通信原理信道

1、沈忠良沈忠良 讲师讲师理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院无线通信教研中心联合战术通信教研室无线通信教研中心联合战术通信教研室解放军理工大学解放军理工大学2 随机过程随机过程 i i(t(t) )通过线性系统，其输出：通过线性系统，其输出：1) 1) o(to(t) )的数学期望的数学期望2) 2) o o(t(t) )的自相关函数的自相关函数3) 3) o(to(t) )的功率谱密度的功率谱密度4) 4) 输出过程输出过程 o o(t(t) )的分布的分布解放军理工大学解放军理工大学3第3章 信道信道是指以传输媒质为基础的信号通道，是通信系统信道是指以传输媒质为基础的信号通道，是通信系统

2、必不可少的组成部分，对系统性能起着至关重要的作必不可少的组成部分，对系统性能起着至关重要的作用。用。解放军理工大学解放军理工大学43.1 恒参信道n恒参信道：传输媒质特性基本不随时间变化，称为恒参信道。n随参信道：传输媒质特性随时间随机快变化，称为随参信道。解放军理工大学解放军理工大学5 1. 对称电缆 由若干对放在一根保护套内的双绞线制成。“双绞”形式能够减小两导线之间的干扰。大量用于电话用户线及局域网。3.1.1有线电信道解放军理工大学解放军理工大学62同轴电缆50同轴电缆，用于天线馈线，称射频同轴电缆75同轴电缆，用于有线电视，称视频同轴电缆3.1.1有线电信道解放军理工大学解放军理工大

3、学73.1.1有线电信道架空明线光纤电话传输，架设相对方便。频带宽，传输损耗小，中继距离长，抗雷电和电磁干扰性能好。解放军理工大学解放军理工大学8 视距传播 频率高于 30MHz 的电磁波一般为视距传播，即直线传播。4.12()()trDh mh mKm= =+ +3.1.2微波中继信道解放军理工大学解放军理工大学9300MHz以上称为微波。视距传输，受地形及地球曲率、天线高度限制，一站传输距离3050Km。微波中继微波波段频率高，频段范围宽，信道容量大，通信质量好，微波波段频率高，频段范围宽，信道容量大，通信质量好，建设速度快。广泛用来传输多路电话及电视。建设速度快。广泛用来传输多路电话及电

4、视。3.1.2微波中继信道解放军理工大学解放军理工大学103.1.3卫星中继信道 利用三颗地球同步卫星可以覆盖全球，从而实现全 球通信。优点优点：通信容量大、传输质量稳定、距离远、覆盖区域广等。：通信容量大、传输质量稳定、距离远、覆盖区域广等。缺点缺点：离地面较远，信号衰减大；传输时延大。静止卫星电波：离地面较远，信号衰减大；传输时延大。静止卫星电波一次往返需要一次往返需要0.26 s0.26 s左右，会感到明显的话音延迟。左右，会感到明显的话音延迟。解放军理工大学解放军理工大学11解放军理工大学解放军理工大学12解放军理工大学解放军理工大学13自由空间传播损耗自由空间传播损耗( (VHF、U

5、HF直射波) )2)4(dGGPPRTTR24()TfsRPdLPdf式中，式中， 的单位为的单位为kmkm； 的单位为的单位为MHzMHz。自由空间传播损耗，。自由空间传播损耗，距离或频率每增加一倍，传播损耗增加距离或频率每增加一倍，传播损耗增加6dB6dB。TGRGd2/4 、 为发、收天线增益，为发、收天线增益， 为收发天线之间的直线距离，为收发天线之间的直线距离， 为工作频率的波长，为工作频率的波长， 为各向同性天线有效接收面积。为各向同性天线有效接收面积。 TGRG自由空间损耗：自由空间损耗：在在 、 都为都为1 1时，发射功率与接收功率的比时，发射功率与接收功率的比值，即：值，即：

6、32.4420lg20lgf sLdfdB用用dBdB表示：表示：接收天线获得功率：接收天线获得功率： 解放军理工大学解放军理工大学143.2.1 陆地移动信道自由空间传播损耗自由空间传播损耗解放军理工大学解放军理工大学15 当频率范围为当频率范围为330MHzMHz（波长为（波长为 10100m m）的短波（或称）的短波（或称为高频）无线电波射入为高频）无线电波射入电离层电离层时，由于折射现象会使电波发时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面，从而形成短波生反射，返回地面，从而形成短波电离层电离层反射信道。反射信道。 由于太阳辐射的紫外线和由于太阳辐射的紫外线和X X射线，使离地面射线，使

