通信原理信道课件

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1、第三章第三章 信信 道道 3.1 信道的定义：信道的定义： 通俗地说，通俗地说，是指以传输媒介是指以传输媒介(质质)为基础的信为基础的信号通路号通路。 具体地说，具体地说，信道是指由有线或无线电线路提信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路供的信号通路； 抽象地说，抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害号通过，同时又给信号以限制和损害。 信道的作用是传输信号。信道的作用是传输信号。1通信原理信道译码器译码器译码器译码器输输输输 入入入入发发转转换换器器 媒媒 质质收收转转换换器器 解解 调调 器器 调调 制制 器器（调（调（调（调 制

2、）制）制）制） 信信信信 道道道道广义（编码）信道广义（编码）信道广义（编码）信道广义（编码）信道编码器编码器编码器编码器输输输输 出出出出2通信原理信道3.2 信道模型信道模型调制信道模型调制信道模型调制信道模型调制信道模型: : 对于单对于单对于单对于单“ “端对端对端对端对” ”信道信道信道信道e eo o( (t t) = ) = f f e ei i( (t t) + ) + n n( (t t) )式中式中式中式中 e ei i( (t t) ) 输入的已调信号；输入的已调信号；输入的已调信号；输入的已调信号；e eo o( (t t) ) 输出信号；输出信号；输出信号；输出信号；

3、n n( (t t) ) 加性噪声，它与加性噪声，它与加性噪声，它与加性噪声，它与e ei i( (t t) )相互独立。相互独立。相互独立。相互独立。f f e ei i( (t t) ) 与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数, , 表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。e ei i( (t t) )e eo o( (t t) )时变线性时变线性网络网络3通信原理信道通常，通常，通常，通常， f f e ei i( (t t) ) 可以表示为：可以表示为：可以表示为：可以表示为：k k( (

4、t t) ) e ei i( (t t) )， 此时，此时，此时，此时， e eo o( (t t) = ) = k k( (t t) ) e ei i( (t t) + ) + n n( (t t) )其中其中其中其中k k( (t t) )表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性 ，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。 k k( (t t) ) 一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性

5、失真、延迟非线性失真、延迟非线性失真、延迟非线性失真、延迟 等。等。等。等。最简单情况：最简单情况：最简单情况：最简单情况：k k( (t t) = ) = 常数，表示衰减。常数，表示衰减。常数，表示衰减。常数，表示衰减。当当当当k(t) =k(t) =常数，称为恒常数，称为恒常数，称为恒常数，称为恒( (定定定定) )参参参参( (量量量量) )信道信道信道信道例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆当当当当k(t)k(t) 常数，称为随常数，称为随常数，称为随常数，称为随( (机机机机) )参参参参( (量量量量) )信道信道信道信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网

6、通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道4通信原理信道编码信道模型编码信道模型编码信道模型编码信道模型: : 二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，其中，其中，其中，其中，P P(0/0), (0/0), P P(1/1) (1/1) 正确转移概率正确转移概率正确转移概率正确转移概率 P P(0/1), (0/1), P P(1/0) (1/0) 错误转移概率错误转移概率错误转移概率错误转移概率 转移概率转移概率转移概率转移概率 决定于编码信道的特性决定于编码信道的特性决定于编码信道的特性决定于编码信道的特性 P P(0

7、/0) = 1 - (0/0) = 1 - P P(1/0)(1/0) P P(1/1) = 1 - (1/1) = 1 - P P(0/1)(0/1)0 01 11 10 0P P(0/0)(0/0)P P(0/1)(0/1)P P(1/1)(1/1)P P(1/0)(1/0)5通信原理信道四进制四进制四进制四进制 01233210接收端发送端6通信原理信道3.3 无线信道无线信道 无线信道主要由无线电波和光波作为传输载体。无线信道主要由无线电波和光波作为传输载体。 在在光光波波中中，红红外外线线、激激光光是是常常用用的的信信号号载载体体，前前者者广广泛泛用用于于短短距距离离通通信信，如如电

8、电视视、录录像像机机、空空调调器器等等家家用用电电器器使使用用的的遥遥控控装装置置；后后者者可可用用于于建建筑筑物物之之间间的的局局域域网网连连接接，因因为为它它具具有有高高带带宽宽和和定定向向性性好好的的优优势势，但但是是，由由于于受受天天气气、热热气气流流或或热热幅幅射射等等影影响响，使使得得它它的工作质量存在不稳定性。的工作质量存在不稳定性。 由由于于无无线线电电波波传传播播距距离离远远，能能够够穿穿过过建建筑筑物物，而而且且既既可可以以全全方方向向传传播播，也也可可以以定定向向传传播播，因因此此绝绝大大多多数数无无线线通通信信都都采采用用无无线线电电波波作作为为信信号号传传输输的的载载

9、体体。为为了了合合理理、充充分分地地利利用用无无线线电电频频率率资资源源，根根据据频频率率高高低低的的不不同同( (波波长长的的不不同同) )，人人们们将将无无线线电电波波分分为为9 9个个大大波波段段。因因为为不不同同频频率率( (波波长长) )电电磁磁波波的的传传播播特特性性各各异异，所所以以其其应用场合也不尽相同。应用场合也不尽相同。 7通信原理信道频率资源划分表 8通信原理信道 无线电波的传播方式主要有地面波传播、天波传无线电波的传播方式主要有地面波传播、天波传播、地播、地- -电离层波导传播、视距传播、散射传播、外大电离层波导传播、视距传播、散射传播、外大气层及行星际空间电波传播等几

