1、1第三章第三章 信信 道道n3.1 引言引言n3.2 信道定義及信道數學模型信道定義及信道數學模型n3.3 恒參信道特性及其對信號傳輸的影響恒參信道特性及其對信號傳輸的影響n3.4 隨參信道特性及其對信號傳輸的影響隨參信道特性及其對信號傳輸的影響n3.5 隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善-分集接收分集接收n3.6 信道的加性噪聲信道的加性噪聲n3.7 信道容量的概念信道容量的概念 23.1 引引 言言 廣義信道按包含的功能，可劃分為廣義信道按包含的功能，可劃分為與與。信道信道（信號通道）（信號通道）狹義信道：信號的傳輸媒質狹義信道：信號的傳輸媒質廣義信道：媒質及有關變換裝置廣義信道：媒質及

2、有關變換裝置（發送、接收設備，天線、饋線，調制解調（發送、接收設備，天線、饋線，調制解調器等）器等） 有線信道有線信道無線信道無線信道3編碼器輸入調制器發轉換器媒質收轉換器解調器譯碼器輸出編碼信道調制信道只關心變換的最終結果，而無需關心只關心變換的最終結果，而無需關心詳細的物理過程。詳細的物理過程。指圖中調制器輸出端到解調器輸入端的部分，指圖中調制器輸出端到解調器輸入端的部分， 又稱模擬信道。研究調制和解調時，常用調制信道。又稱模擬信道。研究調制和解調時，常用調制信道。指圖中編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分，指圖中編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分，有時又稱數字信道有時又稱數字信道/離散信道。離

3、散信道。43.2 信信 道道 數數 學學 模模 型型 調制信道模型調制信道模型n調制信道具有如下調制信道具有如下 1 1）輸入端與輸出端是一一對應的；）輸入端與輸出端是一一對應的； 2 2）絕大多數的信道都是線性的，即滿足疊加定理；絕大多數的信道都是線性的，即滿足疊加定理；3 3）信號通過信道具有一定的延遲時間，而且還會）信號通過信道具有一定的延遲時間，而且還會受到受到( (固定或時變的固定或時變的) )損耗；損耗；4 4）即使沒有信號輸入，在信道輸出端仍有一定的功即使沒有信號輸入，在信道輸出端仍有一定的功率輸出。率輸出。5其中，其中，n(t)為獨立存在的為獨立存在的； f.表示信道傳輸特性，

4、簡稱信道特性。如果信道對輸入信號作非線性處理，則信道輸出有非線性失真，這種失真只有當輸入信號存在時才有。與加性噪聲相對應，稱這種失真為乘性噪聲。圖3-2 調制信道模型 oistfs tn t則二對端數學模型可以寫為則二對端數學模型可以寫為線 性 時 變 網 絡si(t)so(t)則二對端的數學模型可以寫為 tntstktsi06 根據根據乘性干擾乘性干擾k(t)，可以把信道粗略分為兩大，可以把信道粗略分為兩大類：類：恒參信道：恒參信道：指指k(t)可看成不隨時間變化或相對于信道上可看成不隨時間變化或相對于信道上傳輸信號的變化較為緩慢的調制信道（常傳輸信號的變化較為緩慢的調制信道（常可等效為一個

5、可等效為一個線性時不變線性時不變網絡來分析）。網絡來分析）。 隨參信道：隨參信道：是非恒參信道的統稱，或者說，是非恒參信道的統稱，或者說， k(t)是隨是隨機變化的調制信道。機變化的調制信道。 7 編碼信道模型編碼信道模型 81001P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1) 圖圖3-3 二進制編碼信道模型二進制編碼信道模型xy9 在此模型中，在此模型中，假設解調器每個輸出碼元的差錯發生假設解調器每個輸出碼元的差錯發生是相互獨立的，是相互獨立的， P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)、P(1/0)稱為稱為。其中。其中P(0/0) 與與P(1/1)是正確轉移的概率，是正確轉移的概率，

6、而而P(0/1)與與 P(1/0)是錯誤轉移概率。是錯誤轉移概率。需要注意：需要注意：。一個特。一個特定的編碼信道，有確定的轉移概率。定的編碼信道，有確定的轉移概率。10恒參信道及其特性恒參信道及其特性4.4 恒參信道特性及其對信號傳輸的影響恒參信道特性及其對信號傳輸的影響 恒參信道的信道特性不隨時間變化或變化很緩慢。 信道特性主要由傳輸媒質所決定，如果傳輸媒質是基本不隨時間變化的， 所構成的廣義信道通常屬于恒參信道；如果傳輸媒質隨時間隨機快變化，則構成的廣義信道通常屬于隨參信道。 有線電信道（對稱電纜、同軸電纜、架空明線）、中長波地波傳播、超短波及微波視距傳播、人造衛星中繼、光導纖維以及光波

