1、 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的影響信道噪聲信道容量 本章內容: 第4章 信道 信道的定義：信道是指以傳輸媒質為基礎的信號通道。信道的分類：狹義信道：僅是指信號的傳輸媒質； 廣義信道：不僅是指傳輸媒質，而且包括通 信系統中的一些轉換裝置。 信道的功能：將信號從發送端傳送到接收端。 概 述信道的定義與分類 傳輸媒質有線信道明線、電纜、光纖無線信道自由空間或大氣層狹義信道：廣義信道： 調制信道研究調制/解調問題編碼信道研究編碼/譯碼問題無線信道4.1 地波 ground- wave頻率： 2 MHz特性：有繞射能力距離：數百或數千米用于：AM廣播傳播路徑 地波傳播方式傳

2、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：230 MHz特性：被電離層反射距離： 4000 km（一跳）用于：遠程、短波通信電離層有D、E、F1、F2層。在白天，由于太陽輻射強，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，所以短波電波不會被反射。D、E層對電波傳輸的影響主要是吸收電波，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，而高頻信號主要是依靠F層反射，其高度為250400km，所以一次反射的最大距離約為4000 km。如果通過兩次反射，那么通信距離可達8000km。電磁波不能到達的

3、其他區域稱為寂靜區。 微波中繼（微波接力） 衛星中繼（靜止衛星、移動衛星） 平流層通信無線信道 微波中繼 無線信道 衛星中繼 地面站地面站地球衛星中繼信道示意圖 對流層散射通信地球有效散射區域無線信道 散射通信 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：56km需放大； 傳輸數字信號：23km需轉發； 遠程中速時，最大距離15km； 用于局域網時，最大距離100m。有線信道同軸電纜 寬帶（射頻）同軸電纜：75，用于傳

4、輸模擬信號多用于有線電視（CATV）系統傳輸距離可達幾十千米 基帶同軸電纜：50，多用于數字基帶傳輸速率可達10Mb/s傳輸距離幾千米有線信道缺點應用優點有線信道 光纖信道是遠距離傳送光波的一種手段，其長度常達幾十公里，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。 低損耗是光纖能實現遠距離傳輸的前提。不同波長的光在光纖中傳輸的損耗是不同，在波長等于1.31m與1.55m時出現兩個損耗最小點，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窗口。 線路種類構造特征主要用途雙絞線 便宜、構造簡單，傳輸頻帶寬，有漏話現象

5、，容易混入雜音電話用戶線低速LAN同軸電纜 價格稍高，傳輸頻帶寬，漏話感應少，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，無漏話國際間主干線國內城市間主干線高速LAN表 有線信道的線路種類、構造、特征和主要用途 信道數學模型4.3 信道模型的分類：調制信道編碼信道編碼信道調制信道有一對（或多對）輸入端和輸出端大多數信道都滿足線性疊加原理對信號有固定或時變的延遲和損耗無信號輸入時，仍可能有輸出（噪聲 n(t) ）疊加有噪聲的線性時變/時不變網絡：4.3.1 調制信道模型模型：共性：31調制信道數學模型式中 信道輸入端信號電壓； 信道輸出端的信號電壓； 噪

6、聲電壓。通常假設：這時上式變為：f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)圖4-15 調制信道數學模型32因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。n(t)是信道加性噪聲，其獨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)隨時間作隨機快變化，故又稱信道為隨參信道。若k(t)隨時間變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。乘性干擾特點：當沒有信號時，就沒有乘性干擾。結論：（1）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 n(t) ，使信號的波形發生失真。（2）分析乘性干擾的影響時，可把調制信道分為兩大類：一類是恒參信道，即 k(t)隨時間緩變或不變；另一類是隨

