1、2022-1-24中国民航大学中国民航大学电子信息工程学院电子信息工程学院屈景怡屈景怡 课程邮箱：课程邮箱：cp_，密码：，密码：123abc 第第4章章 信道信道电子信息工程学院通信原理2第第4 4章章 信道信道v学习目标：学习目标： 信道的定义分类和模型；信道的定义分类和模型； 恒参信道的特征及其对信号传输的影响；恒参信道的特征及其对信号传输的影响； 随参信道的特征及其对信号传输的影响；随参信道的特征及其对信号传输的影响； 信道噪声的统计特征；信道噪声的统计特征； 信道容量和香农公式。信道容量和香农公式。电子信息工程学院通信原理3第第4 4章章 信道信道4.1 4.1 无线信道无线信道 4
2、 4.2.2 有线信道有线信道 4 4.3.3 信道的数学模型信道的数学模型 4 4.4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 4 4.5.5 信道中的噪声信道中的噪声 4 4.6.6 信道容量信道容量 电子信息工程学院通信原理4频段频段频率频率/Hz波长波长应用应用极低频极低频ELFELF3-303-30超低频超低频SLFSLF30-30030-300特低频特低频ULFULF300-3k300-3k甚低频甚低频VLFVLF3k30k10km-100km电话、数据终端电话、数据终端低频低频LF30k300k1km-10km导航、信标、电力线通信导航、信标、电力线通信中频中频MF
3、300k3M100m-1km调幅广播、业余无线电调幅广播、业余无线电高频高频HF3M30M10m-100m短波广播、移动无线电话、军事通信短波广播、移动无线电话、军事通信甚高频甚高频VHF30M300M1m-10m调频广播、电视、空中管制、导航调频广播、电视、空中管制、导航特高频特高频UHF300M3G1dm-1m电视、移动通信、雷达导航、空间遥测电视、移动通信、雷达导航、空间遥测超高频超高频SHF3G30G1cm-1dm微波接力、卫星和空间通信、雷达微波接力、卫星和空间通信、雷达毫米波毫米波30G-300G30G-300G1mm-1cm卫星通信卫星通信亚毫米波亚毫米波300G-3T300G-
4、3T0.1mm-1mm 无线电频段无线电频段4.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理54.1 4.1 无线信道无线信道v天线长度与电磁波频率的关系天线长度与电磁波频率的关系 天线长度应与电磁波波长在一个数量级天线长度应与电磁波波长在一个数量级电子信息工程学院通信原理6vHFHF天线天线运七运七4.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理7波音波音7074.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理8vHFHF天线天线波音波音737-300/400/500空客空客A3204.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理9vVHFVHF天线天线波音波音
5、7274.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理10v天线发射功率问题天线发射功率问题 GSMGSM手机：手机：3.2mW-2W3.2mW-2W 气象雷达：几百气象雷达：几百- -几千几千W W 一次雷达：几千一次雷达：几千W W 二次雷达：几千二次雷达：几千W W24 RS球表面积球表面积空间某处的功率，与到天线空间某处的功率，与到天线间距离的平方成反比间距离的平方成反比4.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理11 功率通量密度功率通量密度（PFD, power flux density）： 球表面上单位面积的辐射功率值球表面上单位面积的辐射功率值 接收接收天线
6、天线有效孔径有效孔径Ae（单位：（单位：m2）：）： 接收天线所接收的功率：接收天线所接收的功率：2.1 2.1 超短波传播特性超短波传播特性 24RxeTxPAPd22(/)/ 4TxWmPd24eA电子信息工程学院通信原理12v电磁波的传播方式电磁波的传播方式 地波地波 天波天波 视线传播视线传播4.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理13v地球大气层的结构地球大气层的结构 对流层：地面上对流层：地面上 0 0 10 km10 km 平流层：约平流层：约10 10 60 km60 km 电离层：约电离层：约60 60 400 km400 km地 面对流层平流层电离层10 k
7、m60 km0 km4.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理14v电磁波的传播方式电磁波的传播方式 地波地波 频率较低的电磁波（大约频率较低的电磁波（大约2MHz2MHz以下）以下） 有绕射能力有绕射能力 距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 如长波通信、中波调幅广播等如长波通信、中波调幅广播等4.1 4.1 无线信道无线信道传播路径地 面图4-1 地波传播电子信息工程学院通信原理15v电磁波的传播方式电磁波的传播方式 天波：利用电离层反射的传播方式天波：利用电离层反射的传播方式 频率较高的电磁波（大约频率较高的电磁波（大约2MHz2MHz30MHz30MHz） 特点：被电
