lx通信概论信道解析学习教案

1、会计学1lx通信概论信道通信概论信道(xn do)解析解析第一页，共52页。 引言引言(ynyn)信道概念：信道概念： 信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通道。信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通道。狭义信道：狭义信道： 指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线电波等。指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线电波等。广义信道：广义信道： 不仅包括传输媒体，还包括特定媒体传输所必须的信号变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码）、调制解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。不仅包括传输媒体，还包括特定媒体传输所必须的信号变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码

2、）、调制解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。信道分类：信道分类： 模拟信道与数字信道、有线信道与无线信道、窄带信道与宽带模拟信道与数字信道、有线信道与无线信道、窄带信道与宽带(kun di)信道等。信道等。 一个通信系统的传输信道往往不是单一的。一个通信系统的传输信道往往不是单一的。电话线、双绞线、同轴电缆、光纤传输信道。电话线、双绞线、同轴电缆、光纤传输信道。无线电波、红外线等传输信道。无线电波、红外线等传输信道。 根据信号波长（或频率）划分： 长波、中波、短波、超短波、微波等。 根据传播路径（或机理）划分： 视距传播、电离层反射、对流层散射等。典型的模拟信道是典型的模拟信道是调

3、制信道调制信道。典型的数字信道是典型的数字信道是编码信道编码信道。信信 道道第1页/共51页第二页，共52页。 引言（调制信道引言（调制信道(xn do)与编码信道与编码信道(xn do)）调制信道与编码信道分别是模拟调制信道与编码信道分别是模拟(mn)信道与数字信信道与数字信道的典型例子。道的典型例子。调制器解调器发送转换器接收转换器传输媒体调制信道编码信道自编码器去译码器图图1 调制信道与编码信道调制信道与编码信道信信 道道第2页/共51页第三页，共52页。1 无线信道无线信道(xn do)无线信道无线信道(xn do)电磁波的频率电磁波的频率 受天线尺寸限制受天线尺寸限制信信 道道第3页

4、/共51页第四页，共52页。一一 地球大气层的结构地球大气层的结构(jigu)：对流层：地面上对流层：地面上 0 10 km平流层：约平流层：约10 60 km电离层：约电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km图2 大气层的结构信信 道道第4页/共51页第五页，共52页。传 播 路径地 面图3 地波传播地 面信号传播路径图 4 天波传播信信 道道第5页/共51页第六页，共52页。 短波：短波：指波长在指波长在100m 10m（对应信号（对应信号(xnho)载波频率载波频率3MHz 30MHz）的无线电波。）的无线电波。 电离层：电离层：距离地面高度距离地

5、面高度(god)为为60km 600km的大气层称为电离层。的大气层称为电离层。信信 道道 天波又称为电离层反射波，天波传播借助于电离层的一次反射或多次反射可传输天波又称为电离层反射波，天波传播借助于电离层的一次反射或多次反射可传输(chun sh)几千千米，乃至上万千米的距离。这种信道也被称为短波电离层反射信道。几千千米，乃至上万千米的距离。这种信道也被称为短波电离层反射信道。第6页/共51页第七页，共52页。短波电离层反射短波电离层反射(fnsh)信信道道(1) 传播传播(chunb)路路径径4000kmDEF1F2反射层反射层吸收层吸收层 电离层：电离层： 各个层次的高度、厚度、电子密度

6、等都会随时间各个层次的高度、厚度、电子密度等都会随时间(shjin)变化。变化。 一次或多次反射的距离也会发生变化，且与入射角有关。一次或多次反射的距离也会发生变化，且与入射角有关。 不同层次（不同层次（F1、F2）的不同高度上都会产生反射。）的不同高度上都会产生反射。地球地球地面高度为地面高度为60km 400km入射角入射角o信信 道道第7页/共51页第八页，共52页。短波电离层反射短波电离层反射(fnsh)信道信道(2) 工作频率工作频率 最高可用频率与电离层的电子密度有关，与入射角有关。最高可用频率与电离层的电子密度有关，与入射角有关。oeooNfMUFsec8.80secmax 关于

