通信原理(樊昌信)第4章 信道

信道第4章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?/p>

本章內(nèi)容:

第4章信道

信道的定義：信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。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)，而且包括通信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置。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)有線信道——明線、電纜、光纖無線信道——自由空間或大氣層狹義信道：廣義信道：

調(diào)制信道——研究調(diào)制/解調(diào)問題編碼信道——研究編碼/譯碼問題無線信道§4.1對流層平流層電離層10km60km0km對流層：約

0~10km平流層：約10~60km電離層：約60~400

km地球大氣層的結(jié)構(gòu)：地波ground-wave頻率：<2MHz特性：有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千米用于：AM廣播傳播路徑

地波傳播方式傳播路徑天波傳播方式無線信道電磁波的傳播方式：天波sky-wave頻率：2~30MHz特性：被電離層反射距離：<4000km（一跳）用于：遠(yuǎn)程、短波通信電離層有D、E、F1、F2層。在白天，由于太陽輻射強(qiáng)，所以D、E、F1和F2四層都存在。但由于D、E層電子密度小，不能形成反射條件，所以短波電波不會(huì)被反射。D、E層對電波傳輸?shù)挠绊懼饕俏针姴ǎ闺姴芰繐p耗。在夜晚，由于太陽輻射減弱，D層幾乎完全消失。F1、F2合為一層即F層，而高頻信號主要是依靠F層反射，其高度為250~400km，所以一次反射的最大距離約為4000km。如果通過兩次反射，那么通信距離可達(dá)8000km。電磁波不能到達(dá)的其他區(qū)域稱為寂靜區(qū)。ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑Drr視線傳播方式

頻率：>30MHz特性：直線傳播、穿透電離層用途：衛(wèi)星和外太空通信超短波及微波通信距離：與天線高度有關(guān)

視線傳播line-of-sight無線信道D

為收發(fā)天線間距離(km)

設(shè)收發(fā)天線的架設(shè)高度均為40m，則最遠(yuǎn)通信距離為：

D=44.7km例如微波中繼（微波接力）衛(wèi)星中繼（靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星）平流層通信無線信道微波中繼無線信道衛(wèi)星中繼地面站地面站地球衛(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。若衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面作圓周運(yùn)動(dòng)，離地面高度為35786km時(shí)，繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間恰為24小時(shí)，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)。若以靜止衛(wèi)星作為中繼站，采用三個(gè)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。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(bào)、數(shù)據(jù)和電視。衛(wèi)星中繼信道示意圖對流層散射通信地球有效散射區(qū)域無線信道散射通信流星余跡無線信道流星余跡散射特性:

高度80~120km，長度15~40km

存留時(shí)間：小于1秒至幾分鐘頻率:

30~100MHz距離:

1000km以上用途:低速存儲(chǔ)、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對稱電纜雙絞線的傳輸距離傳輸模擬信號：5~6km需放大；傳輸數(shù)字信號：2~3km需轉(zhuǎn)發(fā)；遠(yuǎn)程中速時(shí)，最大距離15km；用于局域網(wǎng)時(shí)，最大距離100m。有線信道同軸電纜

寬帶（射頻）同軸電纜：75Ω，用于傳輸模擬信號多用于有線電視（CATV）系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)幾十千米

基帶同軸電纜：50Ω，多用于數(shù)字基帶傳輸速率可達(dá)10Mb/s傳輸距離<幾千米有線信道單模階躍折射率光纖

光纖結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)：纖芯包層按折射率分類：階躍型梯度型按模式分類：多模光纖單模光纖有線信道光纖缺點(diǎn)應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)有線信道光纖信道是遠(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。低損耗是光纖能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤帷２煌ㄩL的光在光纖中傳輸?shù)膿p耗是不同，在波長等于1.31μm與1.55μm時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)損耗最小點(diǎn)，其損耗一般可低至0.2dB/km以下，所以稱這兩波長為光纖的兩個(gè)窗口。線路種類構(gòu)造特征主要用途雙絞線

便宜、構(gòu)造簡單，傳輸頻帶寬，有漏話現(xiàn)象，容易混入雜音電話用戶線低速LAN同軸電纜

價(jià)格稍高，傳輸頻帶寬，漏話感應(yīng)少，分支、接頭容易CATV分配電纜高速LAN光纖

低損耗，頻帶寬，重量輕，直徑小，無感應(yīng)，無漏話國際間主干線國內(nèi)城市間主干線高速LAN表

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)制信道有一對（或多對）輸入端和輸出端大多數(shù)信道都滿足線性疊加原理對信號有固定或時(shí)變的延遲和損耗無信號輸入時(shí)，仍可能有輸出（噪聲n(t)

