通信原理asfcc第3章

第三章信道(Channel)主要內(nèi)容：

信道的定義信道的數(shù)學模型恒參信道與隨參信道的傳輸特性信道加性噪聲的統(tǒng)計特性信道容量的計算重點：

信道中輸入與輸出的關系幅頻曲線、相頻曲線含義幅度頻率畸變、相位頻率畸變多徑效應及噪聲特性信道容量通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!3.1引言3.3信道數(shù)學模型3.6隨參信道舉例

3.7隨參信道特性及對信號傳輸?shù)挠绊?.8隨參信道特性的改善——分集接收

3.9信道的加性噪聲

3.2信道定義3.5恒參信道特性及對信號傳輸?shù)挠绊?.4恒參信道舉例3.10信道容量

典型例題通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!3.1引言廣義信道：包括信號的各種變換裝置和傳輸媒介的信道信道:信號的傳輸通道狹義信道：僅包含信號的傳輸媒介，有無線和有線兩大類.通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!

3.2信道定義

根據(jù)研究的對象和關心的問題來定義信道的范疇編碼信道EncodingChannel調(diào)制信道ModulationChannel廣義信道離散信號

發(fā)轉(zhuǎn)換器

媒質(zhì)

收轉(zhuǎn)換器

解調(diào)器

譯碼器

編碼器

調(diào)制信道編碼信道連續(xù)信號

調(diào)制器通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!或

時變線性網(wǎng)絡如果網(wǎng)絡的函數(shù)變換關系定義為注：乘性干擾。恒參信道：=常數(shù)隨參信道：常數(shù)加性干擾。則有時變線性網(wǎng)絡根據(jù)上述共性，我們可用一個二對端（或多對端）的時變線性網(wǎng)絡來表示調(diào)制信道——調(diào)制信道模型網(wǎng)絡的輸入與輸出之間的關系可表示為：通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!例如:二進制數(shù)字傳輸?shù)木幋a信道令碼元發(fā)生錯誤相互獨立,即信道無記憶信道性能：用轉(zhuǎn)移概率描述

P(0/0)=1-P(1/0)P(0/0),P(1/1)為正確轉(zhuǎn)移概率

P(1/1)=1-P(0/1)P(1/0),P(0/1)為錯誤轉(zhuǎn)移概率轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道所決定。需用大量的統(tǒng)計分析得到四進制:編碼信道模型可用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率來描述通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!0.3~2.70.3~15012~10812~25260~130060~4100300~9000300~12000300~600001+31+3+1224603009601800270010800

架空明線架空明線對稱電纜對稱電纜小同軸電纜小同軸電纜中同軸電纜中同軸電纜中同軸電纜30080~1203512~188464.51.5增音段長度

(km)頻率范圍

(kHZ)

通話路數(shù)

線路類型

三種有線電信道的性能通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!光源光調(diào)制器光纖線路光探測器基帶處理基帶處理已調(diào)光信號已調(diào)電信號解調(diào)電信號基帶電信號基帶電信號光源：LED或LD光源光纖線路：一根或多根光纖光探測器：PIN光電二極管或雪崩光電二極管（APD）中繼器：直接中繼器和間接中繼器通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!衰減/dBf/(kHz)H(f)改善措施：改善濾波性能，增加均衡器(equalizer)、線性補償網(wǎng)絡音頻電話信道的幅度－頻率特性通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!群遲延產(chǎn)生信號畸變示意圖接收端信號：

三次諧波基波合成波三次諧波基波合成波發(fā)送端信號：通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!3.多徑傳播(MultiplePathTransfer)原因:1)電波經(jīng)電離層一次反射或多次反射；2)幾個反射層高度不同；3)電離層不均勻引起的漫射(diffusion)；4)磁場影響，使電磁波來分裂成尋常波，非尋常波。4.應用優(yōu)點：功率小，距離遠，地形隨意，合適的頻寬，保密；缺點：可靠性差，工作頻率變，多徑失真，干擾大。通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!

3.6.2對流層散射信道

1、傳播距離約100～500km

利用離地面10～12km以下的大氣對流層，對流層中大氣湍流運動產(chǎn)生不均勻性，引起電波的散射，可提供12～240頻分復用話路，可靠性99.9%。對流層散射傳播路徑的示意圖2、傳播損耗1）自由空間能量擴散損耗

2）散射損耗

主要特征：1、衰落1）慢衰落：氣象引起。每季月、日信號強度變化

2）快衰落：多徑傳播。使信號的幅度和相位快速隨機變化其克服方法：分集接收。通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!對流層散射路徑示意圖通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!2）多徑傳播使變成包絡和相位受到調(diào)制的窄帶信號

3）多徑傳播引起了頻率彌散(頻率展寬)。R(t)稱為衰落信號或均為緩慢變化的隨機過程0V(t)R(t)結論：1）是窄帶過程、的統(tǒng)計特性討論：通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!、的統(tǒng)計特性在時刻，，是幾個隨機變量之和當

