信道的定义分类课件

现代通信原理

电子工程学院

主讲人张骥祥现代通信原理

电子工程学院

主讲人张骥祥1目录第一章

绪论

第二章

信道

第三章模拟调制系统第四章信源编码

第五章数字信号的基带传输

第六章数字信号的载波传输

第七章现代数字调制技术

第八章同步原理

第九章信道编码

第十章通信网概论目录第一章绪论

第二章信道

第三章模2第二章信道

2.1

信道的定义和分类2.2

信道模型2.3恒参信道2.4变参信道2.5随机过程的基本概念※

2.6信道的加性噪声2.7信道容量第二章信道2.1

信道的定义和分类3教学要求

1、掌握信道的定义、分类，掌握调制信道及编码信道的模型。2、掌握信道特性的描述及其对信号传输的影响；了解常见几种信道及其特性。3、了解通信系统中各种噪声与干扰的来源及其特点。 4、掌握信道容量的计算方法，尤其是要理解香农公式的含义及应用条件。教学重点：信道传输特性和噪声的特性 及其对于信号传输的影响。教学难点：信道容量。第二章信道教学要求

1、掌握信道的定义、分类，掌握调制信道及编42.1

信道的定义和分类一广义信道和狭义信道狭义信道为仅包括传输媒介的信道称。广义信道是指除了传输媒介外，还包括有关的部件和电路，如天线与线、功率放大器、滤波器、混频器、调制器与解调器等等。狭义信道(传输媒介)是广义信道中十分重要的组成部分，实际上，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。二调制信道和编码信道编码信道的范围是从编码器的输出端至译码器的输入端。调制信道的范围是从编码器的输出端至译码器的输入端。

2.1

信道的定义和分类一广义信道和狭义信道5调制信道和编码信道的划分如下图2.1-1所示。信源编码器信宿译码器调制信道编码信道媒介发转换器调制器收转换器解调器图2.1-1调制信道和编码信道的划分

信源编码器信宿译码器调制信道编码信道媒介发转换器调制器收转62.2

信道模型一调制信道1、调制信道的共同特性：(1)它们具有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端。(2)绝大多数的信道是线性的，即满足叠加原理。(3)信道具有衰减(或增益)频率特性和相移(或延时)频率特性。在某些信道如短波信道中，衰减特性随时间而变化。(4)即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出(噪声)。2、调制信道的表示时变线性网络ei(t)eo(t)图2.2-1调制信道模型2.2

信道模型一调制信道时变线性网络ei(t)eo(7网络的输入与输出之间的关系可以表示为：注：ei(t)是输入的已调信号，

e0(t)是信道的输出，n(t)为加性噪声(或称加性干扰)，它与ei(t)不发生依赖关系。

f[ei(t)]由网络的特性确定，它表示信号通过网络时，输出信号与输入信号之间建立的某种函数关系。

(2.2-1)f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)

调制信道数学模型网络的输入与输出之间的关系可以表示为：(2.2-1)f83、恒参信道和变参信道（1）恒参信道

定义：指信道的参数不随时间变化，如架空明线、同轴电缆以及中长波、地面波传播均属于恒参信道。

表达式：若信道特性为h(t)，则输出信号可表示为(2.2-2)3、恒参信道和变参信道(2.2-2)9（2）变参信道

定义：指信道的参数随时间变化，如短波电离层反射、超短波流星余迹散射、多径效应和选择性衰落均属于变参信道。

表达式：式中，K(t)称为乘性干扰，它依赖于信道的特性，是一个较为复杂的时间函数，它与信号是相乘关系。对信号的影响的两个因素：一是乘性干扰K(t)的影响；二是加性干扰n(t)的影响。二编码信道1编码信道和调制信道的不同：调制信道对信号的影响是通过K(t)及n(t)使调制信号发生模拟变化；(2.2-3)（2）变参信道(2.2-3)10

编码信道是包括调制信道、调制器以及解调器的信道，它与调制信道模型明显不同，它对所传输的数字信号的影响最终表现在数字序列的变化上，即数字信道使其输出的数字信号与编码器输出的数字序列不一致，这时译码器译出的数字信号就会以某种概率发生差错，引起误码。因此编码信道所关心的是，在经过信道传输之后数字信号的是否出现差错以及出现差错的可能性有多少。2转移概率：（1）与转移概率相关的几个概念：P(0/0)，P(1/0)，P(1/1)，P(0/1)称为信道的转移概率P(0/0)表示发端发“0”码而收端判为“0”码的概率；P(1/0)表示发“0”码而收端错判为“1”码的概率；同理可以定义P(1/1)和P(0/1)。所以，P(0/0)和P(1/1)为正确的转移概率，P(1/0)和P(0/1)为错误的转移概率。

