第3章-信道和噪聲

13信道1狹義信道：傳輸媒質(zhì)廣義信道：傳輸媒質(zhì)+通信系統(tǒng)的變換裝置信道：以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道有線信道------電線、光纖等狹義信道按照傳輸媒質(zhì)的特性可分為：無線信道------電磁波（含光波）23信道2廣義信道:通信系統(tǒng)的變換裝置包括發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、調(diào)制器、解調(diào)器等。按照它包括的功能，可以分為調(diào)制信道、編碼信道等。編碼器調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器傳輸媒質(zhì)解調(diào)器解碼器收轉(zhuǎn)換器調(diào)制信道編碼信道編碼信道包括調(diào)制信道、調(diào)制器和解調(diào)器，是一種數(shù)字信道或離散信道。調(diào)制信道是為研究調(diào)制與解調(diào)問題所建立的一種廣義信道，是模擬信道。33信道3有線信道，如電纜、光纖等無線信道，如中短波、微波信道等狹義信道信道恒參信道隨參信道廣義信道調(diào)制信道編碼信道有記憶信道無記憶信道43.1無線電信道13.1無線信道無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制對流層：地面上0~10km地球大氣層的結(jié)構(gòu)地面對流層平流層電離層10km60km0km平流層：約10～60km電離層：約60～400km53.1無線電信道2電離層對于傳播的影響反射散射(由于傳播媒體的不均勻，電磁波的傳播向許多方向折射）大氣層對于傳播的影響散射吸收63.1無線電信道3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km天波頻率：2~30MHz特點(diǎn)：被電離層反射一次反射距離：<4000km傳播路徑地面圖3-1地波傳播地面信號傳播路徑圖3-2天波傳播73.1無線電信道4ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr圖3-3視線傳播圖3-4無線電中繼視線傳播：頻率>30MHz距離:和天線高度有關(guān)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(dòng)衛(wèi)星平流層通信：(3.1-3)

式中，D–收發(fā)天線間距離(km)m[例]若要求D=50km，則由上式83.2有線信道1一、有線電信道明線2.對稱電纜

同一保護(hù)套內(nèi)有多對相互絕緣雙導(dǎo)線。傳輸損耗大，傳輸特性穩(wěn)定，價(jià)格便宜、安裝容易。圖3-9雙絞線導(dǎo)體絕緣層平行且相互絕緣的架空裸線線路。傳輸損耗低，但易受氣候影響，對外界噪聲干擾敏感93.2有線信道23.同軸電纜同軸的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，內(nèi)、外導(dǎo)體之間填充介質(zhì)。對外界干擾具有較好的屏蔽作用，所以同軸電纜抗電磁干擾性能較好。在有線電視網(wǎng)絡(luò)中大量采用這種結(jié)構(gòu)的同軸電纜。導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)圖3-10同軸線3.2有線信道3二、光纖信道以光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）為傳輸媒質(zhì)；光波為載波折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2單模階躍折射率光纖圖3-11光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)結(jié)構(gòu)纖芯包層按折射率分類階躍型梯度型按模式分類多模光纖單模光纖113.2有線信道4特點(diǎn):損耗低、頻帶寬、線徑細(xì)、重量輕、可彎曲半徑小、不易腐蝕、節(jié)省有色金屬以及不受電磁干擾組成:光源、光調(diào)制器、光纖線路、中繼器等光纖線路中可設(shè)中繼器，放大光信號以補(bǔ)償光纖的傳輸損耗，延長傳輸距離。123.3信道的數(shù)學(xué)模型1一、調(diào)制信道模型

