1、1第第4章章 信信 道道主要內容主要內容4.0 概述概述4.1 無線信道無線信道4.2 有線信道有線信道4.3 信道的數學模型信道的數學模型4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響4.5 信道中的噪聲信道中的噪聲4.6 信道容量信道容量2學習目標學習目標信道的定義、分類和模型；信道的定義、分類和模型；恒參信道的特性及其對信號傳輸的影響；恒參信道的特性及其對信號傳輸的影響；隨參信道的特性及其對信號傳輸的影響；隨參信道的特性及其對信號傳輸的影響；信道噪聲的統計特性；信道噪聲的統計特性；信道容量和香農公式。信道容量和香農公式。3l信道分類：信道分類：u狹義信道狹義信道：各種物理傳輸媒

2、質，可分為：各種物理傳輸媒質，可分為有線信道和無線有線信道和無線信道信道。u廣義信道廣義信道：把信道范圍擴大（除傳輸媒質處，還包括饋：把信道范圍擴大（除傳輸媒質處，還包括饋線與天線、放大器、調制解調器等裝置）后所定義的信線與天線、放大器、調制解調器等裝置）后所定義的信道。目的是為了方便研究通信系統的一些基本問題，可道。目的是為了方便研究通信系統的一些基本問題，可分為：分為：調制信道和編碼信道調制信道和編碼信道。 信道是以信道是以傳輸媒質傳輸媒質為基礎的通道。信道連接發送端和接收端的為基礎的通道。信道連接發送端和接收端的通信設備，其功能是將信號從發送端傳送到接收端。通信設備，其功能是將信號從發送

3、端傳送到接收端。4.0 信道分類信道分類信道參數：信道參數：信道帶寬、容量、衰減、延遲、噪聲信道帶寬、容量、衰減、延遲、噪聲4調制信道調制信道編碼信道編碼信道發轉換器發轉換器媒質媒質收轉換器收轉換器解調器解調器譯碼器譯碼器編碼器編碼器調制器調制器輸入輸入廣義廣義狹義狹義廣義信道中必定包含傳輸廣義信道中必定包含傳輸媒介（媒介（狹義信道狹義信道），無論），無論何種廣義信道，其通信質何種廣義信道，其通信質量在很大程度上依賴于量在很大程度上依賴于傳傳輸媒介輸媒介的特性的特性4.0 信道分類信道分類5有線信道和無線信道有線信道和無線信道u有線信道有線信道 ：明線、對稱電纜，同軸電纜、光纖、波導等；：明線

4、、對稱電纜，同軸電纜、光纖、波導等；u無線信道無線信道 ：指可用來傳輸電磁波（包括光波）的自由空間：指可用來傳輸電磁波（包括光波）的自由空間或大氣或大氣,地波、天波、視距、散射地波、天波、視距、散射 4.0 信道分類信道分類6調制信道和編碼信道調制信道和編碼信道u調制信道調制信道：用來研究：用來研究調制與解調調制與解調問題，其范圍從調制器問題，其范圍從調制器輸出端至解調器輸入端；輸出端至解調器輸入端；u編碼信道：編碼信道：用來研究用來研究編碼與譯碼編碼與譯碼問題，其范圍從編碼器問題，其范圍從編碼器輸出端到解碼器輸入端。輸出端到解碼器輸入端。編碼器輸入調制器發轉換器媒質收轉換器解調器譯碼器輸出編

5、碼信道調制信道調制信道不包調制信道不包括調制器和解括調制器和解調器調器調制信道中傳調制信道中傳輸的是已調信輸的是已調信號，已調信號號，已調信號可以是模擬的，可以是模擬的，也可以是數字也可以是數字的的編碼信道中傳輸的編碼信道中傳輸的是編碼后的數字信是編碼后的數字信號，常把編碼信道號，常把編碼信道稱之為離散信道或稱之為離散信道或數字信道數字信道編碼信道除了包含調制編碼信道除了包含調制信道外，還可能包含調信道外，還可能包含調制器和編碼器，所以，制器和編碼器，所以，調制信道的特性會影響調制信道的特性會影響編碼信道的通信質量。編碼信道的通信質量。 4.0 信道分類信道分類7 恒參信道和隨參信道恒參信道和

6、隨參信道 根據信道特性參數隨時間變化的速度來分根據信道特性參數隨時間變化的速度來分u恒參信道：恒參信道：信道特性參數隨時間緩慢變化或不變化信道特性參數隨時間緩慢變化或不變化。它對傳。它對傳輸信號的衰耗和延時基本上是常數（明線、對稱電纜、同軸輸信號的衰耗和延時基本上是常數（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、衛星中繼、電纜及光纖等各種有線信道；中長波地波傳播、衛星中繼、光波視距傳播等部分無線信道）。光波視距傳播等部分無線信道）。u隨參信道：信道參數隨時間變化，也稱為隨參信道：信道參數隨時間變化，也稱為變參或時變信道變參或時變信道。隨參信道中還存在隨參信道中還存在多徑效應

7、多徑效應。由于每條路徑的信號有不同的。由于每條路徑的信號有不同的延時和衰落，更糟糕的是，這些延時和衰落還隨時間變化，延時和衰落，更糟糕的是，這些延時和衰落還隨時間變化，從而使得輸出信號產生衰落，所以隨參信道也稱為衰落信道。從而使得輸出信號產生衰落，所以隨參信道也稱為衰落信道。（短波電離層反射信道、各種散射信道（超短波流星余跡散（短波電離層反射信道、各種散射信道（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）波超視距繞射等）4.0 信道分類信道分類8 無記憶信道和有記憶信道無記憶信道和有記憶信道u無記憶信道

