第二章 通信原理

1、现 代 通 信 系 统 原 理授课教师：杨怡怀现代通信系统原理现代通信系统原理第2章 信道与噪声现代通信系统原理现代通信系统原理2.1 信道的基本概念2.1.1 信道的定义信道是信号的传输媒质。具体地说，信道是指由有线或无线线路提供的信号通路；抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。现代通信系统原理现代通信系统原理2.1.2 信道的分类 信道可大体分为两类：狭义信道和广义信道。v 狭义信道：有线信道和无线信道。v 广义信道通常也可分成两种：调制信道和编码信道。 现代通信系统原理现代通信系统原理狭义信道狭义信道: : 特指传输媒介。特指传输媒

2、介。广义信道广义信道: : 包括一定部件和电路的部分。其目的是突出欲包括一定部件和电路的部分。其目的是突出欲研究部分而对系统模型进行简化。研究部分而对系统模型进行简化。编码器编码器调制器调制器发转换器发转换器 媒介媒介收转换器收转换器解调器解调器解码器解码器调制信道调制信道编码信道编码信道调制信道：主要用于模拟信息传输系统的研究；调制信道：主要用于模拟信息传输系统的研究；编码信道：主要用于数字信息的编码和译码研究。编码信道：主要用于数字信息的编码和译码研究。现代通信系统原理现代通信系统原理图图1-7 调制信道和编码信道调制信道和编码信道现代通信系统原理现代通信系统原理2.1.3 信道的数学模型

3、 信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，它反映信道输出和输入之间的关系。下面我们简要描述调制信道和编码信道这两种广义信道的数学模型。 （1 1） 调制信道模型调制信道模型 通过对调制信道进行大量的考察之后，可发现它有如下主要特性：现代通信系统原理现代通信系统原理 有一对（或多对）输入端，则必然有一对（或多对）输出端； 绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理； 信号通过信道需要一定的延迟时间； 信道对信号有损耗（固定损耗或时变损耗）； 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。现代通信系统原理现代通信系统原理图图1-8 1-8 调制信道模型调制信道模型多对端的调制信道模型

4、见多对端的调制信道模型见P18 图图22现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理v由以上分析可见，信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t) ；二是加性干扰n(t) 。如果了解和的特性，则信道对信号的具体影响就能确定。v恒参信道：k(t)基本不随时间变化。v随参信道：k(t)随机快速变化 。现代通信系统原理现代通信系统原理v通常，把架空明线、电缆、波导、中长波地波传播、超短波及微波视距传播、卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的信道称为恒参信道；而将短波电离层反射，超短波流星余迹散射，超短波及微波对流层散射，超短波电离层散射以及超短波视距绕射等传输媒

5、质所分别构成的信道称为随参信道。现代通信系统原理现代通信系统原理（2 2） 编码信道模型编码信道模型 编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。它与调制信道模型有明显的不同：即调制信道对信号的影响是通过k（t）和n（t）使调制信号发生“模拟”变化；而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变换成另一种数字序列，故有时把编码信道看成是一种数字信道。现代通信系统原理现代通信系统原理图图1-9 1-9 二进制编码信道模型二进制编码信道模型 在常见的二进制数字传输系统中，编码信道的在常见的二进制数字传输系统中，编码信道的简单简单模型如图模型如图1-9所示。所示。 简单： 无

6、记忆，前后码元相互独立。现代通信系统原理现代通信系统原理由概率论的性质可知由概率论的性质可知 P(0/0)+P(1/0)=1 P(1/1)+P(0/1)=1转移概率完全由编码信道的特性决定，一个特定的编码信道就转移概率完全由编码信道的特性决定，一个特定的编码信道就会有其相应确定的转移概率关系。而编码信道的转移概率一般会有其相应确定的转移概率关系。而编码信道的转移概率一般需要对实际信道做大量的统计分析才能得到。需要对实际信道做大量的统计分析才能得到。 图图1-9的模型中，以的模型中，以P(1/0)为例，其含义是为例，其含义是“经信道传输把经信道传输把0转转移为移为1”。P(0)和和P(1)分别表

