第2章信道与噪声详解

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P(1/0)和P(0/1)称为错误转移概率。根据概率性质可知:
P (0 / 0) P (1 / 0) 1 P (1 / 1) P (0 / 1) 1
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第 2 章 信 道 与 噪 声
用来描述的概率函数有: P(0/0),P(1/0),P(2/0),P(3/0) P(1/1),P(0/1),P(2/1),P(3/1) P(2/2),P(0/2),P(1/2),P(3/2) P(3/3),P(0/3),P(1/3),P(2/3) 它们之间同样满足: P(0/0)+P(1/0)+P(2/0)+P(3/0)=1 P(1/1)+P(0/1)+P(2/1)+P(3/1)=1
因此,两个特性的不理想将是损害信号传输的重要因素。通常可通
过均衡(补偿)的方法来校正(即用幅度均衡器和相位均衡器)。 此外,也还存在其它一些因素使信道的输出与输入发生畸变,
例如非线性畸变、频率偏移及相位抖动等。非线性畸变主要由信道
中的元器件(如磁芯,电子器件等)的非线性特性引起,造成谐波失 真或产生寄生频率等;频率偏移通常是由于载波电话系统中接收端 解调载波与发送端调制载波之间的频率有偏差 ( 例如,解调载波可 能没有锁定在调制载波上 ) ,而造成信道传输的信号之每一分量可 能产生的频率变化;相位抖动也可由调制和解调载波发生器的不稳 定性造成的,这种抖动的结果相当于发送信号附加上一个小指数的 调频。以上这些畸变需要在系统设计时从技术上加以重视。
2.1.1 信道的定义(广义和狭义)
广义地说,是指以传输媒介(质)为基础的信号通路。 具体地说,广义信道是指由有线的或无线的线路设备及连接 媒体(质)所共同提供的信号通路。 抽象地说,广义信道就是指定的一段频带,它既让信号通过, 同时又给信号一限制和带来损害。信道的作用是传输信号。
狭义地理解信道,则仅指通信设备之间信号传输的媒介。目
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第 2 章 信 道 与 噪 声
2.3 变参调制信道及其对所传信号的影响
2.3.1 变参信道传输媒质的特点
变参信道传输媒质通常具有以下特点: (1) 对信号的衰耗随时间的变化而变化;
(2) 对信号的传输时延也随时间发生变化;
(3) 信号传输具有多径传播(多径效应)。 像无线电短波的天波传播,移动通信的基站与移动手机之 间的电波传播,还有,卫星通信中地面设备与星载设备之间的
式中,ai(t)——n条路径信号中第i条路径到达接收端 的信号瞬时幅度; tdi(t)——对应于第i条路径的信号延迟时间;
i(t)——相应于第i条路径的瞬时相位,即 i(t)= -ωctdi(t)
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第 2 章 信 道 与 噪 声
由于ai(t)和i(t)随时间的变化要比信号载频的周期变化慢得 多,因此式上式又可写成:
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第 2 章 信 道 与 噪 声
理想期望的信道(理想信道)应是:k(t)=常数,n(t)=0, 即:
eo (t ) k ei (t )
对于多端对信道,仅需将上面的关系式用矩阵形式来表达即可。
2) 编码信道模型:
由于它输入、输出都是数字信号,经信道处理后关心的自 然是数字信号误码特性而不是信号失真情况,因此对编码信道 特性的描述就不宜用普通函数关系来描述,而只能用概率转移 函数来描述。但要强调说明的是:由于编码信道是包含调制信 道的部分,所以对频带传输系统其误码特性是与调制信道特性 有关的,仅是关注点和表述方式不一样而已;而对无调制解调 器的基带传输系统则误码特性是由收、发滤波器特性及 n(t) 等 因素有关。 下面我们就来看一个二进制无记忆的编码信道模型描述:
第 2 章 信 道 与 噪 声
第 2 章 信道与噪声
2.1 信道的定义、 分类与模型 2.2 恒参信道及其对所传信号的影响 2.3 变参信道及其对所传信号的影响
2.4 信道内的噪声(干扰)
2.5 通信中常见的几种噪声
2.6 信道容量的概念
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第 2 章 信 道 与 噪 声
2.1 信道的定义、分类与模型
P(2/2)+P(0/2)+P(1/2)+P(3/2)=1
P(3/3)+P(0/3)+P(1/3)+P(2/3)=1
四进制无记忆编码信道模型 11
第 2 章 信 道 与 噪 声
