通信原理第4章信道.ppt

Chapter4信道,4.1无线信道,4.2有线信道,4.3信道的数学模型,4.5信道中的噪声,4.6信道容量,4.4信道特性对信号传输的影响,通信系统原理框图,信号源,发送设备,传输信道,收信装置,接收设备,传输信道,原始手段,有线通信,无线通信,烽火、旗语,电报电话,无线广播移动电话,有线信道：利用人造的传导电或者光的媒体来传输信号,无线信道：利用电磁波在空间中的传播来传输信号,按照传输媒质的不同，信道可以分两大类：有线（wired）信道，无线（wireless）信道,数字通信系统模型,信道中存在噪声，对于信号传输有着重要的不良影响，通常认为它是一种有源干扰。,信道本身的传输特性不良，可以看作是一种无源干扰,本章中将重点介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对信号传输的影响。,无线通信的传输媒质是自由空间。电磁波从发射天线辐射出去之后，经过自由空间到达接收天线的传播途径可分为两大类：地波和天波。,4.1无线信道,一地波（分为地面波和空间波）,1.地面波就是沿地面传播的无线电波（绕射传播），适用于长波和超长波。2.空间波是在发射天线与接收天线间直线传播的无线电波（直射传播）,发射天线和接收天线较高，接收点的电磁波由直接波和地面反射波合成。适用于超短波。,二天波（天空波）,经过地面100km至500km的电离层反射传送到接收点的电磁波（电离层反射折射传播）。适用于短波。电离层反射的特点：频率越高，吸收能量越小，但频率过高电波会穿透电离层。故频率只限于中短波段300Khz30Mhz。,传播方式,波段名称波长范围频率范围频段名称超长波10,000100,000m303kHz甚低频VLF长波1,00010,000m30030kHz低频LF中波2001,000m1500300kHz中频MF中短波50200m6,0001,500kHz中高频IF短波1050m306MHz高频HF米波110cm30030MHz甚高频VHF分米波10100cm3,00300MHz特高频UHF厘米波(微波)110cm303GHz超高频SHF毫米波110mm30030GHz极高频EHF亚毫米波1mm以下300GHz以上超极高频,远距离通信采用的新技术,无线电中继radiorelay卫星通信satellitecommunication平流层通信HighAltitudePlatformStations代替卫星作为基站的通信,除天波和地波的传播方式之外，电磁波还可以通过散射方式进行传播。反射：镜面反射散射：传播媒体不均匀，电磁波的传播方向向许多方向折射,电离层散射对流层散射流星余迹散射,4.2有线信道,平行架设在电线杆上的架空线路。优点：传输损耗低缺点：容易受到天气和环境的影响，对外界的噪声干扰比较敏感，并且很难一条路径架设大量的成百对线路；,明线(openwire),由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制造而成。优点：使用广泛，价格便宜，安装容易缺点：对电磁干扰比较敏感，不适合传输高速数据EIA/TIA5类UTP电缆规格（存在超5类和6类）Cat1：适用于电话传输Cat2：适用于电话和低速数据传输(最高4Mbps)Cat3：适用于10Mbps的10Bas-T以太网数据传输Cat4：适用于16Mbps的令牌环网Cat5：适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4快速以太网,对称电缆(symmetricalcable),图：双绞线(TwistedPair),广泛使用的同轴电缆有两种。