大学课件-数字通信原理第3章-信道

第三章信道12基本内容信道定义信道数学模型恒参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响31.信道定义(1)影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声和信道传输特性的不理想信道：信号通道，必不可少狭义信道：信号的传输媒质(在发送器和接收器之间的物理通路)导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播金属导体：双绞线、同轴电缆光纤非导向媒体：自由空间无线电(短波、微波、卫星)、红外线41.信道定义(2)双绞线电话业务同轴电缆AM无线电FM无线电和TV地面微波接力

光纤

卫星1021031041051061071081091010101110121013101410151016无线电红外线紫外线可见光微波

Hz海事无线电51.信道定义(3)广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备所构成的部份调制信道：从调制器输出端到解调器输入端编码信道：从编码器输出端到译码器输入端根据具体问题来选择不同类型的信道已调信号数字序列62.信道数学模型(1)反映信道输出和输入之间的关系调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真情况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续变化的，故也称为连续信道，甚至称为信道具有一对(或多对)输入和输出端绝大多数信道是线性的有时延、损耗输入信号为0时，信道输出端仍有一定功率输出72.信道数学模型(2)

f[·]：信道线性算子恒参信道：f[·]~非时变线性算子时变信道：f[·]~时变线性算子随参信道：f[·]~随时间随机变化n(t)加性噪声(干扰)，与ei(t)独立乘性干扰，包括各种线性和非线性畸变82.信道数学模型(3)编码信道模型一种数字序列的变换，也称为离散或数字信道包含调制信道噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码率而不是信号失真情况无记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元的取值无关有记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元的取值有关→依赖于调制信道的性能→使用转移概率来描述92.信道数学模型(4)无记忆二进制编码信道模型对称编码信道：二进制编码信道的转移概率P(0/1)=P(1/0)非对称编码信道：二进制编码信道的转移概率P(0/1)≠P(1/0)无记忆四进制编码信道模型103.1恒参信道举例(1)双绞线既可用于模拟传输，也可用于数据传输带宽依赖于线的粗细和传输距离无屏蔽双绞线(UTP)屏蔽双绞线(STP):以箔屏蔽来减少干扰113.1恒参信道举例(2)同轴电缆基带同轴电缆：50，为数据通信传输基带数字信号，局域网中广泛使用10Mb/s,1km宽带同轴电缆：75，多用于CATV系统，传送频分复用的模拟信号6MHz/300~400MHz，100km单向放大器铜芯绝缘层外导体保护套123.1恒参信道举例(3)光纤纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载信息光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器光调制器光纤线路光源调制电信号基带处理光探测器解调电信号基带处理133.1恒参信道举例(4)常用的三个波长窗口143.1恒参信道举例(5)光纤的传送模式多模阶跃光纤输入电信号多模缓变光纤单模光纤

波长:1300,1550nmh2h1波长:850,1300nmh2h1纤芯/包层特性输出电信号h1h2光纤的直径减小到一个光波波长153.1恒参信道举例(6)光纤的特点传送速率高，通信容量大(25~30THz带宽/波段)。目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；82.5Gbps，810Gbps，3210Gbps系统已经实用传输损耗小(<0.2dB/km)，适合长距离传输抗干扰性能好，保密性好轻便连接困难163.1恒参信道举例(7)单芯光缆多芯光缆玻璃包层塑料外套玻璃内芯外鞘光纤外套加强芯光纤束纤芯包层173.1恒参信道举例(8)无线电视距中继两个地面站之间传送(点到点)距离：50-100km；频率：2G-40GHz依赖于天气和频率应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间LAN互连地面站之间的直视线路地球微波传送塔183.1恒参信道举例(9)使用微波使用转发器接收和转发优点：传输距离远，覆盖地域广，传输稳定可靠，传输容量大应用：传输电视信号、远距离话音传输、组建专用网可支持点到多点传送C波段4/6GHz

上行5.925-6.425GHz

下行3.7-4.2GHzKU波段12/14GHz

上行14-14.5GHz

下行11.7-12.2GHz地球地面站地面站通信卫星中继信道193.1恒参信道举例(10)地球同步(GEO)卫星距地面约35860km。相对于地面站来说，同步卫星在空中的位置是静止的使用3个卫星(赤道上空)覆盖全球INMARSAT36,000公里地球

低轨道(LEO)卫星发射功率小，用于移动通信和个人通信系统“铱”系统：765km高，66颗星Globalstar：1389km高，48颗星

中轨道(MEO)卫星GPS：17723km高，24颗星伽利略计划：30颗星203.2恒参信道特性(1)恒参信道的性质不随时间变化：线性时不变网络。实际信道的特性不随时间变化或基本不变，或变化极慢213.2恒参信道特性(2)有线电话信道

幅度-频率畸变引起信号波形失真

相位-频率畸变对语音信号影响不大基波相移谐波相移2223.2恒参信道特性(3)

