3第3章信道2012.

111112020/1/121第3章信道222222020/1/122信道定义与分类1信道的数学模型2信道特性对信号传输的影响3信道中的噪声4信道容量5本章内容333332020/1/1234.1信道的定义是指以传输媒质为基础的信号通路，可分为有线信道与无线信道两类。一、狭义信道有线信道：明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等。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、人造卫星中继以及各种散射信道等。444442020/1/124除传输媒质外，还包括相关变换装置（如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等）在内的信道，按照功能可分为调制信道和编码信道。调制器发转换器媒质收转换器解调器调制信道编码信道编码器译码器二、广义信道555552020/1/1251、调制信道的特点(1)有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端；(2)绝大多数信道都是线性的，满足叠加原理；(3)信号通过信道具有一定的迟延时间;(4)信道对信号有损耗，包括固定损耗或时变损耗；(5)即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出（噪声）。一、调制信道模型4.2信道的数学模型666662020/1/126输出与输入的关系：eo(t)=f[ei(t)]+n(t)时变线性网络时变线性网络ei(t)e0(t)ei1(t)e01(t)ei2(t)e02(t)eim(t)e0m(t)....(a)(b)图2-2调制信道模型ei(t)——输入的已调信号；eo(t)——信道总输出波形；n(t)——加性噪声（或称加性干扰）。f[ei(t)]——已调信号通过网络所发生的时变线性变换。若为k(t)*ei(t)的形式则称其为乘性干扰！2、调制信道的表示777772020/1/127（1）乘性干扰k(t)不随时间变化或变化极为缓慢，称为恒参信道；k(t)是随机快变化的，称为随参信道，它是非恒参信道的统称。（2）加性干扰，n(t)独立于ei(t)。3、调制信道对信号的影响888882020/1/128输入、输出均为数字信号，信道的影响表现在输入、输出序列是否一致，信道特性越差和干扰越大，则发生差错的概率也就越大。无记忆编码信道有记忆编码信道二进制编码信道多进制编码信道二、编码信道模型999992020/1/129解调器每个输出码元的差错发生是相互独立的，则信道是无记忆的，即一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关。P(i/j)------转移概率011P(1/0)P(0/0)P(0/1)P(1/1)0P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1二进制时：nn::::P(0/n)P(n/n)P(1/n)1、无记忆编码信道模型10101010102020/1/12100.90.10.10.90101弱干扰0110无干扰1101010.50.50.5强干扰0.511111111112020/1/1211信道中一个码元发生差错是与前后码元的差错是关联的，则其模型比较复杂，相应的转移概率计算也很复杂。本课程只涉及无记忆信道！2、有记忆编码信道12121212122020/1/12121)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：易受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感。2)对称电缆在同一保护层内有多对相互绝缘的双导线的传输媒质。每一对线都拧成扭绞状,减小各线对之间的相互干扰。传输损耗比明线大得多，但传输特性比较稳定。1.三种有线电信道4.3恒参信道举例13131313132020/1/12133)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(由金属丝编织而成)，内导体是金属线(芯线)。它们之间填充着介质，也可能是空气。芯1芯2四芯组B四芯线A芯3芯1芯2芯4外层导体（屏蔽层）塑料外皮内层导体绝缘体塑料外皮双绞线（5对）对称电缆同轴电缆14141414142020/1/1214三种有线电信道的比较15151515152020/1/1215以光导纤维为传输媒质、光波为载波的信道。优点：传输容量极大、损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属、不受电磁干扰。中继站2.光纤信道16161616162020/1/1216光源是光载波的发生器，半导体发光二极管(LED)或激光二极管(LD)光源。光纤线路是一根或多很光纤。光探测器，用PIN光电二极管或雪崩光电二极管(APD管)来实现光强度的检测。直接中继器是光放大器，直接将光信号放大以补偿光纤的传输损耗，以便延长传输距离；间接中继器是将光信号先解调为电信号，经放大或再生处理后，再调制到光载波上，利用光纤继续进行传输。17171717172020/1/1217当光纤中只能传输一种光波的模式时，称为单模光纤。单模光纤的芯径极小，传光特性较好，但因截面尺寸小，在制造、耦合和连接上都比较困难。光纤中能传输多种光波的模式则称为多模光纤。多模光纤在制造、耦合和连接上都比单模光纤容易。对光纤最主要的要求是低损耗和低色散！18181818182020/1/1218工作频率在超短波和微波波段时，电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸，相邻中继站间距离一般在40～50km。具有传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，节省有色金属等优点，被广泛用来传输多路电话及电视。3.无线电视距中继19191919192020/1/1219视距传播距离与天线高度的关系频率:30MHz距离:和天线高度有关,D表示收发天线间距离(km).接收天线ddh发射天线传播途径D地面rr视线传播22()850DDhmr2225050m85050DDhr例2.1若要求D=50km，由上式可得，20202020202020/1/1220在微波视距中继通信系统中，为提高频谱利用率和减小射频信号邻近波道间的干扰，需要合理设计射频波道频率配置。