通信原理4信道

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1、第四章 信道,主要研究内容,信道的基本概念 有线信道与无线信道 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 信道容量的概念,4.0 信道的基本概念,信道是通信系统必不可少的组成部分，信道特性的好坏直接影响通信系统的总特性。 1.信道的定义： 以传输媒介为基础的信号通路。 由有线或/和无线电线路提供的信号通路。 指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。,4.0 信道的基本概念,2.信道的分类 狭义信道：仅指传输媒介，它包括有线信道和无线信道。 广义信道：不但包括传输媒介，还可能包括有关的器件 (馈线、天线、调制/解调器、编码/译码器) 。通常分成:调制信道和编码信道。

2、,4.0 信道的基本概念,广义信道关心的是变化的最终结果 而不是物理过程,4.1 无线信道,无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。其中电磁波的频率受天线尺寸限制。,4.1 无线信道,大气对传播中的电磁波的影响：反射，散射，吸收和衰减,4.1 无线信道,不同频率的电磁波具有不同的传输能力和特性，导致不同的传波方式： 地波：频率 2 MHz；有绕射能力；数百或数千千米,4.1 无线信道,天波：频率：2 30 MHz（低频的被吸收掉）；被电离层反射；一次反射距离： 30 MHz；传播的距离和天线高度有关。,增加视线传输距离的途径：中继通信 无线电中继卫星通信平流层通信,4.1 无线信

3、道,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,4.1 无线信道,4.2 有线信道,明线：传输损耗低；易受天气和气候的影响；对外界噪声干扰明显。,4.2 有线信道,对称电缆：传输损耗比明线大得多，但传输特性比较稳定。,4.2 有线信道,同轴电缆,4.2 有线信道,光纤：能传输光能的波导介质。损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰等优点。有单模和多模之分（模式就是指路径） 光缆(opti

4、cal fiber cable)主要是由光导纤维(细如头发的玻璃丝)和塑料保护套管及塑料外皮构成,光缆内没有金,银,铜铝等金属,一般无回收价值。,4.3 信道的数学模型,1 调制信道模型 定义：传输已调信号的信道。 研究的问题：信道输出信号与输入信号之间的关系。 通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它们有如下共性:,调制信道模型,有一对(或多对)输入端，一对（或多对）输出端; 绝大部分信道是线性的； 信号通过信道需要一定的迟延时间； 信道对信号有损耗(固定损耗或时变损耗)； 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出(噪声)。,调制信道模型,对于二进制信道：,调制信道模型,结论：

5、 信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t)（依赖于网络的特性，只能用随机过程来表示），二是加性干扰n(t)。 不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。 根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：恒参信道: k(t)t 不变或慢变；变参信道（随参信道）: k(t)t 随机快变。,编码信道模型,构成：从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质，等效一个完成数字序列变换的方框。 特点：输入和输出都是数字序列 研究的问题：是否出现差错，出现的概率 模型：可用数字信号的转移概率来描述P(0/0) P(1/0)P(1/1) P(0/1),编码信道模型,转移概率：决定

6、于编码信道的特性；对编码信道做大量的统计分析得到。 正确转移概率：P(0/0)、P(1/1) 错误转移概率：P(1/0)、 P(0/1)有记忆编码信道和无记忆编码信道,多进制编码信道模型,4.4 信道特性对信号传输的影响,1.恒参信号特性及其对信号传输的影响 特征：k(t)t不变或慢变。对信号传输的影响是固定不变的或者是变化极为缓慢。 举例：各种有线信道，超短波及视距波传输，卫星信道等。 模型：线性时不变网络 网络的传输特性：,1.恒参信号特性及其对信号传输的影响,（1）信号不失真传输条件：,1.恒参信号特性及其对信号传输的影响,（2）幅度频率畸变产生的影响：模拟信号波形失真数字信号码间串扰解

7、决方法：改善信道中的滤波性能，使幅频特性平坦；均衡器进行线性补偿,1.恒参信号特性及其对信号传输的影响,（3）相位频率畸变产生的影响：模拟信号不明显数字信号码间干扰 解决方法线性补偿（相位均衡器）,2.随参信道特性对信号传输的影响,随参信道：包含一个复杂的传输媒质，相对于其他转换器来说，传输媒质的影响显得更为主要。 典型的传输媒质：电离层反射信道和对流层散射信道 信道特点：信号的衰耗随时间随机变化；信号传输的时延随时间随机变化； 多径传播。,2.随参信道特性对信号传输的影响,结果：信号经随参信道传播后，接收的信号将是衰减和时延随时间变化的多路径信号的合成。,2.随参信道对信号传输的影响,1）.