8、無記憶信道:前后碼元發生錯誤是前后碼元發生錯誤是互相獨立的互相獨立的。也就是說，一。也就是說，一個碼元的錯誤與其前后碼元是否發生錯誤無關。（信道內只個碼元的錯誤與其前后碼元是否發生錯誤無關。（信道內只存在起伏噪聲）存在起伏噪聲）u有記憶信道有記憶信道:一個碼元發生的錯誤與前后碼元一個碼元發生的錯誤與前后碼元有依賴關系有依賴關系。（信道內除了存在起伏噪聲外，還存在衰落效應）（信道內除了存在起伏噪聲外，還存在衰落效應）4.0 信道分類信道分類9調制調制信道信道無記憶無記憶 隨參隨參 ：天波、散射：天波、散射編碼編碼廣義廣義恒參恒參 ：有線、視距：有線、視距有記憶有記憶狹義狹義有線有線無線無線架空明

9、線架空明線雙絞線雙絞線同軸電纜同軸電纜光纖光纖電磁波電磁波( 地波、天波、視距、散射地波、天波、視距、散射 )4.0 信道分類信道分類10第第4章章 信信 道道主要內容主要內容4.0 概述概述4.1 無線信道無線信道4.2 有線信道有線信道4.3 信道的數學模型信道的數學模型4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響4.5 信道中的噪聲信道中的噪聲4.6 信道容量信道容量11 為了有效地發射和接收電磁波，要求天線的尺寸不小為了有效地發射和接收電磁波，要求天線的尺寸不小于電磁波波長的于電磁波波長的1/10n無線信道電磁波頻率（頻率比較高）受無線信道電磁波頻率（頻率比較高）受天線尺寸

10、天線尺寸限制限制 除了外層空間兩個飛船的無線電收發信機之間的電磁波是除了外層空間兩個飛船的無線電收發信機之間的電磁波是在在自由空間自由空間傳播外，我們所研究的無線通信的電磁波傳播總是受傳播外，我們所研究的無線通信的電磁波傳播總是受到到地面和大氣層地面和大氣層的影響的影響。n地球大氣層的結構地球大氣層的結構u對流層：地面上對流層：地面上 0 10 kmu平流層：約平流層：約10 60 kmu電離層：約電離層：約60 400 km地 面對流層平流層電離層10 km60 km0 km4.1 無線信道無線信道12根據通信距離、頻率和位置的不同，電磁波傳播可以分為：根據通信距離、頻率和位置的不同，電磁波

11、傳播可以分為：地波地波天波或稱電離層反射波天波或稱電離層反射波視線傳播視線傳播4.1 無線信道無線信道13傳播路徑地 面地波傳播：電磁波沿彎曲的地球表面傳播的傳播方式地波傳播：電磁波沿彎曲的地球表面傳播的傳播方式n低頻和甚低頻，頻率低頻和甚低頻，頻率 2 MHzn有繞射能力有繞射能力,沿彎曲的地球表面傳播沿彎曲的地球表面傳播n距離：數百或數千千米距離：數百或數千千米 4.1 無線信道無線信道14天波：利用電離層反射的傳播方式天波：利用電離層反射的傳播方式n高頻，頻率：高頻，頻率：2 30 MHzn特點：特點：被電離層反射被電離層反射 n一次反射距離：一次反射距離： 30 MHzn特點：頻率高于

12、特點：頻率高于30M的電磁波能穿透電的電磁波能穿透電離層，離層，不被反射回來不被反射回來，此外也，此外也不具有繞射能力不具有繞射能力n距離距離: 和天線高度有關和天線高度有關 D 收發天線間距離收發天線間距離(km) r地球半徑地球半徑6370km例例 若要求若要求D = 50 kmn增大視線傳播距離的其他途徑增大視線傳播距離的其他途徑u中繼通信：中繼通信：50822DrDh mm505050508222 DrDh4.1 無線信道無線信道17衛星通信：靜止衛星、移動衛星衛星通信：靜止衛星、移動衛星n 靜止衛星：靜止衛星：在距地面約在距地面約35800km的赤道平面上人造衛星圍繞地球轉動的赤道平

13、面上人造衛星圍繞地球轉動的周期和地球的自轉周期相等，從地面上看衛星好像靜止不動，稱為的周期和地球的自轉周期相等，從地面上看衛星好像靜止不動，稱為靜止衛星。靜止衛星。 三顆三顆靜止衛星作為轉發站可以覆蓋全球通信。靜止衛星作為轉發站可以覆蓋全球通信。n 移動衛星（非靜止衛星）：移動衛星（非靜止衛星）：高度比靜止衛星要低，周期也不同高度比靜止衛星要低，周期也不同n費用高、延時大費用高、延時大平流層通信：平流層通信：是指利用是指利用平流層平流層的高空平臺代替衛星作為基站，高度一般為的高空平臺代替衛星作為基站，高度一般為1722km，可以使用充氦飛艇、氣球或飛機作為安置轉發站的平臺。，可以使用充氦飛艇、

14、氣球或飛機作為安置轉發站的平臺。 高度為高度為20km,可以覆蓋半徑可以覆蓋半徑500km的面積，的面積，250個，就可以覆蓋全球個，就可以覆蓋全球90%的面積。的面積。 費用低廉、延時小，建設快、容量大。費用低廉、延時小，建設快、容量大。4.1 無線信道無線信道18大氣層對于傳播的影響大氣層對于傳播的影響n散射散射n吸收吸收 1GHz以上的電磁波的傳播衰減比較大，隨著頻率的增高，以上的電磁波的傳播衰減比較大，隨著頻率的增高，衰減越嚴重衰減越嚴重4.1 無線信道無線信道19 散射是由于傳播媒體的不均勻性，使電磁波的傳播產生向許散射是由于傳播媒體的不均勻性，使電磁波的傳播產生向許多方向折射的現象

15、。散射現象具有強的方向性，散射的能量主要多方向折射的現象。散射現象具有強的方向性，散射的能量主要集中于前方，故常稱之為集中于前方，故常稱之為前向散射前向散射。 有有電離層散射電離層散射、對流層散射對流層散射和和流星余跡散射流星余跡散射三種。三種。電離層散射電離層散射 發生在發生在30MHz60MHz的電磁波上，散射信號的強度與的電磁波上，散射信號的強度與30MHz以下的電離層反射信號的強度相比，要小的多，但是仍然以下的電離層反射信號的強度相比，要小的多，但是仍然可以用于通信。可以用于通信。4.1 無線信道無線信道20地球有效散射區域對流層散射：對流層散射：是由于對流層中的大氣不均與性產生的。是