2.2 恒参调制信道及其对所传信号的影响
2.2.1 幅度—频率特性畸变(衰耗)
幅度—频率特性畸变,是指信号通过信道时其不同的频 率分量随频率值不同而衰耗不同所引起的畸变。 对 信号 传 输 的影 响 是:
上面变形式
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第 2 章 信 道 与 噪 声
(1) 从波形上看,多径传播的结果使单一载频信号Acosω ct
变成了包络和相位都变化(实际上受到调制)的窄带信号;
(2) 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;
(3) 多径传播会引起选择性衰落。
换而已,即只需关心变换的最终结果,而无需关心形成这个最终
结果的详细过程。因此,研究调制与解调问题时,就只研究信道 的模拟传输特性,如带宽、信噪比、幅频和相频特性。
编码信道则是从直接研究数字系统的最终传输性能出发而构
成的,它是指包含调制解调器在内的所有通信设备和连接媒介, 它的输入、输出信号都是数字信号,在研究信道特性时关心的仅

(a) 二对端 eim(t)
eon(t) ( n 对输出) ( b) 多对端
图2-2 调制信道网络模型
( m对输入)
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第 2 章 信 道 与 噪 声
对于二对端的信道模型来说,它的输入和输出之间的关系 式可表示成:
eo (t ) f [ei (t )] n(t )
式中, ei(t)——输入的已调激励信号; eo(t)——信道输出信号波形; n(t)——信道噪声(或称信道干扰);
1)调制信道模型:
研究人员以调制信道定义的范围为接口,通过对通信系统中
相关部件进行大量的考察总结之后,发现它有如下主要特性: (1) Leabharlann Baidu一对(或多对)输入端,则必然有一对(或多对)输出端;
(2) 绝大部分信道是线性的(输入与输出呈线性关系),
即满足叠加原理; (3) 信号通过信道需要一定的迟延时间(固定或时变);
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第 2 章 信 道 与 噪 声
(4) 信道对信号有一定的损耗(固定或时变);
(5) 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(噪声信号产生)。
调制信道特性的网络表示:
ei1(t) ei(t)
一输入
eo1(t) 时 变 线 性 网 络
时变线性网络
一输出
eo(t)
ei2(t)

eo2(t)
前采用的有线信道有双绞线及其电缆,同轴电缆,波导,光缆; 无线信道则为无线电波的中、长波地表波传播,超短波及微波视
距传播,短波电离层反射,超短波流星余迹散射,对流层散射,
电离层散射,超短波超视距绕射,波导传播,光波视距传播等。
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第 2 章 信 道 与 噪 声 2.1.2 信道的分类
由信道的定义可看出,信道可以从两种定义方式来划分:即 狭义信道和广义信道划分。 狭义信道划分通常可按连接发送 / 接收通信设备的具体媒介 的不同类型分为有线信道和无线信道两大类。 所谓有线信道是指传输媒介为明线、对称电缆、同轴电缆、 光缆及波导等一类能够看得见的媒介。有线信道也是现代通信网 中最常用的信道之一。如对称电缆 ( 又称电话电缆 ) 广泛应用于 (市内)近程传输,除此之外还有端机的各接口连接线。 无线信道可以这样认为,凡不属有线信道的媒质均为无线信 道的媒质。它的传输媒质比较多,除真空空间外,它还包括短波 电离层反射、大气对流层散射等。无线信道的传输特性没有有线 信道的传输特性稳定和可靠,但无线信道具有方便、灵活,通信
发 转 换 器
媒 质
调制信道 编码信道
收 转 换 器
解 调 器
译码器输入 (模拟信号)
图2-1 调制信道与编码信道分界图 5
第 2 章 信 道 与 噪 声 2.1.3 信道的模型
在通信系统中,了解信道主要是为了对通信系统进行性能分 析,而广义信道的定义也是本着这一原则定义的;至于狭义信道 则仅是广义信道的一个特殊划分方式,即其中的一部分。所以在 此仅讨论广义信道模型就可以反映信道特性了。
电波传播,它们都是变参信道的电波传播。
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第 2 章 信 道 与 噪 声
2.3.2 产生多径效应的机理分析
多径效应是信号在信道中传输时经不同的物理路径传播而 到达接收端的一种现象。主要在移动通信、短波通信、卫星通 信等等中出现。它会导致信号沿传播路径出现周期性衰落(即 选择性衰落)。下面来分析其作用机理。
