通信原理 第4章.ppt

第三章信道 主要内容 信道的定义和分类信道的数学模型恒参信道与随参信道的传输特性信道的容量 重点 信道中输入与输出的关系幅频曲线 相频曲线含义幅度频率畸变 相位频率畸变多径效应及噪声特性提高信道容量的思路 4 1引言 4 3信道的数学模型 4 6随参信道举例 4 7随参信道特性及对信号传输的影响 4 8随参信道特性的改善 分集接收 4 9信道的加性噪声 4 2信道定义 4 5恒参信道特性及对信号传输的影响 4 4恒参信道举例 4 10信道容量 4 1引言 广义信道 包括信号的各种变换装置和传输媒介的信道 信道 信号的传输通道 狭义信道 仅包含信号的传输媒介 有无线和有线两大类 4 2信道定义 根据研究的对象和关心的问题来定义信道的范畴 编码信道 调制信道 广义信道 离散信号 发转换器 媒质 收转换器 解调器 译码器 编码器 调制信道 编码信道 连续信号 调制器 4 3信道的数学模型 4 3 1调制信道模型 连续系统 共性 1 有一对 或多对 输入 输出端2 线性的3 对信号有延迟 损耗4 无信号输入时 仍有噪声输出 时变线性网络模型为 如果网络的函数变换关系定义为 加性干扰 则有 4 3 2编码信道模型 离散系统 信道对信号的影响是序列变换 信道的失真以误码率体现 例如 二进制数字传输的编码信道 令码元发生错误相互独立 即信道无记忆 信道性能 用转移概率描述P 0 0 1 P 1 0 P 0 0 P 1 1 为正确转移概率P 1 1 1 P 0 1 P 1 0 P 0 1 为错误转移概率转移概率由统计分析得到 4 4恒参信道举例 4 4 1 有线电信道明线 对称电缆 同轴电缆 4 4 2 光纤光波为载波 不易受干扰中继 信号放大 4 4 3 无线电视距中继工作频率 超短波和微波 沿视线传输 如微波网 4 4 4 卫星中继同步卫星为中继站 表4 1三种有线电信道的性能 0 3 2 70 3 15012 10812 25260 130060 4100300 9000300 12000300 60000 1 31 3 1224603009601800270010800 架空明线架空明线对称电缆对称电缆小同轴电缆小同轴电缆中同轴电缆中同轴电缆中同轴电缆 30080 1203512 188464 51 5 三种有线电信道的性能 恒参信道可等效为线性时不变网络 只要得到网络的传输特性 就可知信道对信号的影响网络的传输特性用幅频函数 相频函数描述 4 5恒参信道特性及对信号传输的影响 4 5 2相位 频率畸变网络的相频特性非线性 来源于阻抗性元件 所引起的畸变 主要影响数字信号 引起严重的码间串扰群迟延 频率特性 4 5 1幅度 频率畸变 传输特性的不均匀衰耗引起网络的幅频特性曲线不理想 表现为随着信号频率的升高信道衰耗快速增加 对数字信号会造成码间串扰 改善措施 增加均衡器 线性补偿网络 实际中 群迟延不为常数 说明不同的频率的信号经过信道传输后 到达输出端的相对时间不一致 设相频特性为 定义 群迟延频率特性 群迟延产生信号畸变示意图 接收端信号 发送端信号 4 6随参信道 4 6 1短波电离层反射信道波长为100 10m 频率为2 30MHz的信号 1 传播路径利用离地面60 400km的电离层反射信号 电离层分为D E F1 F2四层 其中D F1夜间消失信号的传播路径图 2 多径传播原因 1 多次反射 2 几个反射层 3 电离层不均匀引起的漫射 4 磁场影响 使电磁波分裂成寻常波 非寻常波 3 应用优点 功率小 距离远 地形随意 合适的频宽 保密 缺点 可靠性差 工作频率变 多径失真 干扰大 通信距离最大为8000km F2 地面反射点 二次反射 一次反射 信号的传播路径图 3 信道允许频带 4 6 2对流层散射信道 1 传播距离约100 500km利用离地面10 12km以下的大气对流层 对流层中大气湍流运动产生不均匀性 引起电波的散射 可提供12 240频分复用话路 可靠性99 9 对流层散射传播路径的示意图 例子 2 传播损耗1 自由空间能量扩散损耗2 散射损耗 4 天线与媒介间的耦合损耗 主要特征 1 衰落1 慢衰落 气象引起 每季月 日信号强度变化2 快衰落 多径传播 使信号的幅度和相位快速随机变化其克服方法 分集接收 最大多径时延差 对流层散射路径示意图 4 7随参信道特性及对信号传输的影响 随参信道的三个特点 1 衰耗随时间而变 2 时延随时间而变 3 多径传播 随机信号的统计特性用它的概率分布或数学特征表述 4 7 1接收信号的描述 设发射信号为 接收信号为 第i条路经的接收信号振幅 第i条路经的传输延时 包络 相位 2 多径传播使变成包络和相位受到调制的窄带信号3 多径传播引起了频率弥散 频率尺宽 R t 称为衰落信号 或 均为缓慢变化的随机过程 结论 1 是窄带过程 例子 发信号 即 发信号在时间轴上被展宽 这种失真类似于该信号通过滤波器后的失真 信道可看成是一个带限滤波器 的统计特性 在时刻 是几个随机变量之和 当很大时 各个随机变量相互独立且均匀 是高斯随机变量 中心极限定理 且平稳 统计特性与的值无关 窄带高斯过程 瑞利分布 均匀分布 结论 则为信道相关带宽结论 传输信号带宽 2 多径传播设多径传播最大相对时延差为 1 以两径传播模型为例框图及公式推导 定义 为相邻传输零点的频率间隔 分析模型的传输特性 4 7 2 的频率选择性衰落 说明 信号频率不同时受到的衰减不一样 且衰减量与有关 的值随日常时间而变化 两径传播的模特性取决 讨论 模特性 作图 处为零点 4 8随参信道特性的改善 分集接收 分集接收 抗快衰落措施之一 思想 在接收端同时分别获得 分散得到 几个不同路径的信号 相互独立 然后将这些信号适当合并 构成总的接收信号 其总信号的衰落现象将大大改善 1 分集方法 1 空间分集 用几副天线 各天线间有足够的间距2 频率分集 用多个不同载频传送同一消息 当各载频相隔比较远 如频差为多径时延的倒数 则各载频信号基本互不相关 3 角度分集 利用天线波束指向不同 使信号不相关4 极化分集 接收水平极化波和垂直极化波 2 分集信号的合并 最佳选择式 等增益相加 最大比相加 根据某种方式把得到的N个独立衰落信号相加后合并输出 从而获得分集增益 此模型传输特性的公式推导 模型的传输特性为 两径传播模型 两条路径信号的相对时延差 4 9信道的加性噪声 加性噪声 1 人为噪声2 自然噪声3 内部噪声 按性质分类 1 窄带噪声2 起伏噪声 热噪声 散弹噪声 宇宙噪声 是影响通信质量的主要因素 3 脉冲噪声 对数字通信影响大 干扰 对有用信号有害的各种波形的总称 噪声 可用随机过程描述的干扰 不能准确预测其波形 注意 通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声的集中表示 通常把加性噪声的主要代表 起伏噪声理解成热噪声 散弹噪声 宇宙噪声的集中表示 均为高斯白噪声 4 10信道容量 信道容量 信道的最大 极限 传输能力定义 信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量