通信原理 课件 5-信道、6-幅度调制

1第四章信道4.1信道的定义和分类4.2

信道数学模型4.3

恒参信道特性及其对信号传输的影响4.4

随参信道特性及其对信号传输的影响4.5

改善随参信道特性的措施---分集接收4.6信道加性噪声4.7

信道容量

24.1信道的定义和分类信道狭义信道：信号的传输媒质广义信道：媒质+变换装置调制信道编码信道恒参信道随参信道定义：信号传输的媒质。或：以传输媒质为基础的信号通道。分类：（变换装置：发送、接收设备，天线、馈线，调制解调器等）有线信道(如电缆、光纤、)无线信道(如卫星通信)3调制信道：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。编码信道：指图中编码器输出端到译码器输入端的部分，又称数字信道。研究数字系统时，常用编码信道。编码信道调制信道44.2信道数学模型调制信道模型调制信道具有如下共性：

1）输入端与输出端是一一对应的；2）绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；3）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到(固定或时变的)损耗；4）即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功率输出。噪声因此，可用一个二对端(或多对端)线性时变网络来表示5调制信道模型(a)二对端(b)多对端

6二对端信道模型f

[ei(t)]：信道对输入信号ei(t)进行的线性(时变或时不变)变换，是个高度概括的结果，作为数学上的一种简洁，令：f[ei(t)]=k(t)·ei(t)，则：ei(t)eo(t)n(t)k(t)k(t)：乘性干扰n(t)：独立存在的加性干扰分析信道对信号的影响，只要了解k(t)和n(t)的特性即可。输入ei(t)和输出eo(t)之间的关系可表示为7依据k(t)的特性，可以把信道分为恒参信道和随参信道恒参信道：k(t)随时间缓慢变化的信道。包括：明线、电缆、光纤、超短波及微波视距传播、卫星中继等；恒参信道模型：线性时不变网络H（ω）ei(t)eo(t)n(t)随参信道：k(t)随机快变化的信道。包括：短波电离层反射信道、散射信道、超短波移动通信信道等。随参信道模型：线性时变网络H（ω,t）ei(t)eo(t)n(t)8编码信道模型编码信道的输入输出均为数字序列，用转移概率（条件概率）来描述二进制无记忆编码信道模型

转移概率由信道特性决定，一个特定的编码信道，有确定的转移概率，通过对实际信道的大量统计分析得到。四进制无记忆编码信道模型9模型---线性时不变网络特性---幅频、相频特性4.3恒参信道特性及其对信号传输的影响理想信道满足无失真传输条件：OK0|H(w)|wOj(w)wwtdOtdt(w)wa幅频特性b相频特性c群迟延特性10恒参信道对信号传输的影响①幅-频畸变

由来:幅频特性不理想造成

例:电话线传输特性：

影响

模拟信号波形失真

数字信号产生ISI

解决方法

控制畸变、使用畸变较小区域

均衡（收端加线性补偿网络---特性补偿）030011002900衰耗(dB)

典型音频电话信道的相对衰耗非理想信道不满足无失真传输条件，可能引起：11②相—频畸变

由来:相频特性不理想造成影响：模拟信号波形失真数字信号产生ISI

解决方法均衡（收端加线性补偿网络---特性补偿）124.4随参信道特性及其对信号传输的影响

模型---线性时变网络随参信道主要特性：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。

对信号的衰耗随时间而变化；

传输的时延随时间而变化；

多径传播。13引起多径传播的主要原因14多径传输的影响(主要从多径时延差的影响进行研究)一般衰落频率弥散频率选择性衰落波形上，使包络和相位都受到调制的窄带信号--衰落信号；包络V(t)的一维分布服从瑞利分布，称为瑞利型衰落。

(t)的一维分布服从均匀分布。频谱上，多径传输引起频率弥散，即由单个频率变成一个窄带频谱。设输入单频f(t)=Acos

0t，信道输出：15频率选择性衰落以两径传输为例(设衰减相同，时延不同，相对时延差τ)：16则信道传输特性H(ω)：设信道二径输出信号：①②输出信号f0(t)=①+②17信道传输幅频特性曲线：相关带宽：定义相邻传输零点的频率间隔为多径传播媒质的相关带宽

m：最大多径时延差为了不引起频率选择性衰落，传输信号的频带必须小于相关带宽Δ

184.5改善随参信道特性的措施---分集接收∵快衰落信道收到的是各径信号的合成∴若把各径信号“适当地”合并，可减小衰落分集接收两重含义：分散接收:使接收端得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；集中处理:接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并；目的：降低衰落的影响，改善系统性能。19分集方式空间分集：使用多个天线频率分集：用多个频率传同一信息角度分集：天线指向不同极化分集：接收水平、垂直极化波空间分集20合并方法最佳选择式：几个分散信号中选择其中信噪比最好的一个作为接收信号；