8、多径衰落与频率弥散发射信号为 ，则经多径后接收信号包络a(t)和相位 都是缓慢变化的R.P。 那么R(t)可视为一个窄带高斯过程:a(t)的一维分布瑞利分布;(t)的一维分布均匀分布。,从波形上看，多径传播的结果使确定的载频信号变成了包络（服从瑞利分布）和相位都随机变化的窄带信号，这种信号称为衰落信号(瑞利衰落)； 从频谱上看，多径传播引起了频率弥散（色散），即由单个频率变成了一个窄带频谱。 快衰落和慢衰落,2.随参信道对信号传输的影响,2 ）频率的选择性衰落,2）.频率的选择性衰落,选择性衰落:当一个传输信号的频谱宽于1/时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率选择性衰落，简称选择性衰

9、落。,2）.频率的选择性衰落,多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差 相关带宽 结论： 如果 则将产生明显的选择性衰落。工程设计中，通常选择信号带宽为相关带宽的1/51/3。 改善随参信道特性的方法：分集接收,4.5 信道中的加性噪声,前述研究乘性干扰k(t),下面讨论信道中的加性噪声n(t)。 n(t)虽独立于有用信号却始终干扰有用信号。 1.根据噪声来源分类 （1）人为噪声：来源于无关的其他信号源。如：外台信号、开关接触噪声、电火花等 （2）自然噪声：指自然界存在的各种电磁波源。如：闪电、大气中磁暴、银河系噪声及其他宇宙噪声等。 （3）内部噪声：来源于信道本身所包含的各种电子器件、转换

10、器以及天线或传输线等。如：热噪声、散弹噪声等。,4.5 信道中的加性噪声,2.根据噪声性质分类（1）单频噪声：是一种连续波干扰，如外台干扰。特点：干扰频率是固定、带宽很窄，在频率轴上的位置可以实测。可以预先设法防止或避开（频率、方向）。 （2）脉冲干扰 ：在时间上无规则的突发的噪声。如电火花、天电干扰中的雷电。特点：幅度大、持续时间短、间歇期长、占据频带宽（高频衰减快）。对模拟信号影响不大，对数字信号影响严重（纠错编码解决）。,4.5 信道中的加性噪声,（3）起伏噪声：是以热噪声热噪声、散弹噪声、和宇宙噪声为代表的噪声。特点：无论从时域内还是频域内，他们总是存在的。 结论：起伏噪声来自信道本身

11、，对信号传输的影响不可避免，是通信系统最基本的噪声源（影响通信质量的主要因素）,3 加性噪声 n(t)的统计特性 n(t)是分散在通信系统各处的噪声的集中现。 n(t)的主要代表是起伏噪声。也是散弹噪声、热噪声、宇宙噪声的集中表示。 起伏噪声的统计特性：分析时，皆看为高斯白噪声。,噪声的等效带宽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，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。此定义适用于今后常见的窄带高斯噪声,4.6 信道容量,定义：指信道能够传输的最大平均信息速率。 1.离散信道容量： C 每个符号能够传输的平均信息量最大值Ct 单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值,4.6 信道容量,2.连续信道容量含义：当信道特性（B、 S和n0）给定以后，上式表示在具有一定频带宽度的信道中，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。实现了上述极限信息速率的通信系统称之为理想通信系统。,连续信道容量,关于山农公式的几点讨论 （1）在给定B、S/N的情况下，信道的极限传输能力为C （2）提高信噪比，可提高信道容量。 （3）增加信道带宽，也可有限的增加信道的容量。但（4）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。,