礦大通信原理課件CH 4 信道

4.1引

言

廣義信道按包含的功能，可劃分為調(diào)制信道與編碼信道，如圖所示。信道（信號(hào)通道）狹義信道：信號(hào)的傳輸媒質(zhì)廣義信道：媒質(zhì)及有關(guān)變換裝置（發(fā)送、接受設(shè)備，天線、饋線，調(diào)制解調(diào)器，等）有線信道無(wú)線信道1圖4–1調(diào)制信道和編碼信道廣義信道定義原因：只關(guān)心變換的最終結(jié)果，而無(wú)需關(guān)心詳細(xì)的物理過(guò)程。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(chēng)模擬信道。研究調(diào)制和解調(diào)時(shí)，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(shí)又稱(chēng)數(shù)字信道。4.2信

道

數(shù)

學(xué)

模

型

24.2信道的數(shù)學(xué)模型

調(diào)制信道模型調(diào)制信道具有如下共性：

1）有一對(duì)(或多對(duì))輸入端和一對(duì)(或多對(duì))輸出端；

2）絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿(mǎn)足疊加定理；3）信號(hào)通過(guò)信道具有一定的延遲時(shí)間，而且還會(huì)受到(固定或時(shí)變的)損耗；4）即使沒(méi)有信號(hào)輸入，在信道輸出端仍有一定的功率輸出(噪聲)。模型因此，可用一個(gè)二對(duì)端(或多對(duì)端)時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示調(diào)制信道，如圖。3則二對(duì)端數(shù)學(xué)模型可以寫(xiě)為其中，n(t)為加性噪聲（或加性干擾）；k(t)依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)的特性，反映網(wǎng)絡(luò)特性對(duì)的作用。k(t)的存在，對(duì)來(lái)說(shuō)是一種干擾，通常稱(chēng)為乘性干擾。分為兩大類(lèi)K(t)4在分析乘性干擾k(t)，可以把信道粗略分為兩大類(lèi)：恒參信道：指k(t)可看成不隨時(shí)間變化或相對(duì)于信道上傳輸信號(hào)的變化較為緩慢的調(diào)制信道（?？傻刃橐粋€(gè)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析）。隨參信道：是非恒參信道的統(tǒng)稱(chēng)，或者說(shuō)，k(t)是隨機(jī)變化的調(diào)制信道。編碼信道模型5編碼信道模型編碼信道模型用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。

最常見(jiàn)的無(wú)記憶的二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)單的編碼信道模型如圖4-3所示。（所謂信道無(wú)記憶是指：一碼元的差錯(cuò)與其前后碼元的差錯(cuò)發(fā)生是相互獨(dú)立的。)1001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)圖4-3二進(jìn)制編碼信道模型xy信道轉(zhuǎn)移概率6在此模型中，P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)、P(1/0)稱(chēng)為信道轉(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(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率。需要注意：轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道特性決定。一個(gè)特定的編碼信道，有確定的轉(zhuǎn)移概率。1001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)圖4-3二進(jìn)制編碼信道模型xy誤碼率7誤碼率為Pe=P(0)×P(1/0)+P(1)×P(0/1)

1001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)圖4-3二進(jìn)制編碼信道模型xy4.3恒參信道84.3恒參信道特性及其對(duì)信號(hào) 傳輸?shù)挠绊?/p>

恒參信道主要包括架空明線、電纜、中長(zhǎng)波地波傳播、超短波及微波視距傳輸、衛(wèi)星中繼、光纖等傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的信道。

模型恒參信道特性9恒參信道的傳輸特性通?？捎梅?頻率特性及相位-頻率特性來(lái)表征。在信號(hào)無(wú)失真?zhèn)鬏斨校ɡ硐胄诺溃〩(ω)=K0e-jωtd：

∣H(ω)∣=K0（衰減），

φ(ω)＝-ωtd

（時(shí)延）。只對(duì)ei(t)進(jìn)行幅度的衰減和時(shí)延。理想10幅度－頻率畸變

產(chǎn)生原因：

由有線電話信道中可能存在的各種濾波器、混合線圈、串聯(lián)電容、分路電感等造成信道的幅度－頻率特性不理想所引起的，又稱(chēng)為頻率失真。一般典型音頻電話信道可用圖4-4所示的幅度－頻率特性曲線近似表示。