等增益相加式：等增益加权将几个分散的信号以相同增益(ki=1)进行直接相加，相加后的信号作为接收信号；最大比值相加式：不等增益加权使支路增益ki与其信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。n为分集重数，r为合并后输出信噪比214.6信道加性噪声加性噪声--是分散在通信系统中各处噪声的集中表示。

(独立于有用信号，却始终干扰有用信号)

调制信道中干扰包括：乘性干扰k(t)加性干扰n(t)

n(t)也称加性噪声，简称噪声22①外台信号

②人为施放的干扰源

③工业点火辐射

④荧光灯干扰

⑤闪电

⑥大气中的电暴

⑦银河系噪声

⑧其它宇宙噪声

⑨热噪声

⑩霰弹噪声

11电源哼声

12接触不良

13自激振荡

14各种内部谐波干扰等Ⅰ.人为噪声Ⅱ.自然噪声Ⅲ.内部噪声噪声来源及分类

根据特征分为

根据来源分为Ⅰ.单频噪声Ⅱ.脉冲噪声Ⅲ.起伏噪声①外台信号

②人为施放的干扰源③工业点火辐射

④电器开关通断

⑤闪电

⑥宇宙噪声

⑦热噪声

⑧霰弹噪声普遍存在和不可避免的；是影响通信质量的主要因素之一，是研究噪声的主要对象。23

起伏噪声特点

高斯白噪声：概率密度函数服从高斯分布；且在相当宽的频谱内具有平坦的功率谱密度；调制信道（经带通滤波器后）的加性噪声近似为——窄带高斯噪声:

噪声带宽≌Bn,单边功率谱密度Pn(

)在Bn内是平坦的,Pn(

)=n0

噪声功率单边功率谱密度为n0等价于双边功率谱密度为n0/2244.7信道容量信道容量：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。离散信道的信道容量--是指信道中信息无差错传输的最大速率。针对两种广义信道：调制信道(连续信道)--用连续信道的信道容量来表征；编码信道(离散信道)--用离散信道的信道容量来表征。设计通信系统时，要求信息速率Rb与信道容量C之间满足：

Rb≤

C信息速率在信道容量之内，才能实现无失真传输。否则，一定存在误码。C=maxR{P（x）}25连续信道的信道容量香农公式：设①加性噪声为Pi(

)=n0/2的G.W②信道工作频带为B(单位:Hz)③有用信号功率为S(单位:W),则信道容量C由香农公式决定:＋S(t)n(t)为G.W高斯白噪声r=S/N意义：G.W背景下,且信道带宽与有用信号功率受限下,调制信道无差错地传输数据信号的极限速率，即理论上单位时间内可能传输的信息量--Rb的极限数值。该式还是频谱扩展技术的理论基础。26

信道容量与“三要素(B、n0、S)”之间的关系S↑或n0↓，信噪比S/N↑，信道容量C↑B↑，可以增加信道容量C，但不能无限制地使其增大

在信道容量C一定时，信噪比(S/N)与信道带宽(B)可以互换增加信号带宽可以降低对信噪比的要求；当信噪比太小、不能保证通信质量时，常采用宽带系统，从而使系统具有较好的抗干扰性。27

例如：互换前：设信道带宽B1=3kHz，希望传输的信息速率为104b/s。为了保证这些信息能够无误地通过信道，要求信道容量C至少要104b/s。则要求信噪比为：

S1/N1=2C/B1－1≈9倍互换后：如果将信道带宽改为B2=10kHz。信息传输速率仍为C=104b/s,则所需要的信噪比为：

S2/N2=2C/B2－1=1倍。C=B1log2(1+S1/N1)可见，增加信道带宽，可以换来要求的信噪比的降低，反之亦然。信道带宽与信噪比的互换28信噪比与带宽互换性在通信工程中的应用例如：在宇宙飞船与地面的通信中，飞船上的发射功率不可能做得很大，传输距离远信号衰减大，接收端信噪比小。可用增大带宽的方法来换取对信噪比要求的降低。相反，如果信道频带比较紧张，如有线载波电话信道，这时主要考虑频带利用率，可用提高信号功率来增加信噪比的方法来换取较窄的频带。29[4.1-1]已知彩色电视图像由5×105

