第三章-信道课件

一、信道的定义与分类一、信道的定义与分类1.狭义信道狭义信道：仅指传输媒质。：仅指传输媒质。分为：有有线线信信道道 （包括架空明线、对称电缆、同轴电缆以及光导纤维。）无无线线信信道道 （包括地波传播、短波电离层反射、超短波或微波无线电视距离传输、卫星中继以及各种散射信道等。）2.广广义义信信道道：除了传输媒质外，还包括有关的转换设备，如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。这种范围扩大了的信道称为广义信道。分为以下两种：调制信道调制信道 研究调制与解调的角度定义7/15/20241编码信道编码信道 研究编码和解码的角度定义 图3-1 调制信道与编码信道需要指出，无论何种广义信道，传输媒质是其主要部分，通信质量的好坏，主要取决于传输媒质的特性。7/15/20242每个输出符号只取决于每个输出符号只取决于当前输入符号，而和前当前输入符号，而和前面输入符号无关面输入符号无关信道的分类信道的分类7/15/20243狭义信道狭义信道一一有线传输介质有线传输介质 传传输输介介质质：通通信信系系统统中中连连接接收收发发双双方方的的物物理理通通路路，即即通通信信过过程程中中消消息息传传送送的载体。的载体。分类：分类：有线传输介质和无线传输介质。有线传输介质和无线传输介质。系系统统的的传传输输性性能能和和质质量量，不不但但与与信信号号特特性性有有关关，还还与与传传输输介介质质的的特特性性有有关关。当当采采用用有有线线传传输输介介质质时时，传传输输介介质质本本身身的的特特性性对对传传输输极极限限的的影影响响极极为为重要。例如，介质本身的带宽就限制了系统的带宽。重要。例如，介质本身的带宽就限制了系统的带宽。常用有线传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤等。常用有线传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤等。1.双绞线双绞线 类型类型:屏蔽型（屏蔽型（STPSTP）和非屏蔽型）和非屏蔽型(UTP)(UTP)。输入阻抗输入阻抗：100100和和150150两种。两种。7/15/20244传传输输模模拟拟信信号号，每每隔隔5km6km需需要要一一级级放放大大；传传输输数数字字信信号号，每每隔隔2km3km要要用用转转发发器器转转发发一一次次。远远程程中中继继线线，最最大大传传输输距距离离为为15Km。在在局局域网中，与集线器间的最大距离为域网中，与集线器间的最大距离为100m。三类通常用于以太网和三类通常用于以太网和4Mb/s以下的令牌环局域网以下的令牌环局域网。五类支持。五类支持100Mb/s的的类别类别带宽带宽速率速率信号信号用途用途1很低很低100kbit/s模拟模拟电话电话22MHz2Mbit/s模拟模拟/数字数字T-1线路线路316MHz10Mbit/s数字数字LAN420MHz20Mbit/s数字数字LAN5100MHz100Mbit/s数字数字LAN6200MHz200Mbit/s数字数字LAN7600MHz600Mbit/s数字数字LAN7/15/20245以以太太局局域域网网及及155Mb/sATM到到桌桌面面的的连连接接。六六类类和和七七类类将将分分别别支支持持超超过过200Mb/s和和600Mb/s的的速速率率。计计算算机机网网络络中中最最常常用用三三类类和和五五类类UTP。二二者者的的不不同同：五五类类：每每英英寸寸34扭扭绞绞；三三类类：每每英英尺尺34扭绞。扭绞。目目前前常常用用的的双双绞绞线线有有100的的3类类和和5类类UTP，150的的STP。5类类比比3类具类具有有更更好好的的性性能能，当当然然价价格格也也贵贵。目目前前3类类双双绞绞线线电电缆缆通通常常用用于于10Mb/s以以太太网网和和4Mb/s以以下下的的令令牌牌环环局局域域网网。4类类常常用用于于16Mb/s的的令令牌牌环环局局域域网网，5类类用用于于100Mb/s的的以以太太局局域域网网及及155Mb/sATM到到桌面的连接。桌面的连接。下下表表给给出出了了3类类和和5类类UTP以以及及STP每每百百米米衰衰减减特特性性的的比比较较，主主要要涉及涉及100非屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线和150的屏蔽双绞线。的屏蔽双绞线。随随着着吉吉比比特特局局域域网网技技术术的的发发展展，更更高高性性能能的的双双绞绞线线电电缆缆不不断断推推出出，下下表表列列出出了了这这些些新新电电缆缆标标准准。FTP为为金金属属箔箔双双绞绞线线，SSTP为为屏屏蔽蔽网双绞线。网双绞线。7/15/20246频率频率(MHz)3类类UTP5类类UTPSTP1416251003002.65.613.12.04.18.210.422.01.12.24.46.212.321.4类别类别类型类型带宽带宽费用（费用（5类为类为1）3类类C级级UTP16Mbit/s0.75类类D级级UTP/FTP100Mbit/s15类类E级级UTP/FTP100Mbit/s1.26类类E级级UTP/FTP200Mbit/s1.57类类F级级SSTP600Mbit/s2.27/15/202472.同轴电缆同轴电缆分类分类：基带（视频）电缆和宽带（射频）电缆。