10、种。气层及行星际空间电波传播等几种。 (1) (1)地面波传播。地面波传播。 地地面面波波传传播播又又称称地地表表波波传传播播或或地地波波传传播播，即即无无线线电电波波沿沿地地球球表表面面传传播播。地地面面波波在在传传播播过过程程中中，其其场场强强因因大大地地吸吸收收会会衰衰减减，频频率率愈愈高高则则衰衰减减愈愈大大；长长波波、中中波波由由于于频频率率低低，加加上上绕绕射射能能力力强强，因因此此利利用用这这种种传传播播可可以以实实现现远远距距离离通通信信。地地波波传传播播受受季季节节、昼昼夜夜变变化化影影响小，信号传输比较稳定。响小，信号传输比较稳定。频率：频率：频率：频率：2MHz 2MHz

11、 以下以下以下以下通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千 km km9通信原理信道 (2) (2)天波传播。天波传播。 天天波波传传播播是是利利用用电电离离层层对对电电波波的的一一次次或或多多次次反反射射进进行行的的远远距距离离传传播播，是是短短波波的的主主要要传传播播方方式式。中中波波只只有有在在夜夜间间才才能能以以天天波波形形式式传传播播。天天波波传传播播存存在在着着严严重重的的信信号号衰衰落落现现象象。所所谓谓电电离离层层是是大大气气中中具具有有离离子子和和自自由电子的导电层。由电子的导电层。 电离层高度：电离层高度：电离层高度：电离层高

12、度：60 60 300 km 300 km 单跳最大距离：单跳最大距离：单跳最大距离：单跳最大距离：4000 km4000 km 频率：频率：频率：频率：2 2 30 MHz 30 MHz (3) (3)地地- -电离层波导传播。电离层波导传播。 这这是是指指电电波波在在从从地地球球表表面面至至低低电电离离层层下下缘缘之之间间的的球球壳壳形形空空间间( (地地- -电电离离层层波波导导) )内内的的传传播播。长长波波、甚甚长长波波在在该该波波段段内内能能以以较较小小的的衰衰减减传传播播数数千千千千米米，且且受受电电离离层扰动影响小，传播稳定，故可用于远距离通信。层扰动影响小，传播稳定，故可用于

13、远距离通信。10通信原理信道 (4) (4)视距传播。视距传播。 由由发发射射天天线线辐辐射射的的电电波波像像光光线线一一样样按按直直线线传传播播，直直接接传传到到接接收收点点，这这种种传传播播方方式式称称为为直直射射波波传传播播。另另外外，还还有有由由发发射射天天线线发发射射、经经地地面面反反射射到到达达接接收收点点的的传传播播方方式式，称称为为大大地地反反射射波波传传播播。视视距距传传播播是是这这两两种种传传播播方方式式的的统统称称，在在接接收收点点所所接接收收的的电电波波一一般般是是直直射射波波与与大大地地反反射射波波的的合合成成。视视距距传传播播的的距距离离一一般般为为202050km

14、50km，主要用于超短波及微波通信。，主要用于超短波及微波通信。频率：频率：频率：频率： 30 MHz 30 MHz11通信原理信道 (5) (5)散射传播。散射传播。 这这是是利利用用对对流流层层或或电电离离层层介介质质中中的的不不均均匀匀体体或或流流星星余余迹迹对对无无线线电电波波的的散散射射作作用用而而进进行行的的传传播播。利利用用散散射射传传播播实实现现通通信信的的方方式式目目前前主主要要是是对对流流层层散散射射通通信信，其常用频段为其常用频段为0.20.25MHz5MHz，单跳距离可达，单跳距离可达100100500km500km。 电电离离层层散散射射通通信信只只能能工工作作在在较

15、较低低频频段段303060MHz60MHz，单单跳跳距距离离可可达达100010002000km2000km，但但因因传传输输频频带带窄窄，其其应用受到限制。应用受到限制。 流流星星余余迹迹持持续续时时间间短短，但但出出现现频频繁繁，可可用用于于建建立立瞬瞬间间通通信信，常常用用通通信信频频段段为为303070MHz70MHz，单单跳跳通通信信可可达达2000km2000km。实实际际的的流流星星余余迹迹通通信信除除了了利利用用散散射射传传播播外外，还可利用反射进行传播。还可利用反射进行传播。12通信原理信道 (6) (6)外大气层及行星际空间电波传播。外大气层及行星际空间电波传播。 这这是是

16、以以宇宇宙宙飞飞船船，人人造造地地球球卫卫星星或或星星体体为为对对象象，在在地地- -空空，空空- -空空之之间间进进行行的的电电波波传传播播。卫卫星星通通信信利利用用的的就就是是这这种种传传播播方方式式。其其中中，自自由由空空间间传传输输损损耗耗达达200dB200dB左左右右；此此外外还还受受对对流流层层、电电离离层层、地地球球磁磁场场、宇宇宙宙空空间间各各种种辐辐射射和和粒粒子子的的影影响响等等等等；大大气气吸吸收收及及降降雨雨衰衰减减对对10GHz10GHz以以上上的的频频段段影影响响严严重重。上上述述传传播播方方式式示意图如图所示。示意图如图所示。 13通信原理信道14通信原理信道无

