通信原理第3章信道

1第3章信道與噪聲3.1信道及其數(shù)學(xué)模型3.2恒參信道與隨參信道3.3信道的加性噪聲

3.4信道容量的概念2為什么要研究信道信道是通信系統(tǒng)的重要組成部分，其特性對于通信系統(tǒng)的性能有很大影響研究信道及噪聲的目的是弄清它們對信號傳輸?shù)挠绊?，尋求提高通信有效性與可靠性的方法。3信道的概念:就是信號傳輸?shù)拿劫|(zhì)狹義信道:某些物理通信信道，如有線信道和無線信道；也可以是物理存儲介質(zhì)，如光盤、磁盤等廣義信道:一種邏輯信道，它與傳輸媒質(zhì)無關(guān)?？煞譃檎{(diào)制信道和編碼信道。調(diào)制信道：恒參信道和變參信道編碼信道：無記憶編碼信道和有記憶編碼信道信道的分類4有線信道和無線信道一、有線信道通常指架空明線、雙絞線、同軸電纜和光纖。5架空明線，即在電線桿上架設(shè)的互相平行而絕緣的裸線，它是一種在20世紀(jì)初就已經(jīng)大量使用的通信介質(zhì)。架空明線安裝簡單，傳輸損耗比電纜低，但線對數(shù)量有限；線對多時架設(shè)困難；易受外界影響；線路容易受損等缺點(diǎn)。有線信道和無線信道6第4章信道4.2有線信道明線7雙絞線又稱為雙扭線，它是由若干對且每對有兩條相互絕緣的銅導(dǎo)線按一定規(guī)則絞合而成。采用這種絞合結(jié)構(gòu)是為了減少對鄰近線對的電磁干擾。為了進(jìn)一步提高雙絞線的抗電磁干擾能力，還可以在雙絞線的外層再加上一個用金屬絲編織而成的屏蔽層有線信道和無線信道8圖1雙絞線示意圖有線信道和無線信道9同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、外屏蔽層、絕緣層及外保護(hù)套組成。同軸電纜的這種結(jié)構(gòu)使其具有高帶寬和較好的抗干擾特性，并且可在共享通信線路上支持更多的點(diǎn)。按特性阻抗數(shù)值的不同，同軸電纜又分為兩種，一種是50Ω的基帶同軸電纜，另一種是75Ω的寬帶同軸電纜。有線信道和無線信道10圖2同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖有線信道和無線信道11光纖(OpticalFiber)

光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)是光纖通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級，因此，一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它各種傳輸介質(zhì)的帶寬，是目前最有發(fā)展前途的有線傳輸介質(zhì)。有線信道和無線信道12光纖呈圓柱形，由芯、封套和外套三部分組成(如圖所示)。芯是光纖最中心的部分，它由一條或多條非常細(xì)的玻璃或塑料纖維線構(gòu)成，每根纖維線都有它自己的封套。由于這一玻璃或塑料封套涂層的折射率比芯線低，因此可使光波保持在芯線內(nèi)。有線信道和無線信道13圖3光纖結(jié)構(gòu)示意圖有線信道和無線信道14二、無線信道無線信道是利用電磁波在空間的傳播來傳輸信號。有地波傳播、天波傳播、無線電視距中繼通信、衛(wèi)星通信等。有線信道和無線信道154.1無線信道無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制地球大氣層的結(jié)構(gòu)對流層：地面上0~10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km地面對流層平流層電離層10km60km0km有線信道和無線信道16電離層對于傳播的影響反射散射大氣層對于傳播的影響散射吸收頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5g/m3）的衰減頻率(GHz)(b)降雨的衰減衰減(dB/km)衰減(dB/km)水蒸氣氧氣降雨率圖4-6大氣衰減有線信道和無線信道17傳播路徑地面圖4-1地波傳播地面信號傳播路徑圖4-2天波傳播電磁波的分類：地波頻率<2MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千千米天波頻率：2~30MHz特點(diǎn)：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區(qū)：有線信道和無線信道18視線傳播：頻率>30MHz距離:和天線高度有關(guān)

(4.1-3)