：基带（视频）电缆和宽带（射频）电缆。基带同轴电缆：基带同轴电缆：用于直接传输数字数据信号。用于直接传输数字数据信号。宽带同轴电缆：宽带同轴电缆：用于传输高频信号。用于传输高频信号。特性阻抗特性阻抗：50和和75。50的基带同轴电缆只用于传输数字基带信号，数的基带同轴电缆只用于传输数字基带信号，数据速率可达据速率可达10Mb/s，用于局域网中；，用于局域网中；75宽带同轴电缆多用于无线电工程，宽带同轴电缆多用于无线电工程，用于传输模拟信号。用于传输模拟信号。基带同轴电缆基带同轴电缆：传输距离：传输距离几几km。宽带同轴电缆：宽带同轴电缆：传输距离传输距离几十几十km。屏蔽性：屏蔽性：优于双绞线。优于双绞线。最大带宽1000M Hz左右7/15/202483.光纤光纤是一种直径为是一种直径为2125m的、柔软的、能传导光波的介质，可由玻璃或塑料的、柔软的、能传导光波的介质，可由玻璃或塑料制成，使用超高纯度石英玻璃制作的光纤具有很低的传输损耗。在折射率制成，使用超高纯度石英玻璃制作的光纤具有很低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包层包住，就可以构成一条光通较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包层包住，就可以构成一条光通道。外面再加一保护套，即构成一条单芯光导纤维电缆，即单芯光缆。多道。外面再加一保护套，即构成一条单芯光导纤维电缆，即单芯光缆。多条光纤放在同一保护套内，就构成多芯光缆。光缆是目前有线传输介质中条光纤放在同一保护套内，就构成多芯光缆。光缆是目前有线传输介质中性能最好、最具发展前途的一种。性能最好、最具发展前途的一种。7/15/20249光光导导纤纤维维通通过过内内部部全全反反射射来来传传输输光光信信号号。纤纤芯芯的的折折射射系系数数高高于于外外包包层层，光光波波在在纤纤芯芯与与包包层层界界面面上上产产生生全全反反射射。以以小小角角度度进进入入光光纤纤的的光光波波沿沿纤纤芯芯以以反反射方式向前传播。射方式向前传播。通过内部全反射来传输光信号。通过内部全反射来传输光信号。分类分类:多模与单模。多模与单模。多模光纤：多模光纤：允许一束光沿纤芯反射传播允许一束光沿纤芯反射传播.单模光纤：单模光纤：仅允许单一波长的光沿纤芯直线传播，在其中不产生反射。仅允许单一波长的光沿纤芯直线传播，在其中不产生反射。直径：直径：单模小，多模大。单模小，多模大。单单模模光光纤纤频频带带宽宽，数数据据传传输输速速率率高高，性性能能优优于于多多模模光光纤纤。单单模模光光纤纤价价格格贵贵，多模光纤便宜。多模光纤便宜。7/15/202410光纤对数据的传输是利用光脉冲的有无来代表数据的光纤对数据的传输是利用光脉冲的有无来代表数据的“1”和和“0”的。的。发发送送端端：可可用用发发光光二二极极管管或或激激光光二二极极管管将将电电流流脉脉冲冲转转换换成成光光脉脉冲冲，然然后后耦合到光纤中进行传输。耦合到光纤中进行传输。接接收收端端：利利用用光光电电二二极极管管把把光光纤纤中中传传输输来来的的光光脉脉冲冲再再转转换换为为电电脉脉冲冲信信号号，然后，恢复出数据然后，恢复出数据“1”和和“0”。光光纤纤特特点点：具具有有尺尺寸寸小小、重重量量轻轻、频频带带宽宽，损损耗耗小小，数数据据传传输输速速率率高高，误码率低，安全保密性好等，误码率低，安全保密性好等，是目前最有发展前途的有线传输介质。是目前最有发展前途的有线传输介质。7/15/202411二二无线传输介质无线传输介质无无线线传传输输介介质质的的传传输输特特性性不不如如有有线线传传输输介介质质的的传传输输特特性性稳稳定定和和可可靠靠，易易受受干干扰扰，通通信信中中使使用用的的技技术术也也较较复复杂杂。无无线线传传输输介介质质无无需需物物理理连连接接，通通信信方方便便和和灵灵活活，应应用用广广泛泛。发发送送信信号号的的带带宽宽对对传传输输性性能能的的影影响响起起决决定定性性作作用用。带带宽宽不不同同，允允许许的的数数据据传传输输速率也不同。带宽越宽，数据传输速率就越高。速率也不同。带宽越宽，数据传输速率就越高。常常用用无无线线传传输输介介质质：无无线线电电波波、地地面面微微波波、卫卫星星链链路路、激激光光、红外线等。红外线等。1.无线电波无线电波即即电电磁磁波波，每每秒秒振振动动的的次次数数称称为为频频率率，单单位位为为赫赫兹兹（Hz）。在在真真空空中中的的传传播播速速度度大大约约是是300000km/s。但但在在铜铜导导线线或或者者光光纤纤中，传播速度大约降低到光速的中，传播速度大约降低到光速的2/3。反射，散射与折射反射，散射与折射7/15/202412无线电波的传播类型无线电波的传播类型传传播播方方式式：以以5种种不不同同的的方方式式进进行行传传播播：地地表表传传播播、对对流流层层传传播播、电电离离层层传传播播、视视距距传传播和空间传播播和空间传播。无无线线电电技技术术将将大大气气层层分分为为两两层层：对对流流层层和和电电离离层层。对对流流层层是是距距地地面面大大约约50公公里里的的大大气气层层。电电离离层层是是在在对对流流层层之之上上而而在在太太空空以以下下的的大大气气层层，它它高高于于平平常常我我们们所所说说的的大大气气层层，该该层层充充满满电电离离的的离离子子，电电离离层层也也是是由由此此而而得得名。名。