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1 第三章信道 3 1引言3 2信道定义及信道数学模型3 3恒参信道特性及其对信号传输的影响3 4随参信道特性及其对信号传输的影响3 5随参信道特性的改善 分集接收3 6信道的加性噪声3 7信道容量的概念 2 3 1引言 广义信道按包含的功能 可划分为调制信道与编码信道 狭义信道 信号的传输媒质 广义信道 媒质及有关变换装置 发送 接收设备 天线 馈线 调制解调器等 3 图3 1调制信道和编码信道 广义信道定义原因 只关心变换的最终结果 而无需关心详细的物理过程 调制信道 指图中调制器输出端到解调器输入端的部分 又称模拟信道 研究调制和解调时 常用调制信道 编码信道 指图中编码器输出端到译码器输入端的部分 有时又称数字信道 离散信道 4 3 2信道数学模型 调制信道模型 调制信道具有如下共性 1 输入端与输出端是一一对应的 2 绝大多数的信道都是线性的 即满足叠加定理 3 信号通过信道具有一定的延迟时间 而且还会受到 固定或时变的 损耗 4 即使没有信号输入 在信道输出端仍有一定的功率输出 5 因此 可用一个二对端 或多对端 时变线性网络来表示调制信道 如图 其中 n t 为独立存在的加性噪声 或加性干扰 f 表示信道传输特性 简称信道特性 如果信道对输入信号作非线性处理 则信道输出有非线性失真 这种失真只有当输入信号存在时才有 与加性噪声相对应 称这种失真为乘性噪声 图3 2调制信道模型 则二对端数学模型可以写为 则二对端的数学模型可以写为 6 根据乘性干扰k t 可以把信道粗略分为两大类 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 随参信道 是非恒参信道的统称 或者说 k t 是随机变化的调制信道 7 编码信道模型 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 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 8 最常见的无记忆的二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图3 3所示 所谓信道无记忆是指 某一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关 常见的编码信道一般为无记忆编码信道 9 在此模型中 假设解调器每个输出码元的差错发生是相互独立的 P 0 0 P 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 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 10 恒参信道及其特性 4 4恒参信道特性及其对信号传输的影响 恒参信道的信道特性不随时间变化或变化很缓慢 信道特性主要由传输媒质所决定 如果传输媒质是基本不随时间变化的 所构成的广义信道通常属于恒参信道 如果传输媒质随时间随机快变化 则构成的广义信道通常属于随参信道 有线电信道 对称电缆 同轴电缆 架空明线 中长波地波传播 超短波及微波视距传播 人造卫星中继 光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道 11 图3 4对称电缆结构图 对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质 两种类型 非屏蔽 UTP 和屏蔽 STP 电缆的传输损耗比较大 但其传输特性比较稳定 并且价格便宜 安装容易 主要用于市话中继线路和用户线路 在许多局域网如以太网 令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接 对称电缆 12 同轴电缆与对称电缆结构不同 单根同轴电缆的结构图如图3 5 a 所示 同轴电缆由同轴的两个导体构成 外导体是一个圆柱形的导体 内导体是金属线 它们之间填充着介质 实际应用中同轴电缆的外导体是接地的 对外界干扰具有较好的屏蔽作用 所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好 在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆 为了增大容量 也可以将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内 构成多芯同轴电缆 另外还可以装入一些二芯绞线对或四芯线组 作为传输控制信号用 同轴电缆 13 图3 5同轴电缆结构图 14 表3 1几种有线电缆的特性 15 图3 6微波中继信道的构成 微波频段的频率范围一般在几百兆赫至几十吉赫 其传输特点是在自由空间沿视距传输 由于受地形和天线高度的限制 两点间的传输距离一般为30 50km 当进行长距离通信时 需要在中间建立多个中继站 微波中继信道具有传输容量大 长途传输质量稳定 节约有色金属 投资少 维护方便等优点 因此 被广泛用来传输多路电话及电视等 微波中继信道 16 卫星中继信道是利用人造卫星作为中继站构成的通信信道 卫星中继信道与微波中继信道都是利用微波信号在自由空间直线传播的特点 微波中继信道是由地面建立的端站和中继站组成 而卫星中继信道是以卫星转发器作为中继站与接收 发送地球站之间构成 若卫星运行轨道在赤道平面 离地面高度为35780km时 绕地球运行一周的时间恰为24小时 与地球自转同步 这种卫星称为静止卫星 不在静止轨道运行的卫星称为移动卫星 卫星中继信道的主要特点是通信容量大 传输质量稳定 传输距离远 覆盖区域广等 另外 由于卫星轨道离地面较远信号衰减大 电波往返所需要的时间较长 对于静止卫星 由地球站至通信卫星 再回到地球站的一次往返需要0 26s 左右 传输话音信号时会感觉明显的延迟效应 目前卫星中继信道主要用来传输多路电话 电视和数据 卫星中继信道 17 图3 7卫星中继信道示意图 18 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的 因此 其传输特性可以等效为一个线性时不变网络 只要知道网络的传输特性 就可以采用信号分析方法 分析信号及其网络特性 线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特性来表征 现在我们首先讨论理想情况下的恒参信道特性 19 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 so t K0si 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 