17、线电中继无线电中继图1.4.4 无线电中继15通信原理信道静止卫星中继通信静止卫星中继通信16通信原理信道平流层中继通信平流层中继通信uuHAPS(High Altitude Platform Station)17通信原理信道蜂窝网蜂窝网移动交换中心电话交换中心18通信原理信道 3.4 有线信道有线信道 1)1)双绞线双绞线(TwistedPair)(TwistedPair) 双双绞绞线线又又称称为为双双扭扭线线，它它是是由由若若干干对对且且每每对对有有两两条条相相互互绝绝缘缘的的铜铜导导线线按按一一定定规规则则绞绞合合而而成成。采采用用这这种种绞绞合合结结构构是是为为了了减减少少对对邻邻近近

18、线线对对的的电电磁磁干干扰扰。为为了了进进一一步步提提高高双双绞绞线线的的抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力，还还可可以以在在双双绞绞线线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。 根根据据双双绞绞线线是是否否外外加加屏屏蔽蔽层层，它它又又可可分分为为屏屏蔽蔽双双绞绞线线(STP(STP，ShieldTwistedPair)ShieldTwistedPair)和和非非屏屏蔽蔽双双绞绞线线(UTP(UTP，UnShieldTwistedPair)UnShieldTwistedPair)两两类类。双双绞绞线线既既可可用用于于模模拟拟信信号号传传输输，也也可可用用

19、于于数数字字信信号号传传输输，其其通通信信距距离离一一般般为为几几到到十十几几千千米米。导导线线越越粗粗，通通信信距距离离越越远远，但但导导线线价价格格也也越越高高。由由于于双双绞绞线线的的性性能能价价格格比比相相对对其其它它传传输输介介质质要好，因此使用十分广泛。要好，因此使用十分广泛。19通信原理信道 随着局域网上数据传输速率的不断提高，美国电子随着局域网上数据传输速率的不断提高，美国电子工业协会的远程通信工业分会工业协会的远程通信工业分会(EIA/TIA)(EIA/TIA)在在19951995年颁布年颁布了新的了新的“ “商用建筑物电信布线标准商用建筑物电信布线标准”EIA/TIA-58

20、6A”EIA/TIA-586A。此标准规定了此标准规定了5 5种种UTPUTP的标准：的标准：uu 第第一一类类双双绞绞线线就就是是住住宅宅常常用用的的缠缠绕绕式式电电话话线线，只只适适合合于于语语音音传传输输，不适合高速数据传输。不适合高速数据传输。 uu第第二二类类传传输输速速率率为为4Mb/s4Mb/s，可可用用于传输语音和数据。于传输语音和数据。uu第第三三类类是是局局域域网网LANLAN采采用用的的最最低低档双绞线，传输速率可达档双绞线，传输速率可达10Mb/s10Mb/s。uu第第四四类类主主要要用用于于令令牌牌环环网网，传传输输速率为速率为16Mb/s16Mb/s。uu第第五五类

21、类可可提提供供100Mb/s100Mb/s的的传传输输速速率率 ， 而而 超超 五五 类类 双双 绞绞 线线 可可 保保 证证155Mb/s155Mb/s的的传传输输速速率率。第第五五类类双双绞绞线线可可用用于于光光纤纤分分布布数数据据接接口口FDDIFDDI、快速以太网和、快速以太网和ATMATM。20通信原理信道 2) 2) 同轴电缆同轴电缆(CoaxialCable)(CoaxialCable) 同同轴轴电电缆缆由由内内导导线线铜铜质质芯芯线线( (单单股股实实心心线线或或多多股股绞绞合合线线) )、绝绝缘缘层层、网网状状编编织织的的外外导导体体屏屏蔽蔽层层以以及及保保护护塑塑料料外外层

22、层所所组组成成。同同轴轴电电缆缆的的这这种种结结构构使使其其具具有有高高带带宽宽和和较较好好的的抗抗干干扰扰特特性性，并并且且可可在在共共享享通通信信线线路路上上支支持持更更多多的的点点。按按特特性性阻阻抗抗数数值值的的不不同同，同同轴轴电电缆缆又又分分为为两两种种，一一种种是是5050的的基基带带同同轴轴电电缆缆，另另一一种种是是7575的的宽宽带同轴电缆。带同轴电缆。21通信原理信道 (1) (1)基带同轴电缆。基带同轴电缆。 一一条条基基带带同同轴轴电电缆缆只只支支持持一一个个信信道道，传传输输带带宽宽为为1 120Mb/s20Mb/s。它它能能够够以以10Mb/s10Mb/s的的速速率

23、率把把基基带带数数字字信信号号传传输输1 11.2km1.2km。所所谓谓基基带带数数字字信信号号传传输输是是指指按按数数字字信信号号位位流流形形式式进进行行的的传传输输，无无需需任任何何调调制制。它它是是局局域域网网中广泛使用的一种信号传输技术。中广泛使用的一种信号传输技术。 (2) (2)宽带同轴电缆。宽带同轴电缆。 宽宽带带同同轴轴电电缆缆支支持持的的带带宽宽为为300300450MHz450MHz，可可用用于于宽宽带带数数据据信信号号的的传传输输，传传输输距距离离可可达达100km100km。所所谓谓宽宽带带数数据据信信号号传传输输是是指指可可利利用用多多路路复复用用技技术术在在宽宽带

24、带介介质质上上进进行行多多路路数数据据信信号号的的传传输输。它它既既能能传传输输数数字字信信号号，也也能能传传输输诸诸如如话话音音、视视频频等等模模拟拟信信号号，是是综综合合服服务务宽宽带网的一种理想介质。带网的一种理想介质。22通信原理信道 3) 3)光纤光纤(OpticalFiber)(OpticalFiber) 光光导导纤纤维维( (简简称称光光纤纤) )是是光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输介介质质。由由于于可可见见光光的的频频率率非非常常高高，约约为为108MHz108MHz的的量量级级，因因此此，一一个个光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输带带宽宽远远远远大大于于其其它它各各种种