11（2）转移概率的计算：由概率论可知转移概率完全由编码信道的特性所决定，一个特定的编码信道就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作大量的统计分析才能得到。3无记忆信道和有记忆信道在编码信道中，若数字信号的差错是独立的，也就是数字信号的前一个码元差错对后面的码元无影响，称此信道为无记忆信道。如果前一码元的差错影响到后面码元，这种信道称为有记忆信道。(2.2-4)(2.2-5)P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)0101图2.2-2二进制编码信道模型(2.2-4)(2.2-5)P(0/0)P(1/0)12四进制编码信道模型

01233210接收端发送端四进制编码信道模型01233210接收端发送端132.3恒参信道恒参信道的特性与时间无关，是一个非时变线性网络，该网络传输特性可用幅度-频率及相位-频率特性来表示。

一、幅度-频率特性1、定义：幅度-频率特性是指已调信号中各频率分量在通过信道时带来不同的衰减(或增益)，造成输出信号的失真。2、理想无失真传输信道传递函数：其中K是传输系数，td是延迟时间，它们都与频率无关。幅频特性：|H(ω)|=K=常数，因此理想无失真传输信道的幅频特性如图2.3-1虚线所示，它是一条水平线。(2.3-1)2.3恒参信道恒参信道的特性与时间无关，是一个非14

但是，这种理想的幅度-频率特性在实际中是不存在的。首先是信道不可能具有无限宽的传输频带，它的低端和高端都要受到限制，通常称这种频率的限制为下截频和上截频；其次即使是在有效的传输频带内，不同频率处的衰减(或增益)也不可能完全相同。图2.3-1实线是一个典型的音频信道的幅度-频率特性曲线。1234f(KHz)|H(f)|02468衰减(dB）K图2.3-1音频电话信道的幅度频率特性

1234f(KHz)|H(f)|024615

结论：这种信道的不均匀衰减会使传输信号的各个频率分量受到不同的衰减，引起传输信号的失真。但是这种失真可以通过信道均衡来加以改善。所谓信道均衡就是用一个补偿网络使信道总的幅频特性趋于平担。二相位-频率特性1信道的相位和频率的关系式中，td为延迟时间，与频率无关。注意，实际信道的相频特性并不是线性的，因而使信号通过信道时会产生相位失真。2信道的相位-频率特性表达式：用群时延-频率特性来表示。所谓群延-频率特性是指相位-频率特性的导数，即：

(2.3-2)(2.3-2)16式中，

(ω)为相位-频率特性，τ(ω)为群时延-频率特性。

理想的无失真信道的相位-频率特性曲线

(2.3-3)Kωω

(

)Kω

(

)0图2.3-2理想的相位－频率特性及群时延－频率特性0(2.3-3)Kωω()Kω()0图2.3-17实际信道的群时延-频率特性曲线0.20.40.60.81.0相对群时延(dB）频率0.81.62.43.2f(KHz)图2.3－3实际的群时延－频率特性

群时延失真如同幅频失真一样，也是一种线性失真，因此也可以通过均衡加以补偿。

实际信道的群时延-频率特性曲线0.20.40.60.81.018恒参信道举例真实的物理信道可以是一对实线、一根电缆、自由空间等，它们都有各自的物理量所表示。我们在研究通信系统时不直接关心这些物理量，而是关心由这些物理量所导出的电气参数，如衰耗频率特性、相位频率特性、频率漂移、相位抖动等等。如果这些参数不随时间变化，或其变化相对于信道上传输的信号的变化来讲极为缓慢，从工程角度及研究问题方便角度，这些变化可以忽略。我们称之为恒参信道。恒参信道举例19（1）有线信道：有线信道是现代通信网中最常用的信道之一，其中对称电缆广泛用于近程传输中；同轴电缆用于中、长途大容量传输中。有线信道的技术发展得最早、最成熟，因此在早期的通信网中有线信道是基础。有线信道的传输特性一般采用一次参数和二次参数来表征。一次参数是指有线信道单位长度的分布电阻（R）、电感（L）、电容（C）及漏电导（G）。（1）有线信道：20几种有线电缆的特性

