通信原理(信道第一次)课件

通信系统——传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和。信源发送设备信道接收设备信宿噪声源图1-1通信系统的简化模型12/24/2022通信系统——信源发送设备信道接收设备信宿噪声源图1-1通信1大纲要求3.1信道及其数学模型了解线性、非线性、时不变和时变信道的定义及其特点。3.2恒参信道3.3恒参信道特性及对信号传播的影响掌握各种恒参信道基本特性以及对信号传输的影响。3.4随参信道3.5随参信道特性及对信号传播的影响掌握各种随参信道基本特性以及对信号传输的影响。3.6随参信道的接收对策──分集技术掌握衰落信道、多径时延、分集接收等基本概念。3.7信道的加性噪声掌握加性高斯白噪声信道定义的特点。信道容量的定义与计算12/24/2022大纲要求3.1信道及其数学模型了解线性、非线性、时不变23.1引言信道概念：信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通道。狭义信道：指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线电波等。广义信道：不仅包括传输媒体，还包括特定媒体传输所必须的信号变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码）、调制解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。信道分类：模拟信道与数字信道、有线信道与无线信道、窄带信道与宽带信道等。一个通信系统的传输信道往往不是单一的。电话线、双绞线、同轴电缆、光纤传输信道。无线电波、红外线等传输信道。►根据信号波长（或频率）划分：

长波、中波、短波、超短波、微波等。►根据传播路径（或机理）划分：

视距传播、电离层反射、对流层散射等。典型的模拟信道是调制信道。典型的数字信道是编码信道。12/24/20223.1引言信道概念：电话线、双绞线、同轴电缆、光纤传输信33.2信道定义（调制信道与编码信道）调制信道与编码信道分别是模拟信道与数字信道的典型例子。调制器解调器发送转换器接收转换器传输媒体调制信道编码信道自编码器去译码器图3-1调制信道与编码信道12/24/20223.2信道定义（调制信道与编码信道）调制信道与编码信道分43.3信道数学模型（调制信道与编码信道）一.调制信道数学模型调制信道一般特性：■有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端；■大多数信道都是线性的，即满足叠加原理；■信号通过信道都有一定时延，受到固定或时变损耗；■即使没有输入，往往会有一定的输出(噪声)。时变线性系统ei(t)eo(t)图3-2调制信道模型(二对端网络)12/24/20223.3信道数学模型（调制信道与编码信道）一.调制信道数5线性系统ei(t)eo(t)3.3信道数学模型（调制信道与编码信道）一.调制信道数学模型12/24/2022线性ei(t)eo(t)3.3信道数学模型（调制信道与编63.3信道数学模型(调制信道数学模型)时变线性系统ei(t)eo(t)图3-2调制信道模型(二对端网络)调制信道输出eo(t)与输入ei(t)关系：eo(t)=f[ei(t)]+n(t)加性噪声时变信道特性影响eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)时变信道特性影响常描述为一种干扰：乘性干扰12/24/20223.3信道数学模型(调制信道数学模型)时变ei(t)e73.3信道数学模型(调制信道数学模型)调制信道(模拟信道)对信号(模拟信号)传输的影响：衡量调制信道(模拟信道)优劣的标准：模拟信道输出信号输入信号噪声n(t)无失真、无畸变有失真、有畸变有失真、有畸变失真原因：■噪声的影响■信道(线性系统)特性不理想■信道特性时变■失真度或畸变度■信噪比(输出信号功率与输出噪声功率之比）或信干比有些失真在接收端往往无法察觉，难以去除。12/24/20223.3信道数学模型(调制信道数学模型)调制信道(模拟信83.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数学模型产生失真、畸变判决电平发送时钟判决时钟传输信道输出信号输入信号噪声n(t)010110抽样判决010110没发生误码编码信道质量优劣的标准是考察接收码元是否会发生错误。由于信道特性和噪声的影响，也会使得传输信号波形发生失真或畸变，但是失真不一定会误码。误码的概率（误码率）与接收波形的失真有关，因此与传输信道输出的信噪比有关。12/24/20223.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数93.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数学模型——码的转移概率P(i/j)■二进制数字编码信道发送码元为j，而接收码元为i的概率。0101发送端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是错误接收概率P(0/0)、P(1/1)是正确接收概率系统的误码率是？系统的误码率Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)12/24/20223.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数103.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数学模型■M进制数字编码信道系统误码率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)01发送端接收端2M-1012M-112/24/20223.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数113.4恒参信道举例3.4.1三种有线电信道■架空明线（如用户电话线）■对称电缆（如五类双绞线、中继电话线）■同轴电缆（如有线电视进户线、中继电话线）一条电缆中的线对数量可以不同，线径也可不同。表3-6三种有线电信道的性能线路类型通话路数频率范围/kHz增音段长度/km架空明线1+30.3—27300架空明线1+3+120.3—150120对称电缆2412—10835对称电缆6012—25215小同轴电缆30060—13008小同轴电缆96060—41004中同轴电缆1800300—90006中同轴电缆2700300—120004.5中同轴电缆10800300—600001.512/24/20223.4恒参信道举例3.4.1三种有线电信道■架空123.4恒参信道举例3.4.2光纤信道光源光调制器耦合器基带处理基带电信号耦合器光检测器基带处理基带电信号光纤线路发送端接收端图3-7光纤通信系统■光纤与光缆■光波长■单模光纤与多模光纤■光纤的衰耗与色散光纤通信的优点■无中继传输距离长；■系统频带宽、容量大；■具有及强的抗电磁干扰能力。12/24/20223.4恒参信道举例3.4.2光纤信道光源光调制器耦合133.4恒参信道举例3.4.3无线电视距传播信道无线电视距传播无线电中继信道12/24/20223.4恒参信道举例3.4.3无线电视距传播信道无线电143.4恒参信道举例3.4.4卫星中继信道卫星中继信道通信卫星通信卫星12/24/20223.4恒参信道举例3.4.4卫星中继信道卫星中继信道153.5恒参信道特性及其对信号传输的影响■恒参信道是指信道的特性参数长期不变或变化非常缓慢。前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波及卫星中继信道都属于恒参信道。■恒参信道可以用时不变线性系统来描述。■恒参信道对信号传输的影响主要表现为：幅度-频率畸变和相位-频率畸变。可以认为在一次通信过程中是不变的。3.5.1幅度-频率畸变3.5.1相位-频率畸变相位-频率特性幅度-频率特性12/24/20223.5恒参信道特性及其对信号传输的影响■恒参信道是指163.6随参信道举例3.6.1短波电离层反射信道■随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道都属于随参信道。在一次通信过程中信道参数不固定。■短波：指波长在100m