很大時，各個隨機變量相互獨立且均勻、是高斯隨機變量（中心極限定理）且平穩(wěn)（統(tǒng)計特性與的值無關）：窄帶高斯過程：瑞利分布。：均勻分布結論：通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!∴兩徑傳播的模特性取決討論：模特性處為零點說明：信號頻率不同時受到的衰減不一樣，且衰減量與有關。的值隨日常時間而變化作圖：處為極點通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!2、分集信號的合并最佳選擇式：從幾個分散信號中選擇信噪比最好的一個作為接收信號等增益相加式：將幾個分散信號以相同的支路增益進行直接相加，相加后的信號作為接收信號最大比值相加：控制各支路增益，使它們分別與本支路的信噪比成正比，然后再相加獲得作為接收信號的改善k最佳選擇等增益合并最大比值合并通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!3.9信道的加性噪聲加性噪聲:1)人為噪聲2)自然噪聲3)內(nèi)部噪聲隨機噪聲1)單頻噪聲:連續(xù)波干擾，可視為已調(diào)正弦波。占極窄頻帶2)脈沖噪聲：時間上無規(guī)則地突發(fā)的短促噪聲。脈沖噪聲幅度大，持續(xù)時間短，頻譜寬，頻率越高，頻譜強度越小3)起伏噪聲:熱噪聲、散彈噪聲、宇宙噪聲。普遍存在，不可避免——影響通信的主要因素。通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!從調(diào)制信道角度看——帶通型噪聲接收轉(zhuǎn)換器——帶通濾波器(BPF:BandPassFilter)∴輸出為窄帶高斯噪聲設帶通型噪聲的功率譜密度如圖示，可由高斯白噪聲通過一個帶通濾波器得到。-f0f00等效噪聲帶寬對帶寬為的窄帶高斯噪聲，可以認為它的功率譜密度在帶寬內(nèi)是平坦的。通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!信息傳輸速率：信道在單位時間內(nèi)所傳輸?shù)钠骄畔⒘浚盒畔⒃吹男畔⑺俾剩簡挝粫r間內(nèi)對發(fā)送x而收到y(tǒng)的條件平均信息量設單位時間傳送的符號數(shù)為r,則無噪聲時，信道不存在不確定性，H(x/y)=0這時噪聲很大時，,則R0信道容量C:信道傳輸信息的速率R的最大值通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!3.10.2連續(xù)信道的信道容量C——信道容量S——信號平均功率N——噪聲平均功率B——信道帶寬香農(nóng)公式：結論：（1）對給定B、S/N，信道的極限傳輸能力（信道容量）C即確定。R<=C可做到無差錯傳輸R>C無差錯傳輸理論上不可能

（2）信道容量C一定時，帶寬B和信噪比S/N之間可互換

通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!典型例題

例1P61.3-2輸出信號討論：此信道幅頻特性,相頻特性為

有幅頻失真，相頻特性與成線性關系，無相頻失真，所以輸出信號的失真是由信道的幅頻失真引起的解：幅頻特性則通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!例3.P61.3-8處為極大值點即傳輸衰落最大?！鄠鬏斔ズ淖畲蟮念l率為：∴傳輸信號最有利的頻率為處為零點解：由分析，通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!例5.計算機終端通過電話信道傳輸計算機數(shù)據(jù)，電話信道帶寬3.4KHz，信道輸出信噪比為20dB，該終端輸出128個符號，各符號相互統(tǒng)計獨立，等概出現(xiàn)。（1）求香農(nóng)信道容量（2）求無誤碼傳輸?shù)淖罡叻査俾式猓海?）信噪比為20dB，則則香農(nóng)信道容量（2）無誤碼傳輸?shù)淖畲笮畔鬏斔俾仕詿o誤碼傳輸?shù)淖畲蠓査俾释ㄐ旁韆sfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!3.3信道數(shù)學模型3.3.1調(diào)制信道模型（連續(xù)系統(tǒng)）共性:1)有一對(或多對)輸入、輸出端2)線性的滿足疊加原理3)對信號有延遲，損耗、衰減4)

無信號輸入時，仍有功率輸出（噪聲）

發(fā)轉(zhuǎn)換器

媒質(zhì)

收轉(zhuǎn)換器

解調(diào)器

調(diào)制信道

調(diào)制器通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!3.3.2編碼信道模型（離散系統(tǒng)）信道對信號的影響是序列變換,信道的失真以誤碼率體現(xiàn)數(shù)字信道

發(fā)轉(zhuǎn)換器

媒質(zhì)