线路类型频率范围/MHz信号衰减电磁干扰UTP电缆（UnshieldedTwistedPaired）就是非屏蔽双绞电缆（线）1~100高一般STP电缆（ShieldedTwisted-Pair）——屏蔽双绞（线）1~150高小同轴电缆1~1000低小几种有线电缆的特性线路类型频率范围/MHz21对称电缆：由许多对双绞线组成，分非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）两种。图4-9双绞线对称电缆：由许多对双绞线组成，分非屏蔽（UTP）和屏蔽（ST22同轴电缆同轴电缆23

（2）光纤信道：光纤调制的信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。但主要应用在数字系统。它的特点是损耗低、频带宽、重量轻、抗腐蚀、省金属，但成本高。这是一种近期发展起来的传输介质，目前已得到了广泛的应用。光纤信道不象其它有线信道那样简单明了，其内部结构比较复杂。它的简化框图如下图所示：（2）光纤信道：24光纤结构纤芯包层按折射率分类阶跃型梯度型按模式分类多模光纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤图4-11光纤结构示意图(a)(b)(c)光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n225损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55

m0.7

0.9

1.11.31.5

1.7光波波长（

m）1.55

m1.31

m图4-12光纤损耗与波长的关系损耗与波长关系0.70.926（载波）光源光调制器

基带处理光纤线路基带处理光探测器基带电信号基带电信号广泛采用半导体发光二极管（LED）或激光二极管（LD）已调光信号常用PIN光电二极管或雪崩二极管已解调电信号（载波）光源光调制器基带处理光纤线路基带处理光探测器基带电27

（3）无线视距中继：无线视距中继传输容量大、发射功率小、通信稳定。它是一种无线接力信道——它的工作频率在超短波和微波（150MHz——15GHz）之间，电波基本上沿视线传播，通信距离依靠接力方式延伸的无线信道。它主要用在长途干线中。它由终端站和中继站构成。（3）无线视距中继：28微波中继信道的构成

微波中继信道的构成29

（4）卫星中继：卫星中继传输距离远、覆盖面广、稳定、容量大。卫星中继是从无线电中继中得到启示的。人们只需在空中适当的位置放置三棵卫星就可以形成覆盖全球的通讯网（除了两极盲区以外）。卫星中继通信首先用在军事通信中。卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路、下行线路构成。（4）卫星中继：30

卫星中继信道示意图卫星中继信道示意图312.4变参信道一变参信道：变参信道的参数随时间变化，所以它的特性比恒参信道要复杂，对传输信号的影响也较为严重。影响信道特性的主要因素是传输媒介，如电离层的反射和散射，对流层的散射等等。二与变参信道相关的定义：衰落：在变参信道中，传输媒介参数随气象条件和时间的变化而随机变化。如电离层对电波的吸收特性随年份、季节、白天和黑夜在不断的变化，因而对传输信号的衰减也在不断地发生变化，这种变化通常称为衰落。慢衰落：由于上述信道参数的变化相对而言是十分缓慢的，所以称这种衰落为慢衰落。慢衰落对传输的信号影响可以通过调节设备的增益来补偿。2.4变参信道一变参信道：32变参信道的传输媒介，无论是电离层反射还是对流层散射，它们的共同特点是：由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点，这种现象称为多径传播，如图2.4-1所示。电离层发收(a)(b)对流层散射区图2.4-1多径传播示意图变参信道的传输媒介，无论是电离层反射还是对流层散射，它33多径效应：由于各条路径的衰减和时延都在随时间变化，所以接收点合成信号的强弱也必然随时间不断地变化，这种现象就是所谓的多径效应。快衰落：由多径效应所引起的信号变化比慢衰落要快得多，故称之为快衰落。频率选择性衰落：在多径传播时，由于各条路径的等效网络传播函数不同，于是各网络对不同频率的信号衰减也就不同的，这就使接收点合成信号的频谱中某些分量衰减特别严重，这种现象称为频率选择性衰落。时间弥散：由于多径传播，使到达接收点的各路径信号的波形时延不同。这样，会使原发送的信号波形在收端合成时被展宽，这种现象称为时间弥散。时间弥散对数字信号影响严重。如果数字信号波形是非归零的，传输时就可能由于时间弥散现象造成前后数字波形重叠，出现码间串扰。多径效应：由于各条路径的衰减和时延都在随时间变化，所以接收点34措施：变参信道的衰落，将会严重地影响系统的性能。为了抗快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术及接收技术等，其中较为有效且常用的抗衰落措施是分集接收。措施：352.5随机过程的基本概念※

2.5.1随机过程的定义2.5.2随机过程的统计特性2.5.3平稳随机过程2.5.4平稳随机过程的遍历性(各态历经性)2.5.5随机过程通过线性系统2.5.6平稳随机过程通过乘法器2.5随机过程的基本概念※2.5.1随机过程的定义362.5.1随机过程的定义1、定义：

