第4章信道素材.ppt

1,通信原理,2,通信原理,第4章信道,3,第4章信道,信道分类：无线信道电磁波（含光波）有线信道电线、光纤信道中的干扰：有源干扰噪声无源干扰传输特性不良本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。,4,第4章信道,4.1无线信道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,5,电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收,第4章信道,6,第4章信道,电磁波的分类：地波频率2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米天波频率：230MHz特点：被电离层反射一次反射距离：30MHz距离:和天线高度有关(4.1-3)式中，D收发天线间距离(km)。例若要求D=50km，则由式(4.1-3)增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：,第4章信道,m,8,第4章信道,散射传播电离层散射机理由电离层不均匀性引起频率3060MHz距离1000km以上对流层散射机理由对流层不均匀性（湍流）引起频率1004000MHz最大距离600km,9,第4章信道,流星流星余迹散射流星余迹特点高度80120km，长度1540km存留时间：小于1秒至几分钟频率30100MHz距离1000km以上特点低速存储、高速突发、断续传输,10,第4章信道,4.2有线信道明线,11,第4章信道,对称电缆：由许多对双绞线组成同轴电缆,12,第4章信道,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,13,损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55m,第4章信道,14,第4章信道,4.3信道的数学模型信道模型的分类：调制信道编码信道,15,4.3.1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,16,一、调制信道1、调制信道的共性1）有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端；2）绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理；3）信号通过信道具有一定的迟延时间，而且它还会受到(固定的或时变的)损耗；4）即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出(噪声)。,17,2调制信道的模型,二对端网络,多对端网络,18,对于二对端的信道模型，其输出与输入的关系应该有eo(t)=fei(t)+n(t)其中，ei(t)为输入的已调信号；eo(t)为信道总输出波形；n(t)为加性噪声/干扰，且与ei(t)相互独立。fei(t)表示已调信号通过网络所发生的(时变)线性变换,反映了物理信道的特性,当然不同物理信道有不同的特性.若设fei(t)=k(t)*ei(t)Eo()=K()Ei()则有eo(t)=k(t)*ei(t)+n(t)K()依赖于信道特性,可以看成是乘性噪声,19,3讨论,1)乘性干扰k(t)和加性干扰n(t)是调制信道的两种干扰，如果我们了解k(t)与n(t)的特性，就能知道信道对信号的具体影响2)分析k(t)乘性干扰时，可将信道分为：恒参信道：即k(t)随时间缓慢变化或不变例：架空明线、电缆、光导纤维、超短波及微波视跨传播、卫星中继等视为恒参信道随参信道：即k(t)随机快变化例:短波电离层反射信道、各种散射、超短波移动通信信道等视为随参信道。,20,4、物理信道中的K()的三种典型形式,1）加性噪声信道eo(t)=kei(t)+n(t),k是信道衰减因子，通常可取k=1；n(t)是加性噪声。加性噪声n(t)通常是一种高斯噪声，该信道模型通常称为加性高斯噪声信道。,21,2）带有加性噪声的线性滤波器信道,K()在信号频带范围之内不是常数，但不随时间变化，数学上表示为线性滤波器eo(t)=k(t)*ei(t)+n(t),22,3)带有加性噪声的线性时变滤波器,K()在信号频带范围之内不是常数，且随时间变化，这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性时变滤波器。如电离层反射信道、移动通信信道都具有这种特性。信道特性可以表征为时变单位冲激响应k(t,)，此时信道传输函数为K(,)。若信道输入信号为ei(t)，则信道输出为e0(t)=k(t,)*ei(t)+n(t),23,电离层反射主要靠云彩的层面反射，而云彩在空中是不断变化的，不同时间不同，故此信道特征可以看成一个线性时变滤波器。,绝大多数通信信道都满足以上三种模型进行表征，本书也采用三种信道模型,24,对信号的影响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列；一般把编码信道则看成是一种数字信道；编码信道模型可以用数字的转移概率来描述；可分为有记忆编码信道和无记忆编码信道。,二、编码信道,25,编码信道的转移概率,模型中，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称为信道转移概率。以P(1/0)为例，其含义是“经信道传输，把0转移为1的概率”。P(0/0)=1-P(1/0)P(1/1)=1-P(0/1),26,4.4.1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。,4.4信道特性对信号传输的影响,27,一、理想恒参信道特性理想恒参信道就是理想的无失真传输信道，其等效的线性网络传输特性为其中K0为传输系数，td为时间延迟，它们都是与频率无关的常数。