通信原理第四章信道

通信原理第四章信道第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日概述§4.1無線信道§4.2有線線道§4.3信道的數(shù)學模

型§4.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊憽?.5信道中的噪聲§4.6信道容量目錄第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日信道中的干擾：有源干擾－噪聲無源干擾－傳輸特性不良本章重點： 介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對于信號傳輸?shù)挠绊?。概述信?傳輸媒質(zhì)（信號通道）有線信道無線信道第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制

一般天線為波長的1/10（）。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§4.1無線信道

大氣層對電磁波的影響有哪些？第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日電離層(D\E\F1\F2)對于傳播的影響吸收反射散射大氣層（氧氣水蒸氣和降雨）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§4.1無線信道

第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日傳播路徑地面圖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)千千米中波主要靠地波天波（電離層反射波）頻率：2~30MHz特點：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區(qū)：短波的傳播主要靠天波§4.1無線信道

第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日視線傳播：頻率>30MHz距離:和天線高度有關

(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微波中繼通信：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m§4.1無線信道

第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日微波中繼通信使微波中繼線路穩(wěn)定可靠，每隔40～60公里便要配置一個中繼站。一般以相距46公里為一個標準段。圖4-4無線電中繼微波中繼通信常用于電纜無法鋪設或極難鋪設的地方,而且相對而言，線路鋪設簡單,建設周期短,投資少。是二十世紀六七十年代世界各國干線通信的主要傳輸手段之一。第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日衛(wèi)星通信的概貌第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日目前，大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇的工作頻段是：UHF波段 400/200MHzL波段 1.6/1.5GHzC波段 6.0/4.0GHzX波段 8.0/7.0GHzKu波段 14.0/12.0GHz;14.0/11.0GHzKa波段 30/20GHz第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日平流層通信是指用位于平流層的高空平臺電臺(HighAltitudePlatformStations,HAPS)代替衛(wèi)星作為基站的通信，平臺高度距地面17km~22km?？梢杂贸浜わw艇、氣球或太陽能動力飛機作為安置轉(zhuǎn)發(fā)站的平臺。若其高度在20km，則可以實現(xiàn)地面覆蓋半徑約500km的通信區(qū)。若在平流層安置250個充氦飛艇，可以實現(xiàn)覆蓋全球90%以上人口的地區(qū)。平流層通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，費用低廉、延遲時間小、建設快、容量大。它是在研究中的一種通信手段平流層通信第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖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 機理－由對流層不均勻性（湍流）引起 頻率－100~4000MHz

最大距離<600km§4.1無線信道

第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日流星流星余跡散射

流星余跡特點－高度80~120km，長度15~40km

存留時間：小于1秒至幾分鐘 頻率－30~100MHz

距離－1000km以上 特點－低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸圖4-8流星余跡散射通信流星余跡第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日架空明線：架空明線，即在電線桿上架設的互相平行而絕緣的裸線，它是一種在20世紀初就已經(jīng)大量使用的通信介質(zhì)。雙絞線：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同軸電纜：具有高帶寬和較好的抗干擾特性。光纖：光纖不易受電磁干擾和噪聲影響，可進行遠距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，而且具有很好的保密性能。§4.2有線信道

第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日雙絞線示意圖第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日光纖結(jié)構(gòu)示意圖第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日結(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折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2單模階躍折射率光纖圖4-11光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)光纖第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日信道（信號通道）狹義信道：信號的傳輸媒質(zhì)廣義信道：媒質(zhì)及有關變換裝置（發(fā)送、接受設備，天線、饋線，調(diào)制解調(diào)器等）有線信道無線信道調(diào)制信道編碼信道§4.3信道的數(shù)學模型

定義廣義信道的原因：只關心變換的最終結(jié)果，而無需關心詳細的物理過程。第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日調(diào)制信道和編碼信道調(diào)制信道：指圖中調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的部分，又稱模擬信道。研究調(diào)制和解調(diào)時，常用調(diào)制信道。編碼信道：指圖中編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分，有時又稱數(shù)字信道/離散信道。

