通信原理第4章信道

1、通信系统原理框图通信系统原理框图信号源信号源发送设备发送设备传输信道传输信道收信装置收信装置接收设备接收设备传输信道传输信道原始手段原始手段有线通信有线通信无线通信无线通信烽火、旗语烽火、旗语电报电报 电话电话无线广播无线广播移动电话移动电话 有线信道：有线信道：利用人造的传导电或者光的利用人造的传导电或者光的媒体来传输信号媒体来传输信号无线信道：无线信道：利用电磁波在空间中的传播利用电磁波在空间中的传播来传输信号来传输信号按照传输媒质的不同，信道可以分两大类：按照传输媒质的不同，信道可以分两大类：有线（有线（wired）信道，无线（）信道，无线（wireless）信道）信道信道中存在噪声，对

2、于信道中存在噪声，对于信号传输有着重要的不信号传输有着重要的不良影响，通常认为它是良影响，通常认为它是一种有源干扰。一种有源干扰。信道本身的传输特信道本身的传输特性不良，可以看作性不良，可以看作是一种无源干扰是一种无源干扰本章中将重点介绍信道传输本章中将重点介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对特性和噪声的特性，及其对信号传输的影响。信号传输的影响。n无线通信的传输媒质是自由空间。无线通信的传输媒质是自由空间。电磁波从发射天线辐射出去之后，电磁波从发射天线辐射出去之后，经过自由空间到达接收天线的传播经过自由空间到达接收天线的传播途径可分为两大类：地波和天波。途径可分为两大类：地波和天波。4.1无

3、线信道无线信道一一 地波（分为地面波和空间波）地波（分为地面波和空间波）1. 地面波地面波 就是沿地面传播的无线电波（绕射传播），就是沿地面传播的无线电波（绕射传播），适用于长波和超长波。适用于长波和超长波。2. 空间波空间波 是在发射天线与接收天线间直线传播的是在发射天线与接收天线间直线传播的无线电波（直射传播）无线电波（直射传播）, , 发射天线和接收发射天线和接收天线较高，接收点的电磁波由直接波和地天线较高，接收点的电磁波由直接波和地面反射波合成。适用于超短波。面反射波合成。适用于超短波。二二 天波（天空波）天波（天空波）n经过地面经过地面100km100km至至500km500km的电

4、离层反射传送到接的电离层反射传送到接收点的电磁波（电离层反射折射传播）。适用收点的电磁波（电离层反射折射传播）。适用于短波。于短波。n电离层反射的特点：电离层反射的特点： 频率越高，吸收能量越小，但频率过高电波频率越高，吸收能量越小，但频率过高电波会穿透电离层。故频率只限于中短波段会穿透电离层。故频率只限于中短波段300Khz300Khz30Mhz30Mhz 。传播方式传播方式 波段名称波段名称 波长范围波长范围 频率范围频率范围 频段名称频段名称n超长波超长波 10,000100,000m 303kHz 甚低频甚低频VLFn长长 波波 1,00010,000m 30030kHz 低频低频LF

5、n中中 波波 2001,000m 1500300kHz 中频中频MFn中短波中短波 50200m 6,0001,500kHz 中高频中高频IFn短短 波波 1050m 306MHz 高频高频HFn米米 波波 110cm 30030MHz 甚高频甚高频VHFn分米波分米波 10100cm 3,00300MHz 特高频特高频UHFn厘米波厘米波(微波微波) 110cm 303GHz 超高频超高频SHFn毫米波毫米波 110mm 30030GHz 极高频极高频EHFn亚毫米波亚毫米波 1mm以下以下 300GHz以上以上 超极高频超极高频远距离通信采用的新技术远距离通信采用的新技术n无线电中继无线电

6、中继radio relayradio relayn卫星通信卫星通信satellite communicationsatellite communicationn平流层通信平流层通信High Altitude Platform High Altitude Platform StationsStations代替卫星作为基站的通信代替卫星作为基站的通信除天波和地波的传播方式之外，电磁波还除天波和地波的传播方式之外，电磁波还可以通过散射方式进行传播。可以通过散射方式进行传播。反射：镜面反射反射：镜面反射散射：传播媒体不均匀，电磁波的传播方散射：传播媒体不均匀，电磁波的传播方向向许多方向折射向向许多方向

7、折射n电离层散射电离层散射n对流层散射对流层散射n流星余迹散射流星余迹散射有向介质传输介质无向介质双绞线同轴电缆光纤无线电微波红外图：图：双绞线双绞线(Twisted Pair)表：表： 铜轴电缆的类型铜轴电缆的类型图：图： 同轴电缆同轴电缆而沿直线传播而沿直线传播表：表： 单模光纤与多模光纤的比较单模光纤与多模光纤的比较 （a）折射角大于入射角）折射角大于入射角 （b）光波在纤芯中传播）光波在纤芯中传播 （c）62.5/125m渐变渐变增强型多模光纤增强型多模光纤 图图 多模光纤多模光纤 图图 光纤连接器光纤连接器 ( ) ( )( )oiietf e tn tk t e tn tei（t）

