通信原理asfcc 第3章.ppt

1、第三章 信 道(Channel),主要内容： 信道的定义 信道的数学模型 恒参信道与随参信道的传输特性 信道加性噪声的统计特性 信道容量的计算,重点： 信道中输入与输出的关系 幅频曲线、相频曲线含义 幅度频率畸变、相位频率畸变 多径效应及噪声特性 信道容量,3.1 引言,3.3 信道数学模型,3.6 随参信道举例,3.7 随参信道特性及对信号传输的影响,3.8 随参信道特性的改善分集接收,3.9 信道的加性噪声,3.2 信道定义,3.5 恒参信道特性及对信号传输的影响,3.4 恒参信道举例,3.10 信道容量,典型例题,3.1 引 言,广义信道：包括信号的各种变换装置和传输媒介的信道,信道:

2、信号的传输通道,狭义信道：仅包含信号的传输媒介，有无线和有线两大类.,3.2 信道定义,根据研究的对象和关心的问题来定义信道的范畴,编码信道 Encoding Channel,调制信道 Modulation Channel,广义信道,离散信号,发转换器,媒 质,收转换器,解 调 器,译 码 器,编 码 器,调制信道,编码信道,连续信号,调 制 器,3.3 信道数学模型,3.3.1 调制信道模型 （连续系统）,共性:1) 有一对(或多对)输入、输出端 2) 线性的满足叠加原理 3) 对信号有延迟，损耗、衰减 4)无信号输入时，仍有功率输出（噪声）,或,如果网络的函数变换关系定义为,加性干扰。,则

3、有,根据上述共性，我们可用一个二对端（或多对端）的 时变线性网络来表示调制信道调制信道模型,网络的输入与输出之间的关系可表示为：,3.3.2 编码信道模型（离散系统）,信道对信号的影响是序列变换,信道的失真以误码率体现,数字信道,发转换器,媒 质,收转换器,解 调 器,译 码 器,编 码 器,调制信道,编码信道,模拟信道,调 制 器,例如 : 二进制数字传输的编码信道,令码元发生错误相互独立,即信道无记忆,信道性能：用转移概率描述 P (0/0) =1- P (1/0) P (0/0), P (1/1)为正确转移概率 P (1/1) =1- P (0/1) P (1/0), P (0/1)为错

4、误转移概率 转移概率完全由编码信道所决定。需用大量的统计分析得到,编码信道模型可用数字的转移概率来描述,3.4 恒参信道举例,3.4.1、有线电信道,表3-1 三种有线电信道的性能,明线: 传输损耗低。 易受天气和气候影响，对外界噪声敏感,对称电缆: 传输损耗比明线大的多， 传输特性比较稳定,同轴电缆：外导体屏蔽，特性稳定,3.4.2、光纤信道 以光纤为传输媒介，光波为载波。可提供极大容量,光纤信道一般组成,3.4.3、无线电视距中继 工作频率：超短波和微波，沿视线传输，依靠中继方式,0.32.7 0.3150 12108 12252 601300 604100 3009000 3001200

5、0 30060000,1+3 1+3+12 24 60 300 960 1800 2700 10800,架空明线 架空明线 对称电缆 对称电缆 小同轴电缆 小同轴电缆 中同轴电缆 中同轴电缆 中同轴电缆,300 80120 35 1218 8 4 6 4.5 1.5,三种有线电信道的性能,3.4.4、卫星中继(Satellite Relay) 无线电中继的特殊形式 同步卫星为中继站,传输容量大、发射功率小，通信稳定可靠。用于多路电话及电视,光源,光调制器,光纤线路,光探测器,基带处理,基带处理,已调光信号,已调电信号,解调电信号,基带电信号,基带电信号,光源：LED或LD光源,光纤线路：一根或

6、多根光纤,光探测器：PIN光电二极管或雪崩光电二极管（APD）,中继器：直接中继器和间接中继器,恒参信道可等效为线性时不变网络，只要得到网络的传输特性，就可知信道对信号的影响 网络的传输特性用幅频函数(amplitude-frequency function)、相频函数(phase-frequency function)描述,3.5 恒参信道特性及对信号传输的影响,3.5.1 幅度-频率畸变-传输特性的不均匀衰耗(decline)引起 已调信号中各频率分量通过信道时带来不同衰减（或增益） 造成输出信号的失真频率失真(distortion) 理想无失真传输信道，其传函应满足：,典型音频信道幅度频

