通信原理信道第一次

1、通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 傳遞信息所需要的一切技術(shù)傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備設(shè)備和傳輸和傳輸媒質(zhì)媒質(zhì)的總和。的總和。信源信源發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備信道信道接收設(shè)備接收設(shè)備信宿信宿噪聲源噪聲源圖圖1-1 通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型大綱要求大綱要求3.1 信道及其數(shù)學(xué)模型信道及其數(shù)學(xué)模型 了解線性、非線性、時(shí)不變和時(shí)變信了解線性、非線性、時(shí)不變和時(shí)變信道的定義及其特點(diǎn)。道的定義及其特點(diǎn)。3.2 恒參信道恒參信道3.3恒參信道特性及對(duì)信號(hào)傳播的影響恒參信道特性及對(duì)信號(hào)傳播的影響 掌握各種恒參信道基掌握各種恒參信道基本特性以及對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。本特性以及?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?.4 隨參信道隨參信道3.5

2、隨參信道特性及對(duì)信號(hào)傳播的影響隨參信道特性及對(duì)信號(hào)傳播的影響 掌握各種隨參信道基掌握各種隨參信道基本特性以及對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。本特性以及?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?.6 隨參信道的接收對(duì)策隨參信道的接收對(duì)策分集技術(shù)分集技術(shù) 掌握衰落信道、多徑時(shí)掌握衰落信道、多徑時(shí)延、分集接收等基本概念。延、分集接收等基本概念。3.7 信道的加性噪聲信道的加性噪聲 掌握加性高斯白噪聲信道定義的特點(diǎn)。掌握加性高斯白噪聲信道定義的特點(diǎn)。信道容量的定義與計(jì)算信道容量的定義與計(jì)算3.1 引言引言信道概念：信道概念： 信道是信源向信宿發(fā)送和傳輸信息信號(hào)的通道。信道是信源向信宿發(fā)送和傳輸信息信號(hào)的通道。狹義信道：狹義信道： 指信息

3、收發(fā)設(shè)備之間的傳輸媒體。如電纜、光纖、無(wú)線指信息收發(fā)設(shè)備之間的傳輸媒體。如電纜、光纖、無(wú)線電波等。電波等。廣義信道：廣義信道： 不僅包括傳輸媒體，還包括特定媒體傳輸所必須的信號(hào)不僅包括傳輸媒體，還包括特定媒體傳輸所必須的信號(hào)變換設(shè)備。如編解碼器（信源、信道、傳輸編解碼）、調(diào)制變換設(shè)備。如編解碼器（信源、信道、傳輸編解碼）、調(diào)制解調(diào)器、光電轉(zhuǎn)換器、放大器、濾波器、中繼設(shè)備等。解調(diào)器、光電轉(zhuǎn)換器、放大器、濾波器、中繼設(shè)備等。信道分類：信道分類： 模擬信道與數(shù)字信道、有線信道與無(wú)線信道、窄帶信道模擬信道與數(shù)字信道、有線信道與無(wú)線信道、窄帶信道與寬帶信道等。與寬帶信道等。 一個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸信道往往不

4、是單一的。一個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸信道往往不是單一的。電話線、雙絞線、電話線、雙絞線、同軸電纜、光纖傳同軸電纜、光纖傳輸信道。輸信道。無(wú)線電波、紅外線等無(wú)線電波、紅外線等傳輸信道。傳輸信道。 根據(jù)信號(hào)波長(zhǎng)（或頻率）劃分： 長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、微波等。 根據(jù)傳播路徑（或機(jī)理）劃分： 視距傳播、電離層反射、對(duì)流層散射等。典型的模擬信道是典型的模擬信道是調(diào)制信道調(diào)制信道。典型的數(shù)字信道是典型的數(shù)字信道是編碼信道編碼信道。3.2 信道定義（信道定義（調(diào)制信道調(diào)制信道與與編碼信道編碼信道）調(diào)制信道調(diào)制信道與與編碼信道編碼信道分別是模擬信道與數(shù)字信道的分別是模擬信道與數(shù)字信道的典型例子。典型例子。調(diào)制器解

