第4课信道东南大学通信原理课件..ppt

1,通信原理,冯熳fengman东南大学信息科学与工程学院,2,通信原理,第4章信道,3,4.0引言,信道是信号的传输媒质(狭义信道).按照传输媒质不同，它可分为有线信道与无线信道两类。有线信道:明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等。无线信道:地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。,信道的定义,4,信道除包括传输媒质外，还包括有关的变换装置(如:发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等）。称这种扩大范围的信道为广义信道。在讨论通信的一般原理时，我们采用广义信道。广义信道按照功能，划分为调制信道与编码信道。调制信道是指调制器输出端到解调器输入端的部分。调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，只不过是对已调信号进行某种变换。在数字通信系统中，编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。,4.0引言,5,4.0引言,6,信道是对无线通信中发送端和接收端之间通路的一种形象比喻。对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，并没有一个有形的连接，路径也有可能不只一条，为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，想象有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。信道具有一定的频率带宽，正如公路有一定的宽度一样。,4.1无线信道,7,无线信道电磁波的频率受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层：地面上010km平流层：约1060km电离层：约60400km,4.1无线信道,8,电磁波传播主要分为地波、天波和视线传播三种。地波：频率在2MHz以下，电磁波沿大地与空气的分界面传播，有一定的绕射能力。传播时无线电波可随地球表面的弯曲而改变传播方向。在传播途中的衰减大致与距离成正比。可用来进行无线电广播。,地波的传播,4.1无线信道,根据波的衍射特性，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波才能明显地绕到障碍物的后面。,9,由于地波在传播过程中要不断损失能量，而且频率越高损失越大，因此收音机在这两个波段一般只能收听到本地或邻近省市的电台。长波沿地面传播的距离要远得多，但发射长波的设备庞大，多用于超远程无线电通信和导航等。,4.1无线信道,10,天波：天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的，频率范围在230MHz。天波是短波的主要传播途径。可以多次反射，因而传播距离很远(可上万公里)，而且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的。,天波的传播,4.1无线信道,11,电离层对于不同波长电磁波表现出不同的特性。波长短于10m(30MHz)的微波能穿过电离层波长超过3000km的长波，几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波，波长越短，电离层对它吸收得越少而反射得越多。因此，短波最适宜以天波的形式传播。但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。,4.1无线信道,12,视线传播：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，频率高于30MHz的电磁波将穿透电离层，不能被反射回来，它只能作视线传播，即直线传播。典型的是微波通信，利用微波接力站。天线越高，传播距离越远。,视线传播：频率30MHz。距离和天线高度有关：,m,4.1无线信道,13,通信距离依靠中继方式延伸。相邻中继站间距离一般在4050km。无线电中继信道它由终端站、中继站及各站间的电波传播路径所构成。由于具有传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，以及和同轴电缆相比，可以节省有色金属等优点，被广泛用来传输多路电话及电视。,增大视线传播距离的途径,14,卫星中继信道：人造卫星中继信道可视为无线电中继信道的一种特殊形式。轨道在赤道平面上的人造卫星，当它离地面高度为35860km时，称为同步通信卫星。采用三个适当配置的同步卫星中继站就可以覆盖全球。这种信道具有传输距离远。覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大等突出的优点。广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。,4.1无线信道,15,卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。其中上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径，信道设备集中于地球站与卫星中继站中。,4.1无线信道,16,在较低轨道上运行的卫星及不在赤道平面上的卫星也可以用于中继通信。在几百公里高度的低轨道上运行的卫星，由于要求地球站的发射功率较小，特别适用于移动通信和个人通信系统中。卫星之间实行空间交换，以保证陆地、海洋乃至空中的移动通信不间断地进行。,低轨道卫星系统,4.1无线信道,17,有线信道是利用人造的传导电或光信号的媒体来传输信号。构成有线信道的传输媒质包括架空明线、对称（平衡）电缆、同轴电缆、光缆、波导管等。以适应各种不同的通信方式及不同容量的需要。,4.2有线信道,18,架空明线：是指平行架设在电线杆上的架空线路。本身是导电裸线或带绝缘层的导线。主要优点是架设比较容易，建设较快，传输衰耗比较小。