式中，D–收發(fā)天線間距離(km)。[例]若要求D=50km，則由式(4.1-3)增大視線傳播距離的其他途徑中繼通信：衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星平流層通信：ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr圖4-3視線傳播圖4-4無線電中繼m有線信道和無線信道19圖4-7對流層散射通信地球有效散射區(qū)域散射傳播電離層散射 機(jī)理－由電離層不均勻性引起 頻率－30~60MHz

距離－1000km以上對流層散射 機(jī)理－由對流層不均勻性（湍流）引起 頻率－100~4000MHz

最大距離<600km有線信道和無線信道20地波傳播頻率在約2MHz以下的無線電波沿著地球表面的傳播主要用于低頻及甚低頻遠(yuǎn)距離無線電導(dǎo)航、標(biāo)準(zhǔn)頻率等特點(diǎn)：傳輸損耗?。粋鞑シ€(wěn)定；工作頻帶窄有線信道和無線信道21天波傳播經(jīng)由電離層反射的一種傳播方式長波、中波、短波都可以利用天波通信，但短波是電離層的最佳波段特點(diǎn)：傳輸損耗低、設(shè)備簡單、可利用較小功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信；但容易產(chǎn)生多徑衰落等。有線信道和無線信道22無線電視距中繼

工作頻率在超短波和微波波段時電磁波基本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：40—50Km有線信道和無線信道23

圖4無線電中繼信道的構(gòu)成有線信道和無線信道24衛(wèi)星中繼信道利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號實現(xiàn)地球站之間的通信。由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下構(gòu)成行線路特點(diǎn)：傳播特性穩(wěn)定可靠、傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋地域廣等。有線信道和無線信道2526

信道模型廣義信道:調(diào)制信道（傳輸調(diào)制信號）、編碼信道（調(diào)制編碼信號）圖6調(diào)制信道與編碼信道27調(diào)制信道和編碼信道調(diào)制信道與編碼信道以所傳信號為著眼點(diǎn)，又可稱連續(xù)（信號）信道和離散（信號）信道，前者是傳輸已調(diào)模擬信號的信道，后者是傳輸已編碼數(shù)字信號的信道28調(diào)制信道模型

信道模型29特性：1、有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端2、信道是線性的，滿足疊加原理3、信道有一定的遲延時間，有損耗4、即使沒有信號輸入，輸出端仍有一定的功率輸出（噪聲）

信道模型30調(diào)制信道模型二對端的信道模型如圖a所示，它的輸入和輸出之間的關(guān)系式可表示成31編碼信道模型（數(shù)字信道）對信號的影響是一種數(shù)字序列的變換用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率（P(輸出/輸入)）來描述（平均錯誤概率）

信道模型32信道模型二進(jìn)制編碼信道模型四進(jìn)制編碼信道模型33碼的轉(zhuǎn)移概率P(i/j)■二進(jìn)制數(shù)字編碼信道發(fā)送碼元為j，而接收碼元為i的概率。0101發(fā)送端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是錯誤接收概率P(0/0)、P(1/1)是正確接收概率系統(tǒng)的誤碼率是？系統(tǒng)的誤碼率

Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)34■M進(jìn)制數(shù)字編碼信道系統(tǒng)誤碼率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)01發(fā)送端接收端2M-1012M-135信道的數(shù)學(xué)模型信道模型的分類：調(diào)制信道編碼信道編碼信道調(diào)制信道36

調(diào)制信道模型式中 －信道輸入端信號電壓； －信道輸出端的信號電壓； －噪聲電壓。通常假設(shè)：這時上式變?yōu)椋? －信道數(shù)學(xué)模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖4-13調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型37因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。因k(t)與ei(t)相乘，故稱其為乘性干擾。因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道。若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號時，沒有乘性干擾。38

恒參信道與隨參信道一、恒參信道恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯谴_定的、或者是變化極其緩慢等效于一個非時變的線性網(wǎng)絡(luò)利用信號通過線性系統(tǒng)的分析方法，可求得已調(diào)信號通過恒參信道的變化規(guī)律網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性：幅頻特性、相頻特性39

