c7-第4章 信道

1、 信 道信道分類(lèi)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?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(hào)通道。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。l信道的分類(lèi)：狹義信道：僅是指信號(hào)的傳輸媒質(zhì)；信道的分類(lèi)：狹義信道：僅是指信號(hào)的傳輸媒質(zhì)； 廣義信道：不僅是指?jìng)鬏斆劫|(zhì)，而且包括通廣義信道：不僅是指?jìng)鬏斆劫|(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(hào)從發(fā)送端傳送到接收端。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(lèi) 傳輸媒質(zhì)l有線信道明線、電纜、光纖明線、電纜、光纖l無(wú)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(wèn)題問(wèn)題l編碼信道研究研究編碼編碼/ /譯碼譯碼問(wèn)題問(wèn)題無(wú)線信道4.1 對(duì)流層平流層電離層10 km60 km0 kml 對(duì)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(wú)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(wú)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(dòng)衛(wèi)星）衛(wèi)星中繼（

4、靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星）u 平流層通信平流層通信無(wú)線信道u 微波中繼微波中繼 無(wú)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(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(chēng)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(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。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(lái)傳輸多路電話、電報(bào)、數(shù)據(jù)和電視。地球AB衛(wèi)星中繼信

5、道示意圖 對(duì)流層散射通信對(duì)流層散射通信地球有效散射區(qū)域有效散射區(qū)域無(wú)線信道r 散射通信散射通信 流星余跡流星余跡無(wú)線信道r 流星余跡散射流星余跡散射特性: 高度80 120 km，長(zhǎng)度15 40 km 存留時(shí)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(chǔ)、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸有線信道4.2 明線 對(duì)稱(chēng)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(duì)雙絞線組成有線信道n對(duì)稱(chēng)電纜對(duì)稱(chēng)電纜l雙絞線的傳輸距離 傳輸模擬信號(hào)：56km需放大； 傳輸數(shù)字信號(hào)：

6、23km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(hào)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(lèi)按折射率分類(lèi)：l階躍型階躍型l梯度型梯度型按模式分類(lèi)按模式分類(lèi)：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(zhǎng)度常達(dá)光纖信道是遠(yuǎn)距離傳送光波的一種手段，其長(zhǎng)度常達(dá)幾十公里，甚至幾百或幾千公里。在這樣長(zhǎng)的距離上傳送幾十公里，甚至幾百或幾千公里。在這樣長(zhǎng)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。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(zhǎng)的低損耗是光纖能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤?。不同波長(zhǎng)的光在光纖中傳輸?shù)膿p耗是不同，在波長(zhǎng)等于光在光纖中傳輸?shù)膿p耗是不同，在波長(zhǎng)等于1.31m與與1.55m時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)損耗最小點(diǎn)，其損耗一般可低至?xí)r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(chēng)這兩

8、波長(zhǎng)為光纖的兩個(gè)窗口。以下，所以稱(chēng)這兩波長(zhǎng)為光纖的兩個(gè)窗口。 信道數(shù)學(xué)模型4.3 n信道模型的分類(lèi)：信道模型的分類(lèi)：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(duì)（或多對(duì)）輸入端和輸出端有一對(duì)（或多對(duì)）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(duì)信號(hào)有固定或時(shí)變的延遲和損耗對(duì)信號(hào)有固定或時(shí)變的延遲和損耗l無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，仍可能有輸出（無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，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(shí)變線性時(shí)變/ /時(shí)不變時(shí)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：30調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型式中式中

9、 信道輸入端信號(hào)電壓；信道輸入端信號(hào)電壓； 信道輸出端的信號(hào)電壓；信道輸出端的信號(hào)電壓； 噪聲電壓。噪聲電壓。通常假設(shè)：通常假設(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋哼@時(shí)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)()()()(tntetkteio31因因k(t)k(t)隨隨t t變，故信道稱(chēng)為時(shí)變信道。變，故信道稱(chēng)為時(shí)變信道。n(t)n(t)是信道加性噪聲，其獨(dú)立于信號(hào)且始終存在。是信道加性噪聲，其獨(dú)立于信號(hào)且始終存在。因因k(t)k(t)與與e ei i(t)(t)相乘，故稱(chēng)其為相乘，故

10、稱(chēng)其為乘性干擾乘性干擾。若若k(t)k(t)隨時(shí)間作隨機(jī)快變化，故又稱(chēng)信道為隨時(shí)間作隨機(jī)快變化，故又稱(chēng)信道為隨參信道隨參信道。若若k(t)k(t)隨時(shí)間變化很慢或很小，則稱(chēng)信道為隨時(shí)間變化很慢或很小，則稱(chēng)信道為恒參信道恒參信道。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，就沒(méi)有乘性干擾。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，就沒(méi)有乘性干擾。)()()()(tntetkteio結(jié)論：結(jié)論：（1 1）調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響程度取決于乘性干調(diào)制信道對(duì)信號(hào)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(hào)的波形發(fā)生失真，使信號(hào)的波形發(fā)生失真。（2 2）分析乘性干擾的影響時(shí)，可把調(diào)制信道

