通信原理第三章.ppt

第三章信道 3 1引言信道的概念 就是信号传输的媒质信道的分类 有线信道 无线信道广义信道 狭义信道 根据通信的概念 信号必须依靠传输介质传输 所以传输介质被定义为狭义信道 另一方面 信号还必须经过很多设备 发送机 接收机 调制器 解调器 放大器等 进行各种处理 这些设备显然也是信号经过的途径 因此 把传输介质 狭义信道 和信号必须经过的各种通信设备统称为广义信道 3 2信道定义 广义信道 调制信道 编码信道 图 调制信道与编码信道 信道数学模型 调制信道模型 特性 1 有一对 或多对 输入端和一对 或多对 输出端2 信道是线性的 满足叠加原理3 信道有一定的迟延时间 有损耗4 即使没有信号输入 输出端仍有一定的功率输出 噪声 对二对端的信号模型 输入与输出的关系 eo t f ei t n t ei t 输入的已调信号eo t 信道总输出波形n t 加性噪声 加性干扰 f ei t 已调信号通过网络所发生的变换 如果f ei t k t ei t k t 依赖于网络的特性 对ei t 来说是一种干扰 乘性干扰 上式可以表示为 eo t f ei t n t eo t k t ei t n t 为二对端信道的一种数学模型 总结信道对信号的影响 乘性干扰加性干扰使已调信号发生模拟性的变化 通常乘性干扰是一个复杂的函数 它可能包括各种线性畸变 非线性畸变 同时由于信道的迟延 损耗特性随时间作随机变化 故k t 只能用随机过程表示 经大量观察表明 有些信道的k t 基本不随时间变化 即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢 这类信道称为恒定参数信道 有些信道的k t 是随机快变化的 这类信道称为随机参量信道 编码信道模型 数字信道 对信号的影响是一种数字序列的变换用数字的转移概率来描述 二进制编码信道模型四进制编码信道模型 3 4恒参信道举例 恒参信道是由架空明线 电缆 中长波地波传播 超短波及微波视距传播 人造为心卫星中继 光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的信道一 有线电信道通常指双绞线 同轴电缆 架空明线 多芯电缆和光纤 双绞线又称为双扭线 它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成 采用这种绞合结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰 为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力 还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层 双绞线示意图 同轴电缆由内导线铜质芯线 单股实心线或多股绞合线 绝缘层 网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成 如图所示 同轴电缆的这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性 并且可在共享通信线路上支持更多的点 按特性阻抗数值的不同 同轴电缆又分为两种 一种是50 的基带同轴电缆 另一种是75 的宽带同轴电缆 同轴电缆结构示意图 光纤 OpticalFiber 光导纤维 简称光纤 是光纤通信系统的传输介质 由于可见光的频率非常高 约为108MHz的量级 因此 一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽 是目前最有发展前途的有线传输介质 光纤呈圆柱形 由芯 封套和外套三部分组成 如图所示 芯是光纤最中心的部分 它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成 每根纤维线都有它自己的封套 由于这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低 因此可使光波保持在芯线内 环绕一束或多束有封套纤维的外套由若干塑料或其它材料层构成 以防止外部的潮湿气体侵入 并可防止磨损或挤压等伤害 光纤结构示意图 根据光纤传输数据模式的不同 它可分为多模光纤和单模光纤两种 