通信原理 第三章信道.ppt

1、信道,什么是信道？ 通常指以传输媒质为基础的信号通道 噪声 在信道中总是存在，所以信道在允许信号通过的同时又给信号以限制和损害 对信道和噪声的研究是通信问题的基础 信道和其中的噪声种类多样，本章只研究信道和噪声的一般特性,信道定义,一、定义 1、狭义信道：信号的传输媒质 分类：有线信道(有形而看得见，摸得着) 明线、对称电缆、同轴电缆、光缆等 无线信道(无形而看不见，摸不着) 地波、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、 人造卫星中继、散射信道,信道定义,2、广义信道：信号的传输通道（传输系统） 传输媒介（狭义信道） + 有关转换器 意义：只关心变换的最终结果，而无需关心详 细的物理过程。 分

2、类调制信道通常为模拟 编码信道通常为数字,信道定义,调制信道,从调制器输出到解调器输入,编码信道,信道数学模型,一、调制信道模型 1特性 （1）有一对或多对输入和一对或多对输出 （2）绝大部分信道是线性的，满足叠加定理 （3）具有延迟作用和损耗 （4）没有输入时（0输入）也有输出噪声,信道数学模型,2模型时变线性网络表示,为乘性干扰,为加性干扰,信道数学模型,以乘性干扰分类 1、若k(t)基本不随时间变化恒参信道 指k(t)可看成不随时间变化或相对于信道上传输信号的变化较为缓慢的调制信道（常可等效为一个线性时不变网络来分析） 2、若k(t)随时间变化随参信道 是非恒参信道的统称，或者说， k(

3、t)是随机变化的调制信道,信道数学模型,二、编码信道模型 编码信道对信号传输的影响是将一种数字序列变成另一种数字序列 当编码信道把编码器输出的数字信号传输到解码器的输入端时，由于噪声的存在以及信道带宽的有限，在传输过程中不可避免会出现差错。则编码信道模型可用数字的转移概率来描述。 数字的转移概率：表示信道输入端数字信号序列到输出端发生的转移程度 需要注意：转移概率完全由编码信道特性决定。一个特定的编码信道，有确定的转移概率,信道数学模型,最常见的无记忆（所谓信道无记忆是指：一码元的差错与其前后码元的差错发生是相互独立的）的二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如下图所示 P(0/0)、P(

4、0/1)、P(1/1)、P(1/0)称为信道转移概率。其中P(0/0) 与P(1/1)是正确转移的概率， 而P(0/1)与 P(1/0)是错误转移概率,常见的恒参信道,一、有线电信道,1明线 即平行绝缘线 优点：传输损耗低 缺点：噪声干扰敏感,2对称电缆 拧成扭绞状的电缆 优点：比较稳定 缺点：损耗较大,3同轴电缆 优点：外导体接地、屏蔽干扰 LAN用基带：50、93 CATV：75,常见的恒参信道,优点： 损耗低 频带宽 不受电磁干扰,传输中使用中继种类,4、光纤信道,常见的恒参信道,单模光纤结构,光缆结构,熔接机,常见的恒参信道,5、无线电视距中继超短波、微波 每隔40-50km须中继，容

5、量大，性能稳定，发射功率小,例 地面微波接力,两个地面站之间传送 距离：50 -100 km,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,常见的恒参信道,6、卫星中继信道 使用微波频段 使用转发器接收和转发,恒参信道特性及其对信号传输的影响,恒参信道特性,恒参信道特性及其对信号传输的影响,理想恒参信道的冲激响应为 h(t)=K0(t-td) 若输入信号为ei(t)， 则理想恒参信道的输出为 eo(t)=K0 ei (t-td) 由此可见， 理想恒参信道对信号传输的影响是： (1) 对信号在幅度上产生固定的衰减 (2) 对信号在时间上产生固定的迟延 这种情况也称信号是无失真传输,恒参信道特性及其对信

6、号传输的影响,理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延频率特性,其中群迟延特性为,理想恒参信道在整个信号频带范围之内： 幅频特性和群迟延-频率特性为常数 相频特性为的线性函数,只对ei(t)的不同频率成份进行相同的幅度衰减和时延。,恒参信道特性及其对信号传输的影响,实际中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真： 如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生幅度-频率失真； 如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内不是的线性函数， 则会使信号产生相位-频率失真,恒参信道特性及其对信号传输的影响,幅度频率畸变,产生原因 ：,由有线电话信道中可能存在的各种滤波器、混合线圈、串

