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文档简介

1、41无线信道无线信道42 有线信道有线信道43 信道的数学模型信道的数学模型44 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响45 信道中的噪声信道中的噪声46 信道容量信道容量按照传输媒质的不同按照传输媒质的不同信道信道无线无线( wirelesswireless)信道)信道有线有线(wiredwired)信道)信道利用利用电磁波电磁波在空间中的传播来在空间中的传播来传输信号传输信号利用利用人造人造的传导电或光信号的传导电或光信号的媒体来传输信号的媒体来传输信号噪声噪声有源有源干扰干扰信道本身信道本身的传输特的传输特性不良性不良无源干扰通信的电磁波频率都比较通信的电磁波频率都比较高高电磁

2、波的传播电磁波的传播地波地波(ground wave)天波天波(sky wave)(或称电离层反射波(或称电离层反射波(ionosphere reflection wave)视线视线(line of sight) 1)地波地波 频率较低(大约频率较低(大约2MHz以下)的电磁波以下)的电磁波趋于沿弯曲的地球趋于沿弯曲的地球表面表面传播,传播,有一定的有一定的绕射绕射能力。能力。这种传播方式称为地波传播,这种传播方式称为地波传播, 在在低频低频和和甚低频甚低频段,地波能够传播超过数百千米或数千千米。段,地波能够传播超过数百千米或数千千米。2)天波天波 频率较高(频率较高(2MHz30MHz)的电

3、磁波称为)的电磁波称为高频高频(high frequency)电磁波,电磁波,它能够被它能够被电离层电离层反射。反射。 电离层位于地面上电离层位于地面上60km400km之间,之间,它是因太阳的紫外线和宇宙射线辐射使大气电离的结果。它是因太阳的紫外线和宇宙射线辐射使大气电离的结果。电离层电离层D层层E层层F层层F1层层F2层层60km80km100km120km200km250km400km只有较高频只有较高频率能够穿过率能够穿过能够反射能够反射反射反射高频高频夜晚消失夜晚消失夜晚消失夜晚消失 反射反射高频高频电磁波的主要是电磁波的主要是F层层。电磁波经过电磁波经过F层的层的一次一次反射距离最

4、大可以达到约反射距离最大可以达到约4000km。经过经过多次多次反射,电磁波可以传播反射,电磁波可以传播 10000km以上以上利用电离层反射的传播方式称为天波传播。利用电离层反射的传播方式称为天波传播。电离层反射波到达地面的区域可能是电离层反射波到达地面的区域可能是不连续不连续的的覆盖区覆盖区寂静区寂静区3) 视线视线频率高于频率高于30MHz的电磁波将穿透电离层,的电磁波将穿透电离层,不能被反射回来。不能被反射回来。它只能类似光波那样作视线传播。它只能类似光波那样作视线传播。 为了能增大其在地面上的传播距离,提升天线的高度从而增为了能增大其在地面上的传播距离,提升天线的高度从而增大视线距离

5、大视线距离设收发天线的高度相等,均等于设收发天线的高度相等,均等于h,地球的半径地球的半径r等于等于 6370km222)(rhrdrhrhhd222设设D为两天线间的距离为两天线间的距离22)2(dDrh8rDh82km)m(502取DDa)无线电中继无线电中继b)卫星通信卫星通信4)大气大气对在其中传输的电磁波的影响对在其中传输的电磁波的影响氧气氧气水蒸气水蒸气降水降水吸收吸收和和散射散射电磁波,电磁波,使频率在使频率在 1GHz以上的电磁波的传播以上的电磁波的传播衰减衰减显著显著增加增加。频率越频率越高高,传播,传播衰减衰减越越严重严重。23GHz180GHz350GHz62GHz120

6、GHz对于对于 10GHz以上的电磁波有以上的电磁波有较大较大的影响的影响5)散射方式传播。散射方式传播。电离层散射电离层散射对流层散射对流层散射流星余迹散射流星余迹散射明线明线(open wire)对称电缆对称电缆(symmetrical cable)同轴电缆同轴电缆(coaxial cable)传输传输电信号电信号传输传输光信号光信号 光导纤维光导纤维(光纤光纤)1)按纤芯按纤芯折射率折射率变化不同光纤变化不同光纤阶跃阶跃型光纤型光纤梯度梯度型光纤型光纤传输路径逐渐传输路径逐渐弯曲弯曲的的折射率沿轴向变化是有严格要求的,折射率沿轴向变化是有严格要求的,故其制造难度大故其制造难度大2)按光纤

