第4章通信原理

1、第 4 章教学提示信道是通信系统的三要素之一信道是通信系统的三要素之一,是通是通信系统组成的重要部分。任何信号信系统组成的重要部分。任何信号离开信道都不能进行传输，可见信离开信道都不能进行传输，可见信道的特性对信号的传输起着重要的道的特性对信号的传输起着重要的作用，所以有必要进行讨论。作用，所以有必要进行讨论。 本章所讨论的信道不是指各种具体的信道，而是指抽象出来的本章所讨论的信道不是指各种具体的信道，而是指抽象出来的模型，重要讲述以下几个问题：模型，重要讲述以下几个问题：1、信道的定义及分类、信道的定义及分类;2、恒参信道及其对信号传输的影响、恒参信道及其对信号传输的影响;3、随参信道及其对

2、信号传输的影响、随参信道及其对信号传输的影响;4、信道容量；、信道容量；第 4 章第四章 信 道主要内容主要内容：信道的定义、分类信道的定义、分类恒参信道举例恒参信道举例随参信道举例随参信道举例信道数学模型信道数学模型恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性的改善随参信道特性的改善信道的加性噪声信道的加性噪声信道容量的概念、香农公式（信道容量的概念、香农公式（shannon formula）第 4 章 信道定义1.信道定义信道定义：信号通道：信号通道. 2.信道的分类信道的分类 狭义信道狭义信道

3、：信号的传输媒质：信号的传输媒质 . n有线信道：架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆有线信道：架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆n无线信道：地波、短波、微波、卫星、散射无线信道：地波、短波、微波、卫星、散射广义信道广义信道：传输媒质及有关变换装置：传输媒质及有关变换装置.(收、发转换器收、发转换器, 放大，频率放大，频率变换，电变换，电电磁波，等。电磁波，等。)n编码信道编码信道n调制信道调制信道第 4 章第 4 章4. 1 随参信道举例随参信道举例随参信道随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。随参信道有以下几种。随参信道有以下几种。1） 短波

4、电离层反射短波电离层反射2） 超短波流星余迹散射超短波流星余迹散射3） 超短波及微波对流层散射超短波及微波对流层散射4） 超短波电离层散射超短波电离层散射5） 超短波超视距绕射等超短波超视距绕射等 第 4 章一、一、 短波电离层反射信道短波电离层反射信道1、概念、概念：短波是指波长为：短波是指波长为10010m (相应的频率为相应的频率为330MHz)的的无线电波。无线电波。2、短波传播方式、短波传播方式：既可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电：既可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电离层反射传播，称为天波传播。离层反射传播，称为天波传播。 3、传播路径、传播路径离地面高离地面高60600k

5、m的大气层称为电离层。电离层是由分子、原子、的大气层称为电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成的。离子及自由电子组成的。 短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。 在短波电离层反射在短波电离层反射信道中，存在多径传播，引起多径传播的主要原因如下。信道中，存在多径传播，引起多径传播的主要原因如下。 1） 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；2） 几个反射层高度不同；几个反射层高度不同；3） 电离层不均匀性引起的慢射现象；电离层不均匀性引起的慢射现象；4） 地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。地球磁场引

6、起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。第 4 章4、特点、特点主要优点如下：主要优点如下：1）、要求的功率较小，终端设备的成本较低；）、要求的功率较小，终端设备的成本较低；(100W几几KW) 2）、传播距离远；）、传播距离远；3）、受地形限制较小；）、受地形限制较小；4）、有适当的传输频带宽度；）、有适当的传输频带宽度； 5）、不易受认为的破坏，该特点在军事上非常有用。）、不易受认为的破坏，该特点在军事上非常有用。主要缺点如下：主要缺点如下：1）、传输可靠性差；电离层中的异常变化会引起较长时间的通信中）、传输可靠性差；电离层中的异常变化会引起较长时间的通信中断。断。 2）、需要经常更换工作频率

