第4章 信道.ppt

通信原理 第7版 樊昌信曹丽娜编著 信道 第4章 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 本章内容 第4章信道 概述 信道 是信号传输的通道 信号在信道中传输 不可避免的会受到各种各样的干扰 信道是通信系统中必不可少的组成部分 对信道和噪声的研究是研究通信问题的基础 研究信道与干扰的目的 为了更好地传输信号 有效地抵制来自信道的干扰 克服或减小信道对信号传输的影响 了解了各种信道对信号传输的影响 以便选择合适的传输方式来保证通信质量 实际的信道和干扰的形式种类繁多 且各具特点 如最直观的可分为有线信道和无线信道 本章仅对信道及干扰的主要特性进行分析和讨论 信道的定义方法 通常有两种 狭义信道广义信道 通信原理 狭义信道 狭义信道 仅指传输信号的物理媒质 常用的狭义信道 架空明线 电缆 同轴电缆 平衡电缆 光纤 中长波地表面传播 超短波及微波视距传播 毫米波波导传播 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 超短波视距绕射等等 狭义信道比较直观 但研究问题时不太方便 在实际中常常研究的是某种信号传输的情况 并不关心中间的详细物理过程 为研究问题方便 引入 广义信道 的概念 广义信道 是狭义信道的扩展 广义信道不仅包括传输信号的物理媒质 还包括一部分电子设备 如调制解调器 收 发转换器 天线等 广义信道从某种意义上说是一种传输系统 狭义信道是广义信道十分重要的组成部分 通信原理 传输媒质有线信道 明线 电缆 光纤无线信道 自由空间或大气层 概述 狭义信道 广义信道 调制信道 研究调制 解调问题编码信道 研究编码 译码问题 信道的定义与分类 通信原理 广义信道 两类主要的广义信道调制信道是从调制器输出端到收端解调器输入端之间的部分 含物理媒质 收 发转换器 天线等 传输的是调制信号 由于调制信号一般是基带信号对正弦载波信号调制而得 所以又常叫做 模拟信道 从调制解调的角度来看 这一部分只是对已调信号进行了某种变换 我们只关心变换的最终结果 不关心其详细物理过程 在研究调制解调时 这种定义是方便的 通信原理 信道的定义 编码器 译码器 媒质 调制信道 编码信道 讨论数字通信一般原理时 常用广义信道 广义信道 简称 信道 两类主要的广义信道编码信道从编码器输出端到译码器输入端之间的部分 含调制信道 调制器和解调器 由于它传送的信号是数字信号 通常又叫作 数字信道 在研究编码解码时 编码信道的定义是方便的 根据研究的对象和关心的问题不同 可以定义其他范畴的广义信道 通信原理 通信原理 信道的定义 编码器 译码器 媒质 调制信道 编码信道 讨论数字通信一般原理时 常用广义信道 广义信道 简称 信道 通信原理 广义信道 注意 广义信道中的主要部分仍然是传输媒质 实践证明 通信效果的好坏 在很大程度上将取决于狭义信道的特性 因而 在研究信道的一般特性时 传输媒质 仍是讨论的重点 无线信道 4 1 10km 60km 0km 对流层 约0 10km平流层 约10 60km电离层 约60 400km 地球大气层的结构 地波ground wave频率 2MHz特性 有绕射能力距离 数百或数千米用于 AM广播 无线信道 电磁波的传播方式 天波sky wave频率 2 30MHz特性 被电离层反射距离 4000km 一跳 用于 远程 短波通信 频率 30MHz特性 直线传播 穿透电离层用途 卫星和外太空通信超短波及微波通信距离 与天线高度有关 视线传播line of sight 无线信道 D为收发天线间距离 km 设收发天线的架设高度均为40m 则最远通信距离为 D 44 7km 例如 微波中继 微波接力 卫星中继 静止卫星 移动卫星 平流层通信 通信原理 地面微波视距传播 微波在空间是直线传播 而地球表面是个曲面 因此传输距离受到限制 一般只有50公里左右 若采用100米高的天线塔 可增大到100公里 为实现远距离通信 必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站 中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站 故称为 接力 通信原理 