Transcript 第三章信道

第三章 信
道

3.1 引言

3.2 信道定义及信道数学模型

3.3 恒参信道特性及其对信号传输的影响

3.4 随参信道特性及其对信号传输的影响

3.5 随参信道特性的改善---分集接收

3.6 信道的加性噪声

3.7 信道容量的概念
1
3.1 引 言
有线信道
狭义信道：信号的传输媒质
信道
（信号通道）
无线信道
广义信道：媒质及有关变换装置
（发送、接收设备，天线、馈线，调制解调
器等）
广义信道按包含的功能，可划分为调制信道与编码信道。
2
Êä
Èë
±à
Âë
Æ÷
µ÷
ÖÆ
Æ÷
·¢
ת
»»
Æ÷
ý
ÖÊ
ÊÕ
ת
»»
Æ÷
½â
µ÷
Æ÷
Òë
Âë
Æ÷
Êä
³ö
µ÷ÖÆÐŵÀ
±àÂëÐŵÀ
图 3–1 调制信道和编码信道


调制信道：指图中调制器输出端到解调器输入端的部分，
又称模拟信道。研究调制和解调时，常用调制信道。
编码信道：指图中编码器输出端到译码器输入端的部分，
有时又称数字信道/离散信道。
广义信道定义原因：只关心变换的最终结果，而无需关心
详细的物理过程。
3
3.2 信 道 数 学 模 型