25、传传输输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。23通信原理信道结构结构结构结构n1n2折射率折射率n1n22a24通信原理信道 光光纤纤呈呈圆圆柱柱形形，由由芯芯、封封套套和和外外套套三三部部分分组组成成。芯芯是是光光纤纤最最中中心心的的部部分分，它它由由一一条条或或多多条条非非常常细细的的玻玻璃璃或或塑塑料料纤纤维维线线构构成成，每每根根纤纤维维线线都都有有它它自自己己的的封封套套。由由于于这这一一玻玻璃璃或或塑塑料料封封套套涂涂层层的的折折射射率率比比芯芯线线低低，因因此此可可使使光光波波保保持持在在芯芯线线内内。环环绕绕一一束束或或多

26、多束束有有封封套套纤纤维维的的外外套套由由若若干干塑塑料料或或其其它它材材料料层层构构成成，以以防防止止外外部部的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等伤害。的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等伤害。光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7损耗损耗损耗损耗25通信原理信道 根根据据光光纤纤传传输输数数据据模模式式的的不不同同，它它可可分分为为多多模模光光纤纤和和单单模模光光纤纤两两种种。多多模模光光纤纤意意指指光光在在光光纤纤中中可可能能有有多多条条不不同同角角度度入入射射的的光光线线在在一一条条光光纤纤中中同同时时传传播播, ,。这这种种光光纤纤所所含

27、含纤纤芯芯的的直直径径较较粗粗。单单模模光光纤纤意意指指光光在在光光纤纤中中的的传传播播没没有有反反射射，而而沿沿直直线线传传播播。这这种种光光纤纤的的直直径径非常细，就像一根波导那样，可使光线一直向前传播。非常细，就像一根波导那样，可使光线一直向前传播。26通信原理信道单模光纤与多模光纤的比较 27通信原理信道 在在有有线线介介质质中中还还有有一一种种叫叫架架空空明明线线，即即在在电电线线杆杆上上架架设设的的互互相相平平行行而而绝绝缘缘的的裸裸线线，它它是是一一种种在在2020世世纪纪初初就就已经大量使用的通信介质。已经大量使用的通信介质。 架架空空明明线线安安装装简简单单，传传输输损损耗耗

28、比比电电缆缆低低，但但通通信信质质量量差差，受受气气候候环环境境等等影影响响较较大大并并且且对对外外界界噪噪声声干干扰扰比比较较敏敏感感，因因此此，在在发发达达国国家家中中早早已已被被淘淘汰汰，在在许许多多发发展展中中国国家家中中也也已已基基本本停停止止了了架架设设，但但目目前前在在我我国国一一些些农农村村和和边边远远地地区区或或受受条条件件限限制制的的地地方方仍有不少架空明线在工作着。仍有不少架空明线在工作着。28通信原理信道有线电信道电气特性有线电信道电气特性信道信道信道信道类类型型型型通通通通话话容量（路）容量（路）容量（路）容量（路）频频率范率范率范率范围围(kHz)(kHz)传输传输

29、距离距离距离距离(km)(km)明明明明线线1+31+30.30.32727300300明明明明线线1+3+121+3+120.30.3150150120120对对称称称称电缆电缆242412121081083535对对称称称称电缆电缆6060121225225212121818小同小同小同小同轴电缆轴电缆30030060601 3001 3008 8小同小同小同小同轴电缆轴电缆96096060604 1004 1004 4中同中同中同中同轴电缆轴电缆1 8001 8003003009 0009 0006 6中同中同中同中同轴电缆轴电缆2 7002 70030030012 00012 0004

30、.54.5中同中同中同中同轴电缆轴电缆10 80010 80030030060 00060 0001.51.529通信原理信道实际的恒参信道：实际的恒参信道： 任何实际信道都不可能是这种理想形式，总会任何实际信道都不可能是这种理想形式，总会出现一定的幅度畸变和相位畸变，这种现象称为信道出现一定的幅度畸变和相位畸变，这种现象称为信道的色散。克服色散的手段，采用幅度和相位均衡器。的色散。克服色散的手段，采用幅度和相位均衡器。 对模拟信号来说对模拟信号来说,人的听觉对相位的反应不灵敏人的听觉对相位的反应不灵敏,所以相位失真对传输模拟信号没有太大的影响所以相位失真对传输模拟信号没有太大的影响,而幅而幅

31、度失真的影响却比较大。度失真的影响却比较大。 但对于传输数字信号来说，正与此相反，幅但对于传输数字信号来说，正与此相反，幅度失真的影响不大，相位失真对数字传输的危害度失真的影响不大，相位失真对数字传输的危害比较大，不但波形失真，还会带来码间干扰。比较大，不但波形失真，还会带来码间干扰。3.5 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响l l恒参信道恒参信道恒参信道恒参信道: : 非时变线性网络非时变线性网络非时变线性网络非时变线性网络30通信原理信道f (Hz)30030000衰耗 (dB)理想特性典型音频电话信道特性振幅振幅振幅振幅 频率特性频率特性频率特性频率特性31通信原理信道相位

