第2章信道與噪聲

1、第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 第一章第一章 小小 結結1 1、通信系統(tǒng)的模型、分類與通信方式通信系統(tǒng)的模型、分類與通信方式2 2、信息與事件發(fā)生概率的關系、信息與事件發(fā)生概率的關系3 3、信息量與平均信息量的計算信息量與平均信息量的計算4 4、通信系統(tǒng)的兩個性能指標（模擬、通信系統(tǒng)的兩個性能指標（模擬、數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)）第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 第第2 2章信道與噪聲章信道與噪聲 一一 信道的定義、分類與模型信道的定義、分類與模型 二二 恒參信道及其對傳輸信號的影響恒參信道及其對傳輸信號的影響 三三 隨參信道及其對傳輸信號的影響隨參信道及其對傳輸信號的影響 四四 信道容

2、量信道容量 第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 為什么要研究信道？為什么要研究信道？ 信道特性的優(yōu)劣直接影響到整個通信系統(tǒng)的質量。信道特性的優(yōu)劣直接影響到整個通信系統(tǒng)的質量。研究信道的研究信道的目的目的：弄清對信號傳輸?shù)挠绊懀瑢で筇岣咄ǎ号鍖π盘杺鬏數(shù)挠绊?，尋求提高通信有效性和可靠性的方法。信有效性和可靠性的方法。通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.1.1 2.1.1 信道的定義信道的定義 任何一個通信系統(tǒng)均由發(fā)送端、信道和接收端三任何一個通信系統(tǒng)均由發(fā)送端、信道和接收端三大部分組成。因此，大部分組成。因此，信道是通信系統(tǒng)不可缺少的重要信道是通信系統(tǒng)不

3、可缺少的重要組成部分組成部分。 信道是信道是信號傳輸?shù)拿劫|信號傳輸?shù)拿劫|。通俗地說通俗地說，信道是以傳，信道是以傳輸媒質為基礎的信號通道；輸媒質為基礎的信號通道；具體地說具體地說，信道是指由有，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路；線或無線電線路提供的信號通路；抽象地說抽象地說，信道是，信道是指定的一段頻帶，它讓信號通過，同時又給信號以限指定的一段頻帶，它讓信號通過，同時又給信號以限制和損害。制和損害。2.1 信道的定義、分類信道的定義、分類第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.1.2 2.1.2 信道的分類信道的分類(j)()(j) ()H 幅頻特性恒參信道 其參數(shù)恒定不變相頻特性調制

4、信道多徑效應變參信道 其參數(shù)隨時間而變衰落現(xiàn)象:()()有線信道無線信道狹義信道物理信道調制信道 模擬信道 連續(xù)信道）廣義信道編碼信道 數(shù)字信道（離散信道）信道分類 有記憶信道編碼信道無記憶信道P17 第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 調制信道與編碼信道調制信道與編碼信道編碼器輸入調制器發(fā)轉換器媒質收轉換器解調器譯碼器輸出編 碼 信 道調 制 信 道第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 練習練習 P36 2-1答：所謂調制信道是指從調制器輸出端到解調器輸入端的答：所謂調制信道是指從調制器輸出端到解調器輸入端的部分。從調制和解調的角度來看，調制器輸出端到解調器部分。從調制和解調的角度來看，調制器

5、輸出端到解調器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒質，不論其過程如何，只輸入端的所有變換裝置及傳輸媒質，不論其過程如何，只不過是對已調制信號進行某種變換。不過是對已調制信號進行某種變換。 所謂編碼信道是指編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。所謂編碼信道是指編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。從編譯碼的角度看來，編碼器的輸出是某一數(shù)字序列，而從編譯碼的角度看來，編碼器的輸出是某一數(shù)字序列，而譯碼器的輸入同樣也是某一數(shù)字序列，它們可能是不同的譯碼器的輸入同樣也是某一數(shù)字序列，它們可能是不同的數(shù)字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端，可以數(shù)字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端，可以用一個對數(shù)字序列進行

6、變換的方框來概括。用一個對數(shù)字序列進行變換的方框來概括。 根據調制信道和編碼信道的定義可知，編碼信道包含調根據調制信道和編碼信道的定義可知，編碼信道包含調制信道，因而編碼信道的特性也依賴調制信道的特性。制信道，因而編碼信道的特性也依賴調制信道的特性。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.2 2.2 信道的模型信道的模型 為了建立信道模型，首先必須了解信道的主要特征，其為了建立信道模型，首先必須了解信道的主要特征，其主要特征表現(xiàn)在以下幾個方面：主要特征表現(xiàn)在以下幾個方面：(1) (1) 通信的通信的目的目的是在接收端恢復出原信號，是在接收端恢復出原信號，因此，信道應等效為因此，信道應等效為線性