7、离地面60600kmkm的的大气层电离形成电离层。电离层由分子、原子、离子及自由大气层电离形成电离层。电离层由分子、原子、离子及自由电子组成。电子组成。解放军理工大学解放军理工大学16电离层可分为电离层可分为D D、E E、F1F1、F2F2四层，其中四层，其中D D、E E层电子密度小，层电子密度小，不能反射，主要是吸收电波，使电波能量损耗。不能反射，主要是吸收电波，使电波能量损耗。F1F1层只有在层只有在白天日照时才存在。白天日照时才存在。F2F2为反射层，高度为为反射层，高度为250250300km300km，所以一次反射的最大距离，所以一次反射的最大距离可达可达4000km4000km

8、。由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间变化，由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间变化，与天气、昼夜及季节也有关，因此电离层反射信道是典型的与天气、昼夜及季节也有关，因此电离层反射信道是典型的随参信道。随参信道。解放军理工大学解放军理工大学17n优点优点：传输距离远（可达几千至上万公里）、受地形影响小、：传输距离远（可达几千至上万公里）、受地形影响小、架设方便、电离层不易摧毁。架设方便、电离层不易摧毁。n缺点缺点：传输可靠性差（随参信道）。：传输可靠性差（随参信道）。n主要应用主要应用：短波：短波AMAM广播，短波广播，短波SSBSSB电台，数据通信。电台，数据通信。电波从电

9、离层的一次电波从电离层的一次反射和多次反射反射和多次反射电离层反射区高度电离层反射区高度所形成的细多径所形成的细多径多径传播：电离层反射信道最主要的特征是多径传播。多径传播：电离层反射信道最主要的特征是多径传播。解放军理工大学解放军理工大学181. 1. 理想恒参信道特性理想恒参信道特性K K0 0为传输系数，为传输系数，t td d为时间延迟。为时间延迟。0( )()oids tK s tt0( )( )dj toiSK Se 0dj tHK en恒参信道对信号传输的影响是恒参信道对信号传输的影响是确定确定的或者是变化极其的或者是变化极其缓慢缓慢的，可等效为一个的，可等效为一个线性时不变线性

10、时不变网络。网络。解放军理工大学解放军理工大学191. 1. 理想恒参信道特性理想恒参信道特性n传输函数n幅频特性n相频特性n群迟延 0dj tHK e 0HK dt ddtd 或冲激响应0( )()dh tKtt0K H0dt( ) 0dt( ) 0不失真传输条件解放军理工大学解放军理工大学203.3.1 恒参信道特性及其数学模型3 3相频失真相频失真: :也称群时延失真，使信号的也称群时延失真，使信号的不同频率分量产生不不同频率分量产生不同的时延同的时延，从而导致信号波形失真。，从而导致信号波形失真。基波谐波合成波基波谐波合成波（a）（b）tt2 2幅频失真幅频失真: :也称为频率失真，使

11、信号的也称为频率失真，使信号的不同频率分量受到不不同频率分量受到不同衰减同衰减，从而导致信号波形失真。，从而导致信号波形失真。解放军理工大学解放军理工大学21相位vs频率特性( ) 0幅度衰减vs频率特性( )/AdB0群迟延vs频率特性( ) 0 幅频失真 相频失真 群迟延失真解放军理工大学解放军理工大学224.4. 具有加性高斯噪声的恒参信道数学模型具有加性高斯噪声的恒参信道数学模型+信道( )s t( )n t( )( )( )( )r ts th tn t( )h t线性滤波器解放军理工大学解放军理工大学233.3.2 随参信道特性及其数学模型随参信道三个共同特点：随参信道三个共同特点

12、：（1 1）对信号的衰耗随时间而变化；）对信号的衰耗随时间而变化；（2 2）传输的时延随时间而变化；）传输的时延随时间而变化；（3 3）多径传播）多径传播 解放军理工大学解放军理工大学241. 1. 多径衰落与频率弥散多径衰落与频率弥散( )cos()cs tAt单频信号解放军理工大学解放军理工大学251. 1. 多径衰落与频率弥散多径衰落与频率弥散 1cos( )niciir tattt路径路径1路径路径2路径路径3路径路径n.11( )cos( )ca ttt22( )cos( )ca ttt33( )cos( )ca ttt( )cos( )ncnatttcos()( )cs tAt r

13、t多径传播接收信号是衰减和时延都随时间变化的各路径信号的合多径传播接收信号是衰减和时延都随时间变化的各路径信号的合成成 ：解放军理工大学解放军理工大学263.3.2 随参信道特性及其数学模型1 1多径衰落与频率弥散多径衰落与频率弥散 1111cos( )cos( )coscossinsin( )cos( )sin( )cos( )nniciiciiinniiciiciiccsccr ta ttta ttta ttta tttXttXttV ttt由于由于 及及 与载频相比是缓慢变化的，因而包络与载频相比是缓慢变化的，因而包络 、相位相位 也是缓慢变化的。故也是缓慢变化的。故 为一个窄带过程，其