11、分為兩大分析乘性干擾的影響時(shí)，可把調(diào)制信道分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是恒參信道，即類(lèi)：一類(lèi)是恒參信道，即 k(t)k(t)隨時(shí)間緩變或不變；另隨時(shí)間緩變或不變；另一類(lèi)是隨參信道，即隨時(shí)間隨機(jī)快變化。一類(lèi)是隨參信道，即隨時(shí)間隨機(jī)快變化。3233恒參信道舉例：恒參信道舉例：明線、對(duì)稱(chēng)電纜、同軸電纜及光纖等各種有線明線、對(duì)稱(chēng)電纜、同軸電纜及光纖等各種有線信道；中長(zhǎng)波地波傳播、衛(wèi)星中繼、光波視距傳播等部分無(wú)線信道；中長(zhǎng)波地波傳播、衛(wèi)星中繼、光波視距傳播等部分無(wú)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、超短波及微波對(duì)流

12、層散射、超短波電離層散波流星余跡散射、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。射）超短波超視距繞射等。+ = 1二進(jìn)制二進(jìn)制無(wú)記憶無(wú)記憶編碼信道編碼信道模型模型可用 轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。+ = 1 P(0/0) P(1/1) 正確 P(1/0) P(0/1) 錯(cuò)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(wú)記憶無(wú)記憶編碼信道編碼信道恒參/隨參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.4 l特點(diǎn)：傳輸特性隨時(shí)間緩變或不變。l舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道 )()()( jeHH )(H )( 1. 傳輸特性傳輸

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

14、性含義：信號(hào)的不同頻率含義：信號(hào)的不同頻率成分經(jīng)過(guò)信道傳輸后具成分經(jīng)過(guò)信道傳輸后具有相同的衰減。有相同的衰減。含義：信號(hào)的不同頻率成含義：信號(hào)的不同頻率成分經(jīng)過(guò)信道傳輸后具有相分經(jīng)過(guò)信道傳輸后具有相同的時(shí)延。同的時(shí)延。 若輸入信號(hào)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(chēng)為無(wú)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率特性恒參信

15、道 指?jìng)鬏斕匦噪S時(shí)間隨機(jī)快變的信道。n 隨參信道 特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憀短波電離層反射信道隨參信道l 衰減隨時(shí)間變化衰減隨時(shí)間變化l 時(shí)延隨時(shí)間變化時(shí)延隨時(shí)間變化l 多徑傳播多徑傳播多徑傳播 示意圖：( )cosctAs t112211( )( )cos( )( )cos( ) ( )( )( )( )( )cos( ) coscosccncnncinciiiiir ta ttta tttattttta tta tt 3. 多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)第i條路徑接收信號(hào)振幅經(jīng)過(guò)n n條路徑條路徑傳播（各路徑有時(shí)變時(shí)變的衰落衰落和時(shí)延）時(shí)延） 多經(jīng)傳播的影響)()(ttici傳輸時(shí)延則接收信號(hào)接收信號(hào)為

16、 設(shè)發(fā)送發(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。 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 ttY tt多徑效應(yīng)包絡(luò)相位隨機(jī)緩變 的窄帶信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)接收信號(hào)頻譜( )co(s( )cr tV ttt( )cosctAs t結(jié)論結(jié)論我們更關(guān)心的問(wèn)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

17、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) = K f(t - 1) + K f(t - 2 ) 信道傳輸函數(shù)fo(t) = 2 - 1相對(duì)時(shí)延差1o( )( )(1)( )jjFHKeeF則接收信號(hào)為11()o( )=( )+( )jjFKFeKFe 常數(shù)衰減因子1(1)jjeeK確定的傳輸時(shí)延因子 與信號(hào)頻率 有關(guān)的復(fù)因子( )12 cos2jHeu 信道對(duì)信號(hào)不同的頻率成分，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?。啃诺婪l特性u(píng) 信道相關(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(yàn)公式： 4. 減小頻率選擇性衰落的

18、措施f f 1/ u 應(yīng)使信號(hào)帶寬 Bs (1/3 1/5)fu 數(shù)字信號(hào)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 減小衰落的措施信道噪聲4.5 1. 何謂何謂噪聲噪聲n 按噪聲 2. 噪聲類(lèi)型噪聲類(lèi)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

19、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(f)接收濾波器特性 通過(guò)通過(guò)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(guò)實(shí)際接收濾波器的噪聲功率。通過(guò)實(shí)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(wú)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）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) 是接收端得到的平均信息量( )-( / ) (b/s)rRH xH x y r 信道每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)為（符號(hào)速率）最大信息傳輸速率：對(duì)一切可能的信源概率分布，求R的最大值：t( )( )max max ( )( / )(b/s)P