1、第4章 信道与噪声,4.1 无线信道 4.2 有线信道 4.3 信道的数学模型 4.4 信道特性对信号传输的影响 4.5 信道中的噪声 4.6 信道容量,信道定义,信道定义 信道是指以传输媒质为基础的信号通道。 如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道； 如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。,信道的分类：广义信道、狭义信道有线信道、无线信道调制信道、编码信道,狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。 广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。还可以定义其他形式的广义信道。 常把广义信道简称为信道。,无线信道是对
2、无线通信中发送端和接收端之间通路的一种形象比喻。 无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号。 信道具有一定的频率带宽，正如公路有一定的宽度一样。,4.1 无线信道,电磁波传播主要分为地波、天波和视线传播三种。地波：频率在2MHz以下，电磁波沿大地与空气的分界面传播。传播时无线电波可随地球表面的弯曲而改变传播方向。在传播途中的衰减大致与距离成正比。地波的传播比较稳定，不受昼夜变化的影响，所以长波、中波和中短波可用来进行无线电广播。天波：天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的，频率范围在230MHz。天波是短波的主要传播途径。传播距离很远(可上万公里)，而且不受地面障碍物阻挡。但天波传
3、播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。,天波的传播,地波的传播,视线传播：频率高于30MHz的电磁波将穿透电离层，不能被反射回来，它只能作视线传播，即直线传播。典型的是微波通信，利用微波接力站。天线越高，传播距离越远。,视线传播：频率 30 MHz。距离和天线高度有关：,m,微波中继信道,利用三颗同步地球卫星(高度35800km)，可实现全球通信。 中、低轨道卫星主要用于移动通信，一般距地面1000km，由于卫星的轨道高度低，卫星形成的覆盖小区在地球表面快速移动，绕地球一周约需两小时。传输延时短，路径损耗小，若干数量的卫星组成空间移动通信网，在任一时间和地球上的任一地点，都有至
4、少一颗卫星可以覆盖。 卫星之间实行空间交换，以保证陆地、海洋乃至空中的移动通信不间断地进行。,低轨道卫星系统,同步卫星,地球大气层的结构 对流层：地面上 0 10 km 平流层：约10 60 km 电离层：约60 400 km,有线信道是利用人造的传导电或光信号的媒体来传输信号。 构成有线信道的传输媒质包括架空明线、对称（平衡）电缆、同轴电缆、光缆、波导管等。以适应各种不同的通信方式及不同容量的需要。,4. 有线信道,架空线路,架空明线主要优点是架设比较容易，建设较快，传输衰耗比较小。主要缺点是随频率升高辐射损耗迅速增加，线对间串话也急剧增加。此外受环境影响大，保密性差，维护工作量较大。 对称
5、电缆由若干对双绞线组成。对称电缆的通信容量比架空明线大，每条电路投资比明线低，电气性能比较稳定，安全保密性好。,对称电缆,同轴电缆是将电磁波封闭在同轴管内，内导体多为实心导线，外导体为一根空心导电管或金属编织网。即使工作频率较高，同轴电缆之间电磁波的相互干扰也较小，因此适用于高频段、大容量载波电话（电报）通信。,同轴电缆,同轴电缆结构图,表 41 几种有线电缆的特性,光在高折射率的媒质中具有聚焦特性，把折射率高的媒质做成芯线，折射率低的媒质做成芯线的包层，就构成光纤，光纤集中在一起构成光缆。光纤可以传输光信号。光缆通信通信容量极大、传输损耗极小、没有串话现象、不受电磁感应干扰。,光缆,光纤损耗
6、与波长关系：,损耗最小点：1.31与1.55 m，这是目前应用最广的波长。,光纤信道,1.线径细,重量轻。 2.损耗极低。 3.传输的频带宽、信息容量大。 4.不受电磁干扰、防腐和不会锈蚀。 5.不怕高温,防爆、防火性能强。 6.光纤通信保密性好。,光线的传播模式是指光线传播的路径。 多模光纤是指光波在光纤中的光线有多条传播路径。用发光二极管作光源，光源不是单色的，包含多个频率成分。各路径传输时延不同，存在色散现象，造成波形失真，带宽低。 单模光纤是指光波在光纤中只有一种传播模式。激光器作光源，单色波传播，只有一种传播模式，频带宽。 单模光纤传输采用激光器，成本高，用作远距离传输；多模光纤采用
7、发光二极管，成本低，用作近距离传输。,4.3 信道的数学模型,调制信道：调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调信号进行某种变换。 编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。,1.调制信道模型,调制信道的共性： 有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端； 绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理； 信号通过信道具有一定的迟延时间，而且它还会受到(固定的或时变的)损耗； 即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出(噪声)。,对于二对端的信道模型(一对输入端和一对输出端)，其输出与输入