7、传输按光纤传输模式模式多模多模光纤光纤单模单模光纤光纤有有多多条传播路径条传播路径发光二极管发光二极管(LED)为光源为光源包含许包含许多多频率成分频率成分直径较直径较粗粗存在存在色散色散现象现象限制了传限制了传输带宽输带宽多模光纤中的色散多模光纤中的色散材料色散材料色散模式色散模式色散波导色散波导色散只有只有一一种传输模式种传输模式激光器激光器为光源为光源单一单一频率频率直径较直径较小小传输带宽传输带宽 宽宽光纤相光纤相接接时时不易不易对准对准激光器的激光器的价格价格比比LED贵贵传输损耗传输损耗低低,易受天气和环境的影,易受天气和环境的影,对外界噪声干扰较敏感对外界噪声干扰较敏感end 由

8、若干对叫做芯线的双导线放在由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制造成的。一根保护套内制造成的。为了减小各对导线之间的干扰,每一对为了减小各对导线之间的干扰,每一对导线都做成扭绞形状的,称为导线都做成扭绞形状的,称为双绞线双绞线 损耗较明线损耗较明线大大, 性能较性能较稳定稳定。end由于外导体通常接地,由于外导体通常接地,所以它同时能够很好所以它同时能够很好地起到电屏蔽作用。地起到电屏蔽作用。end21nn光缆光缆光纤损耗与光波波长的关系光纤损耗与光波波长的关系1.4m附近的损耗附近的损耗高峰高峰水分子的吸收造成的水分子的吸收造成的单模光纤传输系统的传输速率已超过单模光纤传输系统的传输速率

9、已超过10Gb/s。传输损耗可达传输损耗可达0.2dB/km以下。以下。无中继的直接传输距离可达上百千米。无中继的直接传输距离可达上百千米。已经建成经过海底的跨洋远程光纤传输信道。已经建成经过海底的跨洋远程光纤传输信道。调制调制信道信道包括放大器、变频器和天包括放大器、变频器和天线等装置线等装置编码编码信道信道4 43 31 1 调制信道模型调制信道模型一对输入端和一对输出端一对输入端和一对输出端输入输入输出输出噪声噪声)()()(tntefteio 1)加性加性噪声或加性干扰噪声或加性干扰n(t)是叠是叠加加在信号上的,在信号上的,而且无论有无信号,而且无论有无信号,n(t)是是始终始终存在

10、的存在的)()()()(tntetkteio2)乘性乘性干扰干扰k(t)反映反映信道信道的特性的特性当当没没有输有输入入信号时,信道输出端也信号时,信道输出端也没没有有乘性干扰乘性干扰输出输出它会使信号产生各种它会使信号产生各种失真失真失真失真线性失真线性失真非线性失真非线性失真时间延迟时间延迟衰减等衰减等调调制制信信道道随机参量信道随机参量信道(随参随参信道信道)恒定参量信道恒定参量信道(恒参恒参信道信道)信道特性随机变化信道特性随机变化k(t)只能用随机过程表述只能用随机过程表述信道特性基本上信道特性基本上不不随时间随时间变变化,化,或变化极慢极小或变化极慢极小k(t) 用常数表示用常数表

11、示4.3.2 编码信道编码信道模型模型编码信道的输入和输出信号是数字序列编码信道的输入和输出信号是数字序列序列中的数字发生错误。序列中的数字发生错误。用用错误概率错误概率来描述编码信道的特性来描述编码信道的特性(转移概率转移概率) 。正确正确转移概率转移概率)1/1()0/0(PP错误错误转移概率转移概率)1/0()0/1(PP1)0/1()0/0( PP1)1/0()1/1( PP 一、恒参信道时信号传输的影响一、恒参信道时信号传输的影响恒参信道实质上就是一个非时变线性网络恒参信道实质上就是一个非时变线性网络 无失真无失真传输条件传输条件 a)a)振幅特性与频率无关振幅特性与频率无关( (即

12、其振幅即其振幅频率特性曲线是一条水平直线频率特性曲线是一条水平直线) ); b)b)相位特性是一条通过原点的直线相位特性是一条通过原点的直线( (或者等效地要求其传输群时延与频率无关,等于常数或者等效地要求其传输群时延与频率无关,等于常数) )。 1)1)线性线性失真失真 a)频率失真频率失真 信道的振幅信道的振幅频率特性不理想频率特性不理想,则信号发生的失真称为则信号发生的失真称为频率失真频率失真。信号的频率失真会使信号的波形产生畸变。信号的频率失真会使信号的波形产生畸变。 在传输在传输数字数字信号时,波形畸变可引起相邻码元波形之间发信号时,波形畸变可引起相邻码元波形之间发生部分重叠,造成生