7/15/202414对流层对流层地球地球010km电离层电离层60300km平流层平流层7/15/202415频率：频率：2MHz 以下以下绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千 km1)1)地表传播地表传播（地波）（地波）通通过过地地表表大大气气层层传传播播，紧紧靠靠地地面面。呈呈曲曲线线向向各各个个方方向向传传播播，传传播播距距离离取取决决于于信信号号的的能能量量，能能量量越越大大，传播越远。传播越远。7/15/2024162 2）对流层对流层传播传播1 1、传播距离约、传播距离约100 500 km 100 500 km 利用离地面利用离地面10 12 km10 12 km以下的大气对流层，以下的大气对流层，对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电波的散射，可提供波的散射，可提供1224012240频分复用话路，可靠频分复用话路，可靠性性99.9%99.9%。衰落衰落 1 1）慢衰落：气象引起。每季月、日信号强度变化）慢衰落：气象引起。每季月、日信号强度变化 2 2）快衰落：多径传播。使信号的幅度和相位快速随）快衰落：多径传播。使信号的幅度和相位快速随机变化。机变化。最典型的是最典型的是对流层散射通信对流层散射通信7/15/2024173）电离层传播电离层传播（天波）（天波）电电离离层层是是距距地地面面50400km的的大大气气层层，在在电电离离层层传传播播中中，无无线线电电波波由由电电离离层层反反射射回回地地面面，能能以以较较低低的的能能量传播较远的距离。量传播较远的距离。单跳最大距离：单跳最大距离：4000 km4000 km多跳可以环球多跳可以环球频率：频率：2 2 30 MHz30 MHz电离层有反射通信与散射通信2种形式，前者常用7/15/202419频率：频率：30 MHz传播距离传播距离:d2+r2=(h+r)2,或或h D2/50 (m)式中式中 D 单位是单位是 kmhr地面ddD4 4）视距传播视距传播天线有方向性，二者相向天线有方向性，二者相向7/15/2024202.地面微波地面微波微微波波通通信信：是是指指用用微微波波频频率率作作载载波波携携带带信信息息，通通过过空间传播进行通信的方式。空间传播进行通信的方式。特特点点：微微波波频频率率高高，带带宽宽宽宽，信信道道容容量量大大，数数据据传传输速率高。输速率高。应用：应用：地面微波通信和无线局域网技术中。地面微波通信和无线局域网技术中。频率范围：频率范围：300MHz300GHz，应用较多的是，应用较多的是240GHz。5 5）空间传播空间传播 利利用用卫卫星星中中继继来来代代替替空空间间大大气气折折射射。地地球球站站向向卫卫星星发发射射信信号号，卫卫星星将将该该信信号号向向地地面面广广播播。卫卫星星像像一一个个高度极高的天线，扩大了信号的传播范围。高度极高的天线，扩大了信号的传播范围。7/15/202421典型的数字微波通信系统参数典型的数字微波通信系统参数地地面面微微波波直直线线传传播播。由由于于地地球球表表面面的的曲曲率率和和障障碍碍物物，在在地地面面上上的的传传播播距距离离受受到到了了限限制制，为为此此，微微波波天天线线通通常常位位于于非非常常高高的的地地方方。传传播播距距离离一一般般不不超超过过50km。在地面上进行远距离传输，必须通过多次中继接力来实现。在地面上进行远距离传输，必须通过多次中继接力来实现。双双向向传传输输需需要要两两个个不不同同的的频频率率，一一个个用用于于正正向向传传输输，另另一一个个用用于于反反向向传传输输，同一副天线可以收发公用。同一副天线可以收发公用。频段（频段（GHz）带宽（带宽（MHz）速率（速率（Mb/s）2712630901140135182202747/15/2024223.卫星信道卫星信道卫星通信卫星通信:利用卫星作为中继站，通过利用卫星作为中继站，通过微波频带微波频带转发无线电信转发无线电信号，实现远距离、大范围内地球站之间的通信。号，实现远距离、大范围内地球站之间的通信。在在地地球球上上设设立立地地球球站站，包包括括陆陆地地上上、海海洋洋中中和和大大气气层层内内的的通通信信站站点点。地地球球站站向向卫卫星星发发送送信信号号或或者者接接收收卫卫星星转转发发来来的的信信号号，分为发送地球站和接分为发送地球站和接7/15/202423收收地地球球站站。卫卫星星信信道道也也是是利利用用微微波波频频带带。近近年年来来，卫卫星星通通信信发发展展迅迅速速，目目前前已已广广泛泛应应用用于于电电视视广广播播、长长途途电电话话、数数据据通通信信等等领领域域。数数据据通通信信中中常租用卫星链路实现数据业务的远距离传输。常租用卫星链路实现数据业务的远距离传输。地地球球同同步步卫卫星星:运运行行于于赤赤道道上上空空，距距地地球球表表面面约约35786Km，与与地地球球表表面面相相对对静静止止。一一颗颗地地球球同同步步卫卫星星发发射射的的电电磁磁波波大大约约覆覆盖盖地地球球表表面面的的三三分分之之一一，3颗颗分分别别相相隔隔120o的的地地球球同同步步卫卫星星可可以以覆覆盖盖除除南南北北两两极极地地区区以以外外的的整整个个地地球球的的大大部部分分有有人人居居住住区区，能能实实现现全全球球通通信信。