多模光纤意指光在光纤中可能有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播 如图 a 所示 这种光纤所含纤芯的直径较粗 单模光纤意指光在光纤中的传播没有反射 而沿直线传播 如图 b 所示 这种光纤的直径非常细 就像一根波导那样 可使光线一直向前传播 这两种光纤的性能比较见表1 1 两种光纤传输示意图 单模光纤与多模光纤的比较 光纤不易受电磁干扰和噪声影响 可进行远距离 高速率的数据传输 而且具有很好的保密性能 但是 光纤的衔接 分岔比较困难 一般只适应于点到点或环形连接 FDDI 光纤分布数据接口 就是一种采用光纤作为传输介质的局域网标准 架空明线 即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸线 它是一种在20世纪初就已经大量使用的通信介质 架空明线安装简单 传输损耗比电缆低 但通信质量差 受气候环境等影响较大并且对外界噪声干扰比较敏感 因此 在发达国家中早已被淘汰 在许多发展中国家中也已基本停止了架设 但目前在我国一些农村和边远地区或受条件限制的地方仍有不少架空明线在工作着 二 无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波波段时电磁波基本上沿视线传播 通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路 相邻中继站间距离 40 50Km 无线电中继信道的构成 三 卫星中继信道是无线电中继的一种特殊形式由通信卫星 地球站 上行线路及下构成行线路 3 5恒参信道特性及其对信号传输的影响 恒参信道对信号传输的影响是确定的 或者是变化极其缓慢等效于一个非时变的线性网络利用信号通过线性系统的分析方法 可求得已调信号通过恒参信道的变化规律网络的传输特性 幅频特性 相频特性 一 幅度 频率畸变 频率失真 是由有线电话信道的幅度 频率特性不理想引起的 信道中存在线圈 分布电容 电感等音频电话信道的相对衰耗为了减小幅度 频率畸变 在设计总的电话信道传输特性是 一般都要求把幅度 频率畸变控制在一个允许的范围内 不均匀衰耗必然使信号的幅度随频率发生畸变 引起信号波形的失真 二 相位 频率畸变是指信道的相位 频率特性偏离线性关系引起的畸变 在信道频带的边缘畸变更为严重 主要来源于信道中的各种滤波器信道的相位 频率特性常采用群迟延 频率特性来衡量 群迟延 频率特性 是相位 频率特性对频率的导数相位 频率特性 群迟延 频率特性 d d 如果 呈线性关系 是一条水平直线此时信号的不同频率成分有相同的群迟延 信号经过传输后不会发生畸变 理想的相位 频率特性及群迟延特性 实际的信道特性 当非单一频率的信号通过这信道时 信号中的不同频率分量将有不同的群迟延是原信号 即未经迟延的信号 由基波 三次谐波组成 其幅度比2 1 3 6随参信道举例 一 短波电离层反射信道短波是指波长为100 10m 频率为3 30MHz 的无线电波可沿地表面传播 地波传播可由电离层反射传播 天波传播电离层是指离地面高60 600Km的大气层 由分子 原子 离子 自由电子组成 在短波电离层反射信道中 会引起多径传播 主要原因有 电波经电离层的一次反射和多次反射几个反射层高度不同电离层不均匀引起的漫射现象地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波 对流层散射信道是一种超视距的传播信道对流层是离地面10 12Km以下的大气层在对流层中 由于大气湍流运动等原因产生了不均匀性 引起电波的散射 3 7随参信道特性及其对信号传输的影响 随参信道的传输媒质的特点1 对信号的衰耗随时间而变化2 传输的时延随时间而变3 多径传播 3 9信道的加性噪声 噪声是我们生活中出现频率颇高的一个词 也是通信领域中与信号齐名的高频度术语 但通信领域中所谓的噪声不同于我们所熟悉的以音响形式反映出来的各种噪声 如交通噪声 风声 雨声 人们的吵闹声 建筑工地的机器轰鸣声等等 它其实是一种不携带有用信息的电信号 是对有用信号以外的一切信号的统称 概括地讲 不携带有用信息的信号就是噪声 显然 噪声是相对于有用信号而言的 一种信号在某种场合是有用信号 而在另一种场合就有可能是噪声 根据来源的不同 噪声可分为自然噪声 人为噪声和内部噪声 自然噪声是指存在于自然界的各种电磁波 如闪电 雷暴及其它宇宙噪声 人为噪声来源于人类的各种活动 如电焊产生的电火花 