传输技术课件

信息传输技术第二讲,纲要,有线信道及其应用,无线信道,大尺度衰落,小尺度衰落和多径效应,内容导览,有线信道及其应用,有线信道是指传输媒介为明线的信道。,有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。如对称电缆（又称电话电缆）广泛应用于（市内）近程传输。,有线信道主要有四类，即明线（openwire）、对称电缆（Symmetricalcable）、同轴电缆（coaxialcable）和光纤。,（1）明线明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。虽然它的传输损耗低，但是由于易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰比较敏感，已经逐渐被电缆取代。,有线信道的分类,对称电缆在有线电话网中广泛应用于用户接入电路，每个用户电话都是通过一对双绞线连接到电话交换机，通常采用的是2226号线规的双绞线。双绞线在计算机局域网中也得到了广泛的应用，Ethernet中使用的超五类线就是由四对双绞线组成的。,（2）对称电缆对称电缆是由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制成的，为了减小每对导线之间的干扰，每一对导线都做成扭绞形状，称为双绞线，同一根电缆中的各对线之间也按照一定的规律扭绞在一起。在电信网中，通常一根对称电缆中有25对双绞线，损耗比较大，但是性能比较稳定。,随着光纤的广泛应用，远距离传输信号的干线线路多采用光纤替代同轴电缆。在有线电视广播（CATV：CableTelevision）中还广泛地采用同轴电缆为用户提供电视信号，另外在很多程控电话交换机中PCM群路信号仍然采用同轴电缆传输信号，同轴电缆也作为通信设备内部中频和射频部分经常使用传输的介质，如连接无线通信收发设备和天线之间的馈线。,（3）同轴电缆同轴电缆是由内外两层同心圆柱体构成，在这两根导体之间用绝缘体隔离开。内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或金属编织网，在外导体外面有一层绝缘保护层，在内外导体之间可以填充实心介质材料或绝缘支架，起到支撑和绝缘的作用。由于外导体通常接地，因此能够起到很好的屏蔽作用。,（4）光纤传输光信号的有线信道是光导纤维，简称光纤。光纤中光信号的传输是基于全反射原理，光纤可以分为多模光纤和单模光纤，多模光纤中光信号具有多种传播模式，而单模光纤中只有一种传播模式。光纤的信号光源有发光二极管（LED）和激光。LED光源光谱纯度低，不同波长的光信号在光纤中传播速度不同，因此随着距离的增加，光信号传播会发生色散，造成信号的失真，限制了光纤传输的距离，因此对于长距离的传输，每隔一段距离都需要对信号进行中继。单模光纤的色散要比多模光纤小得多（在多模光纤中还存在模式色散），因而无中继传输距离更长，采用光谱纯度高的激光源传输时引起的色散则更小。,有线信道工作原理及其特点,工作原理：有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。这一类信道使用的传输媒质包括用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。特点：传输媒体为导线（双绞线或者光纤等），信号沿导线传输，能量相对集中在导线附近，因此具有较高的传输效率。此外，信噪比高、频带资源窄、存在回波和非线性失真也是有线信道的特点。,无线信道多径衰落的基本特性及分类,无线信道的主要特征是多径传播。多径传播是由于无线传播环境的影响，在电波的传播路径上电波产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到移动台的天线时，信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。因为电波通过各个路径的距离不同，所以各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接受信号的幅度将急剧变化，即产生了所谓的多径衰落。多径衰落又分为大尺度衰落和小尺度衰落。,大尺度衰落,大尺度衰落表示由于在大范围内移动而引起的平均信号能量的减少或路径损耗，产生原因是收、发端之间地表轮廓（如高山、森林、建筑等）的影响，通常称接收机被这些突出物“遮挡”了。,小尺度衰落,小尺度衰落是指信号的幅值、相位的动态变化，这种变化是由于收、发端之间空间位置处理的微小变化引起的。它表现为两种机制：信号的时延扩展（信号弥散）和信道的时变特性。如果存在大量反射路径而没有LOS信号分量，此时的小尺度衰落称为Rayleigh衰落，接收信号的包络由Rayleigh概率密度函数统计描述；若存在LOS信号分量，则包络服从Rician分布。其实，大尺度衰落可看成是信号的小尺度衰落的空间平均。因为无线移动通信跨越了比较大的区域，其信号必然同时受到大尺度衰落和小尺度衰落的影响。,大尺度衰落和小尺度衰落图示,衰落和多径,多普勒频移,当移动体在x轴上以速度v移动时，会引起多普勒频率漂移，如右图所示。此时，多普勒效应引起的多普勒频移可表示为：,式中，v为移动速度；为波长；为入射波与移动台移动方向；为最大多普勒频移。由上式可以看出，多普勒频移与移动台运动的速度以及运动方向和无线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。,多径信道的信道模型,多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。通常信道可以看成作用于信号上的一个滤波器，因此可以通过分析滤波器的冲激响应和传递函数得到多径信道的特性。设传输信号为：该信号经多径信道传输后的输出信号可表示为：,式中是第l个路径上接收信号的衰减因子，是第l个路径上的传输时延，它们将随时间变化。信道的冲激响应：,假设接收机接收到的多径信号为无穷多，且各路径之间的时间间隔充分小，则信道为连续多径信道，其时变响应可表示为：,移动多径信道参数,时间色散参数,时间色散就是把发送端的一个信号沿时间轴展开，使接收信号的持续时间比这个信号的持续时间增长。描述带宽多径信道的时间色散特性的参数有：时延扩展相干带宽,在多径信道中，由于各个信道的时延不同，将造成接收信号时域上波形的展宽，称为时延扩展。一般的，接收信号为各个散射信号之和：,分别为各条路径的衰减系数和相对传输时延。实际上由于移动传输环境十分复杂，在不同区域不同时间里所实测的时延都不尽相同，因而要定量的给出时延扩展的值，可以采用统计平均的办法。时延扩展是时延平方的平均值和平均时延的平方值的差的平方根，即：,对一任意典型多径信道来说，时延扩展也可以表示为,其中表示信号在时延为的路径上的功率。,时延扩展引起频率选择性衰落，它在时域上将信号的波形展宽，通常用信道的相干带宽来定量描述时延扩展。相干带宽定义为两个频率处信道的频率响应保持强相关条件下的最大频率差。