—10m（对应信号载波频率3MHz—30MHz）的无线电波。■电离层：距离地面高度为60km

—600km的大气层称为电离层。12/24/20223.6随参信道举例3.6.1短波电离层反射信道■17■电离层：大气层在受到太阳光的照射后，形成一层带电的空气层，称为电离层。60公里一直到600公里左右。■对流层：对流层是大气层的一个区域，其顶部位于地面上空十多公里处，并在不同的纬度地区有所不同。12/24/2022■电离层：大气层在受到太阳光的照射后，形成一层带电的空气183.6.1短波电离层反射信道1.传播路径4000kmDEF1F2反射层吸收层■电离层：□各个层次的高度、厚度、电子密度等都会随时间变化。□一次或多次反射的距离也会发生变化，且与入射角有关。□不同层次（F1、F2）的不同高度上都会产生反射。地球地面高度为60km

—600km入射角φo12/24/20223.6.1短波电离层反射信道1.传播路径4000kmD193.6.1短波电离层反射信道2.工作频率□最高可用频率与电离层的电子密度有关，与入射角有关。■关于电离层反射信道的工作频率：□电离层高度、厚度、电子密度是变化的，能够随电离层变化调整工作频率、入射角才能满足一定距离下的最佳通信。□夜间F2层电子密度低，须降低工作频率，否则信号会穿透电离层。□夜间D层消失，E层吸收减小，允许工作频率降低。12/24/20223.6.1短波电离层反射信道2.工作频率□最高可用203.6.1短波电离层反射信道3.多径传播DEF1F2反射层吸收层■一次反射与两次反射地球发送接收一次反射与两次反射反射高度不同■反射高度不同■漫射现象（电离层不均匀）■寻常波与非寻常波（地球磁场）12/24/20223.6.1短波电离层反射信道3.多径传播DEF1F2反213.6.1短波电离层反射信道4.电离层反射信道特点■优点①要求功率小，设备成本低。②传播距离远。③受地形影响小。④不易受人为破坏。⑤有一定的带宽或传输容量。■缺点①干扰电平高。②存在快衰落和多径时延失真。③传输可靠性差。④需要经常改换工作频率，导致使用复杂。12/24/20223.6.1短波电离层反射信道4.电离层反射信道特点■223.6随参信道举例3.6.2对流层散射信道■随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道都属于随参信道。■超视距传播信道：工作在超短波和微波波段，一跳距离约100km