7、率特性曲线,K: 传输系数,: 延迟时间,衰减/dB,f/(kHz),H(f),改善措施：改善滤波性能，增加均衡器(equalizer)、线性补偿网络,音频电话信道的幅度频率特性,3.5.2 相位-频率畸变 网络的相频特性非线性（来源于阻抗性元件）所引起的畸变。 主要影响数字信号,引起严重的码间串扰,设相频特性为,理想时：,定义：群迟延频率特性,实际中：群迟延不为常数。 不同的频率的信号经过信道传输后，到达输出端的相对时间不一致。,群迟延产生信号畸变示意图,群迟延产生信号畸变示意图,接收端信号：,发送端信号：,3.6 随参信道,3.6.1 短波电离层反射信道 波长为100 10 m ,频率为3

8、30MHZ的无线电波,1. 传播路径 信号的传播路径图 利用离地面60 600KM的电离层反射信号。 电离层分为D、E、F1、F2四层，其中D、F1 夜间消失,2工作频率,更高的频率信号将穿透电离层,3. 多径传播(Multiple Path Transfer) 原因: 1)电波经电离层一次反射或多次反射； 2) 几个反射层高度不同； 3) 电离层不均匀引起的漫射(diffusion)； 4) 磁场影响，使电磁波来分裂成寻常波，非寻常波。,4. 应用 优点：功率小，距离远，地形随意，合适的频宽，保密； 缺点：可靠性差，工作频率变，多径失真，干扰大。,通信距离最大为8000Km，随高度增加而减小

9、，影响电波弯曲折射回地面,信号的传播路径图,3.6.2 对流层散射信道,1、传播距离约100 500 km 利用离地面10 12 km以下的大气对流层，对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电波的散射，可提供12240频分复用话路，可靠性99.9%。,对流层散射传播路径的示意图,2、传播损耗 1）自由空间能量扩散损耗 2）散射损耗,主要特征： 1、衰落 1）慢衰落：气象引起。每季月、日信号强度变化 2）快衰落：多径传播。使信号的幅度和相位快速随机变化 其克服方法：分集接收。,4、天线与媒介间的耦合损耗 天线增益亏损：理论增益与实际增益之差,5、应用 干线通信 点对点通信,对流层散射路径示意图,

10、3.7 随参信道特性及对信号传输的影响,随参信道的三个特点：1）衰耗随时间而变 ； 2）时延随时间而变； 3）多径传播 。 随机信号的统计特性用它的概率分布或数学特征表述,3.7.1 接收信号 的描述,设发射信号为,则接收信号为,第i 条路径的接收信号振幅,第i 条路径的传输时延,包络,相位,2）多径传播使 变成包络和相位受到调制的窄带信号 3）多径传播引起了频率弥散(频率展宽)。 R(t)称为衰落信号,或,均为缓慢变化的随机过程,结论：1） 是窄带过程,例子：,发信号：,即：发信号在时间轴上被展宽。（多径时散） 这种失真类似于该信号通过滤波器后的失真。,信道可看成是一个带限滤波器(filte

11、r)。,、 的统计特性,在时刻 ， ， 是几个随机变量之和,2、多径传播 设多径传播最大相对时延差为,1、以两径传播模型为例 框图及公式推导,定义： 为相邻传输零点的频率间隔。,分析模型的传输特性,3.7.2. 的频率选择性衰落,则 为信道带宽 结论：传输信号带宽 一般工程上：信号带宽,两径传播的模特性取决,讨论：,模特性,处为零点,说明：信号频率不同时受到的衰减不一样，且衰减量与 有关。 的值随日常时间而变化,处为极点,3.8 随参信道特性的改善分集接收,分集接收(diversity receive)抗快衰落措施之一,思想: 在接收端同时分别获得(分散得到) 几个不同路径的信号(相互独立)，

