通信原理(樊昌信)第4章 信道

1、 信 道信道分類信道模型恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: l信道的定義：信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。信道的定義：信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。l信道的分類：狹義信道：僅是指信號的傳輸媒質(zhì)；信道的分類：狹義信道：僅是指信號的傳輸媒質(zhì)； 廣義信道：不僅是指傳輸媒質(zhì)，而且包括通廣義信道：不僅是指傳輸媒質(zhì)，而且包括通 信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置。信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置。 l信道的功能：將信號從發(fā)送端傳送到接收端。信道的功能：將信號從發(fā)送端傳送到接收端。 概 述信道的定義與分類 傳輸媒質(zhì)l有線信道明線、電纜、光纖明線、電纜、光纖l無線信道自由空間或大氣層自由空間或

2、大氣層n狹義信道狹義信道：n廣義信道廣義信道： l調(diào)制信道研究研究調(diào)制調(diào)制/ /解調(diào)解調(diào)問題問題l編碼信道研究研究編碼編碼/ /譯碼譯碼問題問題無線信道4.1 對流層平流層電離層10 km60 km0 kml 對流層：約 0 10 kml 平流層：約 1060 kml 電離層：約 60400 kmn地球大氣層的結(jié)構(gòu)：r地波地波 ground- wave頻率頻率： 2 MHz特性：有繞射能力特性：有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千米距離：數(shù)百或數(shù)千米用于：用于：AMAM廣播廣播傳播路徑 地波傳播方式地波傳播方式傳播路徑天波傳播方式天波傳播方式無線信道n電磁波的傳播方式：r天波天波 sky- wave頻率

3、：頻率：230 MHz特性：被電離層反射特性：被電離層反射距離：距離： 30 MHz 特性：直線傳播、穿透電離層特性：直線傳播、穿透電離層 用途：衛(wèi)星和外太空通信用途：衛(wèi)星和外太空通信 超短波及微波通信超短波及微波通信 距離：與天線高度有關(guān)距離：與天線高度有關(guān) r 視線傳播視線傳播 line-of-sight無線信道D 為收發(fā)天線間距離為收發(fā)天線間距離(km) 設(shè)收發(fā)天線的架設(shè)設(shè)收發(fā)天線的架設(shè)高度均為高度均為40 m，則最，則最遠(yuǎn)通信距離為：遠(yuǎn)通信距離為： D = 44.7 km)(50822mDrDh例如u 微波中繼（微波接力）微波中繼（微波接力）u 衛(wèi)星中繼（靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星）衛(wèi)星中繼（

4、靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星）u 平流層通信平流層通信無線信道u 微波中繼微波中繼 無線信道u 衛(wèi)星中繼衛(wèi)星中繼 地面站地面站地球l衛(wèi)星中繼信道是以通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器作為中繼站與接收、發(fā)送地球站之間構(gòu)成。l若衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面作圓周運(yùn)動，離地面高度為35786km時，繞地球運(yùn)行一周的時間恰為24小時，與地球自轉(zhuǎn)同步，這種衛(wèi)星稱為靜止衛(wèi)星(同步衛(wèi)星)。l若以靜止衛(wèi)星作為中繼站，采用三個相差120的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)，如下圖所示。l衛(wèi)星中繼信道具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋地域廣、傳播穩(wěn)定可靠、傳輸容量大等突出的優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛用來傳輸多路電話、電報、數(shù)據(jù)和電視。地球AB衛(wèi)星中繼信

5、道示意圖 對流層散射通信對流層散射通信地球有效散射區(qū)域有效散射區(qū)域無線信道r 散射通信散射通信 流星余跡流星余跡無線信道r 流星余跡散射流星余跡散射特性: 高度80 120 km，長度15 40 km 存留時間：小于1秒至幾分鐘頻率: 30 100 MHz距離: 1000 km以上用途: 低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸有線信道4.2 明線 對稱電纜 同軸電纜 光纖1880年紐約街貌年紐約街貌n明線明線屏蔽雙絞線(STP) （可減少噪聲干擾）非屏蔽雙絞線(UTP)（便宜、易彎曲、易安裝）由 多 對雙絞線組成有線信道n對稱電纜對稱電纜l雙絞線的傳輸距離 傳輸模擬信號：56km需放大； 傳輸數(shù)字信號：

