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1、CCEE第三章第三章 信道与干扰信道与干扰数字通信原理主要内容主要内容 3.1 3.1 概概 述述3.2 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响 3.3 变参信道及其对信号传输的影响变参信道及其对信号传输的影响 3.4 变参信道特性的改善变参信道特性的改善 3.5 信道噪声信道噪声3.6 信道容量信道容量数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件3.2 3.2 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响 恒参信道恒参信道1 典型的恒参信道典型的恒参信道2信号无失真传输条件信号无失真传输条件3 幅度频率畸变幅度频率畸变
2、4 相位频率畸变相位频率畸变5 其他影响其他影响6数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道恒参信道恒参信道对信号传输的影响是固定的，或者随时恒参信道对信号传输的影响是固定的，或者随时间缓慢变化的，通常情况下，若在数字信号几个间缓慢变化的，通常情况下，若在数字信号几个最长的符号时间内，信道特性基本不变，即可认最长的符号时间内，信道特性基本不变，即可认为此信道为恒参信道。为此信道为恒参信道。信道模型可以等效为一个线性时不变网络，其传信道模型可以等效为一个线性时不变网络，其传输函数为输函数为K(K() ) 。它和一般线性时不变网络一样，。它和一
3、般线性时不变网络一样，可用幅频特性和相频特性来表征它的传输特性。可用幅频特性和相频特性来表征它的传输特性。从理论上讲，只要得到这个网络的传输特性，利从理论上讲，只要得到这个网络的传输特性，利用信号通过线性系统的分析方法，就可求得已调用信号通过线性系统的分析方法，就可求得已调信号通过恒参信道后的变化规律。信号通过恒参信道后的变化规律。有线信道为典型的恒参信道有线信道为典型的恒参信道无线信道中的中、长波通信，超短波及微波视距通信无线信道中的中、长波通信，超短波及微波视距通信等基本上也属于恒参信道。等基本上也属于恒参信道。 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传
4、输的影响课件3.2 3.2 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响 恒参信道恒参信道1 典型的恒参信道典型的恒参信道2信号无失真传输条件信号无失真传输条件3 幅度频率畸变幅度频率畸变4 相位频率畸变相位频率畸变5 其他影响其他影响6数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件典型的恒参信道典型的恒参信道明线明线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆地面微波视距传播地面微波视距传播卫星中继信道卫星中继信道数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件明线明线明线导线通常采用铜线、铝线或钢线（铁明
5、线导线通常采用铜线、铝线或钢线（铁线），线径为线），线径为3mm3mm左右。左右。对铜、铝线来说，长距传输的最高允许频对铜、铝线来说，长距传输的最高允许频率为率为150kHz150kHz左右，可复用左右，可复用1616个话路；短距个话路；短距传输时，有时传输频率可达传输时，有时传输频率可达300kHz300kHz左右，左右，可再增开可再增开1212个话路。个话路。明线信道易受天气变化和外界电磁干扰，明线信道易受天气变化和外界电磁干扰，通信质量不够稳定，信道容量较小，不能通信质量不够稳定，信道容量较小，不能传输视频信号和高速数字信号。传输视频信号和高速数字信号。 数字通信原理数字通信原理恒参信道
6、及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件典型的恒参信道典型的恒参信道明线明线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆地面微波视距传播地面微波视距传播卫星中继信道卫星中继信道数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件双绞线双绞线l最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线。一起，然后用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线。l模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通
7、信距离一般为几到十几公里。公里。l双绞线的价格便宜，性能良好，使用广泛。双绞线采用的导线越粗，双绞线的价格便宜，性能良好，使用广泛。双绞线采用的导线越粗，通信距离就越远，但导线的价格也越高。通信距离就越远，但导线的价格也越高。l为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一个为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，这种加屏蔽层的双绞线称为屏蔽双绞线，用金属丝编织成的屏蔽层，这种加屏蔽层的双绞线称为屏蔽双绞线，相对于无屏蔽双绞线来说，价格要贵一些。相对于无屏蔽双绞线来说，价格要贵一些。 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课