7、參信道，即隨時間隨機快變化。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。+ = 1二進制無記憶編碼信道模型可用 轉移概率來描述。+ = 1 P(0/0) P(1/1) 正確 P(1/0) P(0/1) 錯誤 模型：4.3.2 編碼信道模型01233210接收端發送端四進制無記憶編碼信道恒參/隨參信道特性對信號傳輸的影響4.4 特點：傳輸特性隨時間緩變或不變。舉例：各種有線信道、衛星信道

8、1. 傳輸特性幅頻特性相頻特性線性時不變系統 恒參信道 特性及其對信號傳輸的影響 2. 無失真傳輸恒參信道 非時變線性網絡 信號通過線性系統的分析方法。線性系統中無失真條件：振幅頻率特性：為水平直線時無失真，即要求振幅特性與頻率無關。相位頻率特性：要求其為通過原點的直線，即群時延為常數時無失真。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過信道傳輸后具有相同的時延。 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傳輸理想恒參信道的沖激響應： 3. 失真 影響 措施恒參信道群遲延失

9、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) 指傳輸特性隨時間隨機快變的信道。 隨參信道 特性及其對信號傳輸的影響短波電離層反射信道隨參信道 衰減隨時間變化 時延隨時間變化 多徑傳播多徑傳播 示意圖： 3. 多徑效應第i條路徑接收信號振幅經過n條路徑傳播（各路徑有時變的衰落和時延） 多經傳播的影響傳輸時延則接收信號為 設發送信號為幅度恒定頻率單一根據概率論中心極限定理：當 n 足夠大時，x(t)和y(t) 趨于正態分布。 同相 正交形式包

10、絡 相位形式瑞利分布均勻分布多徑效應包絡相位隨機緩變 的窄帶信號西安電子科技大學 通院 波形發送信號接收信號頻譜結論我們更關心的問題：多徑效應多徑效應 傳輸衰減均為 K 傳輸時延分別為1和2發射信號接收信號設兩條路徑的信道為f (t)fo(t) = K f(t - 1) + K f(t -2 ) 信道傳輸函數fo(t) =2 -1相對時延差則接收信號為常數衰減因子確定的傳輸時延因子與信號頻率有關的復因子 信道對信號不同的頻率成分，將有不同的衰減。 頻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延差 多徑信道的相關帶寬：定義為相鄰傳輸零點的頻率間隔 ，工程經驗公式

11、： 4. 減小頻率選擇性衰落的措施f f 1/ 應使信號帶寬 Bs (1/3 1/5)f 數字信號的碼元寬度:Ts (3 5)RBmmBs f歸納 隨參信道特性 多徑效應 減小衰落的措施信道噪聲4.5 1. 何謂噪聲 按噪聲來源 2. 噪聲類型人為噪聲自然噪聲 內部噪聲 （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 按噪聲性質熱噪聲： 式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數 T 熱力學溫度（K） 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：高斯白噪聲 n(t) BPF

12、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 指信道能夠無差錯傳輸時的最大平均信息速率式中，P(xi) 發送符號xi的概率（i=1,2,3,n）（1）信源發送的平均信息量（熵）（2）因信道噪聲而損失的平均信息量式中，P(yj) 收到yj的概率（j=1,2,3,m）； P(xi/yj) 收到yj后判斷發送的是xi的轉移概率4.6.1 離散信道容量（3）信息傳輸速率 R 信道每秒傳輸的平均信息量H(x) H(x/y) 是接收端得到的平均信息量 r 信道每秒傳輸的符號數為（符號速率）最大信息傳輸速率：對一切可能的信源概率分布，求R的最大值：含義：每個符號能夠傳輸的最大平均信息量（4）信道容量 Ct 等價式：S 信號平均功率（W）；B 帶寬（Hz） n0 噪聲單邊功率譜密度；N = n0B 噪聲功率（W）由香農信息論可證，白噪聲背景下的連續信道容量為:香農公式等價式：4.6.2 連續信道容量意義：含義： 信道容量 C依賴于 B、S 和 n0 增大 S 可增加 C，若S ，則C ； 減小 n0 可增