8、离层反射特点：被电离层反射 一次反射距离：一次反射距离： 4000 km 4000 km 寂静区：寂静区： 如短波调幅广播等如短波调幅广播等 4.1 4.1 无线信道无线信道地 面信号传播路径图 4-2 天波传播电子信息工程学院通信原理16v电磁波的传播方式电磁波的传播方式 视线传播视线传播 频率大于频率大于30MHz30MHz电磁波电磁波 如卫星通信、无线电视等如卫星通信、无线电视等4.1 4.1 无线信道无线信道图4-4 无线电中继电子信息工程学院通信原理174.1 4.1 无线信道无线信道 视线传播视线传播 距离距离: : 和天线高度有关和天线高度有关两等高天线间的距离两等高天线间的距离
9、 式中，式中，D D 收发天线间距离收发天线间距离(km)(km)。ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 4-3 视线传播50822DrDhm222)(rhrdrhrhhd222hr 图4-4 无线电中继rhdD8222kmr6370电子信息工程学院通信原理184.1 4.1 无线信道无线信道v视线传播（续）视线传播（续） 例例 若要求若要求D D = 50 km = 50 km，则可得，则可得m505050508222DrDh电子信息工程学院通信原理194.1 4.1 无线信道无线信道不同飞行高度的视线距离不同飞行高度的视线距离1海里=1.852 km电子信息工程学院通信原理204.1
10、 4.1 无线信道无线信道v视线传播（续）视线传播（续） 增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径 中继通信：中继通信： 卫星通信：卫星通信： - - 静止卫星静止卫星(35800km, (35800km, 三颗，发射功率大，延迟大三颗，发射功率大，延迟大) )、 - - 日凌日凌 平流层通信（平流层通信（17-22km, 17-22km, 实现半径实现半径500km500km的通信）的通信） 电子信息工程学院通信原理21图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域v散射传播散射传播 电离层散射电离层散射机理机理 由电离层不均匀性引起由电离层不均匀性引起频率频率 30 60 MHz30
11、 60 MHz距离距离 1000 km1000 km以上以上 对流层散射对流层散射机理机理 由对流层不均匀性（湍流）引起由对流层不均匀性（湍流）引起频率频率 100 4000 MHz100 4000 MHz最大距离最大距离 600 km 600 km4.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理22v散射传播（续）散射传播（续） 流星余迹散射流星余迹散射 流星余迹特点流星余迹特点 高度高度80 80 120 km 120 km，长度，长度1515 40 km40 km 存留时间：十分之几秒存留时间：十分之几秒- -几分钟几分钟频率频率 30 30 100 MHz100 MHz距离距离
12、 1000 km1000 km以上以上特点特点 高速突发、断续传输高速突发、断续传输图4-8 流星余迹散射通信流星余迹4.1 4.1 无线信道无线信道电子信息工程学院通信原理23第第4 4章章 信道信道 4.1 4.1 无线信道无线信道 4 4.2.2 有线信道有线信道 4 4.3.3 信道的数学模型信道的数学模型 4 4.4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 4 4.5.5 信道中的噪声信道中的噪声 4 4.6.6 信道容量信道容量 电子信息工程学院通信原理24v电信号有线信道电信号有线信道 明线明线 双绞线双绞线 同轴电缆同轴电缆 v光纤信道光纤信道4.2 4.2 有线
13、信道有线信道电子信息工程学院通信原理25v明线明线4.2 4.2 有线信道有线信道电子信息工程学院通信原理26v明线明线4.2 4.2 有线信道有线信道电子信息工程学院通信原理27v双绞线双绞线 如网线如网线 四类线：该类电缆的传输频率为四类线：该类电缆的传输频率为20MHz20MHz，用于语音传输和最高传输速率，用于语音传输和最高传输速率16Mbps16Mbps的数的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和据传输，主要用于基于令牌的局域网和 10BASE-T/100BASE-T10BASE-T/100BASE-T。 五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为五类线：该类电
14、缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz100MHz，用于语音传输和最高传输速率为，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps100Mbps的数据传输，主要用于的数据传输，主要用于100BASE-100BASE-T T和和1000BASE-T1000BASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。网络。这是最常用的以太网电缆。 超五类线：超超五类线：超5 5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（ACRACR）和信噪比（和信噪比（Structural Return LossStructural Return