8、件恒参信道及其对信号传输的影响课件典型的恒参信道典型的恒参信道明线明线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆地面微波视距传播地面微波视距传播卫星中继信道卫星中继信道数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件同轴电缆同轴电缆l同轴电缆由内导体铜制芯线（单股实心线或多股同轴电缆由内导体铜制芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成及保护塑料外层组成 5050同轴电缆同轴电缆 7575同轴电缆同轴电缆 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号
9、传输的影响课件典型的恒参信道典型的恒参信道明线明线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆地面微波视距传播地面微波视距传播卫星中继信道卫星中继信道数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件光缆光缆l光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于冲来进行通信。有光脉冲相当于1 1，没有相当于，没有相当于0 0，由于可见光的频率非常高，约为每秒，由于可见光的频率非常高，约为每秒108108量级，量级，因此光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他因此光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输
10、媒体的带宽。各种传输媒体的带宽。 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件光缆光缆光纤的优点：光纤的优点：传输频带非常宽，通信容量大。传输频带非常宽，通信容量大。传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。环境下尤为重要。无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。体积小，重量轻。体积小，重量轻。 这在现有电缆管道已拥挤不堪的情这在现有电缆管道已拥挤
11、不堪的情况下特别有利。况下特别有利。 光纤的缺点光纤的缺点两根光纤要精确的连接比较困难，一般的网络技术人两根光纤要精确的连接比较困难，一般的网络技术人员难以掌握这项技术员难以掌握这项技术光电接口价格也比较昂贵。光电接口价格也比较昂贵。 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件典型的恒参信道典型的恒参信道明线明线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆地面微波视距传播地面微波视距传播卫星中继信道卫星中继信道数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件地面微波视距传播地面微波视距传播l微波在空间是直线传播，而地
12、球表面是个曲面，微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此传输距离受到限制，一般只有因此传输距离受到限制，一般只有5050公里左右，公里左右，若采用若采用100100米高的天线塔，可增大到米高的天线塔，可增大到100100公里。公里。l为实现远距离通信，必须在一条无线电通信信道为实现远距离通信，必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为称为“接力接力” ” 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影
13、响课件地面微波视距传播地面微波视距传播微波接力通信的主要优点微波接力通信的主要优点微波波段频率高，频段范围宽，信道容量大。微波波段频率高，频段范围宽，信道容量大。因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高。较高。微波接力信道能够通过有线线路难于通过或不易架设的地区（如微波接力信道能够通过有线线路难于通过或不易架设的地区（如高山、水面），故有较大的机动灵活性，抗自然灾害的能力也较高山、水面），故有较大的机动灵活性
14、，抗自然灾害的能力也较强，因而可靠性较高。强，因而可靠性较高。微波接力通信与相同容量和长度的电缆载波通信相比，建设投资微波接力通信与相同容量和长度的电缆载波通信相比，建设投资少，见效快。少，见效快。 微波接力通信的缺点微波接力通信的缺点相邻站之间必须直视，不能有障碍物。有时一个天线发射出的信相邻站之间必须直视，不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接受天线，因而造成失真。号也会分成几条略有差别的路径到达接受天线，因而造成失真。 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。与电缆通信系
15、统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。 平时对大量的中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力，生平时对大量的中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力，生产高可靠性的无人中继站并不容易。产高可靠性的无人中继站并不容易。 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件典型的恒参信道典型的恒参信道明线明线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光缆光缆地面微波视距传播地面微波视距传播卫星中继信道卫星中继信道数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件卫星中继通信卫星中继通信l卫星通信是在地球站之间利用位于卫星通信是在地球站之间
