第4章 信道

调制信道模型
• 有一对(或多对)输入端，一对（或多对） 输出端; • 绝大部分信道是线性的； • 信号通过信道需要一定的迟延时间； • 信道对信号有损耗(固定损耗或时变损耗)； • 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可 能有一定的功率输出(噪声)。
调制信道模型
ei1(t) e01(t) ei(t)
1.多径衰落与频率弥散 t 发射信号为 A cos ，则经多径后接收信号
c
R(t ) ai (t )cos c t tdi (t ) ai (t )cos ct i (t )
i 1
i 1
n
n
R(t ) a(t )cos ct (t )
包络a(t)和相位 (t )都是缓慢变化的R.P。 那么R(t)可视为一个窄带高斯过程: a(t)的一维分布→瑞利分布; φ(t)的一维分布→均匀分布。
对流层散射
机理 － 由对流层不均匀性（湍流）引起 频率 － 100 ~ 4000 MHz 最大距离 < 600 km
4.1 无线信道
流星余迹散射
有效散射区域
地球
对流层散射通信
4.2 有线信道
明线：传输损耗低；
易受天气和气候的影响； 对外界噪声干扰明显。
4.2 有线信道
对称电缆：传输损耗比明线大得多，但传 输特性比较稳定。
4.6 信道容量
• 定义：指信道能够传输的最大平均信息速 率。 1.离散信道容量： C － 每个符号能够传输的平均信息量最大 值 C max [ H ( x) H ( x / y )]
P( x)

Ct － 单位时间（秒）内能够传输的平均 信息量最大值
Ct max {r[ H ( x) H ( x / y )]}
多进制编码信道模型
0
P(0/0) P(1/0) P(0/1)
0 0 1 1 2 3
0 1 2 3
1
P(1/1)
图 3- 3 图 图 图 图 图 图 图 图 图
图 3- 4 图 图 图 图 图 图 图 图 图
4.4 信道特性对信号传输的影响
1.恒惨信号特性及其对信号传输的影响 • 特征：k(t)~t不变或慢变。对信号传输的影 响是固定不变的或者是变化极为缓慢。 • 举例：各种有线信道，超短波及视距波传 输，卫星信道等。 • 模型：线性时不变网络 • 网络的传输特性：
高斯白噪声
BPF
解调器
窄带高斯噪声 (功率谱密度如图)
• 噪声的等效带宽 Pn(ω) Bn
Pn(f0)
Bn
Bn
-fc 0 fc

f


Pn ( )df
2 Pn (0 )


0
Pn ( )df
Pn (0 )
以此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特 性滤波器的噪声功率，等于通过实际滤波 器的噪声功率。利用噪声等效带宽的概念， 可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽 Bn内是恒定的 此定义适用于今后常见的窄带高斯噪声
频率的选择性衰落
• 多径传播时的相对时延差通常用最大多径 时延差 t m 1 • 相关带宽 Bc tm • 结论： 如果 B Bc则将产生明显的选择性衰 落。工程设计中，通常选择信号带宽 为相关带宽的1/5～1/3。 • 改善随参信道特性的方法：分集接收
4.5 信道中的加性噪声
前述研究乘性干扰k(t),下面讨论信道中的加性噪声 n(t)。 n(t)虽独立于有用信号却始终干扰有用信号。 1.根据噪声来源分类 （1）人为噪声：来源于无关的其他信号源。如：外台 信号、开关接触噪声、电火花等 （2）自然噪声：指自然界存在的各种电磁波 源。如：闪电、大气中磁暴、银河系噪声及 其他宇宙噪声等。 （3）内部噪声：来源于信道本身所包含的各 种电子器件、转换器以及天线或传输线等。 如：热噪声、散弹噪声等。
恒惨信号特性及其对信号传输的影响
（3）相位－频率畸变
相对群迟延/ms
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
00Biblioteka 81.6 2.4 频率/kHz
3.2
产生的影响： 模拟信号—不明显 数字信号—码间干扰 解决方法—线性补偿（相位均衡器）
随参信道特性对信号传输的影响
• 随参信道：包含一个复杂的传输媒质，相 对于其他转换器来说，传输媒质的影响显 得更为主要。 • 典型的传输媒质：电离层反射信道和对流 层散射信道 • 信道特点： 信号的衰耗随时间随机变化； 信号传输的时延随时间随机变化； 多径传播。
媒
质
调制信道
收 转 换 器
解 调 器
译码器 输出
编码信道
广义信道关心的是变化的最终结果 而不是物理过程
4.1 无线信道
• 无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间 的传播来实现的。其中电磁波的频率受天线 尺寸限制。
电离层
平流层
60 km
对流层 10 km 地 面
0 km
4.1 无线信道
• 大气对传播中的电磁波的影响： 反射，散射，吸收和衰减
地面
天波传播
4.1 无线信道
视线传播：频率> 30 MHz；传播的距离和 天线高度有关。
传播途径
d
发射天线
h
d
接收天线
D
r
r
地面
视线传播
• 增加视线传输距离的途径： 中继通信 无线电中继 卫星通信 平流层通信
无线电中继
4.1 无线信道
散射传播： 电离层散射
机理 － 由电离层不均匀性引起 频率 － 30 ~ 60 MHz 距离 － 1000 km以上
H ( ) H ( ) e j ( )
恒惨信号特性及其对信号传输的影响
（1）信号不失真传输条件：
e0 (t ) kei (t td ) j t H ( ) ke h(t ) k (t td )
|H()| K
d
() td
O
b 相频特性
t ()
0
0
频率的选择性衰落
H ( ) Ke
jto
(1 e
jt
) K (1 e
jt
) 2 K cos
t
2
H ( )
2
0
t
2
t
3
t
4
t
5
t