5、調(diào)器發(fā)送轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換器傳輸媒體調(diào)制信道編碼信道自編碼器去譯碼器圖圖3-1 調(diào)制信道與編碼信道調(diào)制信道與編碼信道3.3 信道數(shù)學(xué)模型（信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道調(diào)制信道與與編碼信道編碼信道）一一. 調(diào)制信道調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型調(diào)制信道一般特性：調(diào)制信道一般特性：有一對(duì)有一對(duì)(或多對(duì)或多對(duì))輸入端和一對(duì)輸入端和一對(duì)(或多對(duì)或多對(duì))輸出端；輸出端；大多數(shù)信道都是線性的，即滿足疊加原理；大多數(shù)信道都是線性的，即滿足疊加原理；信號(hào)通過(guò)信道都有一定時(shí)延，受到固定或時(shí)變損耗；信號(hào)通過(guò)信道都有一定時(shí)延，受到固定或時(shí)變損耗；即使沒(méi)有輸入，往往會(huì)有一定的輸出即使沒(méi)有輸入，往往會(huì)有一定的輸出(噪聲噪聲)。時(shí)變時(shí)變

6、線性線性系統(tǒng)系統(tǒng)ei(t)eo(t)圖圖3-2 調(diào)制信道調(diào)制信道模型模型(二對(duì)端網(wǎng)絡(luò)二對(duì)端網(wǎng)絡(luò))線性線性系統(tǒng)系統(tǒng)ei(t)eo(t)3.3 信道數(shù)學(xué)模型（信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道調(diào)制信道與與編碼信道編碼信道）一一. 調(diào)制信道調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型3.3 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型 (調(diào)制信道調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型)時(shí)變時(shí)變線性線性系統(tǒng)系統(tǒng)ei(t)eo(t)圖圖3-2 調(diào)制信道調(diào)制信道模型模型(二對(duì)端網(wǎng)絡(luò)二對(duì)端網(wǎng)絡(luò))調(diào)制信道調(diào)制信道輸出輸出eo(t)與輸入與輸入ei(t)關(guān)系：關(guān)系： eo(t) = f ei(t) + n(t)加性噪聲加性噪聲時(shí)變信道特性影響時(shí)變信道特性影響 eo(t) =

7、k(t)ei(t) + n(t)時(shí)變信道特性影響常描述為一種干擾：時(shí)變信道特性影響常描述為一種干擾：乘性干擾乘性干擾3.3 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型 (調(diào)制信道調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型)調(diào)制信道調(diào)制信道(模擬信道模擬信道)對(duì)信號(hào)對(duì)信號(hào)(模擬信號(hào)模擬信號(hào))傳輸?shù)挠绊懀簜鬏數(shù)挠绊懀汉饬亢饬空{(diào)制信道調(diào)制信道(模擬信道模擬信道)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)：優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)：模擬信道模擬信道輸出信號(hào)輸出信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)噪聲噪聲n(t)無(wú)失真、無(wú)畸變無(wú)失真、無(wú)畸變有失真、有畸變有失真、有畸變有失真、有畸變有失真、有畸變失真原因：失真原因：噪聲的影響噪聲的影響信道信道(線性系統(tǒng)線性系統(tǒng))特性不理想特性不理想信道特性時(shí)變信道特

8、性時(shí)變失真度或畸變度失真度或畸變度信噪比信噪比(輸出信號(hào)功率與輸出噪聲功率之比輸出信號(hào)功率與輸出噪聲功率之比）或信干比）或信干比有些失真在接收端往往無(wú)法察有些失真在接收端往往無(wú)法察覺(jué)，難以去除。覺(jué)，難以去除。3.3 信道數(shù)學(xué)模型（信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道調(diào)制信道與與編碼信道編碼信道）二二. 編碼信道編碼信道數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生失真、畸變產(chǎn)生失真、畸變判決電平判決電平發(fā)送時(shí)鐘發(fā)送時(shí)鐘判決時(shí)鐘判決時(shí)鐘傳輸信道傳輸信道輸出信號(hào)輸出信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)噪聲噪聲n(t)0 1 0 1 1 0抽樣判決抽樣判決0 1 0 1 1 0沒(méi)發(fā)生誤碼沒(méi)發(fā)生誤碼編碼信道編碼信道質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是考察接收碼元是否會(huì)發(fā)質(zhì)量?jī)?yōu)

