第三章 信 道2008.ppt

1、教学提示,信道是通信系统的三要素之一,是通信系统组成的重要部分。任何信号离开信道都不能进行传输，可见信道的特性对信号的传输起着重要的作用，所以有必要进行讨论。,本章所讨论的信道不是指各种具体的信道，而是指抽象出来的模型，重要讲述以下几个问题： 1、信道的定义及分类;2、恒参信道及其对信号传输的影响;3、随参信道及其对信号传输的影响;4、信道容量；,第四章 信 道,主要内容： 信道的定义、分类 恒参信道举例 随参信道举例 信道数学模型 恒参信道特性及其对信号传输的影响 随参信道特性及其对信号传输的影响 随参信道特性的改善 信道的加性噪声 信道容量的概念、香农公式（shannon formula）

2、,信道定义,1.信道定义：信号通道. 2.信道的分类 狭义信道：信号的传输媒质 . 有线信道：架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆 无线信道：地波、短波、微波、卫星、散射 广义信道：传输媒质及有关变换装置.(收、发转换器, 放大，频率变换，电电磁波，等。) 编码信道 调制信道,4. 1 随参信道举例,随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。 随参信道有以下几种。1） 短波电离层反射2） 超短波流星余迹散射3） 超短波及微波对流层散射4） 超短波电离层散射5） 超短波超视距绕射等,一、 短波电离层反射信道1、概念：短波是指波长为10010m (相应的频率为330MHz)的无线电波。2、短波

3、传播方式：既可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电离层反射传播，称为天波传播。 3、传播路径离地面高60600km的大气层称为电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成的。 短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。 在短波电离层反射信道中，存在多径传播，引起多径传播的主要原因如下。 1） 电波经电离层的一次反射和多次反射；2） 几个反射层高度不同；3） 电离层不均匀性引起的慢射现象；4） 地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。,4、特点主要优点如下：1）、要求的功率较小，终端设备的成本较低；(100W几KW) 2）、传播距离远；3）、受地形限制较小；4）、有适当的传输频带宽度；

4、 5）、不易受认为的破坏，该特点在军事上非常有用。 主要缺点如下：1）、传输可靠性差；电离层中的异常变化会引起较长时间的通信中断。 2）、需要经常更换工作频率，因而使用较复杂；3）、存在快衰落与多径时延失真；4）、干扰电平大。 (100b/s) 5、应用短波电离层反射信道过去是、现在仍然是远距离传输的重要信道之一。,问题：为什么远距离HF无线电广播在太阳黑子活动的 高峰期时效果更好？,二、对流层散射信道对流层能够不规则地散射无线电波 1、 概念：离地面1012km以下的大气层称为对流层。在对流层中，由于大气对流层湍流运动等原因产生了不均匀性，故引起散射，如图所示。 2、 传播方式：对流层散射信

5、道是一种超视距的传播信道，可工作在超短波和微波波段。其一跳的传播距离约为100500km。,3、 对流层信道的特点1）、衰落 散射信号电平是不断随时间变化的，这种变化称为衰落。 衰落有两类： 慢衰落（长期变化），慢衰落取决与气象条件 快衰落（短期变化），快衰落是由多径传播引起的。2）、传播损耗总损耗包括两个部分， （1） 自由空间的能量扩散损耗；（2） 散射损耗。3）、信道的允许带宽散射信道是典型的多径信道。由于信源信号到达终端所经过的路程不同，因而各路径信道到达接收点的时间也不相同，结果信号脉冲被展宽，这种现象称为时间扩散简称多径时散。这样信道的允许带宽与最大多径时延的关系为B1/ 4、应用

6、1）、干线通信，通常每隔300km左右建立一个中继站。2）、点对点通信，如海岛与陆地，山区与城市之间的通信。,4.2 恒参信道举例,K(t)不随时间变化或基本不变化 一、有线信道 明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路。 优点：传输损耗低 缺点：易受气候和天气影响，并对外界噪声干扰敏感。 对称电缆：同一保护套内多对相互绝缘双导线的传输媒质。 优点：传输特性比较稳定 缺点：损耗比明线大。 同轴电缆：由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管，内导体是金属线（芯线） 优点：外界噪声很少进入其内部 光纤信道：以光纤为传输媒质、光波作为载波的信道 特点：损耗低、频带宽、线径细、可弯曲半径小、不怕腐蚀、