8、的关系应该有,其中， 为输入的已调信号； 为信道总输出波形； 为加性噪声/干扰，且与 相互独立。 表示已调信号通过网络所发生的(时变)线性变换。若设 ，则有,信道的作用相当于对输入信号乘了一个系数k(t)。上式为调制信号的一般数学模型。,加性干扰 n(t) 乘性干扰k(t) 通常乘性干扰是一个复杂的函数，包括各种线性畸变、非线性畸变，同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，往往用随机过程来表述。 在分析乘性干扰时，可以把信道粗略分为两大类：恒参信道： k(t)不随时间变化或基本不变化；随参信道： k(t)随机快变化。 当没有信号输入时，加性干扰也存在，但没有乘性干扰输出。,2.编码信
9、道模型,编码信道的输入和输出信号是数字序列，对二进制即0和1的序列。 编码信道对信号的影响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。一般把编码信道看成是一种数字信道。 编码信道模型可以用数字的转移概率来描述，模型中，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称为信道转移概率。以P(1/0)为例，其含义是“经信道传输，把0转移为1的概率”，这是一种错误转移概率。 编码信道是无记忆的信道，即前后码元发生的错误是互相独立的。,二进制编码信道模型,P(0)是发送“0”符号的先验概率 P(1)是发送 “1”符号的先验概率 P(0/0)与P(1/1)是正确转移的概率 P(1/
10、0)与P(0/1)是错误转移概率 输出的总的错误概率为 ：Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1),四进制编码信道模型（参见习题4-5）,n个发送符号和m个接收符号的一般信道模型如图4-21。,4.4 信道特性对信号传输的影响,按照调制信号的模型，信道分为恒参信道和随参信道。恒参信道： k(t)不随时间变化或基本不变化；随参信道： k(t)随机快变化。,1. 恒参信道特性对信号传输的影响,恒参信道可等效为一个线性时不变网络，其传输特性H()可用幅频特性，相频特性共同描述：,幅频特性(传输特性幅值与频率的关系)：,相频特性(传输特性相位与频率的关系)：,理想恒参信道对信号传输的影响是：(
11、1) 对信号在幅度上产生固定的衰减；(2) 对信号在时间上产生固定的迟延。 这种情况也称信号是无失真传输。 ,希望信号经过信道后不产生失真，则H()满足以下条件：,定义群延迟为相位频率特性的导数，即,则理想的相位频率特性和群延迟 频率特性图为：,对于音频电话信道，导线有电阻，在高频时还有电感，两根导线之间有分布电容，因此电话信道可看成是由一个个电阻、电感和电容二端口网络级连而成。电话信号的可用频率为300Hz3400Hz。,因为人的耳朵对相频不太敏感，可不考虑相频影响，仅考虑幅频特性。,两种失真：实际信道特性不理想，必然对信号产生主要的两种失真 。,幅频失真： 表示信号中不同频率的分量分别受到
12、信道不同的衰减。影响：模拟信号：波形失真 信噪比下降数字信号：码间串扰 造成误码 2.相频失真（或群延时失真）： 表示信号中不同频率的分量分别受到信道不同的时延。影响：对话音信号影响不大数字信号：码间串扰 误码率增大二者均属于线性失真，通常可用线性网络补偿。,其他失真： 非线性失真：信道的输入与输出信号的振幅关系不是线性关系，是由元器件特性不理想所引起。 频率偏移：信道输入信号频谱经过信道传输后产生平移，是由调制解调或频率变换的振荡器的频率误差所引起。 相位抖动：也是由于振荡器频率不稳所产生，产生附加的调制。,2. 随参信道特性对信号传输的影响,随参信道是指信道是时变的，如电离层密度的变化；对
13、流层气团的变化。,随参信道特点： 对信号的衰减随时间变化而变化 。 传输时延随时间变化 。 多径传播 。,多径传播是指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点。以下重点介绍多径传播。,由于每条路径对信号的衰减和时延都随电离层和对流层的机理变化而变化，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。,设发射波为 ，振幅A，频率f0恒定。经过几条路径传播后的接收信号：,i(t)：第i条路径到达的接收信号振幅。 i(t)：第i条路径的传输时延，它随时间不同而变化。,利用和角公式，接收信号为：,式中：,因为 是缓慢变化的，因此包络 、相位 也是缓慢变化的随机过程，于是 可视为一个窄带随机过
14、程。,窄带信号波形,信号波形因传播有了起伏的现象称为衰落(接收信号的幅度和频率都发生了变化) 。 信号起伏比信号周期变化缓慢，但仍有秒或秒以下的数量级，能和数字信号的一个码元周期相比较，因此这种衰落称为快衰落。 信号在一条信道传播时，也会因季节、天气等原因产生衰落，这种衰落时间很长，称为慢衰落。 快衰落与频率有关，也称之为频率选择性衰落。 两径传播模型如图所示(发射信号f(t)，t0是固定的时延，是两条路径信号的相对时延差，V0为一个确定值)：,可证：两径传播时，其两径传播媒质的传输特性的模H()将依赖于,在/处出现传输零极点，在此处信号衰减为零。输入信号带宽最好限制在1/宽度内。,对两个以上的多径信号中，设m为多径中最大的相对时延差，则1/m定义为此多径信道的相关带宽。,可以将经过信道传输后的数字信号分为三类，通过多径信道传输的信号都具有这三类的特性： 确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号。 随相信号：信号的相位由于传输时延的不确定而带有随机性，使接收码元的相位随机变化。 起伏信号：接收信号的包络随机起伏，相位也随机变化。,多径效应的影响： 多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。,