7、电离层反射关于电离层反射(fnsh)信道的工作频率：信道的工作频率： 电离层高度、厚度、电子密度是变化的，能够随电离层变化调整工作频率、入射角才能满足一定距离下的最佳通信。电离层高度、厚度、电子密度是变化的，能够随电离层变化调整工作频率、入射角才能满足一定距离下的最佳通信。 夜间夜间F2层电子密度低，须降低工作频率，否则信号会穿透电离层。层电子密度低，须降低工作频率，否则信号会穿透电离层。 夜间夜间D层和层和F1消失，消失，E层吸收减小，允许工作频率降低。层吸收减小，允许工作频率降低。信信 道道第8页/共51页第九页，共52页。短波电离层反射短波电离层反射(fnsh)信信道道(3) 多径传播多

8、径传播(chunb)DEF1F2反射层反射层吸收层吸收层 一次反射一次反射(fnsh)与两次反射与两次反射(fnsh)地球地球发送发送接收接收一次反射与两次反射一次反射与两次反射反射高度不同反射高度不同 反射高度不同反射高度不同 漫射现象（略）漫射现象（略） 寻常波与非寻常波（略）寻常波与非寻常波（略）信信 道道第9页/共51页第十页，共52页。短波短波(dunb)电离层反射信电离层反射信道道(4) 电离层反射信道电离层反射信道(xn do)特点特点 优点优点 要求功率小，设备成本低。要求功率小，设备成本低。 传播距离远。传播距离远。 受地形影响小。受地形影响小。 不易受人为破坏。不易受人为破

9、坏。 有一定有一定(ydng)的带宽或传输容量。的带宽或传输容量。 缺点缺点 干扰电平高。干扰电平高。 存在快衰落和多径时延失真。存在快衰落和多径时延失真。 传输可靠性差。传输可靠性差。 需要经常改换工作频率，导致使用复杂。需要经常改换工作频率，导致使用复杂。信信 道道第10页/共51页第十一页，共52页。n卫星通信：静止卫星、移动卫星卫星通信：静止卫星、移动卫星n平流层通信平流层通信ddh接 收 天线发 射 天线传 播 途径D地面rr图 5 视线传播图6 无线电中继50822DrDhm2225050m85050DDhr 信信 道道第11页/共51页第十二页，共52页。(1)无线电视距传播无线

10、电视距传播(chunb)信道信道无线电视距传播无线电视距传播无线电中继信道无线电中继信道信信 道道第12页/共51页第十三页，共52页。(2) 卫星卫星(wixng)中继信道中继信道卫星中继信道卫星中继信道通信卫通信卫星星通信卫通信卫星星信信 道道第13页/共51页第十四页，共52页。(3) 平流层通信平流层通信(tng xn)信信 道道 平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台代替卫星作为基站的通信，平台高度距地面平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台代替卫星作为基站的通信，平台高度距地面17km22km。可以用冲氮飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。若高度在。可以用冲氮飞艇、

11、气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。若高度在20km，则可以实现地面覆盖，则可以实现地面覆盖(fgi)半径约半径约500km的通信区。若在平流层安置的通信区。若在平流层安置250个冲氮飞艇，可以实现覆盖个冲氮飞艇，可以实现覆盖(fgi)全球全球90以上人口的地区。以上人口的地区。 平流层通信系统与卫星通信平流层通信系统与卫星通信(wixng tngxn)系统相比，费用低廉、延迟时系统相比，费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大。间小、建设快、容量大。第14页/共51页第十五页，共52页。频率(GHz)(a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减频率(GHz)(b) 降雨的衰减衰减(d

12、B/km)衰减 (dB/km)水蒸气氧气降雨率图7 大气衰减信信 道道三三 电磁波在传播电磁波在传播(chunb)时受到的影时受到的影响响第15页/共51页第十六页，共52页。n信信 道道四四 散射散射(snsh)传播传播第16页/共51页第十七页，共52页。对流层散射对流层散射(snsh)信道信道地球地球(dqi)发送发送(f sn)接收接收共同照射区的不共同照射区的不均匀散射气团均匀散射气团图图 8 对流层散射信道传播路径对流层散射信道传播路径信信 道道第17页/共51页第十八页，共52页。信信 道道流星余迹散射流星余迹散射 流星余迹散射特点流星余迹散射特点 高度高度80 120 km，长

