通信原理_第四章 信道.ppt

4 1无线信道4 2有线信道4 3信道数学模型4 4信道特性对信号传输的影响4 5信道中的噪声4 6信道容量 第四章信道 本章内容简介 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 第四章信道 引言 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 第四章信道 4 1无线信道 无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制 第四章信道 什么是电磁波 4 1无线信道 第四章信道 一地球大气层的结构 对流层 地面上0 10km平流层 约10 60km电离层 约60 400km 第四章信道 二电磁波的分类 1地波频率 2MHz有绕射能力距离 数百或数千千米2天波频率 2 30MHz特点 被电离层反射一次反射距离 4000km寂静区 第四章信道 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 480km的大气层称为电离层 第四章信道 天波又称为电离层反射波 天波传播借助于电离层的一次反射或多次反射可传输几千千米 乃至上万千米的距离 这种信道也被称为短波电离层反射信道 短波电离层反射信道 1 传播路径 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 第四章信道 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层和F1消失 E层吸收减小 允许工作频率降低 第四章信道 短波电离层反射信道 3 多径传播 一次反射与两次反射 地球 发送 接收 反射高度不同 漫射现象 略 寻常波与非寻常波 略 第四章信道 短波电离层反射信道 4 电离层反射信道特点 优点 要求功率小 设备成本低 传播距离远 受地形影响小 不易受人为破坏 有一定的带宽或传输容量 缺点 干扰电平高 存在快衰落和多径时延失真 传输可靠性差 需要经常改换工作频率 导致使用复杂 第四章信道 3视线传播 频率 30MHz距离 和天线高度有关 4 1 3 式中 D 收发天线间距离 km 例 若要求D 50km 则由式 4 1 3 增大视线传播距离的其他途径中继通信卫星通信 静止卫星 移动卫星平流层通信 m 第四章信道 1 无线电视距传播信道 第四章信道 2 卫星中继信道 第四章信道 3 平流层通信 第四章信道 平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台代替卫星作为基站的通信 平台高度距地面17km 22km 可以用冲氮飞艇 气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台 若高度在20km 则可以实现地面覆盖半径约500km的通信区 若在平流层安置250个冲氮飞艇 可以实现覆盖全球90 以上人口的地区 平流层通信系统与卫星通信系统相比 费用低廉 延迟时间小 建设快 容量大 电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收 第四章信道 三电磁波在传播时受到的影响 电离层散射机理 由电离层不均匀性引起频率 30 60MHz距离 1000km以上对流层散射机理 由对流层不均匀性 湍流 引起频率 100 4000MHz最大距离 600km 第四章信道 四散射传播 对流层散射信道 地球 发送 接收 图4 8对流层散射信道传播路径 第四章信道 第四章信道 流星余迹散射流星余迹散射特点 高度80 120km 长度15 40km存留时间 小于1秒至几分钟频率 30 100MHz距离 1000km以上特点 低速存储 高速突发 断续传输 4 2有线信道 第四章信道 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 电缆中的线对数量可以不同 线径也可不同 第四章信道 一明线 明线是指平行架设在电线杆上的架空线路 它本身是导电裸线或带电绝缘的导线 它的传输损耗低 但易受天气和环境的影响 对外界噪声干扰较敏感 二对称电缆 由许多对双绞线组成 第四章信道 第四章信道 第四章信道 三同轴电缆 四光纤结构纤芯包层按折射率分类阶跃型梯度型按模式分类多模光纤单模光纤 第四章信道 全反射演示 swf 第四章信道 光纤信道 光纤与光缆 光波长 单模光纤与多模光纤 光纤的色散与衰耗 第四章信道 光纤通信的优点 无中继传输距离长 系统频带宽 容量大 具有极强的抗电磁干扰能力 第四章信道 色散图解 损耗与波长关系损耗最小点 1 31与1 55 m 第四章信道 第四章信道 4 3信道数学模型 