第4章 信道(7版)

:本章内容第4章信道信道分类信道模型恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声信道容量—线信道举例概述信道的定义与分类传输媒质z有线信道明线电缆光纤无线信道举例：地波传播、短波电离层反射、——明线、电缆、光纤z 无线信道超短波或微波视距中继、卫星中继、散射及移动无线电信道——自由空间或大气层广义信道：z调制信道——研究调制/解调问题z 编码信道——研究编码/译码问题§4.1 无线信道电离层地球大气层的结构：线信道60k 对流层平流层60 km地面10 km 0 kmz 对流层：约0 ~10 km 10~60平流层：约z 10~60 kmz电离层：约60~400km传播路径无线信道电磁波的传播方式：地波ground-wave频率：<2MHz2 MHz特性：有绕射能力地波传播方式距离：数百或数千米用于：AM广播sky 传播路径天波sky-wave频率：2~30 MHz特性被电离层反射特性：被电离层反射距离：< 4000 km（一跳）用于远程短波通信天波传播方式用于：远程、短波通信视线传播line-of-sight无线信道d dh接收天线发射D频率：> 30 MHz特性：直线传播、穿透电离层天线rr特性线传播穿透电离层用途：卫星和外太空通信视线传播方式超短波及微波通信距离：与天线高度有关设收发天线的架设高度均为40 m ，则最远通信距离为)(5022m D D h ≈=例如D 为收发天线间距离(km)远通信距离为：D = 44.7 km8rQ&A增大视线传播距离的其他途径？微波中继（微波接力）卫星中继（静止卫星移动卫星）卫星中继（静止卫星、移动卫星）平流层通信远距离通信时两点间传输距离30k 50k无线信道微波中继通信时，需建立多个中继站30km ~ 50km 优点：容量大、投资少、维护方便、传输质量稳定。

远距离传输话音和电视信号应用：远距离传输话音和电视信号。

无线信道 卫星中继优点：通信容量大，传输质量稳定, 传输距离远，覆盖区域广。

缺点：造价高。

传输时延大，信号衰减大，造价高无线信道散射通信有效散射区域电离层散射频率：30 ~ 60 MHz 距离：1000 km 以上地球对流层散射频率：100 ~ 4000 MHz 对流层散射通信距离：< 600 km流星余迹无线信道流星余迹散射特性:高度80 ~ 120 km ，长度15 ~ 40 km存留时间：小于1秒至几分钟频率:30 ~ 100 MHz 1000km 距离:1000 km 以上用途: 低速存储、高速突发、断续传输§4.2 有线信道线信道明线对称电缆同轴电缆光纤明线1880年纽约街貌有线信道对称电缆导体绝缘层双绞线Twisted Rair特点由多对双绞线组成每对呈扭绞状，以减小各线对的相互干扰。

屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)（便宜、易弯曲、易安装）传输衰减大/距离短，缺点屏蔽双绞线(STP)（可减少噪声干扰）邻道间有串话干扰。

应用电话线路、局域网及综合布线工程中的传输介质有线信道同轴电缆由同轴的两个导体组成金属导线组成内芯：金属导线外导体：金属编织网优点（相比双绞线）抗电磁干扰能力强带宽更宽、速率更高成本较高；缺点解决：用光缆代替（干线）课件制作：曹丽娜有线信道基带同轴电缆：z50Ω，多用于数字基带传输速率可达/z速率可达10Mb/sz传输距离<几千米宽带（射频）同轴电缆：z75Ω，用于传输模拟信号z多用于有线电视（CATV）系统z传输距离可达几十千米有线信道光纤结构：纤芯z z包层按折射率分类：z 阶跃型z梯度型按模式分类：单模阶跃折射率光纤z 多模光纤z光纤结构示意图单模光纤优点有线信道传输带宽宽、通信容量大；z z传输衰减小，无中继传输距离远；(< 0.2dB/km)抗电磁干扰，传输质量好，防窃听，耐腐蚀；( 0.2dB/km)（几百公里）z z体积小，重量轻，节省有色金属，环保。

易碎接口昂贵安装和维护需要专门技能体积小，轻，节省有属，环保缺点易碎，接口昂贵，安装和维护需要专门技能。

长途电话网、有线电视网等的主干线路中。

应用:本章内容第4章信道信道分类信道模型恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声信道容量4.3 §信道数学模型模型：叠加有噪声的线性时变/时不变网络：()i s t ()r t 输出()C ω()n t 输入z 有一对（或多对）输入端和输出端共性：z 大多数信道都满足线性叠加原理z 对信号有固定或时变的延迟和损耗无信号输入时仍可能有输出（无信号输入时，仍可能有输出（噪声）入出关系()i s t 输入()r t 输出()C ωo ()s t t r t s t n =+始终存在)(t n 0()()()==∗o ()()[]))((i i f c s t s t s t t 反映信道乘性干扰本身特性（共存共失）o (()())i C S S ωωω=C ωn t 调制信道对信号的影响程度取决与的特性。

()()‹不同的物理信道具有不同的特性C(ω) = 常数（可取1）调制信道分为：（根据信道的时变特性）zsi (t )输入C (ω )r (t ) 输出n(t )si (t ) 输入恒参信道r (t ) 输出——特性基本不随时间变化z随参信道——特性随时间随机快变化n(t )加性高斯白噪声信道模型2. 编码信道模型„模型： 可用 转移概率来描述。

