第四章《通信原理》信道

第四章信道在講通信系統(tǒng)模型中我們知道，信道是信息傳輸?shù)拿浇?。它可分為兩大?lèi)：有線信道和無(wú)線信道。傳統(tǒng)的固定電話網(wǎng)用有線信道作為傳輸媒介。而無(wú)線電廣播則是用無(wú)線信道傳播電臺(tái)節(jié)目。信號(hào)在信道中傳輸，一方面受信道特性的影響；另一方面還要受到信道中噪聲的影響。本章簡(jiǎn)單介紹信道特性和信道中的噪聲，以及信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?.1無(wú)線信道（了解）4.2有線信道（了解）4.3信道的數(shù)學(xué)模型4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.5信道中的噪聲4.6信道容量（不講）4.7小結(jié)4.1無(wú)線信道在無(wú)線信道中信號(hào)的傳輸是利用電磁波在空間的傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的。無(wú)線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制。通常用于通信的電磁波頻率都比較高。根據(jù)通信距離、頻率和位置不同，電磁波的傳播主要分為地波、天波（或電離層反射波）和視線傳播三種。傳播路徑地面圖4-1地波傳播地波：頻率<2MHz；有繞射能力；傳播距離達(dá)數(shù)百千米或數(shù)千千米。天波：頻率2～30MHz；能被電離層反射；一次反射距離<4000km,多次反射距離達(dá)1萬(wàn)km以上;

存在寂靜區(qū)。地面信號(hào)傳播路徑圖4-2天波傳播視線傳播：頻率>30MHz距離:和天線高度有關(guān)m式中，D–收發(fā)天線間距離(km)。ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr圖4-3視線傳播例如要求D=50km,則收發(fā)天線的架設(shè)高度應(yīng)為50m.圖4-4無(wú)線電中繼增大視線傳播距離的其他途徑:中繼通信;衛(wèi)星通信;平流層通信等。除此之外，還有電離層散射、對(duì)流層散射、流星余跡散射等傳播方式。4.2有線信道傳輸電信號(hào)的有線信道主要有三類(lèi)，即明線、對(duì)稱電纜和同軸電纜。明線：是指平行架設(shè)在電線桿上的架空線路。它本身是導(dǎo)電裸線或帶絕緣層的導(dǎo)線。傳輸損耗低，但易受天氣和環(huán)境的影響，對(duì)外界噪聲干擾敏感，并且很難沿一條路徑架設(shè)大量的成百對(duì)線路。對(duì)稱電纜：由許多對(duì)雙絞線放在一根保護(hù)套內(nèi)組成。在有線電話網(wǎng)中廣泛用于用戶接入電路。圖4-9雙絞線導(dǎo)體絕緣層同軸電纜：導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)圖4-10同軸線有線電視廣播網(wǎng)中用同軸電纜將信號(hào)送入用戶。目前遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)母删€都采用光纖代替同軸電纜。4.3信道的數(shù)學(xué)模型二、調(diào)制信道模型一、調(diào)制信道和編碼信道三、編碼信道模型前面我們說(shuō)信道是指信號(hào)傳輸?shù)拿浇?，如電纜、光纖等。雖然定義非常直觀易懂，但在通信系統(tǒng)分析中，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型和突出重點(diǎn)，常根據(jù)所研究問(wèn)題，把信道的范圍適當(dāng)擴(kuò)大。一、調(diào)制信道和編碼信道編碼信道調(diào)制信道1、調(diào)制信道指從調(diào)制器輸出到解調(diào)器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒介。因?yàn)閺恼{(diào)制解調(diào)角度而言，調(diào)制信道僅對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行傳輸，因此可視為一個(gè)整體。2、編碼信道指從編碼器輸出到譯碼器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒介。因?yàn)閺木幾g碼的角度而言，它們之間的一切環(huán)節(jié)只起了傳輸數(shù)字信號(hào)的作用，因此可視為一個(gè)整體。二、調(diào)制信道模型

對(duì)于調(diào)制信道，我們不管信號(hào)在其中作了什么變換，用了什么媒介，我們只關(guān)心調(diào)制信道輸入與輸出之間的關(guān)系。對(duì)二對(duì)端的信號(hào)模型，其輸入輸出關(guān)系可表示為：

:信道輸入端信號(hào)電壓。

:信道輸出端的信號(hào)電壓。:噪聲電壓。通常假設(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋?--信道數(shù)學(xué)模型**因k(t)隨t變，故信道稱為時(shí)變信道。**因k(t)與相乘，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(méi)有信號(hào)時(shí)，沒(méi)有乘性干擾。加性干擾乘性干擾K(t)e0(t)ei(t)n(t)

調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型因此，調(diào)制信道的模型分為兩類(lèi)：隨參信道和恒參信道。三、編碼信道模型

編碼信道對(duì)輸入數(shù)字序列的影響表現(xiàn)在使輸出數(shù)字信號(hào)與輸入不一致。因此，編碼信道所關(guān)心的是數(shù)字信號(hào)經(jīng)信道傳輸后是否出現(xiàn)差錯(cuò)及出現(xiàn)差錯(cuò)的可能性有多少，常用數(shù)字轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。二進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型四進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型二進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型四進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型

一個(gè)特定信道，有確定的轉(zhuǎn)移概率，要大量的統(tǒng)計(jì)分析才能得到。與正確轉(zhuǎn)移概率與錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率無(wú)記憶：當(dāng)前碼元的差錯(cuò)與其前后碼元的差錯(cuò)沒(méi)有依賴關(guān)系。4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺缹?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯谴_定的、或者是變化極其緩慢。可等效于一個(gè)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)。所以只要知道這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性。就可利用信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)的分析方法，就可得知信號(hào)通過(guò)恒參信道時(shí)受到的影響。恒參信道的傳輸特性：幅頻特性、相頻特性。調(diào)制信道可以分為恒參信道和隨參信道兩類(lèi)。