8、f .eo(t)=fei(t)+n(t)n(t)ei(t)ei(t)：模拟信号或数字信号；：模拟信号或数字信号；ff ： 线性失真，非线性失真，损耗，时变线性失真，非线性失真，损耗，时变损耗等。工程上应是非线性失真损耗等。工程上应是非线性失真 n(t)n(t)： 加性噪声，与加性噪声，与ei(t)ei(t)无关。无关。k(t)k(t)： 产生乘性噪声，包括各种失真等，只产生乘性噪声，包括各种失真等，只有有ei(t)ei(t)存在时，乘性噪声才存在。存在时，乘性噪声才存在。1|00|1PP二进制编码信道一、特性一、特性恒参信道：非时变线性网络恒参信道：非时变线性网络ei（t）h(t)eo(t)=

9、ei(t)*h(t) +n(t)n(t)( )()h t FH对于对于理想信道理想信道：（1）H(w)=k 用群迟延频率特性来描述相频特性：用群迟延频率特性来描述相频特性：(w)=d(w)/d w，当，当（2）(w)=-td时，无时，无相频畸变。相频畸变。 H(w) k(常数常数)，产生频率失真。线性失真，产生频率失真。线性失真，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。 (w) -wtd ，产生相位失真。也是线性失，产生相位失真。也是线性失真，可以用线性网络进行补偿。真，可以用线性网络进行补偿。工程设计时，应使工程设计时，应使 H() 畸变范围及畸变范围及()误误差范围符合要求

10、。差范围符合要求。)(Hf0BPF频率特性)(f二、对信号传输的影响二、对信号传输的影响ei（t）h(t)eo(t)=ei(t)*h(t) +n(t)n(t)1模拟信号模拟信号 H() k，使模拟信号失真，解调后基带，使模拟信号失真，解调后基带信号失真。信号失真。 ()=-td，对语音信号影响不大，对语音信号影响不大(耳朵对相位耳朵对相位不敏感不敏感)，仅对视频信号影响大。，仅对视频信号影响大。1数字信号数字信号H()不理想，可能造成码间串扰、误码。不理想，可能造成码间串扰、误码。例：例：2ASK系统，设带宽无限大，对信号传输无影响。系统，设带宽无限大，对信号传输无影响。调制器调制信道检波判决

11、2ASKSi(t)r(t)mo(t)m(t)100m(t)2ASKSi(t)r(t)cp(t)110mo(t)门限ttttt 2ASK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。三、克服措施三、克服措施模拟通信：模拟通信： 频域均衡，使信道、均衡器联合频频域均衡，使信道、均衡器联合频率特性在信号频率范围类无畸变。率特性在信号频率范围类无畸变。 数字通信：数字通信：合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间串扰。串扰。信道特性缓慢变化时，用时域均衡器，使码间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

12、性变化串扰降到最小且可自适应信道特性变化一、特性一、特性随参信道：时变随参信道：时变传输特点：传输特点：信号的传输衰减随时间变化信号的传输衰减随时间变化信号的传输时延随时间变化信号的传输时延随时间变化信号经过多条路径到达接收端，并且每条路径信号经过多条路径到达接收端，并且每条路径的衰减和时延都随时间变化。（的衰减和时延都随时间变化。（多径效应多径效应）ABabcd收发无线共 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。二、对信号传输的影响二、对信号传输的影响1发射单频信号发射单频信号 Acost，瑞利衰落、频率弥散瑞利衰落、频率弥散。接收信号

13、经接收信号经n条路径传输到接收端，则接受信号可条路径传输到接收端，则接受信号可以表示为以表示为 )m.,2 ,1i ( ) t (t cos) t (u) t (kioi01010011( )( )cos( )( )cos( )( )cos( )cos( )sin( )sinniiiniiinniiiiiiR ttttttttttttt0( )i( )i( )( )iiiitttt 是第 条路径到达的接受信号振幅；是第 条路径到达的信号的时延；1100022( )( )cos( )( )( )sin( )( )( )cos( )sin( )cos( )( )( )( ),( )( )arcta

14、n,( )nciiinsiiicscsscX tttX tttR tX ttX ttV tttV tXtXtX ttX t设其中：是接受信号的包络是接受信号的相位由于由于ui(t)及及i(t)是缓慢变化的是缓慢变化的(相对于信号角频相对于信号角频率率0周期相比周期相比），因此），因此Xc(t)、Xs(t)、(t)、V(t)也是缓慢变化的，于是也是缓慢变化的，于是R(t)可视为一个可视为一个包络包络和相位随机缓慢变化的窄带信号和相位随机缓慢变化的窄带信号。衰落（衰落（fading）：信号包络因为传播而有了起伏）：信号包络因为传播而有了起伏的现象。的现象。 多径效应下，发射单频信号：多径效应下，发