包络233.2恒参信道特性(4)幅频畸变与相频畸变均属于线性畸变补偿措施：均衡，使信道、均衡器联合频率特性在信号频率范围内无畸变其他因素非线性畸变：元器件振幅特性的非线性导致频率偏移：收发载频偏差相位抖动：收发载频的不稳定性244.1随参信道举例(1)短波电离层反射信道电离层：离地面高60~600km的大气层短波：3~30MHz(100~10m)传输无盲区，设备简单，灵活传输可靠性差，需经常更换工作频率短波广播，应急通信，抗灾通信，军事通信254.1随参信道举例(2)多径传播264.1随参信道举例(3)对流层散射信道对流层：离地面10~12km以下的大气层超短波和微波波段抗毁性好，保密性强，机动性好，适应复杂地形能力强点到点通信：军用，海岛与陆地之间，应急救灾通信等274.2随参信道特性(1)随参信道是指短波电离层反射，超短波流星余迹散射，超短波及微波对流层散射，短波电离层散射以及超短波超视距绕射等传输媒质所分别构成的调制信道。从对信号传输的影响来看，传输媒质的影响是主要的，而转换器的影响是次要的，甚至可忽略不计，因此，主要研究传输媒质的共性及其对信号传输的影响。随参信道特性：多径传输且每条路径的衰减及时延都是随机变化的对信号的衰减随时间而变化传输的时延随时间而变化多径传播284.2随参信道特性(2)缓慢变化的随机过程294.2随参信道特性(2)R(t)可视为一个窄带随机过程，即由于多径使得确定的单频载波信号变成了包络和相位都受到调制的窄带信号从时域来看，多径时延扩散从频域来看，频率弥散/展宽衰落信号304.2随参信道特性(3)R(t)的统计特性n足够大

R(t)是窄带高斯过程V(t)的一维分布服从瑞利分布，(t)的一维分布服从均匀分布瑞利型衰落314.2随参信道特性(4)频率选择性衰落：信号频谱中某些分量的一种衰落分析：信号中不同频率分量经多条路径到达后的相位不同。某些频率分量在不同路径上的相位相同，矢量相加后该分量得到增强；某些频率分量在不同路径上的相位相反，相互抵消。因而导致接收信号不同频率分量的幅度大小发生变化。这种现象类似于信号通过一个衰减具有选择性的网络，故称频率选择性衰落324.2随参信道特性(5)以两条路径且衰减恒定为例

当一个传输波形频谱约宽于1/时，波形将产生畸变334.2随参信道特性(6)τ是变化的，故传输特性零点、极点是变化的多径传播的频率选择性衰落同样依赖于相对时延差，通常用最大多径时延差m来表征

当信号带宽B>Δf时，R(t)波形一定有畸变，产生频率选择性衰落

当信号带宽B<<Δf时，R(t)时强时弱(与τ有关)，属于平坦性衰落(一般性衰落)

为了不引起明显的频率选择性衰落，B应小于Δf且采用分集接收等技术使信号稳定相关带宽344.3随参信道特性的改善(1)由于存在多径与时变性，随参信道中的信号在接收端有可能会受到严重的衰减。这种衰减使得接收端不可能正确地判断发送信号，除非有其它的衰减程度比较小的信号副本提供给接收机，这种方法就被称为分集(diversity)。分集接收就是为了克服各种衰落，提高系统性能而发展起来的移动通信中的一项重要技术，其基本思路是：将接收到的多径信号分离成不相关的(独立的)多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大对数字系统而言，使接收端的误码率最小对模拟系统而言，提高接收端的信噪比354.3随参信道特性的改善(2)分集方式时间分集：采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本频率分集：在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号的副本空间分集：利用多副天线实现为获得好的分集效果，时间分集要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立，频率分集要求几个载波频率之间相互独立，而空间分集为保证多个发送或多个接收信号之间的独立性，要求各副天线之间的距离要足够大(大于若干波长)由上可见，空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用。常用的空间分集有接收分集、发送分集、极化分集和角度分集等。364.3随参信道特性的改善(3)时频分集(混合分集之一，以四时四频分集为例)：将一个码元宽度时间Ts等分四份为4个时间段，分别传输4个载频，不同代码传输顺序不同。在Ts内只要能正确接收到一个频率，就可判断在Ts内传输的信息代码信息代码时频编码

00f1、f2、f3、f401f2、f1、f4、f310f3、f4、f1、f211f4、f3、f2、f1374.3随参信道特性的改善(4)信号合并方式最佳选择式合并：选择信噪比最好的一路信号等增益合并：各支路信号以相同的增益直接相加最大比合并：各支路增益与本支路信噪比成正比38思考题和作业什么是调制信道？什么是编码信道？什么是恒参信道？什么是随参信道？举例。信号在恒参信道中传输时主要有哪些失真？如何减小这些失真？什么是群时延频率特性？它与相位频率特性的关系？为什么信号在随参信道中会发生衰落现象？作业：4-1，4-239附录:连续信道的信道容量405连续信道的信道容量(1)带宽受限B和平均功率受限S的条件下，独立的加性白高斯噪声信道(噪声功率为N)的信道容量(极限传信率)~Shannon公式目前尚无一个实际系统的传信率达到信道容量.415连续信道的信道容量(2)理想情况下，Rb

=C，则有425连续信道的信道容量(3)例.一帧电视图像由300000个像元组成。每