15、Loss）、更小的时延误差，性能得到很大提高。）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超超5 5类线主要用于千兆位以太网（类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps1000Mbps）。）。 4.2 4.2 有线信道有线信道双绞线导体绝缘层电子信息工程学院通信原理28v同轴电缆同轴电缆 如有线电视线如有线电视线4.2 4.2 有线信道有线信道电子信息工程学院通信原理294.2 4.2 有线信道有线信道v现代海底电缆现代海底电缆电子信息工程学院通信原理30v光纤光纤 结构结构纤芯（石英）纤芯（石英）包层包层 按折射率分类按折射率分类阶跃型阶跃型梯度型梯度型 按模式分类按模式分类多模光纤多模光纤单模光
16、纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n27101 25折射率n1n2单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤图4-11 光纤结构示意图(a)(b)(c)4.2 4.2 有线信道有线信道电子信息工程学院通信原理31v光纤光纤 多模光纤多模光纤 指光线有多条传输路径的光纤指光线有多条传输路径的光纤 光源：发光二极管光源：发光二极管LEDLED（非单色，多种频率）（非单色，多种频率） 缺点：存在色散，传输带宽有限缺点：存在色散，传输带宽有限 优点：成本低，熔接容易优点：成本低，熔接容易 单模光纤单模光纤 指光线只有一条传输路径的光纤，纤芯细指光线只有一条传输路径的光纤，纤芯细 光源：激光器（单一频率）光源
17、：激光器（单一频率） 优点：色散较小，传输带宽较宽优点：色散较小，传输带宽较宽 缺点：价格贵，熔接难缺点：价格贵，熔接难4.2 4.2 有线信道有线信道电子信息工程学院通信原理32损耗与波长关系损耗与波长关系损耗最小点：损耗最小点：1.311.31与与1.55 1.55 m m0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波长（m）1.55 m1.31 m图4-12光纤损耗与波长的关系4.2 4.2 有线信道有线信道电子信息工程学院通信原理33第第4 4章章 信道信道4.1 4.1 无线信道无线信道 4 4.2.2 有线信道有线信道 4 4.3.3 信道的数学模型信道的数学模型 4 4.4
18、.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 4 4.5.5 信道中的噪声信道中的噪声 4 4.6.6 信道容量信道容量 电子信息工程学院通信原理344.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型 v信道模型的分类信道模型的分类 调制信道调制信道 发送端调制器输出端至接收端解调器输入之间的部分发送端调制器输出端至接收端解调器输入之间的部分 编码信道编码信道 编码器输出端至解码器输入端之间的部分编码器输出端至解码器输入端之间的部分编码信道调制信道电子信息工程学院通信原理码元序列码元序列已调信号已调信号编码信道编码信道调制信道调制信道调调制制器器解解制制器器编编码码器器译译码码器器调制信道
19、调制信道调调制制器器编码器编码器发转换器发转换器收转换器收转换器译码器译码器解解制制器器传传输输媒媒介介编码信道编码信道电子信息工程学院通信原理对调制信道，信道噪声使已调信号发生变化。波形失真对调制信道，信道噪声使已调信号发生变化。波形失真并叠加有噪声。并叠加有噪声。当研究调制问题时，只需知道变化的结果当研究调制问题时，只需知道变化的结果(响应响应)就足以。就足以。已调信号已调信号调制信道调制信道调调制制器器解解制制器器0tms (t)0tms (t)os (t)os (t)调制信道输出信号调制信道输出信号电子信息工程学院通信原理输入码元序列输入码元序列编码信道编码信道编编码码器器译译码码器器
20、对于编码信道，信道噪声使码元序列发生变化。出现差错。对于编码信道，信道噪声使码元序列发生变化。出现差错。当研究编码问题时，只需知道变化的结果当研究编码问题时，只需知道变化的结果(统计特性统计特性)就足以。就足以。 1 0 1 1 0 1 0t 1 0 1 0 0 1 0t输出码元序列输出码元序列电子信息工程学院通信原理38v4.3.1 调制信道模型调制信道模型式中式中 信道输入端信号电压；信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压；信道输出端的信号电压； 噪声电压。噪声电压。通常假设：通常假设：这时上式变为：这时上式变为： 信道数学模型信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图4
21、-13 调制信道数学模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型 4.3.1 4.3.1 调制信道模型调制信道模型 电子信息工程学院通信原理39 因因k(t)随随t变化，故信道称为变化，故信道称为时变信道时变信道。 因因k(t)与与e i (t)相乘，故称其为相乘，故称其为乘性干扰乘性干扰。 n(t)称为加性干扰。称为加性干扰。 若若k(t)作随机变化，故又称信道为作随机变化，故又称信道为随参信道随参信道。 若若k(t)变化很慢或很小，则称信道为变化很慢或很小，则称信