7、系統(tǒng)線性系統(tǒng)。(2) (2) 信號在信道中傳輸會引起信號在信道中傳輸會引起衰落和時延衰落和時延。衰落使信號幅度發(fā)生變化，傳播時延使得輸出總衰落使信號幅度發(fā)生變化，傳播時延使得輸出總是滯后于輸入是滯后于輸入。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 (3) (3) 信道中存在著信道中存在著干擾或噪聲干擾或噪聲。噪聲和干擾既。噪聲和干擾既有內部的也有外部的，它們的存在對通信會帶來有內部的也有外部的，它們的存在對通信會帶來不利影響。不利影響。(4) (4) 信號在實際信道中傳輸時會信號在實際信道中傳輸時會產生失真產生失真，包，包括線性失真和非線性失真。括線性失真和非線性失真。信道模型分為調制信道模型和編碼

8、信道模型。信道模型分為調制信道模型和編碼信道模型。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 調制信道傳輸?shù)氖钦{制信道傳輸?shù)氖且颜{信號已調信號，它具有的特性：，它具有的特性：1 1、有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出、有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出 端。端。2 2、信道是線性的，滿足疊加原理。、信道是線性的，滿足疊加原理。3 3、信道有一定的遲延時間，有損耗。、信道有一定的遲延時間，有損耗。4 4、即使沒有信號輸入，輸出端仍有一定的功率輸出、即使沒有信號輸入，輸出端仍有一定的功率輸出（噪聲）。（噪聲）。1 1調制信道模型調制信道模型第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 調制信道模型調

9、制信道模型第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 二對端的信號模型，輸入與輸出的關系：二對端的信號模型，輸入與輸出的關系： eo(t)=fei(t)+n(t) 若若f fe ei i( (t t) )滿足滿足 fei(t)=k(t) ei(t) 則稱則稱k k( (t t) )為為乘性干擾乘性干擾，輸出信號可表示為，輸出信號可表示為eo(t)=k(t) ei(t)+n(t) 式中式中，n n( (t t) )為為加性干擾加性干擾。k(t)的性質決定是恒參信道還是隨參信道的性質決定是恒參信道還是隨參信道。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2 2編碼信道模型編碼信道模型 對于對于理想編碼信道理想編碼

10、信道，其前向概率，其前向概率P P( (b bj j/ /a ai i) )滿足：滿足：0) 1/0(, 0)0/1 (1) 1/1 (, 1)0/0(PPPP 對于對于實際編碼信道實際編碼信道，在一般情況下，其前向概，在一般情況下，其前向概率率P P( (b bj j/ /a ai i) )為：為：0) 1/0(, 0)0/1 (1) 1/1 (, 1)0/0(PPPP二進制編碼信道模型二進制編碼信道模型第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 并且滿足并且滿足1) 1/1 () 1/0(1)0/1 ()0/0(PPPP 對于多進制的情況，其編碼信道的模型與二對于多進制的情況，其編碼信道的模型與二

11、進制編碼信道模型類似。進制編碼信道模型類似。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 四進制編碼信道模型四進制編碼信道模型 第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.3 2.3 典型的恒參信道典型的恒參信道 恒參信道恒參信道是由架空明線、電纜、中長波地波傳是由架空明線、電纜、中長波地波傳播，超短波及微波視距傳播，光導纖維以及光波播，超短波及微波視距傳播，光導纖維以及光波視距傳播等傳輸媒質構成的信道。視距傳播等傳輸媒質構成的信道。一、有線信道一、有線信道 通常指雙絞線、同軸電纜、明線和光纖等通常指雙絞線、同軸電纜、明線和光纖等。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 明線（明線（open wire)open

12、 wire)：平行而相互絕緣的架空裸線線路：平行而相互絕緣的架空裸線線路 優(yōu)點：傳輸損耗低；優(yōu)點：傳輸損耗低； 缺點：易受氣候和天氣的影響，對外界干擾敏感。缺點：易受氣候和天氣的影響，對外界干擾敏感。雙絞線雙絞線(twist wire(twist wire）或或對稱電纜對稱電纜：由兩對相互絕緣的雙導線相互絞接而構：由兩對相互絕緣的雙導線相互絞接而構成的傳輸媒質成的傳輸媒質 優(yōu)點：傳輸可靠性高、成本低、敷設方便；優(yōu)點：傳輸可靠性高、成本低、敷設方便； 缺點：頻率范圍窄，傳輸距離短，易受電磁干擾缺點：頻率范圍窄，傳輸距離短，易受電磁干擾(EMI)(EMI)和無線電信號和無線電信號干擾干擾(RFI)

