【精品】通信原理课件_第4章_信道

通信原理PRINCIPLESOFCOMMUNICATIONS通信原理教学组第4章信道第4章信道41无线信道42有线信道43信道的数学模型44信道特性对信号传输的影响45信道中的噪声46信道容量信道CHANNEL是通信系统必不可少的组成部分，任何一个通信系统据均可视为由发送设备、信道与接收设备三大部分组成。信道通常是指以传输媒质为基础的信号通道，而信号在信道中传输遇到噪声又是不可避免的，即信道允许信号通过的同时又给信号以限制和损害。因而，对信道和噪声的研究乃是研究通信问题的基础。按照传输媒质的不同，信道可以分为无线信道和有线信道两大类。其中无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号；而有线信道则是利用人造的传导电或光信号的媒体来传输信号。第4章信道41无线信道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，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，想象两者之间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。41无线信道原则上，任何频率的电磁波都可以产生。但是为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。因此，频率过低，波长过长，则天线难于实现。所以，通常用于通信的电磁波频率都比较高。根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为地波、天波和视线传播三种方式。41无线信道地波频率在2MHZ以下的电磁波，趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。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，因此传播距离不大，一般在数百千米到数千千米。图41地波传播41无线信道天波频率较高2MHZ30MHZ的电磁波称为高频电磁波，它能够被电离层反射。电离层距离地面的高度约60KM400KM。天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的图42天波传播41无线信道电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。波长短于10MF30MHZ的微波能穿过电离层，波长超过3000KMF100HZ的长波，几乎被电离层全部吸收。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。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。41无线信道视线传播频率高于30MHZ的电磁波将穿透电离层，不能被反射回来。此外它沿地面绕射的能力也很小。所以，只能类似光波那样作视线传播，即直线传播。图42天波传播41无线信道无线电中继为了通过视线传播达到远距离通信的目的，可以采用无线电中继的办法。如图44所示，经过多次转发来视线远程通信。图44无线电中继41无线信道卫星中继（卫星通信）利用三颗地球同步卫星可以覆盖全球，从而实现全球通信。利用卫星作为中继站能够增大一次转发的距离，但是却增大了发射功率和信号传输的延迟。图45卫星中继42有线信道传输电信号的有线信道主要有三类明线、对称电缆和同轴电缆。明线平行架设在电线杆上的架空线路。优点传输损耗低；缺点易受天气和环境的影响，并且对外界噪声干扰敏感。目前，已逐渐被电缆所取代。对称电缆由若干对放在一根保护套内的双绞线制成。“双绞”形式能够减小两导线之间的干扰。缺点损耗较明线大；优点性能较稳定。42有线信道同轴电缆由内外两根同心圆柱导体构成，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。43信道的数学模型调制信道把发送端调制器的输出端至接收端解调器输入端之间的部分称为调制信道。定义调制信道对于研究各种调制制度的性能时是方便的。在数字通信系统中，如果研究编码与译码问题时，则采用编码信道会使问题分析更容易。编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。调制信道与编码信道的概念43信道的数学模型431调制信道模型通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它具有如下共性1有一对或多对输入端和一对或多对输出端；2绝大多数信道是线性的，即满足线性叠加原理；3信号通过信道具有固定或时变的延迟时间；4信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；5即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。43信道的数学模型根据以上几条性质，调制信道的输入端信号电压和输出端信号电压之间的关系可以表示为式中EIT为信道输入端信号电压；EOT为信道输出端的信号电压；NT为噪声电压，与EIT相互独立。信道中的噪声NT是叠加在信号上的，而且无论有无信号，噪声NT是始终存在的，因此通常称之为加性噪声或加性干扰。43信道的数学模型FEIT表示信道输入和输出电压之间的函数关系，通常假设FEITKTEIT，即信道的作用相当于对输入信号乘上了一个系数KT。这样，信道输出信号的表达式可以改写为一般KT是个很复杂的函数，它反映了信道的特性。且是时间的函数，说明信道特性是随时间变化的。调制信道的一般数学模型43信道的数学模型随参信道与恒参信道分析乘性干扰时，可以把信道粗略地分为两大类恒参信道KT不随时间变化或基本不变；随参信道KT随时间作较快的随机变化。乘性干扰与加性干扰当没有信号输入时，加性干扰也存在，但没有乘性干扰输出。乘性干扰加性干扰43信道的数学模型432编码信道模型编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其它因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图414所示43信道的数学模型图414二进制编码信道模型先验概率正确转移概率错误转移概率43信道的数学模型通信原理2008年图中P0和P1分别是发送“0”符号和“1”符号的先验概率；P0/0与P1/1是正确转移概率；P1/0与P0/1是错误转移概率。输出总的错误概率为在编码信道模型中，由于信道噪声或其它因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无记忆编码信道。