13、部分重叠,造成码间串扰码间串扰。 可以用一个线性网络进行补偿。可以用一个线性网络进行补偿。 b)相位失真相位失真 信道的信道的相位相位特性不理想将使信号产生相位失真。特性不理想将使信号产生相位失真。 在模拟话音信道中,相位失真对通话的影响不大在模拟话音信道中,相位失真对通话的影响不大 相位失真对于相位失真对于数字数字信号的传输则影响很大,信号的传输则影响很大,因为它也会引起因为它也会引起码间串扰码间串扰,使误码率增大。,使误码率增大。 相位失真也是一种线性失真,相位失真也是一种线性失真,所以也可以用一个线性网络进行补偿。所以也可以用一个线性网络进行补偿。 2)非线性失真非线性失真 是指信道输入

14、和输出信号的振幅关系不是直线关系是指信道输入和输出信号的振幅关系不是直线关系 将使信号产生新的谐波分量,造成所谓谐波失真。将使信号产生新的谐波分量,造成所谓谐波失真。由于信道中的元器件特性不理想造成的。由于信道中的元器件特性不理想造成的。 3)频率偏移频率偏移 是指信道输入信号的频谱经过信道传输后产生了是指信道输入信号的频谱经过信道传输后产生了平移平移。主要是由于发送端和接收端中用于调制解调或频率变换的振荡器的主要是由于发送端和接收端中用于调制解调或频率变换的振荡器的频率误差引起的。频率误差引起的。 4)相位抖动相位抖动 是由于这些振荡器的频率不稳定产生的。是由于这些振荡器的频率不稳定产生的。

15、相位抖动的结果是对信号产生附加调制。相位抖动的结果是对信号产生附加调制。2)-4)这些因素产生的信号失真一旦出现,很难消除。)这些因素产生的信号失真一旦出现,很难消除。二、二、随参随参信道对信号传输的影响信道对信号传输的影响随参随参信道的特性是信道的特性是“时变时变”的。的。共同特性共同特性信号的传输信号的传输衰减衰减随时间而变;随时间而变;信号的传输信号的传输时延时延随时间而变;随时间而变;存在存在多径传播多径传播(multipath propagation)现象现象 多径传播对信号的影响称为多径传播对信号的影响称为多径效应多径效应.信号经过信号经过几条几条路径到达接收端,路径到达接收端,而

16、且每条路径的而且每条路径的长度长度(时延)和(时延)和衰减衰减都随时间而变都随时间而变 1)单一频率的单一频率的幅恒定幅恒定正弦波经过多传播引起的正弦波经过多传播引起的衰落衰落设设发射发射信号为信号为tA0cos经过经过n条路径条路径传播到接收端,传播到接收端,接收信号为接收信号为)(cos)()(10ttttRinii)(cos)(10tttinii)()(0ttii)(),(),(tttiii都是都是随机变化随机变化的的)(tRtttniii01cos)(cos)(tttniii01sin)(sin)(niiictttX1)(cos)()(niiistttX1)(sin)()()(tRtt

17、XttXsc00sin)(cos)()(),(ttii随时间变化很随时间变化很缓慢缓慢)(),(tXtXsc缓慢缓慢随机变化随机变化的的)()()(22tXtXtVsc包络包络相位相位)()(arctan)(tXtXtcs缓慢缓慢随机变化的随机变化的)(cos)(0tttV发射信号发射信号接收信号接收信号振幅振幅恒定恒定包络有了包络有了起伏起伏单一单一频率频率频率有了扩展,成为频率有了扩展,成为窄带窄带信号信号信号信号包络包络因传播有了因传播有了起伏起伏的现象称为的现象称为衰落衰落(fading)。多径传播使信号包络产生的起伏虽然比多径传播使信号包络产生的起伏虽然比信号信号的周期的周期缓慢缓慢