13、度，长度15 40 km 存留时间：小于存留时间：小于1秒至秒至几分钟几分钟频率频率 30 100 MHz距离距离 1000 km以上以上特点特点 低速存储低速存储(cn ch)、高速突发、断续传输、高速突发、断续传输图 9 流星余迹散射通信流星余迹第18页/共51页第十九页，共52页。2 有线信道有线信道(xn do)信信 道道 明线明线 （如用户电话线）（如用户电话线） 对称电缆对称电缆(dinln) （如五类双绞线、中继电话线）（如五类双绞线、中继电话线） 同轴电缆同轴电缆(dinln) （如有线电视进户线、中继电话线）（如有线电视进户线、中继电话线）电缆中的线对数量电缆中的线对数量(s

14、hling)可以不同，线径可以不同，线径也可不同。也可不同。表表1 三种有线电信道的性能三种有线电信道的性能 线路类型线路类型 通话路数通话路数 频率范围频率范围/kHz 增音段长度增音段长度/km 架空明线架空明线 1+3 0.327 300 架空明线架空明线 1+3+12 0.3 150 120 对称电缆对称电缆 24 12 108 35 对称电缆对称电缆 60 12 252 15 小同轴电缆小同轴电缆 300 60 1300 8 小同轴电缆小同轴电缆 960 60 4100 4 中同轴电缆中同轴电缆 1800 3009000 6 中同轴电缆中同轴电缆 2700 30012000 4.5

15、中同轴电缆中同轴电缆 10800 30060000 1.5第19页/共51页第二十页，共52页。信信 道道一一 明线明线(mn xin) 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电绝缘的导线。它的传输损耗低，但易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰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电绝缘的导线。它的传输损耗低，但易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰(gnro)较敏感。较敏感。第20页/共51页第二十一页，共52页。图 10 双绞线导体绝缘层信信 道道第21页/共51页第二十二页，共52页。信信 道道第22页/共51页第二十三页，共52页。信信 道道导体金

16、属编织网保护层实心介质图 11 同轴线三三 同轴电缆同轴电缆(tn zhu din ln)第23页/共51页第二十四页，共52页。折射率n1n2折射率n1n27 10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤图 12 光纤结构示意图(a)(b)(c)信信 道道全反射演示(ynsh).swf第24页/共51页第二十五页，共52页。 信信 道道第25页/共51页第二十六页，共52页。光纤信道光纤信道(xn do)光源光源光调制器光调制器耦合器耦合器基带处理基带处理基带电信号基带电信号耦合器耦合器光检测器光检测器基带处理基带处理基带电信号基带电信号光纤线光纤线路路发发送送端端接接收收端

17、端图图 13 光纤通信系统光纤通信系统 光纤与光缆光纤与光缆 光波长光波长 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤 光纤的色散光纤的色散(ssn)与衰耗与衰耗信信 道道光纤通信的优点光纤通信的优点 无中继传输距离无中继传输距离(jl)长；长； 系统频带宽、容量大；系统频带宽、容量大； 具有极强的抗电磁干扰能力。具有极强的抗电磁干扰能力。第26页/共51页第二十七页，共52页。信信 道道色散(ssn)图解第27页/共51页第二十八页，共52页。 信信 道道3 信道信道(xn do)数学模型数学模型 (调制信道调制信道(xn do)数学数学模型模型)编码信道调制信道图 14 信道模型的分类第28页/

18、共51页第二十九页，共52页。3 信道信道(xn do)数学模型数学模型 3.1调制信道调制信道(xn do)数学模型数学模型时变时变线性线性系统系统ei(t)eo(t)图图 15 调制信道调制信道模型模型(二对端网络二对端网络)调制信道调制信道(xn do)输出输出eo(t)与输入与输入ei(t)关系：关系： eo(t) = f ei(t) + n(t)加性噪声加性噪声(zoshng)时变信道特性影响时变信道特性影响 eo(t) = k(t)ei(t) + n(t)时变信道特性影响常描述为一种干扰：时变信道特性影响常描述为一种干扰：乘性干扰乘性干扰信信 道道第29页/共51页第三十页，共52

