第三章-信道与噪声课件

3.1信道的定义3.2恒参信道的传输特性3.3随参信道的传输特性3.4信道噪声第三章信道与噪声1概况一点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容整体概述概况三点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容概况二点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容23.1信道的定义信道是信号的传输媒质。具体地说，信道是指由有线或无线线路提供的信号通路；抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。3信道可大体分为两类：狭义信道和广义信道。狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。无线信道包括地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等。信道的定义（续）4信道的定义（续）广义信道除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变换装置，这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。还可以定义其他形式的广义信道。常把广义信道简称为信道。5信道的定义（续）6调制信道模型通过对调制信道进行大量的考察之后，可发现它有如下主要特性：信号通过信道需要一定的延迟时间；信道对信号有损耗（固定损耗或时变损耗）；即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。7编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。编码信道与调制信道模型有明显的不同：调制信道对信号的影响是通过k(t)和n(t)使调制信号发生“模拟”变化；编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变换成另一种数字序列，故有时把编码信道看成是一种数字信道。编码信道模型8信道大体可分为：

9通常信道特性c(t)是一个复杂的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、衰落等。同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，故c(t)往往只能用随机过程来描述。103.2恒参信道的传输特性恒参信道对信号传输的影响不随时间而变，或者随时间变化很缓慢，通常若在数字信号中几个最长符号时间内，信道特性基本不变即可认为此信道为恒参信道。有线信道为典型的恒参信道，有代表性的例子如下。113.2.1明线Aopen-wiretransmissionline(明线传输线)isatwo-wireparallelconductor(平行导体).Itconsistssimplyoftwoparallelwires,closelyspacedandseparatedbyair.Nonconductivespacers(绝缘衬垫)areplacedatperiodicintervals(间隔)forsupportandkeepthedistancebetweentheconductorsconstant.12Openwire(明线)133.2.2TwinLeadTwinlead(双线线路)isanotherformoftwo-wireparallel-conductortransmissionline.Thespacersbetweenthetwoconductorsarereplacedwithacontinuoussoliddielectric(固体绝缘体).Thisensuresuniformspacingalongtheentirecable.TVtransmissioncable14TwinLead(双线线路)153.2.3Twisted-PairCableAtwisted-paircable(双绞线电缆)isformedbytwistingtogethertwoinsulatedconductors.Neighboringpairsaretwistedwithdifferentpitch(节距,twistlength,扭绞长度)toreduceinterferencebetweenpairsduetomutualinduction(互感).16Twisted-PairCable(双绞线电缆)17Shielded-CablePair(屏蔽电缆对)Toreduceradiationlossesandinterference,paralleltwo-wiretransmissionlinesareoftenenclosedinaconductivemetalbraid(金属编织物).Thebraidalsopreventssignalsfromradiatingbeyonditsboundariesandkeepselectromagneticinterferencefromreachingthesignalconductors.18Shielded-CablePair19双绞线电缆特点电缆的传输损耗比较大但其传输特性比较稳定并且价格便宜安装容易对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路，在许多局域网如以太网、令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。STP电缆的特性同UTP的特性相同，由于加入了屏蔽措施，对噪声有更好的屏蔽作用，但是其价格要昂贵一些。203.2.4CableConstruction21“FatherofFiberOptics”-Prof.CharlesKuenKao(高锟)22无线信道中的中、长波通信，超短波及微波视距通信等基本上也属于恒参信道。无线电视距（Line-of-Sight）中继：工作频率在超短波和微波波段时，电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。卫星中继信道：人造卫星中继信道可视为无线电中继信道的一种特殊形式。3.2.5无线恒参信道23Line-of-SightPropagation243.2.6微波中继信道频率范围一般在几百兆赫至几十吉赫其传输特点是在自由空间沿视距传输两点间的传输距离一般为30~50km长距离通信需要在中间建立多个中继站。被广泛用来传输多路电话及电视等。253.2.7卫星中继信道利用人造卫星作为中继站构成的通信信道。静止卫星：若卫星运行轨道在赤道平面，离地面高度为35780km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时，与地球自转同步。移动卫星：不在静止轨道运行的卫星。主要用来传输多路电话、电视和数据。26卫星中继信道（续）工作频段有：L频段(1.5/1.6GHz)、C频段(4/6GHz)、Ku频段(12/14GHz)、Ka频段(20/30GHz)。主要特点是通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、覆盖区域广等。信号衰减大信号延迟大27恒参信道对信号传输的影响主要是线性失真，线性失真是由于网络特性不理想所造成的，具体从幅频特性和相频特性两方面进行讨论。线性失真造成不同频率分量之间相对关系的改变，从而导致信号时间波形的畸变。该过程并无新的频率分量产生。3.2.8恒参信道对信号传输的影响283.2.8.1幅频失真幅频失真是由于信道幅频特性不理想造成的。不同的频率分量通过信道后，由于增益大小不同，造成原信号中不同频率振幅相对大小发生变化，从而导致信号波形的失真。解决方案：可以采取均衡网络进行补偿，使得频带内某些频带增益得到提升，从而保证在频带内的幅频增益保持在较小的波动范围内。幅频失真通常对语音的影响最大，因为人耳对幅度是敏感的。293.2.8.2相频失真相频失真是由于信道相频特性不理想造成的，相位-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。理想的相频特性曲线是通过原点的斜率为K的一条直线。解决方案：可以采取相位均衡技术进行补偿。相频失真通常对视频的影响较大，因为人的视觉很容易察觉相位上的变化。303.3随参信道的传输特性随参信道的参数随时间而随机变化。典型的随参信道是短波电离层反射信道。313.3.1短波电离层反射信道短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离层，或电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信道。由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面60~600km的大气层成为电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成。当频率范围为3~30MHz(波长为10~100m)的短波(或称为高频)无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道32电离层厚度有数百千米，可分为D、E、F1和F2四层在白天，由于太阳辐射强，所以D、E、F1和F2四层都存在。在夜晚，由于太阳辐射弱，D和F1层几乎完全消失，只有E和F2层存在由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离层反射信道也是随参信道。D、E层主要是吸收电波，使电波能量损耗。F2层是反射层，其高度为250~300km，所以一次反射的最大距离约为4000km。33短波电离层反射信道在短波电离层反射信道中，多径传播现象对信号传输的影响最大，引起多径传播的主要原因如下：电波经电离层的一次反射和多次反射；几个反射层高度不同；地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波电离层不均匀性引起的漫射现象；34(a)一次反射和两次反射；(b)反射区高度不同；(c)寻常波与非寻常波；(d)漫射现象