调制信道数学模型 4 3信道数学模型 4 3 1调制信道数学模型 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 第四章信道 式中 信道输入端信号电压 信道输出端的信号电压 噪声电压 4 3 1调制信道数学模型 第四章信道 因k t 随t变 故信道称为时变信道 因k t 与相乘 故称其为乘性干扰 因k t 作随机变化 故又称信道为随参信道 若k t 变化很慢或很小 则称信道为恒参信道 乘性干扰特点 当没有信号时 没有乘性干扰 第四章信道 4 3 1调制信道数学模型 4 3 1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 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 第四章信道 4 3信道数学模型 调制信道与编码信道 4 3 2编码信道数学模型 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 第四章信道 4 3信道数学模型 调制信道与编码信道 4 3 2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 系统的误码率是 系统的误码率Pe P 0 P 1 0 P 1 P 0 1 第四章信道 4 3信道数学模型 调制信道与编码信道 4 3 2编码信道数学模型 M进制数字编码信道 系统误码率是 第四章信道 第四章信道 4 4信道特性对信号传输的影响 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 4 4 1幅度 频率畸变 相位 频率畸变 4 4 1幅度 频率畸变 相位 频率畸变 第四章信道 左图为典型电话信道特性用插入损耗便于测量 图4 18 a 插入损耗 频率特性 第四章信道 4 4 1幅度 频率畸变 相位 频率畸变 相位 频率特性 要求其为通过原点的直线 即群时延为常数时无失真群时延定义 第四章信道 4 4 1幅度 频率畸变 相位 频率畸变 频率失真 振幅 频率特性不良引起的频率失真 波形畸变 码间串扰解决办法 线性网络补偿相位失真 相位 频率特性不良引起的对语音影响不大 对数字信号影响大解决办法 同上非线性失真 可能存在于恒参信道中定义 输入电压 输出电压关系是非线性的 其他失真 频率偏移 相位抖动 第四章信道 4 4 2随参信道特性及其对信号传输的影响 随参信道特性参数 衰耗与时延 随时间快速变化 随参信道多存在多径传播随参信道是一种时变多径传播信道 对信号的衰耗随时间而变化 传输的时延随时间而变化 多径传播 Hi t Hi t e j i t 第四章信道 随参信道 又称时变信道 信道参数随时间而变 随参信道举例 天波 地波 视距传播 散射传播 多径效应 信号经过几条路径到达接收端 而且每条路径的长度 时延 和衰减都随时间而变 即存在多径传播现象 下面重点分析多径效应 第四章信道 4 4 2随参信道特性及其对信号传输的影响 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 第四章信道 4 4 2随参信道特性及其对信号传输的影响 设发送信号为s t Acos 0t 该信号经过n条路径传播后 接收信号r t 4 4 1 4 4 2随参信道特性及其对信号传输的影响 一般性衰落 瑞利衰落 式中 i t 为第i条路径的接收信号振幅 i t 为第i条路径的信号传播时延 且有 i t 0 i t i t 和 i t 都是随时间变化的 实验表明 i t 和 i t 随时间变化与发送载频的周期性变化相比 通常要缓慢得多 即 i t 和 i t 均可以认为是随时间缓慢变化的随机过程 第四章信道 4 4 2随参信道特性及其对信号传输的影响 一般性衰落 瑞利衰落 有 r t Xc t cos ot Xs t sin ot V t cos ot t 4 4 2 第四章信道 4 4 2随参信道特性及其对信号传输的影响 一般性衰落 瑞利衰落 前面式子中 由于 i t 和 i t 是缓慢变化的 所以XC t XS t 及包络V t 和相位 t 也是缓慢变化的 我们称r t 是一个窄带随机过程 图4 20衰落信号的波形与频谱示意图 从频谱上看 时变多径传播信道将正弦载波的单个离散频率变成了具有一定宽度的窄带频谱 如图4 20 b 所示 我们常称之为频率弥散 从波形上看 时变多径传播的结果使确定的单一正弦载波信号Acos 0t变成了包络和相位都受到调制的信号 如图4 20 a 所示 这样的信号 通常被称之为衰落信号 第四章信道 所以 接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号 