通信原理 第四章信道

.,1,第四章信道,主讲：赵发勇阜阳师范学院物电学院,.,2,概述4.1无线信道4.2有线线道4.3信道的数学模型4.4信道特性对信号传输的影响4.5信道中的噪声4.6信道容量,目录,.,3,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。,概述,信道:传输媒质,（信号通道）,有线信道,无线信道,.,4,无线信道电磁波的频率受天线尺寸限制一般天线为波长的1/10（）。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,大气层对电磁波的影响有哪些？,.,5,电离层(DEF1F2)对于传播的影响吸收反射散射大气层（氧气水蒸气和降雨）对于传播的影响散射吸收,4.1无线信道,.,6,电磁波的分类地波频率2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米中波主要靠地波天波（电离层反射波）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微波中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：,m,4.1无线信道,.,微波中继通信,使微波中继线路稳定可靠，每隔4060公里便要配置一个中继站。一般以相距46公里为一个标准段。,微波中继通信常用于电缆无法铺设或极难铺设的地方,而且相对而言，线路铺设简单,建设周期短,投资少。是二十世纪六七十年代世界各国干线通信的主要传输手段之一。,.,9,卫星通信的概貌,.,目前，大多数卫星通信系统选择的工作频段是：UHF波段400/200MHzL波段1.6/1.5GHzC波段6.0/4.0GHzX波段8.0/7.0GHzKu波段14.0/12.0GHz;14.0/11.0GHzKa波段30/20GHz,.,平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台(HighAltitudePlatformStations,HAPS)代替卫星作为基站的通信，平台高度距地面17km22km。可以用充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。若其高度在20km，则可以实现地面覆盖半径约500km的通信区。若在平流层安置250个充氦飞艇，可以实现覆盖全球90%以上人口的地区。平流层通信系统和卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大。它是在研究中的一种通信手段,平流层通信,.,12,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,4.1无线信道,.,13,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,.,14,架空明线：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。双绞线：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同轴电缆：具有高带宽和较好的抗干扰特性。光纤：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。,4.2有线信道,.,15,双绞线示意图,.,16,同轴电缆结构示意图,.,17,光纤结构示意图,.,18,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,光纤,.,19,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、接受设备，天线、馈线，调制解调器等）,4.3信道的数学模型,定义广义信道的原因：只关心变换的最终结果，而无需关心详细的物理过程。,.,20,调制信道和编码信道,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。,广义信道按包含的功能，可划分为调制信道与编码信道。,广义信道,.,21,调制信道模型(模拟信道),考察调制信道输出信号与输入信号的关系。设输入端与输出端是一一对应的，可表示为,调制信道的数学模型,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。,.,22,则调制信道可以写为,k(t)依赖于网络的特性，反映网络特性对的作用。k(t)的存在，对来说是一种干扰，通常称为乘性干扰。,通常假设,调制信道的数学模型,.,23,在分析乘性干扰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。,本书的模拟和数字通信系统中主要讨论具有加性高斯白噪声的恒参信道的情况。,恒参信道和随参信道,.,24,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。,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。,编码信道模型(数字信道),.,25,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4-14所示。,（所谓信道无记忆是指：一码元的差错与其前后码元的差错发生是相互独立的。),.,26,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。,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。,误码率错误转移概率的统计平均Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1),二进制编码信道模型的转移概率矩阵为：,.,27,4.4信道特性对信号传输的影响,一、恒参信道,举例：各种有线信道和部分无线信道，如卫星通信链路信道，微波中继链路信道，恒参信道实质是非时变线性网络信号通过线性系统的分析方法（假设输入源这确知信号）下面首先介绍一种理想的恒参信道。,.,28,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eo(t)=K0ei(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。,理想恒参信道,.,29,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。,对ei(t)的不同频率成份进行相同的幅度衰减和时延。