13、(RFI)的影響，傳輸損耗大。的影響，傳輸損耗大。同軸電纜：同軸電纜：由同軸的兩個導體構成的傳輸媒質，外導體是一個圓柱形的空由同軸的兩個導體構成的傳輸媒質，外導體是一個圓柱形的空管管( (或金屬屏蔽網或金屬屏蔽網) )，內導體是金屬芯線，內導體和外導體間填充著絕緣，內導體是金屬芯線，內導體和外導體間填充著絕緣介質。介質。 優(yōu)點：傳輸性能穩(wěn)定、頻率范圍寬、容量大；優(yōu)點：傳輸性能穩(wěn)定、頻率范圍寬、容量大； 缺點：不便于安裝、敷設。缺點：不便于安裝、敷設。光纖光纖：以光導纖維：以光導纖維( (光纖光纖) )為傳輸媒質、光波為載波的光纖信道。為傳輸媒質、光波為載波的光纖信道。 優(yōu)點：損耗低、頻帶寬、重

14、量輕、不怕腐蝕，不受電磁干擾優(yōu)點：損耗低、頻帶寬、重量輕、不怕腐蝕，不受電磁干擾 缺點：光纖不便于連接。缺點：光纖不便于連接。一、有線信道一、有線信道第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 雙絞線雙絞線：又稱為雙扭線，它是由若干對且每對有兩：又稱為雙扭線，它是由若干對且每對有兩條相互絕緣的銅導線按一定規(guī)則絞合而成。條相互絕緣的銅導線按一定規(guī)則絞合而成。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 同軸電纜結構示意圖同軸電纜結構示意圖同軸電纜同軸電纜：由內導線銅質芯線：由內導線銅質芯線( (單股實心線或多股絞單股實心線或多股絞合線合線) )、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層以

15、及保、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層所組成。護塑料外層所組成。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 光光 纖纖(Optical Fiber) 光導纖維光導纖維( (簡稱光纖簡稱光纖) )是光纖通信系統(tǒng)的傳輸是光纖通信系統(tǒng)的傳輸介質。由于可見光的頻率非常高，約為介質。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz108MHz的的量級，因此，一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠遠量級，因此，一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠遠大于其它各種傳輸介質的帶寬，是目前最有發(fā)展大于其它各種傳輸介質的帶寬，是目前最有發(fā)展前途的有線傳輸介質。前途的有線傳輸介質。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 第第2 2章章信道與

16、噪聲信道與噪聲 外 套絕 緣包 層纖 維 芯光纖結構示意圖光纖結構示意圖光纖呈圓柱形，由芯、封套和外套三部分組成。光纖呈圓柱形，由芯、封套和外套三部分組成。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 吸 收 護 套纖 芯包 層(a) 多 模(b) 單 模兩種光纖傳輸示意圖兩種光纖傳輸示意圖多模光纖多模光纖：指光在光纖：指光在光纖中可能有多條不同角中可能有多條不同角度入射的光線在一條度入射的光線在一條光纖中同時傳播光纖中同時傳播單模光纖單模光纖：指光在光：指光在光纖中的傳播沒有反纖中的傳播沒有反射，而沿直線傳播射，而沿直線傳播光纖傳播速度光纖傳播速度10THz bps第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲

17、思考：思考：如何進一步提高光通信的信息傳輸速率和頻帶如何進一步提高光通信的信息傳輸速率和頻帶利用率？能否利用利用率？能否利用光子的軌道角度量光子的軌道角度量？第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 無線視距中繼信道的構成無線視距中繼信道的構成二、無線視距中繼二、無線視距中繼 指工作頻率在超短波和微波波段時指工作頻率在超短波和微波波段時電磁波電磁波基本基本上沿視線傳播，通信距離依靠中繼方式延伸的上沿視線傳播，通信距離依靠中繼方式延伸的無線電線路。相鄰中繼站間距離無線電線路。相鄰中繼站間距離：4050Km第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 視距傳播視距傳播 頻率頻率

18、高于高于30MHz30MHz的電磁波將穿透電離層，不能被反射，的電磁波將穿透電離層，不能被反射，且沿地表繞射能力也很小。且沿地表繞射能力也很小。 應用：衛(wèi)星通信，微波中繼應用：衛(wèi)星通信，微波中繼接收天線接收天線r r地面地面d dr rh hD D發(fā)射天線發(fā)射天線 mrDhrhdDrhrhhdhrrd882222222222第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 三、衛(wèi)星中繼信道三、衛(wèi)星中繼信道由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下行線路構成。由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下行線路構成。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.4.1 2.4.1 恒參信道的數(shù)學模型恒參信道的數(shù)學模型恒參信道是指信道恒參信

