河北科技大学 通信原理

1、2022-7-3CP 第一章 绪论1第一章绪论 2022-7-3CP 第一章 绪论2第一章绪论第一章绪论n1.11.1引言引言 n1.2 1.2 通信系统模型通信系统模型 n1.31.3通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式n1.41.4信息及其度量信息及其度量 n1.5 1.5 通信系统的性能指标通信系统的性能指标 2022-7-3CP 第一章 绪论3.1.1引言引言 n1、通信概念：信息的传递过程称为通信.n2、通信网概念： 为了完成多用户中任意两个用户之间信源与信宿之间的通信过程, 一般需要建立一个网络，这个多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。 2022-7-3CP 第一

2、章 绪论4.1.1引言引言 （续）n3、通信网的构成、通信网的构成n1）终端设备：电话、电报、监视器（摄像头）等n2）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等n3）交换设备：程控交换、ATM交换、光交换等n4）协议和准则2022-7-3CP 第一章 绪论51.2 通信系统模型通信系统模型 n121 通信系统模型n基于点与点之间的通信系统的模型可用图 1 .2- 1 来描述。信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端图 1.2 - 1通信系统的一般模型2022-7-3CP 第一章 绪论61.2.1 通信系统模型-信源n信源信源 是消息的产生地， 其作用是把各种消息转换成原始电信号(基带信号)。

3、n发送设备发送设备 的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号(如已调信号）。n信道信道 是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间）， 在有线信道中，信道可以是明线、 电缆、波导或光纤。2022-7-3CP 第一章 绪论71.2.1 通信系统模型-发送设备n噪声源噪声源n接收设备接收设备n信宿信宿n图 1 .2- 1 概括地描述了一个通信系统的组成， 它反映了通信系统的共性，因此称之为通信通信系统的一般模型系统的一般模型。2022-7-3CP 第一章 绪论81.2.2 模拟通信模型和数字通信模型模拟通信模型和数字通信模型n信源发出

4、的消息可分为连续消息和离散消息两大类：n连续消息连续消息n离散消息离散消息n消息消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的， 即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位； 脉冲波的幅度、宽度或位置）。2022-7-3CP 第一章 绪论91.2.2 模拟通信模型和字通信模型模拟通信模型和字通信模型n 按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号：n模拟信号模拟信号 图 1 .2- 2(a)所示的信号。 n数字信号数字信号 图 1 .2- 3(a)所示的信号。2022-7-3CP 第一章 绪论101.2.2 模拟通信模型和数字通信模型模拟通信模型和数字通信模型Of (t

5、)t(a )f (n T )tPAM信号(b )O 图 1. 2 2 模拟信号波形 (a) 连续信号； (b) 抽样信号2022-7-3CP 第一章 绪论111.2.2模拟通信模型和数字通信模型模拟通信模型和数字通信模型100110111001Of (nT )t00111001数字信息PSK波形(a )(b ) 图 1.2 -3数字信号波形 (a) 二进制波形； (b) 2PSK波形2022-7-3CP 第一章 绪论121.2.2模拟通信模型和数字通信模型模拟通信模型和数字通信模型n按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号， 可相应地把通信系统分为模拟通信系统模拟通信系统和数字通信系统数字通信系

6、统。 1. 模拟通信系统模型模拟通信系统模型 模拟通信系统模型可由图 1.2 - 1 略加演变而成， 如图 1.2 - 4 所示。图中的调制器和解调器就代表图 1.2 - 1 中的发送设备和接收设备。2022-7-3CP 第一章 绪论131. 模拟通信系统模型模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源图 1.2-4 模拟通信系统模型2022-7-3CP 第一章 绪论141. 模拟通信系统模型模拟通信系统模型n模拟通信的主要特点1） 抗干扰能力差n2） 不易于保密通信n3） 设备不易于大规模集成n4） 不适应飞速发展的计算机通信的要求n5） 简单、易于实现。2022-7-3CP 第一章

7、绪论152 数字通信系统模型数字通信系统模型信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统， 如图 1.2 - 5 所示。图 1.2 5 数字通信系统模型2022-7-3CP 第一章 绪论162 数字通信系统模型数字通信系统模型n数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、 同步以及加密等。n1) 信源编码与译码信源编码与译码n2）信道编码与译码）信道编码与译码n3）加密与解密）加密与解密n4）数字调制与解调）数字调制与解调n5）同步与数字复接）同步与数字复接2

8、022-7-3CP 第一章 绪论173. 数字通信的主要特点数字通信的主要特点其优点优点：n（1） 抗干扰能力强；n（2） 差错可控，； n（3） 易于与各种数字终端接口； n（4） 易于集成化； n（5） 易于加密处理。n不足不足：n（1）占用带宽大；n（2）需要同步。2022-7-3CP 第一章 绪论181.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式n按通信业务分按通信业务分: 话务通信和非话务通信。n按调制方式分类按调制方式分类: 基带传输和频带（调制）传输。n按信号特征分类按信号特征分类: 模拟信号还是数字信号n按传输媒质分类按传输媒质分类: 有线通信系统和无线通信系统n按工作波

