通信原理第4章信道(第七版)第一頁，共59頁。信道分類信道模型恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?/p>

本章內(nèi)容:

第4章信道

第二頁，共59頁。

—傳輸媒質(zhì)有線信道——明線、電纜、光纖無線信道——自由空間或大氣層無線信道舉例：地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、衛(wèi)星中繼、散射及移動無線電信道

概述狹義信道：廣義信道：

調(diào)制信道——研究調(diào)制/解調(diào)問題編碼信道——研究編碼/譯碼問題信道的定義與分類第三頁，共59頁。無線信道§4.1第四頁，共59頁。地面對流層平流層電離層10km60km0km對流層：約

0~10km平流層：約10~60km電離層：約60~400

km地球大氣層的結(jié)構(gòu)：第五頁，共59頁。地波ground-wave頻率：<2MHz特性：有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千米用于：AM廣播天波sky-wave頻率：2~30MHz特性：被電離層反射距離：<4000km（一跳）用于：遠程、短波通信傳播路徑

地波傳播方式傳播路徑天波傳播方式無線信道電磁波的傳播方式：第六頁，共59頁。ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑Drr視線傳播方式

頻率：>30MHz特性：直線傳播、穿透電離層用途：衛(wèi)星和外太空通信超短波及微波通信距離：與天線高度有關(guān)

視線傳播line-of-sight無線信道D

為收發(fā)天線間距離(km)

設(shè)收發(fā)天線的架設(shè)高度均為40m，則最遠通信距離為：

D=44.7km例如第七頁，共59頁。微波中繼（微波接力）衛(wèi)星中繼（靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星）平流層通信Q&A

增大視線傳播距離的其他途徑？第八頁，共59頁。遠距離通信時，需建立多個中繼站兩點間傳輸距離30km~50km無線信道微波中繼優(yōu)點：容量大、投資少、維護方便、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定。應(yīng)用：遠距離傳輸話音和電視信號。第九頁，共59頁。優(yōu)點：通信容量大，傳輸質(zhì)量穩(wěn)定,傳輸距離遠，覆蓋區(qū)域廣。缺點：傳輸時延大，信號衰減大，

造價高。無線信道衛(wèi)星中繼第十頁，共59頁。對流層散射 頻率：100~4000MHz

距離：

<600km對流層散射通信地球有效散射區(qū)域無線信道散射通信電離層散射 頻率：30~60MHz

距離：1000km以上第十一頁，共59頁。流星余跡無線信道流星余跡散射特性:

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以上用途:低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸?shù)谑摚?9頁。有線信道§4.2明線對稱電纜同軸電纜光纖第十三頁，共59頁。1880年紐約街貌明線第十四頁，共59頁。導(dǎo)體絕緣層雙絞線TwistedRair屏蔽雙絞線(STP)（可減少噪聲干擾）非屏蔽雙絞線(UTP)（便宜、易彎曲、易安裝）由多對雙絞線組成

每對呈扭絞狀，以減

小各線對的相互干擾。

特點

傳輸衰減大/距離短，鄰道間有串話干擾。缺點

電話線路、局域網(wǎng)及綜合布線工程中的傳輸介質(zhì)應(yīng)用有線信道對稱電纜第十五頁，共59頁。由同軸的兩個導(dǎo)體組成內(nèi)芯：金屬導(dǎo)線外導(dǎo)體：金屬編織網(wǎng)抗電磁干擾能力強帶寬更寬、速率更高

成本較高；解決：用光纜代替（干線）

組成優(yōu)點（相比雙絞線）缺點有線信道同軸電纜第十六頁，共59頁。

寬帶（射頻）同軸電纜：75Ω，用于傳輸模擬信號多用于有線電視（CATV）系統(tǒng)傳輸距離可達幾十千米

基帶同軸電纜：50Ω，多用于數(shù)字基帶傳輸速率可達10Mb/s傳輸距離<幾千米有線信道第十七頁，共59頁。單模階躍折射率光纖

光纖結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)：纖芯包層按折射率分類：階躍型梯度型按模式分類：多模光纖單模光纖有線信道光纖第十八頁，共59頁。易碎，接口昂貴，安裝和維護需要專門技能。傳輸帶寬寬、通信容量大；傳輸衰減小，無中繼傳輸距離遠；

(<0.2dB/km)

（幾百公里）抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好，防竊聽，耐腐蝕；體積小，重量輕，節(jié)省有色金屬，環(huán)保。缺點長途電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)等的主干線路中。應(yīng)用優(yōu)點有線信道第十九頁，共59頁。信道數(shù)學(xué)模型§4.3第二十頁，共59頁。