22、道为恒参信道恒参信道。 乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。 加性干扰特点：无论有无信号，噪声都是始终存在的。加性干扰特点：无论有无信号，噪声都是始终存在的。)()()()(tntetkteio4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型 4.3.1 4.3.1 调制信道模型调制信道模型 电子信息工程学院通信原理40v4.3.2 编码信道模型 二进制编码信道简单模型二进制编码信道简单模型 无记忆信道模型无记忆信道模型 用转移概率描述用转移概率描述P(0 / 0)P(0 / 0)和和P(1 / 1) P(1 / 1) 正确转移概率正确转移概率P(1
23、 / 0)P(1 / 0)和和P(0 / 1) P(0 / 1) 错误转移概率错误转移概率P P(0 / 0) = 1 (0 / 0) = 1 P P(1 / 0)(1 / 0)P P(1 / 1) = 1 (1 / 1) = 1 P P(0 / 1)(0 / 1) P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)图4-14 二进制编码信道模型发送端接收端4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型 4.3.2 4.3.2 编码信道模型编码信道模型 电子信息工程学院通信原理41 四进制编码信道模型四进制编码信道模型 01233210接收端发送端4.3 4.3 信道的数学
24、模型信道的数学模型 4.3.2 4.3.2 编码信道模型编码信道模型 电子信息工程学院通信原理42第第4 4章章 信道信道4.1 4.1 无线信道无线信道 4 4.2.2 有线信道有线信道 4 4.3.3 信道的数学模型信道的数学模型 4 4.4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 4 4.5.5 信道中的噪声信道中的噪声 4 4.6.6 信道容量信道容量 电子信息工程学院通信原理43v恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响 恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道 恒参信道恒参信道 非时变线性网络非时变线性网络 信号通信号通过线性系
25、统的分析方法。过线性系统的分析方法。 线性系统中无失真条件：线性系统中无失真条件：振幅频率特性：为水平直线时无失真振幅频率特性：为水平直线时无失真 左图为典型电话信道幅频特性左图为典型电话信道幅频特性 用插入损耗便于测量用插入损耗便于测量4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 (a) 插入损耗频率特性插入损耗/dB频率/kHz电子信息工程学院通信原理44相位频率特性：要求其为通过原点的直线，相位频率特性：要求其为通过原点的直线， 即群时延为常数时无失真即群时延为常数时无失真群时延定义：群时延定义：频率(kHz)（ms）群延迟(b) 群延迟频率特性dd)(0相位频率特性
26、4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 电子信息工程学院通信原理45 幅频失真：振幅频率特性不良引起的幅频失真：振幅频率特性不良引起的幅频失真幅频失真 波形畸变波形畸变 码间串扰码间串扰解决办法：线性网络补偿解决办法：线性网络补偿 相频失真：相位频率特性不良引起的相频失真：相位频率特性不良引起的对语音影响不大，对数字信号影响大对语音影响不大，对数字信号影响大解决办法：同上解决办法：同上 非线性失真：非线性失真：可能存在于恒参信道中可能存在于恒参信道中定义：定义： 输入电压输出电压关系输入电压输出电压关系 是非线性的。是非线性的。 其他失真：其他失真：频率偏移、相位抖动
27、频率偏移、相位抖动非线性关系直线关系图4-16 非线性特性输入电压输出电压4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 电子信息工程学院通信原理46 随参信道对于信号传输的影响随参信道对于信号传输的影响 随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。 随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播播 随参信道的特性：随参信道的特性：衰减随时间变化衰减随时间变化时延随时间变化时延随时间变化多径效应多径效应：信号经过几条路径到达接收端，：信号经过几条路径到达接收端，而且每条而且每条路径的长度（时延
28、）和衰减都随时间而变，即存在多径传路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。播现象。 下面重点分析多径效应下面重点分析多径效应4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 电子信息工程学院通信原理47 多径效应分析：多径效应分析：设发射信号为设发射信号为接收信号为接收信号为(4.4-1)(4.4-1)式中式中 由第由第i i条路径到达的接收信号振幅；条路径到达的接收信号振幅； 由第由第i i条路径达到的信号的时延；条路径达到的信号的时延；上式中的上式中的 都是随机变化的。都是随机变化的。tA0cosniniiiiitttttttR1100)(cos)()(c
