1、通信原理通信原理 第三章：信道與噪聲第三章：信道與噪聲3.1 信道信道 信號的傳輸通道是信道，信道是通信信號的傳輸通道是信道，信道是通信系統中重要的組成部分，信道中的噪聲也系統中重要的組成部分，信道中的噪聲也是不可避免的，因此了解信道和噪聲對了是不可避免的，因此了解信道和噪聲對了解信號的傳輸原理是至關重要的。解信號的傳輸原理是至關重要的。 下面通過一個小動畫來簡單了解一下下面通過一個小動畫來簡單了解一下信號在信道中傳輸所經歷的一切。信號在信道中傳輸所經歷的一切。 3.1.1 信道的定義及分類信道的定義及分類 信道就是指信號傳輸的通道，也可以說是信道就是指信號傳輸的通道，也可以說是傳輸媒介。傳輸

2、媒介。 比如：日常生活中的電纜、光纖、天線、比如：日常生活中的電纜、光纖、天線、電磁波等都是信號的傳輸媒介，都可以成電磁波等都是信號的傳輸媒介，都可以成為信道。為信道。信道的定義及分類信道的定義及分類 除了這些傳輸媒介外，信號在傳輸過程除了這些傳輸媒介外，信號在傳輸過程中還會經過編碼器、調制器、發送機、接中還會經過編碼器、調制器、發送機、接收機、解調器和譯碼器等設備，這些設備收機、解調器和譯碼器等設備，這些設備也是信號信號傳輸過程中要經過的道路。也是信號信號傳輸過程中要經過的道路。因此，通常把傳輸媒介稱為狹義信道，而因此，通常把傳輸媒介稱為狹義信道，而把信號必須經過的各種通信設備統稱為廣把信號

3、必須經過的各種通信設備統稱為廣義信道。義信道。廣義信道廣義信道信道的定義及分類信道的定義及分類 狹義信道按照傳輸媒質的特性可分為：狹義信道按照傳輸媒質的特性可分為：有線信道和有線信道和 無線信道無線信道 兩類。兩類。 廣義信道按照它包括的功能，可以分為廣義信道按照它包括的功能，可以分為 調制信道調制信道 、編碼信道、編碼信道 等。等。 分別介紹有線信道、無線信道、調制信分別介紹有線信道、無線信道、調制信道道 、編碼信道、編碼信道 。信道的定義及分類信道的定義及分類 調制信道是指從調制器輸出端到解調器調制信道是指從調制器輸出端到解調器輸入端所包含的發轉換裝置、媒介和收轉輸入端所包含的發轉換裝置、

4、媒介和收轉換裝置換裝置 三部分。三部分。 編碼信道是指編碼器輸出端到譯碼器輸編碼信道是指編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。即包括調制器、調制信道和入端的部分。即包括調制器、調制信道和解調器。解調器。信道信道廣義信道廣義信道（簡稱信道簡稱信道）狹義信道狹義信道有線信道有線信道無線信道無線信道調制信道調制信道 編碼信道編碼信道從研究信息傳輸的角度 出發，使一些基本問題的研究比較方便。通信效果的好壞，很大程度上將依賴于狹義信道的特性。信道的定義及分類信道的定義及分類 所謂有線信道是指傳輸媒介為明線、對所謂有線信道是指傳輸媒介為明線、對稱電纜、同軸電纜、光纜及波導等一類能稱電纜、同軸電纜、光纜及波導等

5、一類能夠看得見的媒介。夠看得見的媒介。 有線信道是現代通信網中最常用的信道有線信道是現代通信網中最常用的信道之一，如對稱電纜（又稱電話電纜）廣泛之一，如對稱電纜（又稱電話電纜）廣泛應用于（市內）近程傳輸。但信號在傳輸應用于（市內）近程傳輸。但信號在傳輸過程中肯定會有衰減，也肯定會有時延。過程中肯定會有衰減，也肯定會有時延。 比如：有線電視信號隨著有線電視臺到比如：有線電視信號隨著有線電視臺到用戶之間的距離越來越遠而衰減得越來越用戶之間的距離越來越遠而衰減得越來越嚴重，那么有線電視臺是如何保證長距離嚴重，那么有線電視臺是如何保證長距離傳輸有線電視信號時不衰減的？傳輸有線電視信號時不衰減的？ 有線

6、電視傳輸距離是通過中轉站（地方有線電視傳輸距離是通過中轉站（地方有線電視臺）進行有線電視信號的放大，有線電視臺）進行有線電視信號的放大，以解決由傳輸距離造成的衰減，同時對于以解決由傳輸距離造成的衰減，同時對于沒有中轉站，距離較遠的地方，比如城市沒有中轉站，距離較遠的地方，比如城市到鄉鎮再到各區等，都是采用干線放大器到鄉鎮再到各區等，都是采用干線放大器進行信號放大，（路邊電線桿上的小盒子進行信號放大，（路邊電線桿上的小盒子就是專用于高頻電視信號放大的）。就是專用于高頻電視信號放大的）。 對于大多數有線信道，由于它們的傳輸參對于大多數有線信道，由于它們的傳輸參數恒定，不隨時間而變化，所以幅度數恒定