19、道是指信道傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)h h(t)(t)不隨時間不隨時間t t變化的信道，變化的信道，也就是說，信道參數(shù)是穩(wěn)定的，也就是說，信道參數(shù)是穩(wěn)定的，不隨時間變化不隨時間變化的的。其輸出與輸入之間的關系為：其輸出與輸入之間的關系為：時域：時域：y(t)=x(t)*h(t) 頻域頻域： Y(j)=H(j)X(j) 恒參信道的模型恒參信道的模型2.4 恒參信道及其對傳輸信號的影響恒參信道及其對傳輸信號的影響h(t)x(t)y(t)卷積：是一種積分運算，它可以用來描述線性移不變系統(tǒng)的輸卷積：是一種積分運算，它可以用來描述線性移不變系統(tǒng)的輸入和輸出的關系，即輸出可以通過輸入和一個表征系統(tǒng)特性的入和輸出的關

20、系，即輸出可以通過輸入和一個表征系統(tǒng)特性的函數(shù)（函數(shù)（沖擊響應函數(shù)沖擊響應函數(shù)）進行卷積運算得到。）進行卷積運算得到。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 H H(j(j) )為信道的傳遞函數(shù)，為信道的傳遞函數(shù)，H H(j(j) )可進一步表示為可進一步表示為H(j)=|H(j)|ej() 式中，式中，| |H H(j(j)|)|為為幅頻幅頻特性，特性，( () )為為相頻相頻特性。特性。(j )(j )dHKt 對于非理想信道對于非理想信道(j )(j )dHKt 對于理想信道（對于理想信道（線性系統(tǒng)不失真的條件線性系統(tǒng)不失真的條件）：）：（K、td 為常數(shù)）第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲

21、 OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)理想信道理想信道的幅頻特性、的幅頻特性、 相頻特性和相頻特性和群遲延群遲延- -頻率特性頻率特性 dtdd群遲延頻率特性群遲延頻率特性:第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 （2 2）對信號在）對信號在時間時間上產生固定的延遲。上產生固定的延遲。（1 1）對信號在）對信號在幅度幅度上產生固定的衰減上產生固定的衰減；理想信道對信號傳輸?shù)挠绊懀豪硐胄诺缹π盘杺鬏數(shù)挠绊懀旱诘? 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.4.2 2.4.2 實際恒參信道的兩類失真實際恒參信道的兩類失真 (1) (1) 幅頻幅頻失真：失真：| |H H(j(j)|)|常數(shù)，而是頻

22、率常數(shù)，而是頻率的函數(shù)。的函數(shù)。 (2) (2) 相頻相頻失真：失真：(j(j)線性函數(shù)，而是頻率線性函數(shù)，而是頻率的非線的非線 性函數(shù)。性函數(shù)。 對于語音信號來說，相頻失真不會對語音的聽覺產生對于語音信號來說，相頻失真不會對語音的聽覺產生較大的影響，對較大的影響，對聽覺產生較大影響的是幅頻失真聽覺產生較大影響的是幅頻失真。 而對于彩色圖像信號來說，則剛好相反，因為彩色圖而對于彩色圖像信號來說，則剛好相反，因為彩色圖像信號中的紅、綠、藍像信號中的紅、綠、藍3 3基色信號是用相位來表示的，因此，基色信號是用相位來表示的，因此，相位失真會對彩色圖像信號產生較大的影響，即相頻失真相位失真會對彩色圖像

23、信號產生較大的影響，即相頻失真對對視頻視頻的影響較大。的影響較大。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 幅度幅度- -頻率失真頻率失真：信號中不同頻率的分量分別受到信道不同的衰落信號中不同頻率的分量分別受到信道不同的衰落例如：確知信號通過恒參信道例如：確知信號通過恒參信道-3 -2-1123 2Retcttei恒參信道恒參信道021 elsewherettth, 020,11e0(t)ei(t)h(t)第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 若在存在有幅度若在存在有幅度-頻率失真的信道中傳輸數(shù)字信號，會引起接受數(shù)字信號頻率失真的信道中傳輸數(shù)字信號，會引起接受數(shù)字信

24、號波形畸變，而且相鄰信號之間在時間上的相互重疊，造成波形畸變，而且相鄰信號之間在時間上的相互重疊，造成符號間干擾。符號間干擾。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 (a) (a) 相頻特性；相頻特性； (b) (b) 群遲延頻率特性群遲延頻率特性 ()O理想特性(b)()O理想特性(a)相位相位-頻率失真頻率失真第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 不管是幅頻失真還是相頻失真，最終都反映不管是幅頻失真還是相頻失真，最終都反映到時間波形的變化上。對于到時間波形的變化上。對于模擬信號模擬信號，將造成，將造成信號失真，輸入輸出信噪比下降；對于信號失真，輸入輸出信噪比下降；對于數(shù)字信數(shù)字信號號，則會引起判