29、os)()()(ti)(ti)()(0ttii)(),(),(tttiii4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 电子信息工程学院通信原理48应用三角公式可以将式应用三角公式可以将式(4.4-1)(4.4-1)改写成：改写成： (4.4-2)(4.4-2) 上式中的上式中的R R( (t t) )可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。式中式中 接收信号的包络接收信号的包络 ( (瑞利分布瑞利分布) ) 接收信号的相位（均值分布）接收信号的相位（均值分布）n
30、iniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()(缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()()(cos)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcs4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 电子信息工程学院通信原理49所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：化的窄带信号：结论结论：发射信号为单频恒
31、幅正弦波时，接收信号因多径：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。效应变成包络起伏的窄带信号。 4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 电子信息工程学院通信原理50 这种信号包络因传播有了起伏的现象称为这种信号包络因传播有了起伏的现象称为衰落衰落（fadingfading） 多径传播使信号包络（多径传播使信号包络（envelopeenvelope）产生的起伏虽比信号的）产生的起伏虽比信号的周期缓慢，但周期缓慢，但衰落周期和码元周期可以相比，衰落周期和码元周期可以相比，通常称通常称快衰落快衰落另外一种衰落：另外一种衰落：慢衰落慢衰落 由季
32、节、天气等传播条件引起由季节、天气等传播条件引起4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 电子信息工程学院通信原理51 多径效应简化分析：多径效应简化分析： 设发射信号为：设发射信号为：f f( (t t) ) 仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同 两条路径的接收信号为：两条路径的接收信号为：A A f f( (t t - - 0 0) ) 和和 A A f f( (t t - - 0 0 - - ) ) 其中：其中：A A 传播衰减，传播衰减， 0 0 第一条路径的时延，第一条路径的时延， 两条路径的时延差。两条路径的时延差。 求：
33、此多径信道的传输函数求：此多径信道的传输函数 4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 电子信息工程学院通信原理524.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响设设f f ( (t t) )的傅里叶变换（即其频谱）为的傅里叶变换（即其频谱）为F F( ( ) )： 则有则有故得出此多径信道的传输函数为故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，上式右端中，A A 常数衰减因子，常数衰减因子， 确定的传输时延，确定的传输时延， 和信号频率和信号频率 有关的复因子，其模为有关的复因子，其模为)()(Ftf0)()(0jeAFtAf)(00)()(jeAFtA
34、f)1 ()()()(000jjeeAFtAftAf)1 ()()1 ()()(00jjjjeAeFeeAFH0je)1 (je电子信息工程学院通信原理534.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 2222211cossin(1cos)sin1cos2cossin2(1cos)2 2cos22 cos2jej电子信息工程学院通信原理54 按照上式画出的模与角频率按照上式画出的模与角频率 关系曲线：关系曲线： 曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差 。而。而 是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的是随时间变
35、化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为强度随时间而变，这种现象称为衰落衰落现象。由于这种衰落和现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率有关，故常称其为频率选择性衰落。图4-19 多径效应12 cos2je4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响电子信息工程学院通信原理0/ 3/5/01/23/ 25/ 2fl二径传输的频率选择性衰落二径传输的频率选择性衰落 依赖于依赖于 ，且，且 随机变化。随机变化。j1 e l一般考虑多径传输时，根据一般考虑多径传输时，根据 测量所得测量所得最大多径时延差最大多径时延差 设计信号带宽设计信号带宽B需满足需
