第3章_信道和噪声

1、13 信道信道 1狭义信道：传输媒质狭义信道：传输媒质广义信道：传输媒质广义信道：传输媒质+通信系统的变换装置通信系统的变换装置信信 道：道：以传输媒质为基础的信号通道以传输媒质为基础的信号通道有线信道有线信道-电线、光纤等电线、光纤等 狭义信道狭义信道按照传输媒质的特性可分为：按照传输媒质的特性可分为：无线信道无线信道-电磁波（含光波）电磁波（含光波）23 信道信道 2广义信道广义信道:通信系统的变换装置包括发送设备、接收设通信系统的变换装置包括发送设备、接收设备、调制器、解调器等。按照它包括的功能，备、调制器、解调器等。按照它包括的功能，可以分为可以分为调制信道、编码信道调制信道、编码信道

2、等。等。 编编码码器器调调制制器器发发转转换换器器传输传输媒质媒质解解调调器器解解码码器器收收转转换换器器调制信道编码信道编码信道编码信道包括包括调制信道调制信道、调制器调制器和和解调器解调器，是一，是一种数字信道或离散信道种数字信道或离散信道。调制信道调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，是模拟信道。广义信道，是模拟信道。33 信道信道 3有线信道，如电缆、光纤等有线信道，如电缆、光纤等无线信道，如中短波、微波信道等无线信道，如中短波、微波信道等狭义信道狭义信道信道信道恒参信道恒参信道随参信道随参信道广义信道广义信道调制信道调制信道编码信道编码

3、信道有记忆信道有记忆信道无记忆信道无记忆信道43.1 无线电信道无线电信道 13.1 无线信道无线信道无线信道电磁波的频率无线信道电磁波的频率 受受天线天线尺寸限制尺寸限制 对流层：地面上对流层：地面上 0 10 km地球大气层的结构地球大气层的结构地地 面面对流层对流层平流层平流层电离层电离层10 km60 km0 km 平流层：约平流层：约10 60 km 电离层：约电离层：约60 400 km53.1 无线电信道无线电信道 2电离层对于传播的影响电离层对于传播的影响 反射反射 散射散射(由于传播媒体的由于传播媒体的不均匀，电磁波的传不均匀，电磁波的传播向许多方向折射）播向许多方向折射）大

4、气层对于传播的影响大气层对于传播的影响 散射散射 吸收吸收63.1 无线电信道无线电信道 3电磁波的分类电磁波的分类：地波地波l频率频率 2 MHzl有绕射能力有绕射能力l距离：数百或数千距离：数百或数千km天波天波l频率：频率：2 30 MHzl特点：被电离层特点：被电离层反射反射l一次反射距离：一次反射距离： 30 MHzl距离距离: 和天线高度有关和天线高度有关l 增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径l中继通信：中继通信：l卫星通信：静止卫星、移动卫星卫星通信：静止卫星、移动卫星l平流层通信：平流层通信： (3.1-3) 式中，式中，D 收发天线间距离收发天线间距离(km

5、)50822DrDhmm505050508222DrDh例例 若要求若要求D = 50 km，则由上式，则由上式83.2 有线信道有线信道 1一、有线电信道一、有线电信道1. 明线明线2. 对称电缆对称电缆 同一保护套内有多对相互绝缘双导线。传输同一保护套内有多对相互绝缘双导线。传输损耗大损耗大，传输传输特性稳定特性稳定，价格便宜价格便宜、安装容易。、安装容易。图3-9 双绞线导体绝缘层平行且相互绝缘平行且相互绝缘的架空的架空裸线线路。传输裸线线路。传输损耗低损耗低，但易，但易受气候影响，受气候影响，对外界噪声干扰敏感对外界噪声干扰敏感93.2 有线信道有线信道 23. 同轴电缆同轴电缆同轴的

6、两个导体构成，内、外导体之同轴的两个导体构成，内、外导体之间填充介质。间填充介质。对外界干扰具有对外界干扰具有较好的屏蔽作用较好的屏蔽作用，所以同轴电缆，所以同轴电缆抗抗电磁干扰性能较好电磁干扰性能较好。在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆。在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆。导体金属编织网保护层实心介质图3-10 同轴线3.2 有线信道有线信道 3二、二、 光纤信道光纤信道以以光导纤维光导纤维（简称光纤）为传输媒质；（简称光纤）为传输媒质；光波光波为载波为载波折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤图3-11 光纤结构示意图(a