地地球球同同步步卫卫星星相相当当于于一一个个中中继继站站，通通过过卫卫星星转转发发可可以以实实现现地地球球站站之之间间的的通通信信。卫卫星星在在一一个个频频段段上接收信号，将信号放大和再生后从另一个频段上转发出去。上接收信号，将信号放大和再生后从另一个频段上转发出去。上行信道上行信道:地球站向卫星发送信号的信道。地球站向卫星发送信号的信道。下行信道下行信道:卫星向地球站转发信号的信道。卫星向地球站转发信号的信道。卫卫星星通通信信特特点点：费费用用与与通通信信距距离离无无关关、覆覆盖盖面面积积大大、不不受受地地理理条条件件的的限限制、通信带宽宽，是国际干线通信的主要手段。制、通信带宽宽，是国际干线通信的主要手段。7/15/202424第第2章章信息与信道信息与信道C频频段段是是目目前前使使用用较较多多的的一一个个频频段段，位位于于卫卫星星通通信信最最佳佳频频段段（110GHz范范围围内内)。该该频频段段面面临临饱饱和和，出出现现了了Ku和和Ka频频段段。这这两两个个频频段段信信号号衰衰减减严重。严重。7/15/202425在在C频频段段，地地球球站站使使用用5.925GHz6.425GHz频频带带（上上行行频频率率）向向卫卫星星发发送送信信号号，卫卫星星使使用用3.7GHz4.2GHz频频带带（下下行行频频率率）向向地地球球站站转转发发信信号号。将将二二者者统统称称为为4/6GHz频频段段。上上行行频频率率和和下下行行频频率率不不同同，是是为为了了使使卫卫星星发发射射和和接收不产生干扰。接收不产生干扰。波段波段频率范围频率范围上行频率上行频率下行频率下行频率UHF400MHz/201GHz2GHz400MHz200MHzL1GHz2GHz1.6GHz1.5GHzS2GHz4GHzC4GHz8GHz6GHz4GHzX8GHz12GHz8GHz7GHzKu12GHz18GHz14GHz12GHzK18GHz27GHzKa27GHz40GHz30GHz20GHzV40GHz75GHz7/15/202426卫卫星星距距地地球球较较远远，信信号号传传输输延延迟迟时时间间长长，从从地地球球到到卫卫星星或或者者从从卫卫星星到到地地球球信信号号单单程程延延迟迟时时间间大大约约是是270ms。天天气气对对卫卫星星信信号号传传输输也也有有影影响响。卫卫星星通通信信覆覆盖盖地地域域广广、通通信信距距离离远远、费费用用与与通通信信距距离离无无关关、通通信信链链路路频频带带宽宽、通通信信容容量量大大、可可靠靠性性高高、不不受受地地理理条条件件限限制制等等优优点点，目目前前已已成成为为国国际际干干线通信的主要手段。线通信的主要手段。20世世纪纪90年年代代以以来来，出出现现了了中中、低低轨轨道道卫卫星星移移动动通通信信的的新新方方法法，作作为为陆陆地地移移动动通通信信系系统统的的补补充充和和扩扩展展，与与地地面面公公用用通通信信网网有有机机结结合合，可可实实现现全全球球个个人人移移动动通通信信。中中轨轨道道卫卫星星距距地地球球表表面面为为500015000km，低低轨轨道道卫卫星星距距地地球球表表面面为为5002000km。中中、低低轨轨道道卫卫星星高高度度比比较较低低，每每颗颗卫卫星星覆覆盖盖地地球球表表面面要要比比地地球球同同步步卫卫星星小小得得多多，可可利利用用多多颗颗卫卫星星实实现现全全球球的的覆覆盖盖。由由于于卫卫星星数数目目众众多多，在在地地球球上上任任何何地地点点每每时时每每刻刻都都有有一一颗颗卫卫星星对对其其覆覆盖盖，以以保保证证地地面面与与卫卫星星之之间间的的通通信信。卫卫星星之之间间通通过过接接力力通通信信，从从而而实实现现全全球球通信。空间卫星通信网也将对计算机网络技术的发展产生重要的影响。通信。空间卫星通信网也将对计算机网络技术的发展产生重要的影响。低轨道卫星通信工作在低轨道卫星通信工作在L频段，卫星之间通信使用频段，卫星之间通信使用Ku频段。频段。7/15/2024274.激光激光 激光能在空中直接传输，并能在长距离内聚焦，具有高度的激光能在空中直接传输，并能在长距离内聚焦，具有高度的方向性，采用激光进行通信无需申请频率分配。激光传输信方向性，采用激光进行通信无需申请频率分配。激光传输信号必须配置激光收发器，需要安装视线范围内。激光通信用号必须配置激光收发器，需要安装视线范围内。激光通信用于不同建筑物局域网之间的连接，可避免敷设电缆的困难，于不同建筑物局域网之间的连接，可避免敷设电缆的困难，这称为这称为“无线光通信无线光通信”（FSO）。）。激光通信有很好的防窃听和抗干扰能力，但易受环境的影响。激光通信有很好的防窃听和抗干扰能力，但易受环境的影响。激光使用方便、工作稳定而且易于安装。负责发送和接收激激光使用方便、工作稳定而且易于安装。负责发送和接收激光信号的装置通常安装在两幢建筑物的顶部，在两幢楼之间光信号的装置通常安装在两幢建筑物的顶部，在两幢楼之间收发信号，使用光纤连接每一建筑物内的网路。收发信号，使用光纤连接每一建筑物内的网路。5.红外线红外线 红外线通信：红外线通信：红外线作载波传送信息，通过收发红外线脉冲红外线作载波传送信息，通过收发红外线脉冲来实现信息传输。来实现信息传输。频率范围：频率范围：是是3101121014Hz。7/15/202428特特点点：红红外外线线不不受受电电磁磁干干扰扰，不不受受国国家家无无线线电电管管理理委委员员会会的的限限制制，1993年年红红外外线线技技术术成成为为了了PC的的一一项项通通信信标标准准。