9、段分类按工作波段分类n按信号复用方式分类按信号复用方式分类: 频分复用、时分复用和码分复用。2022-7-3CP 第一章 绪论19表表 1- 1常见的调制方式常见的调制方式 调 制 方 式 用途 连续波调制线性调制常规双边带调制广播 抑制载波双边带调幅 立体声广播 单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅VSB 电视广播、 数传、 传真 非线性调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播 相位调制PM 中间调制方式 数字调制幅度键控ASK 数据传输 相位键控数据传输 2022-7-3CP 第一章 绪论20 调 制 方 式 用途 脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、 DPSK、 Q

10、PSK等 数据传输、 数字微波、 空间通信 其他高效数字调制QAM、 MSK等 数字微波、 空间通信 脉冲模拟调制脉幅调制PAM 中间调制方式、 遥测 脉宽调制PDM(PWM) 中间调制方式 脉位调制PPM 遥测、 光纤传输 脉冲数字调制脉码调制PCM 市话、 卫星、 空间通信 增量调制DM 军用、 民用电话 差分脉码调制DPCM 电视电话、 图像编码 其他语言编码方式ADPCM、 APC、 LPC 中低速数字电话 续表（续表（2）2022-7-3CP 第一章 绪论21表表 1 2 通信波段与常用传输媒质通信波段与常用传输媒质频率范围 波长 符号 传输媒质 用途3 Hz30 kHz 10410

11、8 m 甚低频VLF 有线线对长波无线电 音频、电话、数据终端长距离导航、时标 30300 kHz 103104 m 低频LF 有线线对长波无线电 导航、 信标、 电力线通信 300 kHz3 MHz 102103 m 中频MF 同轴电缆短波无线电 调幅广播、移动陆地通信、业余无线电 330 MHz 10102 m 高频HF 同轴电缆短波无线电 移动无线电话、 短波广播定点军用通信、 业余无线电 30300 MHz 110 m 甚高频VHF 同轴电缆米波无线电 电视、 调频广播、 空中管制、 车辆、 通信、 导航 2022-7-3CP 第一章 绪论22续表（续表（2）频率范围 波长 符号 传输

12、媒质 用途300 MHz3 GHz 10100 cm 特高频UHF 波导分米波无线电 微波接力、 卫星和空间通信、 雷达 330 GHz 110 cm 超高频SHF 波导厘米波无线电 微波接力、 卫星和空间通信、 雷达 30300 GHz 110 mm 极高频EHF 波导毫米波无线电 雷达、 微波接力、 射电天文学 107108 GHz 310-5 310-4 cm 紫外可见光红外 光纤激光空间传播 光通信 2022-7-3CP 第一章 绪论231.3.2通信方式通信方式n通信过程中涉及通信方式与信道共享问题。 下面只对通信方式作一简单介绍。 n1 按消息传递的方向与时间关系分按消息传递的方向

13、与时间关系分n对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系， 通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。n 2 按数字信号排列顺序分按数字信号排列顺序分n在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输并行传输和串行传输串行传输。2022-7-3CP 第一章 绪论241.4 信息及其度量信息及其度量n信号是消息的载体，而信息是其内涵。n任何信源产生的输出都是随机的。n信息含量就是对消息中这种不确定性的度量.n事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。n消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。2022-7-3CP 第一章 绪论25n假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉

14、的信息。n（1） 信息量是概率的函数， 即 I = fP(x)n（2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且nP(x)1时， I0； P(x)0时， In3） 若干个互相独立事件构成的消息， 所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+1loglog()()aaIp xp x= -2022-7-3CP 第一章 绪论26n信息量的单位与对数底数a有关。na=2时， 信息量的单位为比特(bit)；na=e时， 信息量的单位为奈特(nit)； na=10时，信息量的单位为哈特莱。目前广泛使用的单位为比特。2022-

15、7-3CP 第一章 绪论271.4 信息及其度量信息及其度量 等概等概n例 1 1 设二进制离散信源， 以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为nP=1/4的信息量为2比特nP=1/8的信息量为3比特nP=1/M的信息量为log2 M(bit) n若M是2的整幂次，n则22211(0)(1)logloglog 211( )2IIp x=2KM =221lo glo g2()1KIKb i tM=2022-7-3CP 第一章 绪论281.4 信息及其度量信息及其度量 非等概非等概 设离散信源是一个由n个符号组成的符号集， 其中每个符号xi(i=1, 2, 3, , n)出现的概率为

16、P(xi)， 且有 P(xi)=1, 则x1, x2, , xn 所包含的信息量分别为-log2 P(x1), -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为H(x)=P(x1)-log2 P(x1)+P(x2)-log2 P(x2)+P(xn)-log2 P(xn)=符号）/)(log)(21bitxpxpinii由于H同热力学中的熵形式一样， 故通常又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。2022-7-3CP 第一章 绪论291.5 主要性能指标主要性能指标n有效性和可靠性。n有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是