调制信道模型
调制信道具有如下共性：
1）输入端与输出端是一一对应的；
2）绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；
3）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会
受到(固定或时变的)损耗；
4）即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功
率输出。
噪声
4
 因此，可用一个二对端(或多对端)时变线性网络来
表示调制信道，如图。
si(t)
ÏßÐÔʱ±äÍøÂç
so(t)
图3-2 调制信道模型
则二对端数学模型可以写为 so  t   f  si  t    n  t 
其中，n(t)为独立存在的加性噪声（或加性干扰）；
f[.]表示信道传输特性，简称信道特性。如果信道对输入
信号作非线性处理，则信道输出有非线性失真，这种失真
只有当输入信号存在时才有。与加性噪声相对应，称这种
失真为乘性噪声。
则二对端的数学模型可以写为 s0 t   k t si t   nt 
5
根据乘性干扰k(t)，可以把信道粗略分为两大
类：
恒参信道：指k(t)可看成不随时间变化或相对于信道上
传输信号的变化较为缓慢的调制信道（常
可等效为一个线性时不变网络来分析）。
随参信道：是非恒参信道的统称，或者说， k(t)是随
机变化的调制信道。
6
 编码信道模型
编码信道对信号传输的影响是将一种数字序列变
成另一种数字序列。
 当编码信道把编码器输出的数字信号传输到解码器的
输入端时，由于噪声的存在以及信道带宽的有限，在传
输过程中不可避免会出现差错。则编码信道模型可用数
字的转移概率来描述。
 数字的转移概率表示信道输入端数字信号序列到输出
端发生的转移程度。
7
 最常见的无记忆的二进制数字传输系统的
一种简单的编码信道模型如图3-3所示。
P(0/0)
0
x
P(1/0)
0
y
P(0/1)
1
P(1/1)
1
图3-3 二进制编码信道模型
（所谓信道无记忆是指：某一码元的差错与其前后
码元是否发生差错无关。常见的编码信道一般为无记
忆编码信道。)
8
在此模型中，假设解调器每个输出码元的差错发生
是相互独立的， P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)、P(1/0)称为信
道转移概率。其中P(0/0) 与P(1/1)是正确转移的概率，
而P(0/1)与 P(1/0)是错误转移概率。
需要注意：转移概率完全由编码信道特性决定。一个特
定的编码信道，有确定的转移概率。
9
4.4 恒参信道特性及其对信号传输的影响
 恒参信道及其特性
恒参信道的信道特性不随时间变化或变化很缓
慢。 信道特性主要由传输媒质所决定，如果传输媒
质是基本不随时间变化的， 所构成的广义信道通常
属于恒参信道；如果传输媒质随时间随机快变化，
则构成的广义信道通常属于随参信道。 有线电信道
（对称电缆、同轴电缆、架空明线）、中长波地波
传播、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光
导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的广义信
道都属于恒参信道。
10
对称电缆
对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的
传输媒质。两种类型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）电缆的
传输损耗比较大， 但其传输特性比较稳定，并且价格便宜、
安装容易。主要用于市话中继线路和用户线路，在许多局域网
如以太网、令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。
塑料外皮
双绞线（5对）
图 3 – 4 对称电缆结构图
11
同轴电缆
同轴电缆与对称电缆结构不同，单根同轴电缆的结
构图如图 3- 5(a)所示。同轴电缆由同轴的两个导体构
成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，
它们之间填充着介质。
实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界
干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰
性能较好。在有线电视网络中大量采用这种结构的同
轴电缆。为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装
在一个大的保护套内，构成多芯同轴电缆，另外还可
以装入一些二芯绞线对或四芯线组，作为传输控制信
号用。
12
绝缘体
塑料外皮
内层导体
外层导体（屏蔽层）
(a)
芯
芯
四芯
组
B
1
芯
1
四芯
线
A
芯
芯
4
2
芯
2
3
芯
芯
芯
1
芯
芯
1
芯
2
8
6
2
芯
芯
芯
芯
7
3
5
芯
芯
芯
3
6
4
(b)
芯
4
5
图 3- 5同轴电缆结构图
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表 3 –1 几种有线电缆的特性
线路类型
频率范围
/MHz
信号衰减
电磁干扰
UTP电缆
1~100
高
一般
STP电缆
1~150
高
小
同轴电缆
1~1000
低
小
14
微波中继信道
微波频段的频率范围一般在几百兆赫至几十吉赫，其
传输特点是在自由空间沿视距传输。由于受地形和天线高
度的限制，两点间的传输距离一般为30~50 km，当进行
长距离通信时，需要在中间建立多个中继站.微波中继信道
具有传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金属、 投
资少、维护方便等优点。因此，被广泛用来传输多路电话
及电视等。
地球
图 3 -6微波中继信道的构成
15
卫星中继信道
卫星中继信道是利用人造卫星作为中继站构成的通信
信道，卫星中继信道与微波中继信道都是利用微波信号在
自由空间直线传播的特点。微波中继信道是由地面建立的
端站和中继站组成。而卫星中继信道是以卫星转发器作为
中继站与接收、发送地球站之间构成。若卫星运行轨道在
赤道平面，离地面高度为35780km时，绕地球运行一周的
时间恰为24小时，与地球自转同步，这种卫星称为静止卫
星。不在静止轨道运行的卫星称为移动卫星。卫星中继信
道的主要特点是通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、
覆盖区域广等。另外，由于卫星轨道离地面较远信号衰减
大，电波往返所需要的时间较长。对于静止卫星， 由地球
站至通信卫星，再回到地球站的一次往返需要0.26s 左右，
传输话音信号时会感觉明显的延迟效应。目前卫星中继信
道主要用来传输多路电话、 电视和数据。
16
B
地球
A
图 3-7
卫星中继信道示意图
17
恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变
化极其缓慢的。因此，其传输特性可以等效为一
个线性时不变网络。 只要知道网络的传输特性，
就可以采用信号分析方法，分析信号及其网络特
性。
线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相
位频率特性来表征。 现在我们首先讨论理想情况
下的恒参信道特性。
18
1. 理想恒参信道特性
理想恒参信道的冲激响应为
h(t)=K0δ(t-td)
若输入信号为ei(t)， 则理想恒参信道的输出为
so(t)=K0 si (t-td)
由此可见， 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。
19
理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延—频率特性
j (w)
|H(w)|
K0
t w
td
w td
w
O
a 幅频特性
w
O
b 相频特性
O
w
c 群迟延 特性
只对si(t)的不同频率
成份进行相同的幅
理想恒参信道在整个信号频带范围之内： 度衰减和时延。
 幅频特性和群迟延-频率特性为常数；
 相频特性为ω的线性函数。
20
实际中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真：
如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常
数，则会使信号产生幅度-频率失真；
如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内不是ω的
线性函数， 则会使信号产生相位-频率失真。
21
2.幅度－频率畸变
产生原因 ：
由有线电话信道中可能存在的各种滤波器、混合
线圈、串联电容、分路电感等造成信道的幅度－频率
特性不理想所引起的，又称为频率失真。
一般典型音频电话
信道可用图 3-8所示的
幅度－频率特性曲线近
似表示。
衰
耗
(dB)
频率(Hz)
0
400
1100
2900
图3-8 典型音频电话信道的相对衰耗
22
 产生的影响 ：
对于模拟信号：造成波形失真
对于数字信号：造成码间串扰
引起相邻码元波形在时间上的相互重叠
 克服措施 ：
改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效
传输带宽内平坦；
增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变
得平坦；
——均衡器
23
3.相位－频率畸变
相位-频率畸变是指信道的相位-频率特性
偏离线性关系所引起的畸变。
产生原因 ：
来源于信道中的各种滤波器及可能有的加感线
圈，尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。
分析方法 ：
常采用群延迟-频率特性(相位-频率特性对频
率的导数)来衡量；若相位-频率特性用φ(ω)来表
示，则群迟延-频率特性
d w 
t w  
dw
24
 w  w 呈现性关系，tw (为常数)的
对理想信道，
曲线将是一条水平直线，如图3-9。实际典型的电话信
道的群迟延-频率特性如图3-10。
w
ms
=Kw
0
w
tw
相
对
群
延
迟
1.0
0.8
0.6
0.4
频率
(kHz)
0.2
K
0.8
0
1.6
2.4
4.2
w
图3-9 理想的相位—频率特性
及群延迟—频率特性
图3-10 群延迟—频率特性
25
非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸
变,如图3-11。
群迟延畸变和幅频畸变一样，是线性畸变。因此，
也可采取均衡措施进行补偿。
26
3.4 随参信道特性及其对信号传输的影响
 随参信道及其主要特性
随参信道包括短波电离层反射、超短波流星余迹
散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射
等传输媒质所构成的调制信道。
27
28
29
30
31
随参信道举例
1、短波电离层反射信道