7、，不隨時間而變化，所以幅度- -頻率頻率特性和相位特性和相位- -頻率特性就是它們的主要特性。頻率特性就是它們的主要特性。 對于信號而言，幅度、頻率、相位是信號對于信號而言，幅度、頻率、相位是信號的基本特性，因此我們希望信道經過信道的基本特性，因此我們希望信道經過信道后，幅度不變，相位不變，頻率也不變，后，幅度不變，相位不變，頻率也不變，這樣信號就不可能失真了。這樣信號就不可能失真了。 但這是不可能的，信號在傳輸過程中肯定但這是不可能的，信號在傳輸過程中肯定會衰減，也肯定會有時延。會衰減，也肯定會有時延。 通過第二章的學習我們知道，一個信號是通過第二章的學習我們知道，一個信號是由不同頻率分量的

8、信號組成。這樣如果衰由不同頻率分量的信號組成。這樣如果衰減和時延不一致的話，就會變形。減和時延不一致的話，就會變形。 如果不同頻率的信號衰減一致的話，頻譜如果不同頻率的信號衰減一致的話，頻譜形狀基本沒有變化，所以沒有頻率失真。形狀基本沒有變化，所以沒有頻率失真。 但如果一些衰減大，一些衰減小，那就會但如果一些衰減大，一些衰減小，那就會產生變形。產生變形。3.1.2 如何彌補？如何彌補？ 對于像有線信道這樣的有固定幅頻特對于像有線信道這樣的有固定幅頻特性或相頻特性的信道，可以添加一個補償性或相頻特性的信道，可以添加一個補償電路，使總的信道特性趨于平坦，這種通電路，使總的信道特性趨于平坦，這種通過

9、校正幅頻特性或相頻特性來補償失真信過校正幅頻特性或相頻特性來補償失真信號的處理方法，也稱為頻域均衡。還有一號的處理方法，也稱為頻域均衡。還有一種均衡是通過產生波形去補償失真波形的，種均衡是通過產生波形去補償失真波形的，這種均衡則稱為時域均衡。有關時域均衡這種均衡則稱為時域均衡。有關時域均衡我們講到數字信號的基帶傳輸時再繼續。我們講到數字信號的基帶傳輸時再繼續。3.1.3 無線信道無線信道 無線信道的傳輸媒介比較多，它包括無線信道的傳輸媒介比較多，它包括短波電離層反射、對流層散射等。可以這短波電離層反射、對流層散射等。可以這樣認為，凡不屬有線信道的媒介均為無線樣認為，凡不屬有線信道的媒介均為無線

10、信道的媒介。無線信道具有方便、靈活、信道的媒介。無線信道具有方便、靈活、通信者可移動等優點，但無線信道的傳輸通信者可移動等優點，但無線信道的傳輸特性沒有有線信道的傳輸特性穩定和可靠。特性沒有有線信道的傳輸特性穩定和可靠。 移動通信是最為典型的無線通信系統。移動通信是最為典型的無線通信系統。 移動通信系統多建于大中城市的市區，移動通信系統多建于大中城市的市區，城市中的高樓林立、高低不平、疏密不同、城市中的高樓林立、高低不平、疏密不同、形狀各異，這些都使移動通信中無線電波形狀各異，這些都使移動通信中無線電波的傳播路徑進一步復雜化，并導致其傳輸的傳播路徑進一步復雜化，并導致其傳輸特性變化十分劇烈。使

11、得移動臺接收到的特性變化十分劇烈。使得移動臺接收到的電波一般是直射波和隨時變化的繞射波、電波一般是直射波和隨時變化的繞射波、反射波、散射波的疊加，這樣就造成所接反射波、散射波的疊加，這樣就造成所接收信號的電場強度起伏不定，這種現象稱收信號的電場強度起伏不定，這種現象稱為衰落。為衰落。 第一種衰減是自然的衰減。電磁波即使在第一種衰減是自然的衰減。電磁波即使在無遮無擋的自由空間傳播，功率也會隨傳無遮無擋的自由空間傳播，功率也會隨傳輸距離的增加而衰減，衰減量大約是傳輸輸距離的增加而衰減，衰減量大約是傳輸距離的距離的34倍，這種衰減成為路徑衰減。倍，這種衰減成為路徑衰減。 第二種衰減是遇到起伏的地形、