—500km。■

对流层：距离地面高度为10km

—12km的大气层称为对流层。■应用：□长途干线上的无线电中继通信。□点对点通信。12/24/20223.6随参信道举例3.6.2对流层散射信道■随参233.6.2对流层散射信道地球发送接收共同照射区的不均匀散射气团图3-17对流层散射信道传播路径10－12km以下，单跳距离100－500km12/24/20223.6.2对流层散射信道地球发送接收共同照射区的不均匀散243.6.2对流层散射信道——主要特征■

衰落：□慢衰落夏>冬午<早晚□快衰落多径■

传播损耗：□自由空间能量扩散损耗□散射损耗■

多径传播：多径传播引起信号的时散，限制信道的带宽及传输频率。■

天线与媒体间的耦合损耗：天线在自由空间的理论增益与在对流层散射信道上测得实际增益之差。发送接收12/24/20223.6.2对流层散射信道——主要特征■衰落：■传25通信系统——传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和。信源发送设备信道接收设备信宿噪声源图1-1通信系统的简化模型12/24/2022通信系统——信源发送设备信道接收设备信宿噪声源图1-1通信26大纲要求3.1信道及其数学模型了解线性、非线性、时不变和时变信道的定义及其特点。3.2恒参信道3.3恒参信道特性及对信号传播的影响掌握各种恒参信道基本特性以及对信号传输的影响。3.4随参信道3.5随参信道特性及对信号传播的影响掌握各种随参信道基本特性以及对信号传输的影响。3.6随参信道的接收对策──分集技术掌握衰落信道、多径时延、分集接收等基本概念。3.7信道的加性噪声掌握加性高斯白噪声信道定义的特点。信道容量的定义与计算12/24/2022大纲要求3.1信道及其数学模型了解线性、非线性、时不变273.1引言信道概念：信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通道。狭义信道：指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线电波等。广义信道：不仅包括传输媒体，还包括特定媒体传输所必须的信号变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码）、调制解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。信道分类：模拟信道与数字信道、有线信道与无线信道、窄带信道与宽带信道等。一个通信系统的传输信道往往不是单一的。电话线、双绞线、同轴电缆、光纤传输信道。无线电波、红外线等传输信道。►根据信号波长（或频率）划分：

