《通信原理第6版》樊昌信版第4章

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1、第4章 信道4.0 信道的定义及分类4.1 无线信道4.2 有线信道4.3 信道数学模型4.4 信道特性及其对信号传输的影响4.5 信道中的噪声 4.6 信道容量1 目的：了解各种实际信道、信道的数学 模型和信道容量的概念。 思路：通过介绍实际信道的例子，归纳 信道的特性，阐述信道的数学模型，最后 简绍信道容量的概念。 要求：注重了解各种实际信道的特点， 掌握信道的数学模型，简单运用信道容量 公式解决实际问题。24.0 信道定义及分类信道是指以传输媒质为基础的信号通道。信道与发送设备、接收设备一起组成通信系统。没有信道，通信就无法进行；信道的好坏直接影响通信的质量。34.0 信道定义及分类如果

2、信道仅是指信号的传输媒质，这种信 道称为狭义信道.如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。常把广义信道简称为信道。4信 道5调制信道和编码信道发转换器媒 质收转换器解 调 器调 制 器调制信道6调制信道和编码信道发转换器媒 质收转换器解 调 器调 制 器编码信道译 码 器编 码 器74.1无线信道无线信道利用电磁波在空间中的传播来实现信号传输。无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波传播分为：地波传播、天波传播、视线传播8对流层：地面上 0 10 km 平流层：约10 60 km 电离层：约60 400 km 地 面对流

3、层平流层电离层10 km60 km0 km 电离层对于传播的影响反射 散射 地球大气层的结构91、地波传播传播路径地 面图4-1 地波传播l频率 30 MHz，将穿透电离层，不能被反射。l距离: 和天线高度有关m式中，D 收发天线间距离(km)，r为地球半径h为收发天线高度12u无线电中继图4-4 无线电中继无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波 波段时，电磁波基本上是沿视线传播，通 信距离依靠中继方式延伸的无线电电路。相邻 中继站之间的距离一般在4050公里。 增大视线传播距离的途径13优点：传输容量大，发射功率小，通信稳定可靠，节省有色金属。缺点：每隔50km左右设置一个中继站（微波为直

4、线传播，而地球为球体）。应用：主要用于长途干线、移动通信网及某些数据收集系统。 14u卫星通信卫星中继信道是无线电中继信道的一种 特殊形式。它是航天技术与通信技术相结 合的产物。 15在离地面35860km的赤道上空放至3颗同步卫星，就可实现除南、北极地区之外的全球覆盖（且有部 分重叠），从而可实现全球通信。特点：传输距离远，覆盖 地域广，传播稳定可靠，传 输容量大等。 缺点：发射功率大，延迟 大，一次性投入大。 应用：广泛用于传输多路 电话、电报、数据和电视。 16u平流层通信平流层通信是指用位于平流层的高空平 台代替卫星作为基站的通信，平台高度距 地面17km22km，可覆盖半径约500k

5、m的通信区。174、散射传播散射是由于传播煤质的不均匀性使电磁波的 传播产生向许多方向折射的现象。散射传播分为：电离层散射、对流层散射和 流星余迹散射。u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18u对流层散射机理 ：由对流层中的大气不均匀性引起。距 地面高约10余千米的大气层称为对流层。频率 ： 100 4000 MHz最大距离： 600 km图4-7 对流层散射通信地球有效散射区 域19u流星余迹散射是由于流星经过大气层时，产生的很强的电离 余迹使电磁波散射的现象。 流星余迹高度为80 120 km，长度：15 40 km ；

6、存留时间：小于1秒至几分钟频率：30 100 MHz 传播距离：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204.2 有线信道一、三种有线电信道 1、明线 平行而相互绝缘的架空 裸线线路。 优点：传输损耗小（与电缆相比）缺点：易受气候环境影响，易受干扰。 结论：已逐渐淘汰。212、对称电缆 在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质 ，每对的两根线拧成扭绞状，又 称双绞线。 优点：与外界相互干扰小， 传输性能较稳定。缺点：损耗比明线大。主要应用：用户电话接入线。22由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱 形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着

7、 介质。3、同轴电缆实际应用中同轴电缆的外导体是接地的， 对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴 电缆抗电磁干扰性能较好。23为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内，构成多芯同轴电缆， 另外还可以装入一些二芯绞线对或四芯线组 ，作为传输控制信号用。24优点：与外界相互干扰小，（外导体接地 起屏 蔽作用），带宽大。缺点：成本较高（与对称电缆相比）。应用：比较广泛。如电视电缆（75）， 实验室仪器用的信号电缆（50 ）25以光导纤维（简称光纤, Optical Fiber ）为传输媒质、光波作为载波的光纤信道。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统

8、的传输带宽远 远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有 发展前途的有线传输介质。二、光纤信道26光纤由芯、封套和外套三部分组成。芯是光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细 的玻璃或塑料纤维线构成，有封套。由于玻 璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，因此 可使光波保持在芯线内。 27根据光纤传输数据模式的不同，它可分为 多模光纤和单模光纤两种。多模光纤指光在光纤中可能有多条不同角 度入射的光线在一条光纤中同时传播，如图 (a)所示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。28单模光纤指光在光纤中的传播没有反射， 而沿直线传播,如图(b)所示。这种光纤的直 径非常细，就像一根波导那样，可使光线一 直向前传播。2