主要缺点是易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰较敏感，随频率升高辐射损耗迅速增加。,4.2有线信道,19,双绞线由若干对称为芯线的双导线放在一根保护套内制造而成，其中为了减小各对导线间的干扰，没对导线都做成扭绞形状。其芯线较明线细，故损耗较大，但性能稳定。在有线电话网中广泛用于用户接入电路。,4.2有线信道,20,屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP),以箔屏蔽以减少干扰和串音,3类、5类双绞线外没有任何附加屏蔽,4.2有线信道,21,同轴电缆是将电磁波封闭在同轴管内，内导体多为实心导线，外导体为一根空心导电管或金属编织网。电磁波的相互干扰也较小，因此适用于高频段、大容量载波电话（电报）通信。,同轴电缆,4.2有线信道,22,4.2有线信道,23,光在高折射率的媒质中具有聚焦特性，把折射率高的媒质做成芯线，折射率低的媒质做成芯线的包层，就构成光纤。光纤可以传输光信号。光缆通信通信容量极大、传输损耗极小、没有串话现象、不受电磁感应干扰。,光缆,4.2有线信道,24,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,4.2有线信道,25,损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55m,4.2有线信道,26,4.3信道的数学模型,调制信道：调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调信号进行某种变换。编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。,27,调制信道模型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。通常假设：这时上式变为：信道数学模型,4.3信道的数学模型,28,因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与ei(t)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。,4.3信道的数学模型,29,编码信道模型二进制编码信道简单模型无记忆信道模型(前后码元发生的错误是互相独立的)P(0/0)和P(1/1)正确转移概率P(1/0)和P(0/1)错误转移概率P(0/0)=1P(1/0)P(1/1)=1P(0/1),4.3信道的数学模型,30,四进制编码信道模型,4.3信道的数学模型,31,4.4信道特性对信号传输的影响,恒参信道的影响恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道,恒参信道可等效为一个线性时不变网络，其传输特性H()可用幅频特性，相频特性共同描述：,幅频特性(传输特性幅值与频率的关系)：,相频特性(传输特性相位与频率的关系)：,32,希望信号经过信道后不产生失真，则H()满足以下条件：,4.4信道特性对信号传输的影响,1、振幅特性与频率无关，即振幅-频率特性曲线是一条水平直线；2、相位特性是一条过原点的直线，或等效地要求其传输群时延与频率无关，等于常数。,33,定义群延迟为相位频率特性的导数，即,则理想的相位频率特性和群延迟频率特性图为：,4.4信道特性对信号传输的影响,34,两种主要失真：实际信道特性不理想，对信号产生主要的两种失真。,频率失真(幅频失真)：是指信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰减。导致信号波形畸变，输出信噪比下降。它对模拟信道影响较大（如模拟电话信道）。由于失真是线性的，可用线性网络进行补偿。相位失真（或群延迟失真）：是指信号中不同频率分量分别受到信道不同的时延，它对数字通信影响大，会引起严重的码间干扰，造成误码。这种失真也是线性的，也可用线性网络进行补偿。,4.4信道特性对信号传输的影响,35,其他失真：非线性失真（谐波失真）：信道输入与输出信号的振幅关系不是线性关系，使信号产生新的谐波分量，是由元器件特性不理想引起。频率偏移：信道输入信号频谱经过信道传输后产生平移，是由调制解调或频率变换的振荡器的频率误差所引起。相位抖动：也是由于振荡器频率不稳所产生，产生附加的调制。,4.4信道特性对信号传输的影响,36,随参信道的影响,随参信道是指信道是时变的，如电离层密度的变化、对流层气团的变化使信道特性产生变化。,随参信道特点：对信号的衰减随时间变化而变化。传输时延随时间变化。多径传播：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。,4.4信道特性对信号传输的影响,37,多径传播是指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点。以下重点介绍多径传播。,由于每条路径对信号的衰减和时延都随电离层和对流层的机理变化而变化，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。,4.4信道特性对信号传输的影响,38,移动通信信道,4.4信道特性对信号传输的影响,39,设发射波为，振幅A，频率f0恒定。经过几条路径传播后的接收信号：,i(t)：第i条路径到达的接收信号振幅。i(t)：第i条路径的传输时延，它随时间不同而变化。,利用和角公式，接收信号为：,4.4信道特性对信号传输的影响,40,式中：,因为是缓慢变化的，因此包络、相位也是缓慢变化的随机过程，于是可视为一个窄带随机过程。,窄带信号波形,4.4信道特性对信号传输的影响,41,信号波形因传播有了起伏的现象称为衰落(接收信号的幅度和频率都发生了变化)。多径传播使信号包络产生的起伏比信号周期变化缓慢，但仍有秒或秒以下的数量级，能和数字信号的一个码元周期相比较，因此通常将由多径效应引起的衰落称为快衰落。即使没有多径，信号仅在一条信道传播时，也会因季节、天气等原因产生衰落，这种衰落时间很长，称为慢衰落。,4.4信道特性对信号传输的影响,42,快衰落与频率有关，也称之为频率选择性衰落。