一种是阻抗为50欧姆的基带同轴电缆，另一种是阻抗为75欧姆的宽带同轴电缆,表：铜轴电缆的类型,同轴电缆（coaxialcable）,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,图：同轴电缆,用光脉冲的出现表示“1”，不出现表示“0”光传输系统由三个部分组成：光纤传输介质、光源和检测器多模光纤：纤芯的直径较粗，光纤中可能有许多种沿不同途径同时传播的模式单模光纤：光在光纤中的传播没有反射，而沿直线传播,表：单模光纤与多模光纤的比较,光纤,（a）折射角大于入射角,（b）光波在纤芯中传播,（c）62.5/125m渐变增强型多模光纤,图多模光纤,图光纤连接器,4.3信道的数学模型,狭义信道：信号传输媒质有线、无线信道广义信道：针对研究的着眼点不同而有所不同针对调制解调：调制信道（包括传输媒质和发射/接收机）针对编/译码：编码信道（包括调制信道和调制解调器）,通信系统框图（注意：此图为数字通信框图）,离散/数字信道：输入输出为离散/数字信号（如数字通信中的编码信道）连续/模拟信道：输入输出为连续/模拟信号（如调制信道）恒参信道：信道性质不随时间变化或变化很缓慢（所有有线信道：明线、电缆、光纤；部分无线信道：微波中继、卫星中继）随参信道：信道性质随时间而随机变化（无线信道：电离层反射、对流层散射、移动通信多径信道）,4.3.1调制信道的数学模型,连续信道模型可用下面算式进行描述（以单输入、单输出为例）连续信道主要性质大多数为线性信道，即具有叠加性输出信号相对于输入信号有时延和损耗信道中有噪声时延和损耗是恒定的（与时间无关）则为恒参信道，否则为随参信道,调制信道模型,ei(t)：模拟信号或数字信号；f：线性失真，非线性失真，损耗，时变损耗等。工程上应是非线性失真n(t)：加性噪声，与ei(t)无关。k(t)：产生乘性噪声，包括各种失真等，只有ei(t)存在时，乘性噪声才存在。,恒参信道时不变线性网络，或者信道的特性随时间的变化极慢极小,随参信道的三个特点损耗随时间随机变化时延随时间随机变化多径传播：接收信号由发射信号经不同路径传播的多个信号在接收端叠加而成。,4.3.2编码信道的数学模型,离散信道模型用输入与输出的离散信号的转移概率（条件概率）描述,离散信道模型对称编码信道有/无记忆编码信道编码信道中当前码元的转移概率与前后码元的取值有关/无关二进制无记忆对称编码信道是最简单的编码信道注意：噪声的影响寓于转移概率之中,4.4信道特性对信号传输的影响,4.4.1恒参信道特性及其对信号传输的影响,一、特性恒参信道：非时变线性网络,对于理想信道：（1）H(w)=k用群迟延频率特性来描述相频特性：(w)=d(w)/dw，当（2）(w)=-td时，无相频畸变。,H(w)k(常数)，产生频率失真。线性失真，可以用一个线性网络进行补偿。(w)-wtd，产生相位失真。也是线性失真，可以用线性网络进行补偿。工程设计时，应使H()畸变范围及()误差范围符合要求。,二、对信号传输的影响,1模拟信号H()k，使模拟信号失真，解调后基带信号失真。()=-td，对语音信号影响不大(耳朵对相位不敏感)，仅对视频信号影响大。,1数字信号H()不理想，可能造成码间串扰、误码。例：2ASK系统，设带宽无限大，对信号传输无影响。,三、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类无畸变。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,4.4.2随参信道特性及其对信号传输的影响,一、特性随参信道：时变,传输特点：信号的传输衰减随时间变化信号的传输时延随时间变化信号经过多条路径到达接收端，并且每条路径的衰减和时延都随时间变化。（多径效应）,二、对信号传输的影响,1发射单频信号Acost，瑞利衰落、频率弥散。接收信号经n条路径传输到接收端，则接受信号可以表示为,由于ui(t)及i(t)是缓慢变化的(相对于信号角频率0周期相比），因此Xc(t)、Xs(t)、(t)、V(t)也是缓慢变化的，于是R(t)可视为一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号。衰落（fading）：信号包络因为传播而有了起伏的现象。,多径效应下，发射单频信号：,快衰落：多径传播使得信号包络产生的起伏远小于发送信号周期，但是仍可能是秒或者秒以下的数量级，所以常常将多径效应引起的衰落称为快衰落。