9、930优点：损耗低、频带宽、线径细、重量轻 、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色 金属、不受电磁干扰。缺点：作为完整的通信系统，尚有些器件 的技术问题还未能解决。 主要应用： 目前在长距离干线上应用较广 。估计有可能最终全面取代电缆。 314.3信道的数学模型信道模型的分类： 调制信道和编码信道信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，它对通信系统的分析和设计是十分方便的。32v 有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端;v 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠 加原理；v 信号通过信道有固定的或时变的延迟时间；v 信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；v 即使没有信号输入，在信道的输出端

10、仍可能 有一定的输出（噪声）。4.3.1 调制信道模型33输出与输入的关系有是信道内噪声，加性干扰。 乘性干 扰 (与 呈现非线性关系) 。 如果了解 与 的特性，就能知道信 道对信号的具体影响。34通常信道特性 k(t) 是一个复杂的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、衰落等。由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机 变化，故k(t) 往往只能用随机过程来描述。若 k(t) 基本不随时间变化，即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的，称为恒定参量信 道，简称恒参信道。若 k(t) 随时间随机快变化，称为随机参量信道，简称随参信道。354.3.2、编码信道模型 调制信道是通过k(t)和

11、n(t)使已调信号发生模拟性的变化，而编码信道对信号的影响则 是一种数字序列变换，即把一种数字序列变 换为另一种数字序列。 由于编码信道传输的是编码后的数字信号，所以我们关心的是数字信号经信道传输后的 差错情况，即误码特性，所以编码信道的模 型用数字转移概率来表示。 361、无记忆信道: (信道内只存在起伏噪声)特点：任意一个码元的差错与前后码元的差 错不发生任何依赖关系。 二进制编码信道模型 输出的总的错误概率为： 372、有记忆信道:(信道内除起伏噪声外,还存在衰落效应等)特点：信号的传输与前后码元有依赖关系，信道中码元发生差错的事件是非独立的，有记忆信道模型以及转移概率表示式变得很复杂。

12、 384.4信道特性对信号传输的影响一、恒参信道及传输特性恒参信道：信道特性主要由传输媒质决定，如果传输媒质特性基本不随时间变化，所构成 的信道称为恒参信道。39恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是 变化极其缓慢的。因此，可以等效为一个非时 变的线性网络。理论上说，只要知道这个线性网络的传输特 性，就可利用信号通过线性系统的分析方法， 求得已调信号通过恒参信道的变化规律。线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和 相位频率特性来表征。40u幅度频率畸变是由于有线电话信道的幅度频率特性 的不理想造成的，又称频率失真。理想幅度频率特性是水平的，实际的 电话幅度频率特性不是水平的。这是由于信道中存在惰

13、性元件造成的。41影响：模拟信号失真；数字信号码元展宽，造成码间干扰克服：自身改善精心设计补偿均衡技术42指相位频率特性偏离线性关系所引起的畸变。1、理想相频特性是一直线群延迟频率特性u相位频率畸变43一种典型的音频电话信道的群延迟特性。当非单一频率的信号通过该 信道时，信号中不同的频率 分量将有不同的群延迟，从 而引起信号畸变。成因：同幅频特性 影响：模拟信号失真(人耳对相位失真不敏感 )数字信号引起严重的码间干扰克服：同幅频特性2、实际电话信道的群延迟特性44随参信道是信道传输特性随时间随机快 速变化的信道。随参信道的特点： l对信号的衰耗随时间随机变化；l信号传输的时延随时间随机变化；l

14、多径传播二、随参信道及其传输特性45多径传播是指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。何谓多径传播？多径传播有以下几种形式:(1) 电波从电离层的一次反射和多次反射；(2) 电离层反射区高度所形成的细多径；(3) 地球磁场引起的寻常波和非寻常波； (4) 电离层不均匀性引起的散射现象。46(a)一次反射和两次反射； (b) 反射区高度不同； (c) 寻常波与非寻常波； (d) 漫射现象471.多径效应对信号传输的影响 假设发送信号为单一频率正弦波，即从各条路径到达接收端的信号相互独立，则接收端接收到的合成波为 48经大量观察表明， 和

15、 随时间的变化与发 射载频的周期相比，通常要缓慢的多，即 和 可以认为是缓慢变化的随机过程。因此 上式可改写成: 其中：49由于 及 是缓慢变化的，因而，、 及包络 、相位 也是缓慢变化的。于是， 可视为一个窄带过程。50结论：(1) 从波形上看，多径传播的结果使确定的载波信号变成了包络和相位受到调制的窄 带信号，这样的信号，通常称之为衰落信号； （2）从频谱上看，多径传播引起了频率弥散，即由单个频率变成了一个窄带频谱。51*多径传播的接收信号的包络和相位的统计特性 在任意时刻t1上Xc(t1) 和 Xs(t1) 是n个随机变 量之和。当 n充分大时，在“和”中的每一个随机变量可以认为是独立的出现的且具有均匀的 特性。因此，根据概率论中的中心极限定理， 我们可以确认Xc(t1) 、Xs(t1) 是高斯随机变量。 因为t1是任取的,所以有Xc(t) 及Xs(t) 是平稳的高斯过程。 52这样，可知 是一个窄带高斯过程，而 的一维分布服从瑞利分布，而 的一维分布服从均匀分布。实践也表明，把衰落 信号看成窄带高斯过程是足够准确的。 信号的包络服从瑞利分布律的衰落，通常称之为瑞利型衰落。则瑞利型衰落信号的包络值 记为V，则随机变量的一维概率密度函f(V)数表示成：532、频率选择性衰落与相关带宽54模型的传输特性H()为： 其中：图4-19 多径效应55两径传播的幅度传输特性