17、传输的“速度”问题；n而可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。n这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。2022-7-3CP 第一章 绪论30模拟通信系统主要性能指标主要性能指标n有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。n可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。 2022-7-3CP 第一章 绪论31数字通信系统主要性能指标主要性能指标n有效性可用传输速率来衡量。n可靠性可用差错率来衡量。2022-7-3CP 第一章 绪论321. 传输速率n 码元传输速率码元传输

18、速率RB简称传码率传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。 n例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。 n 数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:1()BRBT=2022-7-3CP 第一章 绪论33n在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系： n信息传输速率Rb简称传信率传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数。n单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。 22logBBMRRM( )B2022-7

19、-3CP 第一章 绪论34n码元速率和信息速率有确定的关系，即n式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。 等概传输时，熵有最大值 ，信息速率也达到最大，即nn二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率数码率。2log()bBRRM b s2log M. ()bBRR H b s2022-7-3CP 第一章 绪论35频带利用率( /)BRB HzBh=/()bRb s HzBh=2022-7-3CP 第一章 绪论362. 差错率差错率n衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率， 常用误码率和误信率表示。 n误码率（码元差错率）Pen误信率（信息差错率）Pbn在二进制中有 P

20、b=Peep =错误码元数传输总码元数bp =错误比特数数传输总比特数2022-7-3CP 第一章 绪论37第二章 随机信号分析2.1 随机过程的基本概念2.2 平稳随机过程2.4 高斯过程2.5 窄带随机过程2.6 随机过程通过线性系统2022-7-3CP 第一章 绪论382.1 随机过程的基本概念n随机过程是时间t的函数n在任意时刻观察，它是一个随机变量n随机过程是全部可能实现的总体 2022-7-3CP 第一章 绪论392022-7-3CP 第一章 绪论40分布函数与概率密度：n设 表示一个随机过程， （t1为任意时刻）是一个随机变量。 F1（x1，t1）=P x1 的一维分布函数n如果

21、存在n n则称之为 的一维概率密度函数 )(t)(1t)(1t)(t),(),(1111111txfxtxF)(t2022-7-3CP 第一章 绪论41 的n维分布函数n维概率密度函数 n越大，Fn，fn描述 的统计特性就越充分nnnnnxtxtxtPtttxxxF)(,)(,)(),;,(22112121nnnnnxxxtttxxxF212121),;,(),;,(2121nnntttxxxf)(t)(t2022-7-3CP 第一章 绪论42数学期望与方差 E = D =E -E 2 =E 2-E 2 =协方差函数与相关函数 用来衡量任意两个时刻上获得的随机变量的统计相关特性协方差 B（t1

22、,t2）=E -a（t1） -a（t2）=)(),(1tadxtxxf)(t)(2t)(t)(t)(t)(t)(t)(11tax)(1t)(2t212121222),;,()(dxdxttxxftax 2022-7-3CP 第一章 绪论43相关函数 R（t1，t2）=E =B（t1，t2）=R（t1，t2）-E E ， 表示两个随机过程互协方差函数 互相关函数212121221),;,(xddxttxxfxx)(1t)(2t)(1t)(2t)(t)(t),(21ttB)()()()(2211tattatE)()(),(2121ttEttR2022-7-3CP 第一章 绪论442.2 平稳随机过

23、程任何n维分布函数或概率密度函数与时间起点无关),;,(2121nnntttxxxf),;,(2121nnntttxxxf任意的n和 因此，一维分布与t无关，二维分布只与t1，t2间隔有关。均值 （2）方差 （3）相关函数 R（t1，t2）= （4）（1）dxtxxftE),()(adxxxf)(2)()(tatEdxtxfax),()(222)()(dxxfax212121221),;,(xddxttxxfxx)()(21RttR2022-7-3CP 第一章 绪论45均值，方差与时间无关相关函数只与时间间隔有关满足（2），（3），（4）广义平稳（宽平稳）满足（1） 狭义平稳 （严平稳） 时间

24、平均：取一固定的样本函数（实现）对时间取平均 x（t）为任意实现22)(1limTTTadttxT2222)(1limTTTdtatxT22)()()(1limTTTRdttxtxT2022-7-3CP 第一章 绪论46平稳随机过程 ，其实现为x1（t），x2（t），xn（t），如其时间平均都相等，且等于统计 平均， 即 a= 则称平稳随机过程 具有各态历经性。 各态历经性可使统计平均转化为时间平均，简化计算。)(ta22)()(RR)(t2022-7-3CP 第一章 绪论47相关函数与功率谱密度)(t 为实平稳随机过程，其自相关函数性质：（1） R（0）=E =S 的平均功率（2） R（ ）