16、由于對流層中的大氣不均與性產生的。 對流層中大氣湍流運動產生不均勻性，引起電磁波的散射，對流層中大氣湍流運動產生不均勻性，引起電磁波的散射，可提供可提供 12 240 頻分復用話路。頻分復用話路。信號頻率范圍為：信號頻率范圍為：100 MHz 4000 MHz傳播距離約傳播距離約 100 600 km，通信距離最大約為通信距離最大約為 600 km4.1 無線信道無線信道21 流星余跡散射：流星余跡散射：由于流星經過大氣層時產生的很強的電離余跡由于流星經過大氣層時產生的很強的電離余跡使電磁波散射的現象。使電磁波散射的現象。流星余跡特點流星余跡特點 高度高度80 120 km，長度，長度15 4

17、0 km, 存留時間：小存留時間：小 于于1秒至幾分鐘秒至幾分鐘頻率頻率 30 100 MHz距離距離 1000 km以上以上特點特點 低速存儲、高速突發、斷續傳輸低速存儲、高速突發、斷續傳輸流星余跡4.1 無線信道無線信道22第第4章章 信信 道道主要內容主要內容4.0 概述概述4.1 無線信道無線信道4.2 有線信道有線信道4.3 信道的數學模型信道的數學模型4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響4.5 信道中的噪聲信道中的噪聲4.6 信道容量信道容量231 明線明線4.2 有線信道有線信道24 2 對稱電纜：對稱電纜：由許多對雙絞線組成，根據物理結構的不同，由許多對雙絞

18、線組成，根據物理結構的不同，雙絞線又分為兩種：雙絞線又分為兩種：非屏蔽雙絞線（簡稱非屏蔽雙絞線（簡稱UTP）和和屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線（簡稱（簡稱STP）。4.2 有線信道有線信道非屏蔽雙絞線（非屏蔽雙絞線（UTP）屏蔽雙絞線（屏蔽雙絞線（STP）25l3 同軸電纜同軸電纜:由對地不對稱的同軸管構成。由對地不對稱的同軸管構成。內層導體內層導體外層導體外層導體絕絕 緣緣 體體包包 層層v分類：分類：50同軸電纜：適于傳輸基帶數字信號，常用于計算同軸電纜：適于傳輸基帶數字信號，常用于計算 機局域網或電話系統的遠程傳輸；機局域網或電話系統的遠程傳輸；75同軸電纜：又稱寬帶同軸電纜主要用于模擬傳輸同軸電

19、纜：又稱寬帶同軸電纜主要用于模擬傳輸 系統，是系統，是CATV的標準傳輸電纜。的標準傳輸電纜。4.2 有線信道有線信道26線路類型線路類型 通話路數通話路數 頻率范圍頻率范圍（kHz） 增音段長度增音段長度 ( km ) 架空明線架空明線 1+30.32.7300架空明線架空明線1+3+120.315080120對稱電纜對稱電纜241210835對稱電纜對稱電纜 60122521218小同軸電纜小同軸電纜 3006013008小同軸電纜小同軸電纜 960 6041004中同軸電纜中同軸電纜180030090006中同軸電纜中同軸電纜2700300120004.5中同軸電纜中同軸電纜10800

20、30060000 1.5 4.2 有線信道有線信道27l4 光纖：光纖： 物理結構和同軸電纜相似，但是沒有網狀屏蔽層。物理結構和同軸電纜相似，但是沒有網狀屏蔽層。中心是玻璃芯，稱為中心是玻璃芯，稱為纖芯纖芯，芯外面包圍著一層折射率比芯低，芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套，稱為的玻璃封套，稱為包層包層。再外面是一層薄的塑料外套，用來。再外面是一層薄的塑料外套，用來保護玻璃封套保護玻璃封套4.2 有線信道有線信道折射角折射角入射角入射角 包層包層（低折射率的媒體）（低折射率的媒體） 包層包層（低折射率的媒體）（低折射率的媒體） 纖芯纖芯（高折射率的媒體）（高折射率的媒體） 包層包層纖芯纖芯2

21、8n1n2 (1) (1)階躍光纖階躍光纖。纖芯直徑纖芯直徑5060m，光線以折射形狀沿纖芯，光線以折射形狀沿纖芯軸線方向傳播，存在多條路徑，并有較大的時延差，因而信號畸軸線方向傳播，存在多條路徑，并有較大的時延差，因而信號畸變大。最早的多模光纖屬此類。變大。最早的多模光纖屬此類。4.2 有線信道有線信道n按折射率分類：按折射率分類：階躍型和梯度型階躍型和梯度型29n2n(r) (2) (2)漸變光纖漸變光纖( (梯度光纖）。梯度光纖）。纖芯直徑纖芯直徑50m，光線以曲線形，光線以曲線形狀沿纖芯軸線方向傳播，各條路徑時延差較小，因而信號畸變較小。狀沿纖芯軸線方向傳播，各條路徑時延差較小，因而信

22、號畸變較小。纖芯的折射率分布近似為拋物線型，又稱梯度光纖。目前，多模光纖芯的折射率分布近似為拋物線型，又稱梯度光纖。目前，多模光纖均為此類。纖均為此類。4.2 有線信道有線信道30n按模式分類：按模式分類：多模光纖多模光纖和和單模光纖單模光纖4.2 有線信道有線信道高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射輸入脈沖輸出脈沖單模光纖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖多模光纖31 單模光纖單模光纖：纖芯很細，直徑約：纖芯很細，直徑約10m，光線以直線形狀沿纖，光線以直線形狀沿纖芯軸線方向傳播，只有一種傳播模式，信號畸變很小。單模光纖芯軸線方向傳播，只有一種傳播模式，信號畸變

