第03章 信道 58页 0.8M PPT版

• 根据噪声的表现形式可分为单频噪声、 脉冲噪声和起伏噪声。
• (1)单频噪声是一种以某一固定频率出现 的连续波噪声，如50Hz的交流电噪声。
• (2)脉冲噪声是一种随机出现的无规律噪 声，如闪电、车辆通过时产生的噪声。
• (3)起伏噪声主要是内部噪声，而且
•
是一种随机噪声，对它的研究必须
运用概率论和随机过程知识。元器件本
3.2 信道定义
• 广义信道:调制信道、编码信道
编码器输出 调 制 器
发 转 换 器
收
传 输 介质
转 换
器 调 制 信道
编 码 信道
图３．１调制信道与编码信道
解
译 码 器输 入
调
器
３．３ 信道数学模型
• 调制信道模型 •
• 特性： • 1、有一对（或多对）输入端和一对（或
多对）输出端
• 2、信道是线性的，满足叠加原理 • 3、信道有一定的迟延时间，有损耗 • 4、即使没有信号输入，输出端仍有一定
纤通信系统的传输带宽远远大于其它各
种传输介质的带宽，是目前最有发展前 途的有线传输介质。
• 光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部 分组成(如图所示)。芯是光纤最中心的部 分，它由一条或多条非常细的玻璃或塑 料纤维线构成，每根纤维线都有它自己 的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层 的折射率比芯线低，因此可使光波保持 在芯线内。环绕一束或多束有封套纤维 的外套由若干塑料或其它材料层构成， 以防止外部的潮湿气体侵入，并可防止 磨损或挤压等伤害。
外套
绝缘
包层 纤维芯
光纤结构示意图
• 根据光纤传输数据模式的不同，它可分 为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤
意指光在光纤中可能有多条不同角度入 射的光线在一条光纤中同时传播,如图 (a) 所示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。
单模光纤意指光在光纤中的传播没有反 射，而沿直线传播,如图 (b)所示。这种光 纤的直径非常细，就像一根波导那样，
• 编码信道模型 （数字信道） • 对信号的影响是一种数字序列的变换 • 用数字的转移概率来描述
二进制编码信道模型
四进制编码信道模型
3.4恒参信道举例
• 恒参信道是由架空明线、电缆、中长波 地波传播，超短波及微波视距传播，人 造为心卫星中继，光导纤维以及光波视 距传播等传输媒质构成的信道
• 一、有线电信道
• 通常把统计特性服从高斯分布、功率谱 密度均匀分布的噪声称为高斯白噪声。
3.10信道容量的概念
• 一、离散信道的信道容量 • 离散信道的模型：
无噪声信道
有噪声信道
信道无噪声时，输入与输出一一对应 有噪声信道，输入与输出不存在一一对应关系 当输入一个x1时。输出可能是y1，也可能是y2 输入与输出成为随机对应关系，不过它们之间 具有一定的统计关联
• 恒参信道对信号传输的影响是确定的、 或者是变化极其缓慢
• 等效于一个非时变的线性网络
• 利用信号通过线性系统的分析方法，可 求得已调信号通过恒参信道的变化规律
• 网络的传输特性：幅频特性、相频特性
• 一、幅度—频率畸变（频率失真） • 是由有线电话信道的幅度—频率特性不理想引
起的.信道中存在线圈、分布电容、电感等
•在有噪声的信道中
•发送符号xi而收到符号yj时所获得的信息量： •等于未发符号前对xi的不确定程度减去收到 •符号yi后对xi的不确定程度
• 发送xi收到yi时所获得的信息量＝
log 2 p(xi ) log 2 p(xi / yi )
P(xi)是未发符号前xi出现的概率 P(xi/yj)是收到yj而发送为xi的条件概率
外 部 绝缘 体
内 部 导体
内 部 绝缘 体 铝 制 编 织 导 体 (屏 蔽 ) (a) 一 段 同 轴 电 缆
(b) 一 段 与 连 接 器 相 连 的 同 轴 电 缆
同轴电缆结构示意图
• 光纤(OpticalFiber)
•
光导纤维(简称光纤)是光纤通信系
统的传输介质。由于可见光的频率非常
高，约为108MHz的量级，因此，一个光
• 电离层不均匀引起的漫射现象