14、中心频为一个窄带过程，其中心频率为率为 。( )ia t( )it( )V t( ) tcf( )r t解放军理工大学解放军理工大学27从而单频信号经过多径传播后，其时域波形及其功率谱的示意图：从而单频信号经过多径传播后，其时域波形及其功率谱的示意图：00衰落信号的包络与功率谱示意图)(tr( )V t( )2cdtfdtt)( fPrfcf结论：结论：包络和相位都是作缓慢变化的随机过程。包络和相位都是作缓慢变化的随机过程。 包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。解放军理工大学解放军理工大学28多径传播对信号的影响表现为：多径传播对信号的影响表现为：（1 1）

15、瑞利衰落：）瑞利衰落： 波形上，多径传播使单一频率信号波形上，多径传播使单一频率信号 变成包络和相变成包络和相位受到调制的窄带信号，这样的信号称为衰落信号。通位受到调制的窄带信号，这样的信号称为衰落信号。通常，包络常，包络 服从瑞利分布，所以称为服从瑞利分布，所以称为瑞利型衰落瑞利型衰落。coscAt( )V t（2 2）频率弥散：）频率弥散： 频谱上，多径传播使单一频率变成了一个窄带频谱，引频谱上，多径传播使单一频率变成了一个窄带频谱，引起起频率弥散频率弥散。（3 3）频率选择性衰落：）频率选择性衰落： 即信号频谱中的某些频率分量被衰落而导致信号失真。即信号频谱中的某些频率分量被衰落而导致信

16、号失真。解放军理工大学解放军理工大学292. 2. 频率选择性衰落与相关带宽频率选择性衰落与相关带宽 ( )1( )2cos2jtHketHk kk延迟(t)+si(t)so(t)f( )H f0122k1321( )( )( )oiis tks tks tt( )( )( )( )jtoiiSkSkSe 解放军理工大学解放军理工大学30 多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差 来表来表征，并定义多径传播信道的相关带宽为征，并定义多径传播信道的相关带宽为m1(Hz)cmBBc|H(f)|f(1/5 1/3)cBBcB 为了不引起明显的频率选择性衰落

17、，传输信号的带为了不引起明显的频率选择性衰落，传输信号的带宽宽B B必须小于多径传播信道的相关带宽必须小于多径传播信道的相关带宽 。在工程设。在工程设计中，选择计中，选择 即即 。 (3 5)mTf( )H f012( ) t2k解放军理工大学解放军理工大学313.3.2 随参信道特性及其数学模型+信道( )s t( )n t( )( )( ; )( )r ts thtn t( ; )ht线性时变滤波器n3 3时变线性滤波信道模型时变线性滤波信道模型解放军理工大学解放军理工大学32编码信道调制信道调 制 器发转换器(狭义)信道接转换器解 调 器编码器输出译码器输入l狭义信道：即信号的传输媒质；

18、狭义信道：即信号的传输媒质； l广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统中有关的电路广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统中有关的电路或部件，如收发设备、天馈线、调制解调器等。或部件，如收发设备、天馈线、调制解调器等。解放军理工大学解放军理工大学33n设信道输出信号功率为设信道输出信号功率为S(W)S(W)，输出加性高斯噪声功率为输出加性高斯噪声功率为N(W)N(W)，信道带宽为信道带宽为B(HzB(Hz) )，AWGNAWGN单边功率谱密度为单边功率谱密度为n n0 0则可以证明该信道的则可以证明该信道的信道容量信道容量C C为：为：220log1= log1 (bps)SSCBBNn Bn信

19、道容量信道容量：指信道中信息无差错传输的最大速率。：指信道中信息无差错传输的最大速率。解放军理工大学解放军理工大学34由香农公式可得以下结论：由香农公式可得以下结论：n(1) (1) 增大信号功率增大信号功率S S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即大，则信道容量也趋于无穷大，即n(2) (2) 减小噪声功率减小噪声功率N N（或减小噪声功率谱密度（或减小噪声功率谱密度n n0 0）可以增加信）可以增加信道容量，若噪声功率趋于零（或噪声功率谱密度趋于零），道容量，若噪声功率趋于零（或噪声功率谱密度趋于零），则信道容量趋于无穷大，

20、即则信道容量趋于无穷大，即20limlimlog1SSSCBn B 200limlimlog1NNSCBN 2log1SCBN解放军理工大学解放军理工大学352log1SCBNn(3) (3) 增大信道带宽增大信道带宽B B可以增加信道容量，但不能使信道容量可以增加信道容量，但不能使信道容量无限增大。信道带宽无限增大。信道带宽B B趋于无穷大时，信道容量的极限值为趋于无穷大时，信道容量的极限值为上式表明，保持上式表明，保持S/nS/n0 0一定，即使信道带宽一定，即使信道带宽B B，信道容量，信道容量C C也是有限的。这是因为信道带宽也是有限的。这是因为信道带宽B B时，噪声功率时，噪声功率N N也趋于也趋于无穷大。但二者在一定范围内可以互换，无穷大。但二者在一定范围内可以互换，扩频通信扩频通信原理。原理