7、节省有色金属、不受电磁干扰。,图 4 10 对称电缆结构图,图 4- 11同轴电缆结构图,二、无线信道 无线电视距中继 工作频率在超短波和微波波段的电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸。 组成：终端站、中继站及各站之间的电波传播路径。特点：传输容量大，发射功率小，通信稳定可靠应用：主要用于长途干线、移动通信网及某些数据收集系统。,卫星中继信道 同步通信卫星，异步通信卫星 概念：卫星中继信道是无线电中继信道的一种特殊形式。它是航天技术与通信技术相结合的产物。 特点：传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大。 用途：传输多路电话、电报、数据、电视等。 构成：通信卫星、地球站、上

8、行线路、下行线路,卫星中继信道主要工作频段有： L频段(1.5/1.6GHz)、 C频段(4/6GHz)、 Ku频段(12/14GHz)、 Ka频段(20/30GHz)。,图 4 5 卫星中继信道示意图,4. 3 信道数学模型,一. 调制信道模型 传输已调信号，关心的是信号的失真情况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续变化的，故也称调制信道为连续信道，甚至称为模拟信道。 共性： 有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端； 绝大多数信道是线性的，即满足迭加原理； 信号通过信道具有一定的迟延时间，而且会受到损耗； 即使无信号输入，在信道输出端仍有功率输出（噪声）,线性信道：eo(t) =

9、 fei(t)+n(t)= h(t)*ei(t)+n(t),ei(t)：模拟已调信号或数字已调信号。 f ：线性失真，非线性失真，损耗，时变特性等。 n(t)： 加性噪声 k(t)：产生乘性噪声，包括各种失真等，只有ei(t)存在时，乘性噪声才存在。,单输入单输出信道：,恒参信道：如果k(t)不随时间t变化或基本不变化, 则称恒参信 道; 如电缆、光缆、无线视距信道、卫星中继信道等。 随参信道：如果k(t)是随机快变化的,则称信道为随参信道。 如电离层反射信道、对流层散射信道。,二编码信道模型 调制信道对信号的影响是通过k(t)和n(t)使已调信号发生模拟性变化。-模拟信道 编码信道对信号的影

10、响则是一种数字序列的变换，即将一种数字序列变成另一种数字序列。-数字信道 输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不是信号失真情况，但误码与调制信道有关，无调制解调器时误码由收、发滤波器设计不当及n(t)引起。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。,1.无记忆信道:(信道内只存在起伏噪声)特点：任意一个码元的差错与前后码元的差错不发生任何依赖关系。 2.有记忆信道:(信道内除起伏噪声外,还存在衰落效应等)特点：信号的传输与前后码元有依赖关系,需用马尔科夫链描述。,例：二进制数值传输系统 二进制无记忆信道 二进制有记忆对称信道 （码元发生差错是相互独立的） （码元发生差错是非独立的）,恒参信道

11、对信号传输的影响是确定的或者变化极其缓慢的，等效于一个非时变的线性网络。 一数学描述,4. 4.1 恒参信道特性及其对信号传输的影响,式中H（）是信道传输特性函数,二、理想的恒参信道 传输特性： 幅度-频率特性H()； 相位-频率特性() 理想的恒参信道满足以下两个条件 1）、H()(常数) 2）、 群迟延 ()td (常数) 理想信道传输函数: 理想信道冲击响应：,群迟延的含义：相位频率特性的导数，即 ：,若输入信号为ei(t),则理 想恒参信道的输出为：,理想恒参信道对信号传输的影响是： （1）对信号在幅度上产生固定的衰减； （2）对信号在时间上产生固定的迟延。,图 3-11 理想信道的幅