7、示发送分别表示发送“0”符号和符号和“1”符号的先验符号的先验概率，概率，P(0/0)与与P(1/1)是正确转移的概率，而是正确转移的概率，而P(1/0)与与P(0/1)是是错误转移的概率。信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误错误转移的概率。信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，错误转移条件概率越多，错误转移条件概率P(1/0)与与P(0/1)也就越大；反之，错误也就越大；反之，错误转移条件概率转移条件概率P(1/0)与与P(0/1)就越小。信道输出总的错误概率为就越小。信道输出总的错误概率为 Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1) 现代通信系统原理现代通信系统原理 由无记忆

8、二进制编码信道模型可以容易地推广到多进制无记忆编码信道模型。图1-10给出了一个多进制无记忆编码信道模型。图图1-10 1-10 多进制无记忆编码信道模型多进制无记忆编码信道模型 P19. 图图24.四进制无四进制无记忆编码信记忆编码信道模型。道模型。现代通信系统原理现代通信系统原理 由于编码信道包含调制信道，且它的特性也由于编码信道包含调制信道，且它的特性也紧密地依赖于调制信道，故下面我们主要讨论调紧密地依赖于调制信道，故下面我们主要讨论调制信道特性对信号传输的影响。制信道特性对信号传输的影响。现代通信系统原理现代通信系统原理2.2 恒参信道及其对信号传输的影响 恒参信道对信号传输的影响不随

9、时间而变，恒参信道对信号传输的影响不随时间而变，或者随时间变化很缓慢，通常若在数字信号中几或者随时间变化很缓慢，通常若在数字信号中几个最长符号时间内，信道特性基本不变即可认为个最长符号时间内，信道特性基本不变即可认为此信道为恒参信道。此信道为恒参信道。 恒参信道的传输特性等效为一个线性时不变恒参信道的传输特性等效为一个线性时不变网络，该线性网络的传输特性可以用幅度网络，该线性网络的传输特性可以用幅度频率频率特性和相位特性和相位频率特性来表征。频率特性来表征。现代通信系统原理现代通信系统原理2.2.1 2.2.1 信号不失真传输的条件信号不失真传输的条件现代通信系统原理现代通信系统原理 可见，对

10、于理想的无失真信道，如果相频特性是线性可见，对于理想的无失真信道，如果相频特性是线性的，则群时延频率特性是条水平直线，如图的，则群时延频率特性是条水平直线，如图1-111-11（c c）所示。所示。图图1-11 1-11 理想的幅频特性、相频特性、群时延频率特性理想的幅频特性、相频特性、群时延频率特性现代通信系统原理现代通信系统原理恒参信道对信号传输的影响主要是线性畸变，线恒参信道对信号传输的影响主要是线性畸变，线性畸变是由于网络特性不理想所造成的，具体从性畸变是由于网络特性不理想所造成的，具体从幅频特性和相频特性两方面进行讨论。幅频特性和相频特性两方面进行讨论。 2.2.2 2.2.2 幅度

11、幅度- -频率畸变频率畸变信号经过恒参信道时，若信道的幅度特性在信号信号经过恒参信道时，若信道的幅度特性在信号频带内不是常数，则信号的各频率分量通过信道频带内不是常数，则信号的各频率分量通过信道后将产生不同的幅度衰减，从而引起信号波形的后将产生不同的幅度衰减，从而引起信号波形的失真，我们称这种失真为幅频失真；幅频失失真，我们称这种失真为幅频失真；幅频失真对模拟通信影响较大，导致信噪比下降。真对模拟通信影响较大，导致信噪比下降。现代通信系统原理现代通信系统原理2.2.3 2.2.3 相位相位- -频率畸变（群迟延畸变）频率畸变（群迟延畸变） 相频畸变是由于信道相频特性不理想造成相频畸变是由于信道

12、相频特性不理想造成的。的。 若信道的相频特性在信号频带内不是频率若信道的相频特性在信号频带内不是频率的线性函数，则信号的各频率分量通过信道后的线性函数，则信号的各频率分量通过信道后将产生不同的时延，从而引起波形的群时延失将产生不同的时延，从而引起波形的群时延失真，我们称这种失真为相频失真。相频失真，我们称这种失真为相频失真。相频失真对语音通信影响不大，但对数字通信影响较真对语音通信影响不大，但对数字通信影响较大，会引起严重的码间干扰，造成误码。大，会引起严重的码间干扰，造成误码。 信道的相位信道的相位频率特性还经常用群迟延频率特性还经常用群迟延- -频率特性来衡量。频率特性来衡量。见见P21.