7、，因而使用较复杂；）、需要经常更换工作频率，因而使用较复杂；3）、存在快衰落与多径时延失真；）、存在快衰落与多径时延失真；4）、干扰电平大。）、干扰电平大。 (100b/s)5、应用、应用短波电离层反射信道过去是、现在仍然是远距离传输的重要信道之一。短波电离层反射信道过去是、现在仍然是远距离传输的重要信道之一。问题：为什么远距离问题：为什么远距离HF无线电广播在太阳黑子活无线电广播在太阳黑子活动的动的 高峰期时效果更好？高峰期时效果更好？第 4 章二、对流层散射信道二、对流层散射信道对流层能够不规则地散射无线电波对流层能够不规则地散射无线电波 1、 概念概念：离地面：离地面1012km以下的大

8、气层称为对流层。以下的大气层称为对流层。在对流层中，由于大气对流层湍流运动等原因产生了不均匀性，在对流层中，由于大气对流层湍流运动等原因产生了不均匀性，故引起散射，如图所示。故引起散射，如图所示。 2、 传播方式传播方式：对流层散射信道是一种超视距的传播信道，可：对流层散射信道是一种超视距的传播信道，可工作在超短波和微波波段。其一跳的传播距离约为工作在超短波和微波波段。其一跳的传播距离约为100500km。 ABabcd收发天线共 同照射区 a、b、c、d散射体，由小气团组成，每个小气团都是一个二次辐射源，它们组成一个散射体。第 4 章3、 对流层信道的特点对流层信道的特点1）、衰落）、衰落

9、散射信号电平是不断随时间变化的，这种变化称为衰落。散射信号电平是不断随时间变化的，这种变化称为衰落。 衰落有两类：衰落有两类： 慢衰落（长期变化），慢衰落取决与气象条件慢衰落（长期变化），慢衰落取决与气象条件 快衰落（短期变化），快衰落是由多径传播引起的。快衰落（短期变化），快衰落是由多径传播引起的。2）、传播损耗）、传播损耗总损耗包括两个部分，总损耗包括两个部分， （1） 自由空间的能量扩散损耗；自由空间的能量扩散损耗；（2） 散射损耗。散射损耗。3）、信道的允许带宽）、信道的允许带宽散射信道是典型的多径信道。由于信源信号到达终端所经过散射信道是典型的多径信道。由于信源信号到达终端所经过的路

10、程不同，因而各路径信道到达接收点的时间也不相同，的路程不同，因而各路径信道到达接收点的时间也不相同，结果信号脉冲被展宽，这种现象称为时间扩散简称多径时散。结果信号脉冲被展宽，这种现象称为时间扩散简称多径时散。这样信道的允许带宽与最大多径时延的关系为这样信道的允许带宽与最大多径时延的关系为BBc（3）空间分集）空间分集 多幅处于不同位置的天线同时接收多幅处于不同位置的天线同时接收（天线阵） d3（4）时频分集）时频分集 (混合分集之一混合分集之一) （5）其它：角度分集，极化分集。）其它：角度分集，极化分集。 4. 4. 3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善第 4 章例如：四时四频分集例如：

11、四时四频分集 信息代码信息代码 时频编码时频编码 00 f1、f2、f3、f4 将一个四进制码元宽度时间将一个四进制码元宽度时间Ts等分等分 01 f2、f1、f4、f3 为为4个时间段，分别传输个时间段，分别传输4个载频，不个载频，不 10 f3、f4、f1、f2 同代码传输顺序不同。在同代码传输顺序不同。在Ts内只要能内只要能 11 f4、f3、f2、f1 正确接收到一个频率，就可判断在正确接收到一个频率，就可判断在Ts 内传输的信息代码。内传输的信息代码。第 4 章2 2合并方法合并方法 所谓合并就是根据某种方式把得到的所谓合并就是根据某种方式把得到的N N个独立衰落信号相加后个独立衰落