7、視距傳播等傳輸媒質構成的廣義信道都屬于恒參信道。11圖 3 4 對稱電纜結構圖 對稱電纜對稱電纜是在同一保護套內有許多對相互絕緣的雙導線的傳輸媒質。兩種類型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）電纜的傳輸損耗比較大， 但其傳輸特性比較穩定，并且價格便宜、安裝容易。主要用于市話中繼線路和用戶線路，在許多局域網如以太網、令牌網中也采用高等級的UTP電纜進行連接。對稱電纜對稱電纜12 同軸電纜與對稱電纜結構不同，單根同軸電纜的結構圖如圖 3- 5(a)所示。同軸電纜由同軸的兩個導體構成，外導體是一個圓柱形的導體，內導體是金屬線，它們之間填充著介質。 實際應用中同軸電纜的外導體是接地的，對外界干擾具有較好

8、的屏蔽作用，所以同軸電纜抗電磁干擾性能較好。在有線電視網絡中大量采用這種結構的同軸電纜。為了增大容量，也可以將幾根同軸電纜封裝在一個大的保護套內，構成多芯同軸電纜，另外還可以裝入一些二芯絞線對或四芯線組，作為傳輸控制信號用。同軸電纜13圖 3- 5同軸電纜結構圖14 表表 3 1 幾種有線電纜的特性幾種有線電纜的特性 線路類型 頻率范圍/MHz 信號衰減 電磁干擾 UTP電纜 1100高一般STP電纜 1150 高 小 同軸電纜 11000 低 小 15圖 3 -6微波中繼信道的構成地球 微波頻段的頻率范圍一般在幾百兆赫至幾十吉赫，其傳輸特點是在自由空間沿視距傳輸。由于受地形和天線高度的限制，

9、兩點間的傳輸距離一般為3050 km，當進行長距離通信時，需要在中間建立多個中繼站.微波中繼信道具有傳輸容量大、長途傳輸質量穩定、節約有色金屬、 投資少、維護方便等優點。因此，被廣泛用來傳輸多路電話及電視等。 微波中繼信道16 衛星中繼信道是利用人造衛星作為中繼站構成的通信信道，衛星中繼信道與微波中繼信道都是利用微波信號在自由空間直線傳播的特點。微波中繼信道是由地面建立的端站和中繼站組成。而衛星中繼信道是以衛星轉發器作為中繼站與接收、發送地球站之間構成。若衛星運行軌道在赤道平面，離地面高度為35780km時，繞地球運行一周的時間恰為24小時，與地球自轉同步，這種衛星稱為靜止衛星。不在靜止軌道運

10、行的衛星稱為移動衛星。衛星中繼信道的主要特點是通信容量大、傳輸質量穩定、傳輸距離遠、覆蓋區域廣等。另外，由于衛星軌道離地面較遠信號衰減大，電波往返所需要的時間較長。對于靜止衛星， 由地球站至通信衛星，再回到地球站的一次往返需要0.26s左右，傳輸話音信號時會感覺明顯的延遲效應。目前衛星中繼信道主要用來傳輸多路電話、 電視和數據。 衛星中繼信道17圖 3-7 衛星中繼信道示意圖 地球AB18 恒參信道對信號傳輸的影響是確定的或者是變恒參信道對信號傳輸的影響是確定的或者是變化極其緩慢的。因此，其傳輸特性可以等效為一化極其緩慢的。因此，其傳輸特性可以等效為一個線性時不變網絡。個線性時不變網絡。 只要

11、知道網絡的傳輸特性，只要知道網絡的傳輸特性，就可以采用信號分析方法，分析信號及其網絡特就可以采用信號分析方法，分析信號及其網絡特性。性。 線性網絡的傳輸特性可以用幅度頻率特性和相線性網絡的傳輸特性可以用幅度頻率特性和相位頻率特性來表征。位頻率特性來表征。 現在我們首先討論理想情況現在我們首先討論理想情況下的恒參信道特性。下的恒參信道特性。19 h(t)=K0(t-td) 若輸入信號為若輸入信號為ei(t)， 則則 so(t)=K0 si (t-td)由此可見，由此可見， ： (1) 對信號在幅度上產生固定的衰減；對信號在幅度上產生固定的衰減； (2) 對信號在時間上產生固定的遲延。對信號在時間

