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第4章教学提示信道是通信系统的三要素之一,是通信系统组成的重要部分。任何信号离开信道都不能进行传输，可见信道的特性对信号的传输起着重要的作用，所以有必要进行讨论。本章所讨论的信道不是指各种具体的信道，而是指抽象出来的模型，重要讲述以下几个问题：1、信道的定义及分类;2、恒参信道及其对信号传输的影响;3、随参信道及其对信号传输的影响;4、信道容量；第4章第四章信道主要内容：信道的定义、分类恒参信道举例随参信道举例信道数学模型恒参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性的改善信道的加性噪声信道容量的概念、香农公式（shannonformula）第4章信道定义1.信道定义：信号通道.2.信道的分类狭义信道：信号的传输媒质.有线信道：架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆无线信道：地波、短波、微波、卫星、散射广义信道：传输媒质及有关变换装置.(收、发转换器,放大，频率变换，电←→电磁波，等。)编码信道调制信道第4章第4章4.1随参信道举例随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。随参信道有以下几种。1）短波电离层反射2）超短波流星余迹散射3）超短波及微波对流层散射4）超短波电离层散射5）超短波超视距绕射等第4章一、短波电离层反射信道1、概念：短波是指波长为100～10m(相应的频率为3～30MHz)的无线电波。2、短波传播方式：既可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电离层反射传播，称为天波传播。3、传播路径离地面高60～600km的大气层称为电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成的。短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。在短波电离层反射信道中，存在多径传播，引起多径传播的主要原因如下。1）电波经电离层的一次反射和多次反射；2）几个反射层高度不同；3）电离层不均匀性引起的慢射现象；4）地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。第4章4、特点主要优点如下：1）、要求的功率较小，终端设备的成本较低；(100W~几KW)2）、传播距离远；3）、受地形限制较小；4）、有适当的传输频带宽度；5）、不易受认为的破坏，该特点在军事上非常有用。主要缺点如下：1）、传输可靠性差；电离层中的异常变化会引起较长时间的通信中断。2）、需要经常更换工作频率，因而使用较复杂；3）、存在快衰落与多径时延失真；4）、干扰电平大。(100b/s)5、应用短波电离层反射信道过去是、现在仍然是远距离传输的重要信道之一。问题：为什么远距离HF无线电广播在太阳黑子活动的高峰期时效果更好？第4章二、对流层散射信道对流层能够不规则地散射无线电波1、概念：离地面10~12km以下的大气层称为对流层。在对流层中，由于大气对流层湍流运动等原因产生了不均匀性，故引起散射，如图所示。2、传播方式：对流层散射信道是一种超视距的传播信道，可工作在超短波和微波波段。其一跳的传播距离约为100~500km。ABabcd收发天线共同照射区a、b、c、d散射体，由小气团组成，每个小气团都是一个二次辐射源，它们组成一个散射体。第4章3、对流层信道的特点1）、衰落散射信号电平是不断随时间变化的，这种变化称为衰落。衰落有两类：慢衰落（长期变化），慢衰落取决与气象条件快衰落（短期变化），快衰落是由多径传播引起的。2）、传播损耗总损耗包括两个部分，（1）自由空间的能量扩散损耗；（2）散射损耗。3）、信道的允许带宽散射信道是典型的多径信道。由于信源信号到达终端所经过的路程不同，因而各路径信道到达接收点的时间也不相同，结果信号脉冲被展宽，这种现象称为时间扩散简称多径时散。这样信道的允许带宽与最大多径时延的关系为B1/τ4、应用1）、干线通信，通常每隔300km左右建立一个中继站。2）、点对点通信，如海岛与陆地，山区与城市之间的通信。