調(diào)制信道是為研究調(diào)制與解調(diào)問題所建立的一種廣義信道，是模擬信道，它具有如下共性：絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足線性疊加原理；信號通過信道具有固定的或時(shí)變的延遲時(shí)間；信號通過信道會受到固定的或時(shí)變的損耗；即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有輸出（噪聲）。133.3信道的數(shù)學(xué)模型2ei(t)—輸入的已調(diào)信號eo(t)—信道輸出信號n(t)—加性干擾f[ei(t)]—已調(diào)信號通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的(時(shí)變)線性變換已調(diào)信號ei(t)和加性干擾n(t)無依賴關(guān)系若f[ei(t)]=k(t)ei(t),其中k(t)依賴于網(wǎng)絡(luò)特性，對于ei(t)來說是乘性干擾，則輸出為f[ei(t)]eO(t)ei(t)n(t)圖3-13調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型143.3信道的數(shù)學(xué)模型3乘性干擾k(t)包括各種線性畸變、非線性畸變因k(t)隨t變，故信道稱為時(shí)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(shí)，沒有乘性干擾。153.3信道的數(shù)學(xué)模型4二、編碼信道模型編碼信道是一種數(shù)字信道或離散信道。由于信道噪聲或其他因素的影響，將導(dǎo)致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯(cuò)誤，因此輸入、輸出數(shù)字序列之間的關(guān)系可以用一組轉(zhuǎn)移概率來表征。對于二進(jìn)制編碼信道：163.3信道的數(shù)學(xué)模型5對于二進(jìn)制無記憶編碼信道：輸出的總的錯(cuò)誤概率：173.4

信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

1恒參信道的傳輸特性可以等效為一個(gè)非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)恒參信道的影響恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道…傳輸特性幅頻特性相頻特性群遲延-頻率特性發(fā)送端線性網(wǎng)絡(luò)接收端恒參信道

非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。183.4

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2線性系統(tǒng)中無失真條件：(a)插入損耗～頻率特性相位～頻率特性：要求其為通過原點(diǎn)的直線，即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無失真振幅～頻率特性：為水平直線時(shí)無失真頻率(kHz)（ms）群延遲(b)群延遲～頻率特性193.4

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3理想信道的幅頻特性例：傳輸特性若輸入為,則輸出為幅頻特性相頻特性群遲延-頻率特性相頻特性群遲延-頻率特性延遲時(shí)間td則沖激響應(yīng)3.4

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4理想恒參信道對信號的影響,在整個(gè)頻域范圍內(nèi)：2.幅度-頻率失真由于信道的幅度頻率特性的不理想所引起的，這種失真又稱為頻率失真對信號在幅度上產(chǎn)生固定的衰減；對信號在時(shí)間上產(chǎn)生固定的遲延。

這種情況也稱信號是無失真?zhèn)鬏敗ｎl率失真波形畸變相鄰數(shù)字信號波形之間在時(shí)間上的相互重疊碼間串?dāng)_解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償213.4

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5相頻特性曲線3.相位-頻率失真相位-頻率失真對模擬話音傳輸影響不明顯;群遲延-頻率特性曲線相位-頻率失真對于數(shù)字信號,相頻失真也會引起碼間串?dāng)_。解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償223.4

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6非線性失真：可能存在于恒參信道中定義：輸入電壓～輸出電壓關(guān)系是非線性的。其他失真： 頻率偏移、相位抖動(dòng)…非線性關(guān)系直線關(guān)系圖3-16非線性特性輸入電壓輸出電壓233.4

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7變參信道的影響變參信道：又稱時(shí)變信道，信道參數(shù)隨時(shí)間而變。變參信道舉例:天波、地波、視距傳播、散射傳播變參信道的特性：衰減隨時(shí)間變化時(shí)延隨時(shí)間變化多徑傳播243.4

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8多徑傳播(a)一次反射和多次反射(b)反射區(qū)高度不同延差最大，可達(dá)幾毫秒：

引起快衰落和多徑時(shí)延失真屬細(xì)多徑：引起快衰落253.4

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91、多徑效應(yīng)分析發(fā)送信號若有n條多徑信道,信號相互獨(dú)立,則接收到的合成波為263.4

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10令的包絡(luò)和相位形式：式中273.4

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11的包絡(luò)和相位形式：式中接收信號可以看作是一個(gè)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號：結(jié)論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時(shí)，接收信號因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號?？焖ヂ?衰落周期和碼元周期相比較短慢衰落:衰落的起伏周期較長衰落:信號包絡(luò)因傳播而起伏3.4

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122、頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬兩條路徑信道模型

