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1、通信原理1通信原理第4章 信 道2第4章 信 道l信道分类：n无线信道 电磁波（含光波）n有线信道 电线、光纤l信道中的干扰：n有源干扰 噪声n无源干扰 传输特性不良l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。3第4章 信 道l4.1 无线信道n无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制n地球大气层的结构u对流层：地面上 0 10 kmu平流层：约10 60 kmu电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km4n电离层对于传播的影响u反射u散射n大气层对于传播的影响u散射u吸收频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰
2、减频率(GHz) (b) 降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km )水蒸气氧 气降雨率图4-6 大气衰减第4章 信 道5传播路径地 面图4-1 地波传播地 面信号传播路径图 4-2 天波传播第4章 信 道n电磁波的分类：u地波p频率 30 MHzp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)p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：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 4-3 视线传播图4-4 无线电中继第4章 信 道m7图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域第4章
3、信 道u散射传播p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p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 km8第4章 信 道p流星流星余迹散射流星余迹特点 高度80 120 km，长度15 40 km存留时间：小于1秒至几分钟 频率 30 100 MHz 距离 1000 km以上 特点 低速存储、高速突发、断续传输图4-8 流星余迹散射通信流星余迹9第4章 信 道l4.2 有线信道n明线10第4章 信 道n对称电缆：由许多对双绞线组成n同轴电缆图4-9 双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实
4、心介质图4-10 同轴线11第4章 信 道n光纤u结构p纤芯p包层u按折射率分类p阶跃型p梯度型u按模式分类p多模光纤p单模光纤折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤图4-11 光纤结构示意图(a )(b )(c )12u损耗与波长关系p损耗最小点：1.31与1.55 m第4章 信 道0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 光波波长（m）1.55 m1.31 m图4-12光纤损耗与波长的关系13第4章 信 道l4.3 信道的数学模型n信道模型的分类：u调制信道u编码信道编码信道调制信道14第4章 信 道n4.3.1 调制信道模型式中 信道输入端信号电压
5、； 信道输出端的信号电压； 噪声电压。 通常假设： 这时上式变为： 信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图4-13 调制信道数学模型15第4章 信 道u因k(t)随t变，故信道称为时变信道。u因k(t)与e i (t)相乘，故称其为乘性干扰。u因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。u若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。u乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。16第4章 信 道n4.3.2 编码信道模型 u二进制编码信道简单模型 无记忆信道模型pP(0 / 0)和P(1 / 1) 正确转移概率pP(1/ 0)和P(0 / 1) 错误转移概率pP(0 / 0)
6、 = 1 P(1 / 0)pP(1 / 1) = 1 P(0 / 1) P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)图4-13 二进制编码信道模型发送端接收端17第4章 信 道u四进制编码信道模型 01233210接收端发送端18第4章 信 道l4.4 信道特性对信号传输的影响n恒参信道的影响u恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道u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：p振幅频率特性：为水平直线时无失真左图为典型电话信道特性用插入损耗便于测量(a) 插入损耗频率特性19第4章 信 道p相位频率特性：要求其为通过原点的直线， 即
7、群时延为常数时无失真 群时延定义：频率(kHz)（ms） 群延迟(b) 群延迟频率特性0相位频率特性20第4章 信 道u频率失真：振幅频率特性不良引起的p频率失真 波形畸变 码间串扰p解决办法：线性网络补偿u相位失真：相位频率特性不良引起的p对语音影响不大，对数字信号影响大p解决办法：同上u非线性失真：p可能存在于恒参信道中p定义：输入电压输出电压关系是非线性的。u其他失真： 频率偏移、相位抖动非线性关系直线关系图4-16 非线性特性输入电压输出电压21第4章 信 道n变参信道的影响u变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。u变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播 u变参信道的特性：
8、p衰减随时间变化p时延随时间变化p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。 下面重点分析多径效应22第4章 信 道u多径效应分析： 设 发射信号为接收信号为(4.4-1) 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 都是随机变化的。23第4章 信 道应用三角公式可以将式(4.4-1)改写成： (4.4-2)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 缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅24第4章 信 道所以，接
9、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。 25第4章 信 道u多径效应简化分析：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()：26第4章 信 道（4.4-8）则有上式两端分别是接收信号
10、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27第4章 信 道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。图4-18 多径效应28图4-18 多径效应第4章 信 道定义：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
11、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。29第4章 信 道n接收信号的分类u确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号 u随相信号：接收码元的相位随机变化 u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 30第4章 信 道l4.5 信道中的噪声n噪声u信道中存在的不需要的电信号。u又称加性干扰。n按噪声来源分类u人为噪声 例：开关火花、电台辐射u自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热 噪声31第4章 信 道n热噪声u来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 u频率范围
12、：均匀分布在大约 0 1012 Hz。u热噪声电压有效值：式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波兹曼常数；T 热力学温度（K）；R 阻值（）；B 带宽（Hz）。u性质：高斯白噪声32第4章 信 道n按噪声性质分类u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。 u窄带噪声：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。u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。 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。
13、33第4章 信 道n窄带高斯噪声u带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声u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。u窄带高斯噪声功率：式中 Pn(f) 双边噪声功率谱密度34第4章 信 道u噪声等效带宽：式中 Pn(f0) 原噪声功率谱密度曲线的最大值噪声等效带宽的物理概念：以此带宽作一矩形 滤波特性，则通过此 特性滤波器的噪声功率， 等于通过实际滤波器的 噪声功率。利用噪声等效带宽的概念， 在后面讨论通信系统的性能时， 可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。图4-19 噪声功率谱特性Pn(f)Pn (f0
14、)接收滤波器特性噪声等效 带宽35第4章 信 道l4.6 信道容量信道容量 指信道能够传输的最大平均信息速率。n 4.6.1 离散信道容量u两种不同的度量单位：pC 每个符号能够传输的平均信息量最大值pCt 单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大 值p两者之间可以互换36第4章 信 道u计算离散信道容量的信道模型p发送符号：x1，x2，x3，xnp接收符号： y1，y2，y3，ympP(xi) = 发送符号xi 的出现概率 ，i 1，2，n；pP(yj) = 收到yj的概率，j 1，2，m pP(yj/xi) = 转移概率，即发送xi的条件下收到yj的条件概率x1x2x3y3y2y1接收端发
15、送端xn。 。ym图4-20 信道模型P(xi)P(y1/x1 )P(ym/x1 )P(ym/xn )P(yj)37第4章 信 道u计算收到一个符号时获得的平均信息量p从信息量的概念得知：发送xi时收到yj所获得的信息量等于发送xi前接收端对xi的不确定程度（即xi的信息量）减去收到yj后接收端对xi的不确定程度。p发送xi时收到yj所获得的信息量 = -log2P(xi) - -log2P(xi /yj)p对所有的xi和yj取统计平均值，得出收到一个符号时获得的平均信息量：平均信息量 / 符号 38第4章 信 道平均信息量 / 符号 式中为每个发送符号xi的平均信息量，称为信源的熵。为接收yj符号已知后，发送符号xi的平均信息量。由上式可见，收到一个符号的平均信息量只有H(x) H(x/y) ，而发送符号的信息量原为H(x)，少了的部分H(x/y)就是传输错