12、信号相加后合并输出，从而获得分集增益。（中频、基带）合并输出，从而获得分集增益。（中频、基带）假设假设N N个独立衰落信号分别：个独立衰落信号分别：r r1 1(t)(t)、 r r2 2(t) (t) 、 r rN N(t),(t),则合并则合并器输出为：器输出为：r(t)=ar(t)=a1 1r r1 1(t)+ a(t)+ a2 2r r2 2(t)+a(t)+aN N r rN N(t)(t)a ai i 第第i i 个信号的加权系数个信号的加权系数（1）最佳选择式）最佳选择式 选信噪比最好的一个作为接收信号。选信噪比最好的一个作为接收信号。（2）等增益相加）等增益相加 将各信号以相同

13、增益放大、相加。将各信号以相同增益放大、相加。（3）最大比相加）最大比相加 将各信号以信噪比成正比地放大、相加。将各信号以信噪比成正比地放大、相加。效果：（效果：（3）最好，（）最好，（1）最差。）最差。 第 4 章（1 1）最佳选择式）最佳选择式 选信噪比最好的一个作选信噪比最好的一个作为接收信号。为接收信号。接收机1接收机2二重分集选择式合并第 4 章（2 2）等增益相加）等增益相加 将各信号以相同增益放将各信号以相同增益放大、相加。大、相加。接收机1接收机2第 4 章（3 3）最大比相加最大比相加 将各信号以信噪比成正将各信号以信噪比成正比地放大、相加。比地放大、相加。接收接收机机1接收

14、接收机机2第 4 章 4. 5 信道的加性噪声信道的加性噪声干扰干扰：对有用信号有害的各种波形的总称。：对有用信号有害的各种波形的总称。噪声噪声：可用随机过程描述的干扰。：可用随机过程描述的干扰。不能准确预测其波形不能准确预测其波形一、加性噪声的来源一、加性噪声的来源1、人为噪声、人为噪声来源于无关的其他信号源。来源于无关的其他信号源。如：外台信号、接触不良的触点等，由不希望有的信号源引起如：外台信号、接触不良的触点等，由不希望有的信号源引起的。的。2.自然噪声自然噪声来自于大自然。由自然界存在的各种电磁波源引起。来自于大自然。由自然界存在的各种电磁波源引起。如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声

15、、大气干扰及宇宙噪声如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声、大气干扰及宇宙噪声等。等。 3.内部噪声内部噪声系统设备本身产生的各种噪声。系统设备本身产生的各种噪声。如：电阻中自由电子的热运动、半导体中载流子如：电阻中自由电子的热运动、半导体中载流子(电子和空穴电子和空穴)的随机产生与复合等。是元器件内部固有的噪声。的随机产生与复合等。是元器件内部固有的噪声。第 4 章二、噪声的性质分类二、噪声的性质分类单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。本章重点介绍起伏噪声。单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。本章重点介绍起伏噪声。三、起伏噪声三、起伏噪声1、热噪声、热噪声1）、产生原因：在电阻一类导体中自由电子的布郎运动引

16、起）、产生原因：在电阻一类导体中自由电子的布郎运动引起的噪声。的噪声。2）、特点：服从高斯分布，且具有均匀的功率谱密度。）、特点：服从高斯分布，且具有均匀的功率谱密度。2、散弹噪声、散弹噪声1）、产生原因：真空电子管和半导体器件中电子发射的不均）、产生原因：真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起。匀性引起。2）、特点：服从高斯分布）、特点：服从高斯分布3、.宇宙噪声宇宙噪声1）、产生原因：天体辐射波对接收机形成的噪声。）、产生原因：天体辐射波对接收机形成的噪声。2）、特点：）、特点：20 300MHz内，强度与频率的三次方成反比，内，强度与频率的三次方成反比，服从高斯分布；具有平坦的功