• 选择性衰落:当一个传输信号的频 谱宽于1/τ 时，将致使某些频率分 量被衰落，这种现象称为频率选择 性衰落，简称选择性衰落。
时变线 性网络
e0(t)
ei2(t) . . eim(t)
时变 线性 网络
e02(t) . . e0n(t)
( a) 对于二进制信道： e
(e b) (t )] n(t ) ( t ) f [ 0 i
e0 (t ) k (t ) e (t ) n(t )
ei(t) K(t)
+
图 2- 2 图 图 图 图 图 图 i
4.5 信道中的加性噪声
2.根据噪声性质分类 （1）单频噪声：是一种连续波干扰，如外台干 扰。特点：干扰频率是固定、带宽很窄，在频 率轴上的位置可以实测。可以预先设法防止或 避开（频率、方向）。 （2）脉冲干扰 ：在时间上无规则的突发的噪 声。如电火花、天电干扰中的雷电。特点：幅 度大、持续时间短、间歇期长、占据频带宽 （高频衰减快）。对模拟信号影响不大，对数 字信号影响严重（纠错编码解决）。
4.1 无线信道
• 不同频率的电磁波具有不同的传输能力和 特性，导致不同的传波方式：
地波：频率 < 2 MHz；有绕射能力；数百
或数千千米
传播路径
地 面
地波传播
4.1 无线信道
天波：频率：2 ~ 30 MHz（低频的被吸收 掉）；被电离层反射；一次反射距离：< 4000 km；寂静区。
信号传播路径
4.0 信道的基本概念
2.信道的分类 • 狭义信道：仅指传输媒介，它包括有线信 道和无线信道。 • 广义信道：不但包括传输媒介，还可能包 括有关的器件 (馈线、天线、调制/解调器、编码/译 码器) 。 通常分成:调制信道和编码信道。
4.0 信道的基本概念
狭义信道
编码器 输出
调 制 器
发 转 换 器
e0(t)
n(t)
调制信道模型
结论： • 信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘 性干扰k(t)（依赖于网络的特性，只能用 随机过程来表示），二是加性干扰n(t)。 • 不同特性的信道，仅反映信道模型有不同 的 k ( t) 及 n ( t) 。 • 根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道 分为： ＊恒参信道: k(t)~t 不变或慢变； ＊变参信道（随参信道）: k(t)~t 随机快变。
波形
a (t )
图图
f
t
2fc d (t ) / dt
fc
f
（a）
（b）
从波形上看，多径传播的结果使确定 的载频信号变成了包络（服从瑞利分 布）和相位都随机变化的窄带信号， 这种信号称为衰落信号(瑞利衰落)； 从频谱上看，多径传播引起了频率弥 散（色散），即由单个频率变成了一 个窄带频谱。 快衰落和慢衰落
随参信道特性对信号传输的影响
电离层 双跳 单跳 对流层 散射区
( a) 图 图 图 图 图 图 图 图 图
( b) 图 图 图 图 图
图 3- 15图 17 图 图 图 图 图 图 图
• 结果：信号经随参信道传播后，接 收的信号将是衰减和时延随时间变 化的多路径信号的合成。
随参信道对信号传输的影响
1
P(1/1)
1
编码信道模型
• 转移概率：决定于编码信道的特性；对编 码信道做大量的统计分析得到。 • 正确转移概率：P(0/0)、P(1/1) 错误转移概率：P(1/0)、 P(0/1)