通信原理 第三章 信道

1、第三章 信道,主要内容 信道描述 信道数学模型 恒参信道与随参信道的传输特性 加性噪声的统计特性,重点 信道输入与输出的关系 幅频曲线和相频曲线 幅度频率畸变和相位频率畸变 多径效应及噪声特性,3.5 信道噪声,3.3 信道数学模型,3.1 信道描述,3.4 信道特性对信号传输的影响,作业,3.6 信道容量,作业,习题 3 - 1、3、10,调制,3.1 信道描述,特征：根据研究对象来定义信道的范畴,信道,无记忆,随参 ：天波、散射,编码,广义,恒参 ：有线、视距,有记忆,信道定义：发送端与接收端之间的物理通道,信道参数：信道带宽、容量、衰减、延迟、噪声,信道分类,狭义,有线,无线,架空明线,

2、双绞线,同轴电缆,光纤,电磁波( 地波、天波、视距、散射 ),调制和编码信道模型,离散信号,调制信道,编码信道,连续信号,发转换器,媒质,收转换器,解调器,译码器,编码器,调制器,光纤：传输损耗小,无线视距中继：超短波和微波，直线传输,性能,恒参信道,平流层通信：高空平台电台( 飞艇等 ) 代替卫星作为基站，距地面 1722 km,卫星通信：UHF以上波段，穿透电离层，直线传输，距地面约 3.6 万公里,1. 有线,2. 无线,架空明线、双绞线、同轴电缆,适合传输的波长 1.31m 、1.55m,有线电信道的性能,1. 天波 短波：频率 3 30 MHz 传播路径：电离层反射,电离层：距地面

3、60 600 km，分为D、E、F1、F2四层，其中D、F1 夜间消失,性能：功率小，距离远，合适的频宽，保密； 但工作频率变，多径失真，干扰大。,2. 散射,大气对流层：离地面10 12 km,对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电磁波的散射，可提供 12 240 频分复用话路，传播距离约 100 500 km。,散射传播路径,反射传播路径,随参信道,通信距离最大约为 10000 km，随高度增加而减小。,地面反射点,二次反射,一次反射,天波反射的传播路径,多径传播：多次反射、电离层不均匀引起的漫射、磁场影响。,电离层,对流层散射路径示意图,ABCD 为 a、b 站天线射束的相交区域,信号

4、频率范围为 100 MHz 4000 MHz,通信距离最大约为 600 km,3.3 信道数学模型,特征：连续、线性、加性噪声系统,建立输入输出之间的关系为,n( t )：加性干扰,3.3.1 调制信道模型,x( t )、y( t )、n( t ) 是随机信号,当 k 值不随时间变化时，称为恒参信道 k 值随时间变化时，称为随参信道,线性模型,研究参数 k 的变化对输出的影响 (常用频域法),其性能用转移概率 描述 误码率,3.3.2 编码信道模型,P ( 1/0 ) = 1- P ( 0/0) P ( 0/1 ) = 1- P ( 1/1 ),特征：离散、无记忆、有扰系统,二进制,误码率：大

5、量实验数据的统计分析结果,错误转移概率模型,四进制,恒参信道 线性时不变网络,3.4 信道特性对信号传输的影响,随参信道 时变网络,传输特性用幅频函数 相频函数 描述,线性失真讨论,带内理想,1. 幅频失真 带内传输特性不均匀，H() 1,补偿：频域均衡器,群迟延-频率特性,群迟延频率特性,2. 相频失真 ,群信号经信道传输后，各谐波之间相对相位关系发生变化，产生不同迟延，导致输出失真,当 常数,合成波,实际,理想,当 输入F () 输出Y (),群迟延失真示意图 ,接收信号,发送信号,常数,合成波,随参信道特点, 多径传播, 时变网络,改善方法：分集接收,空间分集：多副有足够的间距的天线,频

6、率分集：多个载频传送同一消息,角度分集：天线方向不同,极化分集：水平极化波和垂直极化波,慢衰落：由季节、天气引起的信号衰落,信号包络衰落的起伏周期较长,快衰落：多径效应产生，主要失真因素,多径传播信号分析,例,接收信号 R(t) 的分析,n 条路径,V (t),结论：多径传播使 Acos t 变成包络和相位随机缓慢变化的窄带信号,发射信号Acos t,瑞利分布,均匀分布,信道传输特性,两径传播的 R( t ) 特性,模型,结论：信号的衰减与、有关称为频率选择性衰落,分析,零点：,幅频函数,信道特性,信号衰减最大,定义：两径信道相关带宽,多径,若信号带宽大于相关带宽，失真严重,带限特性,3.5

7、信道加性噪声,按来源分类,按性质分类,噪声定义：无用信号，具有随机性,人为噪声、自然噪声,起伏噪声、脉冲噪声、窄带噪声,特点： 功率谱密度函数为常数、带宽无穷大,热噪声 大气噪声 宇宙噪声,电火花 电器电磁辐射,热噪声：来自电阻性器件中电子的热运动, 统计特性服从高斯分布,高斯白噪声,实际应用中，高斯白噪声通过接收机带通变成限带白噪声，统计特性不变,热噪声,热噪声电压有效值,T热力学温度(K) R阻值() B带宽(Hz),目标：使接收信号获得最大信息量,3.6 信道容量,定义：信道能够传输的最大平均信息速率,综合衡量信号的传输质量,信道性能：带宽 信号参数：强度 环境因素：噪声,离散信道容量,

8、连续信道容量,推导,例,bit / 符号,bit /秒,例 已知二进制信号 p(0) = p(1) = 1/2， p(0/1) = p(1/0) = 0.01，RB =1000 B ，求信道容量。,解,表示发 1 个符号可以收到0.081 比特的信息,信息论基础,x( t )：最大熵取决于 x( t ) 输出值所受到的限制, 均方值2 受限 即,用变分法中的拉格朗日乘数法可求得,时，H( x )最大, 峰值 A 受限,时,常用方法,则 y( t ) 的功率为 SN,平均互信息量,信道容量,对于频带限于W 的连续信号，最小抽样频率为2W， 等效离散信号的码元传输速率为2W,设 x( t ) 的功率为 S =2 ，n( t )的功率为 N,正态分布