第四章---信--道.ppt

第四章信道 3 1主要内容 信道的定义 分类信道数学模型恒参信道举例恒参信道特性及其对信号传输的影响随参信道举例随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性的改善信道的加性噪声信道容量的概念 香农公式 shannonformula 4 2信道定义 1 信道定义 信号通道 2 信道的分类狭义信道 信号的传输媒质 有线信道 架空明线 双绞线 同轴电缆 光缆无线信道 地波 短波 微波 卫星 散射广义信道 传输媒质及有关变换装置 收 发转换器 放大 频率变换 电 电磁波 等 编码信道调制信道 4 3信道数学模型 一 调制信道模型传输已调信号 关心的是信号的失真情况及噪声对信号的影响 已调信号的瞬时值是连续变化的 故也称调制信道为连续信道 甚至称为模拟信道 共性 有一对 或多对 输入端和一对 或多对 输出端 绝大多数信道是线性的 即满足迭加原理 信号通过信道具有一定的迟延时间 而且会受到损耗 即使无信号输入 在信道输出端仍有功率输出 噪声 线性信道 eo t f ei t n t h t ei t n t ei t 模拟已调信号或数字已调信号 f 线性失真 非线性失真 损耗 时变特性等 n t 加性噪声 单输入单输出信道 恒参信道 如果信道参数不随时间t变化或基本不变化 则称恒参信道 如电缆 光缆 无线视距信道 卫星中继信道等 随参信道 如果信道参数是随机快变化的 则称信道为随参信道 如电离层反射信道 对流层散射信道 二 编码信道模型调制信道对信号的影响是通过h t 和n t 使已调信号发生模拟性变化 模拟信道编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换 即将一种数字序列变成另一种数字序列 数字信道输入 输出都是数字信号 关心的是误码率而不是信号失真情况 但误码与调制信道有关 无调制解调器时误码由收 发滤波器设计不当及n t 引起 编码信道模型是用数字的转移概率来描述 1 无记忆信道 信道内只存在起伏噪声 特点 任意一个码元的差错与前后码元的差错不发生任何依赖关系 2 有记忆信道 信道内除起伏噪声外 还存在衰落效应等 特点 信号的传输与前后码元有依赖关系 需用马尔科夫链描述 例 二进制数值传输系统二进制无记忆信道二进制有记忆对称信道 码元发生差错是相互独立的 码元发生差错是非独立的 4 4恒参信道举例 K t 不随时间变化或基本不变化一 有线信道 明线 平行而相互绝缘的架空裸线线路 优点 传输损耗低缺点 易受气候和天气影响 并对外界噪声干扰敏感 对称电缆 同一保护套内多对相互绝缘双导线的传输媒质 优点 传输特性比较稳定缺点 损耗比明线大 同轴电缆 由同轴的两个导体构成 外导体是一个圆柱形的空管 内导体是金属线 芯线 优点 外界噪声很少进入其内部表3 1列出了三种有线信道的工作频率范围 通话路数及增音段长度 光纤信道 以光纤为传输媒质 光波作为载波的信道特点 损耗低 频带宽 线径细 可弯曲半径小 不怕腐蚀 节省有色金属 不受电磁干扰 二 无线信道 无线电视距中继工作频率在超短波和微波波段的电磁波基本上沿视线传播 通信距离依靠中继方式延伸 组成 终端站 中继站及各站之间的电波传播路径 特点 传输容量大 发射功率小 通信稳定可靠应用 主要用于长途干线 移动通信网及某些数据收集系统 卫星中继信道同步通信卫星 异步通信卫星概念 卫星中继信道是无线电中继信道的一种特殊形式 它是航天技术与通信技术相结合的产物 特点 传输距离远 覆盖地域广 传播稳定可靠 传输容量大 用途 传输多路电话 电报 数据 电视等 构成 通信卫星 地球站 上行线路 下行线路 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者变化极其缓慢的 等效于一个非时变的线性网络 一 数学描述 4 5恒参信道特性及其对信号传输的影响 式中H 是信道传输特性函数 二 理想的恒参信道传输特性 幅度 频率特性 H 相位 频率特性 理想的恒参信道满足以下两个条件1 H 常数 2 群迟延 td 常数 理想信道传输函数 理想信道冲击响应 群迟延的含义 相位 频率特性的导数 即 若输入信号为ei t 则理想恒参信道的输出为 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 1 幅度 频率畸变 H k 常数 产生幅频畸变 即幅度 频率特性的不理想引起的频率失真 典型的音频电话信道的相对衰耗 对信号的影响 不均匀衰耗使传输信号的幅度随频率发生畸变 引起信号波形失真 若是数字传输 引起相邻码元波形在时间上的重叠 码间干扰 三 实际信道特性 2 相位 频率畸变信道的相位 频率特性偏离线性关系所引起的畸变 模拟语音通信 影响不大 