32、相位相位相位 频率特性频率特性频率特性频率特性: :理想特性理想特性理想特性理想特性: : 相位相位相位相位 ( ( ) = k ) = k ; ; 群迟延群迟延群迟延群迟延 ( ( ) = d) = d ( ( )/d)/d = k = k畸变的影响畸变的影响畸变的影响畸变的影响: : 波形失真（相位失真）、码间串扰。波形失真（相位失真）、码间串扰。波形失真（相位失真）、码间串扰。波形失真（相位失真）、码间串扰。线性失真线性失真线性失真线性失真: : 频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：频率失真和相位失真： 属于线性失真属于线性失真属于线性失真属于线性失真 可用可用可

33、用可用“ “线性补偿网络线性补偿网络线性补偿网络线性补偿网络” ”纠正，纠正，纠正，纠正， “ “均衡均衡均衡均衡” ”非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真: : 振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动 非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真 难以消除难以消除难以消除难以消除 ()0理想特性理想特性 ()032通信原理信道l l变参信道变参信道变参信道变参信道: : 变参信道的共性变参信道的共性变参信道的共性变参信道的共性 衰落衰落衰落衰落: : 衰减随机变化衰减随机变化衰减随机变化衰减随机

34、变化 传输时延传输时延传输时延传输时延: : 随机变化随机变化随机变化随机变化 多径效应多径效应多径效应多径效应: : 快衰落快衰落快衰落快衰落- -使信号的振幅随机使信号的振幅随机使信号的振幅随机使信号的振幅随机变化成瑞利分布。变化成瑞利分布。变化成瑞利分布。变化成瑞利分布。接收信号的特性接收信号的特性接收信号的特性接收信号的特性: : 设发送信号为设发送信号为设发送信号为设发送信号为A cos A cos 0 0t t，则经过，则经过，则经过，则经过n n条路径传播后的接收信号条路径传播后的接收信号条路径传播后的接收信号条路径传播后的接收信号R (t)R (t)可以表示为：可以表示为：可以

35、表示为：可以表示为： 式中式中式中式中 r ri i (t) (t) 第第第第 i i 条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅； i i (t) (t) 第第第第 i i 条路径的传输时延条路径的传输时延条路径的传输时延条路径的传输时延 i i (t) = - (t) = - 0 0 i i (t)(t)X X c c (t)(t)X X s s (t) (t)33通信原理信道式中式中式中式中 V(t) V(t) 合成波合成波合成波合成波R(t)R(t)的包络的包络的包络的包络; ; 多径衰落多径衰落多径衰落多径衰落 (t) (t) 合成波合成波

36、合成波合成波R(t)R(t)的相位。的相位。的相位。的相位。即有即有即有即有由于，相对于由于，相对于由于，相对于由于，相对于 而言，而言，而言，而言，r ri i(t)(t)和和和和 i i(t)(t)变化缓慢，故变化缓慢，故变化缓慢，故变化缓慢，故X Xc c(t), X(t), Xs s(t)(t)及及及及V(t), V(t), (t) (t) 也是缓慢变化的。也是缓慢变化的。也是缓慢变化的。也是缓慢变化的。所以，所以，所以，所以，R(t)R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。可以视为一个窄带信号（随机过程）。可以视为一个窄带信号（随机过程）。可以视为一个窄带信号（随机过程）。34通信

37、原理信道由下式可见，由下式可见，由下式可见，由下式可见，原发送信号原发送信号原发送信号原发送信号A cos A cos 0 0t t，经过传输后：，经过传输后：，经过传输后：，经过传输后： * * 恒定振幅恒定振幅恒定振幅恒定振幅A A，变成慢变振幅，变成慢变振幅，变成慢变振幅，变成慢变振幅V(t);V(t); * * 恒定相位恒定相位恒定相位恒定相位0 0，变成慢变相位，变成慢变相位，变成慢变相位，变成慢变相位 (t)(t)； * * 因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。tff035通信原理信

38、道频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落 设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；发射信号为发射信号为发射信号为发射信号为f(t)f(t)，接收信号为，接收信号为，接收信号为，接收信号为af(t - af(t - 0 0) )和和和和af(t - af(t - 0 0 - - ) )；发射信号的频谱为发射信号的频谱为发射信号的频谱为发射信号的频谱为F(F( ) )。 则有则有则有则有 f(t) f(t) F( F( ) ) a

39、f(t af(t - - 0 0) ) a F( a F( ) e) e-j -j0 0 af(t af(t - - 0 0 - - ) ) a F( a F( ) e) e-j -j ( ( 0 0 + + ) ) af(t af(t - - 0 0) ) + af(t + af(t - - 0 0 - - ) ) a F( a F( ) e) e-j -j0 0 (1+e (1+e-j -j) ) H( H( ) = a F() = a F( ) e) e-j -j0 0 (1+e (1+e-j -j)/F()/F( ) = ae) = ae-j -j0 0 (1+e (1+e-j -j)

40、 )|1+e|1+e-j -j| = |1+cos| = |1+cos-jsin-jsin|=|(1+cos|=|(1+cos)2)2+sin+sin2 2 1/21/2| | =2|cos( =2|cos(/2)|/2)| 36通信原理信道3.6 分集接收分集接收 分集接收技术是一种有效的抗衰落技术，已分集接收技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。一、分集接收的基本思想：一、分集接收的基本思想： 快衰落信道中接收的信号是到达接收机的各快衰落信道中接收的信号是到达接收机的各径分量的合成，径分量的合成，分集就是分散得到几个合