廣義信道按包含的功能，可劃分為調(diào)制信道與編碼信道。廣義信道第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日調(diào)制信道模型(模擬信道)考察調(diào)制信道輸出信號與輸入信號的關系。設輸入端與輸出端是一一對應的，可表示為調(diào)制信道的數(shù)學模型

f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖4-13調(diào)制信道數(shù)學模型

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。第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日則調(diào)制信道可以寫為k(t)依賴于網(wǎng)絡的特性，反映網(wǎng)絡特性對的作用。k(t)的存在，對來說是一種干擾，通常稱為乘性干擾。

通常假設調(diào)制信道的數(shù)學模型

第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日在分析乘性干擾k(t)，可以把信道粗略分為兩大類：恒參信道：指k(t)可看成不隨時間變化或相對于信道上傳輸信號的變化較為緩慢的調(diào)制信道（?？傻刃橐粋€線性時不變網(wǎng)絡來分析）。隨參信道：是非恒參信道的統(tǒng)稱，或者說，k(t)是隨機變化的調(diào)制信道。本書的模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中主要討論具有加性高斯白噪聲的恒參信道的情況。恒參信道和隨參信道第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日

當編碼信道把編碼器輸出的數(shù)字信號傳輸?shù)浇獯a器的輸入端時，由于噪聲的存在以及信道帶寬的有限，在傳輸過程中不可避免會出現(xiàn)差錯。則編碼信道模型可用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率來描述。

轉(zhuǎn)移概率表示信道輸入端數(shù)字信號序列到輸出端發(fā)生的轉(zhuǎn)移程度。

編碼信道對信號傳輸?shù)挠绊懯菍⒁环N數(shù)字序列變成另一種數(shù)字序列。編碼信道模型(數(shù)字信道)第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日

最常見的無記憶的二進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的一種簡單的編碼信道模型如圖4-14所示。

（所謂信道無記憶是指：一碼元的差錯與其前后碼元的差錯發(fā)生是相互獨立的。)1001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)

圖4-14二進制編碼信道模型xy第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

在此模型中，假設解調(diào)器每個輸出碼元的差錯發(fā)生是相互獨立的，P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)、P(1/0)稱為轉(zhuǎn)移概率。其中P(0/0)與P(1/1)是正確轉(zhuǎn)移的概率，而P(0/1)與P(1/0)是錯誤轉(zhuǎn)移概率。注意：轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道特性決定。一個特定的編碼信道，有確定的轉(zhuǎn)移概率。誤碼率錯誤轉(zhuǎn)移概率的統(tǒng)計平均

Pe=P(0)×P(1/0)+P(1)×P(0/1)二進制編碼信道模型的轉(zhuǎn)移概率矩陣為：P(yi/xi)=P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日§4.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

一、恒參信道

舉例：各種有線信道和部分無線信道，如衛(wèi)星通信鏈路信道，微波中繼鏈路信道，…

恒參信道實質(zhì)是

非時變線性網(wǎng)絡

信號通過線性系統(tǒng)的分析方法（假設輸入源這確知信號）下面首先介紹一種理想的恒參信道。第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

理想恒參信道的沖激響應為

h(t)=K0δ(t-td)

若輸入信號為ei(t)，則理想恒參信道的輸出為

eo(t)=K0ei(t-td)

由此可見，理想恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯牵?/p>

(1)對信號在幅度上產(chǎn)生固定的衰減；

(2)對信號在時間上產(chǎn)生固定的遲延。這種情況也稱信號是無失真?zhèn)鬏敗＠硐牒銋⑿诺赖诙隧?，共五十六頁?022年，8月28日理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延—頻率特性

OK0|H(w)|wOj(w)wwtdOtdt(w)wa幅頻特性b相頻特性c群遲延特性理想恒參信道在整個信號頻帶范圍之內(nèi)：幅頻特性和群遲延-頻率特性為常數(shù)；相頻特性為ω的線性函數(shù)。對ei(t)的不同頻率成份進行相同的幅度衰減和時延。實際中，傳輸特性可能偏離理想信道特性，產(chǎn)生失真：第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日

