第3章_信道和噪声.

13信道1狭义信道：传输媒质广义信道：传输媒质+通信系统的变换装置信道：以传输媒质为基础的信号通道•有线信道------电线、光纤等狭义信道按照传输媒质的特性可分为：•无线信道------电磁波（含光波）23信道2广义信道:通信系统的变换装置包括发送设备、接收设备、调制器、解调器等。按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。编码器调制器发转换器传输媒质解调器解码器收转换器调制信道编码信道编码信道包括调制信道、调制器和解调器，是一种数字信道或离散信道。调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，是模拟信道。33信道3有线信道，如电缆、光纤等无线信道，如中短波、微波信道等狭义信道信道恒参信道随参信道广义信道调制信道编码信道有记忆信道无记忆信道43.1无线电信道13.1无线信道无线信道电磁波的频率－受天线尺寸限制•对流层：地面上0~10km地球大气层的结构地面对流层平流层电离层10km60km0km•平流层：约10～60km•电离层：约60～400km53.1无线电信道2电离层对于传播的影响•反射•散射(由于传播媒体的不均匀，电磁波的传播向许多方向折射）大气层对于传播的影响•散射•吸收63.1无线电信道3电磁波的分类：地波频率2MHz有绕射能力距离：数百或数千km天波频率：2~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：4000km传播路径地面图3-1地波传播地面信号传播路径图3-2天波传播73.1无线电信道4ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图3-3视线传播图3-4无线电中继视线传播：频率30MHz距离:和天线高度有关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：(3.1-3)式中，D–收发天线间距离(km)50822DrDhmm505050508222DrDh[例]若要求D=50km，则由上式83.2有线信道1一、有线电信道1.明线2.对称电缆同一保护套内有多对相互绝缘双导线。传输损耗大，传输特性稳定，价格便宜、安装容易。塑料外皮双绞线（5对）图3-9双绞线导体绝缘层平行且相互绝缘的架空裸线线路。传输损耗低，但易受气候影响，对外界噪声干扰敏感93.2有线信道23.同轴电缆同轴的两个导体构成，内、外导体之间填充介质。对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆。导体金属编织网保护层实心介质图3-10同轴线3.2有线信道3二、光纤信道以光导纤维（简称光纤）为传输媒质；光波为载波折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤图3-11光纤结构示意图(a)(b)(c)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113.2有线信道4特点:损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不易腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰组成:光源、光调制器、光纤线路、中继器等光纤线路中可设中继器，放大光信号以补偿光纤的传输损耗，延长传输距离。123.3信道的数学模型1一、调制信道模型调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，是模拟信道，它具有如下共性：绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有输出（噪声）。133.3信道的数学模型2ei(t)—输入的已调信号eo(t)—信道输出信号n(t)—加性干扰f[ei(t)]—已调信号通过网络发生的(时变)线性变换已调信号ei(t)和加性干扰n(t)无依赖关系若f[ei(t)]=k(t)ei(t),其中k(t)依赖于网络特性，对于ei(t)来说是乘性干扰，则输出为)()()()(iotntetktef[ei(t)]eO(t)ei(t)n(t)图3-13调制信道数学模型)()]([)(tntefteio143.3信道的数学模型3乘性干扰k(t)包括各种线性畸变、非线性畸变因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。153.3信道的数学模型4二、编码信道模型编码信道是一种数字信道或离散信道。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。对于二进制编码信道：P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01163.3信道的数学模型5对于二进制无记忆编码信道：)1/0()1()0/1()0(PPPPPe输出的总的错误概率：1)1/0()1/1(1)0/1()0/0(PPPP码错误转移的概率分别为码正确转移的概率分别是、码的概率分别是、10)1/0()0/1(10)1/1()0/0(10)1()0(、、PP、PP、PP173.4信道特性对信号传输的影响1恒参信道的传输特性可以等效为一个非时变线性网络恒参信道的影响恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道…)()()(jeKH传输特性)()(KH幅频特性)(相频特性dd)()(群迟延-频率特性发送端线性网络接收端)(H恒参信道非时变线性网络信号通过线性系统的分析方法。183.4信道特性对信号传输的影响21.