23、很小。單模光纖的帶寬可以達到的帶寬可以達到1Tbit/sn1n24.2 有線信道有線信道32衰減衰減衰減衰減輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號時間時間時間時間色散色散脈沖展寬脈沖展寬失真失真頻率頻率非線性非線性新頻率新頻率光光纖纖對對信信號號的的損損傷傷從對信號的損傷來看，主要局限是從對信號的損傷來看，主要局限是損耗（衰減）、色散和非線性失真損耗（衰減）、色散和非線性失真4.2 有線信道有線信道33（1 1）光纖的損耗）光纖的損耗 由由材料吸收和雜質散射材料吸收和雜質散射等因素引起，損耗特性與光的工作波長有等因素引起，損耗特性與光的工作波長有關，在關，在三個工作窗口有相對小三個工作窗口有相對小的

24、損耗的損耗: : 第一窗口光工作波長第一窗口光工作波長0.85m,損耗稍大損耗稍大 第二窗口光工作波長第二窗口光工作波長1.31m,損耗中等損耗中等 第三窗口光工作波長第三窗口光工作波長1.55m,損耗最小損耗最小4.2 有線信道有線信道34（2 2）光纖的色散）光纖的色散 材料色散：材料色散：由于材料的折射率隨頻率變化產生的由于材料的折射率隨頻率變化產生的 模式色散：模式色散：由于光纖所傳輸信號中由于光纖所傳輸信號中不同模式不同模式成分因成分因傳傳輸速度輸速度的不同而引起傳輸信號發生畸變的一種物理現象。的不同而引起傳輸信號發生畸變的一種物理現象。 波導色散：波導色散：由于光纖所傳輸信號中由于

25、光纖所傳輸信號中不同頻率不同頻率成分因成分因傳傳輸速度輸速度的不同而引起傳輸信號發生畸變的一種物理現象的不同而引起傳輸信號發生畸變的一種物理現象。4.2 有線信道有線信道35 由于光纖所傳輸信號中由于光纖所傳輸信號中不同模式不同模式成分因成分因傳輸速度傳輸速度的不同而引的不同而引起傳輸信號發生畸變的一種物理現象。起傳輸信號發生畸變的一種物理現象。主模主模高次模高次模n1k k主模主模高次模高次模入射光脈沖波入射光脈沖波ttt主模主模高次模高次模出射光脈沖波出射光脈沖波ttt4.2 有線信道有線信道36 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8402002060總色

26、散曲線總色散曲線（常規光纖（常規光纖G.652)G.652)材料色散曲線材料色散曲線波導色散曲線波導色散曲線（ps/km.nm）G.655G.655色散曲線色散曲線G.653G.653色散曲線色散曲線單模光纖的色散譜單模光纖的色散譜 4.2 有線信道有線信道37l5 波導波導:由一個由一個中空的金屬管中空的金屬管構成，其橫截面可以是矩形、橢構成，其橫截面可以是矩形、橢圓形或圓形。圓形或圓形。n優點：在微波頻率上衰減很小。優點：在微波頻率上衰減很小。n應用場合：常用作微波發送機和微波天線之間的有效連接。應用場合：常用作微波發送機和微波天線之間的有效連接。4.2 有線信道有線信道38通信媒體比較通

27、信媒體比較4.2 有線信道有線信道39第第4章章 信信 道道主要內容主要內容4.0 概述概述4.1 無線信道無線信道4.2 有線信道有線信道4.3 信道的數學模型信道的數學模型4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響4.5 信道中的噪聲信道中的噪聲4.6 信道容量信道容量404.3 信道的數學模型信道的數學模型信道模型信道模型用來描述物理信道的用來描述物理信道的特性特性及其對及其對信號傳輸帶來的影響信號傳輸帶來的影響。編碼器輸入調制器發轉換器媒質收轉換器解調器譯碼器輸出編碼信道調制信道41 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；

28、信道加性噪聲，獨立于信號且始終存在。信道加性噪聲，獨立于信號且始終存在。假設：假設：上式變為：上式變為： 信道數學模型信道數學模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)()()(tntefteio )(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii )()()()(tntetkteio 4.3.1 調制信道模型調制信道模型調制信道調制信道一般抽象為輸出端疊加有噪聲的線性時變網絡。一般抽象為輸出端疊加有噪聲的線性時變網絡。k(t)e0(t)ei(t)n(t)信道特信道特性函數性函數42加性干擾加性干擾n(t)：是疊加在信號上的各種噪聲。：是疊加在信號上的各種噪聲。 “加性加性”的含義

29、：的含義：沒有信號輸入時，信道輸出端也有噪聲輸出，沒有信號輸入時，信道輸出端也有噪聲輸出，即噪聲是獨立于信號且始終存在的。即噪聲是獨立于信號且始終存在的。乘性干擾乘性干擾k(t) ：因因k(t)與與e i (t)相乘，是由于信道特性的不理想造成相乘，是由于信道特性的不理想造成的，它完全依賴于信道的特性。的，它完全依賴于信道的特性。 “乘性乘性”的含義：的含義：沒有輸入信號時，信道輸出端就沒有噪聲輸沒有輸入信號時，信道輸出端就沒有噪聲輸出，即乘性干擾是和信號共存在共消失的。出，即乘性干擾是和信號共存在共消失的。)()()()(tntetkteio k(t)反映了信道的特性，表示信道使信號可能產生

30、的各種失反映了信道的特性，表示信道使信號可能產生的各種失真真(包括線性失真、非線性失真、時間延遲及衰落等包括線性失真、非線性失真、時間延遲及衰落等)。 調制信道對信號的影響程度取決于乘性干擾調制信道對信號的影響程度取決于乘性干擾k(t)和加性干擾和加性干擾n(t)。4.3.1 調制信道模型調制信道模型43若若k(t)隨時間隨機隨時間隨機變化快變化快的信道，稱之為的信道，稱之為隨參信道隨參信道。若若k(t)變化變化很慢，很小或基本保持恒定的信道很慢，很小或基本保持恒定的信道，稱信道為，稱信道為恒參信道恒參信道。4.3.1 調制信道模型調制信道模型444.3.2 編碼信道模型編碼信道模型其性能用其

