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1、第三章 信道,本章研究的主要内容： 1，信号在信道中的传输特性 2，信噪比SNR计算,序言,信道:,逻辑信道-如编码信道、调制信道和信息论中研究的信道等 物理信道-指连接发射机和接收机之间的信号通道,本章主要讨论物理信道！,定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。,3.1 信道分类,按物理形态分 有线：双绞线 电缆、光纤 无线：大气、水 宇宙空间,按信道特性分 恒参：传输特性不随时 间变化（有线一般属恒参） 变参：信道特性随时间变化 （无线信道可能是恒 参，也可能是变参）,一、分类,恒参 变参 频域 传输函数： 时域 冲激响应函数：,3.1 信道分类,二、描述,图 3.2.1 有线信道媒质频
2、率范围,三、有线信道,3.1 信道分类,微波中继 卫星,1、恒参,发射,接收,特点：收发天线无摭挡，电波直射,3.1 信道分类,四、无线信道,移动通信信道,2、变参,稀梳散射,3.1 信道分类,四、无线信道,对流层散射信道,散射体（密集散射）,特征：电波不能直射,2、变参,3.1 信道分类,四、无线信道,水声信道 声波传播速度（1500米/秒） 海面反射严重 多径衰落明显 深海、浅海衰落特性不同,2、变参,3.1 信道分类,四、无线信道,广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道和编码信道。,图 3 1 调制信道和编码信道,3.2 调制信道与编码信道,一、调制信道,3.2 调制信道与编码信道,
3、调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，它所关心的是信号经信道传输后波形和频谱的变化情况。因此，调制信道可以用具有一定输入、输出关系的方框来表示。,ei(t),eo(t),其输入输出的关系有：,通常， f ei(t) 可以表示为：k(t) ei(t)， 此时， eo(t) = k(t) ei(t) + n(t) 其中k(t)表示时变线性网络的特性 ，称为乘性干扰。 k(t) 一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟 等。 最简单情况：k(t) = 常数，表示衰减。 当k(t) =常数，称为恒(定)参(量)信道 例如，同轴电缆 当k(t)常数，称为随(机)参(量)信
4、道 例如，移动蜂窝网通信信道,一、调制信道,3.2 调制信道与编码信道,二、编码信道,3.2 调制信道与编码信道,输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不是信号失真情况，但误码是由调制信道造成的.,二进制无记忆信道 二进制无记忆对称信道,转移概率矩阵：,p(yj / xi)= p(0/0) p(1/0) p(yj / xi)= 1 1 p(0/1) p(1/1) pe=p(0)p(1/0)+p(1)p(0/1) pe=p(0)+p(1),3.3 恒参信道,一、恒参信道实例,信道特性主要由传输媒质所决定，如果传输媒质是基本不随时间变化的， 所构成的广义信道通常属于恒参信道。 下面简要介绍几种有
5、代表性的恒参信道的例子。 如由架空明线、电缆、中长波地波传播、对称电缆、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道。,光纤信道组成：,解调电信号,3.3 恒参信道,一、恒参信道实例,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，其传输特性可以等效为一个线性时不变网络。 只要知道网络的传输特性，就可以采用信号分析方法，分析信号及其网络特性。 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。 现在我们首先讨论理想情况下的恒参信道特性。,3.3 恒参信道,二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响,1. 理想恒参信道特性
6、理想恒参信道就是理想的无失真传输信道， 其等效的线性网络传输特性为 其中K0为传输系数，td为时间延迟，它们都是与频率无关的常数。根据信道的等效传输函数，可以得到幅频特性为 |H()|=K0 相频特性为 ()=td,3.3 恒参信道,二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响,信道的相频特性通常还采用群迟延-频率特性来衡量， 所谓的群迟延-频率特性就是相位-频率特性的导数， 则群迟延-频率特性可以表示为,3.3 恒参信道,二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响,图：理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延-频率特性,恒参信道传输特性及其对信号传输的影响 时域关系式：y(t) = x(t)*h(t
7、) 频域关系式：Y()X()H() 频率特性： 群迟延频率特性： 理想信道：H(=ke-jtd ，()=-td 非理想信道:H()k，() -td,3.3 恒参信道,二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响,恒参信道举例,设某恒参信道的幅频特性为 H()=1+cosT0 其中，td为常数。试确定信号s(t)通过该信道后的输出信号表示式，并讨论之。 解: H()=1+cosT0 = + ( + ) = + + h(t)=(t-td)+(t-td+T0)+(t-td-T0) 输出信号 so(t)=s(t)*h(t)=s(t-td)+s(t-td+T0)+s(t-td-T0),由此可见， 理想恒参信
8、道对信号传输的影响是： (1) 对信号在幅度上产生固定的衰减； (2) 对信号在时间上产生固定的迟延。 这种情况也称信号是无失真传输。 ,3.3 恒参信道,二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响,在实际中，如果信道传输特性偏离了理想信道特性，就会产生失真(或称为畸变)。 幅度-频率失真 相位-频率失真,幅度-频率失真：由实际信道的幅度频率特性的不理想引起的，这种失真又称为频率失真，属于线性失真。,3.3 恒参信道,二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响,信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真， 若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成
