通信原理PPT第8章

1、通信原理(合订本),普通高等教育“九五”国家级重点教材,通信原理课程建设教材系列,信道是通信系统的重要组成部分，其特性对于通信系统的性能有很大影响。 本章主要内容：（1）信道分类 （2）信道模型 （3）信道特性 （4）信道容量,8.1引言,8.2信道的分类,按传输介质分：有线信道和无线信道。 有线信道：明线、双绞线、同轴电缆、光缆。 无线信道：长波信道、中波信道、短波信道、微波信道、卫星信道、短波电离层反射信道、散射信道。 按信道传输的类型分：模拟信道和数字信道。 模拟信道：传输模拟信号的信道 数字信道：传输数字信号的信道,从研究消息传输的观点来说，信道的范围还可以扩大，除 包括传输介质外，还

2、可以包括有关的变换装置 ，所以又分为 狭义信道和广义信道。,8.2信道的分类,狭义信道,狭义信道:指传输介质，不包括通信设备。,（1）架空明线 （2）电缆 （3）光导纤维 （4）中长波地表波传播 （5）超短波及微波视距传播 （6）短波电离层反射信道 （7）超短波对流层散射； （8）毫米波波导传播； （9）微波视距传播等等。,广义信道,除传输介质外，还包括必要的通信设备。按功能可以划分为:,调制信道:指下图中调制器输出端到解调器输入端的部分。 编码信道:指下图中编码器输出端到译码器输入端的部分。,恒参信道 1 有线信道 2 光纤信道 3 无线电视距中继信道 4 卫星中继信道,8.3通信信道实例,

3、随参信道1 短波电离层反射信道2 对流层散射信道,明线,明线是平行而相互绝缘的架空线路，其传输损耗较小，通频带在0.327KHz之间，通常采用铜线、铝线或钢线（铁线），线径为3mm左右。 明线信道易受天气变化和外界电磁干扰，通信质量不够稳定，而且信道容量较小，不能传输视频信号和高速数字信号。,双绞线,两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线 。 为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，也就是屏蔽双绞线，价格比无屏蔽双绞线要贵一些。 同频带在12250KHz之间,同轴电缆,小同轴电缆的通频带在604100kHz之间，中

4、同轴电缆的同频带在30060000KHz之间,光纤信道,光纤信道以光导纤维为传输媒质，以光波为载波 的信道，具有极宽的通频带。,光纤的优缺点,优点：损耗低、通频带宽、重量轻、不怕腐蚀以及不受电磁干扰。 缺点：把两根光纤精确的连接起来比较困难 ，光缆接口比较昂贵。 由于光纤的物理性质非常稳定而且不受电磁干 扰，因此光纤信道的性质非常稳定，可以看作是典 型的恒参信道。,无线电视距中继信道,由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传输距离受到限制，一般只有50公里左右。但若采用100米高的天线塔，则可增大到100公里。,卫星中继信道,随参信道,传输媒质性质的随机变化和电磁波信号的多径传输

5、使得信道特性随机变化，因此这些信道的模型应该属于随参信道模型。,短波电离层反射信道,短波的定义：波长为10100m的无线电波称为短波（其相应频率为303MHz）。 地波传播：短波沿地面传播 天波传播：短波由电离层反射传播 地波传播的特点：由于地面的吸收作用，地波传播的距离较短，约为几十千米。 天波传播的特点：天波传播由于经电离层一次反射或多次反射，传输距离可达几千千米甚至上万千米。,电离层,电离层为距离地面高60600km的大气层。在太 阳辐射的紫外线和X射线的作用下大气分子产生电 离而形成电离层。电离层能够反射短波电磁波。 由发送天线发出的短波信号经由电离层一次或 多次反射传播到接收端，如同

6、经过一次或多次无源 中继。,电离层特点：,（1）由于电离层不是一个平面而是有一定厚度的， 并且有不同高度的两到四层（D、E、F1、F2）， 所以发送天线发出的信号经由不同高度的电离层反 射和从不同高度的电离层反射到达接收端的信号是 由许多来自不同方向、不同路径长度和损耗的信号 之和，这种信号称为多径信号，这种现象称为多传 播。,（2）电离层的性质（例如电离层的电子密度、 高度、厚度等）受太阳辐射和其他许多因素的影 响，不断的随机变化。例如，四层中的D层和F1 层白天存在，夜晚消失，电离层的电子密度随昼 夜、季节以至年份而变化等。 由此可见，短波反射信道是典型的随参信 道。,对流层散射信道,对流

7、层是离地面1012Km的大气层。在对流 层中由于大气湍流运动等因素将引起大气层不均 匀性。 当电磁波射入对流层时，这种不均匀性就会 引起电磁波的散射，也就是漫反射，部分电磁波 向接收方向散射，起到中继作用。另外，对流层不 是一个平面而是一个散体，电波信号经过对流层散 射也会产生多径传播，故对流层散射信道也是随参 信道。,8.4信道的数学模型,8.4.1连续信道模型 经过对连续信道大量观察和分析，可得出它具有以下主要性质： (1) 具有一对(或多对)输入和输出端。 (2) 大多数信道是线性的，即满足叠加原理。 (3) 信号经过信道会有延时，并还会受到固定的或时变的损耗。 (4) 无输入信号时，在