12、建筑物或第二種衰減是遇到起伏的地形、建筑物或障礙物時，因為阻塞而發生的衰減，這種障礙物時，因為阻塞而發生的衰減，這種衰減稱為陰影衰減。衰減稱為陰影衰減。 第三種衰減是由電磁波的多徑傳輸引起的，第三種衰減是由電磁波的多徑傳輸引起的，也叫瑞利衰減。由于電波通過各個路徑的也叫瑞利衰減。由于電波通過各個路徑的距離不同，因而各個路徑來的反射波到達距離不同，因而各個路徑來的反射波到達時間不同，相位也就不同。不同相位的多時間不同，相位也就不同。不同相位的多個信號在接收端迭加，有時迭加而加強個信號在接收端迭加，有時迭加而加強（方向相同），有時迭加而減弱（方向相（方向相同），有時迭加而減弱（方向相反）。這樣，接

13、收信號的幅度將急劇變化，反）。這樣，接收信號的幅度將急劇變化，即產生了衰落。即產生了衰落。如何解決？如何解決？ 1 1、路徑衰落、路徑衰落 當信號衰減到一定程度時，可以加一個中當信號衰減到一定程度時，可以加一個中繼放大器來加強信號。繼放大器來加強信號。 有時這種衰落還有很大的好處。有時這種衰落還有很大的好處。 2 2、陰影衰落、陰影衰落 可以加一些信號放大器，這些信號放大器可以加一些信號放大器，這些信號放大器有時也稱為直放站。目前，解決電梯、地有時也稱為直放站。目前，解決電梯、地下室、隧道、偏遠山區的信號覆蓋，多采下室、隧道、偏遠山區的信號覆蓋，多采用這種方法。用這種方法。 3 3、瑞利衰落、

14、瑞利衰落 可以多用幾面天線來進行接收，這種方法可以多用幾面天線來進行接收，這種方法叫做分集接收。叫做分集接收。信道的定義及分類信道的定義及分類 調制信道是指從調制器輸出端到解調器調制信道是指從調制器輸出端到解調器輸入端所包含的發轉換裝置、媒介和收轉輸入端所包含的發轉換裝置、媒介和收轉換裝置換裝置 三部分。三部分。 編碼信道是指編碼器輸出端到譯碼器輸編碼信道是指編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。即包括調制器、調制信道和入端的部分。即包括調制器、調制信道和解調器。解調器。3.2 信道的數學模型信道的數學模型 信道的數學模型用來表征實際物理信道信道的數學模型用來表征實際物理信道的特性，它對通信系統的

15、的分析和設計是的特性，它對通信系統的的分析和設計是十分方便的。十分方便的。信道信道調制信道調制信道編碼信道編碼信道廣義信道廣義信道狹義信道狹義信道有線信道有線信道，如 電纜、光纖 等無線信道無線信道，如中短波、微波信道等恒參信道恒參信道隨參信道隨參信道有記憶編碼信道有記憶編碼信道無記憶編碼信道無記憶編碼信道3.2.1 調制信道的模型調制信道的模型 通過對調制信道進行大量的分析研究，發通過對調制信道進行大量的分析研究，發現它具有如下共性現它具有如下共性 ： (1) (1) 有一對有一對( (或多對或多對) )輸入端和一對輸入端和一對( (或多對或多對) )輸出端；輸出端； (2) (2) 絕大多

16、數信道是線性的，即滿足線性絕大多數信道是線性的，即滿足線性疊加原理；疊加原理； (3) (3) 信號通過信道具有固定或時變的延遲信號通過信道具有固定或時變的延遲時間；時間； (4) (4) 信號通過信道會受到固定的或時變信號通過信道會受到固定的或時變 的損耗；的損耗； (5) (5) 即使沒有信號輸入，在信道的輸出端即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。仍可能有一定的輸出（噪聲）。 調制信道數學模型如下圖調制信道數學模型如下圖1 1所示。所示。f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)圖 1 調制信道數學模型) ()() (t ntefteio 信道輸入端信號電壓； 信道

17、輸出端的信號電壓； 噪聲電壓。 通常假設：通常假設： 這時上式變為：這時上式變為：)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio（式1） 因因k k( (t t) )隨隨t t變，故信道稱為時變信道。變，故信道稱為時變信道。 因因k k( (t t) )與與e e i i ( (t t) )相乘，故稱其為乘性干相乘，故稱其為乘性干擾。擾。 因因k k( (t t) )隨時間隨時間t t隨機變化或快速變化，稱隨機變化或快速變化，稱此信道為此信道為隨參信道隨參信道。 若若k k( (t t) )隨時間隨時間t t變化很慢或很小，則稱此變化很慢或很小，

18、則稱此信道為信道為恒參信道恒參信道。 根據公式可知，根據公式可知，當沒有信號時，沒有乘性當沒有信號時，沒有乘性干擾，有加性噪聲。干擾，有加性噪聲。3.1.2 編碼信道模型編碼信道模型 編碼信道輸入是離散的時間信號，輸編碼信道輸入是離散的時間信號，輸出也是離散時間信號，對信號的影響則是出也是離散時間信號，對信號的影響則是將輸入數字序列變成另一種輸出數字序列。將輸入數字序列變成另一種輸出數字序列。 由于信道噪聲或其它因素的影響，將導致由于信道噪聲或其它因素的影響，將導致輸出數字序列發生錯誤，因此輸入輸出數輸出數字序列發生錯誤，因此輸入輸出數字序列之間的關系可以用一組轉移概率來字序列之間的關系可以用