1 理想恒参信道特性 20 理想信道的幅频特性 相频特性和群迟延 频率特性 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si t 的不同频率成份进行相同的幅度衰减和时延 21 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 22 2 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图3 8所示的幅度 频率特性曲线近似表示 频率 Hz 23 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 24 3 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 25 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3 9 实际典型的电话信道的群迟延 频率特性如图3 10 26 非单一频率的信号通过该信道时 引起信号的畸变 如图3 11 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 27 3 4随参信道特性及其对信号传输的影响 随参信道及其主要特性 随参信道包括短波电离层反射 超短波流星余迹散射 超短波及微波对流层散射 超短波电离层散射等传输媒质所构成的调制信道 28 29 30 31 32 随参信道举例 1 短波电离层反射信道短波的定义 波长为100 10m 相应的频率为3 30MHz 的无线电波 短波信道 既可沿地表面传播 也可由电离层反射传播 地波传播 一般是近距离的 限于几十公里范围 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公里 乃至上万公里的距离 33 电离层的相关知识 离地面高60 600km的大气层称为电离层 是短波通信的主要路径 电离层是由分子 原子 离子及自由电子组成的 形成电离层的主要原因是太阳辐射的紫外线和x射线 信号经电离层一次反射的最大传输距离约为4000km 如果通过两次反射 那么通信距离可达8000km 34 短波信道电离层反射传播 35 天波通信频率的选取 为实现短波通信 在选用工作频率时要考虑两点 工作频率应小于最高可用频率 选用频率的电磁波在电离层的吸收较小 天波通信中的多径传输 由电波经电离层的一次反射和多次反射以及反射层高度不同等原因引起的 天波通信的特点 优点很明显 要求的功率较小 终端设备的成本较低 传播距离远 受地形限制较小 以及不易受到人为破坏 因此短波电离层反射信道现在仍然是远距离传输的重要信道之一 36 对流层散射信道 一种超视距的传播信道 其一跳的传播距离约为100 500km 可工作在超短波和微波波段 对流层简介 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 故引起电波的散射 散射具有强方向性 对流层散射信道中的衰落 可分为慢衰落和快衰落 前者取决于气象条件 后者由多径传播引起 2 对流层散射信道 37 散射信道是典型的多径信道 多径传播不仅引起信号电平的快衰落 而且还会导致波形失真 如图所示 窄脉冲经过不同长度的路程到达接收点 由于经过的路程不同使得到达接收点的时刻也不同 结果脉冲被展宽了 称为信号的时间扩展 对流层散射信道中的多径传输 38 随参信道主要具有三个特点 多径传播后的接收信号将是衰减和时延都随时间变化的各条路径的信号的合成 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 39 多径传输的影响 主要从多径时延差的影响进行研究 两径传输模型 设衰减相同 设到达接收点的两路信号具有相同的强度和一个相对时延差 设输入信号为f t Acos 0t 当信号经过上图所示的两径传播后 其合成输出信号将随着输入信号的频率 两径的时延差 的不同而变化 40 常把多径传输对信号传输的影响称为一般衰落及频率弥散和频率选择性衰落 41 一般衰落及频率弥散 当 0时 输出信号包络和相位是缓慢变化的 可视为一个窄带过程 波形上 多径传播的结果使确定的载波信号Acos 0t变成了包络和相位都受到调制的窄带信号 这样的信号通常称之为衰落信号 频谱上 多径传输引起频率弥散 即由单个频率变成一个窄带频谱 42 频率选择性衰落 对信号频谱中某些分量的一种衰落 衰减大 现象 是多径传播又一个重要特征 仍然以两径传播为例 随着信号频率 的改变 输出信号的波形 幅度 也不相同 模型的传输特性为 传输特性的幅度 频率特性为 43 幅频特性曲线如图 当 n为整数 时 出现传播极点 当时 出现传输零点 另外 相对时延差一般是随时间变化的 故传输特性出现的零点与极点也是随时间变化的 44 相关带宽 多径传播中 频率选择性同样依赖于相对时延差 此时 相对时延差 简称多径时延差 通常用最大多径时延差 m来表征 并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置 定义相邻传输零点的频率间隔为多径传播媒质的相关频带 为了不引起选择性衰落 传输信号的频带必须小于多径传播媒质的相关频带 一般衰落及频率弥散和频率选择性衰落都是非线性畸变 一旦产生很难采用一般方法将其消除掉 45 随参信道特性的改善 分集接收 分集接收的原理 分集接收的基本思想 分散得到几个统计独立的合成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 分集接收技术的实质包含两方面内容 即信号的分散接收与合并输出 分集技术主要解决两个问题 一是如何获得同一信号的多个彼此尽可能不相关的接收信号 二是如何有效的利用所接收到的各支路信号 采取妥善的方式将它们合并 46 分集接收的种类 空间分集 在接收端架设几副有足够间距的 100个信号波长以上 天线 以保证各天线上获得的信号基本相互独立 频率分集 用多个不同载频传送同一个消息 如果各载频的频差相隔比较远 则各载频信号也基本互不相关 角度分集 利用天线波束指向不同信号不相关的原理构成的一种分集方法 极化分集 分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种极化方法 47 合并方法 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 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 48 3 6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