31、性能用轉移概率轉移概率 描述描述 誤碼率誤碼率)(ijxyp 由于編碼信道傳輸的是編碼后的數字序列由于編碼信道傳輸的是編碼后的數字序列,我們關心的是數我們關心的是數字信號經信道傳輸后的字信號經信道傳輸后的差錯情況差錯情況,即即誤碼率誤碼率,所以編碼信道的模型所以編碼信道的模型一般用數字轉移概率來描述一般用數字轉移概率來描述.454.3.2 編碼信道模型編碼信道模型二進制編碼信道簡單模型二進制編碼信道簡單模型P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)發送端發送端接收端接收端P(0 / 0)和和P(1 / 1) 正確轉移概率正確轉移概率P(1/ 0)和和P(0 / 1) 錯誤轉移概率

32、錯誤轉移概率P(0 / 0) = 1 P(1 / 0)P(1 / 1) = 1 P(0 / 1) 誤碼率誤碼率Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1) 特征：特征：離散、離散、無記憶無記憶、有擾系統有擾系統信道的轉移矩陣信道的轉移矩陣(0|0)(1|0)(0|1)(1|1)ppPpp4601233210接接收收端端發發送送端端4.3.2 編碼信道模型編碼信道模型四進制編碼信道簡單模型四進制編碼信道簡單模型(0|0)(1|0)(2|0)(3|0)(0|1)(1|1)(2|1)(3|1)(0|2)(1|2)(2|2)(3|2)(0|3)(1|3)(2|3)(3|3)ppppppppPppp

33、ppppp信道的轉移矩陣信道的轉移矩陣47第第4章章 信信 道道主要內容主要內容4.0 概述概述4.1 無線信道無線信道4.2 有線信道有線信道4.3 信道的數學模型信道的數學模型4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響4.5 信道中的噪聲信道中的噪聲4.6 信道容量信道容量48 恒參信道恒參信道 信道的特性參數隨時間變化緩慢或者不變化。信道的特性參數隨時間變化緩慢或者不變化。 它對傳輸信號的衰耗和延時基本上是它對傳輸信號的衰耗和延時基本上是常數常數。可等效為。可等效為 非時變線非時變線性網絡性網絡 ，可用，可用信號通過信號通過線性系統線性系統的分析方法的分析方法n各種有線信道

34、：明線，對稱電纜，同軸電纜，光纖各種有線信道：明線，對稱電纜，同軸電纜，光纖n部分無線信道：衛星信道，中長波地波傳播，光波視距傳播部分無線信道：衛星信道，中長波地波傳播，光波視距傳播4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-恒參信道恒參信道 49 無失真條件無失真條件: （1）振幅振幅-頻率特性頻率特性為為一條直線一條直線，即，即|H()|=K0 （常數），（常數），表示表示信號的不同頻率成分經過信道傳輸后具有相同的衰減信號的不同頻率成分經過信道傳輸后具有相同的衰減。 （2）相位相位-頻率特性頻率特性是是一條通過原點的直線一條通過原點的直線，即，即 ，或者等效的要求其或者等效的

35、要求其群延時特性群延時特性()等于常數（水平直線）：等于常數（水平直線）：信號的不同頻率成分經過信道傳輸后具有相同的遲延。信號的不同頻率成分經過信道傳輸后具有相同的遲延。1、恒參信道的傳輸特性、恒參信道的傳輸特性H( ) 可用可用幅頻特性幅頻特性|H( )| 和和相頻特性相頻特性 共同來描述。共同來描述。()( ) |( )|jHHe ()()()ddtd 常 數4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-恒參信道恒參信道 () ()dt 50理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延頻率特性頻率特性4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸

36、的影響-恒參信道恒參信道 頻率(kHz)（ms）群延遲(b) 群延遲頻率特性群延遲頻率特性插入損耗頻率特性插入損耗頻率特性典型電話信道特性典型電話信道特性512、兩種失真及其影響、兩種失真及其影響n頻率失真頻率失真：振幅頻率特性不良引起的，即振幅頻率特性不良引起的，即 表示信號中表示信號中不同頻率的分量分別受到信道不同的衰減不同頻率的分量分別受到信道不同的衰減。u模擬信號：波形失真模擬信號：波形失真信噪比下降信噪比下降u數字信號：碼間串擾數字信號：碼間串擾誤碼率增大誤碼率增大n相位失真：相位失真：相位頻率特性不良引起的，即相位頻率特性不良引起的，即 表示信號中表示信號中不同頻率的分量分別受到信

37、道不同的時延。不同頻率的分量分別受到信道不同的時延。u對語音影響不大對語音影響不大u數字信號影響大：碼間串擾數字信號影響大：碼間串擾誤碼率增大誤碼率增大線線性性失失真真)()(常數常數KH dt )( 線性失真的解決辦法：線性失真的解決辦法：線性網絡補償（幅度和相位均衡器）線性網絡補償（幅度和相位均衡器）4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-恒參信道恒參信道 52合成波合成波tt接收信號接收信號發送信號發送信號三次諧波三次諧波基波基波合成波合成波三次諧波三次諧波基波基波4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-恒參信道恒參信道 53合成波合成波tt接收信號接

38、收信號發送信號發送信號三次諧波三次諧波基波基波合成波合成波三次諧波三次諧波基波基波4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-恒參信道恒參信道 54u非線性失真：非線性失真： 信道輸入和輸出信號的振幅關系不是直線關系。信道輸入和輸出信號的振幅關系不是直線關系。 原因：電子元器件特性不理想原因：電子元器件特性不理想 后果：使信號產生新的后果：使信號產生新的諧波分量諧波分量u其他失真：其他失真：u頻率偏移：頻率偏移：是指信道輸入信號的頻譜經過信道后產生了平移。是指信道輸入信號的頻譜經過信道后產生了平移。 原因：原因：由于調制解調或頻率變換的振蕩器的由于調制解調或頻率變換的振蕩器的頻率

