4信道

信道内容信道的定义、分类和模型恒参信道的传输特性随参信道的传输特性信道容量的概念、香农公式信道的加性噪声信道的定义和分类信道：以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道：仅指传输媒质。分为有线信道（明线、对称电缆、同轴电缆及光纤）和无线信道（地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫星中继、散射及移动无线电信道）。无线的频谱环境长波30－300KHz10-1km中波0.3-1.5MHz1000-200m短波1.5-30MHz100-10m超短波:米波30-300MHz10-1m微波：分米波0.3－3GHz100-10cm厘米波3-30GHz10-1cm毫米波30-300GHz10-1mm亚毫米波300-3000GHz1-0.1mm光波：红外光3103-3105GHz100-1m可见光3105-3106GHz0.8-0.4m无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、地波（直射、反射、绕射）无线信道–无线信道电磁波的频率－受天线尺寸限制–地球大气层的结构对流层：地面上0~10km平流层：约10～60km电离层：约60～400km地面对流层平流层电离层10km60km0km–电离层对于传播的影响反射散射–大气层对于传播的影响散射吸收频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率大气衰减传播路径地面地波传播地面信号传播路径天波传播–电磁波的分类：地波–频率2MHz–有绕射能力–距离：数百或数千千米天波–频率：2~30MHz–特点：被电离层反射–一次反射距离：4000km–寂静区：视线传播：–频率30MHz–距离:和天线高度有关式中，D–收发天线间距离(km)。[例]若要求D=50km，则–增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr视线传播无线电中继50822DrDhmm505050508222DrDh对流层散射通信地球有效散射区域散射传播–电离层散射机理－由电离层不均匀性引起频率－30~60MHz距离－1000km以上–对流层散射机理－由对流层不均匀性（湍流）引起频率－100~4000MHz最大距离600km–流星流星余迹散射流星余迹特点－高度80~120km，长度15~40km存留时间：小于1秒至几分钟频率－30~100MHz距离－1000km以上特点－低速存储、高速突发、断续传输流星余迹散射通信流星余迹无线的应用概况短波/超短波通信天波（电离层）：数据/电话、单边带地波：小型接力机、单双工电台、对讲机微波通信微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波电视、电话、数据卫星通信高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道电视、电话、数据移动通信蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统卫星移动系统有线信道–明线–对称电缆：由许多对双绞线组成–同轴电缆双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质同轴线–光纤结构–纤芯–包层按折射率分类–阶跃型–梯度型按模式分类–多模光纤–单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤光纤结构示意图(a)(b)(c)损耗与波长关系–损耗最小点：1.31与1.55m0.70.91.11.31.51.7光波波长（m）1.55m1.31m光纤损耗与波长的关系广义信道：除包含传输媒质外，还包括发送设备、接收设备、馈线与天线、调制/解调器等。其可分为调制信道和编码信道。信道的定义和分类信道的定义和分类编码器调制器发转换器收转换器解调器译码器媒质调制信道编码信道输入输出调制信道是为研究调制与解调问题而定义的广义信道。它可分为恒参信道和随参信道。编码信道是为研究数字通信系统中的编码和译码问题而定义的广义信道。它是一种数字信道或离散信道。调制信道模型线性时变网络Si（t）So（t）So（t）=f[Si（t）]+n（t）其中，n（t）表示加性噪声，f[Si（t）]表示已调信号通过调制信道时发生的线性时变变换。通常f[Si（t）]可表示为信道单位冲激响应c（t）与输入信号的卷积：f[Si（t）]=c（t）*Si（t）或f[]=C（）Si（）其中，C（）表示信道的传输特性，称为乘性干扰。信道的数学模型信道的数学模型恒参信道：乘性干扰C（）不随时间变化或随时间的变化极为缓慢的一类调制信道。这类信道主要有：架空明线、电缆、中长波地波传播、超短波及微波视距传播、卫星中继、光纤、以及光波视距传播等。信道的数学模型随参信道：乘性干扰C（）随时间随机变化的一类调制信道。这类信道主要有：短波电离层反射信道、各种散射信道、超短波移动通信信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。明线、双绞线、同轴电缆、无线光通信（FSO）等信道恒参信道举例随参信道举例短波电离层反射信道和超短波及微波对流层散射离地面60~600公里的大气层离地面10~12公里以下的大气层典型代表：移动通信系统的基站与移动终端间的无线信道信道的数学模型乘性干扰C（）的三种典型形式：•C（）为常数，有So（t）=CSi（t）+n（t），C是信道衰减因子，因加性噪声n（t）通常是高斯噪声，这种信道一般称为加性高斯噪声信道。•C（）在信号频带内不为常数，但不随时间变化，可表示为带有加性噪声的线性滤波器：So（t）=c（t）*Si（t）+n（t）。•C（）在信号频带内不为常数，随时间变化，表示为带有加性噪声的线性时变滤波器：So（t）=c（t，）*Si（t）+n（t）。电离层反射信道和移动通信信道都属于这类信道。信道的数学模型P(1/1)0011P(0/0)P(1/0)P(0/1)二进制无记忆编码信道模型01230123四进制无记忆编码信道模型编码信道的输入输出数字序列之间的关系用一组转移概率来表征。