红红外外线线穿穿透透非非透透明明物物体体的的能能力力极极差差，不不能能穿穿透透墙墙壁壁。一一般般限限制制在在室内和近距离传输，有效通信距离不超过室内和近距离传输，有效通信距离不超过50m。红红外外线线设设备备相相对对比比较较便便宜宜，无无需需天天线线。发发送送器器和和接接收收器器可可任任意意安安装装在在室室内内或或室室外外，但但需需使使它它们们之之间间处处于于视视线线范范围围内内，中中间间不不能能有有障障碍碍物物。红红外外线线具具有有很很强强的的方方向向性性，很很难难被被窃窃听听和和干扰，但雨雪、沙尘、云雾和障碍物等影响其传输。干扰，但雨雪、沙尘、云雾和障碍物等影响其传输。红红外外技技术术的的成成本本要要比比激激光光技技术术低低得得多多，且且设设备备寿寿命命长长，同同时时受天气的影响也小。受天气的影响也小。红红外外、激激光光和和微微波波都都是是沿沿直直线线传传播播，它它们们都都需需要要在在收收发发之之间间有有一一条条视视线线通通路路。三三者者对对环环境境气气候候较较为为敏敏感感，例例如如对对雨雨、雾雾、雷电等。相对来说，微波对一般雨和雾的敏感度要低一些。雷电等。相对来说，微波对一般雨和雾的敏感度要低一些。7/15/202429二、信道数学模型一、调制信道模型一、调制信道模型1特性特性（1）有一对或多对输入和一对或多对输出）有一对或多对输入和一对或多对输出（2）绝大部分信道是线性的，满足叠加定理）绝大部分信道是线性的，满足叠加定理（3）具有延迟作用和损耗）具有延迟作用和损耗（4）没有输入时（）没有输入时（0输入）也有输出输入）也有输出噪声噪声2模型模型时变线性网络表示时变线性网络表示 式中 是输入的已调信号；7/15/202430 是信道总的输出；是加性噪声（或称加性干扰），与 不发生依赖关系,或者说 独立于 。作为数学上的一种简洁：依赖于网络特性，它对 来说是一种乘性干扰。讨论：（1）调制信道对信号的干扰有两种：乘性干扰 和加性干扰 。分析信道对信号的具体影响，在于了解 与 的特性。7/15/202431（2）分析乘性干扰 的影响时，可把调制信道分为两大类：恒参信道恒参信道，即 随时间缓变或不变；随参信道随参信道，即 随机快变化。通常，将架空明线、电缆、光导纤维、超短波及微波视距传播、卫星中继等视为恒参信道。而将短波电离层反射信道、各种散射信道、超短波移动通信信道等视为随参信道。2.2.编码信道模型编码信道模型编码信道的特性可用信道转移概率（条件概率）来描述。以二进制无记忆编码信道为例。7/15/202432图3-3二进制编码信道模型正确转移概率：P(0/0)、P(1/1)错误转移概率：P(1/0)、P(0/1)且有 （由于编码信道包含调制信道，因而它的特性在很大程度上依赖于调制信道。调制信道又分为恒参信道和随参信道，故将重点加以讨论。7/15/202433三、三、恒参信道的特性及其恒参信道的特性及其对信号的影信号的影 恒参信道是指乘性干扰 基本不随时间变化的信道。因此，恒参信道可等效为一个线性时不变网络。可用和共同来描述。1.传输特性 幅频特性 相频特性 一般信道的特性应用H（w,t）来描述7/15/2024341不失真条件 引入群迟延频率特性，它定义为相频特性的导数，即 若 呈线性关系，则 曲线是一条水平直线，如图3-4所示。这时，信号的不同频率成分将有相同的时延，因而信号经过该信道传输后将不发生失真。7/15/202435理想的相频特性及群迟延频率特性2 2两种失真及其影响两种失真及其影响实际的信道特性并不理想，必然对信号产生两种失真：7/15/202436幅幅频频失失真真 指信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰减。它对模拟通信影响较大，导致信号波形畸变，输出信噪比下降。相相频频失失真真（或群迟延失真）指信号中不同频率的分量分别受到信道不同的时延。它对数字通信影响较大，会引起严重的码间干扰，造成误码。综述：恒参信道通常用它的幅频特性及相频特性来表述。这两个特性的不理想，将是损害信号传输特性的重要因素。实际中常采用“均衡”措施去补偿信道的传输特性。7/15/202437信道特性对信号传输的影响恒参信道恒参信道:非时变线性网络非时变线性网络振幅振幅频率特性频率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性7/15/202438相位相位频率特性频率特性:线性失真线性失真:频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：属于线性失真属于线性失真 可用可用“线性补偿网络线性补偿网络”纠正，纠正，“均衡均衡”非线性失真非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动 非线性失真非线性失真 难以消除难以消除()0理想特性理想特性()07/15/202439四、随参信道的特性及其四、随参信道的特性及其对信号信号传输的影响的影响 随参信道的传输特性主要依赖于其传输媒质，它以电离层反射信道、对流层散射信道为主要代表。1传输媒质特点：（1）对信号的衰耗随时间而变；（2）传输的时延随时间而变；（3）多径传播。7/15/2024412引起多径传播的原因 所谓多径传播，是指由发射点出发的电波可能经过多条路径达到接收点，其示意图如图3-5所示。