根据信道的等效传输函数，可以得到幅频特性为|H()|=K0相频特性为()=td,28,信道的相频特性通常还采用群迟延-频率特性来衡量，所谓的群迟延-频率特性就是相位-频率特性的导数，则群迟延-频率特性可以表示为理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延特性曲线如图3-11所示。理想恒参信道的冲激响应为h(t)=K0(t-td)若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出为r(t)=K0s(t-td),(3.51),29,理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延-频率特性,幅频特性：|H()|=K0幅度上固定的衰减,相频特性：()=td时间上固定的延迟,不失真条件,30,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。,31,由理想的恒参信道特性可知，在整个频率范围，其幅频特性为常数(或在信号频带范围内为常数)，其相频特性为的线性函数(或在信号频带范围之内为的线性函数)。在实际中，如果信道传输特性偏离了理想信道特性，就会产生失真(或称为畸变)。幅频失真(幅度-频率失真):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；相频失真(相位-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。,二、两种失真及影响,32,1.幅度-频率失真幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的，这种失真又称为频率失真，属于线性失真。图3-12(a)所示是典型音频电话信道的幅度衰减特性。由图可见，衰减特性在3003000Hz频率范围内比较平坦；300Hz以下和3000Hz以上衰耗增加很快，这种衰减特性正好适应人类话音信号传输。CCITTM.1020建议规定的衰减特性如图3-12(b)所示。,33,典型音频电话信道的幅度衰减特性300HZ1100HZ内损耗比较平坦1100HZ2900HZ线性上升2900HZ以上衰减很快。,34,信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰。第五章会介绍采用均衡技术。通常电话信道中，可能存在各种滤波器，还可能存在混合线圈，串联电容、分路电感等。因此电话信道是不理想的。,35,2.相位-频率失真相频失真(相位-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。当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道的信号产生相位-频率失真，相位-频率失真也是属于线性失真。后图给出了一个典型的电话信道的相频特性和群迟延频率特性。可以看出，相频特性和群迟延频率特性都偏离了理想特性的要求，因此会使信号产生严重的相频失真或群迟延失真。在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此相频失真对模拟话音传输影响不明显。,36,如果传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰，特别当传输速率较高时，相频失真会引起严重的码间干扰，使误码率性能降低。由于相频失真也是线性失真，因此同样可以采用均衡器对相频特性进行补偿，改善信道传输条件。,37,图313典型电话信道相频特性和群迟延频率特性(a)相频特性；(b)群迟延频率特性,38,非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变,如图。a,正常;b群时延,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。,39,变参信道的影响变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播变参信道的特性：衰减随时间变化时延随时间变化多径效应：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。下面重点分析多径效应,4.4.2变参信道的影响,40,第4章信道,多径效应分析：设发射信号为接收信号为(4.4-1)式中由第i条路径到达的接收信号振幅；由第i条路径达到的信号的时延；上式中的都是随机变化的。,41,第4章信道,应用三角公式可以将式(4.4-1)改写成：(4.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。式中接收信号的包络接收信号的相位,缓慢随机变化振幅,缓慢随机变化振幅,42,第4章信道,所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。这种包络起伏称为快衰落衰落周期和码元周期可以相比。另外一种衰落：慢衰落由传播条件引起的。,43,第4章信道,多径效应简化分析：设发射信号为：f(t)仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同两条路径的接收信号为：Af(t-0)和Af(t-0-)其中：A传播衰减，0第一条路径的时延，两条路径的时延差。求：此多径信道的传输函数设f(t)的傅里叶变换（即其频谱）为F()：,44,第4章信道,（4.4-8）则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数，故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，A常数衰减因子，确定的传输时延，和信号频率有关的复因子，其模为,45,第4章信道,按照上式画出的模与角频率关系曲线：曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差。