0 发送端 1P(0 / 0) P(1/ 0) P(0 / 1) P(1 / 1)0接收端1二进制 无记忆 编码信道 模型P(0/0) + P(1/0) = 1 P(1/1) + P(0/1) = 1 正确 错误Pe = P(0) P(1/ 0) + P (1) P (0 /1)四进制 无记忆 编码信道发送端0011接收端2233本章内容:信道分类 信道模型第4章 信道§4.4 恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声 信道容量恒参信道 特性及其对信号传输的影响线性时不变系统z z特点：传输特性随时间缓变或不变。

举例：各种有线信道、卫星信道 举例：各种有线信道、卫星信道…1. 传输特性H (ω ) = H (ω ) ej Φ (ω )H (ω ) ~ ω 幅频特性φ (ω ) ~ ωH (ω ) = K相频特性2. 无失真传输H (ω ) = K e− jω t dϕ (ω ) = ω t d恒参信 恒参信道„无失真传输（理想恒参信道）特性曲线：H (ω ) = K幅频特性ϕ (ω ) = ω t d相频特性dϕ (ω ) τ (ω ) = = td dω ⇒群迟延特性恒参信 恒参信道„理想恒参信道的冲激响应:H (ω ) = K e− jω t dh(t ) = K δ (t − td )若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:so (t ) = K s(t − td )固定的迟延 固定的衰减 —— 这种情况称为无失真传输恒参信道 恒参信3. 失真 影响 措施„含义？幅频失真： H (ω ) ≠ K 幅频失真⎧对模拟信号：造成波形失真 → 信噪比下降 影响⎨ 对数字信号：产生码间串扰 产 间串扰 → 误 误码率增大 率增大 ⎩对数字信号„相频失真： 相频失真φ (ω ) ≠ ω td群迟延失真:τ (ω ) ≠ t d⎧对语音信号影响不大，对视频信号影响大 影响 ⎨ ⎩ 对数字信号：码间串扰 → 误码率增大恒参信道 恒参信 典型音频电话信道: 幅度衰减特性相频特性群迟延频率特性随参信道 特性及其对信号传输的影响指传输特性随时间随机快变的信道。

1. 随参信道举例z z z z z z陆地移动信道 短波电离层反射信道 超短波流星余迹散射信道 超短波及微波对流层散射信道 超短波电离层散射 超短波超视距绕射…2. 随参信道特性随参信道z衰减随时间变化z 时延随时间变化z 多径传播多径传播示意图：3. —多径效应多经传播的影响设发送信号为幅度恒定频率单一()cos c tA s t ω=经过n 条路径传播（各路径有时变的衰落和时延）则接收信号为[][]1122()()cos ()()cos ()cos ()c c r t a t t t a t t t a t t t ωτωτωτ=−+−+−"第i条路径[][]()()() cos n c n n c i i t a t t ωτ=−∑接收信号振幅传输时延[]1()()cos i nc i i t a t t ϕω==+∑−1i =)()(t t i c i τωϕ=()()cos cos ()sin sin nni i c i i c r t a t t a t tϕωϕω=−多径效应同相~ 正交形式11()cos ()sin i i c c X t t Y t t ωω===−∑∑包络包络~ 相位形式[]cos ()()c V t t t ωϕ=+相位随机∑n瑞利均匀缓变的==i ii t a t X 1cos )()(ϕ∑=nt a t Y sin 分布分布窄带信号根据概率论中心极限定理：当n 足够大时(t)(t)分布=i ii 1)()(ϕ足够大时，x(t)和y(t) 趋于正态分布。

发送信号接收信号[]c r t V t t t ωϕ=+()cos c tA s t ω=波形fΔ频谱fcf fcf 0z 多径传播使信号产生瑞利型衰落；结论z多径传播引起频率弥散。

多径效应我们更关心的问题：多径传播对于一个复杂信号 f (t)（实际情况）的影响如何呢？两径多径多径效应设两条路径的信道为传输衰减均为Kττ发射信号f (t )f o (t )传输时延分别为1和2接收信号τ=τ2-τ1则接收信号为f o (t ) = K f (t -τ1) +K f (t -τ2)相对时延差ωτωττ−−+信道传输函数11()o ()=()+()j j F KF eKF eωωωo ()()()F H K F ωωω==1(1)j j e eωτωτ−−+常数衰减因子确定的传输时延因子与信号频率ω有关的复因子()12cos2j H eωτωτω−=+=成分，将有不同的衰减。

信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减——频率选择性衰落如何减小？4.减小频率选择性衰落的措施信道相关带宽：△f△f ＝1/τm定义为相邻传输零点的频率间隔，工程经验公式：应使信号带宽(1/31/5)B s < △f B s ＝(1/3 ~ 1/5)△f数字信号的码元宽度:T s ＝(3 ~ 5)τ→R B m ()↓归纳随参信道特性 多径效应衰减随时间变化z z瑞利型衰落z z时延随时间变化z多径传播频率弥散z频率选择型衰落 减小衰落的措施B s ＝(1/3 ~ 1/5)△fz分集接收z扩频技术z OFDM等:本章内容第4章信道信道分类信道模型恒参/随参信道特性和对信号传输的影响信道噪声信道容量4.5 1. 何谓噪声§4.5 信道噪声z 信道中存在的不需要的电信号。