43信道的数学模型通信原理2008年即码元是否发生差错与其前后码元的取值以及前后码元是否发生差错都无关。根据概率的性质可知由二进制无记忆编码信道模型，可以容易的推广到多进制无记忆编码信道模型。如果编码信道是有记忆的，即信道噪声或其它因素影响导致输出数字序列发生错误是不独立的，则编码信道模型要复杂得多。44信道特性对信号传输的影响一、恒参信道对信号传输的影响各种有线信道和部分无线信道，包括卫星链路和某些视距传输链路，可以当作恒参信道看待，因为它们的特性变化很小、很慢，可以视作其参量恒定。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。其传输特性表示如下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（群时延）来表征。44信道特性对信号传输的影响理想（无失真）信道的幅频特性、相频特性和相频特性曲线如下图所示图415理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延频率特性44信道特性对信号传输的影响通信原理2008年理想恒参信道的冲激响应为若输入信号为ST，蚶硐牒悴涡诺赖输出为由此可见，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。44信道特性对信号传输的影响实际信道往往不满足理想的要求，例如电话信号的频带在300HZ3400HZ范围内；而电话信道的幅频特性和群时延特性如下图所示。3020100120024003600DBF/HZ4320120024003600MSF/HZ在3003000HZ频率范围内衰减较平坦；两端则增加很快；适应话音信号传输44信道特性对信号传输的影响可看出，它们都偏离了理想特性的要求。因此，会使信号产生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。如果传输数字信号，相频失真会引起相邻码元波形之间发生部分重叠，造成码间串扰。上述情况均属于线性失真，可以用一个线性网络进行补偿均衡，若此线性网络的频率特性与信道的频率特性之和在信号频带内为一条水平直线，则此补偿网络就能完全抵消信号产生的失真。44信道特性对信号传输的影响其他失真非线性失真信道的输入与输出信号的振幅关系不是线性关系，是由元器件特性不理想所引起。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。44信道特性对信号传输的影响二、随参信道对信号传输的影响随参信道的传输媒质具有以下三个特点1信号的传输衰减随时间而变；2信号的传输时延随时间而变；3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。由于随参信道比恒参信道复杂得多，它对信号传输的影响也比恒参信道严重得多。44信道特性对信号传输的影响我们假设发送信号为单一频率正弦波，即经过N条路径到达接收端，则接收端接收到的信号RT为441上式中，为第I条路径到达的接收信号的振幅；为第I条路径到达信号的时延。44信道特性对信号传输的影响应用三角公式可以将上式改写为442、3、4、5接收信号的包络接收信号的相位44信道特性对信号传输的影响其中，和相对于正弦波的频率F0来说其随时间的变化是比较缓慢的。因此接收信号RT可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号。TRT频率近似为的正弦波F0随机缓慢变化的包络VT0RFFF0DF0图418窄带信号波形及其频谱44信道特性对信号传输的影响信号的包络因传播有了起伏的现象称为衰落；而信号的频率由于传播所造成的一定程度上的扩展，称为频率弥散。快衰落与慢衰落由多径传播使信号包络产生的起伏虽然比信号的周期缓慢，但是衰落周期常能和数字信号的一个码元周期相比较，故通常将由多径效应引起的衰落称为快衰落（瑞利衰落，RAYLEIGH）。季节、日夜、天气等的变化，也会使信号产生衰落现象。这种衰落的起伏周期比较长，称为慢衰落。44信道特性对信号传输的影响衰落信号的路径损失、慢衰落与快衰落45信道中的噪声噪声信道中不需要的电信号的统称，噪声是一种加性干扰，叠加在信号之上。噪声会使模拟信号失真，会使数字信号发生错码，并且限制信息的传输速率。人为噪声外台信号、电气开关合断、点火系统。自然噪声雷电、磁暴、宇宙射线、太阳黑子。热噪声电阻器热噪声，电子管、半导体管中的电子起伏，频率分布范围从01012HZ。加性噪声的来源45信道中的噪声窄带噪声是一种连续的已调正弦波，或是一个振幅恒定的单一频率的正弦波。如相邻电台信号。脉冲噪声电气开关合断噪声、工业电火花。起伏噪声热噪声、散弹噪声、宇宙噪声。随机噪声的性质分类起伏噪声（高斯白噪声）分析表明热噪声、散弹噪声、宇宙噪声均为高斯噪声，且在很宽的频率范围内都具有平坦的功率谱密度，故一律把起伏噪声定义为高斯白噪声。45信道中的噪声高斯白噪声功率谱密度窄带高斯噪声热噪声本身是白色的。但是在通过系统接收端解调器中对信号解调时，叠加在信号上的热噪声已经经过了接收机带通滤波器的过滤，从而其带宽受到了限制，故它已经不是白色的了，称为了窄带噪声，或称为带限白噪声。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，故此窄带噪声又称为窄带高斯噪声。45信道中的噪声设经过接收端带通滤波器后噪声的双边功率谱密度为，如图假设功率谱密度曲线下的面积与图中矩形线下面积相等，即总功率相等等效带宽的概念图420噪声功率谱特性噪声等效带宽46信道容量462连续信道容量信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。A香农SHANNON公式带宽为BHZ的连续信道，其输入信号的功率为S，信道加性高斯白噪声的功率为N。则该信道的信道容量为467香农公式表明当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。若噪声NT的单边功率谱密度为N0，则噪声功率NN0B。得到香农公式的另一个形式46信道容量香农公式的相关结论增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即减小噪声功率N或减小噪声功率谱密度N0可以增加信道容量，若噪声功率趋于零或噪声功率谱密度趋于零，则信道容量趋于无穷大，即46信道容量增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，达到极限信息速率的通信系统称为理