通信原理-第四章 信道

角度分集:利用天线波束指向不同使信号不相关。 极化分集:分别接收水平极化和垂直极化波。这两种 波是相关性极小的。
分集两字就是分散接收几个合成信号并集中（合并） 处理这些信号的意思。
随参信道特性的改善(续)
合并的方法
r为
合
并
最佳选择（SD）式:从几个分散信号
后
中设法选择其中信噪比最好的一个作
输 出
为接收信号。
有线信道
信道类型
{ 有线信道，如电缆光纤等
狭义信道 无线信道，如中短波、微波信道等
信道
{ 调制信道
恒参信道 随参信道
{ 广义信道 编码信道
有记忆信道 无记忆信道
4.2 广义信道定义
发
信道
调
基带
已调 转
媒
编码 数字 器
制 信号 器
换
质
器
狭义
信道
收
解
信道
转 已调
基带
换 信号
调 数字 器
译码 器
器
调制信道
B
A
B
(d ) B
(a) 一次反射和两次反射； (b) 反射区高度不同； (c) 寻常波与非寻常波； (d) 漫射现象
随参信道的特点
2.信道特点 衰耗时变（快衰落、慢衰落） 时延时变 多径传播
3.多径传播对信号传输的影响 瑞利衰落 频率弥散 频率选择性衰落
多径传播
1. 瑞 利 衰 落
恒参信道（续）
4.实际信道 幅频失真——主要影响模拟信号 相频失真（群迟延失真）——主要影响
数字信号 频率偏移 相位抖动 5.理想低通信道、理想带通信道
恒参信道（续）
幅度-频率失真 幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性
的不理想所引起的， 这种失真属于线性失真。 信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信
Ct
=
MaxR
{ p( x )}
在有噪声的信道上，信息的传输速率是 有限的
例
符号由0、1组成， P(0)=P(1)=1/2，弱 干扰条件： P(0/1)=P(1/0)=0.01 ， P(0/0)=P(1/1)=0.99 ，r=1000符号/秒 组成，求，信道传 输的信息速率。
例题
二进制信源由0、1组成，使用该两符号构成消息。 消息传输速率为每秒1000个符号，且两个符号等概 出现。传输中，平均每128个符号有一个差错。求 传输的信息速率是多少？若传输差错率为1/2，传
相位-频率失真也是属于线性失真。 它对模拟话音传输影响不明显。如 果传输数字信号， 相频失真会引起 码间干扰。
典型电话信道群迟延频率特性
群迟延畸变和幅频畸变都是线性畸变。 均衡措施 恒参信道的这两个特性的不理想，将是损害信号传输特性的 重要因素。
还有非线性畸变、频率偏移及相位抖动等。 非线性畸变一旦产生，均难以消除。在系统设计时要加以重
ϕ0
F2
F1
E D
300 km
A
地球
B
A
电离层结构示意图
F2
地球反射点 B
随参信道（续）
多径
引起多径传播的主要原
因：
（a）电波经电高层的 A
一次反射和多次反射；
(a)
（b）几个反射层高度
不同；
（c）地球磁场引起的
电磁波束分裂成寻常波
与非寻常波；
（d） 电离层不均匀性 A
引起的漫射现象。
(c)
B
A
(b)
o
i
即 C(ω ) = Ke− jωt0
理想信道的幅频特性、 相频特性 和群迟延-频率特性
|C( )| K
()
t0
t0
(a)
(b)
(c)
理想恒参信道对信号传输的影响是：
(1) 对信号在幅度上产生固定的衰减；
(2) 对信号在时间上产生固定的迟延。
这种情况也称信号是无失真传输。
网络的传输特性可用幅度—频率特性及相位—频率特 性来表征
离散信道(编码信道)的信道容量(续)
信源的符号在离散信道种传输，由于噪 声的干扰，发x可能收到y。
设H (x)为信源种各个符号的平均信息 量，H (x/y)为因发x而收y造成的信息量的 损失。则传输过程中每个符号实际承载 的平均信息量为：
n
H
(
x)
−
H
(x
/
y)
=
[−∑
P(x i
)
log 2
2.信道模型
ei(t) Ei(w)
C(w)
eo(t) Eo(w)
n(t)
恒参信道（续）
3.理想信道
ei(t) C(w) Ei(w)
eo(t) Eo(w)
n(t)
当不考虑加性噪声n(t)时，应满足：
eo (t) = K ⋅ ei (t − t0 )
或
E (ω ) = KE ω( ) ⋅ e− jωt0
信
等增益相加（EGC）式:将几个分散