7、)(b)(c)结构l纤芯l包层按折射率分类l阶跃型l梯度型按模式分类l多模光纤l单模光纤113.2 有线信道有线信道 4特点特点: :损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不易腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰小、不易腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰组成组成:光源、光调制器、光纤线路、光源、光调制器、光纤线路、中继器中继器等等光纤线路中可设光纤线路中可设中继器中继器，放大放大光信号以补偿光纤的传光信号以补偿光纤的传输损耗，延长传输距离。输损耗，延长传输距离。123.3 信道的数学模型信道的数学模型 1一、调制信道模型一、调制信道模型 调制信道

8、是为研究调制与解调问题所建立的一种调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，是模拟信道，它具有如下共性：广义信道，是模拟信道，它具有如下共性：绝大多数的信道都是线性的，即满足线性绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加叠加原理原理；信号通过信道具有信号通过信道具有固定固定的或的或时变时变的的延迟时间延迟时间； 信号通过信道会受到固定的或时变的信号通过信道会受到固定的或时变的损耗损耗；即使即使没有信号没有信号输入，输入， 在信道的输出端在信道的输出端仍可能有仍可能有输出输出（噪声）。（噪声）。 133.3 信道的数学模型信道的数学模型 2ei(t)输入的已调信号输入的已调信号 eo(t

9、)信道输出信号信道输出信号 n(t)加性干扰加性干扰f ei(t)已调信号通过网络发生的已调信号通过网络发生的(时变时变)线性变换线性变换 已调信号已调信号ei (t)和加性干扰和加性干扰n(t)无依赖关系无依赖关系若若f ei(t)= k(t) ei(t), 其中其中k(t) 依赖于网络特性，对于依赖于网络特性，对于ei(t)来说是来说是乘性干扰乘性干扰，则输出为，则输出为)()()()(iotntetktef ei(t)eO(t)ei(t)n(t)图3-13 调制信道数学模型)()()(tntefteio143.3 信道的数学模型信道的数学模型 3乘性干扰乘性干扰k(t)包括各种线性畸变、

10、非线性畸变因因k(t)随随t 变，故信道称为变，故信道称为时变信道时变信道。因因k(t)与与e i (t)相乘，故称其为相乘，故称其为乘性干扰乘性干扰。因因k(t)作随机变化，故又称信道为作随机变化，故又称信道为随参信道随参信道。若若k(t)变化很慢或很小，则称信道为变化很慢或很小，则称信道为恒参信道恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。153.3 信道的数学模型信道的数学模型 4二、编码信道模型二、编码信道模型编码信道是一种编码信道是一种数字信道数字信道或或离散信道离散信道。由于信道噪。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发

11、生错声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，误， 因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组组转移概率转移概率来表征。来表征。对于二进制编码信道：对于二进制编码信道：P (0/0)01P (1/1)P (0)P (1)P (1/0)P (0/1)01163.3 信道的数学模型信道的数学模型 5对于二进制对于二进制无记忆无记忆编码信道：编码信道：) 1/0() 1 ()0/1 ()0(PPPPPe输出的总的错误概率：输出的总的错误概率： 1) 1/0() 1/1 (1)0/1 ()0/0(PPPP码错误转移的概率分别为码正确转移的概率分别是、码的概

12、率分别是、10) 1/0()0/1 (10) 1/1 ()0/0(10) 1 ()0(、PP、PP、PP173.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 1恒参信道的传输特性可以等效为一个非时变恒参信道的传输特性可以等效为一个非时变线性网络线性网络恒参信道的影响恒参信道的影响l恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道)()()(jeKH传输特性传输特性)()(KH幅频特性幅频特性)(相频特性相频特性dd)()(群迟延群迟延-频率特性频率特性发送端发送端线性网络线性网络接收端接收端)(Hl恒参信道恒参信道 非时变非时变线性网络线性网络 信号通过线性信号