39、誤差頻率誤差引起的。引起的。u相位抖動：相位抖動：相位不穩定相位不穩定 原因：原因：調制解調或頻率變換的振蕩器調制解調或頻率變換的振蕩器頻率不穩定頻率不穩定引起的，引起的， 后果：后果：對信號產生附加調制。對信號產生附加調制。非線性關系直線關系輸入電壓輸出電壓4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-恒參信道恒參信道 失真無法消除！失真無法消除！55 隨參信道：隨參信道：又稱時變信道，又稱時變信道，信道參數隨時間改變而隨機變化信道參數隨時間改變而隨機變化。 天波、地波、視距傳播、散射傳播天波、地波、視距傳播、散射傳播隨參信道的特性：隨參信道的特性：n信號的傳輸衰減隨時間變化信號

40、的傳輸衰減隨時間變化n信號傳輸時延隨時間變化信號傳輸時延隨時間變化n多徑傳播多徑傳播現象，是指由發射點出發的信號經過多條路徑到達接現象，是指由發射點出發的信號經過多條路徑到達接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，接收信號將是衰減和時延隨時間變化的各條路徑信號的合成。收信號將是衰減和時延隨時間變化的各條路徑信號的合成。多徑效應多徑效應：多徑傳播對信號的影響稱為多徑效應。多徑傳播對信號的影響稱為多徑效應。4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-隨參信道隨參信道56(a)一次反射和兩次反射一次反射和兩次反射 (b

41、)反射區高度不同反射區高度不同(c)尋常波與非尋常波尋常波與非尋常波 (d)漫射現象漫射現象ABAB(a)(b)ABAB(c)(d )4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-隨參信道隨參信道57hbd2dd1hm移動通信多徑傳播示意圖移動通信多徑傳播示意圖4.4 信道特性對信號傳輸的影響信道特性對信號傳輸的影響-隨參信道隨參信道58多徑效應分析：多徑效應分析： 設發射信號為設發射信號為 ，它經過，它經過n條路徑條路徑傳播到接收端，則傳播到接收端，則接收信號為接收信號為 由第由第i條路徑到達的接收信號振幅；條路徑到達的接收信號振幅； 由第由第i條路徑達到的信號的時延；條路徑達到

42、的信號的時延； 都是都是隨機變化隨機變化的。的。tA0cos niniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()( )(ti )(ti )()(0ttii )(),(),(tttiii 多徑效應多徑效應 n 條路徑條路徑 59 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。這兩個分量的振幅都是緩慢隨機變化的。都是緩慢隨機變化的。 接收信號的包絡，接收信號的包絡，瑞利分布瑞利分布 接收信號的相位接收信號的相位 ，均勻分布均勻分布 niniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()( niniiiiitt

43、tttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()( )(cos)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc )()()(22tXtXtVsc )()(tan)(1tXtXtcs 多徑效應多徑效應60發送信號：發送信號：振幅恒定，單一頻率振幅恒定，單一頻率接收信號：包絡起伏，頻率擴展的接收信號：包絡起伏，頻率擴展的窄帶信號窄帶信號。（1）瑞利型衰落）瑞利型衰落-波形上，確知等幅度變成了包絡緩慢起伏的隨機調波形上，確知等幅度變成了包絡緩慢起伏的隨機調幅波（衰落信號）幅波（衰落信號）（2）頻率彌散（頻率擴展）頻率彌散（頻率擴展）-頻譜上，單根譜線變成了窄帶頻譜。頻譜上

44、，單根譜線變成了窄帶頻譜。 )( R 00 )(tRV (t)t多徑效應多徑效應61 衰落衰落：信號包絡因傳播有了：信號包絡因傳播有了起伏的現象起伏的現象稱之為衰落。稱之為衰落。快衰落快衰落 衰落周期和碼元周期可以相比，周期是秒或者秒以下衰落周期和碼元周期可以相比，周期是秒或者秒以下 的數量級。的數量級。是由多徑傳播引起的是由多徑傳播引起的。慢衰落慢衰落 起伏周期比較長，可能以若干小時或者若干天。起伏周期比較長，可能以若干小時或者若干天。由傳由傳 播條件引起的，季節，日夜，天氣。播條件引起的，季節，日夜，天氣。 多徑效應多徑效應62多徑效應簡化分析，多徑效應簡化分析，有兩條路徑，有兩條路徑，路

45、徑衰減相同，時延不同路徑衰減相同，時延不同； 發射信號為：發射信號為：f(t) 兩條路徑的接收信號為：兩條路徑的接收信號為：A f(t - 0) 和和 A f(t - 0 - ) 其中：其中：A 傳播衰減，傳播衰減， 0 第一條路徑的時延，第一條路徑的時延， 兩條路徑的時延差。兩條路徑的時延差。 求：此多徑信道的傳輸函數求：此多徑信道的傳輸函數H() tf0Af t tR0Af tA延遲延遲0延遲延遲 0 +A多徑效應多徑效應63多徑信道的傳輸函數為多徑信道的傳輸函數為: A 常數衰減因子，常數衰減因子， 確定的傳輸時延確定的傳輸時延0， 和信號頻率和信號頻率 有關的復因子，其模為有關的復因子

46、，其模為)()( Ftf0)()(0 jeAFtAf )(00)()( jeAFtAf)1()()()(000 jjeeAFtAftAf 00( )(1)( )(1)( )jjjjAFeeHAeeF輸出信號的頻譜函數輸入信號的頻譜函數0 je )1( je 2cos2sin)cos1(sincos1122 jej多徑效應多徑效應64模與角頻率模與角頻率 關系曲線圖關系曲線圖2cos2sin)cos1(sincos1122 jej 圖中表示此多徑信道的傳輸衰落和圖中表示此多徑信道的傳輸衰落和信號頻率及時延差信號頻率及時延差 有關。有關。曲線的最大值和最小值的位置取決于兩條路徑的相對時延差曲線的最