第4章4.2恒参信道举例K(t)不随时间变化或基本不变化一、有线信道⑴明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路。优点：传输损耗低缺点：易受气候和天气影响，并对外界噪声干扰敏感。⑵对称电缆：同一保护套内多对相互绝缘双导线的传输媒质。优点：传输特性比较稳定缺点：损耗比明线大。⑶同轴电缆：由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管，内导体是金属线（芯线）优点：外界噪声很少进入其内部⑷光纤信道：以光纤为传输媒质、光波作为载波的信道特点：损耗低、频带宽、线径细、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属、不受电磁干扰。第4章二、无线信道⑴无线电视距中继工作频率在超短波和微波波段的电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸。组成：终端站、中继站及各站之间的电波传播路径。特点：传输容量大，发射功率小，通信稳定可靠应用：主要用于长途干线、移动通信网及某些数据收集系统。第4章⑵卫星中继信道同步通信卫星，异步通信卫星概念：卫星中继信道是无线电中继信道的一种特殊形式。它是航天技术与通信技术相结合的产物。特点：传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大。用途：传输多路电话、电报、数据、电视等。构成：通信卫星、地球站、上行线路、下行线路第4章卫星中继信道主要工作频段有：L频段(1.5/1.6GHz)、C频段(4/6GHz)、Ku频段(12/14GHz)、Ka频段(20/30GHz)。第4章图4–5卫星中继信道示意图地球AB第4章4.3信道数学模型一.调制信道模型传输已调信号，关心的是信号的失真情况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续变化的，故也称调制信道为连续信道，甚至称为模拟信道。共性：⑴有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；⑵绝大多数信道是线性的，即满足迭加原理；⑶信号通过信道具有一定的迟延时间，而且会受到损耗；⑷即使无信号输入，在信道输出端仍有功率输出（噪声）第4章线性信道：eo(t)=f[ei(t)]+n(t)=h(t)*ei(t)+n(t)ei(t)：模拟已调信号或数字已调信号。f[·]：线性失真，非线性失真，损耗，时变特性等。n(t)：加性噪声k(t)：产生乘性噪声，包括各种失真等，只有ei(t)存在时，乘性噪声才存在。ei（t）f[.]eo(t)=f[ei(t)]+n(t)=k(t)ei(t)+n(t)n(t)单输入单输出信道：恒参信道：如果k(t)不随时间t变化或基本不变化,则称恒参信道;如电缆、光缆、无线视距信道、卫星中继信道等。随参信道：如果k(t)是随机快变化的,则称信道为随参信道。如电离层反射信道、对流层散射信道。第4章二．编码信道模型调制信道对信号的影响是通过k(t)和n(t)使已调信号发生模拟性变化。-----模拟信道编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即将一种数字序列变成另一种数字序列。------数字信道输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不是信号失真情况，但误码与调制信道有关，无调制解调器时误码由收、发滤波器设计不当及n(t)引起。编码信道模型是用数字的转移概率来描述。1.无记忆信道:(信道内只存在起伏噪声)特点：任意一个码元的差错与前后码元的差错不发生任何依赖关系。2.有记忆信道:(信道内除起伏噪声外,还存在衰落效应等)特点：信号的传输与前后码元有依赖关系,需用马尔科夫链描述。第4章例：二进制数值传输系统二进制无记忆信道二进制无记忆对称信道（码元发生差错是相互独立的）p(0/0)p(0/1)p(1/0)p(1/1)0101xy转移概率矩阵：p(yj/xi)=p(0/0)p(1/0)p(0/1)p(1/1)pe=p(0)×p(1/0)+p(1)×p(0/1)0101xye-1e-1eep(yj/xi)=1－εεε1-εpe=ε第4章恒参信道对信号传输的影响是确定的或者变化极其缓慢的，等效于一个非时变的线性网络。一．