41、成信号分集就是分散得到几个合成信号并集中这些信号的意思并集中这些信号的意思。只要被分集的几个信号。只要被分集的几个信号之间是统计独立的，那么经适当的合并后就能使之间是统计独立的，那么经适当的合并后就能使系统性能大为改善。系统性能大为改善。37通信原理信道二、分集方式二、分集方式1).空间分集：在接收端架设几副天线，各天线的空间分集：在接收端架设几副天线，各天线的位置间要求有足够的间距，以保证各天线上获得位置间要求有足够的间距，以保证各天线上获得的信号基本互相独立。的信号基本互相独立。2).频率分集：用多个不同载频传送同一个消频率分集：用多个不同载频传送同一个消息，若各载频的频差相隔较远，则各载

42、频信息，若各载频的频差相隔较远，则各载频信号互不相干。号互不相干。3).角度分集：这是利用天线波束指向不同使信号角度分集：这是利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。不相关的原理构成的一种分集方法。4).极化分集：这是分别接收水平极化和垂直极化极化分集：这是分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分集方法。波而构成的一种分集方法。38通信原理信道三、几种合并方式三、几种合并方式1).最佳选择式：从几个分散的信号中选择信噪比最好最佳选择式：从几个分散的信号中选择信噪比最好的一个作为接收信号。的一个作为接收信号。2).等增益相加式：把几个分散信号以相同的支路增益等增益相加式：把几

43、个分散信号以相同的支路增益直接相加的结果作为接收信号。直接相加的结果作为接收信号。3).最大比值合并：控制各支路增益，使它们分别与本最大比值合并：控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。支路的信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。 39通信原理信道 分析结果表明：最大比值合并方式性能分析结果表明：最大比值合并方式性能最好，等增益合并次之，最佳选择方式最差。最好，等增益合并次之，最佳选择方式最差。40通信原理信道3.7 信道中的加性噪声信道中的加性噪声干扰干扰：对有用信号有害的各种波形的总称。：对有用信号有害的各种波形的总称。噪声噪声：可用随机过程描述的干扰。：

44、可用随机过程描述的干扰。一、加性噪声的来源及分类 1 .人为噪声人为噪声：来源于人类活动造成的其他信号源。如：外台信号、接触不良的触点等，由不希望有的信号源引起的。 2.自然噪声自然噪声：来自于大自然。由自然界存在的各种电磁波源引起。如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声、大气干扰及宇宙噪声等。 3.内部噪声内部噪声：系统设备本身产生的各种噪声。如：电阻中自由电子的热运动、半导体中载流子(电子和空穴)的随机产生与复合等。是元器件内部固有的噪声。41通信原理信道二、噪声的种类 1.确知噪声：如电源哼声、自激振荡等； 2.随机噪声：不能准确预测其波形；可以分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。这里重点介绍

45、起伏噪声。三、起伏噪声1.热噪声 1）产生原因：在电阻一类导体中自由电子的布郎运动引起的噪声 2）特点：服从高斯分布，且具有均匀的功率谱密度。 频带极宽01013Hz,视为带内平坦高斯白色噪声。 均值为0，交流起伏有一定功率损耗，且与R和T有关。 42通信原理信道 3）功率谱密度： 电压功率谱：SV() = 2KTR (J/Hz),即Vn2(t)表示。 电流功率谱：SI() = 2KTG (J/Hz), 即In2(t)表示。 4）表示方法：电阻导体上总存在热噪声，可用电压源或电流源表示。给定带宽可计算输出功率：用电压源： 。用电流源： 。2、散弹噪声 1）产生原因：真空电子管和半导体器件中电子

46、发射的不均匀性引起 2）特点：服从高斯分布，频带极宽01010Hz范围内视为均匀谱高斯白噪声。 3）功率谱密度：SI() = EI(t) q=I0q43通信原理信道3、宇宙噪声 1）产生原因：天体电磁波的辐射对接收机形成的噪声。 2）特点：20 300MHz内，强度与频率的三次方成反比，服从高斯分布；具有平坦的功率谱密度。Sn()=n0/2R()=n0/2()注意1：通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声的集中表示。通常把加性噪声的主要代表起伏噪声理解成热噪声、散弹噪声、宇宙噪声的集中表示。均为高斯白噪声。注意2：为了减少干扰，常用滤波器滤除部分噪声，进入通信的白噪声，就为带限白噪声

47、；白噪声通过窄带系统，就为窄带高斯白噪声。44通信原理信道4、噪声带宽： 噪声等效带宽：45通信原理信道C=maxR。分为离散信道容量和连续信道容量3.8 信道容量的概念信道容量的概念 信道容量：是指信道中信息无差错传输的最大速率C。一、离散信道的容量： 1、无噪声信道：收到的数码与发送的数码一一对应，收到的平均信息量与信源的信息量相同，在信道中无损失。信道的传输信息速率等于信源发出的信息速率。 2、有噪声信道：收端不是与信源一一对应，发送符号以一定的转移概率与收端符号对应。46通信原理信道1）发xi收到yj时获得信息量2）发xi收到yj时平均信息量/符号已知：单位时间内传送的符号数为r，求信

48、息速率R信源：Ht(x)=rH(x) 错误：Ht(x/y)=rH(x/y) R= Ht(x)-Ht(x/y)=rH(x)-H(x/y)讨论：无噪声时R= rH(x) ；噪声很大时R= 0-发送的每个符号的平均信息量-发送的符号在有噪信道中传输平均丢失的信息量47通信原理信道【例】【例】设二进制信源符号为0，1，由两个符号组合构成所有的消息，若消息速率每秒传送1000个符号，且两个符号出现概率相等，传输中引起的差错概率为100符号错1个，问该信道的信息传输速率为多少？解：3）信道容量C：C = maxR = maxHt(x)-Ht(x/y)Max-对所有可能的输入概率分布来说的最大值对所有可能的