13、 图图27现代通信系统原理现代通信系统原理v幅度频率畸变是一种线性畸变，减小这种畸变幅度频率畸变是一种线性畸变，减小这种畸变采用采用“均衡均衡”技术。技术。v相位相位- -频率畸变（群迟延畸变）如同幅频畸变一样，频率畸变（群迟延畸变）如同幅频畸变一样，也是一种线性畸变。因此，采取相位均衡技术也也是一种线性畸变。因此，采取相位均衡技术也可以补偿群迟延畸变。可以补偿群迟延畸变。v非线性畸变一旦产生，难以排除，需要在进行系非线性畸变一旦产生，难以排除，需要在进行系统设计时从技术上加以重视。统设计时从技术上加以重视。现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理现代通

14、信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理有线信道为典型的恒参信道，有代表性的例子有线信道为典型的恒参信道，有代表性的例子如下。如下。 （1 1） 对称电缆对称电缆对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质。的双导线的传输媒质。现代通信系统原理现代通信系统原理（2 2） 同轴电缆同轴电缆同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一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（在可弯曲的同轴电缆中，它个圆柱形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导体是金属线可以由金属丝编织而成），内

15、导体是金属线（芯线）。（芯线）。（3 3） 光纤信道光纤信道以光导纤维（简称光纤）为传输媒质、光波为以光导纤维（简称光纤）为传输媒质、光波为载波的光纤信道，可提供极大的传输容量。载波的光纤信道，可提供极大的传输容量。现代通信系统原理现代通信系统原理无线信道中的中、长波通信，超短波及微波视无线信道中的中、长波通信，超短波及微波视距通信等基本上也属于恒参信道，举例如下。距通信等基本上也属于恒参信道，举例如下。（1 1） 无线电视距中继无线电视距中继无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波波段时，电磁波基本上沿视线传播，通信距离波段时，电磁波基本上沿视线传播，

16、通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。依靠中继方式延伸的无线电线路。现代通信系统原理现代通信系统原理例例 地面微波接力地面微波接力现代通信系统原理现代通信系统原理（2 2） 卫星中继信道卫星中继信道人造卫星中继信道可视为无线电中继信道的一人造卫星中继信道可视为无线电中继信道的一种特殊形式。种特殊形式。现代通信系统原理现代通信系统原理 使用微波频段使用微波频段 使用转发器接使用转发器接收和转发收和转发现代通信系统原理现代通信系统原理2.3 随参信道及其对信号传输的影响1. 1. 随参信道的特点随参信道的特点（1 1） 短波电离层反射信道短波电离层反射信道短波是指波长为短波是指波长为1001001

17、010m m（相应的频率为相应的频率为3 33030MHzMHz）的无线电波。的无线电波。现代通信系统原理现代通信系统原理在短波电离层反射信道中，多径传播现象对信号在短波电离层反射信道中，多径传播现象对信号传输的影响最大，引起多径传播的主要原因如下：传输的影响最大，引起多径传播的主要原因如下： 电波经电离层的一次反射和多次反射；电波经电离层的一次反射和多次反射； 几个反射层高度不同；几个反射层高度不同； 地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。与非寻常波。 电离层不均匀性引起的漫射现象；电离层不均匀性引起的漫射现象；现代通信系统原理现代通信系统原理现代通

18、信系统原理现代通信系统原理（2 2） 对流层散射信道对流层散射信道对流层散射信道是一种超视距的传播信道，其对流层散射信道是一种超视距的传播信道，其中一跳的传播距离约为中一跳的传播距离约为100100500500kmkm，可工作在可工作在超短波和微波波段。超短波和微波波段。 衰落衰落散射信号电平是不断随时间变化的，这些变化散射信号电平是不断随时间变化的，这些变化分为慢衰落（长期变化）和快衰落（短期变分为慢衰落（长期变化）和快衰落（短期变化）。化）。a a. . 慢衰落。慢衰落。b b. . 快衰落。快衰落。现代通信系统原理现代通信系统原理 传播损耗传播损耗 信道的允许频带信道的允许频带脉冲信号通