数学描述4.4.1恒参信道特性及其对信号传输的影响ei（t）h(t)eo(t)=ei(t)*h(t)+n(t)n(t)式中H（ω）是信道传输特性函数第4章二、理想的恒参信道传输特性：幅度-频率特性│H(ω)│；相位-频率特性()理想的恒参信道满足以下两个条件1）、│H(ω)│＝Ｋ(常数)2）、群迟延τ(ω)＝td(常数)理想信道传输函数:理想信道冲击响应：dtjke)(H-群迟延的含义：相位─频率特性的导数，即：)()(dttkth-若输入信号为ei(t),则理想恒参信道的输出为：)()(0dittkete-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。第4章1、幅度-频率畸变∣H()∣≠k(常数)，产生幅频畸变。即幅度-频率特性的不理想引起的频率失真。30011002900频率（HZ）衰耗dB典型的音频电话信道的相对衰耗对信号的影响：不均匀衰耗使传输信号的幅度随频率发生畸变，引起信号波形失真。若是数字传输，引起相邻码元波形在时间上的重叠（码间干扰）。三、实际信道特性第4章2、相位-频率畸变信道的相位-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。模拟语音通信：影响不大，人耳对相频畸变不太敏感。数字信号传输：引起严重的码间干扰，造成误码。数字滤波器h(n)=±h(N-1-n)用群迟延频率特性来描述相频特性：相频特性对频率的导数τ()=d()/d，当τ()=-td时，无相频畸变。工程设计时，应使∣H(ω)∣畸变范围及τ(ω)误差范围符合要求。第4章例：2ASK系统调制器调制信道包络检波抽样判决2ASKSi(t)r(t)mo(t)m(t)cp(t)100m(t)2ASKSi(t)r(t)cp(t)110mo(t)门限ttttt2ASK频谱范围无限，通过信道后失真码间串扰收、发滤波器合理设计，可使码间串扰为零。第4章四、克服措施：模拟通信：频域均衡，使信道、均衡器联合频率特性在信号频率范围内无畸变。数字通信：合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间串扰。信道特性缓慢变化时，用时域均衡器，使码间串扰降到最小且可自适应信道特性变化。例4.1非线性失真、频率偏移、相位抖动第4章传输特点：1）对信号的衰耗随时间而变；2）传输时延随时间而变；3）多经传播现象。存在衰落效应，多径效应。1.多径衰落与频率弥散接收天线收到的电波，是各条传播路径到达的总和。如果设发射波为f(t)是单频信号：f(t)=Acosωot接收端接收到的信号为:4.4.2随参信道及其对信号传输的影响)...,2,1(])([cos)()(1NitttutRNiioi-ui(t)—第i条路径的接收信号振幅---第i条路径的接收信号传输时延)(ti第4章在实际中观察，μi(t)、τi(t)的变化非常缓慢，其变化周期远远小于载频的周期。因此，又可将它看成一个窄带随机过程。因此，可以写成由于μi(t)和φi(t)为随机过程，R(t)也是一个随机过程.因为（1）、Xc(t)是N个随机变量的和，且是相互独立的;（2）、且它们出现的概率相同，所以根据中心极限定理，认为Xc(t)是高斯变量,同理Xs(t)也是高斯变量,所以R(t)则为一窄带高斯过程。)](cos[)(sin)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos)()](cos[)()(tttVttXttXtttutttutttutRoosocoiioiiioi--第4章式中：合成信号R（t）的包络。：合成信号R（t）的相位。从波形上看，发射信号Acosωt变成了包络和相位受到调制的窄带信号。称为衰落信号，并引起频率弥散现象（单个频率变成窄带频谱）。由于R(t)是窄带高斯过程，则其包络的概率密度函数服从瑞利分布，而相位服从均匀分布。)t(X)t(X)t(V2s2c))()(()(tXtXarctgtcstR(t)f0瑞利衰落（快衰落）频率弥散多径传播的特征：（1）单频信号变成包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播产生瑞利型衰落；（2）从频谱上看，单频信号变成了多频信号(即多径传播引起频率的弥散)。第4章2、多径传播引起频率选择性衰落信号频谱中某些频率分量被衰落的一