12、上產生固定的遲延。 無失真傳輸。無失真傳輸。 1. 理想恒參信道特性理想恒參信道特性20理想信道的幅頻特性、理想信道的幅頻特性、 相頻特性和群遲延相頻特性和群遲延頻率特性頻率特性 OK0|H(w w)|w wOj j (w w)w ww w tdOtdt t w w w wa 幅頻特性幅頻特性 b 相頻特性相頻特性 c 群遲延群遲延 特性特性在整個信號頻帶范圍之內：在整個信號頻帶范圍之內：和和為為；。只對只對si(t)的不同頻率的不同頻率成份進行相同的幅成份進行相同的幅度衰減和時延。度衰減和時延。21中，傳輸特性可能偏離理想信道特性，產生失真：中，傳輸特性可能偏離理想信道特性，產生失真： 如果

13、信道的幅度如果信道的幅度-頻率特性在信號頻帶范圍之內不是常數，頻率特性在信號頻帶范圍之內不是常數，則會使信號產生則會使信號產生； 如果信道的相位如果信道的相位-頻率特性在信號頻帶范圍之內不是頻率特性在信號頻帶范圍之內不是的的線性函數，線性函數， 則會使信號產生則會使信號產生。 222.2.幅度幅度頻率畸變頻率畸變 由有線電話信道中可能存在的由有線電話信道中可能存在的信道的幅度頻率信道的幅度頻率特性不理想所引起的，又稱為特性不理想所引起的，又稱為。一般典型音頻電話一般典型音頻電話信道可用圖信道可用圖3-8所示的所示的 幅度頻率特性曲線幅度頻率特性曲線近近似表示。似表示。 頻率頻率(Hz)0 40

14、0 1100 2900衰衰耗耗(dB) 圖圖3-8 典型音頻電話信道的相對衰耗典型音頻電話信道的相對衰耗23n 產生的影響產生的影響 對于模擬信號：造成波形失真對于模擬信號：造成波形失真對于數字信號：造成碼間串擾對于數字信號：造成碼間串擾 引起相鄰碼元波形在時間上的相互重疊引起相鄰碼元波形在時間上的相互重疊n 克服措施克服措施 改善信道中的濾波性能，使幅頻特性在信道有效改善信道中的濾波性能，使幅頻特性在信道有效 傳輸帶寬內平坦；傳輸帶寬內平坦；增加線性補償網絡，使整個系統衰耗特性曲線變增加線性補償網絡，使整個系統衰耗特性曲線變得平坦；得平坦； 243.相位頻率畸變 信道中的各種濾波器及可能有的

15、加感線信道中的各種濾波器及可能有的加感線圈，尤其是在信道頻帶的邊緣畸變更為嚴重。圈，尤其是在信道頻帶的邊緣畸變更為嚴重。是指信道的相位是指信道的相位-頻率特性頻率特性偏離線性關系所引起的畸變。偏離線性關系所引起的畸變。 常采用常采用相位相位-頻率特性對頻頻率特性對頻率的導數率的導數)來衡量；若相位來衡量；若相位-頻率特性用頻率特性用()來表來表示，則群遲延示，則群遲延-頻率特性頻率特性 wwwtdd25 對理想信道，對理想信道， 呈現性關系，呈現性關系， ( (為常數為常數)的的曲線將是一條水平直線，如圖曲線將是一條水平直線，如圖3-93-9。實際典型的電話信實際典型的電話信道的群遲延道的群遲

16、延- -頻率特性如圖頻率特性如圖3-103-10。 ww wt圖圖3-9 理想的相位理想的相位頻率特性頻率特性及群延遲及群延遲頻率特性頻率特性 =Kw www0 w wtwtwK0 w w0.8 1.6 2.4 ms頻率頻率(kHz)圖圖3-10 群延遲群延遲頻率特性頻率特性26 非單一頻率的信號通過該信道時，引起信號的畸非單一頻率的信號通過該信道時，引起信號的畸變變,如圖如圖3-11。 群遲延畸變和幅頻畸變一樣，是群遲延畸變和幅頻畸變一樣，是。因此，。因此，也可采取均衡措施進行補償。也可采取均衡措施進行補償。 273.4 隨參信道特性及其對信號傳輸的影響隨