模型：有一對（或多對）輸入端和輸出端大多數(shù)信道都滿足線性疊加原理對信號有固定或時變的延遲和損耗無信號輸入時，仍可能有輸出（噪聲）共性：疊加有噪聲的線性時變/時不變網(wǎng)絡(luò)：§4.3.1調(diào)制信道模型第二十一頁，共59頁。入出關(guān)系：反映信道本身特性調(diào)制信道對信號的影響程度取決

與

的特性。加性噪聲始終存在乘性干擾（共存共失）第二十二頁，共59頁。調(diào)制信道分為：（根據(jù)信道的時變特性）

恒參信道——特性基本不隨時間變化

隨參信道——特性隨時間隨機快變化不同的物理信道具有不同的特性C()=常數(shù)（可取1）加性高斯白噪聲信道模型第二十三頁，共59頁。+=1P(1/0)P(0/1)

001

1P(0/0)P(1/1)發(fā)送端接收端二進制無記憶編碼信道模型可用轉(zhuǎn)移概率來描述。+=1P(0/0)

P(1/1)

正確P(1/0)

P(0/1)

錯誤

模型：§4.3.2編碼信道模型第二十四頁，共59頁。01233210接收端發(fā)送端四進制無記憶編碼信道第二十五頁，共59頁。恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊憽?.4第二十六頁，共59頁。特點：傳輸特性隨時間緩變或不變。舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道…

1.

傳輸特性幅頻特性相頻特性線性時不變系統(tǒng)

2.無失真?zhèn)鬏?/p>

恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懙诙唔?，?9頁。恒參信道群遲延特性幅頻特性相頻特性無失真?zhèn)鬏敚ɡ硐牒銋⑿诺溃┨匦郧€：第二十八頁，共59頁。

若輸入信號為s(t)，則理想恒參信道的輸出:恒參信道固定的遲延固定的衰減——這種情況稱為無失真?zhèn)鬏斃硐牒銋⑿诺赖臎_激響應(yīng):第二十九頁，共59頁。

3.失真影響措施恒參信道群遲延失真:

幅頻失真：

影響

影響

相頻失真：第三十頁，共59頁。相頻特性典型音頻電話信道:

幅度衰減特性群遲延頻率特性恒參信道第三十一頁，共59頁。1.隨參信道舉例指傳輸特性隨時間隨機快變的信道。隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊戧懙匾苿有诺蓝滩婋x層反射信道超短波流星余跡散射信道超短波及微波對流層散射信道超短波電離層散射超短波超視距繞射…

第三十二頁，共59頁。

2.隨參信道特性隨參信道

衰減隨時間變化時延隨時間變化多徑傳播多徑傳播示意圖：第三十三頁，共59頁。

3.多徑效應(yīng)第i條路徑接收信號振幅經(jīng)過n條路徑傳播（各路徑有時變的衰落和時延）

—

多經(jīng)傳播的影響傳輸時延則接收信號為

設(shè)發(fā)送信號為幅度恒定頻率單一第三十四頁，共59頁。根據(jù)概率論中心極限定理：當(dāng)n足夠大時，x(t)和y(t)趨于正態(tài)分布。

同相~正交形式包絡(luò)~相位形式瑞利分布均勻分布多徑效應(yīng)包絡(luò)相位隨機緩變

的窄帶信號第三十五頁，共59頁。波形發(fā)送信號接收信號頻譜

多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落；多徑傳播引起頻率彌散。結(jié)論第三十六頁，共59頁。我們更關(guān)心的問題：

多徑傳播

對于一個復(fù)雜信號f(t)

（實際情況）

的影響如何呢？兩徑多徑多徑效應(yīng)第三十七頁，共59頁。多徑效應(yīng)傳輸衰減均為K

傳輸時延分別為1和2發(fā)射信號接收信號設(shè)兩條路徑的信道為f(t)fo(t)=Kf(t-1)+

Kf(t-2

)信道傳輸函數(shù)fo(t)

=2-1相對時延差則接收信號為常數(shù)衰減因子確定的傳輸時延因子與信號頻率有關(guān)的復(fù)因子第三十八頁，共59頁。信道對信號不同的頻率成分，將有不同的衰減?！l率選擇性衰落如何減?。啃诺婪l特性第三十九頁，共59頁。信道相關(guān)帶寬：定義為相鄰傳輸零點的頻率間隔