17、率谱密度。服从高斯分布；具有平坦的功率谱密度。注意：通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声注意：通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声的集中表示。通常把加性噪声的主要代表的集中表示。通常把加性噪声的主要代表起伏噪声理解成热起伏噪声理解成热噪噪 声、散弹噪声、宇宙噪声的集中表示。均为高斯白噪声。声、散弹噪声、宇宙噪声的集中表示。均为高斯白噪声。第 4 章n(t)：白噪声。：白噪声。双边带功率谱密度双边带功率谱密度Pn（f） 单边带功率谱密度单边带功率谱密度Pn（f）n0/2ffn000 N不可能为无穷大，故白噪声的频率范围应是有限的。不可能为无穷大，故白噪声的频率范围应是有限

18、的。-dffpNn)(噪声功率第 4 章带通型噪声的功率谱密度：带通型噪声的功率谱密度：接收滤波器解调n(t)ni(t)BPFBPFfni(t)的功率谱密度ffc0Pni(t)Pni(f0)Bnfc噪声带宽Bn0)()(cninnifPNBdffPNiiBn 为等效噪声带宽，其物理意义是：为等效噪声带宽，其物理意义是：白噪声通过实际带通滤波器的效果与白噪声通过实际带通滤波器的效果与通过宽度为通过宽度为Bn ，高为，高为Pni（f0）的矩形）的矩形滤波器的效果一样。滤波器的效果一样。第 4 章4. 6 信道容量的概念信道容量的概念信道容量：信道的最大（极限）传输能力信道容量：信道的最大（极限）传

19、输能力定义定义：信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量，记为：信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量，记为C。离散信道：输入输出为离散信号；离散信道：输入输出为离散信号；连续信道：输入输出为连续信号；连续信道：输入输出为连续信号；一、一、 离散信道的信道容量离散信道的信道容量 信道模型用转移概率来表示。信道模型用转移概率来表示。如图所示。如图所示。 图中：图中：P(x)发送信道的概率；发送信道的概率；P(y)是接收信号的概率；是接收信号的概率；P(yi/xi)是转移概率，是转移概率，i=1,2,m，它是发送为，它是发送为xi，而收到的是而收到的是yi的概率。的概率。 第 4 章接收

20、端接收到的信息量（信息论中称为互信息）为接收端接收到的信息量（信息论中称为互信息）为单位是单位是 比特比特/符号。符号。公式中：公式中： I ：接收端接收到的平均信息量；：接收端接收到的平均信息量； H（x）：未发送符号前对：未发送符号前对xi的不确定度；即每个符号的平均的不确定度；即每个符号的平均信息量。信息量。H(x/y) ：收到符号：收到符号yi后对后对xi的不确定度；即输出符号已知时，的不确定度；即输出符号已知时，输入符号的平均信息量，也即平均丢失信息量。输入符号的平均信息量，也即平均丢失信息量。 信息传输速率信息传输速率R：是指信道在单位时间内所传输的平均信息量，：是指信道在单位时间

21、内所传输的平均信息量，单位是单位是 比特比特/秒。秒。若码元传输速率是若码元传输速率是r，则，则R与与I的关系如下：的关系如下：第 4 章讨论分析讨论分析： 显然显然R与与r、信息源的概率分布以及信道干扰的概率、信息源的概率分布以及信道干扰的概率分布有关。对某个给定信道，干扰的概率分布应当分布有关。对某个给定信道，干扰的概率分布应当认为是确定的，如果此时认为是确定的，如果此时r一定，则一定，则R仅与信息源的仅与信息源的概率分布有关。概率分布有关。 当无噪声时，当无噪声时， （3.10-3） 当噪声很大时，当噪声很大时， （3.10-4） 离散信道的信道容量定义离散信道的信道容量定义：对于一切可能的信息源：对于一切可能的信息源概率分布来说，信道传输信息的速率概率分布来说，信道传输信息的速率R的最大值称为的最大值称为信道容量，用信道容量，用C表示，即表示，即第 4 章二、二、 连续信道的信道容量连续信道的信道容量香农（香农（Shannon）公式：连续信道中的信道容量）公式：连续信道中的信道容量C为为 式中：式中：B为信道的带宽；为信道的带宽；S为信号的功率；为信号的功率；N为信道加性高斯白噪声的功率。为信道加性高斯白噪声的功率。 物理