13、通过线性系统的分析方法。系统的分析方法。183.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 2线性系统中无失真条件：线性系统中无失真条件：(a) 插入损耗频率特性相位频率特性：要求其为通过原点的直线，即相位频率特性：要求其为通过原点的直线，即群时延为群时延为常数常数时无失真时无失真振幅频率特性：为振幅频率特性：为水平直线时无失真水平直线时无失真频率(kHz)（ms）群延迟群延迟(b) 群延迟频率特性0)(KHdt)(dtdd)()(dtjeKH0)(193.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 3OK0|H () |( a )O()td( b )Otd( c )理想信

14、道的幅频特性理想信道的幅频特性)()(0dttKth例：传输特性例：传输特性若输入为若输入为)(ts)()()()(0dttsKtsthtr,则输出为则输出为dtjeKH0)(0)(KH幅频特性幅频特性dt)(相频特性相频特性dtdd)()(群迟延群迟延-频率特性频率特性相频特性相频特性群迟延群迟延-频率特性频率特性 延迟延迟时间时间td则冲激响应则冲激响应3.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 4理想恒参信道对信号的影响理想恒参信道对信号的影响,在在整个频域范围整个频域范围内：内：)()(0dttsKtr0)(KH2. 2. 幅度幅度- -频率失真频率失真由于信道的由于信道

15、的幅度频率特性幅度频率特性的不理想所引起的，这种的不理想所引起的，这种失真又称为失真又称为频率失真频率失真对信号在幅度上产生对信号在幅度上产生固定的衰减固定的衰减 ；对信号在时间上产生对信号在时间上产生固定的迟延固定的迟延 。 这种情况也称信号是这种情况也称信号是无失真传输无失真传输。 频率失真频率失真 波形畸变波形畸变 相邻相邻数字信号数字信号波形之间在时波形之间在时间上的相互重叠间上的相互重叠 码间串扰码间串扰解决办法解决办法：线性网络补偿：线性网络补偿213.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 5相频特性曲线相频特性曲线3. 3. 相位相位- -频率失真频率失真相位相位

16、-频率失真对模拟话音传输影响不明显频率失真对模拟话音传输影响不明显;群迟延群迟延-频率特性曲线频率特性曲线 相位相位-频率失真对于频率失真对于数字信号数字信号,相频失真也会引起相频失真也会引起码码间串扰。间串扰。解决办法解决办法：线性网络补偿：线性网络补偿223.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 6非线性失真：非线性失真：l可能存在于恒参信道中可能存在于恒参信道中l定义：定义： 输入电压输出电压关系是非线性的。输入电压输出电压关系是非线性的。其他失真：其他失真：频率偏移、相位抖动频率偏移、相位抖动非线性关系直线关系图3-16 非线性特性输入电压输出电压233.4 信道特性对

17、信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 7变参信道的影响变参信道的影响变参信道：又称变参信道：又称时变时变信道，信道参数随时间而变。信道，信道参数随时间而变。变参信道举例变参信道举例:天波、地波、视距传播、散射传播天波、地波、视距传播、散射传播变参信道的特性：变参信道的特性：l衰减随时间变化衰减随时间变化l时延随时间变化时延随时间变化l多径传播多径传播243.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 8多径传播多径传播 (a) 一次反射和多次反射一次反射和多次反射 (b) 反射区高度不同反射区高度不同延差最大，可达几毫秒：延差最大，可达几毫秒：引起引起快衰落快衰落和和多径多径时延时

18、延失真失真属属细多径细多径：引起：引起快衰落快衰落253.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 91、多径效应分析、多径效应分析tAts0cos)(发送信号发送信号若有若有n条多径信道条多径信道,信号相互独立信号相互独立,则接收到的则接收到的合成波合成波为为 )(cos)()(01tttutRinii慢随时间变化比发射频率条路径的接收信号振幅第,: )(itui随时间变化条路径的传输时延第，iti: )(慢随时间变化比发射频率，ttii)()(0)(cos)(01tttuinii263.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 10niiiiniittuttutR1