人耳对相频畸变不太敏感 数字信号传输 引起严重的码间干扰 造成误码 数字滤波器h n h N 1 n 用群迟延频率特性来描述相频特性 相频特性对频率的导数 d d 当 td时 无相频畸变 工程设计时 应使 H 畸变范围及 误差范围符合要求 例 2ASK系统 调制器 调制 信道 包络 检波 抽样 判决 2ASK S i t r t m o t m t cp t 四 克服措施 模拟通信 频域均衡 使信道 均衡器联合频率特性在信号频率范围内无畸变 数字通信 合理设计收 发滤波器 消除信道产生的码间串扰 信道特性缓慢变化时 用时域均衡器 使码间串扰降到最小且可自适应信道特性变化 例3 1 4 6随参信道举例 随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道 随参信道有以下几种 1 短波电离层反射2 超短波流星余迹散射3 超短波及微波对流层散射4 超短波电离层散射5 超短波超视距绕射等 一 短波电离层反射信道1 概念 短波是指波长为100 10m 相应的频率为3 30MHz 的无线电波 2 短波传播方式 既可沿地表面传播 称为地波传播 也可由电离层反射传播 称为天波传播 3 传播路径离地面高60 600km的大气层称为电离层 电离层是由分子 原子 离子及自由电子组成的 短波电磁波从电离层反射的传播路径如图3 6 1所示 在短波电离层反射信道中 存在多径传播 引起多径传播的主要原因如下 1 电波经电离层的一次反射和多次反射 2 几个反射层高度不同 3 电离层不均匀性引起的慢射现象 4 地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波 4 特点主要优点如下 1 要求的功率较小 终端设备的成本较低 100W 几KW 2 传播距离远 3 受地形限制较小 4 有适当的传输频带宽度 5 不易受认为的破坏 该特点在军事上非常有用 主要缺点如下 1 传输可靠性差 电离层中的异常变化会引起较长时间的通信中断 2 需要经常更换工作频率 因而使用较复杂 3 存在快衰落与多径时延失真 4 干扰电平大 100b s 5 应用短波电离层反射信道过去是 现在仍然是远距离传输的重要信道之一 问题 为什么远距离HF无线电广播在太阳黑子活动的高峰期时效果更好 二 对流层散射信道对流层能够不规则地散射无线电波1 概念 离地面10 12km以下的大气层称为对流层 在对流层中 由于大气对流层湍流运动等原因产生了不均匀性 故引起散射 如图3 6 2所示 2 传播方式 对流层散射信道是一种超视距的传播信道 可工作在超短波和微波波段 其一跳的传播距离约为100 500km 3 对流层信道的特点1 衰落散射信号电平是不断随时间变化的 这种变化称为衰落 衰落有两类 慢衰落 长期变化 慢衰落取决与气象条件快衰落 短期变化 快衰落是由多径传播引起的 2 传播损耗总损耗包括两个部分 1 自由空间的能量扩散损耗 2 散射损耗 3 信道的允许带宽散射信道是典型的多径信道 由于信源信号到达终端所经过的路程不同 因而各路径信道到达接收点的时间也不相同 结果信号脉冲被展宽 这种现象称为时间扩散简称多径时散 这样信道的允许带宽与最大多径时延的关系为B 1 4 应用1 干线通信 通常每隔300km左右建立一个中继站 2 点对点通信 如海岛与陆地 山区与城市之间的通信 问题 为什么在实际通信中并不广泛使用对流层通道 传输特点 1 对信号的衰耗随时间而变 2 传输时延随时间而变 3 多经传播现象 存在衰落效应 多径效应 多径衰落与频率弥散接收天线收到的电波 是各条传播路径到达的总和 如果设发射波为f t 是单频信号 f t Acos ot接收端接收到的信号为 4 7随参信道及其对信号传输的影响 ui t 第i条路径的接收信号振幅 第i条路径的接收信号传输时延 在实际中观察 i t i t 的变化非常缓慢 其变化周期远远小于载频的周期 因此 又可将它看成一个窄带随机过程 因次 可以写成由于 i t 和 i t 为随机过程 R t 也是一个随机过程 因为 1 Xc t 是N个随机变量的和 且是相互独立的 2 且它们出现的概率相同 所以根据中心极限定理 认为Xc t 是高斯变量 同理Xs t 也是高斯变量 所以R t 则为一窄带高斯过程 式中 合成信号R t 的包络 合成信号R t 的相位 从波形上看 发射信号Acos t变成了包络和相位受到调制的窄带信号 称为衰落信号 并引起频率弥散现象 单个频率变成窄带频谱 由于R t 是窄带高斯过程 则其包络的概率密度函数服从瑞利分布 而相位服从均匀分布 多径传播的特征 1 单频信号变成包络和相位受调制的窄带信号 这种信号称为衰落信号 即多径传播产生瑞利型衰落 2 从频谱上看 单频信号变成了多频信号 即多径传播引起频率的弥散 2 