随机过程是一个取值随机变化的时间函数，它不能用确切的时间函数来表达。随机是指取值不定，仅有取某值的可能而无确切的取值；过程是指时间t的函数。2、波形以下以接收机某一个特定的时刻的输出噪声波形为例，说明随机过程的含义，具体波形见下页

2.5.1随机过程的定义37tn1(t)0tn2(t)0┆┆┆┆┆┆nn(t)0t图2.5-1几台接收机的输出噪声波形t1tn1(t)0tn2(t)0┆┆┆nn(t)0t图2.5-1382.5.2随机过程的统计特性1、表达式：用分布函数或概率密度函数来描述。（1）随机变量F1(x1；t1)称为随机过程X(t)的一维分布函数。（2）概率密度：一维概率密度

(2.5-1)(2.5-2)2.5.2随机过程的统计特性1、表达式：(2.5-39

(2.5-3)(2.5-4)多维概率密度n越大，用n维分布函数和n维概率密度函数去描述X(t)的统计特性也就越充分。多维分布函数(2.5-3)(2.5-4)多维概率密度n越大，用402、随机过程的数字特征。随机过程的数学期望定义为随机过程的方差被定义为随机过程的协方差函数被定义为随机过程的自相关函数定义为(2.5-5)(2.5-6)(2.5-7)(2.5-8)2、随机过程的数字特征。(2.5-5)(2.5-6)41

定义：假设X(t)是一个随机过程，如果它的n维概率密度函数(或n维分布函数)pn(x1，x2，…,xn；t1，t2，…，tn)与时间起点无关，即对于任意的n和τ，随机过程的n维概率密度满足则称该随机过程为平稳随机过程。若上式仅对某个n成立，则称该随机过程为n阶平稳随机过程。若X(t)对所有阶都平稳，即满足式(2.5-9)，则称之为狭义平稳随机过程若一个随机过程的数学期望及方差与时间无关，而自相关函数仅与时间差有关。这个随机过程通常被称为广义平稳随机过程。(2.5-9)2.5.3平稳随机过程(2.5-9)2.5.3平稳随机过程422.5.4平稳随机过程的遍历性(各态历经性)1统计平均和时间平均随机过程的数字特征可用“统计平均”和“时间平均”来表述。统计平均：对随机过程X(t)的某一特定时刻不同实现的可能取值，用统计方法得出的种种平均值叫统计平均。时间平均：对随机过程X(t)的某一特征实现，用数学分析方法对时间求平均得出的种种平均值叫时间平均。2具有各态历经性的平稳随机过程经过实践考察发现，许多平稳随机过程的数字特征，可以由随机过程中任一实现的时间均值来决定，即该随机过程的数学期望mX可由任一实现的时间平均值来代替，其方差σX2可由任一实现的时间平均方差来代替，其自相关函数R(τ)可由任一实现的时间平均自相关函数来代替，即有2.5.4平稳随机过程的遍历性(各态历经性)1统计平均43(2.5-10)(2.5-12)(2.5-11)满足以上条件的随机过程称为具有各态历经性的平稳随机过程。对于具有各态历经性的平稳随机过程，在工程上需要测量或计算数字特征时，可以用时间平均代替统计平均，使问题大为简化。通信系统中的随机信号和噪声大多数是具有各态历经性的平稳随机过程。(2.5-10)(2.5-12)(2.5-11)442.5.5随机过程通过线性系统

1、原理框图2、输出过程的表达式线性时不变系统X(t)Sx(

)Y(t)Sy(

)h(t)H(ω)图2.5-2随机过程通过线性系统(2.5-13)式中h(t)是线性时不变系统的冲激响应

2.5.5随机过程通过线性系统1、原理框图线性时不变系统453、功率谱

一个随机过程X(t)的功率谱密度SX(ω)与它的自相关函数RX(t,t+τ)是一对付氏变换，则对于平稳随机过程，有对于非平稳过程，有

其中，是非平稳随机过程自相关函数的时间平均值。这个关系称为维纳-欣钦定理。输出过程的功率谱密度SY(

)，它是输入功率谱密度SX(

)与系统传输函数

H(

)