）疊加有噪聲的線性時(shí)變/時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)：§4.3.1調(diào)制信道模型模型：共性：31調(diào)制信道數(shù)學(xué)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(shí)上式變?yōu)椋?/p>

f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖4-15調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型32因k(t)隨t變，故信道稱為時(shí)變信道。n(t)是信道加性噪聲，其獨(dú)立于信號且始終存在。因k(t)與ei(t)相乘，故稱其為乘性干擾。若k(t)隨時(shí)間作隨機(jī)快變化，故又稱信道為隨參信道。若k(t)隨時(shí)間變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號時(shí)，就沒有乘性干擾。結(jié)論：（1）調(diào)制信道對信號的影響程度取決于乘性干擾k(t)和加性干擾n(t)，使信號的波形發(fā)生失真。（2）分析乘性干擾的影響時(shí)，可把調(diào)制信道分為兩大類：一類是恒參信道，即k(t)隨時(shí)間緩變或不變；另一類是隨參信道，即隨時(shí)間隨機(jī)快變化。3334恒參信道舉例：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。隨參信道舉例：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。+=1二進(jìn)制無記憶編碼信道模型可用轉(zhuǎn)移概率來描述。+=1P(0/0)

P(1/1)

正確P(1/0)

P(0/1)

錯(cuò)誤

模型：§4.3.2編碼信道模型01233210接收端發(fā)送端四進(jìn)制無記憶編碼信道恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊憽?.4特點(diǎn)：傳輸特性隨時(shí)間緩變或不變。舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道…

1.

傳輸特性幅頻特性相頻特性線性時(shí)不變系統(tǒng)

恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

2.無失真?zhèn)鬏敽銋⑿诺婪菚r(shí)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(shí)無失真，即要求振幅特性與頻率無關(guān)。相位～頻率特性：要求其為通過原點(diǎn)的直線，即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無失真。恒參信道群遲延特性幅頻特性相頻特性含義：信號的不同頻率成分經(jīng)過信道傳輸后具有相同的衰減。含義：信號的不同頻率成分經(jīng)過信道傳輸后具有相同的時(shí)延。

若輸入信號為s(t)，則理想恒參信道的輸出:恒參信道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)：

3.失真影響措施恒參信道群遲延失真:

幅頻失真：

相頻失真：相頻特性典型音頻電話信道:

幅度衰減特性群遲延頻率特性恒參信道(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)指傳輸特性隨時(shí)間隨機(jī)快變的信道。隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懚滩婋x層反射信道隨參信道

衰減隨時(shí)間變化時(shí)延隨時(shí)間變化

多徑傳播多徑傳播示意圖：

3.多徑效應(yīng)第i條路徑接收信號振幅經(jīng)過n條路徑傳播（各路徑有時(shí)變的衰落和時(shí)延）

—

多經(jīng)傳播的影響傳輸時(shí)延則接收信號為

設(shè)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)n足夠大時(shí)，x(t)和y(t)趨于正態(tài)分布。

同相~正交形式包絡(luò)~相位形式瑞利分布均勻分布多徑效應(yīng)包絡(luò)相位隨機(jī)緩變

的窄帶信號西安電子科技大學(xué)通院波形發(fā)送信號接收信號頻譜結(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(shí)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)=Kf(t-1)+

Kf(t-2

)信道傳輸函數(shù)fo(t)

=2-1相對時(shí)延差則接收信號為常數(shù)衰減因子確定的傳輸時(shí)延因子與信號頻率有關(guān)的復(fù)因子信道對信號不同的頻率成分，將有不同的衰減?！l率選擇性衰落如何減小？信道幅頻特性曲線的最大和最小位置決定于兩條路徑的相對時(shí)延差多徑信道的相關(guān)帶寬：定義為相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔

，工程經(jīng)驗(yàn)公式：

4.減小頻率選擇性衰落的措施△f

△f

＝1/應(yīng)使信號帶寬Bs

＝(1/3~1/5)△f數(shù)字信號的碼元寬度:Ts

＝(3~5)→RB↓mmBs

<△f歸納

隨參信道特性

多徑效應(yīng)

減小衰落的措施信道噪聲§4.51.何謂噪聲

按噪聲來源

2.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

按噪聲性質(zhì)熱噪聲：

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）熱噪聲電壓有效值：歸納信道加性噪聲n(t):代表：起伏噪聲（熱噪聲等）

性質(zhì)：高斯白噪聲

n(t)?BPF?窄帶高斯噪聲平均功率：噪聲等效帶寬：功率譜：噪聲等效帶寬

Pn(f)接收濾波器特性通過寬度為Bn的矩形濾波器的噪聲功率

=通過實(shí)際接收濾波器的噪聲功率。

物理

意義窄帶高斯噪聲:Pn(f0)信道容量§4.6——指信道能夠無差錯(cuò)傳輸時(shí)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）（2）因信道噪聲而損失的平均信息量式中，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縖H(x)–H(x/y)]

?是接收端得到的平均信息