25、=R（- ） R（ ）是偶函数（3） )(2t)(t)0()(RR证明：2)()(ttE)()()(2)(22ttttE)()(2)0(2ttER0)(2)0(2RR)()0(RR2022-7-3CP 第一章 绪论48（4） 的直流功率（5） 的交流功率 任意确定功率信号f（t），功率谱密度)(t)(t)()(2tER2)()0( RR)(SPTFPTTS2)(lim)()(TF 是fT（t）（f（t）截短函数）的频谱函数随机过程的功率谱密度应看作是每一可能实现的功率谱的统计平均， 某一实现之截短函数)()(TTFt)(tTFEPEPTTS2)(lim)()()()(RPdPS)(212022

26、-7-3CP 第一章 绪论492.3高斯过程 任意的n维分布都服从正态分布的随机过程n一维概率密度函数 a 数学期望， 均方差， 方差nf（x）关于 x=a 对称nf（x）在 单调上升， 单调下降 或 n 且有 )2)(exp(21)(22axxf2),(a),(axx0)(xf1)(dxxf21)()(aadxxfdxxf2022-7-3CP 第一章 绪论502022-7-3CP 第一章 绪论51分布函数 n概率积分函数n误差函数n互补误差函数dzazxFx2)(exp21)(22)()(axxF)2(211)2(2121)(axerfcaxerfxFax ax dzzxx)2exp(21)

27、(2xzdzexerf022)(xzdzexerfxerfc22)(1)(2022-7-3CP 第一章 绪论522.4 窄带随机过程窄带：信号频谱被限制在“载波”或某中心频率附近一个窄的频带上，中心频率远离零频)(Scfcf动画2022-7-3CP 第一章 绪论53 n 同相分量n 正交分量n 为零均值，平稳高斯窄带，确定 统计特性)(cos)()(tttatc0)(tatttttcsccsin)(cos)()()(cos)()(ttatc)(sin)()(ttats)(t)(ta)(t)(tc)(ts2022-7-3CP 第一章 绪论54结论1：n推导：由于 平稳，零均值，即任意t，均有0)

28、()(tEtEscttEttEtEcsccsin)(cos)()()(t0)(tE0)()(tEtEsc2022-7-3CP 第一章 绪论55结论2：同一时刻 不相关，或统计独立。 cs0)0(csR0)0(scR),(ttR)()(ttE)()(ttEcc)(coscosttcc)()(ttEsc)(sincosttcc)()(ttEcs)(cossinttcc)()(ttEss)(sinsinttcc),(ttRc),(ttRsc),(ttRcs),(ttRs平稳)(t)(),(RttR2022-7-3CP 第一章 绪论56令 t=0n显然要求n令 同理可得ctttRRccos),()(0

29、ctttRscsin),(0)(),(ccRttR)(),(scscRttRccsccRRRsin)(cos)()(ct2cccssRRRsin)(cos)()(（1）（2）2022-7-3CP 第一章 绪论57由（1），（2）可得n根据互相关函数的性质，应有 是 的奇函数 有 同理可证 即同一时刻 不相关，或统计独立。)()(scRR)()(csscRR)()(csscRR)()(cscsRR（3）)(csR0)0(csR0)0(scRcs2022-7-3CP 第一章 绪论58由（1），（2）还可得 平均功率相等即 方差相等结论3： ， 是高斯过程 证：当)0()0()0(scRRR222s

30、c)(tc)(ts01t)()(11ttcct22)()(22tts)(1tc)(2ts故：是高斯随机变量。)(tc)(ts是高斯过程2022-7-3CP 第一章 绪论59重要结论：n均值为零的窄带平稳高斯过程，其同相分量和正交分量同样是平稳随机过程，均值为零，方差相同，在同一时刻得到的 及 不相关，或统计独立。 cs2022-7-3CP 第一章 绪论60 统计特性n 服从瑞利分布n 服从均匀分布)(),(ttaa2exp)(222aaaf0a21)(f202022-7-3CP 第一章 绪论61理想的宽带过程白噪声n n0为常数n白噪声的自相关函数仅在 时才不为零，故白噪声只有在 时才相关，在

31、任意两个时刻上随机变量都不相关。 2)(0nP)(2)(0nR002022-7-3CP 第一章 绪论62带限白噪声n对带限白噪声按抽样定理抽样，则各抽样值是互不相关的随机变量)(p20n0f0f2022-7-3CP 第一章 绪论63021f021f2022-7-3CP 第一章 绪论642.5随机过程通过线性系统 线性系统响应v0（t），输入vi（t），冲激响应h（t）n线性系统是物理可实现的，则 或当输入是随机过程 时，输出为dthvtvi)()()(0)()()(0ivHvdthvtvti)()()(0dtvhtvi00)()()()(ti)(0t00)()()(dthti2022-7-3C