AA延遲t0延遲t

0+τ

+f(t)Af(t)Af(t)Af(t-t0)Af(t-t0-t)Af(t-t0-τ)+Af(t-t0)強(qiáng)度相同293.4

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13傳輸特性303.4

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14當(dāng)，出現(xiàn)傳輸極點(diǎn)當(dāng)，出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)2AOw相對時(shí)延τ(t)隨時(shí)間變化，傳輸特性的零點(diǎn)和極點(diǎn)也會隨時(shí)間變化。313.4

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15當(dāng)傳輸波形的頻寬約寬為1/τ(t)時(shí),傳輸波形的頻譜將受到畸變，即頻率選擇性衰落，簡稱選擇性衰落相關(guān)帶寬：相鄰傳輸零點(diǎn)間的頻率間隔稱為多徑傳播媒質(zhì)的相關(guān)帶寬。推廣到多徑傳播時(shí)，相對時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差τm表征,用它來估算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上位置。Ow323.4

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16*為減小頻率選擇性衰落影響,應(yīng)限制信號的頻譜，使信號帶寬小于相關(guān)帶寬。*當(dāng)在多徑信道中傳輸數(shù)字信號時(shí)，特別是傳輸高速數(shù)字信號，頻率選擇性衰落將會引起嚴(yán)重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響，就必須限制數(shù)字信號傳輸速率(即帶寬)。在工程設(shè)計(jì)中，為了保證接收信號質(zhì)量，通常選擇信號帶寬為相關(guān)帶寬的1/5~1/3。333.4

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17小結(jié)：隨參信道的衰落*多徑→頻率選擇性衰落:信號頻帶帶寬應(yīng)小于相關(guān)帶寬;如果傳輸數(shù)字信號,傳輸速率也要受限多徑→瑞利衰落:使單頻信號成為包絡(luò)、相位受調(diào)制的窄帶信號,從頻譜看：使單一譜線變成了窄帶頻譜343.4

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18接收信號的分類確知信號：接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號隨相信號：接收碼元的相位隨機(jī)變化起伏信號：接收信號的包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變化。通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性多徑信道產(chǎn)生的影響可以用分集接收克服353.5信道的加性噪聲1

加性噪聲與信號相互獨(dú)立，并且始終存在，實(shí)際中只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。一、噪聲的分類根據(jù)噪聲源分類：人為噪聲、自然噪聲和內(nèi)部噪聲人為噪聲是指人類活動(dòng)所產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無線電噪聲。自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲。可以說整個(gè)宇宙空間都是產(chǎn)生自然噪聲的來源。363.5信道的加性噪聲2

根據(jù)噪聲性質(zhì)分類：單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲單頻噪聲主要是無線電干擾，頻譜特性可能是單一頻率，也可能是窄帶譜。脈沖噪聲是在時(shí)間上無規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。包括工業(yè)干擾中的電火花、汽車點(diǎn)火噪聲、雷電等。起伏噪聲是一種連續(xù)波隨機(jī)噪聲，包括熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲。起伏噪聲始終存在，是影響通信系統(tǒng)性能的主要因素。以后各章分析通信系統(tǒng)抗噪聲性能時(shí)，都是以起伏噪聲為重點(diǎn)特點(diǎn)是具有很寬的頻帶，并且始終存在.373.5信道的加性噪聲5

窄帶高斯噪聲帶限白噪聲：熱噪聲頻帶帶寬遠(yuǎn)大于接收機(jī)帶通濾波器頻帶帶寬窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率：

式中Pn(f)

－雙邊噪聲功率譜密度383.6信道容量的概念1

調(diào)制信道是一種連續(xù)信道，用連續(xù)信道容量來表征；編碼信道是一種離散信道，用離散信道容量來表征。信道容量:信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省?93.6信道容量的概念連續(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),則信道容量為：上式即信息論中重要的香農(nóng)(Shannon)公式。該式表明當(dāng)信號與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時(shí)，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。403.6信道容量的概念

若噪聲n(t)的單邊功率譜密度為n0，則在信道帶寬B內(nèi)的噪聲功率N=n0B。因此，香農(nóng)公式的另一形式為上式說明信道容量C受“三要素”限制n0→0或