收轉(zhuǎn)換器

解調(diào)器

譯碼器

編碼器

調(diào)制信道編碼信道模擬信道

調(diào)制器通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!3.4恒參信道舉例3.4.1、有線電信道表3-1三種有線電信道的性能明線:傳輸損耗低。易受天氣和氣候影響，對外界噪聲敏感對稱電纜:傳輸損耗比明線大的多，傳輸特性比較穩(wěn)定同軸電纜：外導體屏蔽，特性穩(wěn)定3.4.2、光纖信道以光纖為傳輸媒介，光波為載波?？商峁O大容量光纖信道一般組成3.4.3、無線電視距中繼工作頻率：超短波和微波，沿視線傳輸，依靠中繼方式通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!3.4.4、衛(wèi)星中繼(SatelliteRelay)無線電中繼的特殊形式——同步衛(wèi)星為中繼站傳輸容量大、發(fā)射功率小，通信穩(wěn)定可靠。用于多路電話及電視地球地面站地球地面站通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!恒參信道可等效為線性時不變網(wǎng)絡，只要得到網(wǎng)絡的傳輸特性，就可知信道對信號的影響網(wǎng)絡的傳輸特性用幅頻函數(shù)(amplitude-frequencyfunction)、相頻函數(shù)(phase-frequencyfunction)描述3.5恒參信道特性及對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

3.5.1幅度-頻率畸變----傳輸特性的不均勻衰耗(decline)引起已調(diào)信號中各頻率分量通過信道時帶來不同衰減（或增益）造成輸出信號的失真——頻率失真(distortion)理想無失真?zhèn)鬏斝诺?，其傳函應滿足：

典型音頻信道幅度－頻率特性曲線K:傳輸系數(shù):延遲時間通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!3.5.2相位-頻率畸變網(wǎng)絡的相頻特性非線性（來源于阻抗性元件）所引起的畸變。主要影響數(shù)字信號,引起嚴重的碼間串擾

設相頻特性為相位—頻率特性理想時：群遲延—頻率特性定義：群遲延頻率特性

實際中：群遲延不為常數(shù)。不同的頻率的信號經(jīng)過信道傳輸后，到達輸出端的相對時間不一致。群遲延產(chǎn)生信號畸變示意圖通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!3.6隨參信道

3.6.1短波電離層反射信道波長為100～10m,頻率為3～30MHZ的無線電波1.

傳播路徑信號的傳播路徑圖利用離地面60～600KM的電離層反射信號。電離層分為D、E、F1、F2四層，其中D、F1

夜間消失

2．工作頻率更高的頻率信號將穿透電離層通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!

通信距離最大為8000Km，隨高度增加而減小，影響電波彎曲折射回地面

F2地面反射點二次反射一次反射信號的傳播路徑圖通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!4、天線與媒介間的耦合損耗——天線增益虧損：理論增益與實際增益之差5、應用

干線通信

點對點通信例子3、信道允許頻帶：最大多徑時延差通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!3.7隨參信道特性及對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

隨參信道的三個特點：1）衰耗隨時間而變；2）時延隨時間而變；3）多徑傳播。隨機信號的統(tǒng)計特性用它的概率分布或數(shù)學特征表述3.7.1接收信號的描述設發(fā)射信號為則接收信號為第i條路徑的接收信號振幅第i條路徑的傳輸時延包絡相位通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!

例子：發(fā)信號：即：發(fā)信號在時間軸上被展寬。（多徑時散）這種失真類似于該信號通過濾波器后的失真?！嘈诺揽煽闯墒且粋€帶限濾波器(filter)。接收信號：受多徑傳播的影響變?yōu)椋航邮招盘柾ㄐ旁韆sfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!2、多徑傳播設多徑傳播最大相對時延差為1、以兩徑傳播模型為例

框圖及公式推導定義：為相鄰傳輸零點的頻率間隔。分析模型的傳輸特性3.7.2.的頻率選擇性衰落討論模特性看成兩個網(wǎng)絡級聯(lián)則為信道帶寬結論：傳輸信號帶寬<一般工程上：信號帶寬通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!3.8隨參信道特性的改善——分集接收

分集接收(diversityreceive)——抗快衰落措施之一思想:在接收端同時分別獲得(分散得到)幾個不同路徑的信號(相互獨立)，然后將這些信號適當合并,構成總的接收信號,其總信號的衰落現(xiàn)象將大大改善.1、分集方法:1）空間分集：用幾副天線，各天線間有足夠的間距2）頻率分集：用多個不同載頻傳送同一消息，當各載頻相隔比較遠，如頻差為多徑時延的倒數(shù)，則各載頻信號基本互不相關.3）角度分集：利用天線波束指向不同，使信號不相關4）極化分集：分別接收水平極化波和垂直極化波通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!此模型傳輸特性的公式推導

模型的傳輸特性為兩徑傳播模型：兩條路徑信號的相對時延差通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!1、熱噪聲電子隨機運動產(chǎn)生的交流成分，服從高斯分布2、散彈噪聲真空電子管和半導體器件中電子發(fā)射的不均勻引起的，高斯隨機過程3、宇宙噪聲天體輻射波對接收機形成的噪聲結論：三種噪聲均可認為是一種高斯噪聲，在相當寬的頻率范圍內(nèi)具有平坦的功率譜密度?！咚拱自肼?/p>

起伏噪聲通信原理asfcc第3章共45頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!3.10信道容量(channelcapacity)3.10.1離散信道的信道容量

設輸入為，輸出為取統(tǒng)計平均，——表示發(fā)送的每個符號的平均信息量——表示發(fā)送符號在有噪信