32、P 第一章 绪论65假定输入 是平稳随机过程，考察 的特性)(ti)(0t)(0tE00)()()(dthEtEi0)()(dtEhi0)()(dhtEi000)()()0(dtethHHtj0)(dtth)0()()(0HtEtEi1、2022-7-3CP 第一章 绪论662、 的自相关函数n由平稳性 n输出过程是广义平稳的。)(0t),(110ttR),(110ttR)()(1010ttE01)()(dthEi01)()(dthi010)()()(tEhhiddti)(1)()()(11iiiRttE),(110ttR)()()()(000RddRhhi2022-7-3CP 第一章 绪论6

33、73、 的功率谱密度n令 则)(0t)(0P)(0PdeRj)(0deRhhddji)()()(00)(0P00)()(dehdehjjdeRji)()()()(*iPHH)()(2iPH2022-7-3CP 第一章 绪论684、输出过程 的分布n将 改写为和式： 可知：若 为正态随机变量 也为正态随机变量 高斯过程经线性变换后的过程仍为高斯的。)(0t00)()()(dthtikkkkihttk)()(lim)(000)(ti)(0t2022-7-3CP 第一章 绪论69第三章第三章 信信 道道n3.1 引言引言n3.2 信道定义及信道数学模型信道定义及信道数学模型n3.3 恒参信道特性及其

34、对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响n3.4 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n3.5 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n3.6 信道的加性噪声信道的加性噪声n3.7 信道容量的概念信道容量的概念 2022-7-3CP 第一章 绪论703.1 引引 言言 广义信道按包含的功能，可划分为广义信道按包含的功能，可划分为与与，如图所示如图所示。信道信道（信号通道）（信号通道）狭义信道：信号的传输媒质狭义信道：信号的传输媒质广义信道：媒质及有关变换装置广义信道：媒质及有关变换装置（发送、接受设备，天线、馈线，调制解调（发送、接受设备，天

35、线、馈线，调制解调器等）器等） 有线信道有线信道无线信道无线信道2022-7-3CP 第一章 绪论71编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编码信道调制信道只关心变换的最终结果，而无需关只关心变换的最终结果，而无需关 心心详细的物理过程。详细的物理过程。指图中调制器输出端到解调器输入端的部分，指图中调制器输出端到解调器输入端的部分， 又称模拟信道。研究调制和解调时，常用调制信道。又称模拟信道。研究调制和解调时，常用调制信道。指图中编码器输出端到译码器输入端的部分，指图中编码器输出端到译码器输入端的部分，有时又称数字信道有时又称数字信道/离散信道。离散信道。2022-7-3CP 第

36、一章 绪论723.2 信信 道道 数数 学学 模模 型型 调制信道模型调制信道模型n调制信道具有如下调制信道具有如下 1 1）输入端与输出端是一一对应的；）输入端与输出端是一一对应的； 2 2）绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；3 3）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到受到( (固定或时变的固定或时变的) )损耗；损耗；4 4）即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功率输出。率输出。2022-7-3CP 第一章 绪论73 tntetkteio则二对端

37、数学模型可以写为则二对端数学模型可以写为其中，其中，n(t)为独立存在的为独立存在的；k(t)依赖于网络的特性，依赖于网络的特性， 反映网络反映网络特性对特性对 的作用。的作用。 tetki teik(t)的存在，对的存在，对 来说是一种干扰，通常来说是一种干扰，通常称为称为。 tei：系统内的参数不随时间变化的系统，即恒参系统内的参数不随时间变化的系统，即恒参系统；系统；系统内的参数随时间变化的系统，也称变参系统内的参数随时间变化的系统，也称变参( (随参随参) )系统。系统。 2022-7-3CP 第一章 绪论74(a)二对端调制信道模型二对端调制信道模型 2022-7-3CP 第一章 绪

38、论75(b)多对端调制信道模型多对端调制信道模型 2022-7-3CP 第一章 绪论76 在分析乘性干扰在分析乘性干扰k(t)，可以把信道粗略分为两大，可以把信道粗略分为两大类：类：恒参信道：恒参信道：指指k(t)可看成不随时间变化或相对于信道上可看成不随时间变化或相对于信道上传输信号的变化较为缓慢的调制信道（常传输信号的变化较为缓慢的调制信道（常可等效为一个可等效为一个线性时不变线性时不变网络来分析）。网络来分析）。 随参信道：随参信道：是非恒参信道的统称，或者说，是非恒参信道的统称，或者说， k(t)是随是随机变化的调制信道。机变化的调制信道。 2022-7-3CP 第一章 绪论77 编码

39、信道模型编码信道模型 2022-7-3CP 第一章 绪论781001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1) 图图3-3 二进制编码信道模型二进制编码信道模型xy2022-7-3CP 第一章 绪论79 在此模型中，在此模型中，假设解调器每个输出码元的差错发生假设解调器每个输出码元的差错发生是相互独立的，是相互独立的， P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)、P(1/0)称为称为。其中。其中P(0/0) 与与P(1/1)是正确转移的概率，是正确转移的概率， 而而P(0/1)与与 P(1/0)是错误转移概率。是错误转移概率。需要注意：需要注意：。一个特。一个特定的编码信道，有确定的转移概