6、23km需轉(zhuǎn)發(fā)； 遠(yuǎn)程中速時，最大距離15km； 用于局域網(wǎng)時，最大距離100m。有線信道n同軸電纜同軸電纜 寬帶寬帶（射頻）同軸電纜：同軸電纜：l75，用于傳輸模擬信號l多用于有線電視（CATV）系統(tǒng)l傳輸距離可達(dá)幾十千米 基帶基帶同軸電纜同軸電纜：l50，多用于數(shù)字基帶傳輸l速率可達(dá)10Mb/sl傳輸距離幾千米有線信道單模階躍折射率光纖單模階躍折射率光纖 光纖結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：l纖芯纖芯l包層包層按折射率分類按折射率分類：l階躍型階躍型l梯度型梯度型按模式分類按模式分類：l多模光纖多模光纖l單模光纖單模光纖有線信道n光纖光纖缺點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)有線信道 光纖信道是遠(yuǎn)距離傳送光波的一種

7、手段，其長度常達(dá)光纖信道是遠(yuǎn)距離傳送光波的一種手段，其長度常達(dá)幾十公里，甚至幾百或幾千公里。在這樣長的距離上傳送幾十公里，甚至幾百或幾千公里。在這樣長的距離上傳送光信號，對光纖提出了較高的要求。這些要求中最主要的光信號，對光纖提出了較高的要求。這些要求中最主要的是低損耗和低色散。是低損耗和低色散。 低損耗是光纖能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤帷２煌ㄩL的低損耗是光纖能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤?。不同波長的光在光纖中傳輸?shù)膿p耗是不同，在波長等于光在光纖中傳輸?shù)膿p耗是不同，在波長等于1.31m與與1.55m時出現(xiàn)兩個損耗最小點(diǎn)，其損耗一般可低至?xí)r出現(xiàn)兩個損耗最小點(diǎn)，其損耗一般可低至0.2dB/km以下，所以稱這兩

8、波長為光纖的兩個窗口。以下，所以稱這兩波長為光纖的兩個窗口。 線路種類線路種類構(gòu)造構(gòu)造特征特征主要用途主要用途雙絞線雙絞線 便宜、構(gòu)造簡單，便宜、構(gòu)造簡單，傳輸頻帶寬，有漏傳輸頻帶寬，有漏話現(xiàn)象，容易混入話現(xiàn)象，容易混入雜音雜音電話用戶線電話用戶線低速低速LAN同軸電纜同軸電纜 價格稍高，傳輸價格稍高，傳輸頻帶寬，漏話感應(yīng)頻帶寬，漏話感應(yīng)少，分支、接頭容少，分支、接頭容易易CATV分配電纜分配電纜高速高速LAN光纖光纖 低損耗，頻帶寬，低損耗，頻帶寬，重量輕，直徑小，重量輕，直徑小，無感應(yīng)，無漏話無感應(yīng)，無漏話國際間主干線國際間主干線國內(nèi)城市間主國內(nèi)城市間主干線高速干線高速LAN表表 有線信道

9、的線路種類、構(gòu)造、特征和主要用途有線信道的線路種類、構(gòu)造、特征和主要用途 信道數(shù)學(xué)模型4.3 n信道模型的分類：信道模型的分類：u調(diào)制信道調(diào)制信道u編碼信道編碼信道編碼信道調(diào)制信道l有一對（或多對）輸入端和輸出端有一對（或多對）輸入端和輸出端l大多數(shù)信道都滿足線性疊加原理大多數(shù)信道都滿足線性疊加原理l對信號有固定或時變的延遲和損耗對信號有固定或時變的延遲和損耗l無信號輸入時，仍可能有輸出（無信號輸入時，仍可能有輸出（噪聲噪聲 n(t)n(t) ）疊加有疊加有噪聲噪聲的的線性時變線性時變/ /時不變時不變網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)：4.3.1 調(diào)制信道模型模型：模型：共性：共性：31調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型調(diào)制信道數(shù)學(xué)

10、模型式中式中 信道輸入端信號電壓；信道輸入端信號電壓； 信道輸出端的信號電壓；信道輸出端的信號電壓； 噪聲電壓。噪聲電壓。通常假設(shè)：通常假設(shè)：這時上式變?yōu)椋哼@時上式變?yōu)椋篺 ei(t)e0(t)ei(t)n(t)圖4-15 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio32因因k(t)k(t)隨隨t t變，故信道稱為時變信道。變，故信道稱為時變信道。n(t)n(t)是信道加性噪聲，其獨(dú)立于信號且始終存在。是信道加性噪聲，其獨(dú)立于信號且始終存在。因因k(t)k(t)與與e ei i(t)(t)相乘，故稱