个像素组成，设每个像素有64种色彩，每种色彩有16个亮度等级。试计算：

（1）每秒传送100个画面所需的信道容量；

（2）如果接收机信噪比为30dB，那么传送彩色图像所需的信道带宽为多少？

每像素信息量=㏒2（64×16）=10bit

每幅图信息量=10bit×5×105=5×106bit/幅=H(X)

信源信息速率Rb=RB×H(X)=100幅/s×5×106bit/幅=5×108bit/s

由C的定义可知，应有Rb=5×108bit/s≤C=B㏒2（1+S/N）（2）B≥Rb/㏒2（1+S/N）=(5×108)/㏒2（1+1000）≈50MHzRb≤C=Blog2(1+S/N)10lg(S/N）=30dB，S/N=103=1000（1）30 [例4.1-2]已知传真图像有2.25×106个像素，每个像素有12个亮度等级,在电话线路上传输一张传真图片需要多少时间?

(电话线路带宽3kHz，30dB信噪比）。每像素信息量=㏒212=3.58bit每幅图信息量I=3.58×2.25×106=8.06×106bit信道容量C=B㏒2(1+S/N)=3㏒2(1+103)≈29.9×103bit/sC≥Rb(bit/s)，1/Rb≥1/CRb=I/T,T为传输一张传真图片需要的时间T

=I/Rb≥I/C=8.06×106/

29.9×103=0.269×103sTmin=0.269×103s≈4.48min，显然太慢了，如何降低Tmin？5.1幅度调制5.2角度调制5.3模拟调制系统的抗噪声性能有效性--带宽可靠性--解调器输出信噪比第5章模拟调制系统315.1幅度调制

基本概念调幅AM

双边带调制DSB

单边带调制SSB

残留边带调制VSB32基本概念调制－把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。调制的目的

提高无线通信时的天线辐射效率。把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。调制分类

模拟调制--对模拟信号进行调制，基带信号是模拟信号；数字调制--对数字信号进行调制，基带信号是数字信号；

33广义调制－分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。狭义调制－仅指带通调制。大多数场合，调制均指载波调制。载波－可以是正弦波，也可以是非正弦波。载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程。调制信号－指来自信源的基带信号。已调信号－载波受调制后称为已调信号。解调（检波）－调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。34常见的模拟调制方式幅度调制：信息加载在正弦载波的幅度上，称为幅度调制。幅度调制属于线性调制，是基带信号频谱的搬移。常见幅度调制方式：□调幅AM

□双边带DSB

□单边带SSB

□残留边带VSB角度调制：信息加载在正弦载波的角度上，称为角度调制。角度调制属于非线性调制，不是基带信号频谱的简单搬移，产生新的频率分量。常见角度调制方式：□频率调制FM

□相位调制PM

幅度角度35

基本概念调幅AM

双边带调制DSB

单边带调制SSB

残留边带调制VSB5.1幅度调制36模型时域表达式：

sAM(t)=［A0+m(t)］cosωct

式中：m(t)：调制信号，均值为0；A0：常数，叠加的直流分量。

AM(AmplitudeModilation)调制器模型和表示式37由波形可以看出，当满足条件：

|m(t)|

A0

时，其包络与调制信号波形相同， 因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。否则，出现“过调幅”现象。这时用 包络检波将发生失真。但是，可以 采用其他的解调方法，如同步检波。波形图sAM(t)=［A0+m(t)］cosωct38频谱：由频谱可以看，AM信号的频谱由载频分量上边带下边带上边带的频谱结构与原调制 信号的频谱结构相同；下边带是上边带的镜像，与上边带含有相同的信息。