40、率。定的编码信道，有确定的转移概率。1001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1) 图图3-3 二进制编码信道模型二进制编码信道模型xy2022-7-3CP 第一章 绪论80误码率误码率为 P Pe e=P(0)=P(0)P(1/0)+P(1)P(1/0)+P(1)P(0/1)P(0/1) 二进制编码信道模型的二进制编码信道模型的转移概率矩阵转移概率矩阵为：为： P(yi/xi)=P(0/0) P(1/0) P(0/1) P(1/1) 2022-7-3CP 第一章 绪论81恒参信道特性恒参信道特性ei（t）h(t)eo(t)=ei(t)*h(t) +n(t)n(t)3.3 恒参信道特

41、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2022-7-3CP 第一章 绪论82 h(t)=K0(t-td) 若输入信号为若输入信号为ei(t)， 则则 eo(t)=K0 ei (t-td)由此可见，由此可见， ： (1) 对信号在幅度上产生固定的衰减；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。对信号在时间上产生固定的迟延。 无失真传输。无失真传输。 2022-7-3CP 第一章 绪论83理想信道的幅频特性、理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延相频特性和群迟延频率特性频率特性 OK0|H( )| O ( ) tdOtd a 幅频特性幅频特性 b 相频特

42、性相频特性 c 群迟延群迟延特性特性 dd其中群迟延特性为其中群迟延特性为在整个信号频带范围之内：在整个信号频带范围之内：和和为为；。只对只对ei(t)的不同频的不同频率成份进行相同的率成份进行相同的幅度衰减和时延。幅度衰减和时延。2022-7-3CP 第一章 绪论84中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真：中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真： 如果信道的幅度如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生则会使信号产生； 如果信道的相位如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内不是频率特性在信号频带范围之内不是的的线性函数，线

43、性函数， 则会使信号产生则会使信号产生。 2022-7-3CP 第一章 绪论85幅度幅度频率畸变频率畸变 由有线电话信道中可能存在的由有线电话信道中可能存在的信道的幅度频率信道的幅度频率特性不理想所引起的，又称为特性不理想所引起的，又称为。一般典型音频电话一般典型音频电话信道可用图信道可用图3-4所示的所示的 幅度频率特性曲线幅度频率特性曲线近近似表示。似表示。 频率频率(Hz)0 300 1100 2900衰衰耗耗(dB) 图图3-4 典型音频电话信道的相对衰耗典型音频电话信道的相对衰耗2022-7-3CP 第一章 绪论86n 产生的影响产生的影响 对于模拟信号：造成波形失真对于模拟信号：造

44、成波形失真对于数字信号：造成码间串扰对于数字信号：造成码间串扰 引起相邻码元波形在时间上的相互重叠引起相邻码元波形在时间上的相互重叠n 克服措施克服措施 改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效 传输带宽内平坦；传输带宽内平坦；增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变得平坦；得平坦； 2022-7-3CP 第一章 绪论87相位频率畸变 信道中的各种滤波器及可能有的加感线信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈，尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。圈，尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。是指信道的相位是指信道的相

45、位-频率特性频率特性偏离线性关系所引起的畸变。偏离线性关系所引起的畸变。 常采用常采用相位相位-频率特性对频频率特性对频率的导数率的导数)来衡量；若相位来衡量；若相位-频率特性用频率特性用()来表来表示，则群迟延示，则群迟延-频率特性频率特性 dd2022-7-3CP 第一章 绪论88 对理想信道，对理想信道， 呈现性关系，呈现性关系， ( (为常数为常数)的的曲线将是一条水平直线，如图曲线将是一条水平直线，如图3-53-5。实际典型的电话信实际典型的电话信道的群迟延道的群迟延- -频率特性如图频率特性如图3-63-6。 图图3-5 理想的相位理想的相位频率特性频率特性及群延迟及群延迟频率特性

46、频率特性 =K 0 K0 0.8 1.6 2.4 3.20.20.40.60.81.0ms频率频率(kHz)图图3-6 群延迟群延迟频率特性频率特性2022-7-3CP 第一章 绪论89 非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变变,如图如图3-7。 群迟延畸变和幅频畸变一样，是群迟延畸变和幅频畸变一样，是。因此，。因此，也可采取均衡措施进行补偿。也可采取均衡措施进行补偿。 2022-7-3CP 第一章 绪论903.4 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 随参信道及其主要特性随参信道及其主要特性 在此以在此以（10m10

47、m100m100m的无线电波）的无线电波）为例对随参信道进行简单介绍，其传输路径为例对随参信道进行简单介绍，其传输路径如图。如图。 2022-7-3CP 第一章 绪论91是指离地面高是指离地面高60600km的大气层。当短的大气层。当短波电磁波经过时经反射、折射完成远距离的反射传输，波电磁波经过时经反射、折射完成远距离的反射传输，同时也受到衰减、延时等影响。同时也受到衰减、延时等影响。 动画演示(a) (b)2022-7-3CP 第一章 绪论92随参信道主要具有随参信道主要具有： 多径传播后的接收信号将是衰减和时延多径传播后的接收信号将是衰减和时延都随时间变化的各条路径的信号的合成。都随时间变