线性系统中无失真条件：(a)插入损耗～频率特性相位～频率特性：要求其为通过原点的直线，即群时延为常数时无失真振幅～频率特性：为水平直线时无失真频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟～频率特性0)(KHdt)(dtdd)()(dtjeKH0)(193.4信道特性对信号传输的影响3OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)理想信道的幅频特性)()(0dttKth例：传输特性若输入为)(ts)()()()(0dttsKtsthtr,则输出为dtjeKH0)(0)(KH幅频特性dt)(相频特性dtdd)()(群迟延-频率特性相频特性群迟延-频率特性延迟时间td则冲激响应3.4信道特性对信号传输的影响4理想恒参信道对信号的影响,在整个频域范围内：)()(0dttsKtr0)(KH2.幅度-频率失真由于信道的幅度频率特性的不理想所引起的，这种失真又称为频率失真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迟延。这种情况也称信号是无失真传输。频率失真波形畸变相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠码间串扰解决办法：线性网络补偿213.4信道特性对信号传输的影响5相频特性曲线3.相位-频率失真相位-频率失真对模拟话音传输影响不明显;群迟延-频率特性曲线相位-频率失真对于数字信号,相频失真也会引起码间串扰。解决办法：线性网络补偿223.4信道特性对信号传输的影响6非线性失真：可能存在于恒参信道中定义：输入电压～输出电压关系是非线性的。其他失真：频率偏移、相位抖动…非线性关系直线关系图3-16非线性特性输入电压输出电压233.4信道特性对信号传输的影响7变参信道的影响变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。变参信道举例:天波、地波、视距传播、散射传播变参信道的特性：衰减随时间变化时延随时间变化多径传播243.4信道特性对信号传输的影响8多径传播(a)一次反射和多次反射(b)反射区高度不同延差最大，可达几毫秒：引起快衰落和多径时延失真属细多径：引起快衰落253.4信道特性对信号传输的影响91、多径效应分析tAts0cos)(发送信号若有n条多径信道,信号相互独立,则接收到的合成波为)]([cos)()(01tttutRinii慢随时间变化比发射频率条路径的接收信号振幅第,:)(itui随时间变化条路径的传输时延第，iti:)(慢随时间变化比发射频率，ttii)()(0)](cos[)(01tttuinii263.4信道特性对信号传输的影响10niiiiniittuttutR1001sinsin)(coscos)()(ttXttXtRsc00sin)(cos)()(令;cos)()(1niiictutXniiistutX1sin)()(的包络和相位形式：)(cos)()(0tttVtR)(tR)()()(22tXtXtVsc)()(arctan)(tXtXtcs式中)(sin)()()(cos)()(ttVtXttVtXsc)(tXs)(tV)(tXc)(t273.4信道特性对信号传输的影响11的包络和相位形式：)(cos)()(0tttVtR)(tR)()()(22tXtXtVsc)()(arctan)(tXtXtcs式中接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。•快衰落:衰落周期和码元周期相比较短•慢衰落:衰落的起伏周期较长衰落:信号包络因传播而起伏3.4信道特性对信号传输的影响122、频率选择性衰落与相关带宽)()(Ftf0)()(0tjeAFttAf)(00)()(tjeAFttAfjtjeeAFttAfttAf1)()()(000jtjjtjeAeFeeAFH1)(1)()(00两条路径信道模型AA延迟t0延迟t0+τ+f(t)Af(t)Af(t)Af(t-t0)Af(t-t0-t)Af(t-t0-τ)+Af(t-t0)强度相同293.4信道特性对信号传输的影响13jtjjtjeAeFeeAFH1)(1)()(00传输特性2cos22sin2cos2cos22cos2sin22cos2sincos112jjjejjeAH1)(2cos21)(AeAHj303.4信道特性对信号传输的影响142cos21)(AeAHj当，出现传输极点/2n当，出现传输零点/)12(n2AO2)(H相对时延τ(t)随时间变化，传输特性的零点和极点也会随时间变化。313.4信道特性对信号传输的影响15当传输波形的频宽约宽为1/τ(t)时,传输波形的频谱将受到畸变，即频率选择性衰落，简称选择性衰落相关带宽：相邻传输零点间的频率间隔称为多径传播媒质的相关带宽。推广到多径传播时，相对时延差通常用最大多径时延差τm表征,用它来估算传输零极点在频率轴上位置。mf1O2)(H323.4信道特性对信号传输的影响16*为减小频率选择性衰落影响,应限制信号的频谱，使信号带宽小于相关带宽。*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(即带宽)。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。333.4信道特性对信号传输的影响17小结：随参信道的衰落*多径→频率选择性衰落:信号频带带宽应小于相关带宽;如果传输数字信号,传输速率也要受限多径→瑞利衰落:使单频信号成为包络、相位受调制的窄带信号,从频谱看：使单一谱线变成了窄带频谱343.4信道特性对信号传输的影响18接收信号的分类确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号随相信号：接收