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1、2019/10/19,1,第3章 信道,信道的分类 信道的数学模型 信道特性对信号传输的影响 信道中的噪声 信道容量,2019/10/19,2,信道的分类,信道分类： 狭义信道：仅指信号的传输媒质，包括： 无线信道 ：利用电磁波（含光波）在空间中的传播来传输信号； 有线信道 ：利用人造的传输媒体来传播信号，例如 电线、光纤等； 广义信道：信号的传输媒质相关的转换设备；按照包括的功能不同，广义信道可以分为调制信道和编码信道 信道中的干扰： 有源干扰 噪声 无源干扰 传输特性不良 本章重点： 介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。,2019/10/19,3,无线信道,无线信道中信号
2、的传播是利用电磁波在空间的传播来实现的； 无线信道电磁波的频率受天线尺寸限制，不小于波长的1/10； 地球大气层的结构 对流层：地面上 0 10 km 平流层：约10 60 km 电离层：约60 400 km,2019/10/19,4,无线信道（续）,电离层对于传播的影响 反射 散射 大气层对于传播的影响 散射 吸收,2019/10/19,5,无线信道（续）,根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波分为： 地波 频率 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 天波 频率：2 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离： 4000 km 寂静区：,2019/10/19,6,无线信道（续）,
3、视线传播： 电磁波能穿透电离层，不被反射，且沿地表绕射很小 频率 30 MHz 距离: 和天线高度有关 (4.1-3) 式中，D 收发天线间距离(km)。 例 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3) 增大视线传播距离的其他途径 中继通信： 卫星通信：静止卫星、移动卫星 平流层通信：,m,2019/10/19,7,无线信道（续）,散射传播 电离层散射 机理 由电离层不均匀性引起 频率 30 60 MHz 距离 1000 km以上 对流层散射 机理 由对流层不均匀性（湍流）引起 频率 100 4000 MHz 最大距离 600 km 流星余迹散射 蜂窝网工作在特高频频段， 在手机和基站间使
4、用地波 和视距传播,2019/10/19,8,有线信道,明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路 优点：传输损耗低； 缺点：易受气候和天气的影响，对外界干扰敏感。 双绞线或对称电缆：由两对相互绝缘的双导线相互绞接而构成的传输媒质 优点：传输可靠性高、成本低、敷设方便； 缺点：频率范围窄，传输距离短，易受电磁干扰(EMI)和无线电信号干扰(RFI)的影响，传输损耗大。 同轴电缆：由同轴的两个导体构成的传输媒质，外导体是一个圆柱形的空管(或金属屏蔽网)，内导体是金属芯线，内导体和外导体间填充着绝缘介质。 优点：传输性能稳定、频率范围宽、容量大； 缺点：不便于安装、敷设。 光纤：光纤是由折射率不同的两种玻
5、璃纤维制成的。以光导纤维(光纤)为传输媒质、光波为载波的光纤信道。 优点：损耗低、频带宽、重量轻、不怕腐蚀，不受电磁干扰 缺点：光纤不便于连接。,2019/10/19,9,有线信道（续）,2019/10/19,10,有线信道（续）,光纤损耗与波长关系 损耗最小点：1.31与1.55 m,2019/10/19,11,信道的数学模型,信道模型的分类 调制信道 为了方便研究调制与解调问题而定义的广义信道。 从调制器输出端到解调器输入端 在研究各种调制方式的性能时使用这种定义是很方便的。 研究调制器输出的信号形式、解调器输入端信号与噪声特性。 编码信道 为了方便研究数字通信系统中的编码与译码问题而定义
6、的广义信道。 从编码器输出端到译码器输入端 在研究利用纠错编码对数字信号进行差错控制的效果时使用这种定义是很方便的,2019/10/19,12,信道的数学模型（续）,编码器,调制器,发送器,媒 质,译码器,解调器,接收器,调制信道,编码信道,2019/10/19,13,调制信道模型,式中 信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压； 噪声电压（加性）。 通常假设： 即信道的作用相当于对输入信号乘以一个系数k(t)。这时上式变为： 信道数学模型,2019/10/19,14,调制信道模型（续）,因k(t)随t变，故信道称为时变信道。 因k(t)与e i (t)相乘，故称其为乘性干扰。 因k(t)作
7、随机变化，故又称信道为变参信道。 若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。 乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。,2019/10/19,15,编码信道模型,编码信道的输入和输出信号是数字序列； 编码信道对信号的影响是一种数字序列变换，即把一种数字序列变换成另一种数字序列； 用错误概率来描述编码信道的特性，这种错误概率通常称为转移概率；,P(0 / 0)和P(1 / 1) 正确转移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) 错误转移概率 P(0 / 0) = 1 P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 P(0 / 1),2019/10/19,16,编码信道模型（续）,二进制无记忆编码
8、信道模型 无记忆信道：如果信道的输出符号只与相应的输入符号有关（无符号间串扰），则称该信道为无记忆信道。 有记忆信道：如果信道的输出符号不仅与相应的输入符号有关，还与之前的输入符号有关（有符号间串扰，ISI），则称该信道为有忆信道。,四进制编码信道模型,2019/10/19,17,信道特性对信号传输的影响,恒参信道的影响 恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道 恒参信道 非时变线性网络 信号通过线性系统的分析方法。线性系统中无失真条件： 振幅频率特性：为水平直线时无失真 相位频率特性：要求其为通过原点的直线， 即群时延为常数时无失真 群时延定义：,2019/10/19,18,信道特性对信号传输的