如果信道的幅度-頻率特性在信號頻帶范圍之內(nèi)不是常數(shù)，即信號在不同的頻點的衰耗不同，導致波形失失真（或碼間串擾），信號產(chǎn)生幅度-頻率失真（又稱為頻率失真）；產(chǎn)生原因：由于各種濾波器、混合線圈、串聯(lián)電容、分路電感等造成引起的；產(chǎn)生影響：模擬波形失真：信噪比下降；數(shù)字信號：碼間串擾,造成誤碼；改變方法：可以通過改善濾波特性或增加線性補償網(wǎng)絡（幅度均衡器）來改善，使衰耗特性平坦。1、幅頻失真第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日(a)插入損耗～頻率特性圖4-16：典型電話信道特性第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日

如果信道的相位-頻率特性在信號頻帶范圍之內(nèi)不是ω的線性函數(shù)，則會使信號產(chǎn)生相位-頻率失真。常用群遲延—頻率特性來衡量。產(chǎn)生原因：信道中的各種濾波器及可能有的加感線圈引起的；產(chǎn)生影響：對模擬語音信號影響不大；數(shù)字信號：碼間串擾，造成誤碼；改變方法：可以通過改善濾波特性或增加線性補償網(wǎng)絡（相位均衡器）來改善。2、相頻失真第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日

例：非單一頻率的信號通過該信道時，引起信號的畸變

群遲延畸變和幅頻畸變一樣，是線性畸變。因此，也可采取均衡措施進行補償。

群延遲-頻率特性影響分析第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日非線性失真：輸入電壓～輸出電壓關系是非線性的。主要是由元件的特性不理想造成的。頻率偏移：指信道的輸入信號頻譜經(jīng)過信道傳輸后產(chǎn)生了平移。相位抖動

其它失真：非線性失真、頻率偏移、相位抖動…非線性關系直線關系圖4-17非線性特性輸入電壓輸出電壓第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日

隨參信道包括短波電離層反射、超短波流星余跡散射、超短波及微波對流層散射、超短波電離層散射等傳輸媒質(zhì)所構(gòu)成的調(diào)制信道。

在此以短波（10m<λ<100m的無線電波）電離層反射信道為例對隨參信道進行簡單介紹，其傳輸路徑如圖。二、隨參信道

電離層是指離地面高60~600km的大氣層。當短波電磁波經(jīng)過時經(jīng)反射、折射完成遠距離的反射傳輸，同時也受到衰減、延時等影響。

第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日隨參信道主要具有三個特點：

多徑傳播后的接收信號將是衰減和時延都隨時間變化的各條路徑的信號的合成。

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（多徑效應）。第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日考慮一個單頻信號：設發(fā)射信號為接收信號為

式中 －由第i條路徑到達的接收信號振幅； －由第i條路徑達到的信號的時延；上式中的

都是隨機變化的。多徑效應分析第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

應用三角公式可以將式(4.4-1)

改寫成：

(4.4-2)

上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機變化的。式中 －接收信號的包絡 －接收信號的相位緩慢隨機變化振幅緩慢隨機變化振幅多徑效應分析第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日

所以，接收信號可以看作是一個包絡和相位隨機緩慢變化的窄帶信號：結(jié)論：頻譜上，多徑傳輸引起頻率彌散，即由單個頻率變成一個窄帶頻譜。

包絡V(t)的一維分布服從瑞利分布，稱為瑞利型衰落。(t)的一維分布服從均勻分布。快衰落－衰落周期和碼元周期可以相比。慢衰落－由傳播條件引起的。多徑效應分析第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日