地面微波视距传播 微波接力通信的主要优点微波波段频率高 频段范围宽 信道容量大 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多 对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多 因而微波传输质量较高 微波接力信道能够通过有线线路难于通过或不易架设的地区 如高山 水面 故有较大的机动灵活性 抗自然灾害的能力也较强 因而可靠性较高 微波接力通信与相同容量和长度的电缆载波通信相比 建设投资少 见效快 微波接力通信的缺点相邻站之间必须直视 不能有障碍物 有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接受天线 因而造成失真 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响 与电缆通信系统比较 微波通信的隐蔽性和保密性较差 平时对大量的中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力 生产高可靠性的无人中继站并不容易 通信原理 无线信道 微波中继 无线信道 卫星中继 地面站 地面站 地球 通信原理 卫星中继通信 卫星通信是在地球站之间利用位于3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信 卫星是在太空的无人值守的微波通信中继站 卫星通信的主要优缺点和地面微波通信差不多 电子工业出版社 通信原理 卫星中继通信 卫星中继通信的优点通信距离远 且通信费用与通信距离无关卫星通信的频带很宽 通信容量很大 信号所受的干扰也小 通信比较稳定卫星中继通信的缺点卫星通信有较大的传播时延 无线信道 散射通信 散射通信 光的散射 scatteringoflight 是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象 偏离原方向的光称为散射光 散射通信 5月16日的叙利亚伊德利卜省的冲突视频中出现了叛军缴获的叙政府军的散射通信车 这是继此前的107火箭炮 大疆 无人机 M99狙击步枪 红箭 8 单兵便携式防空导弹等装备后的又一国产装备 只不过较于其他 散射通信车在用途与性能上无疑显得更为高大上一些 散射通信 叙利亚政府军装备的是TS 504型散射通信车 实物广受关注的亮相差不多要追溯2009年的国庆阅兵式上 毕竟通信系统作为支援保障性装备 曝光率不高 特别是作为一型冷门装备的散射通信车 只是在 军事报道 这类的官八股中一闪而过 毕竟卫星通信 光纤通信和短波通信已经在很大程度上成为了目前军用通信的主要方式 从技术的角度来看 散射通信是早期雷达技术的一个分支 因为其使用了雷达最基本的原理 也就是通过向相应的目标 大气层的对流层 发射电磁波并接收回波来确定目标的信息 在散射通信中 照射到对流层中的电磁波 在遇到湍流 气旋 云团等不均匀介质时会向着各个方向散射 这其中朝斜前方向射去的电磁波是能达到很远地方的 300 1000千米 当远处高灵敏的接收机 将散射来的微弱电磁波接收下来 从而实现了通信 散射通信 从技术的角度来看 散射通信是早期雷达技术的一个分支 因为其使用了雷达最基本的原理 也就是通过向相应的目标 大气层的对流层 发射电磁波并接收回波来确定目标的信息 在散射通信中 照射到对流层中的电磁波 在遇到湍流 气旋 云团等不均匀介质时会向着各个方向散射 这其中朝斜前方向射去的电磁波是能达到很远地方的 300 1000千米 当远处高灵敏的接收机 将散射来的微弱电磁波接收下来 从而实现了通信 散射通信 对散射通信来说 对流层中的介质越多通信效果自然也越好 因此通常越靠近赤道的地方上空的对流运动旺盛 对流层也相对较厚 散射通信效果越好 比如说散射通信在海南使用要比在东北性能表现更好 相对于依赖电离层的短波通信 对流层的散射不惧怕高空核爆 恰恰相反 核爆冲击波所引发的湍流和气旋会更活跃 给对流层散射通信更为有利 同时 散射通信也不会受到雷电 太阳黑子 极光等的影响 所以散射通信系统的抗毁性极强 传输的可靠度极高 对流层散射通信的容量虽然比不上卫星通信 但也要比短波通信大很多 达到16兆比特 秒 采用了方向性好的圆形抛物面天线 