11、其為相乘，故稱其為乘性干擾乘性干擾。若若k(t)k(t)隨時間作隨機(jī)快變化，故又稱信道為隨時間作隨機(jī)快變化，故又稱信道為隨參信道隨參信道。若若k(t)k(t)隨時間變化很慢或很小，則稱信道為隨時間變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道恒參信道。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號時，就沒有乘性干擾。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號時，就沒有乘性干擾。)()()()(tntetkteio結(jié)論：結(jié)論：（1 1）調(diào)制信道對信號的影響程度取決于乘性干調(diào)制信道對信號的影響程度取決于乘性干擾擾 k(t)k(t)和加性干擾和加性干擾 n(t) n(t) ，使信號的波形發(fā)生失真，使信號的波形發(fā)生失真。（2 2）分析乘性干擾的影響時，

12、可把調(diào)制信道分為兩大分析乘性干擾的影響時，可把調(diào)制信道分為兩大類：一類是恒參信道，即類：一類是恒參信道，即 k(t)k(t)隨時間緩變或不變；另隨時間緩變或不變；另一類是隨參信道，即隨時間隨機(jī)快變化。一類是隨參信道，即隨時間隨機(jī)快變化。3334恒參信道舉例：恒參信道舉例：明線、對稱電纜、同軸電纜及光纖等各種有線明線、對稱電纜、同軸電纜及光纖等各種有線信道；中長波地波傳播、衛(wèi)星中繼、光波視距傳播等部分無線信道；中長波地波傳播、衛(wèi)星中繼、光波視距傳播等部分無線信道。信道。隨參信道舉例：隨參信道舉例：短波電離層反射信道、各種散射信道（如超短短波電離層反射信道、各種散射信道（如超短波流星余跡散射、超短

13、波及微波對流層散射、超短波電離層散波流星余跡散射、超短波及微波對流層散射、超短波電離層散射）超短波超視距繞射等。射）超短波超視距繞射等。+ = 1二進(jìn)制二進(jìn)制無記憶無記憶編碼信道編碼信道模型模型可用 轉(zhuǎn)移概率來描述。+ = 1 P(0/0) P(1/1) 正確 P(1/0) P(0/1) 錯誤e(0) (1/0)(1) (0/1)PPPPPn 模型模型：4.3.2 編碼信道模型01233210接收端發(fā)送端四進(jìn)制四進(jìn)制無記憶無記憶編碼信道編碼信道恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?.4 l特點(diǎn)：傳輸特性隨時間緩變或不變。l舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道 )()()( jeHH )(H )( 1.

14、傳輸特性傳輸特性幅頻特性相頻特性線性時不變系統(tǒng)n 恒參信道 特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?2. 無失真?zhèn)鬏敓o失真?zhèn)鬏?)dj tHeK( )HKdt)(u恒參信道恒參信道 非時變線性網(wǎng)絡(luò)非時變線性網(wǎng)絡(luò) 信號通過線性系統(tǒng)信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無失真條件：的分析方法。線性系統(tǒng)中無失真條件：p振幅頻率特性：為水平直線時無失真，即要求振幅頻率特性：為水平直線時無失真，即要求振幅特性與頻率無關(guān)。振幅特性與頻率無關(guān)。p相位頻率特性：要求其為通過原點(diǎn)的直線，即相位頻率特性：要求其為通過原點(diǎn)的直線，即群時延為常數(shù)時無失真。群時延為常數(shù)時無失真。恒參信道( )HKdt)(dtdd)()(群遲延特性幅

15、頻特性相頻特性含義：信號的不同頻率含義：信號的不同頻率成分經(jīng)過信道傳輸后具成分經(jīng)過信道傳輸后具有相同的衰減。有相同的衰減。含義：信號的不同頻率成含義：信號的不同頻率成分經(jīng)過信道傳輸后具有相分經(jīng)過信道傳輸后具有相同的時延。同的時延。 若輸入信號為s(t)，則理想恒參信道的輸出:o( )()ds tK s tt( )dj tHeK恒參信道( )()dh tKtt固定的遲延固定的衰減 這種情況稱為無失真?zhèn)鬏斃硐牒銋⑿诺赖臎_激響應(yīng)：理想恒參信道的沖激響應(yīng)： dt dt )( 3. 失真失真 影響影響 措施措施恒參信道群遲延失真:( )HKu ： u ： 相頻特性典型音頻電話信道: 幅度衰減特性群遲延頻

16、率特性恒參信道(a) 插入損耗頻率特性頻率(kHz)（ms）群延遲(b) 群延遲頻率特性0相位頻率特性(用插入損耗便于測量用插入損耗便于測量) 指傳輸特性隨時間隨機(jī)快變的信道。n 隨參信道 特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憀短波電離層反射信道隨參信道l 衰減隨時間變化衰減隨時間變化l 時延隨時間變化時延隨時間變化l 多徑傳播多徑傳播多徑傳播多徑傳播 示意圖：示意圖：( )cosctAs t112211( )( )cos( )( )cos( ) ( )( )( )( )( )cos( ) coscosccncnncinciiiiir ta ttta tttattttta tta tt 3. 多徑效應(yīng)多徑