而是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落。,图4-18多径效应,46,图4-18多径效应,第4章信道,定义：相关带宽1/实际情况：有多条路径。设m多径中最大的相对时延差定义：相关带宽1/m多径效应的影响：多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。,47,第4章信道,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,48,第4章信道,4.5信道中的噪声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,49,第4章信道,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。热噪声电压有效值：式中k=1.3810-23（J/K）波兹曼常数；T热力学温度（K）；R阻值（）；B带宽（Hz）。性质：高斯白噪声,50,第4章信道,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：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。,51,第4章信道,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,52,第4章信道,噪声等效带宽：式中Pn(f0)原噪声功率谱密度曲线的最大值噪声等效带宽的物理概念：以此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特性滤波器的噪声功率，等于通过实际滤波器的噪声功率。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。,接收滤波器特性,噪声等效带宽,53,第4章信道,4.6信道容量信道容量指信道能够传输的最大平均信息速率。4.6.1离散信道容量两种不同的度量单位：C每个符号能够传输的平均信息量最大值Ct单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换,54,第4章信道,计算离散信道容量的信道模型发送符号：x1，x2，x3，xn接收符号：y1，y2，y3，ymP(xi)=发送符号xi的出现概率，i1，2，n；P(yj)=收到yj的概率，j1，2，mP(yj/xi)=转移概率，即发送xi的条件下收到yj的条件概率,55,第4章信道,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=-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：平均信息量/符号,56,第4章信道,平均信息量/符号式中为每个发送符号xi的平均信息量，称为信源的熵。为接收yj符号已知后，发送符号xi的平均信息量。由上式可见，收到一个符号的平均信息量只有H(x)H(x/y)，而发送符号的信息量原为H(x)，少了的部分H(x/y)就是传输错误率引起的损失。,57,第4章信道,二进制信源的熵设发送“1”的概率P(1)=，则发送“0”的概率P(0)1-当从0变到1时，信源的熵H()可以写成：按照上式画出的曲线：由此图可见，当1/2时，此信源的熵达到最大值。这时两个符号的出现概率相等，其不确定性最大。,58,第4章信道,无噪声信道信道模型发送符号和接收符号有一一对应关系。此时P(xi/yj)=0；H(x/y)=0。因为，平均信息量/符号H(x)H(x/y)所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为H(x)。而原来在有噪声条件下，从一个符号获得的平均信息量为H(x)H(x/y)。这再次说明H(x/y)即为因噪声而损失的平均信息量。,59,第4章信道,容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值(比特/符号)当信道中的噪声极大时，H(x/y)=H(x)。这时C=0，即信道容量为零。容量Ct的定义：(b/s)式中r单位时间内信道传输的符号数,60,第4章信道,【例4.6.1】设信源由两种符号“0”和“1”组成，符号传输速率为1000符号/秒，且这两种符号的出现概率相等，均等于1/2。信道为对称信道，其传输的符号错误概率为1/128。试画出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct。【解】此信道模型画出如下：,61,第4章信道,此信源的平均信息量（熵）等于：（比特/符号）而条件信息量可以写为现在P(x1/y1)=P(x2/y2)=127/128，P(x1/y2)=P(x2/y1)=1/128，并且考虑到P(y1)+P(y2)=1，所以上式可以改写为,62,第4章信道,平均信息量/符号H(x)H(x/y)=10.045=0.955（比特/符号）因传输错误每个符号损失的信息量为H(x/y)=0.045（比特/符号）信道的容量C等于：信道容量Ct等于：,63,第4章信道,4.6.2连续信道容量可以证明式中S信号平均功率（W）；N噪声功率（W）；B带宽（Hz）。设噪声单边功率谱密度为n0，则N=n0B；故上式可以改写成：由上式可见，连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。,64,第4章信道,当S，或n00时，Ct。但是，当B时，Ct将趋向何值？令：x=S/n0B，上