结论 发射信号为单频恒幅正弦波时 接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号 这种包络起伏称为快衰落 衰落周期和码元周期可以相比 另外一种衰落 慢衰落 由传播条件引起的 第四章信道 4 4 2随参信道特性及其对信号传输的影响 频率选择性衰落 第四章信道 多径效应简化分析 发射信号为 f t 仅有两条路径 路径衰减相同 时延不同两条路径的接收信号为 Af t 0 和Af t 0 其中 A 传播衰减 0 第一条路径的时延 两条路径的时延差 求 此多径信道的传输函数设f t 的傅里叶变换 即其频谱 为F 第四章信道 4 4 4 则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数 故得出此多径信道的传输函数为上式右端中 A 常数衰减因子 确定的传输时延 和信号频率 有关的复因子 其模为 第四章信道 按照上式画出的模与角频率 关系曲线 曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差 而 是随时间变化的 所以对于给定频率的信号 信号的强度随时间而变 这种现象称为衰落现象 由于这种衰落和频率有关 故常称其为频率选择性衰落 图4 22多径效应 第四章信道 4 4 2随参信道特性及其对信号传输的影响 二 频率选择性衰落 幅频特性为 1 e j 1 cos jsin 2cos2 2 j2sin 2 cos 2 2 cos 2 图4 23两径传播信道的幅频特性示意图 当一个传输波形的频谱宽于1 时 传输信号的某些频率成分将比另外的频率成分受到更大的衰减 甚至根本传输不过去 波形将受到严重的畸变 这种畸变就是所谓的频率选择性衰落 简称选择性衰落 所引起的 设最大多径时延差 m 则定义 f 1 m即为相邻传输零点的频率间隔 这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关带宽 如果 传输信号的频谱宽于 f 则该信号将产生明显的频率选择性衰落 为了不引起明显的频率选择性衰落 要求 限制传输信号的频带宽度 在0 2 f 0 5 f内 选择载波信号使传输信号的频谱中心f0在信道传输特性 H 的极点处 相关带宽 f 1 m的整数倍频率上 第四章信道 定义 相关带宽 1 实际情况 有多条路径 设 m 多径中最大的相对时延差定义 相关带宽 1 m多径效应的影响 多径效应会使数字信号的码间串扰增大 为了减小码间串扰的影响 通常要降低码元传输速率 因为 若码元速率降低 则信号带宽也将随之减小 多径效应的影响也随之减轻 第四章信道 随机噪声 单频噪声 脉冲噪声 起伏噪声 特别是起伏噪声 是各类噪声中最难解决的 4 5信道的加性噪声 噪声 第四章信道 按噪声性质分类脉冲噪声 是突发性地产生的 幅度很大 其持续时间比间隔时间短得多 其频谱较宽 电火花就是一种典型的脉冲噪声 窄带噪声 来自相邻电台或其他电子设备 其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的 可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波 起伏噪声 包括热噪声 电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等 讨论噪声对于通信系统的影响时 主要是考虑起伏噪声 特别是热噪声的影响 第四章信道 热噪声来源 来自一切电阻性元器件中电子的热运动 频率范围 均匀分布在大约0 1012Hz 热噪声电压有效值 式中k 1 38 10 23 J K 玻尔兹曼常数 T 热力学温度 K R 阻值 B 带宽 Hz 性质 高斯白噪声 4 5信道的加性噪声 第四章信道 4 5信道的加性噪声 起伏噪声 第四章信道 4 6信道容量概念 信道容量定义为信道能够传输的最大平均信息速率 反映了信道可靠传输信息的能力 单位bit s kbit s Mbit s 无差错信道 无噪声 信道特性理想 的信道容量可以无限大 表明信道可以容许信息源以任意大的速率发送信息 实际信道都是有差错信道 存在噪声 信道特性非理想 其信道容量取决于单位时间信息源发出信息量rH x 与信息出错丢失的信息量rH x y 的差值 第四章信道 4 6 1离散信道的信道容量 第四章信道 两种不同的度量单位 C 每个符号能够传输的平均信息量最大值Ct 单位时间 秒 内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换 式中r 单位时间内信道传输的符号数 比特 符号 比特 秒 计算离散信道容量的信道模型发送符号 x1 x2 x3 xn接收符号 y1 y2 y3 ymP xi 发送