通信原理精品课件第4章信道.ppt

4.1 引言 4.2 信道的定义及其数学模型 4.3 恒参信道特点及其对信号传输的影响 4.4 随参信道特性及其对信号传输的影响 4.5 随参信道特性的改善技术 本章小结 习题,第4章 信 道,4.1 引 言 消息由一个地点传送到另一个地点，是通过传输携带有消息的电信号来实现的。电信号的传输需要通道，一般把传输电信号的通道称做信道。信道按其媒质的不同可分为两大类：有线信道和无线信道。有线信道的主要传输媒质有同轴电缆、光纤、双绞线等，无线信道的传输媒质有地波传播、短波电离层反射、超短波及微波视距中继、宇宙空间中继，及各种散射信道等。利用有线信道传输信号的通信叫有线通信，利用无线信道传输信号的通信叫无线通信。,传输媒质也被称为狭义信道。但是，在通信过程中信号还必须经过很多设备(如发射机、接收机、放大器、滤波器、调制和解调器等)进行各种处理，这些设备显然也是信号经过的途径。我们把传输媒质和信号必须经过的各种通信设备称为广义信道。,4.2 信道的定义及其数学模型 广义信道按照它包含的功能部件，可以划分为调制信道与编码信道，图4.2.1所示为信道的模型。,图4.2.1 信道模型的划分,1. 调制信道 调制信道的含义是指调制器输出到解调器输入这部分的信道，它是模拟信道。对研究调制解调性能而言，不管在调制信道中作何变换、通过何种媒质，只需知道通过调制信道的输出信号与输入信号间的关系即可。,调制信道的共性如下： (1) 有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端。 (2) 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理。 (3) 信号通过信道具有一定的延迟时间，而且它还会受到固定的或时变的损耗。 (4) 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的噪声输出。 根据上述共性，我们可以用一个二对端(或多对端)的时变线性网络来表示调制信道，该网络称为调制信道模型，如图4.2.2所示。,图4.2.2 调制信道模型,(1) 恒参信道：当eo(t)=k0ei(t-)+n(t)，即k(t)k0近似为常数时，信道对信号的影响是：振幅是固定的或缓变的，时延(=d(f )/df )是固定的。 (2) 随参信道：当k(t)是一个复杂的随机函数，信道对信号产生线性、非线性失真，时延和振幅随时间变化，如快衰落等。,2. 编码信道 编码信道是指编码器输出到译码器输入这部分的信道。它是数字信道，因此不考虑k(t)和n(t)的影响。它对信号的影响反映在数字序列的变化上，即数字间的转移概率上(正确与错误的概率)。 对于二进制数字传输系统，简单的编码信道模型如图4.2.3所示。在这个模型中P(0/0)、 P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称为信道转移概率。其中，P(0/0)、P(1/1)为正确转移概率；P(1/0)、P(0/1)为错误转移概率。 k(t)和n(t)对编码信道的影响反映在上述转移概率中。,图4.2.3 二进制编码信道模型,1. 无失真传输 当网络传输特性H(f )满足线性不失真传输条件，即 时，输入和输出信号满足如下关系： (4-3-1) 式中，ei(t)和eo(t)分别为网络的输入、输出信号； Eo(f )Ei(f )分别为ei(t)和eo(t)的频谱函数，H(f )为网络传输特性。,4.3 恒参信道特点及其对信号传输的影响,信道的相频特性还经常用群时延 - 频率特性来衡量。若相频特性为(f )，则群时延-频率特性可以表示为 (4-3-2) 不难看出，如果相频特性呈线性关系，则群时延特性曲线呈一条水平直线。此时信号的不同频率成分将有相同的群时延，因而信号经过传输后不会产生失真。,2. 产生失真的传输 当|H(f )|k(k为常数)时，将产生幅频失真(幅度-频率失真)；当(f )-2f td时，产生相频失真(相位-频率失真)。 1) 幅频失真 在常用的电话信道中，有各种滤波器、混合线圈、电容和电感等器件，这些器件会造成电话信道幅频特性的失真，产生频率失真。