19、页。f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图图 16 调制信道数学模型调制信道数学模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn3.1调制调制(tiozh)信道数学模型信道数学模型信信 道道第30页/共51页第三十一页，共52页。oie (t )k(t )e (t )n(t )因k(t)随t变，故信道(xn do)称为时变信道(xn do)。因k(t)与 相乘，故称其为乘性干扰。因k(t)作随机变化，故又称信道(xn do)为随参信道(xn do)。若k(t)变化很慢或很小，则称信道(xn do)为恒参信道(xn do)。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。信信 道道

20、3.1调制调制(tiozh)信道数学模型信道数学模型ie (t )第31页/共51页第三十二页，共52页。3.1 信道信道(xn do)数学模型数学模型 (调制信道调制信道(xn do)数学数学模型模型)调制信道调制信道(模拟模拟(mn)信道信道)对信号对信号(模拟模拟(mn)信号信号)传输的传输的影响：影响：衡量调制信道衡量调制信道(模拟模拟(mn)信道信道)优劣的标准：优劣的标准：模拟信道模拟信道输出信号输出信号输入信号输入信号噪声噪声n(t)无失真、无畸变无失真、无畸变有失真、有畸变有失真、有畸变有失真、有畸变有失真、有畸变失真原因：失真原因：噪声的影响噪声的影响信道信道(线性系统线性系

21、统)特性不理想特性不理想信道特性时变信道特性时变失真度或畸变度失真度或畸变度信噪比信噪比(输出信号功率与输出噪声功率之比输出信号功率与输出噪声功率之比）或信干比）或信干比有些失真在接收端往往无法察有些失真在接收端往往无法察觉，难以去除。觉，难以去除。信信 道道第32页/共51页第三十三页，共52页。3 信道信道(xn do)数学模型（调制信道数学模型（调制信道(xn do)与编码与编码信道信道(xn do)）3.2 编码编码(bin m)信道信道数学模型数学模型产生失真、畸变产生失真、畸变判决电平判决电平发送时钟发送时钟判决时钟判决时钟传输信道传输信道输出信号输出信号输入信号输入信号噪声噪声n

22、(t)0 1 0 1 1 0抽样判决抽样判决0 1 0 1 1 0没发生误码没发生误码编码信道质量优劣的标准是考察接收码元是否会发编码信道质量优劣的标准是考察接收码元是否会发生错误生错误(cuw)。由于信道特性和噪声的影响，也。由于信道特性和噪声的影响，也会使得传输信号波形发生失真或畸变，但是失真不会使得传输信号波形发生失真或畸变，但是失真不一定会误码。误码的概率（误码率）与接收波形的一定会误码。误码的概率（误码率）与接收波形的失真有关，因此与传输信道输出的信噪比有关。失真有关，因此与传输信道输出的信噪比有关。信信 道道第33页/共51页第三十四页，共52页。3 信道信道(xn do)数学模型

23、（调制信道数学模型（调制信道(xn do)与编码信道与编码信道(xn do)）3.2 编码信道数学模型编码信道数学模型码的转移码的转移(zhuny)概率概率P(i/j)二进制数字编码信道二进制数字编码信道(xn do)发送码元为发送码元为j，而接收码元，而接收码元为为i的概率。的概率。0101发送端发送端接收端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是是错误接收概率错误接收概率P(0/0)、P(1/1)是是正确接收概率正确接收概率系统的误码率是？系统的误码率是？系统的误码率系统的误码率 Pe=P

24、(0)P(1/0)+ P(1)P(0/1)信信 道道第34页/共51页第三十五页，共52页。3 信道数学模型（调制信道数学模型（调制(tiozh)信道与编码信道）信道与编码信道）3.2 编码编码(bin m)信道数信道数学模型学模型M进制数字编码信道进制数字编码信道(xn do)系统误码率是？系统误码率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)1010)/()(MiMijjeijPiPP01发发送送端端接接收收

25、端端2M-1012M-1信信 道道第35页/共51页第三十六页，共52页。信信 道道4 信道特性对信号传输信道特性对信号传输(chun sh)的影响的影响 恒参信道是指信道的特性恒参信道是指信道的特性(txng)参数长期不变或变化非常缓慢。前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波及卫星中继信道都属于恒参信道。参数长期不变或变化非常缓慢。前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波及卫星中继信道都属于恒参信道。 恒参信道恒参信道(xn do)可以用时不变线性系统来描述。可以用时不变线性系统来描述。 恒参信道对信号传输的影响主要表现为：恒参信道对信号传输的影响主要表现为：幅度幅