19、001sinsin)(coscos)()(ttXttXtRsc00sin)(cos)()(令;cos)()(1niiictutXniiistutX1sin)()(的包络和相位形式 ：)(cos)()(0tttVtR)(tR)()()(22tXtXtVsc)()(arctan)(tXtXtcs式中)(sin)()()(cos)()(ttVtXttVtXsc)(tXs)(tV)(tXc)(t273.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 11的包络和相位形式 ：)(cos)()(0tttVtR)(tR)()()(22tXtXtVsc)()(arctan)(tXtXtcs式中接收信号可

20、以看作是一个接收信号可以看作是一个包络包络和和相位相位随机随机缓慢变化缓慢变化的的窄带窄带信号：信号：结论结论：发射信号为：发射信号为单频单频恒幅正弦波时，接收信号因恒幅正弦波时，接收信号因多径多径效应效应变成包络起伏的变成包络起伏的窄带信号窄带信号。快衰落快衰落:衰落周期和码元周期相比衰落周期和码元周期相比较短较短慢衰落慢衰落:衰落的起伏周期衰落的起伏周期较长较长衰落衰落:信号包络因传播而起伏信号包络因传播而起伏3.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 122、频率选择性衰落与相关带宽、频率选择性衰落与相关带宽)()(Ftf0)()(0tjeAFttAf)(00)()(tje

21、AFttAfjtjeeAFttAfttAf1)()()(000jtjjtjeAeFeeAFH1)(1)()(00两条路径信道模型两条路径信道模型 AA延延迟迟t0延迟延迟t 0+ +f(t)Af(t)Af(t)Af(t-t0)Af(t-t0-t)Af(t-t0-)+ Af(t-t0)强度强度相同相同293.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 13jtjjtjeAeFeeAFH1)(1)()(00传输特性传输特性2cos22sin2cos2cos22cos2sin22cos2sincos112jjjejjeAH1)(2cos21)(AeAHj303.4 信道特性对信号传输的影响

22、信道特性对信号传输的影响 142cos21)(AeAHj当当 ，出现传输极点，出现传输极点/2n当当 ，出现传输零点，出现传输零点/) 12(n2AO2)(H 相对相对时延时延(t)随时间变化，传输特性的随时间变化，传输特性的零点零点和和极点极点也会随时间变化。也会随时间变化。313.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 15当传输波形的当传输波形的频宽约宽为频宽约宽为1 1/(t)时时, ,传输波形的频谱将传输波形的频谱将受到畸变，即受到畸变，即频率选择性衰落频率选择性衰落，简称，简称选择性衰落选择性衰落相关带宽相关带宽：相邻传输相邻传输零点零点间的间的频率间隔频率间隔称为多

23、径传称为多径传播媒质的播媒质的相关带宽相关带宽。推广到推广到多多径传播时，径传播时，相对时延差相对时延差通常用通常用最大最大多径时延多径时延差差m表征表征,用它来估算传输零极点在频率轴上位置用它来估算传输零极点在频率轴上位置。mf1O2)(H323.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 16*为为减小频率选择性衰落影响减小频率选择性衰落影响,应应限制信号的频谱，限制信号的频谱，使使信号带宽信号带宽小于小于相关带宽。相关带宽。*当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高高速数字信号速数字信号，频率选择性衰落频率选择性衰落将会引起严重的码将会

24、引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，间干扰。为了减小码间干扰的影响， 就必须就必须限制限制数字信号传输速率数字信号传输速率(即带宽即带宽)。 在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为选择信号带宽为相关带宽的相关带宽的1/51/51/31/3。333.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 17小结小结：随参信道的衰落：随参信道的衰落 * *多径多径频率选择性衰落频率选择性衰落: :信号信号频带带宽应小于频带带宽应小于相关带宽相关带宽; ;如果传输数字信号如果传输数字信号, ,传输速率也要受传输速率也要受限限 多径多径瑞

25、利衰落瑞利衰落: :使使单频单频信号成为包络、相位受信号成为包络、相位受调制的调制的窄带信号窄带信号, ,从频谱看：使单一谱线变成了从频谱看：使单一谱线变成了窄带频谱窄带频谱343.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 18接收信号的分类 确知确知信号信号：接收端接收端能够准确知道其码元波形能够准确知道其码元波形的信号的信号 随相信号随相信号：接收码元的相位随机变化：接收码元的相位随机变化 起伏信号起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。也随机变化。 通过通过多径信道多径信道传输的信号都具传输的信号都具有这种特性有这种特性 多径信道多径信