19、过带限系统后，波形也被展宽，而脉冲信号通过带限系统后，波形也被展宽，而且系统频带越窄，波形展宽越多。从这一角度且系统频带越窄，波形展宽越多。从这一角度来看，散射信道好像是一个带限滤波器，其允来看，散射信道好像是一个带限滤波器，其允许频带定义为许频带定义为式中式中m m最大多径时延差。最大多径时延差。现代通信系统原理现代通信系统原理从以上两种典型的随参信道的例子可以看出，从以上两种典型的随参信道的例子可以看出，随参信道的传输媒质具有以下三个特点：随参信道的传输媒质具有以下三个特点： 对信号的衰耗随时间而变化；对信号的衰耗随时间而变化； 传输的时延随时间而变；传输的时延随时间而变； 多径传播。多径

20、传播。现代通信系统原理现代通信系统原理2. 2. 随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响（1 1） 一般衰落（频率弥散现象）一般衰落（频率弥散现象）由于电离层反射、散射及对流层散射，电波从由于电离层反射、散射及对流层散射，电波从发射点出发可能经多条路径到达接收点，这种发射点出发可能经多条路径到达接收点，这种现象称现象称“多径传播多径传播”。若设发射信号为若设发射信号为Acos ct,Acos ct,则经过则经过n n条路径传条路径传播后的接收信号播后的接收信号R R（t t）可用下式表述：可用下式表述：现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理现代通信系统原理式中，式中，a a

21、i i（t t）总共总共n n条多径信号中第条多径信号中第i i条路径到条路径到达接收端的随机幅度；达接收端的随机幅度；t tdidi（t t）第第i i条路径对应于它的延迟时间；条路径对应于它的延迟时间；i i（t t）相应的随机相位，即相应的随机相位，即i i（t t）= -= -c ct tdidi（t t）现代通信系统原理现代通信系统原理其中其中a a（t t）是多径信号合成后的包络，即是多径信号合成后的包络，即而而（t t）是多径信号合成后的相位，即是多径信号合成后的相位，即现代通信系统原理现代通信系统原理由式（由式（2-82-8）可以看到，）可以看到，R R（t t）可视为可视为一

22、个窄带随机过程。图一个窄带随机过程。图2-132-13示出了示出了R R（t t）的的波形图和频谱图，从图中可得到如下结论：波形图和频谱图，从图中可得到如下结论：由于由于a ai i（t t）和和i i（t t）都是随机过程，都是随机过程，故故a aI I（t t）、）、a aQ Q（t t）、）、a a（t t）和和（t t）也都也都是随机过程。是随机过程。现代通信系统原理现代通信系统原理图图2-9 R（t）的波形及频谱的波形及频谱现代通信系统原理现代通信系统原理 从波形上看，多径传播的结果使单一载频从波形上看，多径传播的结果使单一载频信号信号AcosAcosc ct t变成了包络和相位都变

23、化的窄带变成了包络和相位都变化的窄带信号；信号； 从频谱上看，多径传播引起了频率弥散从频谱上看，多径传播引起了频率弥散（色散），即由单个频率变成了一个窄带频谱。（色散），即由单个频率变成了一个窄带频谱。现代通信系统原理现代通信系统原理（2 2） 频率选择性衰落频率选择性衰落设多径传播的路径只有两条，且到达接收点的设多径传播的路径只有两条，且到达接收点的两路信号具有相同的强度和一个相对时延差。两路信号具有相同的强度和一个相对时延差。那么，若令发射信号为那么，若令发射信号为f f（t t），），则到达接收点则到达接收点的两条路径信号可分别表示成的两条路径信号可分别表示成V V0 0f f（t tt

24、 t0 0）及及V V0 0f f（t tt t0 0）。）。现代通信系统原理现代通信系统原理两径传播的幅频特性将依赖于两径传播的幅频特性将依赖于| |cos/cos/2|2|。这就是说，对不同的频率，两径传播的结果将这就是说，对不同的频率，两径传播的结果将有不同的衰减。有不同的衰减。设最大多径时延差为设最大多径时延差为mm，则定义则定义即为相邻传输零点的频率间隔。即为相邻传输零点的频率间隔。现代通信系统原理现代通信系统原理3. 3. 随参信道特性的改善随参信道特性的改善分集接收分集接收互相独立或基本独立的一些信号，一般可利用不同互相独立或基本独立的一些信号，一般可利用不同路径或不同频率、不同