恒參信道與隨參信道網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性：幅頻特性、相頻特性

為信道的幅頻特性，通常不為常數(shù)為信道的相頻特性40幅度—頻率畸變（頻率失真）是由有線電話信道的幅度—頻率特性不理想引起的.信道中存在線圈、分布電容、電感等為了減小幅度—頻率畸變，在設(shè)計總的電話信道傳輸特性是，一般都要求把幅度—頻率畸變控制在一個允許的范圍內(nèi)

恒參信道與隨參信道41相位—頻率畸變是指信道的相位—頻率特性偏離線性關(guān)系引起的畸變。在信道頻帶的邊緣畸變更為嚴(yán)重，主要來源于信道中的各種濾波器信道的相位—頻率特性常采用群遲延—頻率特性來衡量

恒參信道與隨參信道42

恒參信道與隨參信道群遲延—頻率特性：是相位—頻率特性對頻率的導(dǎo)數(shù)群遲延—頻率特性:如果

呈線性關(guān)系，是一條水平直線此時信號的不同頻率成分有相同的群遲延，信號經(jīng)過傳輸后不會發(fā)生畸變43

理想的相位---頻率特性及群遲延特性

恒參信道與隨參信道44實際的信道特性：

恒參信道與隨參信道45當(dāng)非單一頻率的信號通過這信道時，信號中的不同頻率分量將有不同的群遲延（a）是原信號，即未經(jīng)遲延的信號，由基波、三次諧波組成，其幅度比2；1

恒參信道與隨參信道46

恒參信道舉例

光纖信道光源光調(diào)制器耦合器基帶處理基帶電信號耦合器光檢測器基帶處理基帶電信號光纖線路發(fā)送端接收端圖7光纖通信系統(tǒng)■光纖與光纜■光波長■單模光纖與多模光纖■光纖的衰耗與色散光纖通信的優(yōu)點(diǎn)■無中繼傳輸距離長；■系統(tǒng)頻帶寬、容量大；■具有及強(qiáng)的抗電磁干擾能力。47恒參信道舉例無線電視距傳播信道無線電視距傳播無線電中繼信道48

恒參信道舉例

衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星49

恒參信道與隨參信道隨參信道的傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)信道參數(shù)不僅隨頻率變化，而且隨時間變化為開機(jī)運(yùn)行后的持續(xù)時間信道對于信號的響應(yīng)為：乘性干擾：加性干擾50恒參信道與隨參信道隨參信道的傳輸媒介具有三個特點(diǎn)：（1）對信號的衰耗隨時間隨機(jī)變化；（2）信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機(jī)變化；（3）多徑傳播。51變參信道有：短波電離層信道、超短波、微波對流層散射信道、超短波對流層散射信道等。

恒參信道與隨參信道52隨參信道舉例

短波電離層反射信道■隨參信道是指信道的特性參數(shù)隨時間快速變化的信道。短波電離層反射信道、對流層散射信道、市區(qū)移動通信等信道都屬于隨參信道。在一次通信過程中信道參數(shù)不固定?！龆滩ǎ褐覆ㄩL在100m

—10m（對應(yīng)信號載波頻率3MHz—30MHz）的無線電波?！鲭婋x層：距離地面高度為60km

—600km的大氣層稱為電離層。53

短波電離層反射信道1.傳播路徑4000kmDEF1F2反射層吸收層■電離層：□各個層次的高度、厚度、電子密度等都會隨時間變化?！跻淮位蚨啻畏瓷涞木嚯x也會發(fā)生變化，且與入射角有關(guān)?！醪煌瑢哟危‵1、F2）的不同高度上都會產(chǎn)生反射。地球地面高度為60km

—600km入射角φo54

短波電離層反射信道2.工作頻率□最高可用頻率與電離層的電子密度有關(guān)，與入射角有關(guān)?！鲫P(guān)于電離層反射信道的工作頻率：□電離層高度、厚度、電子密度是變化的，能夠隨電離層變化調(diào)整工作頻率、入射角才能滿足一定距離下的最佳通信。□夜間F2層電子密度低，須降低工作頻率，否則信號會穿透電離層?！跻归gD層消失，E層吸收減小，允許工作頻率降低。55短波電離層反射信道多徑傳播DEF1F2反射層吸收層■一次反射與兩次反射地球發(fā)送接收一次反射與兩次反射反射高度不同■反射高度不同■漫射現(xiàn)象（略）■尋常波與非尋常波（略）56