由于每条路径对信号的衰减和时延都随电离层或对流层的机理变化而变化，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。图3-5 多径传播示意图7/15/202442多径形式示意图(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)漫射现象地球磁场引地球磁场引起的电波起的电波分裂分裂（寻（寻常波和非常波和非寻常波）寻常波）7/15/202443单频余弦波来研究 7/15/2024447/15/202445式中 V(t)是合成波R(t)的包络，其一维分布为瑞利分布；是合成波R(t)的相位，其一维分布为均匀分布。于是，R(t)可视为一个窄带过程（波形频谱类似），又称R(t)为衰落信号。3 3多经传播对信号传输的影响多经传播对信号传输的影响（1）产生瑞利型衰落（快衰落）从波形上看，幅度恒定频率单一的载波信号变成了包络和相位受到调制的窄带信号。（2）引起频率弥散7/15/202446从频谱上看，单个频率变成了窄带频谱,7/15/202447R(t)特性1、R(t)为窄带高斯过程2、包络V(t)为一维瑞利分布 3、(t)为一维均匀分布 7/15/202448（3）造成频率选择性衰落当发送信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播除了会使信号产生瑞利型衰落之外，还会产生频率选择性衰落。频率选择性衰落是多径传播的又一重要特征。为了分析方便，我们假设多径传播的路径只有两条，其中，a为两条路径的衰减系数，为两条路径信号传输相对时延差。7/15/202449设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；发射信号为发射信号为f(t)，接收信号为，接收信号为af(t-0)和和af(t-0-)；发射信号的频谱为发射信号的频谱为F()。则有则有 f(t)F()af(t-0)a F()e-j0 af(t-0-)a F()e-j(0+)af(t-0)+af(t-0-)a F()e-j0(1+e-j)H()=a F()e-j0(1+e-j)/F()=ae-j0(1+e-j)|1+e-j|=|1+cos-jsin|=|(1+cos)2+sin21/2|=2|cos(/2)|频率选择性衰落频率选择性衰落7/15/202450可以看出,信道传输特性主要由项决定。信道幅频特性为上式表示，对于信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。显然，信号通过这种传输特性的信道时信号的频谱将产生失真。当失真随时间随机变化时就形成频率选择性衰落。特别是当信号的频谱宽于时，有些频率分量会被信道衰减到零，造成严重的频率选择性衰落。7/15/202451另外，相对时延差通常是时变参量，即一般应表示为，故传输特性中零点、极点在频率轴上的位置也随时间随机变化，这使传输特性变得更复杂。设最大多经时延差为 ,则定义相邻传输零点的频率间隔为相关带宽 信号频谱大于这个频率间隔会产生明显的选择性衰落，数字信号产生严重的码间串扰7/15/202452设最大多经时延差为 ,则定义相邻传输零点的频率间隔为相关带宽为减小选择性衰落，往往要限制数字信号的传输数率，实际上等于限制了数字信号的频谱宽度，即信号频带(）必须小于相关带宽。一个工程上经验公式 即数字信号的码元脉冲宽度7/15/202453分集接收技术分集接收技术陆地移动信道、短波电离层反射信道等随参信道引起的多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散等，会严重影响接收信号质量，使通信系统性能大大降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采用抗衰落的有效措施。常采用的技术措施有抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、分集接收技术等。其中分集接收技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。7/15/202454所谓分集接收，是指接收端按照某种方式使它收到的携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落对接收信号的影响。从广义信道的角度来看，分集接收可看作是随参信道中的一个组成部分，通过分集接收使包括分集接收在内的随参信道衰落特性得到改善。分集接收包含有两重含义：一是分散接收，使接收端能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；二是集中处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。7/15/202455一一分集方式分集方式为了在接收端得到多个互相独立或基本独立的接收信号，一般可利用不同路径、不同频率、不同角度、不同极化、不同时间等接收手段来获取。因此，分集方式也有空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等多种方式。1.