17、效應(yīng)第i條路徑接收信號振幅經(jīng)過n n條路徑條路徑傳播（各路徑有時變時變的衰落衰落和時延）時延） 多經(jīng)傳播的影響)()(ttici傳輸時延則接收信號接收信號為 設(shè)發(fā)送發(fā)送信號為幅度恒定頻率單一根據(jù)概率論中心極限定理：當(dāng)根據(jù)概率論中心極限定理：當(dāng) n 足夠大時，足夠大時，x(t)和和y(t) 趨于趨于正態(tài)正態(tài)分布。分布。 niiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()(同相 正交形式包絡(luò) 相位形式瑞利瑞利分布分布均勻均勻分布分布cos( )( )cV ttt11( )( )coscos( )sinsin ( )cos( )sinnniiciiciiccr ta tta ttX tt

18、Y tt多徑效應(yīng)包絡(luò)相位隨機(jī)緩變 的窄帶信號波形發(fā)送信號接收信號頻譜( )co(s( )cr tV ttt( )cosctAs t結(jié)論結(jié)論我們更關(guān)心的問題：多徑效應(yīng)多徑效應(yīng) 傳輸衰減均為 K 傳輸時延分別為 1和 2發(fā)射信號接收信號設(shè)兩條路徑的信道為f (t)fo(t) = K f(t - 1) + K f(t - 2 ) 信道傳輸函數(shù)fo(t) = 2 - 1相對時延差1o( )( )(1)( )jjFHKeeF則接收信號為11()o( )=( )+( )jjFKFeKFe 常數(shù)衰減因子1(1)jjeeK確定的傳輸時延因子 與信號頻率 有關(guān)的復(fù)因子( )12 cos2jHeu 信道對信號不同

19、的信道對信號不同的頻率頻率成分，將有不同的衰減。成分，將有不同的衰減。 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落如何減小如何減??？信道幅頻特性信道幅頻特性曲線的最大和最小曲線的最大和最小位置決定于兩條路位置決定于兩條路徑的相對時延差徑的相對時延差 u 多徑信道的相關(guān)帶寬：多徑信道的相關(guān)帶寬：定義為定義為相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔 ，工程經(jīng)驗公式：，工程經(jīng)驗公式： 4. 減小頻率選擇性衰落的措施f f 1/ u 應(yīng)使信號帶寬應(yīng)使信號帶寬 Bs (1/3 1/5)fu 數(shù)字信號的碼元寬度數(shù)字信號的碼元寬度: :Ts (3 5) RBmmBs f歸納n 隨參信道特性n 多徑效應(yīng)n 減小衰落的措

20、施信道噪聲4.5 1. 何謂何謂噪聲噪聲n 按噪聲 2. 噪聲類型噪聲類型人為噪聲自然噪聲 內(nèi)部噪聲 （如熱噪聲）脈沖噪聲 窄帶/單頻噪聲 起伏噪聲 （熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲）起伏噪聲n 按噪聲熱噪聲： 式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù) T 熱力學(xué)溫度（K） R 阻值（） B 帶寬（Hz）熱噪聲電壓有效值：)V(4kTRBV 歸納l代表：起伏噪聲（熱噪聲等） l性質(zhì)：高斯白噪聲l n(t) BPF 窄帶高斯噪聲0( )(W/Hz)2nnPf)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvfdffPNn)(l 平均功率：l 噪聲等效帶寬：l 功率譜：噪聲等效帶寬 Pn

21、(f)接收濾波器特性 通過通過寬度為寬度為Bn的矩形濾波器的噪聲功率的矩形濾波器的噪聲功率 = 通過實際接收濾波器的噪聲功率。通過實際接收濾波器的噪聲功率。000( )( )2()()nnnnnPf dfPffPfBdPf 物理 意義Pn (f0)信道容量4.6 指信道能夠無差錯傳輸時的最大平均信息速率式中，P(xi) 發(fā)送符號xi的概率（i=1,2,3, ,n）（1）信源發(fā)送的平均信息量（熵）niiixPxPxH12)(log)()(（2）因信道噪聲而損失的平均信息量mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(式中，P(yj) 收到y(tǒng)j的概率（j=1,2,3, ,m）； P(xi/yj) 收到y(tǒng)j后判斷發(fā)送的是xi的轉(zhuǎn)移概率4.6.1 離散信道容量（3）信息傳輸速率 R 信道每秒傳輸?shù)钠骄畔⒘縃(x) H(x/y) 是接收端得到的