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(duì)信號(hào)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(hào)通道。信道的分類：狹義信道：僅是指信號(hào)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(hào)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(duì)流層平流層電離層10km60km0km對(duì)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(duì)電波傳輸?shù)挠绊懼饕俏针姴?，使電波能量損耗。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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)雙絞線組成有線信道對(duì)稱電纜雙絞線的傳輸距離傳輸模擬信號(hào)：5~6km需放大；傳輸數(shù)字信號(hào)：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(hào)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(hào)，對(duì)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?。不同波長的光在光纖中傳輸?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(duì)（或多對(duì)）輸入端和輸出端大多數(shù)信道都滿足線性疊加原理對(duì)信號(hào)有固定或時(shí)變的延遲和損耗無信號(hào)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(hào)電壓； －信道輸出端的信號(hào)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(hào)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(hào)時(shí)，就沒有乘性干擾。結(jié)論：（1）調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響程度取決于乘性干擾k(t)和加性干擾n(t)，使信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)信號(hào)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(duì)信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)信號(hào)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(hào)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(hào)為

設(shè)發(fā)送信號(hào)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(hào)西安電子科技大學(xué)通院波形發(fā)送信號(hào)接收信號(hào)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(hào)接收信號(hào)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(duì)時(shí)延差則接收信號(hào)為常數(shù)衰減因子確定的傳輸時(shí)延因子與信號(hào)頻率有關(guān)的復(fù)因子信道對(duì)信號(hào)不同的頻率成分，將有不同的衰減?！l率選擇性衰落如何減?。啃诺婪l特性曲線的最大和最小位置決定于兩條路徑的相對(duì)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(hào)帶寬Bs

＝(1/3~1/5)△f數(shù)字信號(hào)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(hào)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