25、決錯誤，誤碼率增高，同樣導，則會引起判決錯誤，誤碼率增高，同樣導致通信質量的下降。致通信質量的下降。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 【例例2-4-12-4-1】設某恒參信道可用下圖所示的線性網絡來等效。設某恒參信道可用下圖所示的線性網絡來等效。試求它的幅頻特性與群時延特性，并說明信號通過時是否試求它的幅頻特性與群時延特性，并說明信號通過時是否存在幅頻失真及相頻失真？存在幅頻失真及相頻失真？RC輸入輸出恒參信道等效電路模型恒參信道等效電路模型(j )(j )dHKt P36 2-5?第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 其輸出與輸入之間的關系為：其輸出與輸入之間的關系為：時域：時域：so(t)

26、=s(t)*h(t) 頻域頻域： Y(j)=H(j)X(j) 恒參信道的模型恒參信道的模型h(t)s(t)so(t)P36 習題習題 2-3第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 例例2-4-2 2-4-2 設某恒參信道的傳輸特性為設某恒參信道的傳輸特性為 ，其中，其中，t td d為常數(shù)。試確定信號為常數(shù)。試確定信號s s( (t t) )通過該信道后輸出信號通過該信道后輸出信號s so o(t)(t)的表達式，并討論是否存在幅頻失真和相頻失真。的表達式，并討論是否存在幅頻失真和相頻失真。00000()()( )1 cos1()21122ddddddj tj tj Tj Tj tj tjtTjt

27、THT eeeeeeee)(21)(21)()()()(00TttsTttsttsthtstsdddodtjeTHcos1 )(0解：解：輸出信號為：輸出信號為：由信道的幅頻特性和相頻特性知信道只有幅頻失真沒有相頻失真。由信道的幅頻特性和相頻特性知信道只有幅頻失真沒有相頻失真。0011( )()()()22dddh tttttTttT沖激響應為：沖激響應為：練習：練習：P36 2-4第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 練習練習 P P3636 2-2 2-2答：信道參數(shù)隨時間緩慢變化或不變化的信道答：信道參數(shù)隨時間緩慢變化或不變化的信道叫恒參信道。通常將架空明線、電纜、光纖、叫恒參信道。通常將

28、架空明線、電纜、光纖、超短波及微波視距傳輸、衛(wèi)星中繼等視為恒參超短波及微波視距傳輸、衛(wèi)星中繼等視為恒參信道。信道。作業(yè)作業(yè)：學習傅立葉變換、傅立葉逆變換、傅立學習傅立葉變換、傅立葉逆變換、傅立葉變換性質（葉變換性質（時移時移、頻移頻移）、卷積、卷積性質）、卷積、卷積性質等概念。等概念。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.5 2.5 隨參信道及其對傳輸信號的影響隨參信道及其對傳輸信號的影響2.5.1 2.5.1 隨參信道的特點隨參信道的特點隨參信道的參數(shù)隨參信道的參數(shù)隨時間隨機變化隨時間隨機變化。典型的一種隨參信道是典型的一種隨參信道是短波電離層反射信道短波電離層反射信道。 電離層電離層距地

29、面高度在距地面高度在6060600 km600 km，它是由帶電粒子組，它是由帶電粒子組成的大氣層。成的大氣層。 利用地面發(fā)射的無線電波在利用地面發(fā)射的無線電波在電離層與地面之間的一次電離層與地面之間的一次反射或多次反射反射或多次反射形成的信道。形成的信道。 由于太陽輻射的變化，電離層的密度和厚度也隨時間由于太陽輻射的變化，電離層的密度和厚度也隨時間隨機變化，因此短波電離層反射信道屬于隨參信道。隨機變化，因此短波電離層反射信道屬于隨參信道。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 短波電離層反射信道最主要的特征是短波電離層反射信道最主要的特征是多徑傳播多徑傳播，其幾種，其幾種形式：形式：(1) (1

30、) 電離層反射區(qū)高度不同；電離層反射區(qū)高度不同；(2) (2) 電波從電離層的一次和多次反射；電波從電離層的一次和多次反射；(3) (3) 地球磁場引起電磁波束分裂成尋常波與非尋常地球磁場引起電磁波束分裂成尋常波與非尋常波；波；(4) (4) 電離層不均勻引起的漫射現(xiàn)象。電離層不均勻引起的漫射現(xiàn)象。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 (a) (a) 一次反射和兩次反射；一次反射和兩次反射；(b) (b) 反射區(qū)高度不同；反射區(qū)高度不同；(c) (c) 尋常波與非尋常波；尋常波與非尋常波； (d) (d) 漫射現(xiàn)象漫射現(xiàn)象ABAB(a)(b)ABAB(c)(d )第第2 2章章信道與噪聲信道與噪