48、化的各条路径的信号的合成。 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化；传输的时延随时间而变化； 多径传播。多径传播。2022-7-3CP 第一章 绪论93引起多径传播的主要原因引起多径传播的主要原因2022-7-3CP 第一章 绪论94多径传输的影响多径传输的影响(主要从多径时延差的影响进行研究主要从多径时延差的影响进行研究)n 两径传输模型两径传输模型（设衰减相同）（设衰减相同） 设到达接收点的两路信号具有相同的强度和一个相设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对时延差。（设输入信号为。（设输入信号为f(t)=f(t)=Acos 0t ） 当

49、信号经过上图所示的两径传播后，其合成输出当信号经过上图所示的两径传播后，其合成输出信号将随着输入信号的频率、两径的时延差信号将随着输入信号的频率、两径的时延差的不同而的不同而变化，如下图。变化，如下图。2022-7-3CP 第一章 绪论95 常把多径传输对信号传输的影响称为常把多径传输对信号传输的影响称为和和。 tf输入输入of fF输入输入f2022-7-3CP 第一章 绪论96n 一般衰落及频率弥散一般衰落及频率弥散 当当0时，输出信号时，输出信号 包络和相位是缓慢变化包络和相位是缓慢变化的，可视为一个窄带过程的，可视为一个窄带过程( (见课本第见课本第2222页定义页定义) )： tr

50、tttVtri 0cos多径传播的结果使确定的载波信号多径传播的结果使确定的载波信号Acos 0t变成了包络和相位都受到调制的窄带信号，这样的信号变成了包络和相位都受到调制的窄带信号，这样的信号通常称之为通常称之为； 多径传输引起多径传输引起，即由单个频率变成，即由单个频率变成一个窄带频谱。一个窄带频谱。包络包络V(t)的一维分布服从瑞利分布，称为的一维分布服从瑞利分布，称为。 (t)的一维分布服从的一维分布服从。2022-7-3CP 第一章 绪论97n 频率选择性衰落频率选择性衰落 衰减大衰减大，是多径传播又一个重要特征。，是多径传播又一个重要特征。 仍然以两径传播为例，随着信号频率仍然以两

51、径传播为例，随着信号频率 的的改变，改变，输出信号的波形输出信号的波形(幅度幅度)也不相同。也不相同。 jtjeeVH100 2cos20 VH2022-7-3CP 第一章 绪论98如图如图: : 当当 （n为整数）时，出现传播为整数）时，出现传播； 当当 时，出现传输时，出现传输。 另外，相对时延差一般是随时间变化的，故传输特性另外，相对时延差一般是随时间变化的，故传输特性出现的零点与极点也是随时间变化的。出现的零点与极点也是随时间变化的。2n 1n22022-7-3CP 第一章 绪论99n 相关带宽相关带宽 多径传播中，频率选择性同样依赖于相对时延差。此时，相对时延多径传播中，频率选择性同

52、样依赖于相对时延差。此时，相对时延差（简称多径时延差）通常用差（简称多径时延差）通常用 m来表征，并用它来估算来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。传输零极点在频率轴上的位置。 mf1 为了不引起选择性衰落，传输信号的频带必须为了不引起选择性衰落，传输信号的频带必须小于多径传播媒质的相关频带小于多径传播媒质的相关频带 。 一般衰落及频率弥散和频率选择性衰落都是非线性畸变，一般衰落及频率弥散和频率选择性衰落都是非线性畸变，一旦产生很难采用一般方法将其消除掉一旦产生很难采用一般方法将其消除掉。 2022-7-3CP 第一章 绪论100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

53、n 分集接收的原理分集接收的原理 分集接收的分集接收的：分散得到几个：分散得到几个统计独立统计独立的合成信号并集中这些信号，那么经适当的合并后的合成信号并集中这些信号，那么经适当的合并后构成总的接收信号，就能使系统的性能大为改善。构成总的接收信号，就能使系统的性能大为改善。2022-7-3CP 第一章 绪论101n 分集接收的种类分集接收的种类 在接收端架设几副有足够的间距（在接收端架设几副有足够的间距（100个信号个信号波长以上）天线，以保证各天线上获得的信号基本相互独立。波长以上）天线，以保证各天线上获得的信号基本相互独立。用多个不同载频传送同一个消息，如果各载频用多个不同载频传送同一个消