19、一組轉移概率來表征。表征。 二進制數字傳輸系統的一種簡單的編碼信二進制數字傳輸系統的一種簡單的編碼信道模型如圖道模型如圖2 2所示：所示：P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01圖 2 二進制編碼信道模型先驗概率先驗概率正確轉移正確轉移概率概率錯誤轉移錯誤轉移概率概率 圖中圖中 P(0) P(0) 和和 P(1) P(1) 分別是分別是 發送發送 “ “0” 0” 符號符號 和和 “ “1” 1” 符號的符號的 先驗概率先驗概率 ； P(0/0) P(0/0) 與與 P(1/1) P(1/1) 是是 正確轉移概率正確轉移概率 ； P(1/0) P(1/0) 與與

20、 P(0/1) P(0/1) 是是 錯誤轉移概率錯誤轉移概率 。 輸出輸出 總的錯誤概率總的錯誤概率 為：為：(式式2)ePPPPP(0)(1/0)(1)(0/1) 在圖在圖2 2所示的編碼信道模型中，由于信道噪所示的編碼信道模型中，由于信道噪聲或其它因素影響導致輸出數字序列發生聲或其它因素影響導致輸出數字序列發生錯誤是統計獨立的，因此這種信道是無記錯誤是統計獨立的，因此這種信道是無記憶編碼信道憶編碼信道 。 即碼元是否發生差錯與其前后碼元的取值即碼元是否發生差錯與其前后碼元的取值 以及前后碼元是否發生差錯都無關。以及前后碼元是否發生差錯都無關。 根據概率的性質可知：根據概率的性質可知：PPP

21、P(0/ )(1/ )1(01/ )(0/ )1011 由二進制無記憶編碼信道模型，可以容由二進制無記憶編碼信道模型，可以容易的推廣到多進制無記憶編碼信道模型易的推廣到多進制無記憶編碼信道模型 。 如果編碼信道是有記憶的，即信道噪如果編碼信道是有記憶的，即信道噪聲或其它因素影響導致輸出數字序列發生聲或其它因素影響導致輸出數字序列發生錯誤是不獨立的，則編碼信道模型要復雜錯誤是不獨立的，則編碼信道模型要復雜得多。得多。 3.3 恒參及隨參信道舉例恒參及隨參信道舉例 恒參信道的信道特性不隨時間變化或恒參信道的信道特性不隨時間變化或變化很緩慢變化很緩慢 。 由架空明線、電纜、中長波地波播、由架空明線、

22、電纜、中長波地波播、超短波及微波與光波的視距傳播、人造衛超短波及微波與光波的視距傳播、人造衛星中繼、以及光導纖維等星中繼、以及光導纖維等 傳輸媒質構成的傳輸媒質構成的廣義信道都屬于恒參信道。廣義信道都屬于恒參信道。 3.3.1 恒參信道舉例恒參信道舉例 a) a) 明線明線 平行而相互絕緣的架空裸線線路。優平行而相互絕緣的架空裸線線路。優點：傳輸損耗低；缺點：易受氣候和天氣點：傳輸損耗低；缺點：易受氣候和天氣的影響，并且對外界噪聲干擾敏感。目前，的影響，并且對外界噪聲干擾敏感。目前，已逐漸被電纜所取代。已逐漸被電纜所取代。明線明線 b) 對稱電纜對稱電纜 對稱電纜是在同一保護套內有許多對對稱電

23、纜是在同一保護套內有許多對相互絕緣的雙導線相互絕緣的雙導線 的傳輸媒質。的傳輸媒質。 為了減小各線對之間的相互干擾，每為了減小各線對之間的相互干擾，每一對線都擰成扭絞狀。電纜的傳輸損耗比一對線都擰成扭絞狀。電纜的傳輸損耗比較大，但其傳輸特性比較穩定，并且價格較大，但其傳輸特性比較穩定，并且價格便宜、靈活、安裝容易。便宜、靈活、安裝容易。對稱電纜（雙絞線）對稱電纜（雙絞線）通信原理 2008年 c) c) 同軸電纜同軸電纜 同軸電纜由同軸的兩個導體構成，外導體同軸電纜由同軸的兩個導體構成，外導體是圓柱形的導體，內導體是金屬線，它們之間是圓柱形的導體，內導體是金屬線，它們之間填充著介質。填充著介質

24、。 實際應用中，同軸電纜的外導體接地，對實際應用中，同軸電纜的外導體接地，對外界干擾具有較好的屏蔽作用，所以同軸電纜外界干擾具有較好的屏蔽作用，所以同軸電纜 抗電磁干擾性能較好。抗電磁干擾性能較好。 在有線電視網絡中大量采用同軸電纜。在有線電視網絡中大量采用同軸電纜。 d) 微波中繼信道微波中繼信道 微波頻段的頻率范圍一般在幾百微波頻段的頻率范圍一般在幾百MHzMHz至至幾十幾十GHzGHz范圍，其傳輸特點是在范圍，其傳輸特點是在 自由空間自由空間沿視距傳輸。沿視距傳輸。 由于受地形和天線高度的限制，兩點由于受地形和天線高度的限制，兩點間的傳輸距離一般為間的傳輸距離一般為30km50km30k