8、信道的输出端仍有噪声输出。,图8.4.1连续信道模型,其中，ftsi(t) 为时变线性算子；n(t)为加性干扰,图8.4.2多输入、多输出端连续信道模型,8.4.2离散信道模型 离散信道的输入和输出都是离散信号，广义信道的编码信道就是一种离散信道。,图8.4.3二进制离散信道模型,图8.4.4四进制编码信道模型,如果编码信道码元的转移概率与其前后码元的取值无关，则称这种信道为无记忆编码信道；否则称为有记忆编码信道。如果二进制编码信道的转移概率P(0|1)=P(1|0)，则称其为二进制对称编码信道。二进制无记忆对称编码信道是最简单的一种编码信道。,8.5恒参信道特性及其对信号传输的影响,1.信号

9、经过信道不失真的要求,图8.5.1理想信道传输特性,图8.5.2限带信道频谱,限带基带信号通过理想低通滤波器不失真，限带频带信号通过理想带通滤波器也不失真.,图8.5.3 理想低通特性,图8.5.4理想带通特性,2 信道的时延特性及群时延特性 Cos（t） 通过信道后变为：,由此有,信道的群时延特性,8.6.1随参信道的数学模型 观测表明，随参信道的传输媒质具有三个特点： 对信号的衰耗随时间变化。 对信号的时延随时间变化。 多径传播。,8.6 随参信道特性及其对信号传输的影响,随参信道的数学模型,A为信号幅度；an为信息码元,g(t)为信息码元 波形,c为载波角频率。,1 平坦性衰弱及频率选择

10、性衰弱 （1）平坦性衰弱 多径传输和信道特性的变化，导致接收端信号幅度随机起伏变化，载波相位随机变化，而基带信号b(t)的波形变化不大，其畸变可以忽略。这种现象称作平坦性衰落或一般性衰落。,8.6.2随参信道对信号传输的影响,（2）频率选择性衰落 不仅接收信号的幅度和相位随机变化，而且其信息信号波形也产生了很大畸变，从频域看，即其不同频率分量受到不同程度的衰落，因此这种衰落称作频率选择性衰落,2.多径随参信道的时延扩展与相干带宽 随参信道多径时延的统计特性 多径信道的频域特性 所径随参信道的时延扩展与相干带宽,分集接收是一种有效的抗一般性衰落的技术。其原理是利用两个以上信号传送同一信息，并且这

11、些不同信号的衰落相互独立。接收端以适当的方式将这些信号合并起来加以利用，解出信息。,8. 7分集接收,获得不相关支路信号的主要方法 (1) 用两个天线接收同一信号，如果两天线的距离大于载波波长的100倍以上，则两接收天线的输出信号的衰落将不相关，这种分集方式称为空间分集。用两个天线接收称作二重空间分集，若用三个天线接收，则称为三重空间分集，依次类推。实际中多采用二重空间分集。,(2) 利用两个以上不同载波频率的信号传送同一信息，如果不同载波频率的差大于信道的相关带宽，则在接收端不同载波频率信号的衰落将不相关，这种分集方式称作频率分集。采用两个载波频率称作二重频率分集，采用三个载波频率称作三重频

12、率分集，依次类推。,(3) 由不同指向的天线波束得到互不相关的衰落信号。这种分集方式称作角度分集。 (4) 接收水平极化的信号与垂直极化的信号的衰落也不相关。这种分集方式称作极化分集。,(5) 如果采用扩频信号传送消息，则可以在接收端将不同时延的多径信号分离开，得到的不同时延信号的衰落也互不相关。,最佳选择式：比较各支路的信噪比，选择信噪比最大的一路为接收信号； 等增益相加：将各支路信号直接相加作为接收信号 最大比合并：以各支路的信噪比为加权系数将各支路信号相加作为接收信号。,不同支路信号合并的主要方式有：,信道容量是指该信道能够传送的最大信息量。它等于信道输入与输出互信息的最大可能值，其值决

13、定于信道自身的性质，与其输入信号的特性无关。,8.8 信道容量,1 离散信道(编码信道)的信道容量,2 连续信道,(1) 单符号高斯连续信道的信道容量,(2) 限频、限功率高斯信道的容量,3 信道编码定理 如果信源的信息速率(即每秒钟发出的信息量)小于信道容量，则存在一种编码方式可保证通过该信道传送信源信息的差错率任意小；反之，如果信源的信息速率大于信道容量，则不可能存在这种编码，传送信息的差错率将很大。,定义：为了充分利用信道，应在同一信道中传送许多路相互独立的信号，称为信道复用。,8.9 信道复用,为在接收端能将不同路信号区分开，必须使不同路信号具有某种不同特征。按照不同频域特征区分信号的