第4章 信道課件

1通信原理第4章信道2第4章信道信道分類：無線信道－電磁波（含光波）有線信道－電線、光纖信道中的干擾：有源干擾－噪聲無源干擾－傳輸特性不良本章重點(diǎn)：

介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對于信號傳輸?shù)挠绊憽?第4章信道4.1無線信道無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制地球大氣層的結(jié)構(gòu)對流層：地面上0~10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km地面對流層平流層電離層10km60km0km4電離層對于傳播的影響反射散射大氣層對于傳播的影響散射吸收頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5g/m3）的衰減頻率(GHz)(b)降雨的衰減衰減(dB/km)衰減(dB/km)水蒸氣氧氣降雨率圖4-6大氣衰減第4章信道5傳播路徑地面圖4-1地波傳播地面信號傳播路徑圖4-2天波傳播第4章信道電磁波的分類：地波頻率<2MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千千米天波頻率：2~30MHz特點(diǎn)：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區(qū)：6視線傳播：頻率>30MHz距離:和天線高度有關(guān)

(4.1-3)

式中，D–收發(fā)天線間距離(km)。[例]若要求D=50km，則由式(4.1-3)增大視線傳播距離的其他途徑中繼通信：衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星平流層通信：ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr圖4-3視線傳播圖4-4無線電中繼第4章信道m(xù)7第4章信道4.2有線信道明線8第4章信道對稱電纜：由許多對雙絞線組成同軸電纜圖4-9雙絞線導(dǎo)體絕緣層導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)圖4-10同軸線9第4章信道光纖結(jié)構(gòu)纖芯包層按折射率分類階躍型梯度型按模式分類多模光纖單模光纖折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2單模階躍折射率光纖圖4-11光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)10損耗與波長關(guān)系損耗最小點(diǎn)：1.31與1.55m第4章信道0.7

0.9

1.11.31.5

1.7光波波長（m）1.55m1.31m圖4-12光纖損耗與波長的關(guān)系11第4章信道4.3信道的數(shù)學(xué)模型信道模型的分類：調(diào)制信道編碼信道編碼信道調(diào)制信道<-模擬信道<-數(shù)字信道12第4章信道4.3.1調(diào)制信道模型式中 －信道輸入端信號電壓； －信道輸出端的信號電壓； －噪聲電壓。通常假設(shè)：這時上式變?yōu)椋? －信道數(shù)學(xué)模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖4-13調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型13第4章信道因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。因k(t)與ei(t)相乘，故稱其為乘性干擾。因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道。若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號時，沒有乘性干擾。14第4章信道4.3.2編碼信道模型

二進(jìn)制編碼信道簡單模型－無記憶信道模型P(0/0)和P(1/1)－正確轉(zhuǎn)移概率P(1/0)和P(0/1)－錯誤轉(zhuǎn)移概率P(0/0)=1–P(1/0)P(1/1)=1–P(0/1)

P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)圖4-13二進(jìn)制編碼信道模型發(fā)送端接收端15第4章信道四進(jìn)制編碼信道模型01233210接收端發(fā)送端16第4章信道4.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺赖挠绊懞銋⑿诺琅e例：各種有線信道、衛(wèi)星信道…恒參信道非時變線性網(wǎng)絡(luò)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：振幅～頻率特性：為水平直線時無失真

左圖為典型電話信道特性

用插入損耗便于測量(a)插入損耗～頻率特性17第4章信道相位～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 群時延定義：頻率(kHz)（ms）群延遲(b)群延遲～頻率特性0相位～頻率特性18第4章信道頻率失真：振幅～頻率特性不良引起的頻率失真波形畸變碼間串?dāng)_解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償相位失真：相位～頻率特性不良引起的對語音影響不大，對數(shù)字信號影響大解決辦法：同上非線性失真：可能存在于恒參信道中定義：輸入電壓～輸出電壓關(guān)系是非線性的。其他失真： 頻率偏移、相位抖動…非線性關(guān)系直線關(guān)系圖4-16非線性特性輸入電壓輸出電壓19第4章信道變參信道的影響變參信道：又稱時變信道，信道參數(shù)隨時間而變。變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播…變參信道的特性：衰減隨時間變化時延隨時間變化多徑效應(yīng)：信號經(jīng)過幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。下面重點(diǎn)分析多徑效應(yīng)20第4章信道多徑效應(yīng)分析： 設(shè)發(fā)射信號為 接收信號為

(4.4-1)

式中 －由第i條路徑到達(dá)的接收信號振幅； －由第i條路徑達(dá)到的信號的時延； 上式中的 都是隨機(jī)變化的。21第4章信道

應(yīng)用三角公式可以將式(4.4-1)