空间分集空间分集空间分集是接收端在不同的位置上接收同一个信号，只要各位置间的距离大到一定程度，则所收到信号的衰落是相互独立的。因此，空间分集的接收机至少需要两副间隔一定距离的天线，发送端用一副天线发射，接收端用N副天线接收。7/15/202456图空间分集示意图7/15/202457为了使接收到的多个信号满足相互独立的条件，接收端各接收天线之间的间距应满足d3式中，d为接收端各接收天线之间的间距，为工作频率的波长。通常，分集天线数(分集重数)越多，性能改善越好。但当分集重数多到一定数时，分集重数继续增多，性能改善量将逐步减小。因此，分集重数在24重比较合适。7/15/2024582.频率分集频率分集频率分集是将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要载波频率之间的间隔大到一定程度，则接收端所接收到信号的衰落是相互独立的。在实际中，当载波频率间隔大于相关带宽时，则可认为接收到信号的衰落是相互独立的。因此，载波频率的间隔应满足fBc=式中，f为载波频率间隔，Bc为相关带宽，m为最大多径时延差。在移动通信中，当工作频率在900MHz频段，典型的最大多径时延差为5s，此时有7/15/202459fBc=3.时间分集时间分集时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。在移动通信中，多卜勒频移的扩散区间与移动台的运动速度及工作频率有关。因此，为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性，重复发送的时间间隔应满足t7/15/202460式中，fm为衰落频率，v为移动台运动速度，为工作波长。若移动台是静止的，则移动速度v=0，此时要求重复发送的时间间隔t为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。以上介绍的是几种显分集方式，在CDMA系统中还采用Rake接收机形式的隐分集方式。另外，在实际应用中还可以将多种分集结合使用。例如在CDMA移动通信系统中，通常将空间分集与Rake接收相结合，改善传输条件，提高系统性能。除此之外，常用的还有角度分集（天线指向不同）和极化分集（接收水平、垂直极化波）7/15/2024612合并方式合并方式在接收端采用分集方式可以得到N个衰落特性相互独立的信号，所谓合并就是根据某种方式把得到的各个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。合并可以在中频进行，也可以在基带进行，通常是采用加权相加方式合并。假设N个独立衰落信号分别为r1(t),r2(t),rN(t)，则合并器输出为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)+aNrN(t)=式中，ai为第i个信号的加权系数。选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。常用的三种合并方式是：选择式合并、等增益合并和最大比值合并。表征合并性能的参数有平均输出信噪比、合并增益等。7/15/2024621.选择式合并选择式合并选择式合并是所有合并方式中最简单的一种，其原理是检测所有接收机输出信号的信噪比，选择其中信噪比最大的那一路信号作为合并器的输出，其原理图如下图所示。选择式合并的平均输出信噪比为合并增益为7/15/202463图 选择式合并原理图7/15/202464式中，为合并器平均输出信噪比，为支路信号最大平均信噪比。可见，对选择式分集，每增加一条分集路径，对合并增益的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。2.等增益合并等增益合并等增益合并原理如下图所示。当加权系数k1=k2=kN时，即为等增益合并。假设每条支路的平均噪声功率是相等的，则等增益合并的平均输出信噪比为合并增益为7/15/202465图 等增益合并、最大比值合并原理7/15/202466式中，为合并前每条支路的平均信噪比。3.最大比值合并最大比值合并最大比值合并方法最早是由Kahn提出的，其原理可参见上页图。最大比值合并原理是各条支路加权系数与该支路信噪比成正比。信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号贡献也越大。若每条支路的平均噪声功率是相等的，可以证明，当各支路加权系数为ak=时，分集合并后的平均输出信噪比最大。式中，Ak为第k条支路信号幅度，2为每条支路噪声平均功率。7/15/202467最大比值合并后的平均输出信噪比为合并增益为可见，合并增益与分集支路数N成正比。三种分集合并的性能如下图所示。可以看出，在这三种合并方式中，最大比值合并的性能最好，选择式合并的性能最差。当N较大时，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。7/15/202468图 三种分集合并的性能比较7/15/202469五、信道的加性噪声五、信道的加性噪声 加性噪声是分散在通信系统中各处噪声的集中表示。它独立于有用信号，却始终干扰有用信号。加性噪声的主要代表是起伏噪声（包括热噪声、散弹噪声、和宇宙噪声）。这类噪声是不能回避的客观存在，是影响通信质量的主要因素之一。