7、联电容、分路电感等造成信道的幅度频率特性不理想所引起的，又称为频率失真。,一般典型音频电话信道可用右图所示的 幅度频率特性曲线近似表示。,恒参信道特性及其对信号传输的影响,产生的影响 ：,对于模拟信号：造成波形失真,对于数字信号：造成码间串扰引起相邻码元波形在时间上的相互重叠,克服措施 ：,改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效传输带宽内平坦； 增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变得平坦； 均衡器,恒参信道特性及其对信号传输的影响,相位频率畸变,产生原因 ：,来源于信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈，尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。,相位-频率畸变：是指信道的相位-频率特性偏离

8、线性关系所引起的畸变,分析方法 ：,常采用群延迟-频率特性(相位-频率特性对频率的导数)来衡量；若相位-频率特性用()来表示，则群迟延-频率特性,恒参信道特性及其对信号传输的影响,对理想信道， 呈现性关系， (为常数)的曲线将是一条水平直线，如图1。实际典型的电话信道的群迟延-频率特性如图2,恒参信道特性及其对信号传输的影响,非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变，如下图,群迟延畸变和幅频畸变一样，是线性畸变，因此，也可采取均衡措施进行补偿。,恒参信道特性及其对信号传输的影响,其它畸变 非线性畸变：信道部件非线性特性不理想造成 不易消除 频率偏移（指载频（射频）的随机漂移） 相位抖动（随

9、机抖动）,随参信道特性及其对信号传输的影响,一、陆地移动信道 陆地移动信道主要集中在VHF和UHF频段，以直射波为主，是典型的随参信道 1、直射波（自由空间传播） 自由空间传播损耗Lfs,随参信道特性及其对信号传输的影响,2、反射波 与散射波 这时接收场强E可表示为 不同界面的反射特性用反射系数R表征,随参信道特性及其对信号传输的影响,3、折射波 大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落 大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6.37106 m

10、)变成了等效半径Re,随参信道特性及其对信号传输的影响,二、短波电离层反射信道 电离层是指离地面高60600km的大气层。当短波电磁波经过时经反射、折射完成远距离的反射传输，同时也受到衰减、延时等影响,随参信道特性及其对信号传输的影响,优点： （1）要求功率小、设备成本低 （2）传播距离远 （3）有适当的频带宽度 （4）不易破坏 缺点： （1）可靠性差 （2）需要经常更换频率 （3）存在快衰弱和多径时延失真 （4）干扰电平高,随参信道特性及其对信号传输的影响,三、对流层散射信道,热成层,中间层,同温层,对流层,随参信道特性及其对信号传输的影响,对流层：离地10-12km以下 特性：（1）一跳：

11、传播距离100-500km （2）可靠性高99.9% 应用：（1）干线通信（300km中继） （2）点对点通信,随参信道特性及其对信号传输的影响,随参信道的特点 1对信号的衰耗随时间变化而变化 2传输的时延随时间变化而变化 3多径传播 多径中各路经信号的衰耗和时延也随时间变化而变化,随参信道特性及其对信号传输的影响,多径传播的分析 衰弱分析,随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,1、波形、频谱类似窄带信号 2、原因：衰落信号、多径（频率弥散）,随参信道特性及其对信号传输的影响,1、R(t)为窄带高斯过程,2、包络V(t)为一维瑞利分布,3、(t)为一维均匀分布,随

12、参信道特性及其对信号传输的影响,多径传播使单一正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落 多径传播使单一线谱变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散,随参信道特性及其对信号传输的影响,两条路经时的频率选择性衰落分析,（1）传输特性分析,随参信道特性及其对信号传输的影响,可以分成两部分为 时延网络,（2） 特性,随参信道特性及其对信号传输的影响,（3）结论,图形,这种传输特性使得不同频率衰减不同即选择性衰落,选择性衰落，决定于时延差 定义最大多径时延差m 则：频率间隔（相邻的传输零点间隔）f=1/m 信号频谱大于这个频率间隔会产生明显的选择性衰落 数字信号产生严重的

13、码间串扰,相关带宽,随参信道特性的改善,分集的基本原理 分散得到几个统计独立且携带同一信息的信号并集中这些信号，那么经适当的合并后构成总的接收信号，就能使系统的性能大为改善。,抗快衰落技术,分集接收,1、分集方式 在移动通信系统中可能用到两类分集方式： 一类称为“宏分集”；另一类称为“微分集”。 “宏分集”也称为“多基站”分集 “微分集”利用在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性,分集接收,微分集方式 (1)空间分集：在接收端架设几副有足够的间距（市区 d=0.5 郊区 d=0.8）天线，以保证各天线上获得的信号基本相互独立 (2)频率分集：用多个