25、m50km，當長距離，當長距離通信時，需要在中間建立多個中繼站。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、傳輸質量穩定、節約有色金屬、投資少、維護方便等優點。因此，被廣泛用來傳輸維護方便等優點。因此，被廣泛用來傳輸多路電話及電視等。多路電話及電視等。地球地球 e) e) 衛星中繼信道衛星中繼信道 衛星中繼信道衛星中繼信道 是是 利用人造衛星作為利用人造衛星作為 中繼站中繼站 構成的通信信道。構成的通信信道。 若衛星運行軌道在赤道平面、離地面若衛星運行軌道在赤道平面、離地面高度為高度為35780Km 3

26、5780Km 時，繞地球運行一周的時時，繞地球運行一周的時間恰為間恰為 2424小時小時 與地球自轉同步，這種衛與地球自轉同步，這種衛星稱為星稱為 靜止衛星靜止衛星 。 不在靜止軌道運行的衛星稱為不在靜止軌道運行的衛星稱為 移動衛移動衛星星 。 f ) f ) 光纖信道光纖信道 光導纖維光導纖維 ( (簡稱光纖簡稱光纖) ) 為傳輸媒質、為傳輸媒質、光波光波 為為 載波載波 的光纖信道。的光纖信道。 組成：組成：光源光源、光纖線路光纖線路 及及 光電探測光電探測器器 等三個部分。等三個部分。恒參信道恒參信道有線電有線電信道信道無線電無線電視距視距中繼中繼信道信道光纖光纖信道信道架空明線架空明線

27、對稱電纜對稱電纜同軸電纜同軸電纜微波中繼信道微波中繼信道衛星中繼信道衛星中繼信道通信原理 2008年 隨隨參信道參信道 是指 信道傳輸特性信道傳輸特性 隨時間隨時間 隨機隨機 快速快速 變變化的信道化的信道 。 常見的 隨參信道 有： 陸地陸地移動移動信道信道、 短波短波電離層電離層反射反射信道信道、 330 MHz 超短波超短波流星余跡流星余跡散射散射信道、信道、 30100 MHz 超短波超短波及及微波微波對流層對流層散射散射信道信道、 1004000 MHz 超短波超短波電離層電離層散射散射信道、信道、 3060 MHz 超短波超短波超視距超視距繞射繞射信道信道 等 。隨參信道舉例隨參信

28、道舉例 a) a) 陸地移動信道陸地移動信道 陸地移動通信工作頻段主要在陸地移動通信工作頻段主要在VHFVHF和和 UHFUHF頻段，電波傳播特點是以直射波為主頻段，電波傳播特點是以直射波為主 。 但是，由于城市建筑群和其它地形地但是，由于城市建筑群和其它地形地物的影響，電波在傳播過程中會產生反射物的影響，電波在傳播過程中會產生反射波、散射波以及它們的合成波，電波傳輸波、散射波以及它們的合成波，電波傳輸環境較為復雜。環境較為復雜。 因此移動信道是典型的隨參信道因此移動信道是典型的隨參信道 。 b)b)短波電離層反射信道短波電離層反射信道 短波電離層反射信道是利用地面發射短波電離層反射信道是利用

29、地面發射的無線電波在電離層與地面之間的一次反的無線電波在電離層與地面之間的一次反射或射或 多次反射所形成的信道。多次反射所形成的信道。 離地面離地面60600 km60600 km的大氣層稱為電離層。的大氣層稱為電離層。電離層是由分子、原子、離子電離層是由分子、原子、離子 及自由電子及自由電子組成。組成。 形成電離層的主要原因是：太陽輻射形成電離層的主要原因是：太陽輻射的紫外線和的紫外線和x x射線。射線。 短波電離層反射信道短波電離層反射信道 的 優點優點 ： 要求的功率較小，終端設備的成本較低； 傳播距離遠；且與長波比較，傳輸頻帶更寬； 受地形限制較小；因此短波電離層反射信道現在仍然是 遠

30、距離傳遠距離傳輸輸的重要信道之一。 不易受到人為破壞；軍事通軍事通信信上有重要意義。 缺點缺點如下：存在快衰落快衰落與多徑時延失真多徑時延失真；電離層的騷動、暴變等會引起較長時間的通信中斷，傳輸可靠性差傳輸可靠性差（0.9）；需經常更需經常更換工作頻率換工作頻率，使用不便；干擾電平高干擾電平高。 c )c )對流層散射信道對流層散射信道 對流層散射信道：一種超視距的傳播信道，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其一跳的傳播距離約為100100500km500km，可工作在，可工作在 超短波和超短波和 微波波段微波波段 。 對流層簡介：離地面對流層簡介：離地面101012k