12、频特性、 相频特性和群迟延-频率特性,1、幅度-频率畸变 H()k(常数)，产生幅频畸变。即幅度-频率特性的不理想引起的频率失真。,典型的音频电话信道的相对衰耗,对信号的影响： 不均匀衰耗使传输信号的幅度随频率发生畸变，引起信号波形失真。若是数字传输，引起相邻码元波形在时间上的重叠（码间干扰）。,三、实际信道特性,2、相位-频率畸变 信道的相位-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。 模拟语音通信：影响不大，人耳对相频畸变不太敏感。 数字信号传输：引起严重的码间干扰，造成误码 。 数字滤波器 h(n)=h(N-1-n) 用群迟延频率特性来描述相频特性：相频特性对频率的导数 ()=d ()/d，当(

13、)=-td时，无相频畸变。 工程设计时，应使H()畸变范围及()误差范围符合要求。,例：2ASK系统,调制器,调制,信道,包络,检波,抽样,判决,2ASK,S,i,(t),r(t),m,o,(t),m,(t),cp(t),四、克服措施： 模拟通信： 频域均衡，使信道、均衡器联合频率特性在信号频率范围内无畸变。 数字通信： 合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间串扰。信道特性缓慢变化时，用时域均衡器，使码间串扰降到最小且可自适应信道特性变化。,例4.1,非线性失真、频率偏移、相位抖动,传输特点： 1） 对信号的衰耗随时间而变； 2） 传输时延随时间而变； 3） 多经传播现象。 存在衰落效应，多

14、径效应。 多径衰落与频率弥散 接收天线收到的电波，是各条传播路径到达的总和。 如果设发射波为f(t)是单频信号：f(t)= Acosot 接收端接收到的信号为:,4.4.2 随参信道及其对信号传输的影响,ui(t)第i条路径的接收信号振幅 -第i条路径的接收信号传输时延,在实际中观察，i (t)、i (t)的变化非常缓慢，其变化周期远远小于载频的周期。因此，又可将它看成一个窄带随机过程。因此，可以写成 由于i (t)和i (t)为随机过程，R(t)也是一个随机过程. 因为（1）、Xc(t )是N个随机变量的和，且是相互独立的;（2）、且它们出现的概率相同，所以根据中心极限定理，认为 Xc(t

15、)是高斯变量, 同理 Xs(t )也是高斯变量,所以R(t)则为一窄带高斯过程。,式中： 合成信号R（t）的包络。 ： 合成信号R（t）的相位。 从波形上看，发射信号Acost变成了包络和相位受到调制的窄带信号。称为衰落信号，并引起频率弥散现象（单个频率变成窄带频谱）。 由于R(t)是窄带高斯过程，则其包络的概率密度函数服从瑞利分布，而相位服从均匀分布。,多径传播的特征：（1）单频信号变成包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播产生瑞利型衰落；（2）从频谱上看，单频信号变成了多频信号(即多径传播引起频率的弥散)。,2、多径传播引起频率选择性衰落,信号频谱中某些频率分量被衰落

16、的一种现象。 以两路径为例，设衰减是恒定的,其模特性依赖于cos（/2）：对于不同的频率，两径传播的结果将有不同的衰减。,上述模型的传输特性：,结论：不同的频率有不同的衰减。 当fn/时，出现传输极点； 当f(2n+1) /2时，出现传输零点。,解决方法：（1） 限制信号带宽 要想避免出现选择性衰落带来的严重失真，就要适当限制信号带宽，将带宽限制在两个零点之间。两个零点之间的间隔为2/(或f1/)，要想不产生明显的选择性衰落，则产生波形f(t)的带宽必须小于多径产生媒质的相关带宽f1/m，m为最大多径时延差。 工程设计中，通常选择信号带宽为相关带宽的1/51/3。 （2）分集接收对于多径信号，