多径传播引起频率选择性衰落 信号频谱中某些频率分量被衰落的一种现象 以两路径为例 设衰减是恒定的 其模特性依赖于cos 2 对于不同的频率 两径传播的结果将有不同的衰减 上述模型的传输特性 结论 不同的频率有不同的衰减 当f n 时 出现传输极点 当f 2n 1 2 时 出现传输零点 解决方法 1 限制信号带宽要想避免出现选择性衰落带来的严重失真 就要适当限制信号带宽 将带宽限制在两个零点之间 两个零点之间的间隔为 2 或 f 1 要想不产生明显的选择性衰落 则产生波形f t 的带宽必须小于多径产生媒质的相关带宽 f 1 m m为最大多径时延差 工程设计中 通常选择信号带宽为相关带宽的1 5 1 3 2 分集接收对于多径信号 也可以采用分集接收或扩展频谱的方法来改善它的特性 例3 3 例3 2 一 分集接收概念接收端对它收到的多个衰落特性相互独立 携带同一信息 的信号进行特定的处理 以降低信号电平起伏的办法 1 分集方法 1 频率分集各频率之差大于相关带宽 跳频 2 时间分集用同一频率在不同时刻传输同一信息 RAKE技术 f Bc 3 空间分集多幅处于不同位置的天线同时接收 天线阵 d 3 4 时频分集 混合分集之一 5 其它 角度分集 极化分集 3 8随参信道特性的改善 例如 四时四频分集 信息代码时频编码00f1 f2 f3 f4将一个四进制码元宽度时间Ts等分01f2 f1 f4 f3为4个时间段 分别传输4个载频 不10f3 f4 f1 f2同代码传输顺序不同 在Ts内只要能11f4 f3 f2 f1正确接收到一个频率 就可判断在Ts内传输的信息代码 2 合并方法所谓合并就是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 中频 基带 假设N个独立衰落信号分别 r1 t r2 t rN t 则合并器输出为 r t a1r1 t a2r2 t aNrN t ai第i个信号的加权系数 1 最佳选择式选信噪比最好的一个作为接收信号 2 等增益相加将各信号以相同增益放大 相加 3 最大比相加将各信号以信噪比成正比地放大 相加 效果 3 最好 1 最差 1 最佳选择式选信噪比最好的一个作为接收信号 二重分集选择式合并 2 等增益相加将各信号以相同增益放大 相加 3 最大比相加将各信号以信噪比成正比地放大 相加 3 9信道的加性噪声 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 一 加性噪声的来源1 人为噪声来源于无关的其他信号源 如 外台信号 接触不良的触点等 由不希望有的信号源引起的 2 自然噪声来自于大自然 由自然界存在的各种电磁波源引起 如 闪电 大气中的电暴 银河系噪声 大气干扰及宇宙噪声等 3 内部噪声系统设备本身产生的各种噪声 如 电阻中自由电子的热运动 半导体中载流子 电子和空穴 的随机产生与复合等 是元器件内部固有的噪声 二 噪声的性质分类单频噪声 脉冲噪声和起伏噪声 本章重点介绍起伏噪声 三 起伏噪声1 热噪声1 产生原因 在电阻一类导体中自由电子的布郎运动引起的噪声 2 特点 服从高斯分布 且具有均匀的功率谱密度 2 散弹噪声1 产生原因 真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起 2 特点 服从高斯分布3 宇宙噪声1 产生原因 天体辐射波对接收机形成的噪声 2 特点 20 300MHz内 强度与频率的三次方成反比 服从高斯分布 具有平坦的功率谱密度 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 n t 白噪声 双边带功率谱密度Pn f 单边带功率谱密度Pn f N不可能为无穷大 故白噪声的频率范围应是有限的 带通型噪声的功率谱密度 Bn为等效噪声带宽 其物理意义是 白噪声通过实际带通滤波器的效果与通过宽度为Bn 高为Pni f0 的矩形滤波器的效果一样 4 10信道容量的概念 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 记为C 离散信道 输入输出为离散信号 连续信道 输入输出为连续信号 一 离散信道的信道容量信道模型用转移概率来表示 如图3 10 1所示 图中 P x 发送信道的概率 P y 是接收信号的概率 P yi xi 是转移概率 i 1 2 n 它是发送为xi 而收到的是yi的概率 接收端接收到的信息量 信息论中称为互信息 为单位是比特 符号 公式中 I 接收端接收到的平均信息量 H x 未发送符号前对xi的不确定度 即每个符号的平均信息量 H x y 收到符号yi后对xi的不确定度 即输出符号已知时 输入符号的平均信息量 也即平均丢失信息量 信息传输速率R 是指信道在单位时间内所传