兩徑傳輸模型（設衰減相同）

設到達接收點的兩路信號具有相同的強度和一個相對時延差τ。（設輸入信號為f(t)=Acos0t）

當信號經(jīng)過上圖所示的兩徑傳播后，其合成輸出信號將隨著輸入信號的頻率、兩徑的時延差τ的不同而變化。第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日模型的傳輸特性為：傳輸特性的幅度-頻率特性為

兩徑傳輸模型（設衰減相同）

幅頻特性曲線第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日

當（n為整數(shù)）時，出現(xiàn)傳播極點；當時，出現(xiàn)傳輸零點。另外，相對時延差一般是隨時間變化的，故傳輸特性出現(xiàn)的零點與極點也是隨時間變化的。

頻率選擇性衰落

圖中的最大和最小值位置決定于兩條路徑的相對時延差。而是隨時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強度隨時間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關，故常稱其為頻率選擇性衰落。第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日

多徑傳播中，頻率選擇性依賴于相對時延差。此時，相對時延差（簡稱多徑時延差）通常用最大多徑時延差m來表征，并用它來估算傳輸零極點在頻率軸上的位置。

定義相鄰傳輸零點的頻率間隔為多徑傳播媒質(zhì)的相關帶寬。為了不引起選擇性衰落，傳輸信號的頻帶BS必須小于多徑傳播媒質(zhì)的相關頻帶Δ。工程上取BS=(1/3----1/5)Δ

頻率選擇性衰落

第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日確知信號：接收端能夠準確知道其碼元波形的信號。隨相信號：接收碼元的相位隨機變化。起伏信號：接收信號的包絡隨機起伏、相位也隨機變化。通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性。接收信號的分類第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日§4.5信道中的噪聲

調(diào)制信道對信號傳輸?shù)挠绊?，包括乘性干擾k(t)和加性干擾n(t)。

加性干擾n(t)也稱加性噪聲，簡稱噪聲，是信道中存在的不需要的電信號。第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日１、按來源分類人為噪聲：來源于其它無關的信號源，如外臺信號、開關接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射、熒光燈干擾等；自然噪聲：自然界存在的各種電磁波源，如閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲及其它各種宇宙噪聲等；內(nèi)部噪聲：系統(tǒng)設備本身產(chǎn)生的各種噪聲，如導體中自由電子的熱運動（熱噪聲）、電源哼聲等。一、噪聲的分類第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日２、按噪聲性質(zhì)分類脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時間比間隔時間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。窄帶噪聲：來自相鄰電臺或其他電子設備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的?？梢钥醋魇且环N非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。討論噪聲對于通信系統(tǒng)的影響時，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。一、噪聲的分類第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

式中 Pn(f0)－原噪聲功率譜密度曲線的最大值

噪聲等效帶寬： 利用噪聲等效帶寬的概念，在后面討論通信系統(tǒng)的性能時，可以認為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內(nèi)是恒定的。圖4-19噪聲功率譜特性Pn(f)Pn(f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬二、噪聲的等效帶寬第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日§4.6信道容量信道容量：信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾?，即信道的極限傳輸能力。從信息論的觀點來看，各種信道可以概括為兩大類：

離散信道：輸入和輸出的信號都是取離散的時間函數(shù)，即廣義信道中的編碼信道；連續(xù)信道：輸入和輸出信號都是取值連續(xù)的時間函數(shù)；即廣義信道中的調(diào)制信道。第四十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日兩種不同的度量單位：C－每個符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾?。Ct

－單位時間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾怠烧咧g可以互換。

離散信道模型

離散信道的模型可分為有噪聲信道和無噪聲信道兩種情況，可以用信道轉(zhuǎn)移概率來合理的描述信道干擾和信道統(tǒng)計特性。

離散信道容量第五十頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖(a)是無噪聲信道，圖（b）是有噪聲信道。先驗概率：P(xi)——發(fā)送符號xi的概率，輸出概率：

P(yj)——收到符號yj的概率，轉(zhuǎn)移概率：

P(yj/xi)——發(fā)送xi的條件下收到y(tǒng)i的轉(zhuǎn)移（條件）概率后驗概率：

P(xi/yj)