散射通信的发射波束很尖锐 方向性很集中 防侦听和抗干扰能力较强 散射通信最大的不足是其信号衰落和传输损耗太大 所以不得不采用千瓦级大功率发射机 高增益天线 高灵敏度接收机 多副发射和接收天线 这就给对散射通信设备的小型化带来巨大障碍 特别是在早期 设备的体积和功率都已经达到了恐怖的程度 图为俄罗斯境内废弃的散射通信站 散射通信 散射通信系统主要由散射通信机 供电设备 交换机以及其它一些相应配套设备组成 其研发难度还是比较大的 目前的研制单位集中在极少数的几家中 如美国的雷锡恩 俄罗斯的莫斯科无线电以及我国的电子科技集团 散射通信系统兴起于50年代 那时卫星才刚上天不久 作为当下主流的军事通信方式的卫星通信尚无从谈起 所以美苏两极的技术较量就在散射通信 当时最为重要的军用通信领域展开 苏联和美国以散射通信系统来建立横亘本土 并与盟国相连的完整的通信链路网络 整个通信网络的跨度之长 工程之浩大都令人叹为观止 散射通信 1955年 美国在阿拉斯加冰封的大地上开始了第一座散射通信系统的巨型天线阵的建设 到了1958年 美国终于从西起阿留申群岛通过加拿大北海岸地区与本土建立了包含71座巨型天线阵的 WhiteAlice 散射通信网络 WhiteAlice 散射通信网络系统拥有3种规格的天线尺寸 分别对应不同的发射功率 其中最大的天线口径达到了37米 有10层楼那么高 拥有50千瓦的超大功率发射机 这个功率 完全可以将从前面飞过的鸟杀死 散射通信 随后60年代中后期 卫星通信凭借着覆盖范围广 通信容量大 传输质量好和可靠性高等诸多方面的优势迅速取代了散射通信的主导地位 但转眼进入本世纪后 对卫星的软硬干扰 杀伤手段逐渐在丰富 卫星通信的一些弊端逐步显现 光纤通信是军事通信方式的新起之秀 但发展之快技术上已步入了第三代 其超大的信息容量 良好的保密性和抗干扰能力 迅速取代了50年代利用散射通信技术建立的预警网络 只不过光纤通信覆盖范围有限 只能承担起主干线路传输的任务 在许多条件下还需要卫星通信以及散射通信等其他方式的承接传递 图为我国海军的新型布缆船 卫星 光纤 微波等高速通信手段 设备复杂 建设周期长 维护费用高 特别是需地面中心站 一旦中心站在战时受损被毁 通信就会立刻瘫痪 而像散射通信 建设投入小 组网灵活 后期维护费用低 在通信卫星和有线传输网络被摧毁 敌方电子干扰强烈的情况下 仍可以安全可靠的完成信息的传输任务 图为苏俄装备的战术级散射通信设备 散射通信 所以在80年代末 散射通信的使用转向以体积较小的战术级通信为主 在随后爆发的海湾战争和车臣战争中 美俄两国的散射通信设备都在战斗中发挥了重要作用 AN TRC 170是目前美军装备的唯一散射通信装置 虽然服役时间已经较长 但也在不断升级 在海湾战争中 百余部该型散射装备投入战场 取得了良好的效果 利用较大的信息传输容量和适应野外条件下作战的优势 可用于国土防空 快速反应部队指挥以及应急通信等情况 例如配属空军部队是目前散射通信系统在公开资料中出现频率较高的 通过散射通信将防空系统与上级指挥中心或全军光纤网络实现了链接 散射通信 可见我军对散射通信系统的应用 是立足其性能优势来弥补了光纤通信无法全域覆盖且我军卫星通信传输能力有限的缺陷 在像 军事报道 这类的官八股中 还能看到散射通信系统伴随 二炮 部队进行作战训练的镜头 这应该是利用散射通信可在核爆条件下使用的优势 图为我军的TS 510型散射通信系统 用于旅 团 到营级的指挥信息链接传输 由于卫星通信的使用 散射通信的必要性已很小 但卫星数量加多必终致发生信道拥挤 空间武器的发展使通信卫星在战争中难免被破坏 散射通信或将再度受重视 流星余迹散射 流星余迹电波散射位于以流星在大气层中形成的电离余迹作为散射体而实现的电波散射传播 以流星在大气层中形成的电离余迹作为散射体而实现的电波散射传播 流星余迹散射的主要应用是瞬间快速通信和水文 气象等遥测数据的传输 其优点是传输距离远 隐蔽和可靠 但平均容量较小 流星是进入地球大气层并在其中完全烧毁的小天体 质量为10 7 103克的这些星体在绕太阳运行的过程中 一旦与地球相遇便以11 3 72公里 秒的速度射向地球 据估计 每昼夜进入大气层的流星总数达1012个 它们在离地面80 120公里的空域中 与空气摩擦发热而烧毁 形成细长的电离气体柱并迅速扩散变形 