18、衰落衰落快快衰落衰落慢慢衰落衰落衰落的衰落的周期周期(秒或秒以下的数量级秒或秒以下的数量级)和数字信号的和数字信号的一个码元周期相一个码元周期相比较比较仅有一条无线电路径传播时,仅有一条无线电路径传播时,由于路径上季节、日夜、天气等的变化,由于路径上季节、日夜、天气等的变化,也会使信号产生衰落现象。也会使信号产生衰落现象。这种衰落的起伏周期可能较长这种衰落的起伏周期可能较长(若干天或小时)若干天或小时) 2)多传播引起的快衰落现象之一()多传播引起的快衰落现象之一(频率选择性频率选择性衰落)衰落) a)只有)只有两条两条路径,路径,具有具有相同相同的的衰减衰减,但是时延但是时延不同不同发射发射

19、信号为信号为f(t)其频谱为其频谱为F(),它经过两条路径传播后到达它经过两条路径传播后到达接收端接收端分别为分别为Af(t-0)和和Af(t- 0-)两条路径的两条路径的相对相对时延差时延差)()(Ftf0)()(0jeAFtAf)(00)()(jeAFtAf接收接收信号信号jjeeAFtAftAf1)()()(000此多径信道的此多径信道的传输函数传输函数)(1)()(0FeeAFHjjjjeAe10je1sincos1j22sin)cos1(2cos2模与角频率关系曲线模与角频率关系曲线最大值取整数)(2nn0)(12最小值取整数)(nn 曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差

20、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,是随时间变化的,所以对于给定频率的信号,使信号的强度随时间而变,所以对于给定频率的信号,使信号的强度随时间而变,这种现象称为这种现象称为衰落现象衰落现象。 由于这种衰落和频率有关,故常称其为由于这种衰落和频率有关,故常称其为频率选择性频率选择性衰落。衰落。 若信号带宽大于若信号带宽大于(1/)Hz,则信号频谱中则信号频谱中不同频率不同频率分量的幅度之间必然出现强烈的分量的幅度之间必然出现强烈的差异差异。 (1/)Hz称为此两条路径信道的称为此两条路径信道的相关带宽相关带宽(correlation bandwidth) b)多

21、径信道中通常有)多径信道中通常有不止不止两条路径,两条路径,并且每条路径的信号并且每条路径的信号衰减衰减一般也一般也不不相相同同 曲线曲线不不会出现的会出现的零零点。点。但是,接收信号的但是,接收信号的包络包络肯定会出现随机肯定会出现随机起伏起伏 设设m为多径中最大的为多径中最大的相对时延差相对时延差,将将(1/ m ) Hz定义为此多径信道的定义为此多径信道的相关带宽相关带宽。 要求信号的带宽要求信号的带宽小于小于多径信道的多径信道的相关带宽相关带宽。 多径效应会使数字信号的多径效应会使数字信号的码间串扰码间串扰增大。增大。 为了减小码间串扰的影响,为了减小码间串扰的影响,要要降低降低码元传

22、输速率。码元传输速率。 若码元速率降低,若码元速率降低,则信号带宽也将随之减小,则信号带宽也将随之减小,多径效应的影响也随之减轻。多径效应的影响也随之减轻。经过经过信道信道传输传输后的后的数字数字信号信号确知确知信号信号接收端能够接收端能够准确准确知道其码元波形的信号知道其码元波形的信号理想情况理想情况随机相位信号随机相位信号(随相信号随相信号)信号的信号的相位相位由于传输由于传输时延的不确定而带有时延的不确定而带有随机随机性性即使是经过恒参信道传输,即使是经过恒参信道传输,也可能有这种情况也可能有这种情况起伏起伏信号信号接收信号的接收信号的包络包络随机随机起起伏伏、相位相位也随机也随机变化变

23、化。通过多径信道传输的通过多径信道传输的信号都具有这种特性信号都具有这种特性 将信道中存在的将信道中存在的不需要不需要的电信号统称为的电信号统称为噪声噪声(noise)。 通信系统中的噪声是通信系统中的噪声是叠加叠加在信号上的,在信号上的,称为称为加性加性干扰,干扰,噪声对于噪声对于信号的传信号的传输是输是有害有害使模拟信号使模拟信号失真失真使数字信号使数字信号发生发生错码错码,并并限制限制信息的传输信息的传输速率速率1、按照来源噪声分、按照来源噪声分人为人为噪声噪声自然自然噪声噪声电钻电钻电气开关瞬态造成的电火花电气开关瞬态造成的电火花汽车点火系统产生的电火花汽车点火系统产生的电火花荧光灯产

