通信原理信道课件

1、第三章 信道沈忠良 讲师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 随机过程i(t)通过线性系统，其输出：1) o(t)的数学期望2) o(t)的自相关函数3) o(t)的功率谱密度4) 输出过程o(t)的分布课前回顾2第3章 信道信道是指以传输媒质为基础的信号通道，是通信系统必不可少的组成部分，对系统性能起着至关重要的作用。3.1 恒参信道3.2 随参信道 3.3 信道特性及其数学模型3.4 信道容量的概念33.1 恒参信道恒参信道：传输媒质特性基本不随时间变化，称为恒参信道。随参信道：传输媒质特性随时间随机快变化，称为随参信道。恒参信道有线信道微波中继信道卫星中继信道随参信道陆

2、地移动信道短波电离层反射信道4 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52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63.1.1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。7 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。3.1.2微波中继信道8300MHz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

3、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。3.1.2微波中继信道93.1.3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：通信容量大、传输质量稳定、距离远、覆盖区域广等。缺点：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0.26 s左右，会感到明显的话音延迟。103.2 随参信道陆地移动信道短波电离层反射信道113.2.1 陆地移动通信12自由空间传播损耗(VHF、UHF直射波)式中， 的单位为km； 的单位为MHz。自由空间传播损耗，距离或频率每增加一倍，传播损耗增加6dB。 、 为发、收天线增益，

4、 为收发天线之间的直线距离， 为工作频率的波长， 为各向同性天线有效接收面积。 自由空间损耗：在 、 都为1时，发射功率与接收功率的比值，即：用dB表示：3.2.1 陆地移动通信接收天线获得功率： 133.2.1 陆地移动信道自由空间传播损耗143.2.2 短波电离层反射信道 当频率范围为330MHz（波长为 10100m）的短波（或称为高频）无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道。 由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面60600km的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。15电离层可分为D、E、F1、F2四层，其中D

5、、E层电子密度小，不能反射，主要是吸收电波，使电波能量损耗。F1层只有在白天日照时才存在。F2为反射层，高度为250300km，所以一次反射的最大距离可达4000km。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随参信道。3.2.2 短波电离层反射信道163.2.2 短波电离层反射信道优点：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。缺点：传输可靠性差（随参信道）。主要应用：短波AM广播，短波SSB电台，数据通信。电波从电离层的一次反射和多次反射电离层反射区高度所形成的细多径多径传播：电离层反射信道最主要

6、的特征是多径传播。173.3 信道特性及其数学模型1. 理想恒参信道特性K0为传输系数，td为时间延迟。3.3.1 恒参信道特性及其数学模型恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的，可等效为一个线性时不变网络。183.3.1 恒参信道特性及其数学模型：1. 理想恒参信道特性传输函数幅频特性相频特性群迟延或冲激响应000不失真传输条件193.3.1 恒参信道特性及其数学模型3相频失真:也称群时延失真，使信号的不同频率分量产生不同的时延，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）2幅频失真:也称为频率失真，使信号的不同频率分量受到不同衰减，从而导致信号波形失真。20

7、3.3.1 恒参信道特性及其数学模型典型音频电话信道特性相位vs频率特性0幅度衰减vs频率特性0群迟延vs频率特性0 幅频失真 相频失真 群迟延失真213.3.1 恒参信道特性及其数学模型4. 具有加性高斯噪声的恒参信道数学模型223.3.2 随参信道特性及其数学模型随参信道三个共同特点：（1）对信号的衰耗随时间而变化；（2）传输的时延随时间而变化；（3）多径传播 233.3.2 随参信道特性及其数学模型1. 多径衰落与频率弥散单频信号243.3.2 随参信道特性及其数学模型1. 多径衰落与频率弥散路径1路径2路径3路径n.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 ：253.

8、3.2 随参信道特性及其数学模型1多径衰落与频率弥散由于 及 与载频相比是缓慢变化的，因而包络 、相位 也是缓慢变化的。故 为一个窄带过程，其中心频率为 。26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结论：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。3.3.2 随参信道特性及其数学模型27多径传播对信号的影响表现为：（1）瑞利衰落： 波形上，多径传播使单一频率信号 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。通常，包络 服从瑞利分布，所以称为瑞利型衰落。（2）频率弥散： 频谱上，多径传播使单一频率变成

9、了一个窄带频谱，引起频率弥散。（3）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。3.3.2 随参信道特性及其数学模型283.3.2 随参信道特性及其数学模型2. 频率选择性衰落与相关带宽kk延迟(t)+si(t)so(t)02k29 多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差 来表征，并定义多径传播信道的相关带宽为Bc|H(f)|f 为了不引起明显的频率选择性衰落，传输信号的带宽B必须小于多径传播信道的相关带宽 。在工程设计中，选择 即 。 02k3.3.2 随参信道特性及其数学模型303.3.2 随参信道特性及其数学模型3时变线性滤波信道模型313.3.3 广义信道编码

10、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狭义信道：即信号的传输媒质； 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。323.4. 信道容量的概念1. 香农公式设信道输出信号功率为S(W)，输出加性高斯噪声功率为N(W)，信道带宽为B(Hz)，AWGN单边功率谱密度为n0则可以证明该信道的信道容量C为：信道容量：指信道中信息无差错传输的最大速率。333.4. 信道容量的概念1. 香农公式由香农公式可得以下结论：(1) 增大信号功率S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(2) 减小噪

11、声功率N（或减小噪声功率谱密度n0）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），则信道容量趋于无穷大，即343.4. 信道容量的概念：1. 香农公式(3) 增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为上式表明，保持S/n0一定，即使信道带宽B，信道容量C也是有限的。这是因为信道带宽B时，噪声功率N也趋于无穷大。但二者在一定范围内可以互换，扩频通信原理。353.4. 信道容量的概念：计算带宽的低通信道的信道容量。设噪声是加性高斯白噪声。例：363.4 信道容量的概念例： 每帧电视图像可以大致认为由30万个像素组成。对于一般要求的对比度，每一像素大约取10个可辨别的亮度电平（例如对应黑色、深灰色、浅灰色、白色等）