短波電離層反射信道4.電離層反射信道特點(diǎn)■優(yōu)點(diǎn)①要求功率小，設(shè)備成本低。②傳播距離遠(yuǎn)。③受地形影響小。④不易受人為破壞。⑤有一定的帶寬或傳輸容量。■缺點(diǎn)①干擾電平高。②存在快衰落和多徑時延失真。③傳輸可靠性差。④需要經(jīng)常改換工作頻率，導(dǎo)致使用復(fù)雜。57隨參信道舉例

對流層散射信道■隨參信道是指信道的特性參數(shù)隨時間快速變化的信道。短波電離層反射信道、對流層散射信道、市區(qū)移動通信等信道都屬于隨參信道。■超視距傳播信道：工作在超短波和微波波段，一跳距離約100km

—500km?！?/p>

對流層：距離地面高度為10km

—12km的大氣層稱為對流層?！鰬?yīng)用：□長途干線上的無線電中繼通信?！觞c(diǎn)對點(diǎn)通信。58對流層散射信道地球發(fā)送接收共同照射區(qū)的不均勻散射氣團(tuán)圖8對流層散射信道傳播路徑59

對流層散射信道——主要特征■

衰落：□慢衰落□快衰落■

傳播損耗：□自由空間能量擴(kuò)散損耗□散射損耗■

多徑傳播：多徑傳播引起信號的時散，限制信道的帶寬及傳輸頻率?！?/p>

天線與媒體間的耦合損耗：天線在自由空間的理論增益與在對流層散射信道上測得實際增益之差。發(fā)送接收60

隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憽鲭S參信道特性參數(shù)（衰耗與時延）隨時間快速變化■隨參信道多存在多徑傳播隨參信道是一種時變多徑傳播信道：●對信號的衰耗隨時間而變化；●傳輸?shù)臅r延隨時間而變化；●多徑傳播。

時變線性網(wǎng)絡(luò)H1（ω，t）時變線性網(wǎng)絡(luò)H2（ω，t）時變線性網(wǎng)絡(luò)Hi（ω，t）時變線性網(wǎng)絡(luò)Hn（ω，t）發(fā)送信號

接收信號

s（t）

r（t）

Hi（ω，t）=|Hi（ω，t）|·e-jφi（ω，t）

時變多徑傳播信道61恒參信道與隨參信道乘性干擾的現(xiàn)象表現(xiàn)為各種類型的衰落：慢衰落：由于信道傳輸媒質(zhì)物理參數(shù)發(fā)生比較緩慢的變化，使通信信號有較長時間的起伏快衰落：多徑傳播產(chǎn)生的衰落，是產(chǎn)生乘性干擾的主要原因選擇性衰落：頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落、時間選擇性衰落62恒參信道與隨參信道分集接收技術(shù)是一種有效的抗衰落技術(shù)所謂分集接收，是指接收端按照某種方式使收到的攜帶同一信息的多個信號衰落特性相互獨(dú)立，并對多個信號進(jìn)行特定的處理，以降低合成信號電平起伏，減小各種衰落對接收信號的影響。從廣義信道的角度來看，分集接收可看作是隨參信道中的一個組成部分，通過分集接收，使包括分集接收在內(nèi)的隨參信道衰落特性得到改善。63恒參信道與隨參信道分集接收包含有兩重含義：一是分散接收，使接收端得到多個攜帶同一信息的、統(tǒng)計獨(dú)立的衰落信號；二是集中處理，即接收端把收到的多個統(tǒng)計獨(dú)立的衰落信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，從而降低衰落的影響，改善系統(tǒng)性能。64恒參信道與隨參信道空間分集空間分集是接收端在不同位置上接收同一信號，只要各位置間的距離大到一定程度，所收到信號的衰落就是相互獨(dú)立的。因此，空間分集的接收機(jī)至少需要兩副間隔一定距離的天線。頻率分集頻率分集是將發(fā)送信息分別調(diào)制到不同的載波頻率上發(fā)送，只要載波頻率之間的間隔大到一定程度，則接收端所接收到信號的衰落是相互獨(dú)立的。實際中，當(dāng)載波頻率間隔大于相關(guān)帶寬時則可認(rèn)為接收到信號的衰落是相互獨(dú)立的。65恒參信道與隨參信道角度分集角度分集是利用指向不同的天線波束得到互不相關(guān)的衰落信號。極化分集極化分集是分別接收水平極化和垂直極化波而構(gòu)成的一種分集方式。一般認(rèn)為，這兩種波是相關(guān)性極小的。66恒參信道與隨參信道最佳選擇式最佳選擇式是從幾個分散信號中設(shè)法選擇其中信噪比最好的一個作為接收信號。等增益相加式等增益相加式是將幾個分散信號以相同的支路增益進(jìn)行直接相加，相加后的信號作為接收信號。最佳比例相加式最佳比例相加式是以各支路的信噪比為加權(quán)系數(shù)，將各支路信號相加后作為接收信號。不同合并方式的分集效果是不同的，最佳選擇式效果最差，但最簡單；最佳比例相加式效果最好，但最復(fù)雜。67