图4.3.1所示为典型音频电话信道的幅频特性曲线。由图可以看出，幅频特性不再是常数，当频率低于300 Hz时，每倍频程衰耗上升1525 dB；在3001100 Hz范围内，损耗较为平坦；在11002900 Hz之间，衰耗线性上升；在2900 Hz之上，衰耗快速增加。,图4.3.1 典型音频电话信道的相对衰耗,由于幅频特性失真，即|H(f )|k，传输信号的幅度将随频率而产生失真，引起信号波形失真。如果模拟信号波形失真，解调后基带信号也将失真。对于数字信号，H(f )不理想，可能造成码间串扰而产生误码。 例如，2ASK系统原理框图如图4.3.2(a)所示。图中设发射滤波器带宽无限大，对信号传输无影响，则调制信道幅频特性失真对2ASK信号解调的影响如图4.3.2(b)所示。由于幅频特性失真的影响，使接收信号si(t)中前一个码元的值影响(串扰)到后面码元的，造成后面码元的错误判决，产生误码。,图4.3.2 2ASK系统原理框图及各点波形示意图,2) 相频失真 相频失真是指信道的相位-频率特性偏离线性关系所引起的失真。电话信道中的相频失真主要是由信道中的各种滤波器和电感线圈引起的。在信道频带的边缘，失真更为厉害。相频失真如图4.3.3所示。图4.3.3(a)为理想和有失真时的相位-频率特性及群时延-频率特性；图4.3.3(b)为有相频失真时对传输信号的影响，图中显示不同的频率分量相移不同，造成合成波形失真。,图4.3.3 相频特性及有相频失真时对传输信号的影响,相频失真对模拟语音通信影响不大，因为人的耳朵对相频失真不敏感，仅对视频信号有一定影响。但对数字信号进行传输，尤其是高速传输时，相频失真会引起严重的码间串扰，造成误码。 在工程设计时，应使|H(f )|失真范围及(f )误差范围符合要求。,3. 克服失真的措施 对模拟通信系统，克服失真的常用方法是采用频域均衡技术，使信道、均衡器联合传输特性在信号频率范围内满足无失真传输条件，消除失真。 对数字通信系统，克服失真的常用方法是合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间串扰。当信道特性缓慢变化时，采用时域均衡器，使码间串扰降到最小，且能够自适应随着信道特性的变化而变化。,4.4 随参信道特性及其对信号传输的影响 4.4.1 常见的随参信道 随参信道包括电离层反射信道，超短波流星余迹散射信道，超短波电离层散射以及超短波视距绕射等传输媒质所分别构成的调制信道。为了分析随参信道的一般特性，我们主要介绍短波电离层反射信道，它是典型的随参信道。,4.4.2 短波电离层反射信道 短波是指波长为10100 m(频率为330 MHz)的电磁波。短波主要靠电离层反射(天波)来进行传播，也可以和长、中波一样靠地波进行短距离传播。每一种传播形式都具有各自的频率范围和传播特性。地波传播一般是近距离的，限于几十千米的范围内；天波传播借助于电离层的一次或多次反射可以传播几千千米，甚至上万千米。下面简单介绍短波电离层信道的传播特性。,1. 短波电离层反射信道的传播形式 天波也称为电离层波。一般情况下，短波的天波传播较其地波传播具有更重要的意义。这不仅仅是因为天波可以进行远距离传播，可以超越丘陵地带，而且还可以在地波传播宣告无效的很短的时间内建立无线电通信线路。 1) 电离层的结构特点 电离层是围绕着地球，距地表60450 km的大气层。按照电子密度分布，电离层在结构上比较明显的分成四层：D层、E层、F 1层和F 2层。这些导电层分别对短波传播有着不同的影响，归纳如表4-4-1所示。,2) 电离层对电波传播的影响 (1) 电离层对电波的吸收衰减 在电离层中，除了自由电子外，还有中性分子和离子，它们都处在不规则的热运动中。当电波入射到电离层后，自由电子在电波的作用下作强迫运动，与处于热运动中的其它分子、离子碰撞而损失能量，从而使电波受到衰减，这种现象称为电离层吸收。显然，Ne(电子密度)愈大，电波受到的电离层吸收愈大；通过电离层的频率愈高，电子运动方向的改变越频繁，受电场单方向加速的时间越短，运动速度降低，碰撞所消耗的能量减少，因而电波所受到的吸收就小。,(2) 电离层对电波的折射和反射 电离层的带电离子在电波电场的作用下发生运动，产生徙动电流。