31、m12km以下的大氣以下的大氣層。在對流層中，由于大氣湍流運動等原因產生層。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；散射具有強方了不均勻性，故引起電波的散射；散射具有強方向性。向性。 對流層散射信道中的衰落：可分為慢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，后者由多徑傳和快衰落；前者取決于氣象條件，后者由多徑傳播引起播引起 。 隨參信道特性隨參信道特性 隨參信道的傳輸媒質具有以下三個特點隨參信道的傳輸媒質具有以下三個特點 ： (1) (1) 對信號的衰耗隨時間隨機變化；對信號的衰耗隨時間隨機變化； (2) (2) 信號傳輸的時延隨時間隨機

32、變化；信號傳輸的時延隨時間隨機變化； （3) 3) 多徑傳播多徑傳播 。 小結：1、調制信道模型的共性。、調制信道模型的共性。2、調制信道模型的意義。、調制信道模型的意義。3、編碼信道模型。、編碼信道模型。4、恒參信道舉例。、恒參信道舉例。5、隨參信道舉例。、隨參信道舉例。6、隨參信道特點、隨參信道特點。 無論是有線信道，還是無線信道，都無法避免噪聲問題。加性噪聲與信號相互獨立，并且始終存在。它也是通信中的一種電信號。實際中，只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。 ( Added noise )( Added noise ) 因此，加性噪聲不可避免地會對通信造成危害。 通信原

33、理 2008年按加性噪聲按加性噪聲來源分類來源分類人為噪聲人為噪聲：外臺信號、電氣開關合斷、點火系統自然噪聲自然噪聲：天電噪聲來源于雷電、磁暴、宇宙射 線、太陽黑子內部噪聲內部噪聲：系統設備內部本身產生的各種噪聲， 電阻器熱噪聲、電子管、半導體管中 的電子起伏（散彈噪聲）按隨機噪聲按隨機噪聲性質分類性質分類單頻噪聲單頻噪聲：外臺信號脈沖噪聲脈沖噪聲：電氣開關合斷噪聲、工業電火花起伏噪聲起伏噪聲：熱噪聲、散彈噪聲、宇宙噪聲 一、噪聲的分類一、噪聲的分類 a)a) 根據 噪聲來源噪聲來源 進行分類，一般可以分為三類三類 1 1人為噪聲人為噪聲 人為噪聲是指人類活動所產生的對通信造成干擾的各種噪聲。

34、其中包括工業噪聲和無線電噪聲。 2 2自然噪聲自然噪聲 自然噪聲 是指 自然界存在的自然界存在的 各種電磁波源各種電磁波源 所產生的噪聲。如雷電、磁暴、太陽黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等。 3 3內部噪聲內部噪聲 內部噪聲是指 通信設備本身通信設備本身 產生的各種噪聲。 如 電阻一類的導體中 自由電子的熱運動產生的熱噪聲熱噪聲、電子管中 電子的起伏發射 或 晶體管中 載流子的起伏變化 產生的 散彈噪聲散彈噪聲 等。通信原理 2008年 b) 根據 噪聲的性質噪聲的性質 分類，噪聲可以分為 單頻噪單頻噪聲聲、脈沖噪聲脈沖噪聲 和 起伏噪聲起伏噪聲 。 1單頻噪聲單頻噪聲 單頻噪聲 主要是 無線電干

35、擾，頻譜特性可能是單一頻率單一頻率，也可能是 窄帶譜窄帶譜 。 單頻噪聲的 特點特點 是：一種連續波干擾。可以通過合理設計系統避免單頻噪聲的干擾。 2脈沖噪聲脈沖噪聲 脈沖噪聲 是 在時間上無規則的 突發突發脈沖波形脈沖波形 。包括工業干擾中的電火花、汽車點火噪聲、雷電等。通信原理 2008年 脈沖噪聲的 特點特點 是：以突發脈沖形式出現、干干擾持續時間短擾持續時間短、脈沖幅度大脈沖幅度大、周期是隨機的周期是隨機的、且相鄰突發脈沖之間 有較長的安靜時間有較長的安靜時間 。 3起伏噪聲起伏噪聲 起伏起伏噪聲噪聲 是是 一種一種 連續波連續波 隨機噪聲隨機噪聲 ， 包括 熱噪熱噪聲聲、散彈噪聲散彈

36、噪聲 和 宇宙噪聲宇宙噪聲 。 對其特性的表征 可采用 隨機過程的分析方法隨機過程的分析方法。 由于脈沖很窄，所以其 頻譜很寬頻譜很寬 。但是 隨著頻率的提高，頻譜強度逐漸減弱。 可以通過 選擇合適的工作頻率、遠離脈沖源 等措施減小和避免脈沖噪聲的干擾。 通信原理 2008年 起伏噪聲的特點特點是：具有很寬的具有很寬的頻帶頻帶，并且始終存在，它是 影響通信系統性能的 主要因素主要因素 。二、二、起伏噪聲及特性起伏噪聲及特性 在起伏噪聲中，我們主要討論熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲的 產生原因產生原因，分析其 統計特性統計特性。 熱噪聲是 由傳導媒質中 電子的隨機運動電子的隨機運動 而產生的. 根據

