宙噪免声为鲁代表宗的噪展声。透特点贫是，补无论这在时糕域内炕还是拦在频诵域内糊它们壁总是贱普遍圾存在离和不郊可避直免的练。四、阔信道扎中的错噪声芝（１四）四、宾信道患中的谜噪声吃（2）：起伏费噪声热噪谱声：导体阻中，路自由颠电子著的布集朗运采动引涉起的倚噪声渣。服从拍高斯泳分布，可膏以证引明，自由馅电子花电流来的功寸率密尺度谱为a是每始秒钟—个电诱子平竿均碰桌撞的身次数络，k为玻站尔兹国曼常爱数(k佛=1怖.3泉80们5蔽x吉10赌-2约3J姐/K奇)，T为热垒噪声蛇源的鼓绝对克温度心，G为电已阻R的电脾导。当ω/会a〈剂〈1时，热噪擦声具辆有均茂匀的倍功率屿密度染谱，承称热筐噪声插为白噪鞋声。（通傍常我责们认级为热现噪声纪是高厨斯白姻噪声饿）由上规式，阁可以落对单接个噪酬声电插阻描徒述如架下：噪声饭电阻R表示越为无幻玉噪声澡电导G(肠G＝1/清R)和功跌率谱插密度逆为2k爪TG的噪渣声电痕流i的并担联即旅诺顿雷等效痛电路拉如上衰图左仅所示姑。或档上图绪右的洁戴维吐南等蹦效电挺路所科示。壤对e(畏t)＝R*拿i(窑t)两边敢求平肯方,再积洽分,则左照边e(茎t)的双句边功吩率密允度谱鹅为设噪赤声的姑电流嚼源i(趴t)及电赴压源v(即t)的均搁方根根值分禾别为In及Vn，则结由功干率谱秧密度绵定义绩：四、壮信道夕中的季噪声争（2）：起伏妥噪声散弹约噪声完：由肤真空浸电子停管和洪半导股体器丘件中喊电子浮发射省的不允均匀失性引考起的劝。具行有较胁宽的挖频谱让。一靠般而仓言，论在10鲁0M气Hz以下相的频贵率范狠围内保，散笑弹噪呀声的凡功率斤谱密饱度可残认为说是恒承定值附。宇宙卷噪声馆：天吗体辐队射波搜对接尝收机筛形成衬的噪往声。悦它在庄整个齿空间御的分丢布是诞不均勺匀的扫。实蜻践证版明宇火宙噪卧声也圈是服押从高料斯分效布律塔的，唐在一衫般的州工作麻频率杜范围呆内，酿也具灭有平罚均的导功率桌谱密秋度。综上摩所述炕，这吵些起翼伏噪闸声都接可认妖为是帖一种舌高斯斥噪声视，且桑在相币当宽苹的频顽率范萍围内槐具有歼平坦裤的功核率谱史密度丘，并水服从踪蝶高斯误分布钳，被点近似萝地表桃述成骗高斯邪白噪够声四、基信道番中的融噪声束（2）：起伏淡噪声带宽逃定义信号(或噪从声)带宽阿：由扑信号(或噪链声)能量井谱密谊度或笑功率川谱密置度在丽频域姐的分粱布规肢律确纠定的挑。信道沿带宽硬：由抗传输基电路党的传造输特迈性决暴定的执。根据仓信号垦的通掘频带歪，对比传输漂电路略提出流恰当士的频躺带要捞求，疤尽量休做到董在信侨号不塑失真乡丰或失牢真不位大的童条件亿下提渠高信娘噪比框。常用比以下每三种谢方法权定义婶信号(或噪凝声)带宽B：设带通鞠型噪裳声的功但率谱涌密度Pn剩(ω岛)如图烧所示膝，假安设Pn叫(ω垃)在ω0及-ω0处分杆别有疗最大申值Pn次(ω0)及Pn心(-针ω0)，信号泰带宽笨定义等效对矩形妙带宽用一始个矩秩形的岁频谱萍代替倾信号沫的频橡谱，尾矩形枪频谱浪具有民的能博量与符信号撤能量润相等庆。矩怎形频蠢谱的绳幅度友为信泪号频畏谱峰封值。由得以集桨中一近定百凯分比判的能乔量(功率)来定饿义。可取90％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