改寫成：

(4.4-2)

上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機(jī)變化的。式中 －接收信號的包絡(luò) －接收信號的相位緩慢隨機(jī)變化振幅緩慢隨機(jī)變化振幅22第4章信道所以，接收信號可以看作是一個包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號：結(jié)論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時，接收信號因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號。 這種包絡(luò)起伏稱為快衰落－衰落周期和碼元周期可以相比。

另外一種衰落：慢衰落－由傳播條件引起的。

23第4章信道

多徑傳輸?shù)暮蠊请姶挪ㄔ诳臻g的疊加，將出現(xiàn)信號強(qiáng)弱起伏。其最大和最小值位置決定于兩條路徑的相對時延差。而是隨時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強(qiáng)度隨時間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關(guān)，故常稱其為頻率選擇性衰落。

圖4-18多徑效應(yīng)24圖4-18多徑效應(yīng)第4章信道設(shè)m

－多徑中最大的相對時延差定義：相關(guān)帶寬＝1/m多徑效應(yīng)的影響： 多徑效應(yīng)會使數(shù)字信號的碼間串?dāng)_增大。為了減小碼間串?dāng)_的影響，通常要降低碼元傳輸速率。因?yàn)椋舸a元速率降低，則信號帶寬也將隨之減小，多徑效應(yīng)的影響也隨之減輕。25第4章信道4.5信道中的噪聲噪聲信道中存在的不需要的電信號。又稱加性干擾。按噪聲來源分類人為噪聲－例：開關(guān)火花、電臺輻射自然噪聲－例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲26第4章信道熱噪聲來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動。頻率范圍：均勻分布在大約0～1012Hz。熱噪聲電壓有效值： 式中

k=1.3810-23（J/K）－波茲曼常數(shù)；

T

－熱力學(xué)溫度（oK）；

R

－阻值（）；

B

－帶寬（Hz）。性質(zhì)：高斯白噪聲27第4章信道按噪聲性質(zhì)分類脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時間比間隔時間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。窄帶噪聲：來自相鄰電臺或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的。可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。 討論噪聲對于通信系統(tǒng)的影響時，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。28第4章信道窄帶高斯噪聲帶限白噪聲：經(jīng)過接收機(jī)帶通濾波器過濾的熱噪聲窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率： 式中Pn(f)－雙邊噪聲功率譜密度29第4章信道4.6信道容量第一章介紹了：信息量—對信源的一種度量，單位bit信息速率—單位時間的信息量本章討論：信道容量－指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省?/p>

4.6.1離散信道容量兩種不同的度量單位：C－每個符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾礐t

－單位時間內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祪烧咧g可以互換30第4章信道

4.6.2連續(xù)信道容量可以證明式中S

－信號平均功率（W）；

N

－噪聲功率（W）；

B

－帶寬（Hz）。設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則N=n0B； 故上式可以改寫成：由上式可見，傳輸數(shù)字信號時，連續(xù)信道的容量Ct和信道帶寬B、信號功率S及噪聲功率譜密度n0三個因素有關(guān)。傳輸模擬信號，只有信噪比的分析。31第4章信道

當(dāng)S

，或n0

0時，Ct

。 但是，當(dāng)B

時，Ct將趨向何值？令：x=S/n0B，上式可以改寫為：利用關(guān)系式上式變?yōu)?2第4章信道

上式表明，當(dāng)給定S/n0時，若帶寬B趨于無窮大，信道容量不會趨于無限大，而只是S/n0的1.44倍。這是因?yàn)楫?dāng)帶寬B增大時，噪聲功率也隨之增大。

Ct和帶寬B的關(guān)系曲線：圖4-24信道容量和帶寬關(guān)系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)33第4章信道上式還可以改寫成如下形式：式中 Eb

－每比特能量；

Tb=1/B

－每比特持續(xù)時間。 上式表明，為了得到給定的信道容量Ct，可以增大帶寬B以換取Eb的減??；另一方面，在接收功率受限的情況下，由于Eb=STb，可以增大Tb以減小S來保持Eb和Ct不變。34第4章信道【例4.6.2】已知黑白電視圖像信號每幀有30萬個像素；每個像素有8個亮度電平；各電平獨(dú)立地以等概率出現(xiàn)；圖像每秒發(fā)送25幀。若要求接收圖像信噪比達(dá)到30dB，試求所需傳輸帶寬。

【解】因?yàn)槊總€像素獨(dú)立地以等概率取8個亮度電平，故每個像素的信息量為

Ip=-log2(1/8)=3 (b/pix) (4.6-18)并且每幀圖像的信息量為

IF=300,0003=900,0