徙动电流的场反过来使电波的电磁场关系发生改变。这种效应等效于电离层的介电常数发生变化，显然这种等效介电常数的大小与电子密度有关。我们知道，物质的折射系数等于相对介电系数的平方根。由于电离层的电子密度随高度的变化而变化，所以电离层的折射系数也将随高度而变化，因此电波进入电离层后将不沿直线传播而产生连续的折射，直至发生全反射。如图4.4.1所示。经分析，得知电波在电离层产生全反射的条件为,上式表明：要使电波从电离层反射回来，电波频率f 、入射角0和电离层反射点的电子密度Ne之间应满足一定的关系。即： 当频率f 和入射角0一定时，电子浓度Ne要足够大，否则，电波穿透电离层不再反射回来。 f 一定时，入射角0越小，电波反射所需的Ne越大。 0一定时，f 越高，使电波折回所需的Ne越大，即电波越深入电离层。 综上所述，当电波按不同的入射角射向电离层时，电离层对电波的作用是不同的。入射角越大，电离层所能反射的频率越高。电离层所能反射的电波的最高频率称为最高可用频率(MUF )。MUF 是短波通信线路设计中的重要参数之一。,图4.4.1 电波在电离层中折射示意图,2. 最高可用频率(MUF ) 最高可用频率是指在实际通信中，能被电离层反射回地面的电波的最高频率。若选用的工作频率超过它，则电波穿出电离层，不再返回地面，所以确定通信线路的MUF是线路设计需要确定的重要参数之一，而且是计算其它参数的基础。,通过对分析与实测结果的讨论，我们可以得到关于MUF 的重要概念： (1) MUF 是指给定通信距离下的最高可用频率，可记为MUF(d)。根据前面给出的电离层对电波的全反射条件公式可知：如果通信距离d越大，则电波进入电离层的入射角0就会越大，所能反射的频率f 也就越高。此外，公式还表明，MUF 还和反射层的电子密度Ne有关，即Ne越大，MUF也就越高，所以凡影响电子密度的因素，也都将影响MUF 的数值。 (2) 设通信线路选用工作频率f ，则当f MUF时，会穿出电离层不反射；当f=MUF时，只有一条传播路径，所以在一般情况下，有可能获得最佳接收。,(3) MUF 是电波能反射回地面和穿出电离层的频率临界值。考虑到电离层的结构随时间而变化，为了保证获得长期稳定的接收，在确定线路的工作频率时，不是取预报的MUF值，而是取低于MUF 的最佳工作频率FOT。一般有： FOT=0.85MUF 选用FOT之后，能保证通信线路有90%的可通率。但此时由于工作频率较MUF下降了15%，接收点的场强较工作在MUF 时约损失1020 dB，可见为此付出的代价是很大的。 (4) FOT随时间而变化。电离层的电子密度是随时间变化的，因此FOT随昼夜的变化而变化。,3. 传输模式 在远距离短波通信线路的设计中，为了获得比较小的传输衰减，或者为了避免仰角太小，以致现有的短波天线无法满足设计要求时，需要精心地选择传输模式。,通过分析，我们得到一般的结论：若要求通信距离为2200km，可以利用F2层反射，反射点高度为300 km时，选用仰角10和单跳模式，就可满足以上要求。这种传输模式称为1F2传输模式。从图4.4.2(a)中可以看出，满足2200 km的传输还可以利用E层两次反射，通常称为两跳，即2E模式。此时所需仰角约4左右。当通信距离d2500 km时，往往采用多跳，以获得较大的仰角。图4.4.2(b)中所示的2FE模式，是一种三跳模式，线路的两端利用F2层反射, 而中间一跳利用E层反射。这种传输模式的中间地段反射点可能发生在中午，而线路两端地段已是太阳下山或夜间，此时中间地段E层有较强的电子密度，有能力反射所选用工作频率。,图4.4.2 在短波线路上可能出现的传输模式,4. 多径传播 如上所述，电波可以通过若干条路径或者不同的传输模式到达接收端，即所谓的多径传播。由于各条路径具有不同的长度，所以到达接收端的各条射线的传播时间是不同的。通过多次测量，可以得到短波通信线路不同传播模式的传播时延差的统计值。多径时延(多路径间的最大传播时延差)是导致短波数据通信中码元失真的主要原因。,在短波信道中，多径时延有下列特征： (1) 多径时延随着工作频率偏离MUF 的增大而增大。若希望多径时延小，工作频率应尽可能靠近MUF 。