第2章 信道與噪聲

2023/2/61復(fù)習(xí)與小結(jié)1.對于模擬通信來說，系統(tǒng)的有效性和可靠性具體可用（）和（）來衡量。對于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的可靠性和有效性具體可用（）和（）來衡量。2.平均信息量：3.傳碼率與傳信率的關(guān)系：2023/2/624.碼元速率不變，二進(jìn)制信息速率與多進(jìn)制信息速率之間的關(guān)系：系統(tǒng)信息速率不變，多進(jìn)制碼元速率與二進(jìn)制碼元速率之間的關(guān)系：5.誤碼率：6.誤信率：2023/2/63第2章信道與噪聲2.1信道的基本概念2.2恒參信道及其對所傳信號的影響2.3隨參信道及其對所傳信號的影響2.4信道的加性噪聲2.5通信中的常見噪聲2.6信道容量的概念2023/2/642.1信道的基本概念2.1.1信道的定義

信道，通俗地說，是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路。具體地說，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路。信道的作用是傳輸信號，它提供一段頻帶讓信號通過，同時(shí)又給信號加以限制和損害。

2023/2/652.1.2信道的分類

信道可大體分成：狹義信道和廣義信道。

1.狹義信道

狹義信道是指在發(fā)端設(shè)備和收端設(shè)備中間的傳輸媒介，它包括有線信道和無線信道。

2.廣義信道

廣義信道通常也可分成兩種，調(diào)制信道和編碼信道。

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1信道的定義與分類（續(xù)）

調(diào)制信道與編碼信道調(diào)制器中含發(fā)濾波器，解調(diào)器中含收濾波器收、發(fā)轉(zhuǎn)換器：放大，頻率變換等功能圖調(diào)制信道與編碼信道2023/2/672.1.3信道的數(shù)學(xué)模型

1.調(diào)制信道模型

調(diào)制信道的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端。通常它具有如下性質(zhì)：

（1）有一對(或多對)輸入端和一對(或多對)輸出端；

（2）絕大部分信道都是線性的，即滿足疊加原理；2023/2/68

（3）信號通過信道會出現(xiàn)遲延時(shí)間；

（4）信道對信號有損耗它包括固定損耗或時(shí)變損耗；

（5）即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出（噪聲）。2023/2/69

對于二對端的信道模型來說，其輸出與輸入之間的關(guān)系式可表示成：將上式進(jìn)一步簡化可以寫成：

這樣信道對信號的影響可歸納為兩點(diǎn)：一是乘性干擾k(t)，二是加性干擾n(t)。不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。2023/2/610

根據(jù)信道中k(t)的特性不同，可以將信道分為：恒參信道和隨參信道。

2.編碼信道模型

從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)可用一個(gè)完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。編碼信道的模型可用數(shù)字信號的轉(zhuǎn)移概率來描述。2023/2/611

模型中，把、、、稱為信道轉(zhuǎn)移概率。以為例，其含義是“經(jīng)信道傳輸，把0轉(zhuǎn)移為1的概率”。

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3信道舉例

明線

最早發(fā)展和使用的傳輸介質(zhì)。它是由電線桿支持，架設(shè)在地面的平行而相互絕緣裸線線路，其導(dǎo)線采用鋼、鋁或銅線，線徑為3-4mm。

明線易受氣候影響和外界電磁擾的影響，通信質(zhì)量不穩(wěn)定，且衰耗大，容量小。

它的優(yōu)點(diǎn)是敷設(shè)技術(shù)簡單、價(jià)格便宜。13明線14

3信道舉例（續(xù)）

雙絞線

雙絞線由絞合在一起的一對導(dǎo)線組成，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。雙絞線的主要缺點(diǎn)是不適于遠(yuǎn)距離傳輸。許多對位于同一保護(hù)套內(nèi)相互絕緣的雙絞線可以構(gòu)成對稱電纜。