2的乘积，即有(2.5-14)(2.5-15)(2.5-16)3、功率谱(2.5-14)(2.5-15)(2.5-462.5.6平稳随机过程通过乘法器

1、数学模型

cos

otY(t)X(t)图2.5-3平稳随机过程通过乘法器

2、输出响应

(2.5-17)3、功率谱密度（根据维纳-欣钦定理计算）输出过程的自相关函数

(2.5-18)2.5.6平稳随机过程通过乘法器1、数学模型cos47上式中Rx(

)是输入平稳随机过程的自相关函数，它只与时间间隔

有关。输出的功率谱密度(2.5-19)式中，是输出过程自相关函数的时间平均值，即

(2.5-20)(2.5-22)(2.5-21)输出过程的功率谱密度

而上式中Rx()是输入平稳随机过程的自相关函数，482.6信道的加性噪声1、主要来源（1）人为噪声，（2）自然噪声，（3）内部噪声2、内部噪声

（1）散弹噪声定义：又称散粒噪声是由真空和半导体器件中电子发射的不均匀性引起的。它是一个高斯随机过程。功率谱密度：在温度限定条件下，二极管的散弹噪声电流的功率谱密度在非常宽的频率范围内(通常认为不超过100MHz)认为是一个恒值，有(W/Hz)(2.6-1)其中，I。是平均电流值（A），q为电子的电荷,即q=1.6×10-19(c)。

2.6信道的加性噪声1、主要来源2、内部噪声(W/49（2）热噪声定义：指由电子在类似于电阻一类的导体中随机热骚动引起的噪声，它服从高斯分布。功率谱密度：由分析和测量表明在1013Hz噪声电压的功率谱密度近似为一个恒定值，有(W/Hz)(2.6-2)其中，K为波尔兹曼常数(K=1.38×10-23J0K-1)，T为电阻的绝对温度（0K），R为电阻值(Ω)。

（3）白噪声定义：白噪声是指它的功率谱密度在全频域（－

，

）是常数，即：

(2.6-3)（2）热噪声(W/Hz)(2.6-2)其中，K为波尔兹曼50自相关函数

(2.6-4)曲线Sn（

）

0(a)功率谱密度曲线Rn（

）

0(b)自相关函数曲线（4）窄带高斯噪声

定义：当高斯白噪声通过窄带网络时，其输出噪声只能集中在中心频率

0附近的带宽W之内，称这种噪声为窄带高斯噪声

自相关函数(2.6-4)曲线Sn（）0(a51产生方法窄带网络白噪声H(

)窄带噪声n(t)产生原理框图功率谱及波形示意图

(b)波形示意图

tn(t)(a)功率谱示意图

Sn(

)

0

0-

0W产生方法窄带网络白噪声H()窄带噪声n(t)产生原理框52表达式

(2.6-5)式中R(t)和

(t)分别表示随机包络和相位将上式展开可得(2.6–6)(2.6-8)(2.6-7)(2.6-9)(2.6-10)式中窄带噪声的包络和相位可分别表示为nC(t)和nS(t)在性质上都是低通型噪声表达式(2.6-5)式中R(t)和(t)分别表示53功率谱窄带高斯噪声nc(t)和ns(t)的功率谱与n(t)的功率谱之间有如下关系其它(2.6-11)功率谱其它(2.6-11)542.7信道容量

一、信道容量公式（香农公式）比特/秒(2.7-1)式中，C—信道容量，是指信道可能传输的最大信息速率B—信道带宽S—信号的平均功率N—白噪声的平均功率S/N—信噪比香农公式主要讨论了信道容量、带宽和信噪比之间的关系，是信息传输中非常重要的公式，也是目前通信系统设计和性能分析的理论基础。2.7信道容量一、信道容量公式（香农公式）比特/秒(55二、结论1、当给定B、S/N时，信道的极限传输能力(信道容量)C即确定。如果信道实际的传输信息速率R小于或等于C时，此时能做到无差错传输(差错率可任意小)。如果R大于C，那么无差错传输在理论上是不可能的。2、当信道容量C一定时，带宽B和信噪比S/N之间可以互换。换句话说，要使信道保持一定的容量，可以通过调整带宽B和信噪比S/N的关系来达到。3、增加信道带宽B并不能无限制地增大信道容量。当信道噪声为高斯白噪声时，随着带宽B的增大，噪声功率N=n0B（n0单边噪声功率谱密度）也增大，在极限情况下(2.7-2)二、结论(2.7-2)56由此可见，即使信道带宽无限大，信道容量仍然是有限的。4、信道容量C是信道传输的极限速率时，由于，I为信息量，T为传输时间。根据香农公式

可见，在给定C和S/N的情况下，带宽与时间也可以互换。于是有(2.7-3)(2.7-4)信道容量和带宽关系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)由此可见，即使信道带宽无限大，信道容量仍然是有限的。于是有(57

香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，达到