31、聲 對流層散射信道對流層散射信道（隨參信道）（隨參信道）（P P2626圖）圖） （1 1）對流層離地面）對流層離地面101012km12km的大氣層；的大氣層； （2 2）漫反射：對流層中由于大氣湍流運動引起大）漫反射：對流層中由于大氣湍流運動引起大氣層的不均勻，引起電磁波的散射。氣層的不均勻，引起電磁波的散射。 （3 3）電波信號經過對流層散射也會產生）電波信號經過對流層散射也會產生多徑傳播多徑傳播。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 隨參信道的三個方面特點：隨參信道的三個方面特點： (1) (1) 對信號的衰耗隨時間變化而變化；對信號的衰耗隨時間變化而變化； (2) (2) 傳輸?shù)难訒r隨

32、時間隨機變化；傳輸?shù)难訒r隨時間隨機變化； (3) (3) 產生產生多徑效應多徑效應( (多徑傳播多徑傳播) )。恒參信道中理想信道對信號傳輸?shù)挠绊懀汉銋⑿诺乐欣硐胄诺缹π盘杺鬏數(shù)挠绊懀?（1 1）對信號在）對信號在幅度幅度上產生固定的衰減上產生固定的衰減； （2 2）對信號在）對信號在時間時間上產生固定的延遲。上產生固定的延遲。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 練習練習 P P3636 2-2 2-2答：信道參數(shù)隨時間緩慢變化或不變化的信道答：信道參數(shù)隨時間緩慢變化或不變化的信道叫恒參信道。通常將架空明線、電纜、光纖、叫恒參信道。通常將架空明線、電纜、光纖、超短波及微波視距傳輸、衛(wèi)星中繼等視

33、為恒參超短波及微波視距傳輸、衛(wèi)星中繼等視為恒參信道。信道。 信道參數(shù)隨時間隨機變化的信道叫隨參信道。信道參數(shù)隨時間隨機變化的信道叫隨參信道。短波電離層反射信道、對流層散射信道、超短短波電離層反射信道、對流層散射信道、超短波移動通信信道等為隨參信道。波移動通信信道等為隨參信道。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 1 1多徑信道的數(shù)學模型多徑信道的數(shù)學模型 當發(fā)送端發(fā)送一個脈沖信號時，則接收端接收到的是當發(fā)送端發(fā)送一個脈沖信號時，則接收端接收到的是各各條路徑條路徑傳來的信號的合成。傳來的信號的合成。ai(i=1，2，n)為各條路徑的傳輸系數(shù)為各條路徑的傳輸系數(shù)， i(i=1，2，n)為各條路徑的傳

34、輸延時為各條路徑的傳輸延時。2.5.2 2.5.2 多徑效應分析多徑效應分析第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2 2數(shù)學分析結果數(shù)學分析結果設發(fā)送信號為設發(fā)送信號為s s( (t t)=cos)=cosc ct t，則接收信號可表示為，則接收信號可表示為1c12c2cc11( )( )cos()( )cos().( )cos()( )cos( )nniiiiiir ta tta tta tta ttt式中，式中，a ai i( (t t) )為第為第i i條路徑到達接收端的信號幅度；條路徑到達接收端的信號幅度；i i( (t t) )為第為第i i條路徑的延時時間；條路徑的延時時間；i i(

35、 (t t)=)=c ci i( (t t) )為隨機相位。為隨機相位。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 s s( (t t) )與與r r( (t t) )的時域波形的時域波形第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 接收信號接收信號r r( (t t) )的頻譜被展寬的頻譜被展寬第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 分析結果如下：分析結果如下：(1) (1) 從波形上看，多徑傳播的結果是使單一頻率從波形上看，多徑傳播的結果是使單一頻率信號信號s s( (t t)=cos)=cosc ct t變成了包絡變成了包絡a a( (t t) )和相位都隨時間變化和相位都隨時間變化的隨機窄帶信號的隨機窄帶信

36、號r r( (t t)=)=a a( (t t) cos) cosc ct t+ +( (t t) )，這種，這種窄帶信號稱為窄帶信號稱為衰落信號（瑞利型衰落）衰落信號（瑞利型衰落）。(2) (2) 從頻譜上看，多徑傳播使信號的從頻譜上看，多徑傳播使信號的頻譜被展寬頻譜被展寬。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.5.3 2.5.3 多徑效應的頻率選擇性衰落多徑效應的頻率選擇性衰落多徑效應的另一個影響是使信號引起頻率選擇性衰落多徑效應的另一個影響是使信號引起頻率選擇性衰落。頻率選擇性衰落是信號頻譜中某些分量的一種衰落現(xiàn)象。頻率選擇性衰落是信號頻譜中某些分量的一種衰落現(xiàn)象。假設路徑只要兩條：假