36、满足mmmB1/ or B1/3l为减小频率选择性衰落引起为减小频率选择性衰落引起 的信号失真，信号设计其带的信号失真，信号设计其带 宽宽B需满足需满足B1/ or B1/3l ，称为多径传，称为多径传 播媒介的播媒介的相关带宽相关带宽。mf1/ j1 e2cos2 1f ( )F0/ 3/5/BB电子信息工程学院通信原理56多径效应的影响：多径效应的影响： 多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的码元速
37、率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。影响也随之减轻。4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响电子信息工程学院通信原理57v接收信号的分类接收信号的分类 确知信号确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信：接收端能够准确知道其码元波形的信号（理想情况）号（理想情况） 随相信号随相信号：接收码元的相位随机变化：接收码元的相位随机变化 起伏信号起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。机变化。 通过多径信道传输的信号都具有这种通过多径信道传输的信号都具有这种特性特性 4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特
38、性对信号传输的影响电子信息工程学院通信原理58第第4 4章章 信道信道4.1 4.1 无线信道无线信道 4 4.2.2 有线信道有线信道 4 4.3.3 信道的数学模型信道的数学模型 4 4.4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 4 4.5.5 信道中的噪声信道中的噪声 4 4.6.6 信道容量信道容量 电子信息工程学院通信原理594.5 4.5 信道中的噪声信道中的噪声 v噪声噪声 信道中存在的不需要的电信号。信道中存在的不需要的电信号。 又称加性干扰。又称加性干扰。v按噪声来源分类按噪声来源分类 人为噪声人为噪声 例：开关火花、电台辐射例：开关火花、电台辐射 自然噪声自
39、然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声热噪声电子信息工程学院通信原理60 热噪声热噪声 来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 频率范围：均匀分布在大约频率范围：均匀分布在大约 0 0 10101212 Hz Hz。 热噪声电压有效值：热噪声电压有效值： 式中式中k k = 1.38 = 1.38 10 10-23-23（J/KJ/K） 波耳兹曼常数；波耳兹曼常数； T T 热力学温度（热力学温度（K K）；）； R R 阻值（阻值（ ）；）； B B 带宽（带宽（HzHz）。）。 性质：性质：高斯白噪声高斯白噪
40、声)V(4kTRBV 4.5 4.5 信道中的噪声信道中的噪声 电子信息工程学院通信原理61 按噪声性质分类按噪声性质分类 脉冲噪声脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。就是一种典型的脉冲噪声。 窄带噪声窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。看作是一种非所需的连续的已调正弦波。 起伏噪声起伏噪声：
41、包括热噪声、电子管内产生的散弹噪：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。声和宇宙噪声等。 讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。起伏噪声，特别是热噪声的影响。4.5 4.5 信道中的噪声信道中的噪声 电子信息工程学院通信原理62 窄带高斯噪声窄带高斯噪声 带限白噪声带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声 窄带高斯噪声窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高斯：由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此
42、窄带噪声又称窄带高斯噪声。噪声又称窄带高斯噪声。 窄带高斯噪声功率：窄带高斯噪声功率：式中式中 P Pn n( (f f) ) 双边噪声功率谱密度双边噪声功率谱密度dffPPnn)(4.5 4.5 信道中的噪声信道中的噪声 电子信息工程学院通信原理63 描述窄带噪声带宽描述窄带噪声带宽噪声等效带宽噪声等效带宽：式中式中 P Pn n( (f f0 0) ) 原噪声功率谱密度曲线的最大值原噪声功率谱密度曲线的最大值 噪声等效带宽的物理概念： 以此带宽作一矩形滤波 特性滤波器，则通过此特性 滤波器的噪声功率，等于通 过实际滤波器的噪声功率。 利用噪声等效带宽的概 念，在后面讨论通信系统的 性能时，
