第4章信道4.0信道的定義及分類4.1無線信道4.2有線信道4.3信道數學模型4.4信道特性及其對信號傳輸的影響4.5信道中的噪聲4.6信道容量1第一頁，共59頁。第一頁，共59頁。目的：了解各種實際信道、信道的數學模型和信道容量的概念。思路：通過介紹實際信道的例子，歸納信道的特性，闡述信道的數學模型，最后簡紹信道容量的概念。要求：注重了解各種實際信道的特點，掌握信道的數學模型，簡單運用信道容量公式解決實際問題。2第二頁，共59頁。第二頁，共59頁。4.0信道定義及分類信道是指以傳輸媒質為基礎的信號通道。信道與發送設備、接收設備一起組成通信系統。沒有信道，通信就無法進行；信道的好壞直接影響通信的質量。3第三頁，共59頁。第三頁，共59頁。4.0信道定義及分類如果信道僅是指信號的傳輸媒質，這種信道稱為狹義信道.如果信道不僅是傳輸媒質，而且包括通信系統中的一些轉換裝置，這種信道稱為廣義信道。常把廣義信道簡稱為信道。4第四頁，共59頁。第四頁，共59頁。信道5第五頁，共59頁。第五頁，共59頁。調制信道和編碼信道

發轉換器

媒質

收轉換器

解調器

調制器調制信道6第六頁，共59頁。第六頁，共59頁。調制信道和編碼信道

發轉換器

媒質

收轉換器

解調器

調制器編碼信道

譯碼器

編碼器7第七頁，共59頁。第七頁，共59頁。4.1無線信道無線信道利用電磁波在空間中的傳播來實現信號傳輸。無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制根據通信距離、頻率和位置的不同，電磁波傳播分為：

地波傳播、天波傳播、視線傳播8第八頁，共59頁。第八頁，共59頁。對流層：地面上0～10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km地面對流層平流層電離層10km60km0km電離層對于傳播的影響反射散射地球大氣層的結構9第九頁，共59頁。第九頁，共59頁。1、地波傳播傳播路徑地面圖4-1地波傳播頻率<2MHz有繞射能力距離：數百或數千千米10第十頁，共59頁。第十頁，共59頁。2、天波傳播地面信號傳播路徑圖4-2天波傳播頻率：2~30MHz特點：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區：電磁波不能到達的區域11第十一頁，共59頁。第十一頁，共59頁。3、視線傳播ddh接收天線發射天線傳播途徑D地面rr圖4-3視線傳播頻率>30MHz，將穿透電離層，不能被反射。距離:和天線高度有關m

式中，D–收發天線間距離(km)，r為地球半徑h為收發天線高度12第十二頁，共59頁。第十二頁，共59頁。無線電中繼圖4-4無線電中繼無線電視距中繼是指工作頻率在超短波和微波波段時，電磁波基本上是沿視線傳播，通信距離依靠中繼方式延伸的無線電電路。相鄰中繼站之間的距離一般在40~50公里。增大視線傳播距離的途徑13第十三頁，共59頁。第十三頁，共59頁。優點：傳輸容量大，發射功率小，通信穩定可靠，節省有色金屬。缺點：每隔50km左右設置一個中繼站（微波為直線傳播，而地球為球體）。應用：主要用于長途干線、移動通信網及某些數據收集系統。14第十四頁，共59頁。第十四頁，共59頁。衛星通信衛星中繼信道是無線電中繼信道的一種特殊形式。它是航天技術與通信技術相結合的產物。

15第十五頁，共59頁。第十五頁，共59頁。在離地面35860km的赤道上空放至3顆同步衛星，就可實現除南、北極地區之外的全球覆蓋（且有部分重疊），從而可實現全球通信。特點：傳輸距離遠，覆蓋地域廣，傳播穩定可靠，傳輸容量大等。缺點：發射功率大，延遲大，一次性投入大。應用：廣泛用于傳輸多路電話、電報、數據和電視。16第十六頁，共59頁。第十六頁，共59頁。平流層通信平流層通信是指用位于平流層的高空平臺代替衛星作為基站的通信，平臺高度距地面17km—22km，可覆蓋半徑約500km的通信區。17第十七頁，共59頁。第十七頁，共59頁。4、散射傳播散射是由于傳播煤質的不均勻性使電磁波的傳播產生向許多方向折射的現象。散射傳播分為：電離層散射、對流層散射和流星余跡散射。電離層散射 機理：由電離層不均勻性引起 頻率：30~60MHz 距離：1000km以上18第十八頁，共59頁。第十八頁，共59頁。對流層散射機理：由對流層中的大氣不均勻性引起。距地面高約10余千米的大氣層稱為對流層。頻率：100~4000MHz最大距離：<600km圖4-7對流層散射通信地球有效散射區域19第十九頁，共59頁。第十九頁，共59頁。流星余跡散射