17、也可以采用分集接收或扩展频谱的方法来改善它的特性。,例4.3,例4.2,一分集接收概念接收端对它收到的多个衰落特性相互独立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。 1分集方法 （1）频率分集 各频率之差大于相关带宽。跳频 （2）时间分集 用同一频率在不同时刻传输同一信息。（RAKE技术）fBc （3）空间分集 多幅处于不同位置的天线同时接收（天线阵） d3 （4）时频分集 (混合分集之一) （5）其它：角度分集，极化分集。,4. 4. 3 随参信道特性的改善,例如：四时四频分集,信息代码 时频编码 00 f1、f2、f3、f4 将一个四进制码元宽度时间Ts等分 01 f

18、2、f1、f4、f3 为4个时间段，分别传输4个载频，不 10 f3、f4、f1、f2 同代码传输顺序不同。在Ts内只要能 11 f4、f3、f2、f1 正确接收到一个频率，就可判断在Ts 内传输的信息代码。,2合并方法 所谓合并就是根据某种方式把得到的N个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。（中频、基带） 假设N个独立衰落信号分别：r1(t)、 r2(t) 、 rN(t),则合并器输出为： r(t)=a1r1(t)+ a2r2(t)+aN rN(t) ai 第i 个信号的加权系数 （1）最佳选择式 选信噪比最好的一个作为接收信号。 （2）等增益相加 将各信号以相同增益放大、相加。

19、（3）最大比相加 将各信号以信噪比成正比地放大、相加。 效果：（3）最好，（1）最差。,（1）最佳选择式 选信噪比最好的一个作为接收信号。,二重分集选择式合并,（2）等增益相加 将各信号以相同增益放大、相加。,（3）最大比相加 将各信号以信噪比成正比地放大、相加。,4. 5 信道的加性噪声,干扰：对有用信号有害的各种波形的总称。噪声：可用随机过程描述的干扰。不能准确预测其波形,一、加性噪声的来源1、人为噪声来源于无关的其他信号源。如：外台信号、接触不良的触点等，由不希望有的信号源引起的。 2.自然噪声来自于大自然。由自然界存在的各种电磁波源引起。如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声、大气干扰及宇

20、宙噪声等。 3.内部噪声系统设备本身产生的各种噪声。如：电阻中自由电子的热运动、半导体中载流子(电子和空穴)的随机产生与复合等。是元器件内部固有的噪声。,二、噪声的性质分类单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。本章重点介绍起伏噪声。 三、起伏噪声 1、热噪声1）、产生原因：在电阻一类导体中自由电子的布郎运动引起的噪声。2）、特点：服从高斯分布，且具有均匀的功率谱密度。 2、散弹噪声1）、产生原因：真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起。2）、特点：服从高斯分布 3、.宇宙噪声1）、产生原因：天体辐射波对接收机形成的噪声。2）、特点：20 300MHz内，强度与频率的三次方成反比，服从高斯分布；

21、具有平坦的功率谱密度。,注意：通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声的集中表示。通常把加性噪声的主要代表起伏噪声理解成热噪 声、散弹噪声、宇宙噪声的集中表示。均为高斯白噪声。,n(t)：白噪声。 双边带功率谱密度Pn（f） 单边带功率谱密度Pn（f）,N不可能为无穷大，故白噪声的频率范围应是有限的。,带通型噪声的功率谱密度：,Bn 为等效噪声带宽，其物理意义是：白噪声通过实际带通滤波器的效果与通过宽度为Bn ，高为Pni（f0）的矩形滤波器的效果一样。,4. 6 信道容量的概念,信道容量：信道的最大（极限）传输能力 定义：信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量，记为C。 离散信道：输入输出为离散信号； 连续信道：输入输出为连续信号； 一、 离散信道的信道容量 信道模型用转移概率来表示。 如图所示。,图中：P(x)发送信道的概率；P(y)是接收信号的概率；P(yi/xi)是转移概率，i=1,2,m，它是发送为xi，而收到的是yi的概率。,接收端接收到的信息量（信息论中称为互信息）为 单位是 比特/符号。 公式中： I ：接收端接收到的平均信息量； H（x）：未发送符号前对xi的不确定度；即每个符号的平均信息量。H(x/y) ：收到符号yi后对xi的不确定度；即输出符号已知时，输入符号的平均信息量，