车辆或各种机械设备运行时产生的电磁波和电源的波动 尤其是为某种目的而专门设置的干扰源 如上述的电子对抗 内部噪声指通信系统设备内部由元器件本身产生的热噪声 散弹噪声及电源噪声等 根据噪声的表现形式可分为单频噪声 脉冲噪声和起伏噪声 1 单频噪声是一种以某一固定频率出现的连续波噪声 如50Hz的交流电噪声 2 脉冲噪声是一种随机出现的无规律噪声 如闪电 车辆通过时产生的噪声 3 起伏噪声主要是内部噪声 而且是一种随机噪声 对它的研究必须运用概率论和随机过程知识 元器件本身产生的热噪声 散弹噪声都可看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加 它们是服从高斯分布的 即热噪声 散弹噪声都是高斯过程 为研究方便 我们称这类噪声为高斯噪声 除了用概率分布描述噪声的特性外 还可用功率谱密度加以描述 若噪声的功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的 即称其为白噪声 原因是其谱密度类似于光学中包含所有可见光光谱的白色光光谱 不是白色噪声的噪声称为带限噪声或有色噪声 通常把统计特性服从高斯分布 功率谱密度均匀分布的噪声称为高斯白噪声 3 10信道容量的概念 一 离散信道的信道容量离散信道的模型 无噪声信道有噪声信道 信道无噪声时 输入与输出一一对应有噪声信道 输入与输出不存在一一对应关系当输入一个x1时 输出可能是y1 也可能是y2输入与输出成为随机对应关系 不过它们之间具有一定的统计关联在有噪声的信道中发送符号xi而收到符号yj时所获得的信息量 等于未发符号前对xi的不确定程度减去收到符号yi后对xi的不确定程度 发送xi收到yi时所获得的信息量 P xi 是未发符号前xi出现的概率P xi yj 是收到yj而发送为xi的条件概率对xi和yj取统计平均 即对所有发送xi收到yi取平均 则平均信息量 符号 H x 表示发送的每个符号的平均信息量H x y 当输出符号已知时输入信号的平均信息量 或发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量 对信道传输信息的能力 用信息传输速率表述是指信道在单位时间内所传送的平均信息量 用R表示 是单位时间内信息源发出的平均信息量或称信息源的信息速率 是单位时间内对发x而收到y的条件平均信息量 设单位时间传送的符号数为r 则 说明有噪声信道中的信息传输速率等于每秒钟内信息源发送的信息量与由信道不确定性而引起丢失的那部分信息量之差 显然 无噪声时 信道传输信息量的速率等于信息源的信息速率 即 如果噪声很大时信道传输信息的速率为 以上分析可以看出 信道传输信息的速率与单位时间传送的符号数目 信息源的概率分布以及信道干扰的概率分布有关 对某一个给定的信道 干扰的概率分布应当认为是确定的 信息源的概率分布不同 信道传输信息的速率也不同 一个信道的传输能力应该以这个信道最大可能的传输信息的速率来度量 因此 信道容量可以定义为 信道传输信息的速率的最大值称为信道容量C即 max是表示对所有可能的输入概率分布来说的最大值 二 连续信道的信道容量假设信道的带宽为B HZ 信道输出的信号功率为S W 输出加性带限高斯白噪声功率为N W 则该信道的信道容量为 上式是信息论中具有重要意义的香农 shannon 公式 表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时 在具有一定频带宽度B的信道上 理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值 由于噪声功率N与信道带宽B有关 所以 若噪声单边功率谱密度为n0 N n0B因此 香农公式的另一种形式为 当或信道容量 意味着信道无噪声 或发送功率无穷大 所以信道容量为无穷大 显然这在任何实际系统中都是无法实现的 但这个关系提示出 若要使信道容量加大 则可以通过减小n0或增大s在理论上是可行的 那么增大带宽 是否使信道容量趋于无穷呢 说明 信噪比一定时 即使增加信道带宽 信道容量也是有限的 因为带宽增加时 噪声功率也增加 通常 把实现了上述极限信息速率的通信系统称为理想通信系统 香农定理只说明了理想系统的存在 没有给出这种通信系统的实现方法注意 以上讨论都是在信道噪声为高斯白噪声的前提下进行的 对于其他类型的噪声 香农公式需要加