1站2站3站4站f1f3f2f4f1f3②(a)1站2站3站4站f1f2f2f1f1f2②①(b)四频制和二频制配置方式21212121212020/1/1221同步通信卫星的轨道在赤道平面上，离地面高度为35860km，它作为中继站可实现地球上18000km范围内的多点之间的连接。优点：传输距离远，覆盖地域广，传播稳定可靠，传输容量大。应用：广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。在几百公里高度的低轨道上运行的卫星，由于要求地球站的发射功率较小，特别适用于移动通信和个人通信系统。4.卫星中继信道22222222222020/1/1222包括通信卫星、地球站、上行线路及下行线路23232323232020/1/12234.4恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响是确定的或变化极其缓慢，等效于一个非时变的线性网络。信号通过不产生失真，应满足：（1）幅频特性不随频率变化的常数;（2）相频特性与频率成线性关系。信道的传输特性可表示为：)()()(jeHH24242424242020/1/1224OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)理想情况幅频特性、相频特性和群迟延-频率特性25252525252020/1/1225音频电话信道:低频端截止频率约在300Hz；300－1100Hz范围内衰耗比较平坦;1100－2900Hz之间，衰耗线性上升的；2900Hz以上，每倍频程增加80－90dB。解决方案：改善电话信道中的滤波性能，或者通过线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦(均衡)。原因：有线电话信道中可能存在各种滤波器、混合线圈、串联电容和分路电感等。影响：模拟信号失真；数字信号码间干扰。1.幅度—频率畸变26262626262020/1/1226解决方案：群迟延畸变也是线性畸变，可采用相位均衡技术补偿。原因：信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈，尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。()()dd影响：对模拟话音通信影响并不显著，因为人耳对相频畸变不太灵敏；数字信号传输会引起码间干扰。群迟延：相位特性对频率求导2.相位—频率畸变27272727272020/1/12274.5随参信道举例1由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面60~600km的大气层成为电离层。当频率范围为3~30MHz的短波(HF,也称为高频)无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射返回地面，从而形成短波电离层反射信道。28282828282020/1/1228一次反射的最大距离约为4000km两次反射的通信距离可达8000km29292929292020/1/1229当电磁波垂直入射(φ0=0)时，能从电离层反射的最高频率称为临界频率，当电磁波以φ0角入射时，能从电离层反射的最高频率称为最高可用频率。由于电离层的密度随昼夜、季节及年份剧烈变化，使得最高可用频率和吸收损耗也相应变化，工作频率需要经常更换。短波通信的工作频率30303030302020/1/1230短波通信中的多径传播第一种情况下的路程时延差最大，可达几毫秒，它不仅引起快衰落，而且还会产生多径时延失真。其他三种情况主要的影响是快衰落。31313131312020/1/12312对流层散射通信地球有效散射区域机理:由对流层不均匀性（湍流）引起频率:100-4000MHz距离:100-600km离地面10~12Km以下的大气层称为对流层。32323232322020/1/12323.陆地移动信道陆地移动通信频段主要在VHF和UHF频段，电波传播以直射波为主。由于城市建筑群和其他地形地物的影响，电波在传播过程中会产生反射波、散射波以及它们的合成波。hbd2dd1hm路径损耗阴影衰落多径传播33333333332020/1/12334.6随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输影响:①对信号的衰减随时间变化;②传输时延随时间变化;③多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。34343434342020/1/12341、多径效应和频率弥散设发射信号为:则接收信号为:,由第i条路径到达的接收信号振幅；,由第i条路径达到的信号的时延;上式中的都是随机变化的。tA0cosniniiiiitttttttR1100)](cos[)()]([cos)()()(ti)(ti)(),(),(tttiii35353535352020/1/1235niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()(00()cos()sincsXttXtt应用三角公式化简上式:接收信号可以看成由互相正交的两个分量组成,这两个分量的振幅都缓慢随机变化。振幅缓慢随机变化36363636362020/1/1236接收端的合成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。0()()cos[()]RtVttt－接收信号的包络－接收信号的相位)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcsf频频波形()Vt02()/fdtdttf0f简化上式:37373737372020/1/1237结论快衰落:衰落周期和码元周期可以相比。慢衰落:衰落周期远远大于码元周期。（1）从波形上看，多径传播的结果使确定的载频信号变成了包络和相位都随机变化的窄带信号，这种信号称为衰落(fading)信号；（2）从频谱上看，多径传播引起了频率弥散(色散)，即由单个频率变成了一个窄带频谱；38383838382020/1/12382、频率选择性衰落和相干带宽接收信号分别为：Af(t-0)和Af(t-0-)其中：A传播衰减，0第一条路径的时延，两条路径的时延差。设发射信号为：f(t),且仅有两条路径,路径衰减相同，时延不同.求此多径信道的传输函数?39393939392020/1/1239所以多径信道的传输函数为,其中，A常数衰减因子，表示确定传输时延，与有关的复因子.0)()(0