9、影响（续）,(a) 插入损耗频率特性,2019/10/19,19,信道特性对信号传输的影响（续）,图3-11 典型音频电话信道的传输特性,2019/10/19,20,信道特性对信号传输的影响（续）,幅频失真：振幅频率特性不良引起的（信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰落） 频率失真 波形畸变 码间串扰 解决办法：线性网络补偿（例如均衡器） 相位失真：相位频率特性不良引起的（不同频率的分量分别受到信道不同的延迟） 对语音影响不大，对数字信号影响大 解决办法：同上 非线性失真： 可能存在于恒参信道中 定义： 输入电压输出电压关系 是非线性的。 其他失真： 频率偏移、相位抖动,2019/10/1
10、9,21,信道特性对信号传输的影响（续）,若恒参信道的频域传递函数为 则理想均衡滤波器的频域特性需满足,2019/10/19,22,变参信道的影响,变参信道的影响 变参信道：又称时变（随参）信道，信道参数随时间而变。 变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播 变参信道的特性： 衰减（传输损耗）随时间变化 时延随时间变化 多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。,2019/10/19,23,多径效应分析,设 发射信号为 接收信号为 (3-5) 式中 由第i条路径到达的接收信号振幅； 由第i条路径达到的信号的时延； 上式中的 都是
11、随机变化的。,2019/10/19,24,多径效应分析（续）,缓慢随机变化振幅,缓慢随机变化振幅,应用三角公式可以将式(3-5) 改写成： (3-6) 上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。 式中 接收信号的包络 接收信号的相位,2019/10/19,25,多径效应分析（续）,所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号： 结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。 这种包络起伏称为快衰落 衰落周期和码元周期可以相比。 另外一种衰落：慢衰落 由传播条件引起的。,2019/10/19,26,多
12、径效应简化分析,设 发射信号为：f(t) 仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同 两条路径的接收信号为：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) 其中：A 传播衰减， 0 第一条路径的时延， 两条路径的时延差。 求：此多径信道的传输函数 设f (t)的傅里叶变换（即其频谱）为F()：,2019/10/19,27,多径效应简化分析（续）,（3-12） 则有 上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数 ， 故得出此多径信道的传输函数为 上式右端中，A 常数衰减因子， 确定的传输时延， 和信号频率有关的复因子，其模为,2019/10/19,28,多径效应简化分析（续）,图4-18 多径效应
13、,按照上式画出的模与角频率关系曲线： 曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差， 而 是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落。,2019/10/19,29,多径效应简化分析（续）,定义：相关带宽1/ 实际情况：有多条路径。 设m 多径中最大的相对时延差 定义：相关带宽1/m 多径效应的影响： 多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。 接收数字信号的分类 确知信号：接收端能够准确知
14、道其码元波形的信号 随相信号：接收码元的相位随机变化 起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。 通过多径信道传输的信号都具有这种特性,2019/10/19,30,信道中的噪声,信道中不需要的电信号统称为（加性）噪声。它使模拟信号失真，数字信号发生错码，并限制信息的传输速率。 按噪声来源分类 人为噪声 例：开关火花、电台辐射 自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声 通信系统内部噪声,2019/10/19,31,信道中的噪声（续）,热噪声 来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 频率范围：均匀分布在大约 0 1012 Hz。 热噪声电压有效值： 式中 k = 1.38 10-
15、23（J/K） 波兹曼常数； T 热力学温度（K）； R 阻值（）； B 带宽（Hz）。 性质：高斯白噪声,2019/10/19,32,信道中的噪声（续）,按噪声性质分类 脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。 窄带（单频）噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。 起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。 热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，故常将热噪声称为高斯白噪声 讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。均为高斯白噪声.(时域高斯分布，频域均匀分布),2019/10/19,33,信道中的噪声（续）,2019/10/19,34,信道中的噪声（续）,2019/10/19,35,信道中的噪声（续）,窄带高斯噪声 带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声 窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声。 窄带高斯噪声功率： 式中 Pn(f) 双边噪声功率谱密度,2019/10/19,36,信道中的噪声（续）,接收滤波器特性,噪声等效带宽,噪声等效带宽： 式中 Pn(