对于二进制无记忆编码信道有：P（0/0）+P（1/0）=1，P（1/1）+P（0/1）=1输出总的错误概率：Pe=P（0）P（1/0）+P（1）P（0/1）无记忆的含义：指输出数字序列发生错误是统计独立的。1理想恒参信道的传输特性及无失真传输条件恒参信道的传输媒质基本不随时间变化，其可等效为一个线性时不变网络。理想恒参信道等效的线性网络传输特性为：dtjeKH0)(其中，K0为传输系数，td为时间延迟，它们都是与频率无关的常数。恒参信道的传输特性1理想恒参信道的传输特性及无失真传输条件dtjeKH0)(幅频特性：|H（ω）|=K0；相频特性：φ（ω）=ωtd；群延迟：dtdd)()(OOOωωωωtdtdK0|H（ω）|φ（ω）τ（ω）恒参信道的传输特性恒参信道的传输特性理想恒参信道的冲激响应表示为：)()(0dttKth若输入信号为s（t），理想恒参信道的输出为：)()(0dttsKtr理想恒参信道对信号在幅度上产生固定的衰减；对信号在时间上产生固定的延迟。这种情况的信号-----无失真传输。恒参信道的传输特性2幅度—频率失真信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰减，使通过它的信号波形产生失真。若传输的是数字信号，会引起相邻码元波形在时间上的相互重叠，造成码间串扰。3相位—频率失真信号中不同频率的分量分别受到信道不同的延迟。相频失真对模拟话音通信影响不大，但对数字信号传输—尤其是高传输速率的数字信号，会产生严重的码间串扰。4群延迟—频率失真5其它失真非线性失真、频率偏移及相位抖动等。调制器调制信道包络检波抽样判决2ASKSi(t)r(t)mo(t)m(t)cp(t)100m(t)2ASKSi(t)r(t)cp(t)110mo(t)门限ttttt2ASK频谱范围无限，通过信道后失真码间串扰合理设计收、发滤波器，可使码间串扰为零。恒参信道对数字传输的影响随参信道传输媒质的特点：•对信号的衰耗随时间而变化；•传输的时延随时间而变化；•多径传播。随参信道的传输特性多径传播：由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点，因此，接收信号是衰减和时延都随机变化的各条路径信号的合成。设发射波为幅度恒定、单一频率的正弦波Acosωct，多径传播后接收到的信号为：)](cos[)()(tttVtrcV是合成波r的包络，其一维分布为瑞利分布；相位的一维分布为均匀分布。r可视为一个窄带过程。随参信道的传输特性均衡－多径衰落传播损耗自由空间传播损耗慢衰落－分集–由地形起伏、建筑物及障碍物的遮蔽等引起慢衰落（阴影衰落）快衰落－均衡–由各种反射物和散射体产生的直射波、反射波和散射波的相互干扰和串扰，以及多普勒（Doppler）频移等产生的快衰落（多径衰落）随参信道的传输特性多径传播对信号传输的影响有：（1）瑞利型衰落多径传播使载波信号Acosωct变成包络和相位受调制的窄带信号。（2）频率弥散从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱。（3）频率选择性衰落当发送的信号具有一定的频带宽度时，多径传播除了会使信号产生瑞利型衰落之外，还会产生频率选择性衰落。f(t)延迟t0延迟t0+V0f(t-t0)+V0f(t-t0-τ)V0V0)2cos(2eeV)ee(eeV)e1(eV)(H2jtj02j2j2jtj0jtj0000021123)cos(2)(0fVfHf频率选择性衰落设最大多径时延差为Δm，则定义多径传播信道的相邻传输零点的频率间隔（称为相关带宽）为：Δf=1/Δm，如果信号的频谱比Δf宽，将产生严重的频率选择性衰落。为了减小频率选择性衰落的影响，需要限制数字信号的传输速率（数字信道的码元宽度Ts约为3~5Δm），即相当于限制信号的频谱宽度（1/3~1/5Δf）。频率选择性衰落随参信道的传输特性（波形）tV（t）（频谱）ff0衰落信号的波形与频谱示意图多径传播引起的瑞利型衰落、频率选择性衰落、频率弥散等，会严重影响接收信号的质量。必须采用抗衰落措施:抗衰落的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、分集接收技术等。分集接收分集接收原理在随参信道的接收端同时获取多个携带同一信息的、统计独立的快衰落信号将这些信号适当合并构成总的接收信号从而降低衰落的影响，改善系统性能。分集接收分集方式•空间分集：在接收端不同位置处设置多个天线，以获取多个统计独立的信号。•频率分集：用多个不同的载频传送同一个消息，保证各载频的频差足够大，以使接收到的各载频信号互相独立。•角度分集：利用天线波束指向不同，使接收到的信号互不相关。•极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波，从而获得相关性极小的两个信号。以上的分集方式可组合使用合并方式•最佳选择式：从接收到的多个信号中选择信噪比最大的作为接收信号。•等增益相加式：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加，相加后的信号作为接受信号。•最大比值相加式：控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，再相加得到接收信号。最大比值相加式性能最好，等增益相加式次之，最佳选择式较差。分集接收信道的加性噪声窄带高斯白噪声高斯白噪声通过带通型线性网络，在解调器输入端得到的加性噪声可表示为窄带高斯白噪声。设带通型噪声的功率谱密度为Pn（f），则噪声等效带宽定义为：)()()(2)(0cnncnnnfPdffPfPdffPB0fBnfcPn（f）信道的加性噪声)()()(2)(0cnncnnnfPdffPfPdffPBfc为带通型噪声功率谱密度的中心频率，上式表示高度为Pn（fc）、宽度为Bn的噪声功率与功率谱密度为Pn（f）的带通型噪声功率相等。0fBnfcPn（f）噪声等效带宽Bn的定义适用于常见的窄带高斯噪声，且认为带宽为Bn的窄带高斯噪声，其功率谱密度在带宽Bn内是常数。1信道容量的概念信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。离散信道和连续信道的信