頻率(Hz)030011002900衰耗(dB)圖4-4典型音頻電話信道的相對(duì)衰耗產(chǎn)生的影響

11產(chǎn)生的影響：

對(duì)于模擬信號(hào)：造成波形失真對(duì)于數(shù)字信號(hào)：造成碼間串?dāng)_引起相鄰碼元波形在時(shí)間上的相互重疊克服措施：

改善信道中的濾波性能增加線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦 ——均衡器相位－頻率畸變

12相位－頻率畸變

產(chǎn)生原因：

來(lái)源于信道中的各種濾波器及可能的加感線圈。相位-頻率畸變是指信道的相位-頻率特性偏離線性關(guān)系所引起的畸變。

分析方法：

常采用群延遲-頻率特性(相位-頻率特性對(duì)頻率的導(dǎo)數(shù))來(lái)衡量；若相位-頻率特性用φ(ω)來(lái)表示，則群遲延-頻率特性實(shí)際典型的電話信道的群遲延-頻率特性13對(duì)理想信道，呈現(xiàn)性關(guān)系，(為常數(shù))的曲線將是一條水平直線，如圖4-5。實(shí)際典型的電話信道的群遲延-頻率特性如圖4-6。

圖4-5理想的相位—頻率特性及群延遲—頻率特性=K0

K0

0.81.62.43.20.20.40.60.81.0相對(duì)群延遲ms頻率(kHz)圖4-6群延遲—頻率特性畸變實(shí)例14非單一頻率的信號(hào)通過(guò)該信道時(shí)，引起信號(hào)的畸變,如圖4-7。（動(dòng)畫(huà)演示）

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(jìn)行補(bǔ)償。

4.4隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

154.4隨參信道特性及其對(duì)信號(hào) 傳輸?shù)挠绊?/p>

隨參信道及其主要特性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(duì)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(wú)線電波）電離層反射信道為例對(duì)隨參信道進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，其傳輸路徑如圖。

16電離層是指離地面高60~600km的大氣層。當(dāng)短波電磁波經(jīng)過(guò)時(shí)經(jīng)反射、折射完成遠(yuǎn)距離的反射傳輸，同時(shí)也受到衰減、延時(shí)等影響。

隨參信道主要具有三個(gè)特點(diǎn)：

17隨參信道主要具有三個(gè)特點(diǎn)：

多徑傳播后的接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各條路徑的信號(hào)的合成。對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化；傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化；多徑傳播。引起多徑傳播的主要原因18引起多徑傳播的主要原因：

多徑傳輸?shù)挠绊?9多徑傳輸?shù)挠绊?主要從多徑時(shí)延差的影響進(jìn)行研究)兩徑傳輸模型（設(shè)衰減相同）

設(shè)到達(dá)接收點(diǎn)的兩路信號(hào)具有相同的強(qiáng)度和一個(gè)相對(duì)時(shí)延差τ。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)上圖所示的兩徑傳播后，其合成輸出信號(hào)將隨著輸入信號(hào)的頻率、兩徑的時(shí)延差τ的不同而變化，如下圖。

20常把多徑傳輸對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛Q(chēng)為一般衰落及頻率彌散和頻率選擇性衰落。

一般衰落及頻率彌散21一般衰落及頻率彌散

當(dāng)τ≠0時(shí)，輸出信號(hào)包絡(luò)和相位是緩慢變化的，可視為一個(gè)窄帶過(guò)程：

波形上，多徑傳播的結(jié)果使確定的載波信號(hào)Acos0t變成了包絡(luò)和相位都受到調(diào)制的窄帶信號(hào)，這樣的信號(hào)通常稱(chēng)之為衰落信號(hào)；頻譜上，多徑傳輸引起頻率彌散，即由單個(gè)頻率變成一個(gè)窄帶頻譜。包絡(luò)V(t)的一維分布服從瑞利分布，稱(chēng)為瑞利型衰落。(t)的一維分布服從均勻分布。頻率選擇性衰落