• 地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波 与非寻常波
• 对流层散射信道 • 是一种超视距的传播信道 • 对流层是离地面10—12Km以下的大气层
• 在对流层中，由于大气湍流运动等原因 产生了不均匀性，引起电波的散射
3.7随参信道特性及其对信号传 输的影响
• 随参信道的传输媒质的特点 • 1、对信号的衰耗随时间而变化 • 2、传输的时延随时间而变 • 3、多径传播
• 信道的相位—频率特性常采用群迟延— 频率特性来衡量
• 群迟延—频率特性： • 是相位—频率特性对频率的导数 • 相位—频率特性：φ(ώ) • 群迟延—频率特性:τ(ώ)
• τ(ώ)= d φ(ώ)/d ώ • 如果φ(ώ) --ώ呈线性关系 • τ(ώ)– ώ是一条水平直线 • 此时信号的不同频率成分有相同的群迟延，信
对xi和yj取统计平均，即对所有发送xi收到yi 取平均
则 平均信息量/符号＝
n
m
n
p(xi ) log2 p(xi ) p( y j ) p(xi / y j ) log2 p(xi / y j )
i1
j1
i1
H(x) H(x / y)
H(x)：表示发送的每个符号的平均信息量 H(x/y)：当输出符号已知时输入信号的平均信息量，
• 架空明线，即在电线杆上架设的互相平 行而绝缘的裸线，它是一种在20世纪初 就已经大量使用的通信介质。架空明线 安装简单，传输损耗比电缆低，但通信 质量差，受气候环境等影响较大并且对 外界噪声干扰比较敏感，因此，在发达 国家中早已被淘汰，在许多发展中国家 中也已基本停止了架设，但目前在我国 一些农村和边远地区或受条件限制的地 方仍有不少架空明线在工作着
号经过传输后不会发生畸变
• 理想的相位---频率特性及群迟延特性
• 实际的信道特性：
• 当非单一频率的信号通过这信道时，信 号中的不同频率分量将有不同的群迟延
• 是原信号，即未经迟延的信号，由基波、 三次谐波组成，其幅度比2；1
3.6随参信道举例
• 一、短波电离层反射信道 • 短波是指波长为100—10m（频率为3—
非 屏 蔽双 绞 线
双绞线示意图
• 同轴电缆由内导线铜质芯线(单股实心线 或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外 导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成(如 图所示)。同轴电缆的这种结构使其具有
高带宽和较好的抗干扰特性，并且可在
共享通信线路上支持更多的点。按特性
阻抗数值的不同，同轴电缆又分为两种， 一种是50Ω的基带同轴电缆，另一种是 75Ω的宽带同轴电缆。
可使光线一直向前传播。这两种光纤的 性能比较见表1―1。
(a) 多 模 (b) 单 模
吸 收护 套
纤芯 包层
两种光纤传输示意图
• 单模光纤与多模光纤的比较
• 光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进 行远距离、高速率的数据传输，而且具 有很好的保密性能。但是，光纤的衔接、 分岔比较困难，一般只适应于点到点或 环形连接。FDDI(光纤分布数据接口)就 是一种采用光纤作为传输介质的局域网 标准
3.9信道的加性噪声
• 噪声是我们生活中出现频率颇高的一个词，也 是通信领域中与信号齐名的高频度术语。但通 信领域中所谓的噪声不同于我们所熟悉的以音 响形式反映出来的各种噪声(如交通噪声、风声、 雨声、人们的吵闹声、建筑工地的机器轰鸣声 等等)，它其实是一种不携带有用信息的电信号， 是对有用信号以外的一切信号的统称。概括地 讲，不携带有用信息的信号就是噪声。显然， 噪声是相对于有用信号而言的，一种信号在某 种场合是有用信号，而在另一种场合就有可能 是噪声。
身产生的热噪声、散弹噪声都可看成是
无数独立的微小电流脉冲的叠加，它们
是服从高斯分布的，即热噪声、散弹噪
声都是高斯过程。为研究方便，我们称
这类噪声为高斯噪声。
• 除了用概率分布描述噪声的特性外，还 可用功率谱密度加以描述。若噪声的功 率谱密度在整个频率范围内都是均匀分 布的，即称其为白噪声。原因是其谱密 度类似于光学中包含所有可见光光谱的 白色光光谱。不是白色噪声的噪声称为 带限噪声或有色噪声。
的功率输出（噪声）