噪 比
信号以相同的支路增益进行直接相
的
加，相加后的信号作为接收信号。
平 均
最大比值相加（MRC）式:使各支路
值
增益分别与本支路的信噪比成正比，
再相加获得接收信号。
k为分集的重数
随参信道特性的改善(续)
瑞克接收可以看成是EGC或MRC，具体
由应用情况而定。
CDMA
第一，多径传 播的结果使确 定的载波信号 变成了包络和 相位受到调制 的窄带信号， 称之为衰落信 号；
第二，从频谱上看，多径传输引 起了频率弥散，(由单个频率变 成了一个窄带频谱)。
多径传播
2.频率选择性衰落
当ω=2n π /τ时 (n为整数)，出现 传播极点；
| ( )|
2
当ω=(2n+1) π /τ时(n为整数) ， 出现传输零点。
间分集、极化分集等
目的——以最小的发射功率得到满足要
求的误码率
随参信道特性的改善(续)
常见的分集方式： 空间分集:在接收端架设几副天线，各天线的位置间
要求有足够的间距，以保证各天线上获得的信号基本 互相独立。
频率分集:用多个不同载频传送同一个消息，如果各 载频的频差相隔比较远各载频信号也基本互不相关。
典型音频电话信道的幅度衰减特性
恒参信道（续）
相位-频率失真
信号频谱中的不同频率分量将有不同的群迟延(它们到达的时 间不一样),从而引起信号的畸变。
理想特性
ϕ (ω )
τ (ω )
理想特性
O
O ω
ω
(a)
(b)
典型电话信道相频特性和群迟延频率特性
(a) 相频特性；
(b) 群迟延频率特性
恒参信道（续）
无线信道
9当电磁波的频率低于2MHz,传播路径为地波传 播，即电磁波沿地表传播
9当电磁波的频率大于2M低于30MHz,传播路径 为天波传播
9当电磁波的频率大于30MHz,传播路径为空间 波传播
地波的传播路径示意
天波的传播路径示意
视距的传播路径示意
无线信道（续）
地球
微波中继示意图
B 地球 A
卫星中继示意图
Ct
=
B log2 (1+
S )
n0 B
=
B log2 (1+
S) N
(b/s)
连续信道(调制信道)的信道容量(续)
说明：
1. 任何信道，要保证无差错传输，都有极
限速率。
2. 保证同样的信道容量，可以调整带宽和
信噪比。信噪比越高，所需带宽越小。
3. 同样信噪比时，适当加大带宽，可以提
高信息速率。但无限增大带宽，不能使
P(1/0)、 P(0/1)是错误转移的概率。
P(0/0)+ P(1/0)=1, P(0/1)+ P(1/1)=1 转移概率完全由编码信道的特性所决定。 一个特定的编码信道，有确定的转移概率。
误码率 Pe = P(0) P(1/0) + P(1) P(0/1)
编码信道模型(续)
典型的简单编码信道的 特点
编码信道
4.3 信道数学模型
一、调制信道模型 二、编码信道模型
一、调制信道模型
模型——时变线性网络
信道
i(t)
线性滤波器 k(t)
+
o(t)
n(t)
eo(t) = f[ei(t) ] + n(t) = k(t) · ei(t) + n(t)
输出
=
乘性干扰 · 输入 + 加性噪声
有些信道的k(t)不随时间变化或变化极为缓慢的,称为恒（定）参 (量)信道; 有些信道的k(t)是随机快变化的,称为随(机)参(量)信道。
视。
二、随参信道
1.信道举例
短波电离层反射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短 波电离层散射信道、超短波超视距绕射信道等
T
d2
a c
hb
d
R b
hm
ht
θo
θ
hr
θ d1 θ
d1
d2
移动信道的传播路径
传输特点：多径
平滑表面反射
随参信道（续）
由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面60~600 km的大气 层成为电离层。当频率范围为3~30 MHz (波长为10~100m) 的短波(或称为高频)无线电波射入电离层时，由于折射现象会 使电波发生反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道。
电话信道中可能存在各种滤波器、混合线圈、串联电容和分路电感等
典型音频电话信道: 低频端截止频率约在300Hz以下，每
倍频程衰耗升高15－25dB； 在300－1100Hz范围内衰耗比较平坦; 在l100－ 2900Hz之间，衰耗通常是