12、然后将这些信号适当合并,构成总的接收信号,其总信号的衰落现象将大大改善.,1、分集方法: 1）空间分集： 用几副天线，各天线间有足够的间距 2）频率分集：用多个不同载频传送同一消息，当各载频相隔比较远，如频差为多径时延的倒数，则各载频信号基本互不相关. 3）角度分集：利用天线波束指向不同，使信号不相关 4）极化分集： 分别接收水平极化波和垂直极化波,2、分集信号的合并,最佳选择式：从几个分散信号中选择信噪比最好的一个 作为接收信号,等增益相加式：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相 加，相加后的信号作为接收信号,最大比值相加：控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪 比成正比，然后再相加获

13、得作为接收信号,此模型传输特性的公式推导,模型的传输特性为,两径传播模型： 两条路径信号的相对时延差,3.9 信道的加性噪声,加性噪声: 1)人为噪声 2)自然噪声 3)内部噪声,随机噪声 1) 单频噪声:连续波干扰，可视为已调正弦波。占极窄频带 2) 脉冲噪声：时间上无规则地突发的短促噪声。脉冲噪声幅 度大，持续时间短，频谱宽，频率越高，频谱 强度越小 3) 起伏噪声: 热噪声、散弹噪声、宇宙噪声。普遍存在，不 可避免影响通信的主要因素。,1、热噪声 电子随机运动产生的交流成分，服从高斯分布,2、散弹噪声 真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀引起的，高斯随机过程,3、宇宙噪声 天体辐射波

14、对接收机形成的噪声,结论：三种噪声均可认为是一种高斯噪声，在相当宽的频 率范围内具有平坦的功率谱密度。高斯白噪声,起伏噪声,从调制信道角度看带通型噪声 接收转换器带通滤波器(BPF:Band Pass Filter) 输出为窄带高斯噪声,设带通型噪声的功率谱密度 如图示，可由高斯白噪声通过一个带通滤波器得到。,等效噪声带宽,对带宽为 的窄带高斯噪声，可以认为它的功率谱密度在 带宽 内是平坦的。,3.10 信道容量(channel capacity),3.10.1 离散信道的信道容量,设输入为 ，输出为,取统计平均，,表示发送的每个符号的平均信息量,表示发送符号在有噪信道中传输平均丢失的信息 量

15、，或当输出符号已知时输入符号的平均信息量,信息传输速率：信道在单位时间内所传输的平均信息量,：信息源的信息速率,：单位时间内对发送x而收到y的条件平均信息量,设单位时间传送的符号数为r,则,无噪声时，信道不存在不确定性，H(x/y)=0 这时 噪声很大时， , 则 R0,信道容量C : 信道传输信息的速率R的最大值,解：信息源的平均信息量为：,则信息源发送信息的速率为,接收端的条件平均信息量,由于信道不可靠性在单位时间内丢失的信息量为,信道传输信息的速率,例：设信息源由符号0和1组成，如果消息传输速率是每秒1000符号，且两符号出现概率相等。在传输中弱干扰引起的差错是：平均每100个符号中有一

16、个不正确，信道模型如图示。求传输信息的速率,3.10.2 连续信道的信道容量,结论：,（1）对给定B、S/N，信道的极限传输能力（信道容量）C即确定。 RC 无差错传输理论上不可能,（2）信道容量C一定时，带宽B和信噪比S/N之间可互换,（3）增大信道带宽B并不能无限制地增大信道容量,证明：若噪声单边功率谱密度为n0, 则噪声功率Nn0B,（4）信道容量C是信道传输的极限速率时，由于,可见，给定I和S/N的情况下，带宽和时间也可以互换,典型例题,例1 P61.3-2,输出信号,解：幅频特性,则,例2 P61.3-3,可见，,信号通过该信道既产生幅频失真又产生相频失真,解：,例3. P61. 3-8,例4. P61.3-10,所以信道相关带宽为：,信号带宽一般选择为：,数字信号的最小带宽等于码速率，因此码元脉冲宽度,解：最大多径时延差3ms，即,例5. 计算机终端通过电话信道传输计算机数据，电话信道带宽3.4KHz，信道输出信噪比为20dB，该终端输出128个符号，各符号相互统计