26、道产生的影响可以用产生的影响可以用分集接收分集接收克服克服353.5 信道的加性噪声信道的加性噪声 1 加性噪声加性噪声与信号相互独立，并且始终存在，实际中只与信号相互独立，并且始终存在，实际中只能采取措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消除加能采取措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消除加性噪声。性噪声。一、噪声的分类一、噪声的分类根据根据噪声源噪声源分类：人为噪声、自然噪声和内部噪声分类：人为噪声、自然噪声和内部噪声 人为噪声人为噪声是指人类活动所产生的对通信造成干扰是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。其中包括工业噪声和无线电噪声。的各种噪声。其中包括工业噪声和无线电噪声。 自然噪声

27、自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源所产生是指自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声。可以说整个宇宙空间都是产生自然噪声的噪声。可以说整个宇宙空间都是产生自然噪声的来源。的来源。 363.5 信道的加性噪声信道的加性噪声 2 根据根据噪声性质噪声性质分类：单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声分类：单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声 单频噪声单频噪声主要是无线电干扰，频谱特性可能是单主要是无线电干扰，频谱特性可能是单一频率，一频率， 也可能是窄带谱。也可能是窄带谱。 脉冲噪声脉冲噪声是在时间上无规则的突发脉冲波形。包是在时间上无规则的突发脉冲波形。包括工业干扰中的电火花、汽车点火噪声、雷电等。括工业干扰中的电火

28、花、汽车点火噪声、雷电等。 起伏噪声起伏噪声是一种连续波随机噪声，包括是一种连续波随机噪声，包括热噪声热噪声、散散弹噪声弹噪声和和宇宙噪声宇宙噪声。l起伏噪声始终存在，是影响通信系统性能的起伏噪声始终存在，是影响通信系统性能的主要因素。以后各章分析通信系统抗噪声性主要因素。以后各章分析通信系统抗噪声性能时，能时， 都是以起伏噪声为重点都是以起伏噪声为重点l 特点是具有很宽的频带，并且特点是具有很宽的频带，并且始终存在始终存在. .373.5 信道的加性噪声信道的加性噪声 5 窄带高斯噪声窄带高斯噪声带限白噪声：热噪声频带带宽带限白噪声：热噪声频带带宽远大于远大于接收机带通滤接收机带通滤波器频带

29、带宽波器频带带宽窄带高斯噪声：由于滤波器是一种窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路线性电路，高斯，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称噪声又称窄带高斯噪声窄带高斯噪声。窄带高斯噪声功率：窄带高斯噪声功率：dffPPnn)(式中式中 Pn(f ) 双边噪声功率谱密度双边噪声功率谱密度383.6 信道容量的概念信道容量的概念 1 调制信道调制信道是一种是一种连续信道连续信道，用连续信道容量来表征；，用连续信道容量来表征；编码信道编码信道是一种是一种离散信道离散信道，用离散信道容量来表征。，用离散信道容量来表征。信道容量信道容量:信道

30、能够传输的信道能够传输的最大平均信息速率最大平均信息速率。393.6 信道容量的概念信道容量的概念连续信道的信道容量连续信道的信道容量假设信道的带宽为假设信道的带宽为B(Hz),信道输出的信号功率为信道输出的信号功率为S(W),输出加性输出加性带限高斯白噪声带限高斯白噪声功率为功率为N(W),则信道容量为：则信道容量为：)/(1log2sbitNSBC上式即信息论中重要的上式即信息论中重要的香农香农 (Shannon)公式公式。 该式表明当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率该式表明当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上理论上单单位时间内可能传输的信息量的位时间内可能传输的信息量的极限数值极限数值。403.6 信道容量的概念信道容量的概念 若噪声若噪声n(t)的的单边功率谱密度单边功率谱密度为为n0，则在信道带宽，则在信道带宽B内的噪声功率内的噪声功率N=n0B。因此，香农公式的另一形式为。因此，香农公式的另一形式为)/(1log02sbitBnSBC上式说明信道容量上式说明信道容量C受受“