37、設路徑只要兩條：頻率選擇性衰落的兩條路徑頻率選擇性衰落的兩條路徑kk延遲(t)si(t)so(t)第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 輸出信號為輸出信號為：0( )( )( )iis tks tks tt 頻域表示為頻域表示為：( )( )0( )( )( )( )1jtjtiiiSkSkSekSe 信道傳輸函數(shù)信道傳輸函數(shù)：( )0( )( )1( )jtiSHkeS kk延遲(t)si(t)so(t)第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 對不同的頻率，兩徑傳播的結果有不同的衰落：對不同的頻率，兩徑傳播的結果有不同的衰落：( )( )( )( )222( )1jtjtjtjtHkekeee (

38、 )2( )2cos2( )2 cos2jttk etk 當當 出現(xiàn)出現(xiàn)傳播極點傳播極點22nn 當當 出現(xiàn)出現(xiàn)傳播零點傳播零點(21)22nn 跟頻率有關的函數(shù)跟頻率有關的函數(shù)第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 例例2-5-1、某隨參信道的兩徑時延差某隨參信道的兩徑時延差 為為1ms，試求試求該信道在哪些頻率上傳輸衰耗最大？選用哪些頻率該信道在哪些頻率上傳輸衰耗最大？選用哪些頻率傳輸信號最有利傳輸信號最有利？(P29)當當 出現(xiàn)出現(xiàn)傳播極點傳播極點22nn 當當 出現(xiàn)出現(xiàn)傳播零點傳播零點(21)22nn 練習練習 P P3737 2-9 2-9 第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.6 2

39、.6 分集接收技術分集接收技術 利用分集接收技術可改善隨參信道的特性。利用分集接收技術可改善隨參信道的特性。 基本原理基本原理：多徑效應主要指接收的信號是到達接收機：多徑效應主要指接收的信號是到達接收機的各路信號的合成。的各路信號的合成。 “分集接收分集接收”包含兩重含義：包含兩重含義：一是分散接收，一是分散接收，使接收端得到多個獨立的衰落信號；使接收端得到多個獨立的衰落信號；二是合并處理，二是合并處理，即將接收的衰落信號進行適當?shù)暮喜?，即將接收的衰落信號進行適當?shù)暮喜ⅲ?從而降低衰落的影響，改善系統(tǒng)性能。從而降低衰落的影響，改善系統(tǒng)性能。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 (1) (1) 空

40、間分集技術空間分集技術: : 在不同位置上接收同一信號。在不同位置上接收同一信號。在接收端架設幾副天線在接收端架設幾副天線, , 其相對位置其相對位置d d 有足夠的距離有足夠的距離, , 使各天線獲取的信號彼此獨立；使各天線獲取的信號彼此獨立； (2) (2) 頻率分集技術頻率分集技術：用多個不同的載頻傳送同一：用多個不同的載頻傳送同一信息，若各載頻的頻差較大，則天線獲取的信號彼此信息，若各載頻的頻差較大，則天線獲取的信號彼此獨立；獨立；(3) (3) 角度分集技術角度分集技術：從不同方向上接收到的信號彼：從不同方向上接收到的信號彼此統(tǒng)計獨立。此統(tǒng)計獨立。分集技術主要有以下幾種方式：分集技術

41、主要有以下幾種方式：(4)(4) 極化分集極化分集：分別接收水平極化和垂直極化波。：分別接收水平極化和垂直極化波。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 對利用分集技術接收到的多個信號進行合成，合對利用分集技術接收到的多個信號進行合成，合成的方法主要有：成的方法主要有：(1) (1) 最佳選擇式最佳選擇式： 從幾個分散信號中選擇信噪從幾個分散信號中選擇信噪比最好的一個作為接收信號。比最好的一個作為接收信號。(2) (2) 等增益相加式等增益相加式： 將幾個分散信號以相同的將幾個分散信號以相同的支路增益進行直接相加后作為接收信號。支路增益進行直接相加后作為接收信號。(3) (3) 最大比值相加式最大

42、比值相加式： 控制各支路增益，使它們控制各支路增益，使它們分別與本支路的信噪比成正比，再相加后作為接收信號。分別與本支路的信噪比成正比，再相加后作為接收信號。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.7 2.7 信道的加性噪聲信道的加性噪聲 概括地講，概括地講，不攜帶有用信息的信號就是噪聲不攜帶有用信息的信號就是噪聲。顯然，噪聲是相對于有用信號而言的，一種信號顯然，噪聲是相對于有用信號而言的，一種信號在某種場合是有用信號，而在另一種場合就有可在某種場合是有用信號，而在另一種場合就有可能是噪聲。能是噪聲。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 根據來源的不同：根據來源的不同： 自然噪聲自然噪聲：存在于