9、码间干扰。,相位-频率失真：当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道的信号产生相位-频率失真，相位-频率失真也是属于线性失真。,3.3 恒参信道,二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响,随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。 常见的随参信道有陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。,3.4 变参信道,一、变参信道实例,1.短波电离层反射信道,3.4 变参信道,一、变参信道实例,短波：波长:100-10m的无线电波 分类： 沿地表传播的“地波” 由电离层反射传播的“天波”,传播路径
10、 电离层（F layer) 离地60-600km的大气层 电离层分四层：D、E、F1、F2,图 ： 电离层结构示意图,2. 工作频率 为了实现短波通信，在选用工作频率时要考虑如下两个条件： （1）工作频率应小于最高可用频率；（2）使电磁波在D、E层的吸收最小。,3.多径传播原因： （1）电波一次、多次反射 （2）反射层高度不同 （3）漫射现象 （4）地球磁场引起的电波分裂（寻常波和非寻常波）,多径形式示意图： (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,3.4 变参信道,二、变参信道传输特性及其对信号传输的影响,对信号的衰耗随时间变 传
11、输时延随时间变 多径传播,设发送信号：S（t）= ACOS0t 则接收信号：,其中：i（t）为第i路径收信号的振幅 i（t）为第i路径收信号的传输时延 i（t）=0i（t）,3.4 变参信道,二、变参信道传输特性及其对信号传输的影响,(1)瑞利衰落与频率弥散,两个结论: 从波形上看：多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落。 (2) 从频谱上看：多径传播使单一谱线变成了窄带频谱， 即多径传播引起了频率弥散。,(2）频率选择性衰落 (P62),-以两径传播为例分析,设信号经两路径到收端,且两路径具相同传输损耗V0和一个相对
12、时延差, 可用下线性网络表信道模型,则,H() 的获得,设,输出信号为:,(2）频率选择性衰落 (P62),H() 的分析,(2）频率选择性衰落 (P62),频率选择性衰落 相关带宽f=1/m 发送信号带宽,(2）频率选择性衰落 (P62),含交织编码的差错控制技术 抗衰落性能好的调制解调技术 功率控制技术 分集接收技术 扩频技术 均衡技术,3.5 变参信道特性的改善,(1) 原理,若把各径信号“适当地”合并，可减小衰落,分集的含义 -使各路径信号相互独立适当合并系统性能,快衰落信道收到的是各径信号的合成,3.5 变参信道特性的改善,空间分集： 使用多个天线 频率分集： 用多个频率传同一信息
13、角度分集： 天线指向不同 极化分集： 接收水平、垂直极化波,(2) 分集方式,3.5 变参信道特性的改善,最佳选择式： 选择信噪比最好的一个接收 等增益相加式： 各支路等增益相加 最大比值相加式： 使增益和本支路信噪比成正比后相加 性能：321,(3) 信号合并方式,3.5 变参信道特性的改善,前面我们讨论了恒参信道和随参信道传输特性以及其对信号传输的影响。除此之外，信道的加性噪声同样会对信号传输产生影响。加性噪声与信号相互独立，并且始终存在，实际中只能采取措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消除加性噪声。 因此，加性噪声不可避免地会对通信造成危害。 ,3.6 信道的加性噪声, 外台信号 人为施
14、放的干扰源 工业点火辐射 荧光灯干扰 闪电 大气中的电暴 银河系噪声 其它宇宙噪声 热噪声 霰弹噪声 11 电源哼声 12 接触不良 13 自激振荡 14 各种内部谐波干扰 ,噪声来源及分类,! 热噪声存在于一切电子设备内部，是干扰的主要来源,一般这类外来干扰可以通过设备的设计避免,起伏噪声的统计特性,（1）瞬时幅度服从高斯分部且均值为0 （2）功率谱密度在很宽的频率范围内是平坦的 Pn(f)= (W/Hz),3.6 信道的加性噪声,起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声。,白噪声：在整个频率范围内具有平坦的功率谱密度的噪声。,双边功率谱密度, 起伏噪声共性 可近似为G.W 经BPF后为窄带G.R
15、P 调制信道（经滤波器后）的加性噪声可近似为 窄带高斯噪声 噪声带宽Bn,等效噪声带宽,3.6 信道的加性噪声,信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。在信道模型中，我们定义了两种广义信道：调制信道和编码信道。调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量来表征；编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。在此处，我们只讨论连续信道的信道容量。 1. 香农公式 带宽为B(Hz)的连续信道，其输入信号为x(t)，信道加性高斯白噪声为n(t)，则信道输出为,3.7 信道容量,上式就是著名的香农(Shannon)信道容量公式，简称香农公式。香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。 只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。,(3.10-8), 若噪声n(t)的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽B内的噪声功率N=n0B。因此，香农公式的另一形式为 (3.10 - 9) 由香