對稱電纜的傳輸損耗比明線大得多，但其傳輸特性比較穩(wěn)定。15對稱電纜：雙絞線16對稱電纜：雙絞線17

3信道舉例（續(xù)）

同軸電纜

同軸電纜共有四層。它的內(nèi)部共有兩層導(dǎo)體排列在同一軸上，所以稱為“同軸”。

外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的空管（在可彎曲的同軸電纜中，它可以由金屬絲編織而成），內(nèi)導(dǎo)體是金屬線（芯線）。它們之間填充著介質(zhì)。

幾根同軸線管往往套在一個(gè)大的保護(hù)套內(nèi)，另外還裝入一些二芯扭絞線對或四芯線組，作為傳輸控制信號之用。18同軸電纜同軸電纜截面示意圖雙同軸電纜及6芯接頭

19同軸電纜基站用射頻同軸電纜(50Ω同軸電纜)

射頻同軸電纜20

3信道舉例（續(xù)）

光纖的結(jié)構(gòu)

60年代，發(fā)明激光器,1966年高錕博士提出以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)。1000dB/Km衰減很大。涂敷層包層(含磷等摻雜劑的SiO2)纖芯（含氟或硼的SiO2)21

3信道舉例（續(xù)）

光纖的優(yōu)點(diǎn)

通信容量大：750億損耗低，傳輸距離長不受電磁干擾，通信質(zhì)量好尺寸小、重量輕，便于施工原料為SiO2，很豐富密集波分復(fù)用DWDM商用水平為320Gb/s,DWDM實(shí)驗(yàn)室水平：Tb/s22

3信道舉例（續(xù)）

衛(wèi)星中繼信道（衛(wèi)星通信）

衛(wèi)星通信的定義：利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行通信的技術(shù)。衛(wèi)星中繼可視為無線電中繼信道的一種特殊形式。衛(wèi)星中繼信道由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下行線路構(gòu)成。其中上行與下行線路是地球站至衛(wèi)星及衛(wèi)星至地球站的電波傳播路徑。231.4信道

轉(zhuǎn)發(fā)站（基站）：－－人造衛(wèi)星（衛(wèi)星通信系統(tǒng)），目前廣泛應(yīng)用。24

3信道舉例（續(xù)）圖衛(wèi)星中繼信道圖靜止衛(wèi)星通信示意圖2023/2/6252.2恒參信道及其對所傳信號的影響

由于恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯枪潭ú蛔兊幕蛘呤亲兓瘶O為緩慢的，因而可以等效為一個(gè)非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò)。2.2.1信號不失真?zhèn)鬏敆l件

網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以表示為：2023/2/626

要使任意一個(gè)信號通過線性網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生波形失真，網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性應(yīng)該具備以下兩個(gè)理想條件：

（1）網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性是一個(gè)不隨頻率變化的常數(shù);

（2）網(wǎng)絡(luò)的相頻特性應(yīng)與頻率成負(fù)斜率直線關(guān)系。27★非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)。其振幅-頻率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音頻電話信道特性2.2.2幅度－頻率畸變28其相位-頻率特性：ω()0理想特性理想特性()0ω()0理想特性2023/2/6292.2.4減小畸變的措施

減小幅度-頻率畸變的措施：改善電話信道中的濾波性能，或者再通過一個(gè)線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦。這后一措施通常稱之為“均衡”。減小相位-頻率畸變的措施：采取相位均衡技術(shù)補(bǔ)償群遲延畸變。

2023/2/630復(fù)習(xí)：1.信道可大體分成：（）信道和（）信道。2.狹義信道包括（）信道和（）信道3.廣義信道包括（）信道和（）信道4.根據(jù)信道中k(t)的特性不同，可以將信道分為：（）信道和（）信道。5.恒參信號通過線性網(wǎng)絡(luò)不失真的條件是？2023/2/6312.3隨參信道及其對所傳信號的影響

隨參信道傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)典型的傳輸媒質(zhì)：電離層反射、對流層散射等。特點(diǎn)：（1）信號的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化；（2）信號傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化；（3）多徑傳播。2023/2/632多徑傳播指由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收點(diǎn)，所以接收信號將是衰減和時(shí)延隨時(shí)間變化的各路徑信號的合成。