短波电离层反射信道353.3.2随参信道特性特点：(1)对信号的衰耗随时间随机变化；(2)信号传输的时延随时间随机变化；(3)多径传播。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。363.3.2.1慢衰落又称为时间选择性衰落，指的是接收到的信号强度随时间变化。这种变化相对于信号自身的变化是缓慢的。37设发射信号为，则经过多条路径传播后的接收信号可用下式表述。式中，——第i条路径的接收信号振幅；——第i条路径的传输时延；——第i条路径的随机相位。

3.3.2.2多径衰落与频率弥散38从频谱上看，多径传播引起了频率弥散（色散），即由单个频率变成了一个窄带频谱；通常将由于电离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为慢衰落；而把由于多径效应引起的信号衰落称为快衰落。393.3.2.3频率选择性衰落与相关带宽当发送的信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播会产生频率选择性衰落。

下面假定多径传播的路径只有两条的情况进行分析。令发送信号为f(t)，其频谱函数为F(w)。则到达接收点的两路信号，具有相同的衰减，这样它们可分别表示为：

40当这两条传输路径的信号合成后得：相应于它的傅氏变换对为

因此，信道的传递函数为

其幅频特性为

41两条路径传播时选择性衰落特性

当一个传输信号的频谱宽于1/时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率选择性衰落，简称选择性衰落。

42对于信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。信号通过这种传输特性的信道时，信号的频谱将产生失真。当失真随时间随机变化时就形成频率选择性衰落。特别是当信号的频谱宽于1/时，一些频率分量会被信道衰减到零，造成严重的频率选择性衰落。43上述概念可推广到一般的多径传播中去。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。设信道的最大时延差为，则相邻两个零点之间的频率间隔为：这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关带宽。44如果信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为相关带宽的1/5~1/3。当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，就必须限制数字信号传输速率。453.3.2.4随参信道特性的改善对于慢衰落，主要采取加大发射功率和在接收机内采用自动增益控制等技术和方法即可。对于快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制/解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中明显有效且常用的抗衰落措施是分集接收技术。已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。461.分集接收的基本思想

基本思想：如果能在接收端同时获得几个不同的合成信号，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。

要求：只有被分集的几个合成信号之间是统计独立的，合并后才能使系统性能改善。472.分散得到合成信号的方式为了获取互相独立或基本独立的合成信号，大致有如下几种分集方式。

（1）空间分集；（2）频率分集；（3）角度分集；（4）极化分集。48空间分集接收端在不同的位置上接收同一个信号，只要各位置间的距离大到一