载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带频谱图三部分组成sAM(t)=［A0+m(t)］cosωct39带宽：是基带信号带宽fH的两倍：功率：认为AM信号是平稳的、各态历经的，用时间平均代替统计平均，功率为： 若 则 式中 Pc=A02/2 －载波功率--并不携带信息 －边带功率--有用功率AM信号的特性40调制效率有用功率（边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：

当m(t)=Amcos

mt时， 代入上式，得到

当A0=|m(t)|max=Am时（100％调制）调制效率最高：可见AM功率利用率低。

max

＝1/341性能分析

与同频同相的相干载波c(t)=相乘后，得Sp(t)=[A0+m(t)]cos(ωct)cos(ωct)=1/2[A0+m(t)][1+cos(2ωct)]经LPF后，其中的2ωc频率分量被滤除，得到ud(t)=1/2[A0+m(t)]再经隔直流后，恢复基带信号m(t)sAM(t)=［A0+m(t)］cosωct模型AM解调方式一：相干解调要求与发送端载波严格同频同相42相干解调的频谱搬移过程43AM解调方式二：包络检波fH：调制信号的最高频率适用条件：AM信号，且要求|m(t)|max

A0

，包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如：性能分析 设输入信号是： 选择RC满足如下关系： 检波器的输出为，隔去直流后即可得到原信号m(t)输出=输入信号的包络44

基本概念调幅AM

双边带调制DSB

单边带调制SSB

残留边带调制VSB5.1幅度调制45模型：时域表示式：频谱：

带宽：双边带调制（DSBDouble-sidebandModulation

）无直流分量A0无载频分量调制调制效率100％节省了载波功率包络不再是基带信号，不能用包络检波，需用相干解调46

基本概念调幅AM

双边带调制DSB

单边带调制SSB

残留边带调制VSB5.1幅度调制47用SSB原因：DSB上、下边带含相同的频谱信息；频带利用率低。设计合适的H（

）滤掉一个边带，传一个边带即可；SSB信号的性能SSB调制方式节省发射功率，所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。SSB已成为短波通信中一种重要的调制方式。产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。SSB(Single-SidebandModulation)原理48单边带信号产生方法一：滤波法滤波法原理框图用边带滤波器H(

)滤除不要的边带:若H(

)具有理想高通特性：则可滤除下边带，得到SSB上边带信号。若H(

)具有理想低通特性：则可滤除上边带，得到SSB下边带信号。49滤波法的技术难点滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性可以采用多级（一般采用两级）DSB调制及边带滤波的方法，目的是增大过渡带，以利于滤波器的制作。当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。50SSSB(ω)=SDSB(ω)

HSSB(ω)（１）以下边带为例：将理想低通滤波器用符号函数表示：HLSB(ω)=0.5[sgn(ω+ωc)-sgn(ω-ωc)]，代入（１）式：SSSB(ω)=SDSB(ω)HLSB(ω)=0.5[M(ω+ωc)+M(ω-ωc)]×0.5[sgn(ω+ωc)-sgn(ω-ωc)]=¼{M(ω+ωc)×[-sgn(ω-ωc)]+M(ω-ωc)sgn(ω+ωc)}+1/4[M(ω+ωc)sgn(ω+ωc)-M(ω-ωc)sgn(ω-ωc)]=1/4[M(ω+ωc)+M(ω-ωc)]+1/4[M(ω+ωc)sgn(ω+ωc)-M(ω-ωc)sgn(ω-ωc)]1/4[M(ω+ωc)+M(ω-ωc)]1/2m(t)cosωct1/4[M(ω+ωc)sgn(ω+ωc)-M(ω-ωc)sgn(ω-ωc)]=½{1/2πM(ω)[-jsgn(ω)]*jπ[δ(ω+ωc)-δ(ω-ωc)]}1/2mˆ(t)sinωctM(ω)[-jsgn(ω)]=Mˆ(ω)

mˆ(t)sSSB(t)=1/2m(t)cosωct+1/2mˆ(t)sinωct

（下边带）单边带信号产生方法二：相移法51m(t)的希尔伯特变换mˆ(t)

。若M(ω)为m(t)的傅氏变换，则Mˆ(ω)的傅氏变换为|Hh(w)|=1φ(w)=-π/2,w>0

π/2,w<0希尔伯特变换:

Sgnt

2/jw2/jt2πSgn(-w)=-2πSgn(w)1/πt-jSgn(w)Hh(w)=-jsgn(ω)=-j=e