25、角度、不同极化等接收手段路径或不同频率、不同角度、不同极化等接收手段来获取，于是大致有如下几种分集方式。来获取，于是大致有如下几种分集方式。（1 1） 空间分集空间分集: :使用多个天线使用多个天线; ;（2 2） 频率分集频率分集: :用多个频率传同一信息用多个频率传同一信息; ;（3 3） 角度分集角度分集: :天线指向不同天线指向不同; ;（4 4） 极化分集极化分集: :接收水平、垂直极化波。接收水平、垂直极化波。现代通信系统原理现代通信系统原理各分散的合成信号进行合并的方法如下：各分散的合成信号进行合并的方法如下：（1 1） 最佳选择式最佳选择式选择信噪比最好的一个接收。选择信噪比最

26、好的一个接收。（2 2） 等增益相加式等增益相加式 各支路等增益相加。各支路等增益相加。（3 3） 最大比值相加式最大比值相加式 使增益和本支路信噪比成正比后相加。使增益和本支路信噪比成正比后相加。现代通信系统原理现代通信系统原理性能：性能：321321现代通信系统原理现代通信系统原理2.4 信道的加性噪声信道内噪声的来源是很多的，它们表现的信道内噪声的来源是很多的，它们表现的形式也多种多样。根据它们的来源不同，可以粗形式也多种多样。根据它们的来源不同，可以粗略地分为略地分为4 4类。类。（1 1） 无线电噪声。它来源于各种用途的无线电噪声。它来源于各种用途的无线电发射机。无线电发射机。（2

27、2） 工业噪声。它来源于各种电气设备，工业噪声。它来源于各种电气设备，如电力线、点火系统、电车、电源开关、电力铁如电力线、点火系统、电车、电源开关、电力铁道、高频电炉等。道、高频电炉等。现代通信系统原理现代通信系统原理（3 3） 天电噪声。它来源于雷电、磁暴、天电噪声。它来源于雷电、磁暴、太阳黑子以及宇宙射线等。太阳黑子以及宇宙射线等。（4 4） 内部噪声。它来源于信道本身所包内部噪声。它来源于信道本身所包含的各种电子器件、转换器以及天线或传输线等。含的各种电子器件、转换器以及天线或传输线等。现代通信系统原理现代通信系统原理以噪声的性质来分类更有利。按噪声性质区分如下。（1） 单频噪声。它主要

28、指无线电干扰。（2） 脉冲干扰。它包括工业干扰中的电火花，断续电流以及天电干扰中的雷电等。（3） 起伏噪声。它主要指信道内部的热噪声和器件噪声以及来自空间的宇宙噪声。现代通信系统原理现代通信系统原理2.5 通信中的常见噪声1. 随机过程的一般表述（1） 定义及特征通信过程中的随机信号和噪声均可归纳为依赖于时间参数t的随机过程。（2） 随机过程的统计特性现代通信系统原理现代通信系统原理 概率分布分布函数和概率密度函数设（t）表示一个随机过程，则在任意一个时刻t1上（t1）是一个随机变量。 数字特征数学期望、方差和相关函数 在实际应用中要确定随机过程的分布函数族并加以分析往往比较困难，而数字特征既

29、能刻划随机过程的重要特征，又便于运算和实际测量。现代通信系统原理现代通信系统原理a. 数学期望（均值）随机过程在任意时刻t的取值所组成的随机变量（t）的均值，就称为随机过程的均值。它是时间t的函数。b. 方差随机过程的方差定义为D（t）=E（t）E（t）2现代通信系统原理现代通信系统原理c. 相关函数和协方差函数衡量随机过程任意两个时刻上获得的随机变量的统计相关特性时，常用协方差函数B（t1，t2）和相关函数R（t1，t2）来表示。现代通信系统原理现代通信系统原理2. 平稳随机过程（1） 定义及特性如果考虑的是平稳随机过程，则它的一些数字特征也变得简明了：平稳随机过程的数学期望与t无关，为常数a；方差与t无关，也为常数；它的自相关函数只与时间间隔有关，即R（t1，t1+）=R（）现代通信系统原理现代通信系统原理（2） 平稳随机过程相关函数的性质对于平稳随机过程而言，它的相关函数是特别重要的一个函数。这是因为，一方面平稳随机过程的统计特性，比如数字特征等，可通过相关函数来描述；另一方面，相关函数还揭示了随机过程的频谱特性。现代通信系统原理现代通信系统原理3. 白噪声理想的白噪声在通信系统