17、參信道特性及其對信號傳輸的影響 隨參信道及其主要特性隨參信道及其主要特性 2829303132隨參信道舉例隨參信道舉例1、短波電離層反射信道短波電離層反射信道n短波的定義：短波的定義：波長為10010m(相應的頻率為330MHz)的無線電波；n短波信道：短波信道：既可沿地表面傳播，也可由電離層反射傳播； 地波傳播：地波傳播：一般是近距離的，限于幾十公里范圍； 天波傳播：天波傳播：借助于電離層的一次反射或多次反射可傳輸幾千公里，乃至上萬公里的距離；33n電離層的相關知識：電離層的相關知識：離地面高60600km的大氣層稱為電離層，是短波通信的主要路徑；電離層是由分子、原子、離子及自由電子組成的；

18、形成電離層的主要原因是太陽輻射的紫外線和x射線；信號經電離層一次反射的最大傳輸距離約為4000km；如果通過兩次反射，那么通信距離可達8000km。34短波信道電離層反射傳播短波信道電離層反射傳播35n天波通信頻率的選?。禾觳ㄍㄐ蓬l率的選?。簽閷崿F短波通信，在選用工作頻率時要考慮兩點：工作頻率應小于最高可用頻率、選用頻率的電磁波在電離層的吸收較?。籲天波通信中的多徑傳輸：天波通信中的多徑傳輸：由電波經電離層的一次反射和多次反射以及反射層高度不同等原因引起的；n天波通信的特點：天波通信的特點：優點很明顯，要求的功率較小，終端設備的成本較低，傳播距離遠，受地形限制較小，以及不易受到人為破壞；因此短

19、波電離層反射信道現在仍然是遠距離傳輸的重要信道之一。36n對流層散射信道：對流層散射信道：一種超視距的傳播信道，其一跳的傳播距離約為100500km，可工作在超短波和微波波段。n對流層簡介：對流層簡介：離地面1012km以下的大氣層。在對流層中，由于大氣湍流運動等原因產生了不均勻性，故引起電波的散射；散射具有強方向性。n對流層散射信道中的衰落對流層散射信道中的衰落：可分為慢衰落和快衰落；前者取決于氣象條件，后者由多徑傳播引起。2 2、對流層散射信道、對流層散射信道37 散射信道是典型的多徑信道；多徑傳播不僅引起信號電平的快衰落，而且還會導致波形失真；如圖所示，窄脈沖經過不同長度的路程到達接收點

20、，由于經過的路程不同使得到達接收點的時刻也不同，結果脈沖被展寬了，稱為信號的時間擴展。 對流層散射信道中的多徑傳輸對流層散射信道中的多徑傳輸38隨參信道主要具有隨參信道主要具有： 多徑傳播后的接收信號將是衰減和時延多徑傳播后的接收信號將是衰減和時延都隨時間變化的各條路徑的信號的合成。都隨時間變化的各條路徑的信號的合成。 對信號的衰耗隨時間而變化；對信號的衰耗隨時間而變化； 傳輸的時延隨時間而變化；傳輸的時延隨時間而變化； 多徑傳播。多徑傳播。39多徑傳輸的影響多徑傳輸的影響(主要從多徑時延差的影響進行研究主要從多徑時延差的影響進行研究)n 兩徑傳輸模型兩徑傳輸模型（設衰減相同）（設衰減相同）

21、設到達接收點的兩路信號具有相同的強度和一個相設到達接收點的兩路信號具有相同的強度和一個相對時延差對時延差。（設輸入信號為。（設輸入信號為f(t)=f(t)=Acosw w0t ） 當信號經過上圖所示的兩徑傳播后，其合成輸出當信號經過上圖所示的兩徑傳播后，其合成輸出信號將隨著輸入信號的頻率、兩徑的時延差信號將隨著輸入信號的頻率、兩徑的時延差的不同而的不同而變化。變化。40 常把多徑傳輸對信號傳輸的影響稱為常把多徑傳輸對信號傳輸的影響稱為和和。 tf輸入輸入of fF輸入輸入f41n 一般衰落及頻率彌散一般衰落及頻率彌散 當當0時，輸出信號時，輸出信號 包絡和相位是緩慢變化包絡和相位是緩慢變化的，

22、可視為一個窄帶過程的，可視為一個窄帶過程 tr 0cosr tV tttwj多徑傳播的結果使確定的載波信號多徑傳播的結果使確定的載波信號Acosw w0t變成了包絡和相位都受到調制的窄帶信號，這樣的信號變成了包絡和相位都受到調制的窄帶信號，這樣的信號通常稱之為通常稱之為； 多徑傳輸引起多徑傳輸引起，即由單個頻率變成，即由單個頻率變成一個窄帶頻譜。一個窄帶頻譜。42n 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落 衰減大衰減大，是多徑傳播又一個重要特征。，是多徑傳播又一個重要特征。 仍然以兩徑傳播為例，隨著信號頻率仍然以兩徑傳播為例，隨著信號頻率 的的改變，改變，輸出信號的波形輸出信號的波形(幅度幅度)也不相同