14、不同载频传送同一个消息，如果各载频的频差相隔比较远（大于相关带宽），则各载频信号也基本互不相关 (3)极化分集：由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，用不同极化的天线分别发送和接收信号 (4)场分量分集： EZ、HX和HY的分量是互不相关的,分集接收,(5)角度分集:使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端 (6)时间分集:只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的,分集接收,合并方式,最佳选择式 ：从几个分散信号中选择其中信噪比最好的一个作为接收信号；,等增益相加式 ：将几个分散的信号以相同增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号；,最大比值相加式

15、 ：使各支路增益分别与其信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。,图中n为分集重数，r为合并后输出信噪比的平均值,信道的加性噪声,加性噪声的来源： 人为噪声：来源于其它无关的信号源，如外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射、荧光灯干扰等 自然噪声：自然界存在的各种电磁波源，如闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其它各种宇宙噪声等 内部噪声：系统设备本身产生的各种噪声，如导体中自由电子的热运动（热噪声）、电源哼声等,加性干扰n(t)也称加性噪声，简称噪声,信道的加性噪声,加性噪声的分类： 1、确知噪声 2、随机噪声 可分为单频噪声、脉冲噪声、起伏噪声 单频噪声：占有频率很窄的连续波噪声 特点：可视为一

16、个已调正弦波，其幅度、频率或者相位是事先不能预测的。但这种噪声占有极窄的频带，在频率轴上的位置可以测量进而防止，因此并不是所有的通信系统中都存在。如外台信号等,信道的加性噪声,脉冲噪声 ：时间上无规则地突发的短促噪声 特点：突发的脉冲幅度大，但持续时间短，相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段。有较宽的频谱，但随频率升高能量降低。对数字通信影响大 如工业上的点火辐射，闪电及偶然的碰撞和电气开关通断产生的噪声等 起伏噪声：以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声 特点：无论在时域还是频域内它们都是普遍存在和不可避免的；是影响通信质量的主要因素之一，是研究噪声的主要对象,信道的加性噪声,起伏噪声来源

17、 1热噪声 （1）定义 布朗运动引起的，其交流成分即为热噪声 （2）服从高斯分布 在1013Hz以内（微波） 其功率谱密度为P(w)=2kTG （3）电阻噪声的表示 均方根值,信道的加性噪声,2散弹噪声 （1）定义 由电子发射不均匀引起的噪声 （2）单位时间内电子数是随机的，但总电流是一个高斯过程 3宇宙噪声 （1）定义 天体辐射波对接收机形成的噪声 （2）20-300M内，其强度和频率的3次方成正比 （3）服从高斯分布,信道的加性噪声,起伏噪声的共性 （1）是高斯噪声 （2）有平坦的功率谱密度 对于带宽为Bn的窄带高斯噪声，认为它的功率谱密度 Pn()在带宽Bn内是平坦的 （3）可近似为高斯

18、白噪声 通过P.F.后为窄带高斯噪声 （4）调制信道（通过滤波器后）的加性噪声可近似为窄带高斯噪声,信道容量,信道容量：信道能够传输信息的最大传输速率 即信道的极限传输能力 从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类： 离散信道：输入和输出的信号都是取离散的时间函 数； 即广义信道中的编码信道 连续信道：输入和输出信号都是取值连续的时间函 数；即广义信道中的调制信道,信道容量,一、离散信道的容量 设P(xi)为发送xi的概率，P(yi)为收到符号yi的概率，P(xi/yi)为转移概率 1在噪声系统中信息量 发xi收到yi的信息量=发xi的信息量发xi收到yi的条件条件信息量 =I(xi)-I(yi/xi),信道容量,每符号的平均信息量： 平均信息量/符号=发送xi的平均信息量- 发xi收到yi的平均信息量 H(x)：为发每个符号的平均信息量 H(x/y)：为平均丢失的信息量,信道容量,2传输速率 传信息的能力：定义为单位时间内所传平均信息量,若单位时间传送r个符号，则,3信道容量 C=Max(R)，最大传输速率=MaxHt(x)-Ht(x/y),只有0、1符号的信息源，消息传输率1000符号/秒，且两符号等概。传输中每100个符号有一个符号不正确。求传输信息的速率。若发任何符号，接受端出现0、1的概率都为1/2，求传输信息的速