22頻率選擇性衰落

信號(hào)頻譜中某些分量的一種衰落（衰減大）現(xiàn)象，這是多徑傳播又一個(gè)重要特征。

仍然以?xún)蓮絺鞑槔?，隨著信號(hào)頻率的改變，輸出信號(hào)的波形(幅度)也不相同。模型的傳輸特性為：傳輸特性的幅度-頻率特性為幅頻特性曲線23多徑效應(yīng)幅頻特性曲線如圖當(dāng)（n為整數(shù)）時(shí)，出現(xiàn)傳播極點(diǎn)；當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)。另外，相對(duì)時(shí)延差一般是隨時(shí)間變化的，故傳輸特性出現(xiàn)的零點(diǎn)與極點(diǎn)也是隨時(shí)間變化的。相關(guān)帶寬24相關(guān)帶寬多徑傳播中，頻率選擇性同樣依賴(lài)于相對(duì)時(shí)延差。此時(shí)，相對(duì)時(shí)延差（簡(jiǎn)稱(chēng)多徑時(shí)延差）通常用最大多徑時(shí)延差m來(lái)表征，并用它來(lái)估算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上的位置。

定義相鄰傳輸零極點(diǎn)的頻率間隔為多徑傳播媒質(zhì)的相關(guān)頻帶。

為了不引起選擇性衰落，傳輸信號(hào)的頻帶必須小于多徑傳播媒質(zhì)的相關(guān)頻帶Δ。

如，數(shù)字傳輸時(shí)，為減小碼間干擾影響，通常要限制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率。

一般衰落及頻率彌散和頻率選擇性衰落都是非線性畸變，一旦產(chǎn)生很難采用一般方法將其消除掉。

隨參信道特性的改善——分集接收

25隨參信道特性的改善——分集接收

分集接收的原理分集接收的基本思想：分散得到幾個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的合成信號(hào)并集中這些信號(hào)，那么經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜⒑髽?gòu)成總的接收信號(hào)，就能使系統(tǒng)的性能大為改善。分集的分類(lèi)26分集接收的種類(lèi)

空間分集：在接收端架設(shè)幾副有足夠的間距（100個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)以上）天線，以保證各天線上獲得的信號(hào)基本相互獨(dú)立。頻率分集

：用多個(gè)不同載頻傳送同一個(gè)消息，如果各載頻的頻差相隔比較遠(yuǎn)，則各載頻信號(hào)也基本互不相關(guān)。角度分集：利用天線波束指向不同信號(hào)不相關(guān)的原理構(gòu)成的一種分集方法。極化分集：分別接收水平極化和垂直極化波而構(gòu)成的一種極化方法。集中方法27合并方法最佳選擇式

：從幾個(gè)分散信號(hào)中選擇其中信噪比最好的一個(gè)作為接收信號(hào)；

等增益相加式：將幾個(gè)分散的信號(hào)以相同增益進(jìn)行直接相加，相加后的信號(hào)作為接收信號(hào)；最大比值相加式：使各支路增益分別與其信噪比成正比，然后再相加獲得接收信號(hào)。圖中K為分集重?cái)?shù)，r為合并后輸出信噪比的平均值。284.6信道加性噪聲

調(diào)制信道對(duì)信號(hào)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(chēng)加性噪聲，簡(jiǎn)稱(chēng)噪聲。29加性噪聲來(lái)源與分類(lèi)來(lái)源

人為噪聲：來(lái)源于其它無(wú)關(guān)的信號(hào)源，如外臺(tái)信號(hào)、開(kāi)關(guān)接觸噪聲、工業(yè)的點(diǎn)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(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，如導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)（熱噪聲）、電源哼聲等。30根據(jù)特征分為單頻噪聲：占有頻率很窄的連續(xù)波噪聲；特點(diǎn)：可視為一個(gè)已調(diào)正弦波，其幅度、頻率或者相位是事先不能預(yù)測(cè)的。但這種噪聲占有極窄的頻帶，在頻率軸上的位置可以測(cè)量進(jìn)而防止，因此并不是所有的通信系統(tǒng)中都存在。如外臺(tái)信號(hào)等。