49、输入概率分布来说的最大值48通信原理信道 设设信信道道(调调制制信信道道)的的输输入入端端加加入入单单边边功功率率谱谱密密度度为为n0(W/Hz)的的加加性性高高斯斯白白噪噪声声，信信道道的的带带宽宽为为B(Hz)，信信号号功功率率为为S(W)，则通过这种信道无差错传输的最大信息速率，则通过这种信道无差错传输的最大信息速率C为为 令令N=n0B 二、连续信道的信道容量B-信道带宽(Hz)S-信号功率(W)n0-噪声单边功率谱密度(W/Hz)49通信原理信道【例】【例】 若一帧电视图像的信息量为若一帧电视图像的信息量为99600bit99600bit，电视，电视的帧频为的帧频为30Hz30Hz，

50、为使接收端能收到良好的图像，为使接收端能收到良好的图像，要求信道的信噪比要求信道的信噪比S/N=1000(10lgS/N=30dB),S/N=1000(10lgS/N=30dB),求信求信道的带宽道的带宽B B。 解解 : : 若信息的传输速率为若信息的传输速率为V=9960030=29.910V=9960030=29.9106 6b/sb/s，则信道的容量，则信道的容量C C至少应等于至少应等于V V，有，有 C=9960030=29.910 C=9960030=29.9106 6b/sb/s 由香农公式可得由香农公式可得即信道带宽约为3MHz。 50通信原理信道从香农公式中我们可得出以下结

51、论：从香农公式中我们可得出以下结论：uu (1)(1)一一个个给给定定信信道道的的信信道道容容量量受受B B、S S、n n0 0“ “三三要要素素” ”的的约约束束。信信道道容容量量随随“ “三三要要素素” ”的的确确定定而确定。而确定。uu (2)(2)提提高高信信噪噪比比( (信信号号功功率率与与噪噪声声功功率率之之比比) )可提高信道容量。可提高信道容量。uu (3) (3)一个给定信道的信道容量既可以通过增一个给定信道的信道容量既可以通过增加信道带宽减少信号发射功率也可通过减少信道加信道带宽减少信号发射功率也可通过减少信道带宽增加信号发射功率来保证。也就是说，信道带宽增加信号发射功率

52、来保证。也就是说，信道容量可通过带宽与信噪比的互换而保持不变。比容量可通过带宽与信噪比的互换而保持不变。比如，若如，若S/N=7S/N=7，B=4kHzB=4kHz，由香农公式可算出，由香农公式可算出C=1210C=12103 3b/sb/s；同样的；同样的C C，还可由，还可由S/N=15S/N=15，B=3kHzB=3kHz来保证。来保证。51通信原理信道uu (4)(4)虽虽然然C C与与B B成成正正比比关关系系，但但BB时时，C C却不能随之趋于无穷大。却不能随之趋于无穷大。 证明如下：证明如下：由高等数学知识可知 : 上式表明，若S/n0保持不变，当B时，因为噪声功率(N=n0B)

53、也随之趋于无穷大，所以信道容量保持有限值。52通信原理信道 三、信道带宽与信道容量的关系三、信道带宽与信道容量的关系 我我们们已已经经知知道道，信信道道容容量量就就是是信信道道允允许许的的最最大大比比特特率率。在在信信噪噪比比一一定定的的前前提提下下，信信道道容容量量主主要要由由信信道道通通频频带带的的宽宽度度决决定定。下下面面我我们们从从傅傅里里叶叶分分析析、奈奈奎奎斯斯特特定定理理和和香香农农定定理理三三个个方方面面对对信信道道容容量量与与信信道带宽之间的关系进行比较深入的分析与研究。道带宽之间的关系进行比较深入的分析与研究。 在在以以下下分分析析中中，我我们们要要用用到到一一个个术术语语

54、“话话音音级级信信道道” ”。所所谓谓话话音音级级信信道道，来来源源于于传传统统的的模模拟拟电电话话系系统统，因因为为人人类类对对频频率率在在3003400Hz3003400Hz频频率率范范围围内内的的话话音音比比较较敏敏感感，并并且且该该频频段段的的语语音音信信号号基基本本能能表表现现出出说说话话人人的的语语音音特特色色。也也就就是是说说，可可以以辨辨别别出出不不同同的的说说话话人人，所所以以电电话话系系统统中中人人为为地地将将每每路路电电话话的的带带宽宽限限制制在在3000Hz3000Hz左左右右，这这样样具具有有3000Hz3000Hz通通频频带带的信道就称为话音级信道。的信道就称为话音

55、级信道。53通信原理信道uu 1. 1.傅里叶分析傅里叶分析 信信道道中中传传播播的的电电压压或或电电流流信信号号都都可可以以用用傅傅里里叶叶级级数数将将其其展展为为无无穷穷个个谐谐波波的的代代数数和和。而而信信道道是是有有一一定定带带宽宽的的，带带宽宽决决定定信信道道所所能能传传送送信信号号的的有有效效频频率率范范围围, ,因因此此上上述述谐谐波波信信号号只只能能有有一一部部分分通通过过信信道道传传输输而而其其余余的的将将被被抑抑制制。假假设设信信道道所所能能通通过过的的最最高高谐谐波波数数为为n n，显显然然，信信道道带带宽宽越越大大可可通通过过的的谐谐波波数数n n越越大大，原原始始信信