这就是流星余迹 余迹的电子线密度与形成它的流星质量成正比 其值为1010 1018米 1 在20 100兆赫频段 用灵敏的无线电设备可发现大量流星余迹散射的信号 流星余迹散射通信 流星在掠过空中时会发出大量的光和热 它会使周围的气体电离 并很快扩散形成以流星轨迹为中心的柱状电离云 这种电离云具有反射无线电波的特性 这就是所谓的 流星余迹 利用流星余迹反射无线电波而进行的远距离通信叫流星余迹通信 流星余迹通信常用的波段为30 100兆赫 MHz 流星余迹通信于20世纪50年代中最早由业余无线电爱好者提出 50年代末加拿大实现了流星余迹通信 70年代末美国用于数据收集及军事通信 其它国家如英 苏 芬兰 埃及等均有应用 我国于50年代末进行了传播试验 60年代研制设备 70年代末开始建立流星余迹专用链路 人们便设想把载有某种信息的无线电波对准流星余迹 通过它的反射 为远在千里之外的别的接收站所接收 这就是利用流星余迹进行通信的最基本的设想 流星余迹散射通信 可能有人会想 流星不常见到 而且一闪而过 用它来通信靠得住吗 其实 在宇宙空间 每小时都有数以亿计的流星掠过大气层 只不过是 其中很多不为我们的肉眼所察觉罢了 当然 流星转瞬即逝的特征 也必然会给通信的连续性带来一定的麻烦 它不大适合于用在像电话那样的连续实时通信上 针对流星转瞬即逝的特点 我们在发射设备中加装了发送消息存储器 存储经计算机处理过的信息 在流星余迹出现时这些消息便一份一份地被发送出去 在接收方也加装了接收消息存储器 它的任务是把断断续续收到的信息先存储起来 然后把它变换成连续信息后再送到接收者的手中 流星余迹通信的主要优点是 1 通信距离远 实验表明 利用功率为500瓦至几千瓦的发射机及普通的八木天线 通信距离就可达1500公里 最大通信距离约2300公里 2 保密性强 由于电波反射具有非常明显的方向性 不易被窃听 而且容易防止干扰台的影响 3 通信的稳定性好 不太受电离层骚扰和极光的影响 其不足之处是 由于发送状态是断续的 信息有延迟 有时可达几分钟 因而不适应传送在这段时间内的信息 用印字电报传送信息时 错误的百分比较大 终端设备较复杂 无线信道 流星余迹散射 特性 高度80 120km 长度15 40km存留时间 小于1秒至几分钟频率 30 100MHz距离 1000km以上用途 低速存储 高速突发 断续传输 流星余迹散射通信 流星余迹通信的通信距离可达2000千米 比起短波通信来 它受太阳黑和核爆炸的影响较小 因此很受军方人士的青睐 他们认为 在未来战争中 人造通信卫星将成为主要的袭击目标 在卫星通信系统遭破坏后 流星余迹通信便是一种理想的应急通信手段了 流星余迹通信也特别适合于恶劣环境下的气象通信 流星的作用就相当于一个天然卫星 但是 它不像卫星通信那样需要昂贵的发射费用 也不存在维修和保养的问题 因此 建立一个流星余迹通信系统 其费用只有建立承担同样任务的卫星通信系统的十分之一 而且 它的保密性也很好 目前 英 美等国的研究人员正在建设一个覆盖西欧和部分东欧国家的流星余迹通信网 探讨最终以流星通信代替卫星通信的可能性 有线信道 4 2 明线对称电缆同轴电缆光纤 1880年纽约街貌 明线 屏蔽双绞线 STP 可减少噪声干扰 非屏蔽双绞线 UTP 便宜 易弯曲 易安装 由多对双绞线组成 有线信道 对称电缆 有线信道 同轴电缆 宽带 射频 同轴电缆 75 用于传输模拟信号多用于有线电视 CATV 系统传输距离可达几十千米 基带同轴电缆 50 多用于数字基带传输速率可达10Mb s传输距离 几千米 有线信道 结构 纤芯包层按折射率分类 阶跃型梯度型按模式分类 多模光纤单模光纤 有线信道 光纤 缺点 应用 优点 有线信道 光纤通信 通信原理 通信原理 通信原理 光缆 光纤通信是利用光导纤维 简称光纤 传递光脉冲来进行通信 有光脉冲相当于1 没有相当于0 由于可见光的频率非常高 约为每秒108量级 因此光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽 通信原理 光缆 光纤的优点 传输频带非常宽 通信容量大 传输损耗小 中继距离长 对远距离传输特别经济 抗雷电和电磁干扰性能好 这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要 