是由于流星經過大氣層時，產生的很強的電離余跡使電磁波散射的現象。流星余跡高度為80~120km，長度：15~40km；存留時間：小于1秒至幾分鐘

頻率：30~100MHz傳播距離：1000km以上

特點：低速存儲、高速突發、斷續傳輸圖4-8流星余跡散射通信流星余跡20第二十頁，共59頁。第二十頁，共59頁。4.2有線信道一、三種有線電信道

1、明線平行而相互絕緣的架空裸線線路。

優點：傳輸損耗小（與電纜相比）缺點：易受氣候環境影響，易受干擾。結論：已逐漸淘汰。21第二十一頁，共59頁。第二十一頁，共59頁。2、對稱電纜在同一保護套內有許多對相互絕緣的雙導線的傳輸媒質，每對的兩根線擰成扭絞狀，又稱雙絞線。優點：與外界相互干擾小，傳輸性能較穩定。缺點：損耗比明線大。主要應用：用戶電話接入線。22第二十二頁，共59頁。第二十二頁，共59頁。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。3、同軸電纜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的屏蔽作用，所以同軸電纜抗電磁干擾性能較好。23第二十三頁，共59頁。第二十三頁，共59頁。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。24第二十四頁，共59頁。第二十四頁，共59頁。優點：與外界相互干擾小，（外導體接地起屏蔽作用），帶寬大。缺點：成本較高（與對稱電纜相比）。應用：比較廣泛。如電視電纜（75Ω），實驗室儀器用的信號電纜（50Ω）25第二十五頁，共59頁。第二十五頁，共59頁。以光導纖維（簡稱光纖,OpticalFiber）為傳輸媒質、光波作為載波的光纖信道。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級，因此，一個光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大于其它各種傳輸介質的帶寬，是目前最有發展前途的有線傳輸介質。二、光纖信道26第二十六頁，共59頁。第二十六頁，共59頁。光纖由芯、封套和外套三部分組成。芯是光纖最中心的部分，它由一條或多條非常細的玻璃或塑料纖維線構成，有封套。由于玻璃或塑料封套涂層的折射率比芯線低，因此可使光波保持在芯線內。27第二十七頁，共59頁。第二十七頁，共59頁。根據光纖傳輸數據模式的不同，它可分為多模光纖和單模光纖兩種。多模光纖指光在光纖中可能有多條不同角度入射的光線在一條光纖中同時傳播，如圖(a)所示。這種光纖所含纖芯的直徑較粗。28第二十八頁，共59頁。第二十八頁，共59頁。單模光纖指光在光纖中的傳播沒有反射，而沿直線傳播,如圖(b)所示。這種光纖的直徑非常細，就像一根波導那樣，可使光線一直向前傳播。29第二十九頁，共59頁。第二十九頁，共59頁。30第三十頁，共59頁。第三十頁，共59頁。優點：損耗低、頻帶寬、線徑細、重量輕、可彎曲半徑小、不怕腐蝕、節省有色金屬、不受電磁干擾。缺點：作為完整的通信系統，尚有些器件的技術問題還未能解決。主要應用：目前在長距離干線上應用較廣。估計有可能最終全面取代電纜。31第三十一頁，共59頁。第三十一頁，共59頁。4.3信道的數學模型信道模型的分類：調制信道和編碼信道信道的數學模型用來表征實際物理信道的特性，它對通信系統的分析和設計是十分方便的。32第三十二頁，共59頁。第三十二頁，共59頁。有一對(或多對)輸入端和一對(或多對)輸出端;絕大多數的信道都是線性的，即滿足線性疊加原理；信號通過信道有固定的或時變的延遲時間；信號通過信道會受到固定的或時變的損耗；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）。4.3.1調制信道模型33第三十三頁，共59頁。第三十三頁，共59頁。輸出與輸入的關系有

是信道內噪聲，加性干擾。乘性干擾(與呈現非線性關系)。如果了解與的特性，就能知道信道對信號的具體影響。34第三十四頁，共59頁。第三十四頁，共59頁。通常信道特性k(t)是一個復雜的函數，它可能包括各種線性失真、非線性失真、衰落等。由于信道的遲延特性和損耗特性隨時間作隨機變化，故k(t)往往只能用隨機過程來描述。若k(t)基本不隨時間變化，即信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的，稱為恒定參量信道，簡稱恒參信道。若k(t)隨時間隨機快變化，稱為隨機參量信道，簡稱隨參信道。35第三十五頁，共59頁。第三十五頁，共59頁。4.3.2、編碼信道模型調制信道是通過k(t)和n(t)使已調信號發生模擬性的變化，而編碼信道對信號的影響則是一種數字序列變換，即把一種數字序列變換為另一種數字序列。由于編碼信道傳輸的是編碼后的數字信號，所以我們關心的是數字信號經信道傳輸后的差錯情況，即誤碼特性，所以編碼信道的模型用數字轉移概率來表示。

36第三十六頁，共59頁。第三十六頁，共59頁。1、無記憶信道:(信道內只存在起伏噪聲)

特點：任意一個碼元的差錯與前后碼元的差錯不發生任何依賴關系。二進制編碼信道模型

輸出的總的錯誤概率為：37第三十七頁，共59頁。第三十七頁，共59頁。2、有記憶信道:

(信道內除起伏噪聲外,還存在衰落效應等)

特點：信號的傳輸與前后碼元有依賴關系，信道中碼元發生差錯的事件是非獨立的，有記憶信道模型以及轉移概率表示式變得很復雜。38第三十八頁，共59頁。第三十八頁，共59頁。4.4信道特性對信號傳輸的影響一、恒參信道及傳輸特性恒參信道：信道特性主要由傳輸媒質決定，如果傳輸媒質特性基本不隨時間變化，所構成的信道稱為恒參信道。

39第三十九頁，共59頁。第三十九頁，共59頁。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，可以等效為一個非時變的線性網絡。理論上說，只要知道這個線性網絡的傳輸特性，就可利用信號通過線性系統的分析方法，求得已調信號通過恒參信道的變化規律。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。40第四十頁，共59頁。第四十頁，共59頁。幅度－頻率畸變是由于有線電話信道的幅度－頻率特性的不理想造成的，又稱頻率失真。理想幅度－頻率特性是水平的，實際的電話幅度頻率特性不是水平的。這是由于信道中存在惰性元件造成的。41第四十一頁，共59頁。第四十一頁，共59頁。影響：模擬信號－失真；數字信號－碼元展寬，造成碼間干擾克服：自身改善－精心設計補償－均衡技術42第四十二頁，共59頁。第四十二頁，共59頁。指相位－頻率特性偏離線性關系所引起的畸變。1、理想相頻特性是一直線群延遲－頻率特性相位－頻率畸變43第四十三頁，共59頁。第四十三頁，共59頁。一種典型的音頻電話信道的群延遲特性。當非單一頻率的信號通過該信道時，信號中不同的頻率分量將有不同的群延遲，從而引起信號畸變。成因：同幅頻特性影響：模擬信號－失真(人耳對相位失真不敏感)數字信號－引起嚴重的碼間干擾克服：同幅頻特性2、實際電話信道的群延遲特性44第四十四頁，共59頁。第四十四頁，共59頁。隨參信道是信道傳輸特性隨時間隨機快速變化的信道。

隨參信道的特點：

對信號的衰耗隨時間隨機變化；信號傳輸的時延隨時間隨機變化；多徑傳播二、隨參信道及其傳輸特性45第四十五頁，共59頁。第四十五頁，共59頁。多徑傳播是指信號經過幾條路徑到達接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，即存在多徑傳播現象。何謂多徑傳播？多徑傳播有以下幾種形式:(1)電波從電離層的一次反射和多次反射；(2)電離層反射區高度所形成的細多徑；(3)地球磁場引起的尋常波和非尋常波；(4)電離層不均勻性引起的散射現象。46第四十六頁，共59頁。第四十六頁，共59頁。(a)一次反射和兩次反射；(b)反射區高度不同；(c)尋常波與非尋常波；(d)漫射現象47第四十七頁，共59頁。第四十七頁，共59頁。1.多徑效應對信號傳輸的影響

假設發送信號為單一頻率正弦波，即

從各條路徑到達接收端的信號相互獨立，則接收端接收到的合成波為

48第四十八頁，共59頁。第四十八頁，共59頁。經大量觀察表明，和隨時間的變化與發射載頻的周期相比，通常要緩慢的多，即和可以認為是緩慢變化的隨機過程。因此上式可改寫成:其中：49第四十九頁，共59頁。第四十九頁，共59頁。由于及是緩慢變化的，因而，、及包絡、相位也是緩慢變化的。于是，可視為一個窄帶過程。50第五十頁，共59頁。第五十頁，共59頁。結論：(1)從波形上看，多徑傳播的結果使確定的載波信號變成了包絡和相位受到調制的窄帶信號，這樣的信號，通常稱之為衰落信號；（2）從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散，即由單個頻率變成了一個窄帶頻譜。51第五十一頁，共59頁。第五十一頁，共59頁。*多徑傳播的接收信號的包絡和相位的統計特性在任意時刻t1上Xc(t1)和Xs(t1)是n個隨機變量之和。當n充分大時，在“和”中的每一個隨機變量可以認為是獨立的出現的且具有均勻的特性。因此，根據概率論中的中心極限定理，我們可以確認Xc(t1)、Xs(t1)是高斯隨機變量。因為t1是任取的,所以有Xc(t)及Xs(t)是平穩的高斯過程。52第五十二頁，共59頁。第五十二頁，共59頁。這樣，可知是一個窄帶高斯過程，而的一維分布服從瑞利分布，而的一維分布服從均勻分布。實踐也表明，把衰落信號看成窄帶高斯過程是足夠準確的。

信號的包絡服從瑞利分布律的衰落，通常稱之為瑞利型衰落。則瑞利型衰落信號的包絡值記為V，則隨機變量的一維概率密度函f(V)數表示成：53第五十三頁，共59頁。第五十三頁，共59頁。2、頻率選擇性衰落與相關帶寬54第五十四頁，共59頁。第五十四頁，共59頁。模型的傳輸特性H(ω)為：其