，工程經(jīng)驗公式：

4.減小頻率選擇性衰落的措施△f

△f

＝1/應(yīng)使信號帶寬Bs

＝(1/3~1/5)△f數(shù)字信號的碼元寬度:Ts

＝(3~5)→RB↓mmBs

<△f第四十頁，共59頁。歸納

衰減隨時間變化時延隨時間變化多徑傳播

隨參信道特性

多徑效應(yīng)瑞利型衰落頻率彌散頻率選擇型衰落分集接收擴頻技術(shù)OFDM等

減小衰落的措施Bs＝(1/3~1/5)△f第四十一頁，共59頁。西安電子科技大學(xué)通院信道噪聲§4.5第四十二頁，共59頁。1.何謂噪聲信道中存在的不需要的電信號。它獨立于信號始終存在，又稱加性干擾。它使信號失真，發(fā)生錯碼，限制傳輸速率。

按噪聲來源

2.噪聲類型人為噪聲自然噪聲內(nèi)部噪聲

（如熱噪聲）脈沖噪聲

窄帶/單頻噪聲

起伏噪聲（熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲）起伏噪聲

按噪聲性質(zhì)第四十三頁，共59頁。熱噪聲：來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。均勻分布在0～1012Hz頻率范圍。性質(zhì)：高斯白噪聲

式中

k=1.3810-23（J/K）－波茲曼常數(shù)T－熱力學(xué)溫度（oK）R－阻值（）

B

－帶寬（Hz）熱噪聲電壓有效值：第四十四頁，共59頁。歸納信道加性噪聲n(t):代表：起伏噪聲（熱噪聲等）

性質(zhì)：高斯白噪聲

n(t)?BPF?窄帶高斯噪聲第四十五頁，共59頁。平均功率：噪聲等效帶寬：功率譜：噪聲等效帶寬

Pn(f)接收濾波器特性通過寬度為Bn的矩形濾波器的噪聲功率

=通過實際接收濾波器的噪聲功率。

物理

意義窄帶高斯噪聲:Pn(f0)第四十六頁，共59頁。信道容量§4.6——指信道能夠無差錯傳輸時的最大平均信息速率第四十七頁，共59頁。4.6.1離散信道容量x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端xn。。。。。。。。。ym圖

信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)

計算離散信道容量的信道模型發(fā)送符號：x1，x2，x3，…，xn接收符號：

y1，y2，y3，…，ymP(xi)=發(fā)送符號xi的出現(xiàn)概率P(yj)=收到y(tǒng)j的概率P(yj/xi)=轉(zhuǎn)移概率，或P(xi/yj)

發(fā)送xi的條件下收到y(tǒng)j的條件概率；無噪聲時，當(dāng)i=j時為1，當(dāng)i≠j時為0。48第四十八頁，共59頁。式中，P(xi)?發(fā)送符號xi的概率（i=1,2,3,?,n）（1）信源發(fā)送的平均信息量（熵）（2）因信道噪聲而損失的平均信息量式中，P(yj)?收到y(tǒng)j的概率（j=1,2,3,?,m）；P(xi/yj)?收到y(tǒng)j后判斷發(fā)送的是xi的轉(zhuǎn)移概率第四十九頁，共59頁。（3）信息傳輸速率R

——信道每秒傳輸?shù)钠骄畔⒘縖H(x)–H(x/y)]

?是接收端得到的平均信息量

r

?信道每秒傳輸?shù)姆枖?shù)為（符號速率）——最大信息傳輸速率：對一切可能的信源概率分布，求R的最大值：含義：每個符號能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘浚?）信道容量Ct

等價式：第五十頁，共59頁?！纠吭O(shè)信源由兩種符號“0”和“1”組成，符號傳輸速率為1000符號/秒，且這兩種符號的出現(xiàn)概率相等，均等于1/2。信道為對稱信道，其傳輸?shù)姆栧e誤概率為1/128。試畫出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct?！窘狻啃诺滥Ｐ停?011P(0/0)=127/128P(1/1)=127/128P(1/0)=1/128P(0/1)=1/128發(fā)送端圖

對稱信道模型接收端第五十一頁，共59頁。信源的平均信息量（熵）： （比特/符號）條件信息量：第五十二頁，共59頁。平均信息量/符號＝H(x)－H(x/y)=1–0.045=0.955（比特/符號）第五十三頁，共59頁。S

－信號平均功率（W）；B

－帶寬（Hz）n0－噪聲單邊功率譜密度；N=n0B

－噪聲功率（W）由香農(nóng)信息論可證，白噪聲背景下的連續(xù)信道容量為