9、劣的標(biāo)準(zhǔn)是考察接收碼元是否會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。由于信道特性和噪聲的影響，也會(huì)使得傳生錯(cuò)誤。由于信道特性和噪聲的影響，也會(huì)使得傳輸信號(hào)波形發(fā)生失真或畸變，但是失真不一定會(huì)誤輸信號(hào)波形發(fā)生失真或畸變，但是失真不一定會(huì)誤碼。誤碼的概率（碼。誤碼的概率（誤碼率誤碼率）與接收波形的失真有關(guān)，）與接收波形的失真有關(guān)，因此與傳輸信道輸出的因此與傳輸信道輸出的信噪比信噪比有關(guān)。有關(guān)。3.3 信道數(shù)學(xué)模型（信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道調(diào)制信道與與編碼信道編碼信道）二二. 編碼信道編碼信道數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型碼的碼的轉(zhuǎn)移概率轉(zhuǎn)移概率p(i/j)二進(jìn)制數(shù)字編碼信道二進(jìn)制數(shù)字編碼信道發(fā)送碼元為發(fā)送碼元為j，而接收碼，而接收碼元為元為i

10、的概率。的概率。0101發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端p(0/0)p(1/0)p(1/1)p(0/1)p(0/0)+p(1/0)=1p(0/1)+p(1/1)=1p(0/1)、p(1/0)是是錯(cuò)誤接收概率錯(cuò)誤接收概率p(0/0)、p(1/1)是是正確接收概率正確接收概率系統(tǒng)的誤碼率是？系統(tǒng)的誤碼率是？系統(tǒng)的誤碼率系統(tǒng)的誤碼率 pe=p(0)p(1/0)+ p(1)p(0/1)3.3 信道數(shù)學(xué)模型（信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道調(diào)制信道與與編碼信道編碼信道）二二. 編碼信道編碼信道數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型m進(jìn)制數(shù)字編碼信道進(jìn)制數(shù)字編碼信道系統(tǒng)誤碼率是？系統(tǒng)誤碼率是？p(0/0)p(1/0)p(m-1/0)p(2/0)

11、p(0/1)p(1/1)p(2/1)p(m-1/1)p(0/2)p(2/2)p(1/2)p(m-1/2)p(0/m-1)p(m-1/m-1)p(1/m-1)p(2/m-1)1010)/()(mimijjeijpipp01發(fā)發(fā)送送端端接接收收端端2m-1012m-13.4 恒參信道舉例恒參信道舉例3.4.1 三種有線電信道三種有線電信道 架空明線架空明線 （如用戶電話線）（如用戶電話線） 對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜 （如五類雙絞線、中繼電話線）（如五類雙絞線、中繼電話線） 同軸電纜同軸電纜 （如有線電視進(jìn)戶線、中繼電話線）（如有線電視進(jìn)戶線、中繼電話線）一條電纜中的一條電纜中的線對(duì)線對(duì)數(shù)量數(shù)量可以不同，可

12、以不同，線徑線徑也可不也可不同。同。表表3-6 三種有線電信道的性能三種有線電信道的性能 線路類型線路類型 通話路數(shù)通話路數(shù) 頻率范圍頻率范圍/khz 增音段長(zhǎng)度增音段長(zhǎng)度/km 架空明線架空明線 1+3 0.327 300 架空明線架空明線 1+3+12 0.3 150 120 對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜 24 12 108 35 對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜 60 12 252 15 小同軸電纜小同軸電纜 300 60 1300 8 小同軸電纜小同軸電纜 960 60 4100 4 中同軸電纜中同軸電纜 1800 3009000 6 中同軸電纜中同軸電纜 2700 30012000 4.5 中同軸電纜中同軸電纜