短波的定义：波长为100～10m(相应的频率为3～
30MHz)的无线电波；

短波信道：既可沿地表面传播，也可由电离层反射
传播；
地波传播：一般是近距离的，限于几十公里范围；
天波传播：借助于电离层的一次反射或多次反射可
传输几千公里，乃至上万公里的距离；
32

电离层的相关知识：离地面高60～600km的大
气层称为电离层，是短波通信的主要路径；电
离层是由分子、原子、离子及自由电子组成的；
形成电离层的主要原因是太阳辐射的紫外线和
x射线；信号经电离层一次反射的最大传输距
离约为4000km；如果通过两次反射，那么通信
距离可达8000km。
33
短波信道电离层反射传播
34



天波通信频率的选取：为实现短波通信，在选用工
作频率时要考虑两点：工作频率应小于最高可用频
率、选用频率的电磁波在电离层的吸收较小；
天波通信中的多径传输：由电波经电离层的一次反
射和多次反射以及反射层高度不同等原因引起的；
天波通信的特点：优点很明显，要求的功率较小，
终端设备的成本较低，传播距离远，受地形限制较
小，以及不易受到人为破坏；因此短波电离层反射
信道现在仍然是远距离传输的重要信道之一。
35
2、对流层散射信道

对流层散射信道：一种超视距的传播信道，其一跳
的传播距离约为100～500km，可工作在超短波和微
波波段。

对流层简介：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，
故引起电波的散射；散射具有强方向性。

对流层散射信道中的衰落：可分为慢衰落和快衰落；
前者取决于气象条件，后者由多径传播引起。
36
对流层散射信道中的多径传输
散射信道是典型的多径信道；多径传播不仅引
起信号电平的快衰落，而且还会导致波形失真；如
图所示，窄脉冲经过不同长度的路程到达接收点，
由于经过的路程不同使得到达接收点的时刻也不同，
结果脉冲被展宽了，称为信号的时间扩展。
37
随参信道主要具有三个特点：
 对信号的衰耗随时间而变化；
 传输的时延随时间而变化；
 多径传播。
多径传播后的接收信号将是衰减和时延
都随时间变化的各条路径的信号的合成。
38
 多径传输的影响(主要从多径时延差的影响进行研究)
 两径传输模型（设衰减相同）
设到达接收点的两路信号具有相同的强度和一个相
对时延差τ。（设输入信号为f(t)=Acosw0t ）
当信号经过上图所示的两径传播后，其合成输出
信号将随着输入信号的频率、两径的时延差τ的不同而
变化。
39

输入 f t
 
输入 F f
f
fo
常把多径传输对信号传输的影响称为一般衰落及
频率弥散和频率选择性衰落。
40
 一般衰落及频率弥散
当τ≠0时，输出信号r t  包络和相位是缓慢变化
的，可视为一个窄带过程
r  t   V  t  cos w0  t   j  t  
波形上，多径传播的结果使确定的载波信号Acosw0t
变成了包络和相位都受到调制的窄带信号，这样的信号
通常称之为衰落信号；
频谱上，多径传输引起频率弥散，即由单个频率变成
一个窄带频谱。
41
 频率选择性衰落
对信号频谱中某些分量的一种衰落（衰减大）现
象，是多径传播又一个重要特征。
仍然以两径传播为例，随着信号频率的改变，
输出信号的波形(幅度)也不相同。