16、利用位于3 3万万6 6千公里高千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。力通信。l卫星是在太空的无人值守的微波通信中继站。卫星是在太空的无人值守的微波通信中继站。l卫星通信的主要优缺点和地面微波通信差不多。卫星通信的主要优缺点和地面微波通信差不多。 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件卫星中继通信卫星中继通信卫星中继通信的优点卫星中继通信的优点通信距离远，且通信费用与通信距离无关通信距离远，且通信费用与通信距离无关卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所卫星通信的频带很宽，通信容量很
17、大，信号所受的干扰也小，通信比较稳定受的干扰也小，通信比较稳定卫星中继通信的缺点卫星中继通信的缺点卫星通信有较大的传播时延卫星通信有较大的传播时延数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件3.2 3.2 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响 恒参信道恒参信道1 典型的恒参信道典型的恒参信道2信号无失真传输条件信号无失真传输条件3 幅度频率畸变幅度频率畸变4 相位频率畸变相位频率畸变5 其他影响其他影响6数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件信号无失真传播条件信号无失真传播条件要使
18、任意一个信号通过线性网络不产生波要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应该具备以下两形失真，网络的传输特性应该具备以下两个理想条件个理想条件 系统函数的幅频特性系统函数的幅频特性H(H() )是一个不随频率变是一个不随频率变化的常数。化的常数。系统函数的相频特性系统函数的相频特性( () )为一过原点的直为一过原点的直线，即群时延为常数。线，即群时延为常数。网络的传输系统函数网络的传输系统函数数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件信号无失真传播条件信号无失真传播条件系统函数的幅频特性系统函数的幅频特性H()H()是一个不随频
19、是一个不随频率变化的常数。率变化的常数。系统函数的相频特性系统函数的相频特性()()为一过原点的为一过原点的直线，即群时延为常数。直线，即群时延为常数。数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件信号无失真传播条件信号无失真传播条件信道的相频特性还经常用群迟延信道的相频特性还经常用群迟延频率特性频率特性来衡量，所谓群迟延来衡量，所谓群迟延频率特性，就是相位频率特性，就是相位特性对频率的导数，若相位频率特性用特性对频率的导数，若相位频率特性用( () )表示，群迟延用表示，群迟延用( () )表示，则系统函数的幅表示，则系统函数的幅频特性是一个不随频率
20、变化的常数。频特性是一个不随频率变化的常数。数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件信号无失真传播条件信号无失真传播条件恒参信道并不是理想网络，其参数随时间恒参信道并不是理想网络，其参数随时间不变化或变化特别缓慢，不可避免会产生不变化或变化特别缓慢，不可避免会产生线性畸变线性畸变线性畸变是由于网络特性不理想所造成的线性畸变是由于网络特性不理想所造成的畸变，主要是因为网络幅频特性和相频特畸变，主要是因为网络幅频特性和相频特性不理想造成的，线性畸变与非线性畸变性不理想造成的，线性畸变与非线性畸变的区别是线性畸变不会产生新的频率成分。的区别是线性畸变不
21、会产生新的频率成分。线性畸变对信号的主要影响可用幅度线性畸变对信号的主要影响可用幅度频频率畸变和相位率畸变和相位频率畸变（群迟延频率畸变（群迟延频率频率特性）来衡量特性）来衡量 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件3.2 3.2 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响 恒参信道恒参信道1 典型的恒参信道典型的恒参信道2信号无失真传输条件信号无失真传输条件3 幅度频率畸变幅度频率畸变4 相位频率畸变相位频率畸变5 其他影响其他影响6数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件幅度频率
22、畸变幅度频率畸变幅度幅度频率畸变，即幅频畸变，是由于信频率畸变，即幅频畸变，是由于信道幅频特性不理想造成的。道幅频特性不理想造成的。理想的信道幅频特性在通带内应是平的，即对理想的信道幅频特性在通带内应是平的，即对所有通带内的各频率分量的衰耗应是一样的所有通带内的各频率分量的衰耗应是一样的, ,信信号的各个频率分量不会因通过信道传输而发生号的各个频率分量不会因通过信道传输而发生畸变。畸变。 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件幅度频率畸变幅度频率畸变实际中的信道不可能有这样理想的幅频特实际中的信道不可能有这样理想的幅频特性。性。典型音频电话信道