图2-5 相移失真前后的波形比较 (基波延时180度时二次谐波延迟360度)
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第 2 章 信 道 与 噪 声
图2-6 理想信道的群迟延特性
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第 2 章 信 道 与 噪 声
图2-7 典型电话信道的群迟延特性
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第 2 章 信 道 与 噪 声
2.2.3 减小畸变的措施
恒参信道通常用它的幅度—频率特性及相位—频率特性来表述。
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第 2 章 信 道 与 噪 声
“0 ” P (0/0) “0 ”
“1 ”
P (1/1)
“1 ”
图2-3 二进制无记忆编码信道模型
在这个模型里,把 P(0/0) 、 P(1/0) 、 P(0/1) 、 P(1/1) 称为信道
转移概率,具体地把 P(0/0) 和 P(1/1) 称为正确转移概率,而把
是误码率而不是信号失真情况;但实际上在一个信道中误码特性
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第 2 章 信 道 与 噪 声
对有调制解调的则与调制信道有关,对无调制解调的误码特性则 还由其收、发滤波器特性及n(t)等因素有关。因此,两个本质是 一致的,只是表述方法不同而已。
按广义信道定义的信道结构划分:
调 编码器输出 (模拟信号) 制 器
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第 2 章 信 道 与 噪 声
即:若相位—频率特性用φ (ω )表示,则群迟延—频率特性 (通常称为群迟延畸变或群迟延)τ (ω )为:
d ( ) ( ) d
群延迟特性具有明确的物理意义,它实际就是信道中传输
的信号各频率分量经信道传输后所附加的延迟时间。当一个信
号通过信道后产生的附加延迟时间相等时,信号才不会出现相 位失真,当然也就不会出现相应的波形失真。
图2-8 多径传播示意图 19
第 2 章 信 道 与 噪 声
设发送端为一单频余弦波信号,则经多径传播的信号到
达接收点后的混合信号表达式为:
R(t ) ai (t ) cosc [t tdi (t )]
i 1 n
n
ai (t ) cos[c t i (t )]
i 1
f[ei(t)]——表示信道对信号影响(变换)的某种函数关系
由于上式的f[ei(t)]形式是个高度概括的结果,为了进一步 理解信道对信号的影响,考虑到绝大部分是线性信道,我们把函
数f[ei(t)]可以设想成为k(t)· ei(t)的形式,则有绝大部分信道:
eo (t ) k (t ) ei (t ) n(t )
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第 2 章 信 道 与 噪 声
者可移动及易实现一对多或者多对多通信(广播)等优点。 广义信道通常也可分成两种,调制信道和编码信道。 调制信道是从研究调制与解调的性能出发而构成的,它的范 围是从调制器输出端到解调器输入端。这样,从调制和解调的角 度来看,由调制器输出端到解调器输入端的所有转换器及传输媒 质,不管其中间过程如何,它们不过是把已调信号进行了某种变
H()
信号经过信道传输后
各频率分量幅度和原 来的分量不一致,即
频率分量比例发生改
变,故引起信号合成 波形失真。
0 理想信道的幅频特性

图2-4 典型音频电话信道的相对衰耗
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第 2 章 信 道 与 噪 声 2.2.2 相位—频率特性畸变(群迟延畸变)
所谓相位—频率畸变,是指信号通过信道时其不同的频率分 量随频率值大小而偏离线性关系所引起的畸变。电路信道的相 位—频率畸变主要来源于信道中的各种滤波器及可能有的电感线 圈及电容器件,尤其在信道频带的边缘,相频畸变就更严重。 相频畸变同样可以带来信号波形失真,但对模拟话音信号影 响并不显著而对视频信号影响比较大,这是因为人的眼与耳对相 频畸变敏感程度不一引起;而对数字信号传输则有较大的影响, 尤其当传输速率比较高时,相频畸变将会引起严重的码间串扰, 给通信带来很大损害。 信道的相位—频率特性还经常采用群迟延—频率特性来衡 量。所谓群迟延—频率特性,它就是相位—频率特性的导数,
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