47、大值和最小值的位置取決于兩條路徑的相對時延差 。而。而 是隨是隨時間變化時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強度隨時間而的，所以對于給定頻率的信號，信號的強度隨時間而變，這種現象稱為變，這種現象稱為衰落衰落現象現象多徑效應多徑效應最大值最大值最小值最小值2/n (21)/n 65（3）頻率選擇性衰落）頻率選擇性衰落 多徑信道的傳輸衰減和信號頻率及時延差多徑信道的傳輸衰減和信號頻率及時延差 有關，因而導致信有關，因而導致信號（特別是寬帶信號）中某些頻率成分或其倍頻波隨機性衰落。號（特別是寬帶信號）中某些頻率成分或其倍頻波隨機性衰落。由由于這種衰落和頻率有關，故常稱其為于這種衰落和頻率有關，

48、故常稱其為頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落。 它是多徑效應中最嚴重的一種。它是多徑效應中最嚴重的一種。多徑效應多徑效應66兩條路徑信道的相關帶寬：兩條路徑信道的相關帶寬：f=1/ (Hz) 它表示信道傳輸特性相鄰兩個零點之間的頻率間隔。如果信它表示信道傳輸特性相鄰兩個零點之間的頻率間隔。如果信號的頻譜比相關帶寬寬，則將產生嚴重的頻率選擇性衰落。號的頻譜比相關帶寬寬，則將產生嚴重的頻率選擇性衰落。為了為了減小頻率選擇性衰落，就應使信號的頻譜小于相關帶寬。減小頻率選擇性衰落，就應使信號的頻譜小于相關帶寬。 實際情況：實際情況：有多條路徑。有多條路徑。 設設 m 多徑中最大的相對時延差多徑中最大的相對時

49、延差 多徑信道的相關帶寬多徑信道的相關帶寬: f1/ m(Hz) 為使信號基本不受多徑傳播的影響，要求信號的帶寬為使信號基本不受多徑傳播的影響，要求信號的帶寬B小于小于多徑信道的相關帶寬多徑信道的相關帶寬f(=1/ m）多徑效應多徑效應67 但這并不是避免頻率選擇性衰落的充分條件，因為時延但這并不是避免頻率選擇性衰落的充分條件，因為時延 m是隨機是隨機變化的，導致多徑傳輸特性的零極點也是隨機變化的，所以必須采取變化的，導致多徑傳輸特性的零極點也是隨機變化的，所以必須采取其他有效的抗快衰落措施。其他有效的抗快衰落措施。 主要有：主要有：調制解調技術、擴頻技術、功率控制技術、與交織結合調制解調技術

50、、擴頻技術、功率控制技術、與交織結合的差錯控制技術、分集接收技術等。的差錯控制技術、分集接收技術等。多徑效應多徑效應 當在多徑信道中傳輸數字信號時，特別是傳輸高速數字信號，當在多徑信道中傳輸數字信號時，特別是傳輸高速數字信號，頻頻率選擇性衰落將會引起嚴重的碼間干擾率選擇性衰落將會引起嚴重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響，。為了減小碼間干擾的影響， 就必須就必須限制數字信號傳輸速率限制數字信號傳輸速率，碼元傳輸速率降低，信號的帶寬也隨，碼元傳輸速率降低，信號的帶寬也隨之減小，多徑效應的影響也隨之減輕。之減小，多徑效應的影響也隨之減輕。 68 在工程設計中，為了保證接收信號質量，在工程設計中，為

51、了保證接收信號質量， 通常選擇信號帶寬為通常選擇信號帶寬為相關帶寬的相關帶寬的1/51/3。 B=（1/51/3）f 數字信號占用的帶寬取決于碼元速率數字信號占用的帶寬取決于碼元速率RB， RB等于碼元寬度等于碼元寬度TS的倒數，因此，的倒數，因此，隨參信道傳輸數字信號的碼元寬度應滿足：隨參信道傳輸數字信號的碼元寬度應滿足： TS =（35） m多徑效應多徑效應69多徑傳播對信號的影響：多徑傳播對信號的影響：（1）瑞利型衰落）瑞利型衰落-波形上，確知等幅度變成了包絡緩慢起伏的隨波形上，確知等幅度變成了包絡緩慢起伏的隨機調幅波（衰落信號）機調幅波（衰落信號）（2）頻率彌散（頻率擴展）頻率彌散（頻

52、率擴展）-頻譜上，單根譜線變成了窄帶頻譜。頻譜上，單根譜線變成了窄帶頻譜。 （3）頻率選擇性衰落：）頻率選擇性衰落：多徑信道的傳輸衰減和信號頻率及多徑信道的傳輸衰減和信號頻率及 時延差時延差 有關，因而導致信號（特別是寬帶信號）中某些頻率成分或其倍有關，因而導致信號（特別是寬帶信號）中某些頻率成分或其倍頻波隨機性衰落。頻波隨機性衰落。它是多徑效應中最嚴重的一種。它是多徑效應中最嚴重的一種。多徑效應多徑效應70時間擴展（頻率選擇性衰落）時間擴展（頻率選擇性衰落） 相干帶寬：相干帶寬：信道在兩個頻率處的頻率相應保持強相關情況信道在兩個頻率處的頻率相應保持強相關情況下的最大頻率差。下的最大頻率差。移

53、動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應相干帶寬與時延擴展成反比相干帶寬與時延擴展成反比1f 時間擴展或相干帶寬對衰落的影響：時間擴展或相干帶寬對衰落的影響： 頻率選擇性衰落：頻率選擇性衰落：信號帶寬信號帶寬Bs 相干帶寬相干帶寬f 碼元間隔碼元間隔Ts 時延擴展時延擴展 平坦衰落：平坦衰落：信號帶寬信號帶寬Bs 相干帶寬相干帶寬f 碼元間隔碼元間隔Ts 時延擴展時延擴展 71移動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應72 平坦衰落也稱之為（空間選擇性衰落）平坦衰落也稱之為（空間選擇性衰落）：是指不同的地點、不是指不同的地點、不同的傳輸路徑衰落特性不一樣，它是由于開放型的時變信道使天線的同的傳輸路