• 对二对端的信号模型，输入与输出的关 系：
• eo(t)=f〔ei(t)〕+n(t) • ei(t):输入的已调信号 • eo(t)：信道总输出波形 • n(t)；加性噪声（加性干扰）
• f变〔换ei(t)〕：已调信号通过网络所发生的
• 如果f〔ei(t)〕=k(t) ei(t) • k(t) 依赖于网络的特性，对ei(tLeabharlann 来说是一种干扰（乘性干扰）
• 上式可以表示为： • eo(t)=f〔ei(t)〕+n(t) • eo(t)= k(t) ei(t) +n(t) • 为二对端信道的一种数学模型
• 总结 信道对信号的影响：
• 乘性干扰
加性干扰
• 使已调信号发生模拟性的变化
通常乘性干扰是一个复杂的函数，它可能包括 各种线性畸变、非线性畸变，同时由于信道的 迟延、损耗特性随时间作随机变化，故k(t) 只能 用随机过程表示。经大量观察表明，有些信道的 k(t)基本不随时间变化，即信道对信号的影响是固 定的或变化极为缓慢，这类信道称为恒定参数信 道。有些信道的k(t) 是随机快变化的，这类信道 称为随机参量信道。
• 根据来源的不同，噪声可分为自然噪声、人为 噪声和内部噪声。自然噪声是指存在于自然界 的各种电磁波，如闪电、雷暴及其它宇宙噪声。 人为噪声来源于人类的各种活动，如电焊产生 的电火花、车辆或各种机械设备运行时产生的 电磁波和电源的波动，尤其是为某种目的而专 门设置的干扰源(如上述的电子对抗)。内部噪 声指通信系统设备内部由元器件本身产生的热 噪声、散弹噪声及电源噪声等。
第三章 信道
• 3.1 引言 • 信道的概念:就是信号传输的媒质 • 信道的分类: • 有线信道、无线信道 • 广义信道、狭义信道
• 根据通信的概念，信号必须依靠传输介 质传输，所以传输介质被定义为狭义信
道。另一方面，信号还必须经过很多设 备(发送机、接收机、调制器、解调器、 放大器等)进行各种处理，这些设备显然 也是信号经过的途径，因此，把传输介 质(狭义信道)和信号必须经过的各种通信 设备统称为广义信道
设单位时间传送的符号数为r,则
Ht (x) rH (x) Ht (x / y) rH (x / y)
R rH (x) H (x / y)
30MHz）的无线电波 • 可沿地表面传播----地波传播 • 可由电离层反射传播----天波传播 • 电离层是指离地面高60—600Km的大气
层，由分子、原子、离子、自由电子组 成
• 在短波电离层反射信道中，会引起多径 传播，主要原因有：
• 电波经电离层的一次反射和多次反射
• 几个反射层高度不同
不均匀衰耗必然使信号的幅度 随频率发生畸变，引起信号波 形的失真
• 音频电话信道的相对衰耗
• 为了减小幅度—频率畸变，在设计总的电话信 道传输特性是，一般都要求把幅度—频率畸变 控制在一个允许的范围内
• 二、相位—频率畸变
• 是指信道的相位—频率特性偏离线性关 系引起的畸变。在信道频带的边缘畸变 更为严重，主要来源于信道中的各种滤 波器
• 二、无线电视距中继
• 是指工作频率在超短波和微波波段时电 磁波基本上沿视线传播，
• 通信距离依靠中继方式延伸的无线电线 路。
• 相邻中继站间距离：40—50Km
• 无线电中继信道的构成
• 三、卫星中继信道
• 是无线电中继的一种特殊形式
• 由通信卫星、地球站、上行线路及下构 成行线路
3.5恒参信道特性及其对信号传 输的影响
或发送符号在有噪声的信道中传输平均丢
失的信息量
对信道传输信息的能力，用信息传输速率表述 是指信道在单位时间内所传送的平均信息量。 用R表示
R Ht (x) Ht (x / y)
Ht (x) 是单位时间内信息源发出的平均信息量 或称信息源的信息速率
Ht (x / y) 是单位时间内对发x而收到y的条件平均 信息量
• 通常指双绞线、同轴电缆、架空明线、 多芯电缆和光纤。
• 双绞线又称为双扭线，它是由若干对且 每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规 则绞合而成。采用这种绞合结构是为了 减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一 步提高双绞线的抗电磁干扰能力，还可 以在双绞线的外层再加上一个用金属丝 编织而成的屏蔽层
屏蔽箔 屏 蔽 双绞 线