54、息，如果各载频的频差相隔比较远，则各载频信号也基本互不相关。的频差相隔比较远，则各载频信号也基本互不相关。利用天线波束指向不同信号不相关的原理构成利用天线波束指向不同信号不相关的原理构成的一种分集方法。的一种分集方法。分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种极化方法。极化方法。2022-7-3CP 第一章 绪论102n 合并方法合并方法 从几个分散信号中从几个分散信号中选择其中信噪比最好的一个作为接收选择其中信噪比最好的一个作为接收信号；信号； 将几个分散的信将几个分散的信号以相同增益进行直接相加，相加号以相同增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号；

55、后的信号作为接收信号；使各支路增使各支路增益分别与其信噪比成正比，然后再益分别与其信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。相加获得接收信号。 图中图中n为分集重数，为分集重数，r为合为合并后输出信噪比的平均值。并后输出信噪比的平均值。2022-7-3CP 第一章 绪论1033.6 信道加性噪声信道加性噪声 调制信道对信号传输的影响，包括乘性干扰调制信道对信号传输的影响，包括乘性干扰k(t)和加性干扰和加性干扰n(t)。 tntetkteio 加性干扰加性干扰n(t)n(t)也称加性噪声，简称也称加性噪声，简称。 2022-7-3CP 第一章 绪论104 加性噪声来源与分类加性噪声来源与分类 n

56、来源来源 人为噪声人为噪声：来源于其它无关的信号源，如外台信号、：来源于其它无关的信号源，如外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射、荧光灯干扰等；开关接触噪声、工业的点火辐射、荧光灯干扰等；自然噪声自然噪声：自然界存在的各种电磁波源，如闪电、：自然界存在的各种电磁波源，如闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其它各种宇宙噪声等；大气中的电暴、银河系噪声及其它各种宇宙噪声等； 内部噪声内部噪声：系统设备本身产生的各种噪声，如导体：系统设备本身产生的各种噪声，如导体中自由电子的热运动（热噪声）、电源哼声等。中自由电子的热运动（热噪声）、电源哼声等。2022-7-3CP 第一章 绪论105n 根据特征分为

57、根据特征分为单频噪声单频噪声：占有频率很窄的连续波噪声；：占有频率很窄的连续波噪声；特点特点：可视为一个已调正弦波，其幅度、频率或可视为一个已调正弦波，其幅度、频率或者相位是事先不能预测的。但这种噪声占有极窄的频者相位是事先不能预测的。但这种噪声占有极窄的频带，在频率轴上的位置可以测量进而防止，因此并不带，在频率轴上的位置可以测量进而防止，因此并不是所有的通信系统中都存在。是所有的通信系统中都存在。如外台信号等。如外台信号等。 单频噪声单频噪声, ,脉冲噪声，脉冲噪声， 2022-7-3CP 第一章 绪论106 脉冲噪声脉冲噪声 ：时间上无规则地突发的短促噪声；：时间上无规则地突发的短促噪声；

58、特点特点：突发的脉冲幅度大，但持续时间短，相邻突发的脉冲幅度大，但持续时间短，相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段。有较宽的频突发脉冲之间往往有较长的安静时段。有较宽的频谱，但随频率升高能量降低。谱，但随频率升高能量降低。如工业上的点火辐射，闪电及偶然的碰撞和电气如工业上的点火辐射，闪电及偶然的碰撞和电气开关通断产生的噪声等。开关通断产生的噪声等。2022-7-3CP 第一章 绪论107 ：以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声代表的噪声 ； 特点特点：无论在时域还是频域内它们都是普遍存无论在时域还是频域内它们都是普遍存在和不可避免的；是影响通信质量的主要因素之

59、一，在和不可避免的；是影响通信质量的主要因素之一，是研究噪声的主要对象。是研究噪声的主要对象。2022-7-3CP 第一章 绪论108 起伏噪声来源起伏噪声来源n 热噪声热噪声 电电。n 散弹噪声散弹噪声 。 n 宇宙噪声宇宙噪声 。 2022-7-3CP 第一章 绪论109n 起伏噪声特点起伏噪声特点 ，且在相当宽的频谱内具有平坦的功，且在相当宽的频谱内具有平坦的功率谱密度率谱密度( (见课本第见课本第2525页定义页定义) ) ；( (见课本第见课本第5656页定义页定义) )；对于带宽为对于带宽为Bn的窄带高斯噪声，的窄带高斯噪声，它的功率谱它的功率谱密度密度 Pn( )在带宽在带宽Bn

60、内是平坦的。内是平坦的。 2022-7-3CP 第一章 绪论1103.7 信道容量信道容量：信道能够传输信息的最大传输速率，：信道能够传输信息的最大传输速率， 即信道的极限传输能力。即信道的极限传输能力。从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类：从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类： 输入和输出的信号都是取离散的时间函数；输入和输出的信号都是取离散的时间函数； 即广义信道中的编码信道；即广义信道中的编码信道；2022-7-3CP 第一章 绪论111 离散信道的信道容量离散信道的信道容量 n 离散信道模型离散信道模型 离散信道的模型可分为有噪声信道和无离散信道的模型可分为有噪声信道和