慢衰落：没有多径效应时，仅有一条无线路径传播时所引起的衰落称为慢衰落。,2发射频带信号，频率选择性衰落。以两路径为例，且衰减是恒定的；,是变化的，故传输特性零点、极点是变化的。设最大迟延为m，则相对带宽f=1/m。当信号带宽Bf时，R(t)波形一定有畸变。当信号带宽Bf时，R(t)时强时弱，与发射单频信号时现象相似。为了不引起明显的选者性衰弱，B应小于f且采用分集接收等技术使信号稳定。,三、克服措施,一分集接收技术分别接收若干个独立的携带同一信息的信号，并将它们合并在一起，因这些信号不可能同时被衰减掉，因而可改善随参信道的传输特性。二扩频技术扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)简称扩频通信。扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。香农(Shannon)在信息论的研究中指出：如果信息传输速率C不变，则带宽W和信噪比P/N是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。,4.5信道中的噪声,一、分类按照来源分类人为噪声：电钻产生的电火花等自然噪声：闪电，宇宙噪声等。热噪声：电阻性元器件中电子的热运动。,按照性质分类确知噪声谐波干扰，自激随机噪声脉冲噪声：突发产生，频谱宽，时间窄。数字信号影响大。单频噪声：非所需的连续已调正弦波。存在特定频率，特定地点。起伏噪声：热噪声，散弹噪声，宇宙噪声。无处不在。,二、白噪声热噪声的频率范围很广，均匀分布在从接近0Hz开始，直到1012Hz。热噪声的频谱一般是均匀分布的，好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布一样，所以常常又被称作白噪声。热噪声本身是白色的，但是经过了接收端滤波器之后，带宽受限，于是便不再是白色成了窄带噪声，称作带限白噪声。,三、噪声带宽,白噪声,窄带白噪声,N不可能为无穷大，故白噪声的频率范围应是有限的。,为了描述窄带噪声带宽概念，引入噪声等效带宽概念。将噪声功率谱密度曲线变成矩形，保持功率不变，矩形最大值等于功率谱密度曲线最大值，对应的宽度即为噪声等效带宽。,4.6信道容量,信道容量（channelcapacity）：信道能够传送的最大平均信息量，它等于信道输入和输出的互信息的最大可能值。在离散信道中这个值由信道本身的性质所决定；在连续信道中还与信号功率大小有关,一、定义定义1：经过信道的每个符号平均能够传送的最大信息量定义2：单位时间通过信道能传送的最大信息量,4.6.1离散信道容量,二、几个概率X信道Yx=xi；i=1，2，3Ly=yj；j=1，2，3M一般应有L=M先验概率P(xi)xi的不确定性；后验概率P(xi/yj)收到yj后xi的不确定性；转移概率P(yj/xi)xi经信道传输后变为yj可能性；,三、有关信息量的定义和物理意义xi携带的信息量：信源熵信源平均信息量当P(xi)=1/L，i=1，2，L时，H(x)有最大值。条件信息量I(xi/yj)=log2P(xi/yj)bit，信道损失的信息量。,互信息量：信道传输时xi所传输的信息量。当I(xi/yj)=0，I(xi,yj)=I(xi)，信道不丢失xi的信息量；当P(xi/yj)=P(xi)时，I(xi/yj)=0，信道收xi的信息量全丢失。平均互信息量：信道传输一个符号所传输的平均信息量I(x,y)=H(x)H(x/y)(bit/符号)信源熵平均条件熵(信道疑义度),从上面的公式可以看出，每个符号传输的平均信息量和信源发送符号概率P（x）有关，于是信道容量定义如下：,单位时间内传输的符号数为r（符号/s），则信道每秒传输的平均信息量为：,根据信道容量的定义二，知R取最大值即是信道容量：,例题,在二进制对称信道中，P(1/0)=P(0/1)=0.99，r=1000Bd，求C。,对于带宽有限，平均功率有限的