,实际中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真：,.,30,如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，即信号在不同的频点的衰耗不同，导致波形失失真（或码间串扰），信号产生幅度-频率失真（又称为频率失真）；产生原因：由于各种滤波器、混合线圈、串联电容、分路电感等造成引起的；产生影响：模拟波形失真：信噪比下降；数字信号：码间串扰,造成误码；改变方法：可以通过改善滤波特性或增加线性补偿网络（幅度均衡器）来改善，使衰耗特性平坦。,1、幅频失真,.,31,(a)插入损耗频率特性,图4-16：典型电话信道特性,.,32,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。常用群迟延频率特性来衡量。产生原因：信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈引起的；产生影响：对模拟语音信号影响不大；数字信号：码间串扰，造成误码；改变方法：可以通过改善滤波特性或增加线性补偿网络（相位均衡器）来改善。,2、相频失真,.,33,例：非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变,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。,群延迟-频率特性影响分析,.,34,非线性失真：输入电压输出电压关系是非线性的。主要是由元件的特性不理想造成的。频率偏移：指信道的输入信号频谱经过信道传输后产生了平移。相位抖动,其它失真：非线性失真、频率偏移、相位抖动,.,35,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。,在此以短波（10m100m的无线电波）电离层反射信道为例对随参信道进行简单介绍，其传输路径如图。,二、随参信道,电离层是指离地面高60600km的大气层。当短波电磁波经过时经反射、折射完成远距离的反射传输，同时也受到衰减、延时等影响。,.,36,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（多径效应）。,.,37,考虑一个单频信号：设发射信号为接收信号为式中由第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。,多径效应分析,.,38,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,多径效应分析,.,39,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：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。包络V(t)的一维分布服从瑞利分布，称为瑞利型衰落。(t)的一维分布服从均匀分布。快衰落衰落周期和码元周期可以相比。慢衰落由传播条件引起的。,多径效应分析,.,40,两径传输模型（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)=Acos0t）,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。,.,41,模型的传输特性为：,传输特性的幅度-频率特性为,两径传输模型（设衰减相同）,幅频特性曲线,.,42,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。,频率选择性衰落,图中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。,.,43,多径传播中，频率选择性依赖于相对时延差。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带宽。,为了不引起选择性衰落，传输信号的频带BS必须小于多径传播媒质的相关频带。工程上取BS=(1/3-1/5),频率选择性衰落,.,44,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。,接收信号的分类,.,45,4.5信道中的噪声,调制信道对信号传输的影响，包括乘性干扰k(t)和加性干扰n(t)。,加性干扰n(t)也称加性噪声，简称噪声，是信道中存在的不需要的电信号。,.,46,、按来源分类,人为噪声：来源于其它无关的信号源，如外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射、荧光灯干扰等；自然噪声：自然界存在的各种电磁波源，如闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其它各种宇宙噪声等；内部噪声：系统设备本身产生的各种噪声，如导体中自由电子的热运动（热噪声）、电源哼声等。,一、噪声的分类,.,47,、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。,一、噪声的分类,.,48,式中Pn(f0)原噪声功率谱密度曲线的最大值噪声等效带宽：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,二、噪声的等效带宽,.,49,4.6信道容量,信道容量：信道能够传输的最大平均信息速率，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：输入和输出的信号都是取离散的时间函数，即广义信道中的编码信道；连续信道：输入和输出信号都是取值连续的时间函数；即广义信道中的调制信道。,.,50,两种不同的度量单位：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。,离散信道模型,离散信道的模型可分为有噪声信道和无噪声信道两种情况，可以用信道转移概率来合理的描述信道干扰和信道统计特性。,离散信道容量,.,51,图(a)是无噪声信道，图（b）是有噪声信道。先验概率：P(xi)发送符号xi的概率，输出概率：P(yj)收到符号yj的概率，转移概率：P(yj/xi)发送xi的条件下收到yi的转移（条件）概率后验概率：P(xi/yj)收到yi后判断发送为xi的转移（条件）概率,.,52,平均互信息量I(X,Y),在有噪声信道中，发送符号为而收到符号为时所获得的信息量，即互信息量。它等于发送符号的信息量减去收到符号yi后对xi的不确定程度：,.,53,对所有发送为而收到为的互信息量取统计平均，则得到从Y中获得的关于X的平均信息量即平均互信息量I(X,Y):,式中，H(x)表示发送的每个符号的平均信息量；H(x/y)表示发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量。,离散信道容量,.,54,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