26、度-频率畸变频率畸变和和相位相位-频率畸变频率畸变。可以认为在一次通信过程中是不变的。可以认为在一次通信过程中是不变的。4.1恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响第36页/共51页第三十七页，共52页。4.2 随参信道特性及其对信号传输随参信道特性及其对信号传输(chun sh)的影响的影响 随参信道随参信道(xn do)特性参数（衰耗与时延）随时间快速变化特性参数（衰耗与时延）随时间快速变化 随参信道随参信道(xn do)多存在多径传播多存在多径传播 随参信道随参信道(xn do)是一种时变多径传播信道是一种时变多径传播信道(xn do)： 对信号的衰耗随时间而变化；对信

27、号的衰耗随时间而变化； 传输的时延随时间而变化；传输的时延随时间而变化； 多径传播。多径传播。 信信 道道第37页/共51页第三十八页，共52页。信信 道道4.2 随参信道随参信道(xn do)特性及其对信号传输的影特性及其对信号传输的影响响第38页/共51页第三十九页，共52页。随机噪声（单频噪声、脉冲随机噪声（单频噪声、脉冲(michng)噪声、起伏噪声）特别是起伏噪声，是各类噪声中最难解决的。噪声、起伏噪声）特别是起伏噪声，是各类噪声中最难解决的。人为噪声人为噪声：外台干扰、电器开关接触、：外台干扰、电器开关接触、点火辐射、荧光灯、微波炉干扰等。点火辐射、荧光灯、微波炉干扰等。自然噪声自

28、然噪声：闪电、大气电暴、银河系噪：闪电、大气电暴、银河系噪声等。声等。内部噪声内部噪声：热噪声、散弹噪声、自激震：热噪声、散弹噪声、自激震荡、电源噪声等。荡、电源噪声等。5 信道信道(xn do)的加性噪声的加性噪声噪声噪声(zoshng)具有一定确知性的噪具有一定确知性的噪声声随机噪声随机噪声信信 道道第39页/共51页第四十页，共52页。5 信道信道(xn do)的加性噪的加性噪声声信信 道道)V(4kTRBV 第40页/共51页第四十一页，共52页。n讨论噪声对于通信系统的影响时，讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。噪声的影响

29、。信信 道道第41页/共51页第四十二页，共52页。热噪声热噪声：01013Hz散弹噪声散弹噪声： 0108Hz宇宙噪声宇宙噪声：0 3108Hz5 信道信道(xn do)的加性噪声的加性噪声起起伏伏(qf)噪噪声声信信 道道第42页/共51页第四十三页，共52页。6 信道容量概念信道容量概念(ginin)信道容量定义为信道能够传输的最大平均信息速率信道容量定义为信道能够传输的最大平均信息速率(sl)。反映了信道可靠传输信息的能力。单位。反映了信道可靠传输信息的能力。单位bit/s、kbit/s、Mbit/s。无差错信道无差错信道(xn do)（无噪声、信道（无噪声、信道(xn do)特性理想

30、特性理想）的信道）的信道(xn do)容量可以无限大。表明信道容量可以无限大。表明信道(xn do)可以容许信息源以任意大的速率发送信息。可以容许信息源以任意大的速率发送信息。实际信道都是有差错信道（存在噪声、信道特性非实际信道都是有差错信道（存在噪声、信道特性非理想），其信道容量取决于单位时间信息源发出信理想），其信道容量取决于单位时间信息源发出信息量息量rH(x)与信息出错丢失的信息量与信息出错丢失的信息量rH(x/y) 的差值。的差值。信信 道道第43页/共51页第四十四页，共52页。6.1 离散离散(lsn)信道的信道容量信道的信道容量信信 道道两种不同的度量单位：C 每个符号(fho)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式中式中 r 单位时间单位时间(shjin)内信道传输的符号数内信道传输的符号数)/()(max)(yxHxHCxP(比特比特/符号符号)/()(max)(yxHxHrCxPt(比特比特/秒秒)第44页/共51页第四十五页，共52页。H(x/y)即为因噪声而损失的平均信息即为因噪声而损失的平均信息量。量。x1x2x3y3y2y1接收端发送端。yn图 17 无噪声信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn信信 道