23、。也不相同。 w wt tw ww wjtjeeVH100 2cos20w wt tw wVH43如圖如圖: : 當當 （n為整數）時，出現傳播為整數）時，出現傳播； 當當 時，出現傳輸時，出現傳輸。 另外，相對時延差一般是隨時間變化的，故傳輸特性另外，相對時延差一般是隨時間變化的，故傳輸特性出現的零點與極點也是隨時間變化的。出現的零點與極點也是隨時間變化的。2n t t w w1n244n 相關帶寬相關帶寬 多徑傳播中，頻率選擇性同樣依賴于相對時延差。此時，相對時延多徑傳播中，頻率選擇性同樣依賴于相對時延差。此時，相對時延差（簡稱多徑時延差）通常用差（簡稱多徑時延差）通常用t tm來表征，并

24、用它來估算來表征，并用它來估算傳輸零極點在頻率軸上的位置。傳輸零極點在頻率軸上的位置。 mft1 為了不引起選擇性衰落，傳輸信號的頻帶必須為了不引起選擇性衰落，傳輸信號的頻帶必須小于多徑傳播媒質的相關頻帶小于多徑傳播媒質的相關頻帶 。 一般衰落及頻率彌散和頻率選擇性衰落都是非線性畸變，一般衰落及頻率彌散和頻率選擇性衰落都是非線性畸變，一旦產生很難采用一般方法將其消除掉一旦產生很難采用一般方法將其消除掉。 45隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善分集接收分集接收 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：分散得到幾個：分散得到幾個統計獨立統計獨立的合的合成信號并集中這些信號，那么經

25、適當的合并后構成總的成信號并集中這些信號，那么經適當的合并后構成總的接收信號，就能使系統的性能大為改善。接收信號，就能使系統的性能大為改善。分集接收技術的分集接收技術的實質實質 包含兩方面內容，即信號的分散接收與合并輸出。分集技術主要解決兩個問題：一是如何獲得同一信號的多個彼此盡可能不相關的接收信號；二是如何有效的利用所接收到的各支路信號，采取妥善的方式將它們合并。46n 分集接收的種類分集接收的種類 在接收端架設幾副有足夠間距的（在接收端架設幾副有足夠間距的（100個信號個信號波長以上）天線，以保證各天線上獲得的信號基本相互獨立。波長以上）天線，以保證各天線上獲得的信號基本相互獨立。用多個不

26、同載頻傳送同一個消息，如果各載頻用多個不同載頻傳送同一個消息，如果各載頻的頻差相隔比較遠，則各載頻信號也基本互不相關。的頻差相隔比較遠，則各載頻信號也基本互不相關。利用天線波束指向不同信號不相關的原理構成利用天線波束指向不同信號不相關的原理構成的一種分集方法。的一種分集方法。分別接收水平極化和垂直極化波而構成的一種分別接收水平極化和垂直極化波而構成的一種極化方法。極化方法。47n 合并方法合并方法 從幾個分散信號中從幾個分散信號中選擇其中信噪比最好的一個作為接收選擇其中信噪比最好的一個作為接收信號；信號； 將幾個分散的信將幾個分散的信號以相同增益進行直接相加，相加號以相同增益進行直接相加，相加

27、后的信號作為接收信號；后的信號作為接收信號；使各支路增使各支路增益分別與其信噪比成正比，然后再益分別與其信噪比成正比，然后再相加獲得接收信號。相加獲得接收信號。 圖中圖中n為分集重數，為分集重數，r為合為合并后輸出信噪比的平均值。并后輸出信噪比的平均值。483.6 信道容量信道容量：信道能夠傳輸信息的最大傳輸速率，：信道能夠傳輸信息的最大傳輸速率， 即信道的極限傳輸能力。即信道的極限傳輸能力。從信息論的觀點來看，各種信道可以概括為兩大類：從信息論的觀點來看，各種信道可以概括為兩大類： 輸入和輸出的信號都是取離散的時間函數；輸入和輸出的信號都是取離散的時間函數； 即廣義信道中的編碼信道；即廣義信道中的編碼信道；49 連續信道的信道容量連續信道的信道容量 n 香農公式香農