24、生的干扰荧光灯产生的干扰其他电台其他电台家电产生的电磁波辐射等。家电产生的电磁波辐射等。闪电闪电大气噪声大气噪声来自太阳和银河系等的宇宙噪声来自太阳和银河系等的宇宙噪声热噪声热噪声 热噪声热噪声来自一切电阻性元器件中电子的热运动。来自一切电阻性元器件中电子的热运动。自由电子因具有热能而不断运动,呈现为布朗运动自由电子因具有热能而不断运动,呈现为布朗运动 热噪声热噪声均匀分布均匀分布在大约从接近零频率开始,直到在大约从接近零频率开始,直到1012Hz。在一个阻值为在一个阻值为R()的电阻两端,在频带宽度为的电阻两端,在频带宽度为B(Hz)的范围内,的范围内,产生的热噪声电压有效值为产生的热噪声电

25、压有效值为)V(4kTRBV 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数k=1.38 10-23(J/K), T为热力学温度为热力学温度(K) 在通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的,在通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的,热噪声又常称为白噪声。热噪声又常称为白噪声。 由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的,由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的,其统计特性服从高斯分布,其统计特性服从高斯分布,将热噪声称为将热噪声称为高斯白噪声高斯白噪声2、 按照噪声性质分按照噪声性质分脉冲脉冲噪声噪声窄带窄带噪声噪声起伏起伏噪声噪声突发性,突发性,幅度很大,幅度很大,其持续时间短。其持续时间短。其频谱

26、较宽,其频谱较宽,但是频率越高其频谱的但是频率越高其频谱的强度越小。强度越小。电火花电火花不是普遍地持续地存在的,不是普遍地持续地存在的,对于话音通信的影响也较小,对于话音通信的影响也较小,但是对于数字通信可能有较大影响但是对于数字通信可能有较大影响来自相邻电台或来自相邻电台或其他电子设备其他电子设备只存在于特定频率、只存在于特定频率、特定时间和特定地点,特定时间和特定地点,它的影响是有限的它的影响是有限的热噪声热噪声电子管内产生的散弹噪声电子管内产生的散弹噪声宇宙噪声等宇宙噪声等无处不在无处不在 热噪声热噪声本身是白色的。本身是白色的。经过接收机带通滤波器的过滤,经过接收机带通滤波器的过滤,

27、成为了窄带噪声成为了窄带噪声(带限白噪声带限白噪声)。)。 由于滤波器是一种线性电路,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,高斯过程通过线性电路后,仍为一高斯过程,故此窄带噪声又常称为故此窄带噪声又常称为窄带高斯噪声窄带高斯噪声。经过接收滤波器后的噪声双边功率谱密度为经过接收滤波器后的噪声双边功率谱密度为Pn(f)噪声的功率噪声的功率dffPPnn)(噪声功率谱密度曲噪声功率谱密度曲线的线的最大值最大值等效带宽等效带宽保持噪声功率保持噪声功率不变不变dffPPnn)()(20fPBnn信道容量是指信道能够传输的信道容量是指信道能够传输的最大最大平均信息速率。平均信息

28、速率。461离散离散信道容量信道容量度量单位度量单位 用用每个符号每个符号(symbol)能够传输的平均信息量最大能够传输的平均信息量最大值表示信道容量值表示信道容量C; 用用单位时间单位时间(秒)内能够传输的平均信息量最大(秒)内能够传输的平均信息量最大值表示信道容量值表示信道容量Ct。一、一、离散信道模型离散信道模型信源的熵信源的熵(entropy)niiixPxPxH12)(log)()(损损失失熵熵mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(噪噪声声熵熵nimjijijixyPxyPxPxyH112)/(log)/()()/()1(log)1(log)(2

29、2H收到一个符号时获得的平均信息量收到一个符号时获得的平均信息量)/()(平均信息量/符号yxHxH a)二进二进制信源,制信源,设发送设发送“1”的概率的概率P(1)=,则发送则发送“0”的概率的概率P(0)=1- 信源的熵信源的熵出现概率出现概率相等相等时信源的时信源的熵熵最最大大值值 b)无噪声无噪声信道,信道,发送符号和接收符号有一一对应关系发送符号和接收符号有一一对应关系0)/(yxH)/()(xyHyH0)/(xyH二、二、信道容量信道容量C)b/()/()(max)(符号yxHxHCxP若信道中的噪声若信道中的噪声极大极大,则,则)()/(xHyxH信道容量为信道容量为零零 设单位时间内信道传输的符号数为设单位时间内信道传输的符号数为r(符号符号/s),则信道信息传输速率则信道信息传输速率)b/s()/()()/()(xyHyHryxHxHrR容量容量Ct)b/s()/()(max)(yxHxHrC

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