43、可以认为窄带噪声 的功率谱密度在带宽Bn内是 恒定的。图4-19 噪声功率谱特性 Pn(f)()()(2)(000fPdffPfPdffPBnnnnnPn (f0)接收滤波器特性噪声等效带宽4.5 4.5 信道中的噪声信道中的噪声 电子信息工程学院通信原理64第第4 4章章 信道信道4.1 4.1 无线信道无线信道 4 4.2.2 有线信道有线信道 4 4.3.3 信道的数学模型信道的数学模型 4 4.4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 4 4.5.5 信道中的噪声信道中的噪声 4 4.6.6 信道容量信道容量 电子信息工程学院通信原理65v信道容量信道容量 指信道能够传
44、输的最大平均信息速率。指信道能够传输的最大平均信息速率。 离散信道容量两种不同的度量单位：离散信道容量两种不同的度量单位：C C 每个符号能够传输的平均信息量最大值每个符号能够传输的平均信息量最大值C Ct t 单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值大值两者之间可以互换两者之间可以互换4.6 4.6 信道容量信道容量 4.6.1 4.6.1 离散信道容量离散信道容量 电子信息工程学院通信原理66 计算离散信道容量的信道模型计算离散信道容量的信道模型 发送符号：发送符号：x x1 1，x x2 2，x x3 3，x xn n 接收符号：接收符号： y y
45、1 1，y y2 2，y y3 3，y ym mP P( (x xi i) = ) = 发送符号发送符号x xi i 的出现概率的出现概率 ，i i 1 1，2 2，n n；P P( (y yj j) = ) = 收到收到y yj j的概率，的概率，j j 1 1，2 2，m m P P( (y yj j/ /x xi i) = ) = 转移概率，转移概率， 即发送即发送x xi i的条件下收到的条件下收到y yj j的条件概率的条件概率x1x2x3y3y2y1接收端发送端xn。ym图4-20 信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)4.6 4.6 信道容量
46、信道容量 4.6.1 4.6.1 离散信道容量离散信道容量 电子信息工程学院通信原理67 计算收到一个符号时获得的平均信息量计算收到一个符号时获得的平均信息量从信息量的概念得知：发送从信息量的概念得知：发送x xi i时收到时收到y yj j所获得的信息量等所获得的信息量等于发送于发送x xi i前接收端对前接收端对x xi i的不确定程度（即的不确定程度（即x xi i的信息量）减的信息量）减去收到去收到y yj j后接收端对后接收端对x xi i的不确定程度。的不确定程度。发送发送x xi i时收到时收到y yj j所获得的信息量所获得的信息量 = -log= -log2 2P P( (x
47、 xi i) - -) - -loglog2 2P P( (x xi i / /y yj j)对所有的对所有的x xi i和和y yj j取统计平均值，得出收到一个符号时获得取统计平均值，得出收到一个符号时获得的平均信息量：的平均信息量： 平均信息量平均信息量 / / 符号符号 nimjnijijijiiyxHxHyxPyxPyPxPxP11122)/()()/(log)/()()(log)(4.6 4.6 信道容量信道容量 4.6.1 4.6.1 离散信道容量离散信道容量 电子信息工程学院通信原理68平均信息量平均信息量 / / 符号符号 式中式中为每个发送符号为每个发送符号x xi i的平
48、均信息量，称为信源的的平均信息量，称为信源的熵熵。为接收为接收y yj j符号已知后，发送符号符号已知后，发送符号x xi i的平均信息量。的平均信息量。 由上式可见，收到一个符号的平均信息量只有由上式可见，收到一个符号的平均信息量只有 H H( (x x) ) H H( (x/yx/y)，而发送符号的信息量原为而发送符号的信息量原为H H( (x x) )，少了的部分，少了的部分H(x/yH(x/y) )就是传输错误率引就是传输错误率引起的损失。起的损失。 nimjnijijijiiyxHxHyxPyxPyPxPxP11122)/()()/(log)/()()(log)(niiixPxPxH
49、12)(log)()(mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(4.6 4.6 信道容量信道容量 4.6.1 4.6.1 离散信道容量离散信道容量 电子信息工程学院通信原理69 二进制信源的熵二进制信源的熵设发送设发送“1 1”的概率的概率P P(1) = (1) = ，则发送则发送“0 0”的概率的概率P(0) P(0) 1 - 1 - 信源的熵信源的熵H(H( ) )可以写成：可以写成：当当 从从0 0变到变到1 1时，按上式画出时，按上式画出：由此图可见，当由此图可见，当 1/21/2时，时，此信源的熵达到最大值。此信源的熵达到最大值。这时两个符号的出现概
50、率相等，这时两个符号的出现概率相等，其不确定性最大。其不确定性最大。)1 (log)1 (log)(22H图4-22 二进制信源的熵H()4.6 4.6 信道容量信道容量 4.6.1 4.6.1 离散信道容量离散信道容量 电子信息工程学院通信原理70 无噪声信道无噪声信道信道模型信道模型发送符号和接收符号发送符号和接收符号有一一对应关系。有一一对应关系。 此时此时P P( (x xi i / /y yj j) = 0) = 0； H(x/yH(x/y) = 0) = 0。 因为，平均信息量因为，平均信息量 / / 符号符号 H H( (x x) ) H H( (x x/ /y y) )所以在无