23、的相对衰耗曲线典型音频电话信道的相对衰耗曲线 dB302010f(Hz)120024003600数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件幅度频率畸变幅度频率畸变一般数字信号是矩形波或升余弦波，具有丰富的一般数字信号是矩形波或升余弦波，具有丰富的频率成分，如果信道幅频特性不均匀，将使各频频率成分，如果信道幅频特性不均匀，将使各频率受到不同的衰耗，从而使波形发生畸变率受到不同的衰耗，从而使波形发生畸变在数字信号传输中，将会引起相邻数字信号波形之间在数字信号传输中，将会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间串扰（码元之间相互在时间上的相互
24、重叠，造成码间串扰（码元之间相互串扰）。串扰）。为了减小幅度为了减小幅度频率畸变，在设计总的电话信道频率畸变，在设计总的电话信道传输特性时，一般都要求把幅度传输特性时，一般都要求把幅度频率畸变控制频率畸变控制在一个允许的范围内在一个允许的范围内改善电话信道中的滤波性能改善电话信道中的滤波性能通过一个线性补偿网络使衰耗特性曲线变得平坦通过一个线性补偿网络使衰耗特性曲线变得平坦均衡均衡数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件3.2 3.2 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响 恒参信道恒参信道1 典型的恒参信道典型的恒参信道2信号
25、无失真传输条件信号无失真传输条件3 幅度频率畸变幅度频率畸变4 相位频率畸变相位频率畸变5 其他影响其他影响6数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件相位频率畸变相位频率畸变相频畸变是由于信道相频特性不理想造成相频畸变是由于信道相频特性不理想造成的，是信道的相位频率特性或群迟延的，是信道的相位频率特性或群迟延频率特性偏离理想特性曲线而引起的畸变频率特性偏离理想特性曲线而引起的畸变 理想相频特性理想相频特性 如果相频特性曲线偏离如果相频特性曲线偏离线性关系就会引起波形线性关系就会引起波形失真，即产生相频畸变失真，即产生相频畸变 数字通信原理数字通信
26、原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件相位频率畸变相位频率畸变人耳对相频畸变不太敏感人耳对相频畸变不太敏感对模拟话音对模拟话音通信影响不大通信影响不大相频畸变将会引起严重的码间串扰相频畸变将会引起严重的码间串扰严严重影响数字通信重影响数字通信研究数字通信系统时，一定要重视相频畸变对研究数字通信系统时，一定要重视相频畸变对信号传输带来的影响。信号传输带来的影响。非单一频率信号通过信道引起的畸变非单一频率信号通过信道引起的畸变 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件非单一频率信号通过信道引起的畸变非单一频率信号通过信道
27、引起的畸变基波基波谐波谐波合成波合成波输入信号输入信号基波与三次谐波幅度比基波与三次谐波幅度比2 2：1 1信号的基波和三次谐波信号的基波和三次谐波经信道传输后的迟延经信道传输后的迟延分别为分别为和和2 2 基波基波谐波谐波合成波合成波拖尾拖尾数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件相频畸变特性相频畸变特性信道中的带通滤波器和电感线圈是带来相信道中的带通滤波器和电感线圈是带来相频畸变的主要因素频畸变的主要因素相频畸变在信道频带边缘表现得更为严重相频畸变在信道频带边缘表现得更为严重这种畸变不会产生新的频率成分，是一种这种畸变不会产生新的频率成分，是
28、一种线性畸变线性畸变可以采取相位均衡补偿技术补偿群迟延畸变可以采取相位均衡补偿技术补偿群迟延畸变可以严格限制已调信号的频谱，使它保持在信可以严格限制已调信号的频谱，使它保持在信道的线性相移范围内传输。道的线性相移范围内传输。可采用均衡器对不是线性的相频特性加以补偿。可采用均衡器对不是线性的相频特性加以补偿。 数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件3.2 3.2 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响 恒参信道恒参信道1 典型的恒参信道典型的恒参信道2信号无失真传输条件信号无失真传输条件3 幅度频率畸变幅度频率畸变4 相位频率畸
29、变相位频率畸变5 其他影响其他影响6数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件其他影响其他影响非线性畸变、频率偏移及相位抖动非线性畸变、频率偏移及相位抖动非线性畸变主要是由于信道中存在电子元器件，非线性畸变主要是由于信道中存在电子元器件，这些器件的非线性特性造成谐波失真，或产生这些器件的非线性特性造成谐波失真，或产生寄生频率等造成谐波失真，也可能产生寄生频寄生频率等造成谐波失真，也可能产生寄生频率等。率等。由于载波电话系统中接收端解调载波与发送端由于载波电话系统中接收端解调载波与发送端调制载波之间的频率有偏差，造成信道传输的调制载波之间的频率有偏差，造成信道传输的信号之每一分量都可能产生的频率变化，这种信号之每一分量都可能产生的频率变化，这种频率变化称为频率偏移。频率变化称为频率偏移。相位抖动是由调制和解调载波发生器的不稳定相位抖动是由调制和解调载波发生器的不稳定性造成的，这种抖动带来的结果相当于发送信性造成的，这种抖动带来的结果相当于发送信号附加上一个小指数的调频。号附加上一个小指数的调频。数字通信原理数字通信原理恒参信道及其对信号传输的影响课件恒参信道及其对信号传输的影响课件