13、 10800 30060000 1.53.4 恒參信道舉例恒參信道舉例3.4.2 光纖信道光纖信道光源光源光調(diào)制器光調(diào)制器耦合器耦合器基帶處理基帶處理基帶電信號(hào)基帶電信號(hào)耦合器耦合器光檢測(cè)器光檢測(cè)器基帶處理基帶處理基帶電信號(hào)基帶電信號(hào)光纖線路光纖線路發(fā)發(fā)送送端端接接收收端端圖圖3-7光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 光纖與光纜光纖與光纜 光波長(zhǎng)光波長(zhǎng) 單模光纖與多模光纖單模光纖與多模光纖 光纖的衰耗與色散光纖的衰耗與色散光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 無(wú)中繼傳輸距離長(zhǎng)；無(wú)中繼傳輸距離長(zhǎng)； 系統(tǒng)頻帶寬、容量大；系統(tǒng)頻帶寬、容量大； 具有及強(qiáng)的抗電磁干擾能力。具有及強(qiáng)的抗電磁干擾能力。3.4 恒參信道舉例恒

14、參信道舉例3.4.3 無(wú)線電視距傳播信道無(wú)線電視距傳播信道無(wú)線電視距傳播無(wú)線電視距傳播無(wú)線電中繼信道無(wú)線電中繼信道3.4 恒參信道舉例恒參信道舉例3.4.4 衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星3.5 恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺捞匦约捌鋵?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?恒參信道是指信道的特性參數(shù)長(zhǎng)期不變或變化恒參信道是指信道的特性參數(shù)長(zhǎng)期不變或變化非常緩慢非常緩慢。前述有線信道（光纖與電纜）、無(wú)線電視距傳播信道、微波前述有線信道（光纖與電纜）、無(wú)線電視距傳播信道、微波及衛(wèi)星中繼信道都屬于恒參信道。及衛(wèi)星中繼信道都屬于恒參信道。 恒參信道可以用恒參信道可

15、以用時(shí)不變線性系統(tǒng)時(shí)不變線性系統(tǒng)來(lái)描述。來(lái)描述。 恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)為：恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)為：幅度幅度-頻率畸變頻率畸變和和相位相位-頻率畸變頻率畸變?？梢哉J(rèn)為在一次通信過(guò)程中是不變的?？梢哉J(rèn)為在一次通信過(guò)程中是不變的。3.5.1 幅度幅度-頻率畸變頻率畸變3.5.1 相位相位-頻率畸變頻率畸變ejhh)()()(相位相位-頻率特性頻率特性幅度幅度-頻率特性頻率特性3.6 隨參信道舉例隨參信道舉例3.6.1 短波電離層反射信道短波電離層反射信道 隨參信道是指信道的特性參數(shù)隨時(shí)間快速變化的信道。短隨參信道是指信道的特性參數(shù)隨時(shí)間快速變化的信道。短波電離層反射信道、對(duì)流

16、層散射信道、市區(qū)移動(dòng)通信等信道波電離層反射信道、對(duì)流層散射信道、市區(qū)移動(dòng)通信等信道都屬于隨參信道。都屬于隨參信道。在一次通信過(guò)程中信道參數(shù)不固定。在一次通信過(guò)程中信道參數(shù)不固定。 短波：短波：指波長(zhǎng)在指波長(zhǎng)在100m 10m（對(duì)應(yīng)信號(hào)載波頻率（對(duì)應(yīng)信號(hào)載波頻率3mhz 30mhz）的無(wú)線電波。的無(wú)線電波。 電離層：電離層：距離地面高度為距離地面高度為60km 600km的大氣層稱為電離層。的大氣層稱為電離層。 電離層：電離層：大氣層在受到太陽(yáng)光的照射后，形成一層帶電的大氣層在受到太陽(yáng)光的照射后，形成一層帶電的空氣層，稱為電離層?？諝鈱?，稱為電離層。60公里一直到公里一直到600公里左右。公里左