傳輸特點(diǎn)：多徑傳輸且每條路徑的衰減及時(shí)延都是隨機(jī)變化的

2023/2/6332.3.1隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

無線信號衰落的種類：1.自然衰落（路徑衰落、大尺度衰落）；2.陰影衰落（中尺度衰落）；3.瑞利衰落（小尺度衰落）；4.頻率選擇性衰落；2023/2/634

圖2-10兩條路徑傳播時(shí)選擇性衰落特性

2023/2/635當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)傳輸極點(diǎn)；當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)；當(dāng)一個(gè)傳輸信號的頻譜寬于1/時(shí)，將致使某些頻率分量被衰落，這種現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落，簡稱選擇性衰落。否則，當(dāng)傳輸信號的頻譜小于相關(guān)帶寬時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了平坦性衰落。2023/2/636上述概念可推廣到一般的多徑傳播中去。多徑傳播時(shí)的相對時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差來表征，并用它來估算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上的位置。設(shè)信道的最大時(shí)延差為，則相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔為：這個(gè)頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的相關(guān)帶寬。2023/2/6372.3.2隨參信道特性的改善

對于慢衰落，主要采取加大發(fā)射功率和在接收機(jī)內(nèi)采用自動增益控制等技術(shù)和方法即可。對于快衰落，通?？刹捎枚喾N措施，例如，各種抗衰落的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)等。其中明顯有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。2023/2/638

1.分集接收的基本思想

基本思想：如果能在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同的合成信號，并將這些信號適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號，將有可能大大減小衰落的影響。

要求：只有被分集的幾個(gè)合成信號之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，合并后才能使系統(tǒng)性能改善。分集的含義：分散得到幾個(gè)合成信號、集中處理這些信號。

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2.分散得到合成信號的方式

為了獲取互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的合成信號，大致有如下幾種分集方式。

（1）空間分集；

（2）頻率分集；

（3）角度分集；

（4）極化分集。2023/2/640

3.集中合成信號的方式

對各分散的合成信號進(jìn)行合并的方法有多種，最常用的有：（1）最佳選擇式：選信噪比最好的一個(gè)作為接收信號（2）等增益相加式：收各信號以相同增益放大相加（3）最大比值相加式：收各信號與信噪比成正比地放大、相加。

以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益相加方式次之，最佳選擇方式最差。

2023/2/6412.4信道的加性噪聲

根據(jù)信道中加性噪聲的來源不同，可以粗略地分為以下四類：（1）無線電噪聲：來源于無線電發(fā)射機(jī)特點(diǎn)：頻率范圍廣，干擾頻率固定，可預(yù)先防止。（2）工業(yè)噪聲：來源于各種電氣設(shè)備特點(diǎn)：干擾頻譜集中在低頻，選擇高于該頻段的信道可防止。

2023/2/6422.4信道的加性噪聲（3）天電噪聲：來源于宇宙空間特點(diǎn)：頻譜范圍廣，頻率不固定，夏天比冬天嚴(yán)重，赤道比兩極嚴(yán)重，很難防止。（4）內(nèi)部噪聲：來源于信道本身的各種電子器件特點(diǎn)：過程隨機(jī)，也稱為起伏噪聲。2023/2/643從噪聲性質(zhì)來區(qū)分可有：（1）單頻噪聲：主要指無線電干擾特點(diǎn)：連續(xù)波干擾，其頻率可測，可防止。（2）脈沖干擾：工業(yè)中的電火花，斷續(xù)電流及電干擾中的閃電特點(diǎn)：波形不連續(xù)，呈脈沖性，時(shí)間短，強(qiáng)度大，頻譜寬，選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l段可防止。2023/2/644（3）起伏噪聲：信道內(nèi)部的熱噪聲，散彈噪聲以及宇宙噪聲特點(diǎn)：隨機(jī)的，不可避免。其中影響最大的是起伏噪聲，它是通信系中最基本的噪聲源。2023/2/6452.4.2信道中的噪聲1.白噪聲定義：白噪聲是指它的功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。2.高斯型白噪聲定義：噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。2023/2/6462.5信道容量的概念

1.信道容量的定義

在信息論中，稱信道無差錯(cuò)傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記之為C。

信道可以分為：離散信道（編碼信道）和連