内蒙古大学通信原理课件第4章信道

1、第四章 信道本章主要内容 信道的定义、数学模型 恒参信道、随参信道特性及其对信号的影响 信道加性噪声 信道容量 4.1 引言信道：是信号的传输媒质，是通信系统的重要组成部分。狭义信道有线信道：明线、对称电缆、同轴线、光纤等。无线信道：各种电磁波传输方式。广义信道：除传输媒质，还包括各种相关的变换装置，如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等 。 4.2 信道定义调制信道：模拟信道，已调信号的传输。编码信道：数字信道，数字序列的传输。广义信道 4.3 信道的数学模型4.3.1 调制信道模型时变线性网络ei(t)eo(t)eo(t)=fei(t)+n(t)n(t)加性干扰设fei(t)=

2、k(t) ei(t)eo(t)=k(t) ei(t)+n(t)k(t)乘性干扰（各种畸变） 恒参信道： k(t)不随时间变化或基本不变化。 随参信道： k(t)随机快速变化。4.3.2 编码信道模型对信号的影响是一种数字序列的变换。编码信道可以用数字转移概率来描述。0110P(0/0)P(1/1)P(1/0)P(0/1)P(0/0)，P(1/1)正确转移概率P(1/0)， P(0/1)错误转移概率P(0/0)=1 P(1/0)P(1/1) =1 P(0/1)转移概率完全由编码信道的特性决定。输出的总错误概率为：如图为二进制无记忆编码信道模型无记忆信道：指每个输出符号只与当前的输入符号有关，而与

3、其他输入符号无关。4.4 恒参信道及其对信号传输的影响4.4.1 恒参信道举例1. 明线、对称电缆、同轴电缆对称电缆传输损耗较大；特性稳定，价格便宜，安装容易等。同轴电缆抗干扰性能好2 . 光纤信道一种极有前途的宽带大容量信道。影响光纤通信的两个重要因素：损耗、色散。光纤通信系统组成3. 无线电视距中继超短波、微波波段内特点：容量大、发射功率小、稳定可靠等。4 .卫星中继特点：容量大、传输稳定可靠、传输距离远、覆盖面广等。4.4.2 恒参信道对信号传输的影响将恒参信道等效为一个非时变线性网络。H()ei(t)eo(t)H()=| H() |ej()| H() |幅频特性（）相频特性群延迟| H

4、() |（）理想恒参信道的频域特性| H() |=常数（）= d理想恒参信道的时域特性（1）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延时。实际信道dB3001100f幅频畸变衰耗ms1.6f(KHz)群延迟畸变相对群延迟不同频率分量分别受到信道不同的衰减。对模拟通信影响较大，导致信号波形畸变，输出SNR下降。指不同频率分量分别受到信道不同的时延，对数字通信影响较大，会引起严重的码间干扰，造成误码。 在实际系统中常采用均衡的方法去补偿信道的传输特性。4.5 随参信道及其对信号传输的影响4.5.1 随参信道举例1. 短波电离层反射信道 短波:波长10010m（330MHz），地

5、波、天波传播路径：电离层反射工作频率选择：满足电离层反射 工作频率应小于最高可用频率； 在D、E层吸收较小最高可用频率 fMUF=f0sec0, 若ffMUF，则电磁波穿透电离层。2. 多径传播 多径传播会造成衰落现象。临界频率（ ）fMUF值随季节、昼夜会剧烈地变化，因此为保证通信正常，需经常更换工作频率。 引起多径传播的主要原因。一次反射和两次反射寻常波与非寻常波漫射现象反射区高度不同4.5.2 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性主要取决于传输媒质。随参信道传输媒质的三个特点： 对信号的衰耗随时间而变化 传输的时延随时间而变 多径传播发射信号为Acos0t, 经过多条路径传播后的

6、接收信号为R（t）V(t)一维分布服从瑞利分布 （t）一维分布服从均匀分布因为，ai(t)、i(t)是缓慢变化的，因此，V(t) 、(t)也缓慢变化，所以，R(t)为窄带过程。多径传播对传输信号的影响（1）波形上，使载波信号变成了包络和相位受到调制的窄带信号 衰落信号。包络瑞利分布（2）频谱上，引起频率弥散，由单个频率变成窄带频谱。（3）多径传播引起频率选择性衰落对具有一定频带宽度的信号影响。23相对延时 固定相对延时 变化定义相关带宽多径传播的最大时延差若传输信号的频带大于f，该信号必然产生明显的频率选择性衰落。工程上总结：随参信道的衰落是降低通信系统性能的重要因素。对高速数字信号的传输会引

7、起严重的码间干扰。解决方法：目前广泛采用“分集接收技术”，包括频率分集、空间分集、 角度分集、极化分集等。 分集接收：分别接收若干个独立的携带同一信息的信号，并将它们合并在一起，因这些信号不可能同时被衰减掉，因而可改善随参信道的传输特性。254.6 信道的加性噪声根据噪声来源人为噪声：无关的信号源等自然噪声：自然界的各种电磁波干扰内部噪声：系统内部产生的各种噪声。随机噪声单频噪声：频带窄、位置固定脉冲噪声：突发性、频谱宽起伏噪声：普遍存在，对通信系统影响较大。起伏噪声：热噪声、散弹噪声、宇宙噪声起伏噪声是一种具有高斯分布，且在相当宽的频率范围内具有平坦的功率谱密度高斯白噪声（AGWN）。带通滤

8、波器解调器信号噪声窄带噪声f0-f0fPn(f)BnBn噪声等效带宽4.7 信道容量指信道中信息无差错传输的最大速率。4.7.1 离散信道容量P(y1/x1)=1P(y2/x2)=1P(y3/x3)=1P(yn/xn)=1x1x2x3xny1y2y3ynxiP(xi)yiP(yi) 有噪声信道P(y1/x1)x1x2x3xny1y2y3ymxiP(xi)yjP(yj) 无噪声信道29 信道容量 C=maxH(X) H(X/Y) (bit/符号)H(x)-信源熵 ,H（X/Y）-为接收yj符号已知后，发送符号xi 的平均信息量。 无噪声信道C=maxH(X) (bit/s) 信道容量 C=maxrH(X) H(X/Y) (bit/s)304.7.2 连续信道容量-香农（Shannon）公式 bit/s结论： 提高信号与噪声功率之比能增加信道容量。 当N0时，C ，意味着无干扰信道容量为无穷大 。 增加信道带宽B并不能无限制地增加信道容量。 信道容量一定时，带宽B与信噪比S/N之间可以彼此互换。10203040-10S/N(dB)C/B(b/s/Hz)归一化