两径传播模型如图所示(发射信号f(t)，t0是固定的时延，是两条路径信号的相对时延差，V0为一个确定值)：,4.4信道特性对信号传输的影响,43,可证：两径传播时，其两径传播媒质的传输特性的模H()将依赖于。,在/处出现传输零点，在此处信号衰减为零。输入信号带宽最好限制在1/宽度内。,对两个以上的多径信号中，设m为多径中最大的相对时延差，则1/m定义为此多径信道的相关带宽。,4.4信道特性对信号传输的影响,44,随参信道特性的改善对于慢衰落，主要采取加大发射功率和在接收机内采用自动增益控制等技术和方法即可。对于快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制/解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中明显有效且常用的抗衰落措施是分集接收技术。,4.4信道特性对信号传输的影响,45,分集接收基本思想：如果能在接收端同时获得几个不同的合成信号，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。要求：只有被分集的几个合成信号之间是统计独立的，合并后才能使系统性能改善。,4.4信道特性对信号传输的影响,46,空间分集：使用多个天线频率分集：用多个频率传同一信息角度分集：天线指向不同,分集方式,4.4信道特性对信号传输的影响,47,最佳选择式：选择信噪比最好的一个接收等增益相加式：各支路等增益相加最大比值相加式：使增益和本支路信噪比成正比后相加性能：321,信号合并方式,4.4信道特性对信号传输的影响,48,接收信号的分类确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号，这是理想情况；随相信号：接收码元的相位随机变化；起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。通过多径信道传输的信号都具有这种特性。,4.4信道特性对信号传输的影响,49,噪声信道中存在的不需要的电信号。又称加性干扰。按噪声来源分类人为噪声例：开关火花、电台辐射自然噪声例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、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01012Hz。通常将热噪声称为高斯白噪声。,4.5信道中的噪声,50,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：是遍布在时域和频域内的随机噪声。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。,4.5信道中的噪声,51,窄带高斯噪声带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声。窄带高斯噪声功率：式中Pn(f)双边噪声功率谱密度,4.5信道中的噪声,52,噪声等效带宽：式中Pn(f0)为原噪声功率谱密度曲线的最大值。,接收滤波器特性,噪声等效带宽,4.5信道中的噪声,利用噪声等效带宽的概念，在后面讨论通信系统的性能时，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。,53,4.6信道容量,信道容量是指信道能够传输的最大平均信息速率。表示信道的极限传输能力。,从信息论观点，各种信道分二大类：,离散信道编码信道（其模型用转移概率表示）连续信道调制信道（其模型用时变线性网络表示）,离散信道容量,编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。,54,离散信道容量的两种等价描述：,用每个符号能够传输的平均信息量最大值表示信道容量C。用单位时间(秒)内能够传输的平均信息量最大值表示信道容量Ct。,设有n个发送符号，如果信道无噪声，则它的输入与输出一一对应，即P(xi)和P(yj)相同。,y1y2y3.yn,4.6信道容量,55,如果信道有噪声，设P(xi)为发送符号xi的概率；P(yj)为收到符号yj的概率；P(yi/xi)为转移概率，i=1,2,n(表示发送xi的条件下收到yi的条件概率)。在这种信道中，输入与输出不存在一一对应关系，而是随机对应关系。输入为x1时，输出可能为y1，也可能是yi，但它们之间存在一定的统计关联。,4.6信道容量,56,计算收到一个符号时获得的平均信息量：从信息量的概念得知：发送xi时收到yj所获得的信息量等于发送xi前接收端对xi的不确定程度（即xi的信息量）减去收到yj后接收端对xi的不确定程度。发送xi时收到yj所获得的信息量为-log2P(xi)-log2P(xi/yj)对所有的xi和yj取统计平均值，得出收到一个符号时获得的平均信息量：,4.6信道容量,57,4.6信道容量,代表每个发送符合xi的平均信息量，称为信源的熵。,为接收yi符号已知后，发送符号xi的平均信息量，表示了发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量，也简称为条件信息量。,58,如果单位时间内信道传输的符号数为r，则信道每秒传输的平均信息量为(称为信息传输速率R)：,信道容量定义：,表示了每个符号传输的平均信息量的最大值。无噪声时，C=H(x)，C最大。时，C=0，信道容量为0，噪声最大。,4.6信道容量,59,第二种形式的信道容量可表示成：,即对于一切可能的信息源概率分布来说，信道传输信息速率R的最大值称为信道容量。,4.6信道容量,60,【例4.1】设信息由符号0和1组成，顺次选择两符号构成所有可能的消息。如果消息传输速率每秒1000符号，且两符号出现概率相等。在传输中，弱干扰引起的差错是：平均每100符号中有一个符号不正确，信道模型如图所示。求这时传输信息的速率是多少？,解：信息传输速率:,4.6信道容量,61,4.6信道容量,62,连续信道容量,对于带宽有限、平均功率有限的高斯白噪声连续信道，可证，其信道容量为:,若白噪声单边功率谱密度为n0(w/Hz)，则Nn0B(w)，故：,其中：B为带宽(Hz)，S为信号平均功率(w)，N为噪声功率(w)。Ct的单位为b/s。,上式是信息论中具有重要意义的香农（shannon）公