无串音干扰 保密性好 不易被窃听或截取数据 体积小 重量轻 这在现有电缆管道已拥挤不堪的情况下特别有利 光纤的缺点两根光纤要精确的连接比较困难 一般的网络技术人员难以掌握这项技术光电接口价格也比较昂贵 信道数学模型 4 3 模型 有一对 或多对 输入端和输出端大多数信道都满足线性叠加原理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 噪声 共性 叠加有噪声的线性时变 时不变网络 4 3 1调制信道模型 调制信道对信号的影响可以归结为两方面由于K t 对信号产生的乘性干扰由于n t 对信号产生的加性干扰对不同的信道 K t 和n t 的具体形式不同 通信原理 加性噪声 乘性干扰 通信原理 线性时变网络 信号不失真的理想信道 高斯白噪声 各种信道的n t 差异不大 是个很复杂的函数不同信道的差异也很大 实际信道 入出关系 不同的物理信道具有不同的特性C 常数 可取1 加性高斯白噪声信道模型 1 二进制无记忆编码信道模型 可用转移概率来描述 1 P 0 0 P 1 1 正确 P 1 0 P 0 1 错误 模型 4 3 2编码信道模型 编码信道传输的是数字信号 通常用数字信号的转移概率来描述 四进制无记忆编码信道 恒参 随参信道特性对信号传输的影响 4 4 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 1 传输特性 幅频特性 相频特性 线性时不变系统 恒参信道特性及其对信号传输的影响 2 无失真传输 恒参信道 群迟延特性 幅频特性 相频特性 若输入信号为s t 则理想恒参信道的输出 恒参信道 固定的迟延 固定的衰减 这种情况称为无失真传输 理想恒参信道的冲激响应 3 失真影响措施 恒参信道 群迟延失真 幅频失真 相频失真 相频特性 典型音频电话信道 幅度衰减特性 群迟延频率特性 恒参信道 通信原理 幅度 频率畸变 一般数字信号是矩形波或升余弦波 具有丰富的频率成分 如果信道幅频特性不均匀 将使各频率受到不同的衰耗 从而使波形发生畸变 幅度 频率畸变可采用均衡的方法加以克服 即对信道的幅度 频率特性进行补偿 使特性曲线变得平坦 理想即可 通信原理 相位 频率畸变 相频畸变是由于信道相频特性不理想造成的 是信道的相位 频率特性或群迟延 频率特性偏离理想特性曲线而引起的畸变理想相频特性 如果相频特性曲线偏离线性关系就会引起波形失真 即产生相频畸变 通信原理 相位 频率畸变 相频特性对模拟话音通信影响并不显著 因为人耳对相频畸变不太敏感 但对数字信号传输却不然 尤其当传输速率高时 相频畸变将会引起严重的码间串扰 从而对通信带来很大的损害 非单一频率信号通过信道引起的畸变举例说明 电子工业出版社 通信原理 非单一频率信号通过信道引起的畸变 信道群延时不理想 输入信号基波与三次谐波幅度比2 1 信号的基波和三次谐波经信道传输后的迟延分别为 和2 失真且拖尾 指传输特性随时间随机快变的信道 随参信道特性及其对信号传输的影响 短波电离层反射信道 随参信道 衰减随时间变化时延随时间变化多径传播 多径传播示意图 3 多径效应 第i条路径接收信号振幅 经过n条路径传播 各路径有时变的衰落和时延 多径传播的影响 传输时延 则接收信号为 设发送信号为 幅度恒定频率单一 根据概率论中心极限定理 当n足够大时 x t 和y t 趋于正态分布 同相 正交形式 包络 相位形式 瑞利分布 均匀分布 多径效应 包络相位随机缓变的窄带信号 西安电子科技大学通院 波形 发送信号 接收信号 频谱 结论 我们更关心的问题 多径效应 多径效应 传输衰减均为K传输时延分别为 1和 2 发射信号 接收信号 设两条路径的信道为 f t fo t Kf t 1 Kf t 2 信道传输函数 fo t 2 1相对时延差 则接收信号为 常数衰减因子 确定的传输时延因子 与信号频率 有关的复因子 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 信道幅频特性 信道相关带宽 定义为相邻传输零点的频率间隔 工程经验公式 4 减小频率选择性衰落的措施 f f 1 应使信号带宽 Bs 1 3 1 5 f 数字信号的码元宽度 Ts 3 5 RB m m Bs f 相干