第四章 信道(终稿)

(a) 插入损耗～频率特性
第四章
信道
现代通信原理
相位～频率特性：要求其为通过原点的直线，
• 即群时延为常数时无失真 d • 群时延定义 ( )
d

群（ 延 迟
ms
）
0
相位～频率特性

频率(kHz)
(b) 群延迟～频率特性
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• 频率失真：振幅～频率特性不良引起的
–频率失真 波形畸变 码间串扰 –解决办法：线性网络补偿
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4.2 有线信道
明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路
• 优点：传输损耗低； • 缺点：易受气候和天气的影响，对外界干扰 敏感。
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明线
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信道
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对称电缆
在同一保护套内的多对相互绝缘的双导 线构成的传输媒质
• 优点：传输特性比较稳定 • 缺点：传输损耗比明线大
地球大气层的结构：
对流层：地面上0～10km km 60 平流层：约10～60km 电离层：约60～400km 10 km
0 km 平流层 对流层 地 面
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电离层对于传播的影响
• 反射 • 散射
• 散射 • 吸收
衰 减 (dB/km)
水蒸气 氧 气
大气层对于传播的影响
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
光波为载波的光纤信道 ；
特点：损耗低、频带宽、线径细、重量
轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有 色金属以及不受电磁干扰等优点；
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信道
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4.3
信道的数学模型
广义信道：信号的传输媒质＋相关的转换设备。 调制信道：调制器的输出端到解调器的输入端 的所有电路设备和传输介质。研究的是调制器 输出的信号形式、解调器输入端信号与噪声特 性，又称为连续信道。 编码信道：编码器输出至译码器输入。在编、 译码中研究的是信道的输入－输出关系。又称 为离散（信号）信道。
地面
信号传播路径
图 4-2 天波传播
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• 视线传播：
– 频率 > 30 MHz – 距离: 和天线高度有关
D2 D2 h 8r 50
发射天线
h
传播途径
d
D
d
接收天线
m
r
r
地面
(4.1-3) – 式中，D – 收发天线间距离(km)。 – [例] 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)
衰 减
降雨率
(dB/km)
频率(GHz) (b) 降雨的衰减 图4-6 大气衰减
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信道
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电磁波的分类
• 地波
– 频率 < 2 MHz – 有绕射能力 – 距离：数百或数千千米
传播路径
地 面
图4-1 地波传播
• 天波
– 频率：2 ~ 30 MHz – 特点：被电离层反射 – 一次反射距离：< 4000 km
D 2 D 2 502 h 50 8r 50 50
图 4-3 视线传播
m
– 增大视线传播距离的其他途径 » 中继通信： » 卫星通信：静止卫星、移动卫星 » 平流层通信：
图4-4 无线电中继
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信道
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散射传播
电离层散射 机理 － 由电离层不均匀性引起 频率 － 30 ~ 60 MHz 距离 － 1000 km以上 对流层散射 机理 － 由对流层不均匀性（湍流）引起 频率 － 100 ~ 4000 MHz 地球 最大距离 < 600 km
eo (t ) －
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eo (t ) k (t )ei (t ) n(t )
因k(t)随t变，故信道称为时变信道。 因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。 因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。 若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。 乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。
对称电缆（双绞线）
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同轴电缆
由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管(金 属丝网)，内导体是金属线(芯线)，中间填充着介质；外 导体接地，起屏蔽作用，外界噪声很少进入其内部
特点：传输性能稳定，频率范围宽，容量大。
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信道
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光纤
定义：光导纤维(简称光纤)为传输媒质、
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第四章
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
信道
无线信道 有线信道 信道的数学模型 信道特性对信号传输的影响 信道中的噪声 信道容量
本章重点介绍信道传输特性和噪声的特性， 及其对于信号传输的影响。
第四章 信道
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信道是通信系统必不可少的组成部分。 一般来说，实际信道都不是理想的。首先，这 些信道具有非理想的频率响应特性，另外还有 噪声和信号通过信道传输时掺杂进去的其他干 扰。 信道的频率特性及噪声和干扰将影响信息传输 的有效性和可靠性。 信道：信号的传输通道（以传输媒质为基础的 信号通道） 信道的分类：狭义信道、广义信道 狭义信道：发送设备和接收设备之间的传输媒 质；传输媒质分为有线信道和无线信道
i (t ) 0 i (t )
•
上式中的 i (t ), i (t ), i (t )都是随机变化的。 第四章 信道
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• 应用三角公式可以将式(4.4-1) n
n
i 1
R(t ) i (t ) cos0 [t i (t )] i (t ) cos[0 t i (t )]
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ei(t) f [ei(t)] n(t) 图4-13 调制信道数学模型 e0(t)
eo (t ) f [ei (t )] n(t )
式中
ei (t ) － 信道输入端信号电压；
信道输出端的信号电压； n(t ) － 噪声电压。 通常假设： f [ei (t )] k (t )ei (t ) 这时上式变为： eo (t ) k (t )ei (t ) n(t ) － 信道数学模型 第四章 信道
1
2
2
接 收 端
3
3
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4.4 信道特性对信号传输的影响
恒参信道的影响
• 恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道… • 恒参信道 非时变线性网络 信号通过线性 系统的分析方法。线性系统中无失真条件：
–振幅～频率特性：为水平直线时无失真
左图为典型电话信道特性 用插入损耗便于测量
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变参信道的影响
• 变参信道：又称时变信道，信道参数随时间 而变。 • 变参信道举例：天波、地波、视距传播、散 射传播… • 变参信道的特性：
– 衰减随时间变化 – 时延随时间变化 – 多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且 每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变， 即存在多径传播现象。 第四章 信道
有效散射区 域
图4-7 对流层散射通信
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流星余迹散射
流星余迹
图4-8 流星余迹散射通信
流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，长度15 ~ 40 km 存留时间：小于1秒至几分钟 频率 － 30 ~ 100 MHz 距离 － 1000 km以上 特点 － 低速存储、高速突发、断续传输 第四章 信道
第四章
信道
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• • 则有
f (t ) F ( ) Af (t 0 ) AF()e j 0 Af (t 0 ) AF()e j ( 0 ) Af (t 0 ) Af (t 0 ) AF()e j 0 (1 e j )
第四章 信道
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• 多径效应简化分析：设 • 发射信号为：f(t) • 仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同 • 两条路径的接收信号为：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) • 其中：A － 传播衰减， • 0 － 第一条路径的时延， • － 两条路径的时延差。 • 求：此多径信道的传输函数 • 设f (t)的傅里叶变换（即其频谱）为F()： f (t ) F ( )
P(0 / 0) P(1 / 0) 1 P(1 / 1) P(0 / 1) 1
输出的总错误概率为 Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1) 无记忆信道：信道噪声或其他因素影响导致输出数字序 列发生错误是统计独立的 第四章 信道
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四进制编码信道模型
0 0
1 发 送 端
in 1
n
• 改写成： (t ) cos (t ) cos t (t ) sin (t ) sin t R(t ) i i i 0 i 0 i 1 i 1 • R(t ) X c (t ) cos0t X s (t ) sin 0t • V (t ) cos[0t (t )] 缓慢随机变化振幅 • 缓慢随机变化振幅 • 上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。 这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。 • 式中 V (t ) X c2 (t ) X s2 (t ) • － 接收信号的包络 X (t ) • －接收信号的相位 (t ) tan1 s
P(0 / 0) 0 P(1 / 0) 发送端 接收端 0
P(0 / 1)
1 P(1 / 1) 1
图4-13 二进制编码信道模型
第四章