37、 中心極限定理 可知，熱噪聲電壓 服從 高斯高斯分布分布，且 均值 為零 。 因此，通常都將 熱噪聲熱噪聲 看成 高斯白噪聲高斯白噪聲 。 除了熱噪聲之外，電子管和晶體管器件電子發射不均勻所產生的 散彈噪聲散彈噪聲 ； ( 100 MHz 平坦平坦 ) 來自太陽、銀河系及銀河系外的 宇宙噪聲宇宙噪聲 的功率譜密度在很寬的頻率范圍內也是平坦的。 它們也屬于 零均值 高斯分布，因此，散彈噪聲散彈噪聲和 宇宙噪聲 也看成是 高斯白噪聲高斯白噪聲 。 由以上分析我們可得，熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲這些 起伏噪聲起伏噪聲 都可以認為是一種高斯噪聲，且功率譜密度在很寬的頻帶范圍都是常數。 因此，起伏噪聲起

38、伏噪聲通常被認為是近似 高斯白噪聲高斯白噪聲。 在我們研究 調制解調 問題 時，解調器解調器 輸入端輸入端 噪噪聲聲 通常都可以表示為 窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲。 噪聲的功率譜密度是個常數，均勻分布在噪聲的功率譜密度是個常數，均勻分布在整個頻率范圍內，有點像光學中的白光。整個頻率范圍內，有點像光學中的白光。白光在全部可見光的頻譜范圍內基本上是白光在全部可見光的頻譜范圍內基本上是連續而均勻的。因此這種噪聲稱為白噪聲。連續而均勻的。因此這種噪聲稱為白噪聲。 由于起伏噪聲的功率譜密度在相當寬的頻由于起伏噪聲的功率譜密度在相當寬的頻譜范圍內也是均勻的，而且概率密度服從譜范圍內也是均勻的，而且概率密度服

39、從高斯分布，稱為高斯白噪聲。高斯分布，稱為高斯白噪聲。3.5 信道容量信道容量信道容量是指信道中信息無差錯傳輸的最大信道容量是指信道中信息無差錯傳輸的最大速率速率 。 香農公式香農公式 帶寬為帶寬為B(Hz)B(Hz)的連續信道，其輸入信號的功的連續信道，其輸入信號的功率為率為S S，信道加性高斯白噪聲的功率為，信道加性高斯白噪聲的功率為N N 。 可以證明，信道的可以證明，信道的信道容量信道容量為：為：SCBb sN2log1( / ) 香農公式表明：當信號與信道加性高斯香農公式表明：當信號與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時，在一定頻帶寬白噪聲的平均功率給定時，在一定頻帶寬度的信道上，理論

40、上單位時間內可能傳輸度的信道上，理論上單位時間內可能傳輸的信息量的極限值的信息量的極限值 。 只要傳輸速率小于等于信道容量，則總可只要傳輸速率小于等于信道容量，則總可以找到一種信道編碼方式，實現無差錯傳以找到一種信道編碼方式，實現無差錯傳輸；輸； 若傳輸速率大于信道容量，則不可能實現若傳輸速率大于信道容量，則不可能實現 無差錯傳輸無差錯傳輸 。 若噪聲若噪聲n n( (t t) )的單邊功率譜密度為的單邊功率譜密度為n n0 0 ，則，則在信道帶寬在信道帶寬B B 內的噪聲功率內的噪聲功率N N = = n n0 0B B 。 因此，香農公式因此，香農公式 的的 另一形式另一形式 為：為： S

41、C Bb snB20log 1( / ) 由香農公式可得以下結論：由香農公式可得以下結論： (1) (1) 增大信號功率增大信號功率S S可以增加信道容量，若可以增加信道容量，若信號功率趨于無窮大，則信道容量也趨于信號功率趨于無窮大，則信道容量也趨于無窮大。無窮大。 （2 2）減小噪聲功率）減小噪聲功率N N ( ( 或減小噪聲功率譜或減小噪聲功率譜密度密度n n0 0) ) 可以增加信道容量，若噪聲功率趨可以增加信道容量，若噪聲功率趨于零于零 ( (或噪聲功率譜密度趨于零或噪聲功率譜密度趨于零) )，則信道，則信道容量趨于無窮大。容量趨于無窮大。(3) (3) 增大信道帶寬增大信道帶寬B B