實(shí)際的信道往往不能滿足這些要求。例如電話信號(hào)的頻帶在300Hz-3400Hz范圍內(nèi)；而電話信道的幅頻特性和相頻特性示于下圖。理想無(wú)失真信道，它的幅頻特性相頻特性(a)插入損耗～頻率特性頻率(kHz)（ms）群延遲(b)群延遲～頻率特性頻率失真：振幅～頻率特性不良引起的.頻率失真

波形畸變

碼間串?dāng)_解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償相位失真：相位～頻率特性不良引起的.對(duì)語(yǔ)音影響不大，對(duì)數(shù)字信號(hào)影響大.解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償.變參信道的影響自己看。4.5信道中的噪聲一、加性噪聲的分類(lèi)二、窄帶高斯噪聲及其等效帶寬我們將信道中存在的不需要的電信號(hào)統(tǒng)稱噪聲。通信中的噪聲是疊加在信號(hào)上的，沒(méi)有傳輸信號(hào)也有噪聲，噪聲永遠(yuǎn)存在于通信系統(tǒng)中。噪聲可看成是信道中的一種干擾，也稱加性干擾（噪聲）。

一、加性噪聲的分類(lèi)根據(jù)噪聲的來(lái)源可分為：人為噪聲和自然噪聲。人為噪聲:來(lái)源于人類(lèi)的各種活動(dòng)。如電鉆和電氣開(kāi)關(guān)瞬態(tài)造成的電火花；汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的電火花，家電產(chǎn)生的電磁波輻射等。自然噪聲:是自然界中存在的各種電磁波輻射。如閃電、大氣噪聲和宇宙噪聲等。此外還有一類(lèi)很重要的自然噪聲，即熱噪聲。它來(lái)自一切電阻性元件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。例如，導(dǎo)線、電阻和半導(dǎo)體器件等均產(chǎn)生熱噪聲。所以熱噪聲無(wú)處不在，不可避免地存在于一切電子設(shè)備中。熱噪聲的頻率范圍很廣，它均勻分布在大約從零頻開(kāi)始，直至1012Hz.由于在一般通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)，熱噪聲的頻譜是均勻分布的，所以熱噪聲又稱白噪聲。由于熱噪聲是由大量自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，其統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布，故常將熱噪聲稱為高斯白噪聲。

脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，持續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)間短得多。如電火花。特點(diǎn)：突發(fā)脈沖幅度大，但持續(xù)時(shí)間短，相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間往往有較長(zhǎng)的安靜時(shí)段。有較寬的頻譜，但頻率越高，其頻譜強(qiáng)度就越小。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)影響不大，但在數(shù)字通信中，一旦出現(xiàn)突發(fā)脈沖，將導(dǎo)致一連串的誤碼。因此通常采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)來(lái)克服脈沖噪聲的影響按噪聲的性質(zhì)，可分為：脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲三類(lèi)。窄帶噪聲：來(lái)自相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測(cè)知的?？梢钥醋魇且环N非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。特點(diǎn):頻譜集中在某個(gè)頻率附近的較窄的頻帶內(nèi)。但在頻率軸的位置可以實(shí)測(cè)得到，并不是所有的通信系統(tǒng)都存在這種噪聲。而且采取適當(dāng)措施，是可以防止的。起伏噪聲：是遍布在時(shí)域和頻域內(nèi)的隨機(jī)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。特點(diǎn)：干擾波形隨時(shí)間進(jìn)行無(wú)規(guī)則的隨機(jī)變化。從頻域看他在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)具有平坦的功率譜密度。它是自然界中固有的一種連續(xù)噪聲，是普遍存在和不可避免的。是影響通信質(zhì)量的主要因素之一。起伏噪聲中最常見(jiàn)的一種噪聲是高斯噪聲。如元器件本身產(chǎn)生的熱噪聲、散彈噪聲，它們是服從高斯分布的，即熱噪聲、散彈噪聲都是高斯過(guò)程。所以，討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。二、窄帶高斯噪聲及其等效帶寬帶限白噪聲：經(jīng)過(guò)接收機(jī)帶通濾波器過(guò)濾的熱噪聲。窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過(guò)程通過(guò)線性電路后，仍為一高斯過(guò)程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率：式中為雙邊噪聲功率譜密度。噪聲等效帶寬:噪聲功率譜特性

Pn(f)Pn(f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬的物理概念：以此帶寬作一矩形濾波特性，則通過(guò)此特性濾波器的噪聲功率，等于通過(guò)實(shí)際濾波器的噪聲功率。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(shí)，可以認(rèn)為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內(nèi)是恒定的。本章介紹了信道的基礎(chǔ)知識(shí)，包括信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。也介紹了信道中的噪聲情況。4.7小結(jié)無(wú)線信道按照傳播方式區(qū)分，有天波、地波和視線傳播三種；另外還有散射傳播，包括對(duì)流層散射、電離層散射和流星余跡散射。為了增大通信距離，可以采用轉(zhuǎn)發(fā)站轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。有線信道有明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜之分。信道的數(shù)學(xué)模型分為調(diào)制信道模型和編碼信道模型兩類(lèi)。調(diào)制信道模型用加性干擾和乘性干擾表示信道對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。加性干擾是疊加在信號(hào)上的各種噪聲。乘性干擾使信號(hào)產(chǎn)生各種失真。乘性干擾隨機(jī)變化的信道，稱為隨參信道；乘性干擾基本保持恒定的信道稱為恒參信道。編碼信道模型主要用定量表示錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)移概率描述其特性。恒