43、自然界的各種電磁波，如閃電、雷暴及：存在于自然界的各種電磁波，如閃電、雷暴及其它宇宙噪聲。其它宇宙噪聲。 人為噪聲人為噪聲：來源于人類的各種活動，如電焊產生的電：來源于人類的各種活動，如電焊產生的電火花、車輛或各種機械設備運行時產生的電磁波和電火花、車輛或各種機械設備運行時產生的電磁波和電源的波動。源的波動。內部噪聲內部噪聲：指通信系統(tǒng)設備內部由元器件本身產生的各：指通信系統(tǒng)設備內部由元器件本身產生的各 種噪聲。種噪聲。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 根據噪聲的表現(xiàn)形式可分為：根據噪聲的表現(xiàn)形式可分為： (1)(1)單頻噪聲單頻噪聲：是一種以某一固定頻率出現(xiàn)的連續(xù)波：是一種以某一固定頻率出

44、現(xiàn)的連續(xù)波 噪聲，如噪聲，如50Hz50Hz的交流電噪聲。的交流電噪聲。 (2) (2)脈沖噪聲脈沖噪聲：是一種隨機出現(xiàn)的無規(guī)律噪聲，如閃：是一種隨機出現(xiàn)的無規(guī)律噪聲，如閃 電、車輛通過時產生的噪聲。電、車輛通過時產生的噪聲。 特點：突發(fā)性，持續(xù)時間短。特點：突發(fā)性，持續(xù)時間短。(3)(3)起伏噪聲起伏噪聲：主要是內部噪聲，而且是一種隨機噪聲。元：主要是內部噪聲，而且是一種隨機噪聲。元器件本身產生的熱噪聲、散彈噪聲都可看成是無數(shù)獨立的器件本身產生的熱噪聲、散彈噪聲都可看成是無數(shù)獨立的微小電流脈沖的疊加，它們是服從微小電流脈沖的疊加，它們是服從高斯分布高斯分布的。的。第第2 2章章信道與噪聲信道

45、與噪聲 單頻噪聲單頻噪聲脈沖噪聲脈沖噪聲起伏噪聲起伏噪聲第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 以上三種噪聲中，單頻噪聲不是所有的信道中以上三種噪聲中，單頻噪聲不是所有的信道中都有的，且較易防止；脈沖噪聲雖然對模擬通信的都有的，且較易防止；脈沖噪聲雖然對模擬通信的影響不大，但在數(shù)字通信中，一旦突發(fā)噪聲脈沖，影響不大，但在數(shù)字通信中，一旦突發(fā)噪聲脈沖，由于它的幅度大，會導致一連串誤碼，造成嚴重的由于它的幅度大，會導致一連串誤碼，造成嚴重的危害，通常采用危害，通常采用糾錯編碼技術糾錯編碼技術來減輕這一危害；起來減輕這一危害；起伏噪聲是信道所固有的一種連續(xù)噪聲，既不能避免，伏噪聲是信道所固有的一種連續(xù)噪

46、聲，既不能避免，又始終起作用，因此必須加以重視。又始終起作用，因此必須加以重視。第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2.8 2.8 信信 道道 容容 量量信道容量是指單位時間內信道中無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊Ｐ诺廊萘渴侵竼挝粫r間內信道中無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊?20log (1)log 1)(b/s)(SSCBBNn BB為信道的帶寬，為信道的帶寬，S S為信號功率，為信號功率，N N= =n n0 0B B為噪聲功率為噪聲功率，S/N為信噪比為信噪比，n0為噪聲功率譜密度為噪聲功率譜密度。2.8.1 連續(xù)信道的信道容量連續(xù)信道的信道容量對對于于連續(xù)信道連續(xù)信道, , 根據根據香農信息論香農信息論, , 可得信道容量的公式為可得信道容量的公式為第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 (1) (1) 任何一個連續(xù)信道都有一個信道容量任何一個連續(xù)信道都有一個信道容量C C，即，即信道的極限傳輸能力為信道的極限傳輸能力為C C，要實現(xiàn)任意小的差錯概率，要實現(xiàn)任意小的差錯概率傳輸，信號的信息傳輸速率傳輸，信號的信息傳輸速率R Rb b必須小于必須小于C C。 若若R Rb b C C，則不可能實現(xiàn)無差錯概率傳輸。，則不可能實現(xiàn)無差錯概率傳輸。有關信道容量的幾個重要結論如下有關信道容量的幾個重要結論如下：第第2 2章章信道與噪聲信道與噪聲 2200limlimlog (