因此，实时选频是达到该目的最基本的条件。 (2) 多径时延和通信距离有密切关系。一般在200300 km的短波线路上，由于电离层与地面间的多次反射，使多径时延最严重，可达8 ms；在20008000 km的线路上，可能存在的传输模式减少，故多径时延只有23 ms。当通信距离进一步增大时，由于不再存在单跳模式，多径时延又随之增大。 (3) 多径时延随时间而变化。多径时延随时间而变化的原因是由于电离层的电子密度随时间变化，从而使MUF 随时间变化。电子密度变化越急剧，多径时延的变化也越严重。,4.4.3 对信号传输的影响 1. 造成信号衰落 在短波通信中，即使在电离层的平静时期，也不可能获得稳定的信号。在接收端，信号振幅忽大忽小随机变化是短波通信中的主要现象，这种现象称为“衰落”。根据衰落的持续时间，可分为快衰落和慢衰落两种。连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰落；持续时间比较长的衰落(可能达一小时或者更长)称为慢衰落。根据衰落产生的原因，又可分为干涉衰落、吸收衰落和极化衰落。,1) 干涉衰落 由于多径传播以及电离层的结构随时间变化，因此到达接收端的各路径信号的衰减和时延也都是随时间变化的，导致合成信号的振幅随机起伏。显然，这种衰落是由到达接收端各路径信号的干涉所造成的，故称为干涉衰落。,干涉衰落有下列特征： (1) 具有明显的频率选择性。干涉衰落通常只对某个频点或某个不超过300 Hz的窄频段产生影响，因此具有一定带宽的高频已调信号会由于其频带内部分频率分量的衰落而产生失真。由于干涉衰落具有频率选择特性，故也称为选择性衰落。 (2) 衰落信号的振幅服从瑞利分布。通过长期的观察，证实了遭受快衰落的电场强度振幅服从瑞利分布。 (3) 根据大量的测量结果，干涉衰落的速率(也称衰落速率)大约为1020次/分钟；衰落持续时间通常为420 ms；衰落深度可达40 dB，偶尔达80 dB。其中持续时间的长短可以用来判别是吸收衰落还是干涉衰落。,2) 吸收衰落 产生吸收衰落的原因是D层衰减特性的慢变化，其时间最长可以持续一小时或更长，因此吸收衰落属于慢衰落。 3) 极化衰落 产生极化衰落的原因是电波被电离层反射后，其极化方向发生了变化。极化衰落出现的概率远远小于干涉衰落。,2. 相位起伏(多普勒频移) 多径传播不仅使接收点的信号振幅随机变化，而且也使接收信号的相位起伏不定。这种相位起伏，也可以看成是由电离层不规则运动变化引起的高频载波的多普勒频移。其结果导致信号的频谱结构产生失真。若从时间域的角度观察这一现象，这意味着短波传播中存在着时间选择性衰落。 在电离层平静时期的夜间，不存在多普勒效应；在其它时间，多普勒频移大约在12 Hz的范围内；当发生磁暴时，多普勒频移最高可达6 Hz。,4.4.4 短波信道对数据传输的主要影响 1. 多径效应导致信号衰落(频率扩散) 若设发射信号为x(t)=A cos2f0t，则经N条传输路径到达接收端的接收信号为 式中，Ai(t)为第i条路径的接收信号振幅，i(t)为第i条路径的传输时延。,由于Ai(t)和i(t)都是时变的，因此多径传输的结果使单一频率的正弦波x(t)，如图4.4.3(a)所示，变成了振幅衰落、相位起伏的调幅调相波y(t)，如图4.4.3(b)所示。从频谱上看，单一频率谱线被展宽为一个窄带的频谱，即多径传输引起了频谱展宽，如图4.4.3(c)所示。我们把这种现象称之为“频率扩散”。一般来说，频率扩散现象与信号包络在时间上的起伏变化相联系，故常把这种类型的衰落叫做时间选择性衰落。,图4.4.3 衰落信号的波形和频谱,总之，多径效应导致传输信号的衰落，甚至完全消失。这是造成短波数据通信中出现突发错误，系统误码率升高的主要原因。分析表明，信号传输速率愈高，即码元间隔Ts愈小，时间选择性衰落对误码率的影响也愈小。所以，时间选择性衰落对低速数据传输很不利，而对高速数据传输的影响通常可以忽略。,2. 多径效应引起波形展宽(时间扩散) 对于高速数据传输，码元间隔Ts相对于路径时延并没有大很多，这时多径传输将引起频率选择性衰落现象。图4.4.4(a)是短波电离层信道双径传输示意图。