42、可以增加信道容量，但不可以增加信道容量，但不能使信道容量無限制增大。信道帶寬能使信道容量無限制增大。信道帶寬B B 趨趨于無窮大時，信道容量的極限值為于無窮大時，信道容量的極限值為11BBBn BSSCBn BnSSnSnSn Be222000000limlimlog1.44limloglog 但是頻帶貴如油，不是想增加就增加的。但是頻帶貴如油，不是想增加就增加的。而且就算頻帶可以無限制的增大，信道容而且就算頻帶可以無限制的增大，信道容量也不能無限增大量也不能無限增大? 這是由于高斯白噪聲無處不在，帶寬增大，這是由于高斯白噪聲無處不在，帶寬增大，噪聲功率也會增大，那么信噪比就下降了，噪聲功率也

43、會增大，那么信噪比就下降了，當信噪比低到一定的程度時，再怎么增加當信噪比低到一定的程度時，再怎么增加帶寬也不能無差錯的傳輸。帶寬也不能無差錯的傳輸。 上述推算：當信道帶寬無限大，或信噪比上述推算：當信道帶寬無限大，或信噪比很小時，信道容量趨近于信號功率和噪聲很小時，信道容量趨近于信號功率和噪聲功率譜密度之比的功率譜密度之比的1.44倍。倍。 香農公式給出了通信系統所能達到的極香農公式給出了通信系統所能達到的極限信息傳輸速率，達到極限信息速率的通限信息傳輸速率，達到極限信息速率的通信系統稱為信系統稱為 理想通信系統理想通信系統 。 但是，香農公式只證明了理想通信系但是，香農公式只證明了理想通信系

44、統的統的“存在性存在性”，卻沒有指出這種通信系，卻沒有指出這種通信系統的實現方法統的實現方法 。 3G標準廣泛采用的是標準廣泛采用的是CDMA技術，而技術，而4G，根據根據ITU（國際電信聯盟）的定義，應該符（國際電信聯盟）的定義，應該符合以下兩個特點：合以下兩個特點： 1、移動狀態下數據傳輸速率達、移動狀態下數據傳輸速率達100Mbit/s。 2、室內靜止狀態下數據傳輸速率達、室內靜止狀態下數據傳輸速率達1Gbit/s。 比比3G標準速率提高至少標準速率提高至少50倍。倍。 應該怎么做？應該怎么做？ 提高信道帶寬還是提高信噪比？提高信道帶寬還是提高信噪比？ 增加增加50倍的帶寬不現實，因此技

45、術的落腳倍的帶寬不現實，因此技術的落腳點是提高頻譜利用率。點是提高頻譜利用率。 或提高信號的發射功率，但是對人體的健或提高信號的發射功率，但是對人體的健康將有很大的問題。康將有很大的問題。3.5.1 MIMO技術 MIMO技術：多輸入多輸出，是當前無線技技術：多輸入多輸出，是當前無線技術研究的熱點，也是術研究的熱點，也是4G標準最可能采用的標準最可能采用的技術。技術。 用多面天線來接收和發送信號，接收端合用多面天線來接收和發送信號，接收端合并接收的多路信號或者選擇最強的一路接并接收的多路信號或者選擇最強的一路接收，其信號功率會比只接收一路強，噪聲收，其信號功率會比只接收一路強，噪聲功率基本沒變

46、，信噪比自然就提高了。功率基本沒變，信噪比自然就提高了。以上為信道容量的近似公式，以上為信道容量的近似公式，M M代表發送代表發送端或接收端天線數目。端或接收端天線數目。這就是說，信道的容量，除了增加帶寬，這就是說，信道的容量，除了增加帶寬，提高信噪比，還可以通過增加天線，向提高信噪比，還可以通過增加天線，向空間索要。空間索要。20log1( / )SCMBb sn B 【例】已知黑白電視圖像信號每幀有【例】已知黑白電視圖像信號每幀有3030萬個像素；每個像素有萬個像素；每個像素有8 8個亮度電平；個亮度電平；各電平獨立地以等概率出現；圖像每各電平獨立地以等概率出現；圖像每秒發送秒發送2525

47、幀。若要求接收圖像信噪比幀。若要求接收圖像信噪比達到達到30dB30dB，試求所需傳輸帶寬。，試求所需傳輸帶寬。【解】因為每個像素獨立地以等概率取【解】因為每個像素獨立地以等概率取8 8個亮度電平，個亮度電平，故每個像素的信息量為故每個像素的信息量為I Ip p = -log2(1/ 8) = 3 = -log2(1/ 8) = 3 (bit/ (bit/符號符號) )并且每幀圖像的信息量為并且每幀圖像的信息量為I IF F = 300,000 = 300,000 3 = 900,000 (bit/ 3 = 900,000 (bit/符號符號) )因為每秒傳輸因為每秒傳輸2525幀圖像，所以要求傳輸速率為幀圖像，所以要求傳輸速率為R Rb b = 900,000 = 900,000 25 = 22,500,000 (b/s) 25 = 22,500,000 (b/s) 信道的容量信道的容量C Ct t必須不小于此必須不小于此R Rb b值。將上述數值代值。將上述數值代入式：入式：得到得到 22,500,000 = 22,500,000 =