單頻噪聲,脈沖噪聲，起伏噪聲

脈沖噪聲31脈沖噪聲

：時(shí)間上無(wú)規(guī)則地突發(fā)的短促噪聲；特點(diǎn)：突發(fā)的脈沖幅度大，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，但隨頻率升高能量降低。如工業(yè)上的點(diǎn)火輻射，閃電即偶然的碰撞和電氣開(kāi)關(guān)通斷產(chǎn)生的噪聲等。起伏噪聲

32起伏噪聲

：以熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲為代表的噪聲；

特點(diǎn)：無(wú)論在時(shí)域還是頻域內(nèi)它們都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，是研究噪聲的主要對(duì)象。起伏噪聲組成33起伏噪聲來(lái)源熱噪聲

電阻類(lèi)導(dǎo)體中，自由電子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。散彈噪聲

由真空電子管或半導(dǎo)體器件中電子發(fā)射的不均勻性引起的噪聲。

宇宙噪聲

是指天體輻射波對(duì)接收機(jī)形成的噪聲。

起伏噪聲特點(diǎn)34起伏噪聲特點(diǎn)高斯白噪聲，且在相當(dāng)寬的頻譜內(nèi)具有平坦的功率譜密度；經(jīng)信道、接受轉(zhuǎn)換設(shè)備后輸出為窄帶高斯噪聲；對(duì)于帶寬為Bn的窄帶高斯噪聲，認(rèn)為它的功率譜密度Pn()在帶寬Bn內(nèi)是平坦的。

4.7信道容量354.7信道容量信道容量：信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾剩葱诺赖臉O限傳輸能力。從信息論的觀點(diǎn)來(lái)看，各種信道可以概括為兩大類(lèi)：

離散信道：輸入和輸出的信號(hào)都是取離散的時(shí)間函數(shù)；即廣義信道中的編碼信道；（編碼信道）連續(xù)信道：輸入和輸出信號(hào)都是取值連續(xù)的時(shí)間函數(shù)；即廣義信道中的調(diào)制信道。離散信道的信道容量36離散信道的信道容量離散信道模型

(a)是無(wú)噪聲信道，（b）是有噪聲信道。P(xi)——發(fā)送符號(hào)xi的概率，P(yj)——收到符號(hào)yj的概率，P(yj/xi)——發(fā)送為xi而收到y(tǒng)i的轉(zhuǎn)移概率。

平均互信息量I(X,Y)

37平均互信息量I(X,Y)

在有噪聲信道中，發(fā)送符號(hào)為而收到符號(hào)為時(shí)所獲得的信息量，即互信息量。

它等于發(fā)送符號(hào)的信息量減去收到符號(hào)yi后對(duì)xi的不確定程度：

式中，——收到而發(fā)送為的條件概率。

38

對(duì)所有發(fā)送為而收到為的互信息量取統(tǒng)計(jì)平均，則得到從Y中獲得的關(guān)于X的平均信息量即平均互信息量I(X,Y):式中，H(x)——表示發(fā)送的每個(gè)符號(hào)的平均信息量； H(x/y)——表示發(fā)送符號(hào)在有噪聲的信道中傳輸平均丟失的信息量。信息傳輸速率R39信息傳輸速率R與信道容量C

信道在單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)钠骄畔⒘糠Q(chēng)為信息傳輸速率R，可表示為式中，r為單位時(shí)間內(nèi)傳送的符號(hào)數(shù)。該式表示有噪聲信道中信息傳輸速率等于每秒鐘內(nèi)信息源發(fā)送的信息量與由信道不確定性而引起的丟失的那部分信息量之差。

顯然，在無(wú)噪聲時(shí)R=rH(x)；如果噪聲很大時(shí)，H(x/y)H(x)，則信道傳輸信息的速率為R0。信道容量40信息傳輸速率與單位時(shí)間傳送的符號(hào)數(shù)目r、信息源概率分布及信道干擾的概率分布有關(guān)。對(duì)于一切可能的信息源概率分布來(lái)說(shuō)，信道傳輸