假定两条路径到达的信号强度相等，两条路径间最大相对时延差为，则由于两条路径到达接收点的时间不同，使原先发送的宽度为Ts的波形展宽为(Ts+)，如图4.4.4(b)所示。由于合成波形展宽且严重失真，结果使得基本信号码元间隔Ts加长的部分落在后续码元的时间间隔内，形成码间干扰。,图4.4.4 短波电离层信道双径传输,实际的多径传播情况更为复杂，人们把这种波形展宽现象称之为时间扩散。从频谱上看，发送信号具有均匀的频谱，而接收信号的频谱则不是均匀的，其中某些频率分量出现了衰落现象，故常把这种类型的衰落叫做频率选择性衰落。显然，要降低频率选择性衰落的影响，就要降低信号的传输速率，即加大信号的码元间隔Ts。因为Ts越大，多径传输造成的信号失真和展宽部分相对于Ts就越小，从而码间干扰的可能性也大大降低。,3. 电离层快速运动和反射层高度变化引起多普勒频移 由于电离层快速运动和反射层高度变化，使发射信号的频谱结构发生变化，相位起伏不定，从而造成数据信号的错误接收，系统误码率升高。 综上所述，多径传播引起的频率扩散和时间扩散分别对低速和高速数据传输不利，为了降低它们的影响，必须适当的选择码元间隔。实践与分析结果表明：最佳码元间隔约为1020ms，即最佳码元速率为50100 B。例如，国内外普通SSB电台移频报最常见的传码率为50 B、75 B和110 B三种，而SSB电台的一个话路带宽有3 kHz。传输这么低速的数据显然是不能令人满意的，为了提高短波数据传输的速度和可靠性，必须采取一定的技术措施。,4.5 随参信道特性的改善技术 目前，在短波电离层随参信道上广泛采用的抗多径、抗衰落的技术措施有以下四种。 (1) 自适应技术。包括频率自适应、速率自适应、功率自适应、自适应均衡等。其中频率自适应是目前抗多径和抗干扰最有效的措施。 (2) 抗衰落性能良好的调制键控技术。如时频调制技术、扩频调制技术等等。,(3) 差错控制技术。在数据传输系统中加入某种类型的差错控制系统，使接收端具有检测和纠正信息部分错误的能力，从而提高系统的通信质量。 (4) 分集接收技术。在给定信号形式的条件下，接收端通过对接收信号的某些处理来提高系统的抗衰落和抗干扰能力。按广义信道的含义来说，分集接收可看做是随参信道的组成部分或是一种改造形式，改造后的随参信道，衰落特性将得到改善。,目前，明显有效且常用的措施之一是分集接收技术。 分集接收技术的基本思想是，如果在接收端同时接收获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总信号，则能大大减小衰落的影响。分集的含义是分散得到几个信号并集中(合并)这些信号的意思。只要被分集的几个信号之间是统计独立的，那么通过适当的合并就能减小衰落的影响，提高系统性能。,从分集接收技术的基本思想可以看出，分集接收技术包括两个方面的内容：一是信号的分散传输。把空间、频率、时间、角度和极化等方面分离得足够远的随参信道，衰落可以认为是相互独立的，所以利用信号分散传输，在接收端获得的各路信号不可能同时发生深衰落。这样分集接收能克服快衰落，达到可靠传输的目的。二是信号合并。接收端把在不同情况下收到的多个相互独立衰落的各路信号按某种方法合并，然后再从中提取信息。只要各分支信号相互独立，就可以在衰落情况下起相互补偿作用，从而使接收性能得到改善。,1. 分集方式 分集的方式就是指信号分散传输的方式，常用的方式有： (1) 空间分集。接收端架多副天线，每副天线间相隔100个信号波长以上，以保证各路接收的信号相互独立。 (2) 频率分集。多个载频传送同一消息，各路频率之差大于相关带宽，这样接收到的信号基本不相关，不可能同时发生深衰落。 (3) 时间分集。用同一频率在不同时刻传输同一信息，在不同时刻不可能同时衰落同一载频信号。,(4) 时频分集。频率和时间分集，属于两种分集方式联合。时频调制也可看做时频分集的一种方式，称为时频编码分集。 (5) 角度分集和极化分集等。 信号分散传输的路数称为分集重数。上述各种分集方式中，除极化分集只能取垂直和水平极化两重分集外，其它方式原则上分集重数不受限制。但兼顾到性能和设备的复杂程度，目前常用的是二重、四重，个别的高达八重。,2. 合并方式 分集接收效果的好坏除与分集方式、分集重数有关外，还与接收端采用的合