15、射单频信号：tR(t)f0时域：瑞利衰落（快衰落）频域：频率弥散快衰落：快衰落：多径传播使得信号包络产生的起伏远小于多径传播使得信号包络产生的起伏远小于发送信号周期，但是仍可能是秒或者秒以下的数量发送信号周期，但是仍可能是秒或者秒以下的数量级，所以常常将级，所以常常将多径效应多径效应引起的衰落称为快衰落。引起的衰落称为快衰落。慢衰落：慢衰落：没有多径效应时，没有多径效应时，仅有一条无线路径仅有一条无线路径传播传播时所引起的衰落称为慢衰落。时所引起的衰落称为慢衰落。2发射频带信号，发射频带信号， 频率选择性衰落频率选择性衰落。以两路径为例，且衰减是恒定的；以两路径为例，且衰减是恒定的； f(t)

16、V0V0延迟t0延迟t0+V0f(t-t0)+V0f(t-t0- )0000222020( )(1)()2cos()2jtjjjjjtjjtHV eeV eeeeV ee 是变化的，故传输特性零点、极点是变化的。是变化的，故传输特性零点、极点是变化的。设最大迟延为设最大迟延为m，则相对带宽，则相对带宽f=1/m 。当信号带宽当信号带宽Bf时，时，R(t)波形一定有畸变。波形一定有畸变。当信号带宽当信号带宽Bf时，时，R(t)时强时弱，与发射单时强时弱，与发射单频信号时现象相似。频信号时现象相似。为了不引起明显的选者性衰弱，为了不引起明显的选者性衰弱，B应小于应小于f且采且采用分集接收等技术使信

17、号稳定。用分集接收等技术使信号稳定。三、克服措施三、克服措施一分集接收技术一分集接收技术分别接收若干个独立的携带同一信息的信号，并分别接收若干个独立的携带同一信息的信号，并将它们合并在一起，因这些信号不可能同时被衰将它们合并在一起，因这些信号不可能同时被衰减掉，因而可改善随参信道的传输特性。减掉，因而可改善随参信道的传输特性。二扩频技术二扩频技术 扩展频谱通信扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)简称扩频通信。扩频通信的基简称扩频通信。扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带

18、信号的频谱进行伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。香农香农(Shannon)在信息论的研究中指出：如果信在信息论的研究中指出：如果信息传输速率息传输速率C不变，则带宽不变，则带宽W和信噪比和信噪比P/N是可是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。噪比上的好处。一、分类一、分类按照

19、来源分类按照来源分类人为噪声：电钻产生的电火花等人为噪声：电钻产生的电火花等自然噪声：闪电，宇宙噪声等。自然噪声：闪电，宇宙噪声等。热噪声：电热噪声：电阻性元器件中电子的热运动。阻性元器件中电子的热运动。按照性质分类按照性质分类确知噪声确知噪声谐波干扰，自激谐波干扰，自激随机噪声随机噪声脉冲噪声：突发产生，频谱宽，时间窄。脉冲噪声：突发产生，频谱宽，时间窄。数字信号影响大。数字信号影响大。单频噪声：非所需的连续已调正弦波。存单频噪声：非所需的连续已调正弦波。存在特定频率，特定地点。在特定频率，特定地点。起伏噪声：起伏噪声：热噪声热噪声，散弹噪声，宇宙噪声。，散弹噪声，宇宙噪声。无处不在。无处不

20、在。二、白噪声二、白噪声热噪声热噪声的频率范围很广，均匀分布在从接的频率范围很广，均匀分布在从接近近0Hz0Hz开始，直到开始，直到10101212HzHz。热噪声的频谱一般是均匀分布的，好像白热噪声的频谱一般是均匀分布的，好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布一样，所以常常又被称作一样，所以常常又被称作白噪声白噪声。热噪声本身是白色的，但是经过了接收端热噪声本身是白色的，但是经过了接收端滤波器之后，带宽受限，于是便不再是白滤波器之后，带宽受限，于是便不再是白色成了窄带噪声，称作色成了窄带噪声，称作带限白噪声带限白噪声。三、噪声带宽三、噪声带宽Sm(t)接收滤波器解调n(t)ni(t)BPFBPFfni(t)的功率谱密度Pni(t)ff00白噪声窄带白噪声N N不可能为无穷大，故白噪声的频率范围应是有限的。不可能为无穷大，故白噪声的频率范围应是有限的。( )npf df噪声功率Pn(f0)Bnf0噪声带宽Bn00( )()iinninPPf dfBP P f为了描述窄带噪声带宽概念，引入为了描述窄带噪声带宽概念，引入噪声等效带宽噪声等效带宽概念。概念。将噪声功率谱密度曲线变成将噪声功