《通信原理》_樊昌信_曹丽娜(第六版)第4章_信道

1通信原理2通信原理第4章信道3广义信道按包含的功能，可划分为调制信道与编码信道。信道（信号通道）狭义信道：信号的传输媒质广义信道：媒质及有关变换装置（发送、接受设备，天线、馈线，调制解调器等）有线信道无线信道第4章信道4第4章信道信道分类：无线信道－电磁波（含光波）有线信道－电线、光纤信道中的干扰：有源干扰－噪声无源干扰－传输特性不良本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。5第4章信道4.1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10km60km0km6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)水蒸气氧气降雨率图4-6大气衰减第4章信道7传播路径地面图4-1地波传播地面信号传播路径图4-2天波传播第4章信道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：8视线传播：频率30MHz距离:和天线高度有关(4.1-3)式中，D–收发天线间距离(km)。[例]若要求D=50km，则由式(4.1-3)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图4-3视线传播图4-4无线电中继第4章信道50822DrDhmm505050508222DrDh9图4-7对流层散射通信地球有效散射区域第4章信道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600km10第4章信道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、断续传输图4-8流星余迹散射通信流星余迹11第4章信道4.2有线信道明线12第4章信道对称电缆：由许多对双绞线组成同轴电缆图4-9双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质图4-10同轴线13第4章信道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图4-11光纤结构示意图(a)(b)(c)14损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55m第4章信道0.70.91.11.31.51.7光波波长（m）1.55m1.31m图4-12光纤损耗与波长的关系15第4章信道4.3信道的数学模型信道模型的分类：调制信道编码信道信息源信源编码信道译码信道编码信道数字调制加密数字解调解密信源译码受信者噪声源编码信道调制信道16第4章信道4.3.1调制信道模型式中－信道输入端信号电压；－信道输出端的信号电压；－噪声电压。通常假设：这时上式变为：－信道数学模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)图4-13调制信道数学模型)()]([)(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()]([tetktefii)()()()(tntetkteio17第4章信道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。)()()()(tntetkteio18第4章信道4.3.2编码信道模型二进制编码信道简单模型－无记忆信道模型P(0/0)和P(1/1)－正确转移概率P(1/0)和P(0/1)－错误转移概率P(0/0)=1–P(1/0)P(1/1)=1–P(0/1)P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)图4-13二进制编码信道模型发送端接收端19第4章信道四进制编码信道模型01233210接收端发送端20第4章信道4.4信道特性对信号传输的影响恒参信道的影响恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道…恒参信道非时变线性网络信号通过线性系统的分析方法。线性系统中无失真条件：振幅～频率特性：为水平直线时无失真左图为典型电话信道特性用插入损耗便于测量(a)插入损耗～频率特性21第4章信道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群时延定义：频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟～频率特性dd)(0相位～频率特性22幅度－频率畸变产生原因：由有线电话信道中可能存在的各种滤波器、混合线圈、串联电容、分路电感等造成信道的幅度－频率特性不理想所引起的，又称为频率失真。一般典型音频电话信道可用图3所示的幅度－频率特性曲线近似表示。频率(Hz)030011002900衰耗(dB)图3典型音频电话信道的相对衰耗23产生的影响：对于模拟信号：造成波形失真对于数字信号：造成码间串扰引起相邻码元波形在时间上的相互重叠克服措施：改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效传输带宽内平坦；增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变得平坦；——均衡器24相位－频率畸变产生原因：来源于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。相位-频率畸变是指信道的相位-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。分析方法：常采用群延迟-频率特性(相位-频率特性对频率的导数)来衡量；若相位-频率特性用φ(ω)来表示，则群迟延-频率特性dd25对理想信道，呈现性关系，(为常数)的曲线将是一条水平直线，如图4。实际典型的电话信道的群迟延-频率特性如图5。图4理想的相位—频率特性及群延迟—频率特性=K0K00.81.62.43.20.20.40.60.81.0相对群延迟ms频率(kHz)图5群延迟—频率特性对语音影响不大，对数字信号影响大26非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变,如图。群迟延畸变和幅频畸变一样，是线性畸变。因此，也可采取均衡措施进行补偿。27第4章信道频率失真：振幅～频率特性不良引起的频率失真波形畸变码间串扰解决办法：线性网络补偿相位失真：相位～频率特性不良引起的对语音影响不大，对数字信号影响大解决办法：同上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4-16非线性特性输入电压输出电压28第4章信道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。下面重点分析多径效应29第4章信道多径效应分析：设发射信号为接收信号为(4.4-1)式中－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)()(0ttii)(),(),(tttiii30第4章信道应用三角公式可以将式(4.4-1)改写成：(4.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。式中－接收信号的包络－接收信号的相位niniiiiitttttttR1100)](cos[)()]([cos)()(缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()()](cos[)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcs31第4章信道所以，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。这种包络起伏称为快衰落－衰落周期和码元周期可以相比。另外一种衰落：慢衰落－由传播条件引起的。32第4章信道多径效应简化分析：设发射信号为：f(t)仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同两条路径的接收信号为：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。求：此多径信道的传输函数设f(t)的傅里叶变换（即其频谱）为F()：)()(Ftf33第4章信道（4.4-8）则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数，故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，A－常数衰减因子，－确定的传输时延，－和信号频率有关的复因子，其模为)()(Ftf0)()(0jeAFtAf)(00)()(jeAFtAf)1()()()(000jjeeAFtAftAf)1()()1()()(00jjjjeAeFeeAFH0je)1(je2cos2sin)cos1(sincos1122jej34第4章信道按照上式画出的模与角频率关系曲线：曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差。而是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落。图4-18多径效应2cos2sin)cos1(sincos1122jej35图4-18多径效应第4章信道定义：相关带宽＝1/实际情况：有多条路径。设m－多径中最大的相对时延差定义：相关带宽＝1/m多径效应的影响：多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。36第4章信道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：接收码元的相位随机变化起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。通过多径信道传输的信号都具有这种特性37慢衰落flatfading多径效应multipatheffect离散信道discretechannel信道容量channelcapacity平均信息量averageamountofinformation38第4章信道4.5信道中的噪声噪声信道中存在的不需要的电信号。又称加性干扰。按噪声来源分类人为噪声－例：开关火花、电台辐射自然噪声－例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声39第4章信道热噪声来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。频率范围：均匀分布在大约0～1012Hz。热噪声电压有效值：式中k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数；T－热力学温度（ºK）；R－阻值（）；B－带宽（Hz）。性质：高斯白噪声)V(4kTRBV40第4章信道按噪声性质分类脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的