为了研究噪声背景下通信系统的性能，必须了解噪声的统计特性。分析表明：热噪声、散弹噪声、和宇宙噪声均为高斯噪声，且在很宽的频率范围内都具有平坦的功率谱密度，故今后一律把起伏噪声定义为高斯白噪声。其双边功率谱密度为7/15/202470其一维概率密度函数为当研究调制与解调问题时，起伏噪声往往先通过一个带通滤波器才到达解调器输入端，此处的噪声将是一个窄带高斯白噪声。也就是说，调制信道的加性噪声可直接表述为窄带高斯白噪声。设带通型噪声的功率谱密度 如下图所示，它可以由高斯白噪声通过一个带通滤波器而得到。7/15/202471五、信道的加性噪声五、信道的加性噪声 图3-7 带通型噪声的功率谱密度假设功率谱密度 曲线下的面积与图中矩形虚线下的面积相等，即式中，为等效噪声带宽，其物理含义是白噪声通过实际带通滤波器的效果与通过宽度为 ，高为1的矩型滤波器的效果一样。上述噪声带宽的定义将适用于今后常见的窄带高斯噪声。且认为带宽为 的窄带高斯噪声，其功率谱密度 在带宽 内是平坦的。图3-7 带通型噪声的功率谱密度假设功率谱密度 曲线下的面积与图中矩形虚线下的面积相等，即式中，为等效噪声带宽，其物理含义是白噪声通过实际带通滤波器的效果与通过宽度为 ，高为1的矩型滤波器的效果一样。上述噪声带宽的定义将适用于今后常见的窄带高斯噪声。且认为带宽为 的窄带高斯噪声，其功率谱密度 在带宽 内是平坦的。7/15/2024721定定义信道对信息传输速率是有制约的，这种制约是由信道容量来衡量的。信道对信息传输速率是有制约的，这种制约是由信道容量来衡量的。信信道道容容量量：单单位位时时间间内内信信道道无无差差错错传传输输的的最最大大信信息息量量，即即信信道道的的极极限限传传输输能力。用信道的最大信息传输速率来衡量，单位：比特能力。用信道的最大信息传输速率来衡量，单位：比特/秒（秒（b/s）。）。1.数字信道数字信道对对于于信信道道容容量量，奈奈奎奎斯斯特特和和香香农农从从不不同同的的角角度度，在在不不同同的的条条件件下下分分别别进进行行了了研研究究。奈奈奎奎斯斯特特研研究究了了无无噪噪声声、无无码码间间干干扰扰的的理理想想数数字字信信道道的的信信道道容容量量，得出了如下结论：得出了如下结论：C为为信信道道容容量量，单单位位是是b/s；B为为信信道道带带宽宽，单单位位是是Hz；为为传传输输的的数数字字信信号的进制数。号的进制数。2.模拟信道模拟信道香香农农研研究究了了在在模模拟拟信信道道中中传传输输数数字字信信号号的的信信道道容容量量，并并得得出出了了著著名名的的香香农农公式。该公式描述了在加性高斯白噪声信道中，传输功率受限信号时，信公式。该公式描述了在加性高斯白噪声信道中，传输功率受限信号时，信六六 信道容量信道容量7/15/202473道所能达到的最大传输速率，即信道容量：道所能达到的最大传输速率，即信道容量：N噪声平均功率，噪声平均功率，S信号平均功率，信号平均功率，S/N信噪比，信噪比，C信道容量。信道容量。结论：结论：（1）提高信噪比S/N，能提高信道容量C。（2）若 no 0，则C ，这意味无干扰信道容量为无穷大。（3）增加信道带宽B，不能使信道容量C无限制地增加，即 当B 时，C (4)C一定，B 与S/N可进行互换7/15/2024745）任任何何一一个个信信道道，都都有有信信道道容容量量C。如如果果信信息息速速率率RC，理理论论上上存存在在一一种种方方法法，能能以以任任意意小小的的差差错错概概率率通通过过信信道道传传输输；如如果果RC，在理论上无差错传输是不可能的。，在理论上无差错传输是不可能的。6)对于给定的对于给定的C，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输信息。，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输信息。7)信息速率信息速率C=I/T，T为传输时间，代入上式为传输时间，代入上式当当S/N一一定定，给给定定的的信信息息量量可可以以用用不不同同的的带带宽宽和和时时间间T的的组组合合来来传输，即带宽与时间可以互换。传输，即带宽与时间可以互换。通常，把实现了极限信息速率传输（即达到信道容量值）且能通常，把实现了极限信息速率传输（即达到信道容量值）且能做到任意小差错率的通信系统，称为做到任意小差错率的通信系统，称为理想通信系统理想通信系统。7/15/202475例电视有电视有300,000300,000个像元，每个像元个像元，每个像元1010个亮度电平（等概），个亮度电平（等概），每秒每秒3030帧图像，要求帧图像，要求S/NS/N为为30dB30dB，求传输所用带宽。，求传输所用带宽。解：一个像元的信息量解：一个像元的信息量一帧的信息量一帧的信息量一秒的信息量一秒的信息量99600030=29.9 1099600030=29.9 106 6bitbit7/15/202476例设某一电缆信道带宽为设某一电缆信道带宽为8MHz8MHz，信道输出信噪比为，信道输出信噪比为30 dB30 dB，则相互独立，且等概率的，则相互独立，且等概率的1616进制数据无误进制数据无误码传送的最高传码率是多少？码传送的最高传码率是多少？7/15/202477供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)