长波、中波、短波、超短波、微波等。►根据传播路径（或机理）划分：

视距传播、电离层反射、对流层散射等。典型的模拟信道是调制信道。典型的数字信道是编码信道。12/24/20223.1引言信道概念：电话线、双绞线、同轴电缆、光纤传输信283.2信道定义（调制信道与编码信道）调制信道与编码信道分别是模拟信道与数字信道的典型例子。调制器解调器发送转换器接收转换器传输媒体调制信道编码信道自编码器去译码器图3-1调制信道与编码信道12/24/20223.2信道定义（调制信道与编码信道）调制信道与编码信道分293.3信道数学模型（调制信道与编码信道）一.调制信道数学模型调制信道一般特性：■有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端；■大多数信道都是线性的，即满足叠加原理；■信号通过信道都有一定时延，受到固定或时变损耗；■即使没有输入，往往会有一定的输出(噪声)。时变线性系统ei(t)eo(t)图3-2调制信道模型(二对端网络)12/24/20223.3信道数学模型（调制信道与编码信道）一.调制信道数30线性系统ei(t)eo(t)3.3信道数学模型（调制信道与编码信道）一.调制信道数学模型12/24/2022线性ei(t)eo(t)3.3信道数学模型（调制信道与编313.3信道数学模型(调制信道数学模型)时变线性系统ei(t)eo(t)图3-2调制信道模型(二对端网络)调制信道输出eo(t)与输入ei(t)关系：eo(t)=f[ei(t)]+n(t)加性噪声时变信道特性影响eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)时变信道特性影响常描述为一种干扰：乘性干扰12/24/20223.3信道数学模型(调制信道数学模型)时变ei(t)e323.3信道数学模型(调制信道数学模型)调制信道(模拟信道)对信号(模拟信号)传输的影响：衡量调制信道(模拟信道)优劣的标准：模拟信道输出信号输入信号噪声n(t)无失真、无畸变有失真、有畸变有失真、有畸变失真原因：■噪声的影响■信道(线性系统)特性不理想■信道特性时变■失真度或畸变度■信噪比(输出信号功率与输出噪声功率之比）或信干比有些失真在接收端往往无法察觉，难以去除。12/24/20223.3信道数学模型(调制信道数学模型)调制信道(模拟信333.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数学模型产生失真、畸变判决电平发送时钟判决时钟传输信道输出信号输入信号噪声n(t)010110抽样判决010110没发生误码编码信道质量优劣的标准是考察接收码元是否会发生错误。由于信道特性和噪声的影响，也会使得传输信号波形发生失真或畸变，但是失真不一定会误码。误码的概率（误码率）与接收波形的失真有关，因此与传输信道输出的信噪比有关。12/24/20223.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数343.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数学模型——码的转移概率P(i/j)■二进制数字编码信道发送码元为j，而接收码元为i的概率。0101发送端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是错误接收概率P(0/0)、P(1/1)是正确接收概率系统的误码率是？系统的误码率Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)12/24/20223.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数353.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数学模型■M进制数字编码信道系统误码率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)01发送端接收端2M-1012M-112/24/20223.3信道数学模型（调制信道与编码信道）二.编码信道数363.4恒参信道举例3.4.1三种有线电信道■架空明线（如用户电话线）■对称电缆（如五类双绞线、中继电话线）■同轴电缆（如有线电视进户线、中继电话线）一条电缆中的线对数量可以不同，线径也可不同。表3-6三种有线电信道的性能线路类型通话路数频率范围/kHz增音段长度/km架空明线1+30.3—27300架空明线1+3+120.3—150120对称电缆2412—10835对称电缆6012—25215小同轴电缆30060—13008小同轴电缆96060—41004中同轴电缆1800300—90006中同轴电缆2700300—120004.5中同轴电缆10800300—600001.512/24/20223.4恒参信道举例3.4.1三种有线电信道■架空373.4恒参信道举例3.4.2光纤信道光源光调制器耦合器基带处理基带电信号耦合器光检测器基带处理基带电信号光纤线路发送端接收端图3-7光纤通信系统■光纤与光缆■光波长■单模光纤与多模光纤■光纤的衰耗与色散光纤通信的优点■无中继传输距离长；■系统频带宽、容量大；■具有及强的抗电磁干扰能力。12/24/20223.4恒参信道举例3.4.2光纤信道光源光调制器耦合383.4恒参信道举例3.4.3无线电视距传播信道无线电视距传播无线电中继信道12/24/20223.4恒参信道举例3.4.3无线电视距传播信道无线电393.4恒参信道举例3.4.4卫星中继信道卫星中继信道通信卫星通信卫星12/24/20223.4恒参信道举例3.4.4卫星中继信道卫星中继信道403.5恒参信道特性及其对信号传输的影响■恒参信道是指信道的特性参数长期不变或变化非常缓慢。前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波及卫星中继信道都属于恒参信道。■恒参信道可以用时不变线性系统来描述。■恒参信道对信号传输的影响主要表现为：幅度-频率畸变和相位-频率畸变。可以认为在一次通信过程中是不变的。3.5.1幅度-频率畸变3.5.1相位-频率畸变相位-频率特性幅度-频率特性12/24/20223.5恒参信道特性及其对信号传输的影响■恒参信道是指413.6随参信道举例3.6.1短波电离层反射信道■随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道都属于随参信道。在一次通信过程中信道参数不固定。■短波：指波长在100m

—10m（对应信号载波频率3MHz—30MHz）的无线电波。■电离层：距离地面高度为60km

—600km的大气层称为电离层。12/24/20223.6随参信道举例3.6.1短波电离层反射信道■42■电离层：大气层在受到太阳光的照射后，形成一层带电的空气层，称为电离层。60公里一直到600公里左右。■对流层：对流层是大气层的一个区域，其顶部位于地面上空十多公里处，并在不同的纬度地区有所不同。12/24/2022■电离层：大气层在受到太阳光的照射后，形成一层带电的空气433.6.1短波电离层反射信道1.传播路径4000kmDEF1F2反射层吸收层■电离层：□各个层次的高度、厚度、电子密度等都会随时间变化。□一次或多次反射的距离也会发生变化，且与入射角有关。□不同层次（F1、F2）的不同高度上都会产生反射。地球地面高度为60km

—600km入射角φo12/24/20223.6.1短波电离层反