信道中的加性噪聲噪聲是我們生活中出現(xiàn)頻率頗高的一個詞，也是通信領(lǐng)域中與信號齊名的高頻度術(shù)語。但通信領(lǐng)域中所謂的噪聲不同于我們所熟悉的以音響形式反映出來的各種噪聲(如交通噪聲、風(fēng)聲、雨聲、人們的吵鬧聲、建筑工地的機(jī)器轟鳴聲等等)，它其實是一種不攜帶有用信息的電信號，是對有用信號以外的一切信號的統(tǒng)稱。概括地講，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，一種信號在某種場合是有用信號，而在另一種場合就有可能是噪聲。68根據(jù)來源的不同，噪聲可分為自然噪聲、人為噪聲和內(nèi)部噪聲。自然噪聲是指存在于自然界的各種電磁波，如閃電、雷暴及其它宇宙噪聲。人為噪聲來源于人類的各種活動，如電焊產(chǎn)生的電火花、車輛或各種機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生的電磁波和電源的波動，尤其是為某種目的而專門設(shè)置的干擾源(如上述的電子對抗)。內(nèi)部噪聲指通信系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部由元器件本身產(chǎn)生的熱噪聲、散彈噪聲及電源噪聲等。

信道中的加性噪聲69根據(jù)噪聲的表現(xiàn)形式可分為單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲。單頻噪聲是一種以某一固定頻率出現(xiàn)的連續(xù)波噪聲，如50Hz的交流電噪聲。脈沖噪聲是一種隨機(jī)出現(xiàn)的無規(guī)律噪聲，如閃電、車輛通過時產(chǎn)生的噪聲。

信道中的加性噪聲70起伏噪聲主要是內(nèi)部噪聲，而且是一種隨機(jī)噪聲，對它的研究必須運(yùn)用概率論和隨機(jī)過程知識。元器件本身產(chǎn)生的熱噪聲、散彈噪聲都可看成是無數(shù)獨(dú)立的微小電流脈沖的疊加，它們是服從高斯分布的，即熱噪聲、散彈噪聲都是高斯過程。為研究方便，我們稱這類噪聲為高斯噪聲。

信道中的加性噪聲71除了用概率分布描述噪聲的特性外，還可用功率譜密度加以描述。若噪聲的功率譜密度在整個頻率范圍內(nèi)都是均勻分布的，即稱其為白噪聲。原因是其譜密度類似于光學(xué)中包含所有可見光光譜的白色光光譜。不是白色噪聲的噪聲稱為帶限噪聲或有色噪聲。通常把統(tǒng)計特性服從高斯分布、功率譜密度均勻分布的噪聲稱為高斯白噪聲。

信道中的加性噪聲72連續(xù)信道的信道容量假設(shè)信道的帶寬為B（HZ），信道輸出的信號功率為S（W)，輸出加性帶限高斯白噪聲功率為N(W).則該信道的信道容量為：上式是信息論中具有重要