17、右。 對(duì)流層：對(duì)流層：對(duì)流層是大氣層的一個(gè)區(qū)域，其頂部位于地面上對(duì)流層是大氣層的一個(gè)區(qū)域，其頂部位于地面上空十多公里處，并在不同的緯度地區(qū)有所不同?？帐喙锾帲⒃诓煌木暥鹊貐^(qū)有所不同。3.6.1 短波電離層反射信道短波電離層反射信道1. 傳播路徑傳播路徑4000kmdef1f2反射層反射層吸收層吸收層 電離層：電離層： 各個(gè)層次的高度、厚度、電子密度等都會(huì)隨時(shí)間變化。各個(gè)層次的高度、厚度、電子密度等都會(huì)隨時(shí)間變化。 一次或多次反射的距離也會(huì)發(fā)生變化，且與入射角有關(guān)。一次或多次反射的距離也會(huì)發(fā)生變化，且與入射角有關(guān)。 不同層次（不同層次（f1、f2）的不同高度上都會(huì)產(chǎn)生反射。）的不同高度上

18、都會(huì)產(chǎn)生反射。地球地球地面高度為地面高度為60km 600km入射角入射角o3.6.1 短波電離層反射信道短波電離層反射信道2. 工作頻率工作頻率 最高可用頻率與電離層的電子密度有關(guān)，與入射角有關(guān)。最高可用頻率與電離層的電子密度有關(guān)，與入射角有關(guān)。oeoonfmufsec8.80secmax 關(guān)于電離層反射信道的工作頻率：關(guān)于電離層反射信道的工作頻率： 電離層高度、厚度、電子密度是變化的，能夠隨電離層變電離層高度、厚度、電子密度是變化的，能夠隨電離層變化調(diào)整工作頻率、入射角才能滿足一定距離下的最佳通信?；{(diào)整工作頻率、入射角才能滿足一定距離下的最佳通信。 夜間夜間f2層電子密度低，須降低工作頻

19、率，否則信號(hào)會(huì)穿層電子密度低，須降低工作頻率，否則信號(hào)會(huì)穿透電離層。透電離層。 夜間夜間d層消失，層消失，e層吸收減小，允許工作頻率降低。層吸收減小，允許工作頻率降低。3.6.1 短波電離層反射信道短波電離層反射信道3. 多徑傳播多徑傳播def1f2反射層反射層吸收層吸收層 一次反射與兩次反射一次反射與兩次反射地球地球發(fā)送發(fā)送接收接收一次反射與兩次反射一次反射與兩次反射反射高度不同反射高度不同 反射高度不同反射高度不同 漫射現(xiàn)象（電離層不均漫射現(xiàn)象（電離層不均勻）勻） 尋常波與非尋常波（地尋常波與非尋常波（地球磁場(chǎng)）球磁場(chǎng)）3.6.1 短波電離層反射信道短波電離層反射信道4.電離層反射信道特點(diǎn)電離層反射信道特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 要求功率小，設(shè)備成本低。要求功率小，設(shè)備成本低。 傳播距離遠(yuǎn)。傳播距離遠(yuǎn)。 受地形影響小。受地形影響小。 不易受人為破壞。不易受人為破壞。 有一定的帶寬或傳輸容量。有一定的帶寬或傳輸容量。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 干擾電平高。干擾電平高。 存在快衰落和多徑時(shí)延失真。存在快衰落和多徑時(shí)延失真。 傳輸可靠性差。傳輸可靠性差。 需要經(jīng)常改換工作頻率，導(dǎo)致使用復(fù)雜。需要經(jīng)常改換工作頻率，導(dǎo)致使用復(fù)雜。3.6 隨參信道舉例隨參信道舉例3.6.2 對(duì)流層散射信道對(duì)流層散射