模型的传输特性为： H w   V0e  jwt0 1  e  jwt
传输特性的幅度-频率特性为

H w   2V0 cos
wt
2
42
幅频特性曲线如图:
当ω
2nπ
（n为整数）时，出现传播极点；
τ
当 w  2n  1 时，出现传输零点。
t
另外，相对时延差一般是随时间变化的，故传输特性
出现的零点与极点也是随时间变化的。
43
 相关带宽
多径传播中，频率选择性同样依赖于相对时延差。此时，相对时延
差（简称多径时延差）通常用最大多径时延差tm来表征，并用它来估算
传输零极点在频率轴上的位置。
定义相邻传输零点的频率间隔
频带。
f  1 t m 为多径传播媒质的相关
为了不引起选择性衰落，传输信号的频带必须
小于多径传播媒质的相关频带Δ。
一般衰落及频率弥散和频率选择性衰落都是非线性畸变，
一旦产生很难采用一般方法将其消除掉。
44
 随参信道特性的改善——分集接收
 分集接收的原理
分集接收的基本思想：分散得到几个统计独立的合
成信号并集中这些信号，那么经适当的合并后构成总的
接收信号，就能使系统的性能大为改善。
分集接收技术的实质
包含两方面内容，即信号的分散接收与合并输出。分
集技术主要解决两个问题：一是如何获得同一信号的多个
彼此尽可能不相关的接收信号；二是如何有效的利用所接
收到的各支路信号，采取妥善的方式将它们合并。
45
 分集接收的种类
空间分集 ：在接收端架设几副有足够间距的（100个信号
波长以上）天线，以保证各天线上获得的信号基本相互独立。
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，则各载频信号也基本互不相关。
角度分集 ：利用天线波束指向不同信号不相关的原理构成
的一种分集方法。
极化分集 ：分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种
极化方法。
46
 合并方法
最佳选择式 ：从几个分散信号中
选择其中信噪比最好的一个作为接收
信号；
等增益相加式 ：将几个分散的信
号以相同增益进行直接相加，相加
后的信号作为接收信号；
最大比值相加式 ：使各支路增
益分别与其信噪比成正比，然后再
相加获得接收信号。
图中n为分集重数，r为合
并后输出信噪比的平均值。
47
3.6 信道容量
信道容量：信道能够传输信息的最大传输速率，
即信道的极限传输能力。
从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类：
离散信道：输入和输出的信号都是取离散的时间函数；
即广义信道中的编码信道；
连续信道：输入和输出信号都是取值连续的时间函数；
即广义信道中的调制信道。
48

连续信道的信道容量
 香农公式
假设输入信道的加性高斯白噪声单边功率谱密度为n0，
功率为N(W)，信道的带宽为B(Hz)，信号功率为S(W)，
则可以证明该连续信道的信道容量为

S
S 

 bit / s
C  B log2  1    B log2  1 
N
n0 B 


上式就是信息论中具有重要意义的
香农（shannon）公式
49
重要意义：

S
S 

 bit / s
C  B log 2  1    B log 2  1 
N
n
B


0


香农公式表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声
的平均功率给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，
理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。
同时，该式还是频谱扩展技术的理论基础。
连续信道的信道容量受“三要素”：B、n0、S的限制。
50
 信道容量及 “三要素”之间的关系

S
S 

 bit / s
C  B log 2  1    B log 2  1 
N

 n0B 
提高信噪比S/N可以增加信道容量。
当n0=0或S=，即S/N趋于无穷时，信道容量C趋于无穷。
这意味着增大信号平均功率S和减小噪声功率N是提高信道
容量的有效手段。
增加信道带宽B可以增加信道容量C，但不能无限制
地使其增大
S
S
lim
C
B 
n0
log 2 e  1.44
n0
通常，把实现了上述极限信息速率的通信系统称之为
理想通信系统。
51
 在信道容量C一定时，信噪比(S/N)与信道带宽(B)
对信道传输能力的影响效果可以互换；增加信号
带宽可以降低对信噪比的要求。
当信噪比太小、不能保证通信质量时，常采用宽
带系统，从而使系统具有较好的抗干扰性。
 信噪比再小，即使S/N<1，信道容量也不会为0。
也就是说，在弱信号强噪声情况下，信道也存在通
信能力，只不过允许传输的信息率小而已。
52