54、徑衰落特性不一樣，它是由于開放型的時變信道使天線的點波束產生了擴散而引起了空間選擇性衰落。點波束產生了擴散而引起了空間選擇性衰落。這里的平坦特性是指在這里的平坦特性是指在時域、頻域中時域、頻域中不存在不存在選擇性衰落。選擇性衰落。最有效的克服手段是空間分集和其最有效的克服手段是空間分集和其他空域處理方法。他空域處理方法。 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落是指不同的頻率衰落特性不一樣，引起時延擴散，是指不同的頻率衰落特性不一樣，引起時延擴散，在不同的頻段上衰落特性不一樣。在不同的頻段上衰落特性不一樣。它是信道在時域的時延擴散而引起它是信道在時域的時延擴散而引起了在頻域的選擇性衰落。了在頻域的選擇性衰

55、落。最有效的克服方法有自適應均衡、最有效的克服方法有自適應均衡、OFDM及及 CDMA系統中的系統中的RAKE接收等。接收等。移動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應73 在移動通信中，移動信道是多徑傳播的隨參信道，接收信號載頻在移動通信中，移動信道是多徑傳播的隨參信道，接收信號載頻發生發生多普勒頻移多普勒頻移。 設發射信號設發射信號 是一個頻率為是一個頻率為f的正弦波，對于到達移動臺的某一徑的正弦波，對于到達移動臺的某一徑入射波和運動方向的夾角為入射波和運動方向的夾角為，v是移動臺的運動速度，是移動臺的運動速度，為載波波長。為載波波長。 接收信號的功率譜展寬，此稱為接收信號的功率譜展寬，此稱

56、為多普勒擴展多普勒擴展。移動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應cosmvf移動而產生的頻移值為移動而產生的頻移值為v74移動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應 頻移值頻移值f與運動速度有關與運動速度有關,即即 式中式中c為光速（為光速（3108m/s)。當。當v很小時，很小時，fm也很小，多普也很小，多普勒頻移可忽略不計。但在速度很高的運載體勒頻移可忽略不計。但在速度很高的運載體(如超音速飛機如超音速飛機)上上則必須考慮多普勒頻移。且頻率越高，頻移越大。則必須考慮多普勒頻移。且頻率越高，頻移越大。coscoscos/mvvvffcfcmfvfc75 反映了沖擊響應的時變，即信道的沖擊響應對

57、傳輸信號產生反映了沖擊響應的時變，即信道的沖擊響應對傳輸信號產生快衰快衰落落（時間選擇性衰落）（時間選擇性衰落）或或慢衰落慢衰落。移動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應1cmTf 多普勒頻移的倒數定義為多普勒頻移的倒數定義為信道相干時間信道相干時間 如果基帶信號的符號周期如果基帶信號的符號周期Ts小于信道的相干時間小于信道的相干時間Tc，則在基帶，則在基帶信號的傳輸過程中信道信號的傳輸過程中信道不會發生改變不會發生改變，也，也不會產生時間選擇性衰落不會產生時間選擇性衰落，也稱也稱慢衰落慢衰落，即，即h(t)在若干個符號間隔內保持不變。在若干個符號間隔內保持不變。76 如果基帶信號的符號周期如

58、果基帶信號的符號周期Ts大于信道的相干時間大于信道的相干時間Tc，則在基帶信，則在基帶信號的傳輸過程中號的傳輸過程中信道可能會發生改變信道可能會發生改變，導致接收信號發生失真導致接收信號發生失真，產，產生生時間選擇性衰落時間選擇性衰落，也稱快衰落。也稱快衰落。 時間選擇性衰落：時間選擇性衰落：是指是指快速移動快速移動在頻域上產生多普勒效應而引起在頻域上產生多普勒效應而引起頻率擴散頻率擴散。在不同的時間衰落特性不一樣。由于用戶的高速移動在。在不同的時間衰落特性不一樣。由于用戶的高速移動在頻域引起了多普勒頻移，在相應的時域上其波形產生了時間選擇性頻域引起了多普勒頻移，在相應的時域上其波形產生了時間

59、選擇性衰落。衰落。 最有效的克服方法是采用信道交織編碼技術。最有效的克服方法是采用信道交織編碼技術。即將由于時間選即將由于時間選擇性衰落帶來的大突發性差錯信道改造成為近似性獨立差錯的擇性衰落帶來的大突發性差錯信道改造成為近似性獨立差錯的AWGN信道。信道。移動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應77 多普勒擴展或相干時間對衰落的影響：多普勒擴展或相干時間對衰落的影響： 快衰落快衰落：碼元間隔：碼元間隔Ts 相干時間相干時間Tc 基帶信號帶寬基帶信號帶寬Bs 多普勒頻移多普勒頻移fm 慢衰落慢衰落：碼元間隔：碼元間隔Ts 相干時間相干時間Tc 基帶信號帶寬基帶信號帶寬Bs 多普勒頻移多普勒頻移f

60、m移動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應78移動通信中的多徑效應移動通信中的多徑效應79相干帶寬相干帶寬是表征是表征多徑信道特性多徑信道特性的一個重要參數，它是指某一特定的一個重要參數，它是指某一特定的頻率范圍，在該頻率范圍內的任意兩個頻率分量都具有很強的幅度的頻率范圍，在該頻率范圍內的任意兩個頻率分量都具有很強的幅度相關性，即在相干帶寬范圍內，多徑信道具有恒定的增益和線性相位。相關性，即在相干帶寬范圍內，多徑信道具有恒定的增益和線性相位。通常，相干帶寬近似等于最大多徑時延的倒數。通常，相干帶寬近似等于最大多徑時延的倒數。定義相干帶寬一般是用來劃分定義相干帶寬一般是用來劃分平坦衰落信道平坦衰