在工程应用中，对于角度调制信号，相关带宽可用下式估算：,相关带宽表征信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。当衰落信号中的两个频率分量的频率间隔小于相关带宽时它们是相关的，其衰落具有一致性；当频率间隔大于相关带宽时，它们的衰落不具有一致性。,频率色散参数,频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相关时间是与多普勒扩展相对应的参数。与时延扩展和相干带宽不同的是多普勒扩展和相干时间描述的是信道的时变特性。这种时变特性或是由移动台与基站间的相对运动引起的，或是由信道路径中的物体运动引起的。当信道时变时，信道具有时间选择性衰落，这种衰落会造成信号的失真。这是因为发送信号在传输过程中，信道特性发生了变化。信号尾端的信道特性与信号前端的信道特性发生了变化，就会产生时间选择性衰落。,多普勒扩展是频谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。多普勒效应造成当发射频率为的单频波时，接收信号的频谱会从频率为的谱线扩展为,到的有限谱带宽，在多径环境下，接收信号的频谱结构中会产生不同的多普勒频移偏移，这种频移会造成多普勒扩展。这相当于单频信号在通过多径信道时受到随机调频。多普勒频移的增加将导致接收机的输入信噪比降低，从而影响到其误码率性能。,相关时间越大，信道变化越慢；反之，相关时间越小，信道变化越快。,在移动通信中，相关时间由下式给出：,相干时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道的频率色散的时变特性，定义为两个瞬时时间的信道冲激响应处于强相关情况下的最大时间间隔。,角度色散参数,无线通信中移动台与基站周围的散射环境不同，使得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同，从而产生了角度色散，即空间选择性衰落。角度扩展和相关距离是描述空间选择性衰落的两个主要参数。,角度扩展是用来描述空间选择性衰落的重要参数，它与角度功率谱有关。,角度功率谱是信号功率谱密度在角度上的分布。研究表明，角度功率谱一般为均匀分布、截断高斯分布和截断拉普拉斯分布。角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根，即：,角度扩展描述了功率谱在空间上的色散程度，角度扩展在之间分布。角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散程度越高；相反，角度扩展越小，表面散射环境越弱，信号在空间的色散程度越低。,相关距离指的是信道冲激响应保证一定相关度的空间距离。在相关距离内，信号经历的衰落具有很大的相关性。在相关距离,内，可以认为空间传输函数是平坦的，即如果天线元素放置的空间距离比相关距离小的多，即：,信道就是非空间选择性信道。,衰落信道的包络统计特性,瑞利分布在微蜂窝无线环境中，由于存在各种建筑物，接收信号中含有大量反射波。可以证明，在这种情况下接收信号的幅度服从瑞利分布，因而多径衰落通常又称为瑞利衰落。为了对多径信号做出数学描述，首先给出下列假设：1、在发射机和接收机之间没有直射波通路；2、有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，且在内均匀分布；3、各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。,一般来说，在离基站较远、反射物较多的地区，是符合上述假设的。,在上述假设条件下，接收信号可以表示为：,，分别为的同相分量和正交分量。当N很大时，根据中心极限定理，它们都是高斯随机过程。令和分别为某时刻t时的相应于和的随机变量，则和服从零均值、方差为的正态分布，且相互独立。则：,若令,，则,上两式表明，接收信号的相位服从的均匀分布，接收信号包络服从瑞利分布。其概率密度函数如右图所示：其中，N=6，=3。,莱斯分布,在上一小节的分析中，用了一个基本的假设，即N个多径信道时相互独立的，且没有一个信号占支配地位。在离基站较远的地区，直射波由于扩散损耗较大而很弱，或者由于遮蔽而没有直射波，上述假设是成立的。,然而，在离基站较近的区域，通常有较强的直射波。理论上可以推出，存在占支配地位分量的大量随机变量之和服从莱斯分布。莱斯分布的概率密度函数为：,这里，r为衰落信号的包络，为直射波辐射，为r的方差，,为修正的零阶第一类Bessel函数。其概率密度函数如下图所示，N=6,抵抗信号衰落的方法分集,衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一。其中的快衰落深度可达3040dB,如果想利用加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法来克服这种深衰落是不可能的，而且会造成对其它电台的干扰。而采用分集方法,即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。相应的还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响，以获得分集增益，提高接收灵敏度，这种技术已广泛应用于包括移动通信、短波通信等随参信道中。在第二和第三代移动通信系统中，这些分集接收技术都已得到了广泛应用。,分集技术,分集技术的好处,分集是克服无线信道多径衰落最为有效的技术,1、降低功率要求提高了覆盖，延长了电池寿命2、低信号断线率改善了语音质量和切换性能（宏分集）3、降低的衰落储备直接转化为更好的重用因子，即提高了系统容量,不会在接收机单元中增加无节制的复杂度,分集技术的原理,根据信号论原理，若有其他衰减程度的原发信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服空间选择性衰落，但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。,分集技术包括2个方面：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。,分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。,分集技术分类,空间分集空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。采用空间分集技术能够降低信道衰落的影响，改善传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。,频率分集频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不用频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