56、号号所所表表示示的的信信息息丢丢失失就就越越少少，信信号号失失真真就就越越小。小。54通信原理信道 比如比如: : 有一个数字信号有一个数字信号0110001001100010要在某信道中传要在某信道中传输输( (该信号是该信号是ASCIIASCII字符字符“b”)“b”)。用傅里叶级数将其展。用傅里叶级数将其展开后各次谐波的振幅如图开后各次谐波的振幅如图 (a) (a)所示所示( (也就是幅频特性也就是幅频特性) )。那么，当信道带宽分别为只能通过那么，当信道带宽分别为只能通过1 1、2 2、4 4、8 8次谐波次谐波时，则相应的信道输出信号波形如图时，则相应的信道输出信号波形如图 (b)

57、(b)、(c)(c)、(d)(d)、(e)(e)所示。所示。 数字信号波形与谐波的关系 55通信原理信道数字信号波形与谐波的关系 理论分析证明，在信道带宽一定的情况下，信息理论分析证明，在信道带宽一定的情况下，信息( (数据数据) )传输速率越高，基频传输速率越高，基频f f的值就越大，则信道所能的值就越大，则信道所能通过的谐波数就会越少，信号失真就大，直到信号无通过的谐波数就会越少，信号失真就大，直到信号无法被正确识别。法被正确识别。56通信原理信道信息速率与通过谐波次数的关系 下表是信息传输速率和基频下表是信息传输速率和基频f f以及通过谐波次数以及通过谐波次数的关系。的关系。57通信原理

58、信道uu 2. 2.奈奎斯特定理奈奎斯特定理 1924 1924年，奈奎斯特年，奈奎斯特(Nyquist)(Nyquist)发现了信道传输发现了信道传输速率有上限，并且给出了有限带宽、无噪声信道速率有上限，并且给出了有限带宽、无噪声信道( (理想信道理想信道) )的最大信息传输速率公式，即无噪声信的最大信息传输速率公式，即无噪声信道最大传输速率为道最大传输速率为 C=2BlbV (b/s) (b/s) (b/s) 式式中中，B B表表示示信信道道带带宽宽；V V是是信信号号有有效效状状态态的的个个数。数。 对对于于二二进进制制数数据据信信号号，信信号号仅仅有有两两种种有有效效状状态，分别为态，

59、分别为“0”“0”和和“1”“1”，所以，所以V=2V=2。58通信原理信道 此此时时，无无噪噪声声信信道道信信息息最最大大传传输输速速率率为为2B2B。如如果果我我们们使使用用模模拟拟电电话话系系统统传传输输二二进进制制信信号号( (即即使使用用话话音音级级信信 道道 ) )， 其其 带带 宽宽 为为 3000Hz3000Hz， 那那 么么 最最 大大 传传 输输 速速 率率 为为6000b/s6000b/s。实实际际应应用用中中远远远远达达不不到到这这个个上上限限，目目前前，使使用用二二进进制制调调制制技技术术，在在话话音音级级信信道道中中的的最最大大信信息息传传输输速率为速率为2400b

60、/s2400b/s。 而而我我们们知知道道，现现在在大大多多数数电电话话拨拨号号上上网网用用户户采采用用的的就就是是模模拟拟电电话话系系统统( (即即利利用用话话音音级级信信道道来来传传输输计计算算机机信信息息) )，但但实实际际速速率率都都可可以以在在14000b/s14000b/s以以上上，这这是是因因为为采采用用了了特特殊殊的的信信号号处处理理方方法法( (多多进进制制调调制制) )，将将V V值值增增大，从而提高了数据传输速率。大，从而提高了数据传输速率。 那那么么，是是不不是是可可以以无无限限增增大大V V值值，以以提提高高数数据据传传输速率呢？香农定理回答了这个问题。输速率呢？香农

61、定理回答了这个问题。 59通信原理信道uu 3. 3.香农定理香农定理 前前面面介介绍绍的的香香农农定定理理告告诉诉我我们们，有有扰扰信信道道的的最最大大信信息息传传输输速速率率( (即即信信道道容容量量) )是是有有限限的的，信信道道容容量量受受信信道道带带宽宽和和信信道道信信噪噪比比的的制制约约，只只要要给给定定了了信信道道信信噪噪比比和和带带宽宽，则则信信道道的的最最大大信信息息传传输输速速率率就就确确定定了了，并并且且该该容容量量与与信信号号取取的的离离散散值值个个数数无无关关，无无论论用什么调制方式都无法改变。用什么调制方式都无法改变。 在实际应用中，一般并不用在实际应用中，一般并不

62、用S SN N直接来表示信噪直接来表示信噪比，而是对它取对数变成分贝值，即用公式比，而是对它取对数变成分贝值，即用公式10lgS/N10lgS/N计计算。比如，算。比如，S SN=10N=10时，分贝数为时，分贝数为1010；S SN N为为100100的的分贝数是分贝数是2020；30dB30dB对应的对应的S SN N为为10001000。典型的模拟。典型的模拟电话系统信噪比为电话系统信噪比为30dB(S30dB(SN=1000)N=1000)，带宽，带宽B=3000HzB=3000Hz，根据公式可得它的信道容量约为，根据公式可得它的信道容量约为30kb/s30kb/s。这个值是。这个值是理论上限，实际的信息理论上限，实际的信息( (数据数据) )传输速率都要低于传输速率都要低于30kb/s30kb/s。60通信原理信道