通信原理第4章信道资料

Chapter4信道§4.1无线信道§4.2有线信道§4.3信道的数学模型§4.5信道中的噪声§4.6信道容量§4.4信道特性对信号传输的影响通信系统原理框图信号源发送设备传输信道收信装置接收设备传输信道原始手段有线通信无线通信烽火、旗语电报电话无线广播移动电话有线信道：利用人造的传导电或者光的媒体来传输信号无线信道：利用电磁波在空间中的传播来传输信号按照传输媒质的不同，信道可以分两大类：有线（wired）信道，无线（wireless）信道数字通信系统模型信道中存在噪声，对于信号传输有着重要的不良影响，通常认为它是一种有源干扰。信道本身的传输特性不良，可以看作是一种无源干扰本章中将重点介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对信号传输的影响。无线通信的传输媒质是自由空间。电磁波从发射天线辐射出去之后，经过自由空间到达接收天线的传播途径可分为两大类：地波和天波。4.1无线信道一地波（分为地面波和空间波）1.地面波就是沿地面传播的无线电波（绕射传播），适用于长波和超长波。2.空间波是在发射天线与接收天线间直线传播的无线电波（直射传播）,发射天线和接收天线较高，接收点的电磁波由直接波和地面反射波合成。适用于超短波。二天波（天空波）经过地面100km至500km的电离层反射传送到接收点的电磁波（电离层反射折射传播）。适用于短波。电离层反射的特点：频率越高，吸收能量越小，但频率过高电波会穿透电离层。故频率只限于中短波段300Khz－30Mhz。传播方式波段名称波长范围频率范围频段名称超长波10,000—100,000m30—3kHz甚低频VLF长波1,000—10,000m300—30kHz低频LF中波200—1,000m1500—300kHz中频MF中短波50—200m6,000—1,500kHz中高频IF短波10—50m30—6MHz高频HF米波1—10cm300—30MHz甚高频VHF分米波10—100cm3,00—300MHz特高频UHF厘米波(微波)1—10cm30—3GHz超高频SHF毫米波1—10mm300—30GHz极高频EHF亚毫米波1mm以下300GHz以上超极高频远距离通信采用的新技术无线电中继radiorelay卫星通信satellitecommunication平流层通信HighAltitudePlatformStations代替卫星作为基站的通信除天波和地波的传播方式之外，电磁波还可以通过散射方式进行传播。反射：镜面反射散射：传播媒体不均匀，电磁波的传播方向向许多方向折射电离层散射对流层散射流星余迹散射4.2有线信道平行架设在电线杆上的架空线路。优点：传输损耗低缺点：容易受到天气和环境的影响，对外界的噪声干扰比较敏感，并且很难一条路径架设大量的成百对线路；明线(openwire)由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制造而成。优点：使用广泛，价格便宜，安装容易缺点：对电磁干扰比较敏感，不适合传输高速数据EIA/TIA5类UTP电缆规格（存在超5类和6类）Cat1：适用于电话传输Cat2：适用于电话和低速数据传输(最高4Mbps)Cat3：适用于10Mbps的10Bas-T以太网数据传输Cat4：适用于16Mbps的令牌环网Cat5：适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4快速以太网对称电缆(symmetricalcable)内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套图：双绞线(TwistedPair)广泛使用的同轴电缆有两种。一种是阻抗为50欧姆的基带同轴电缆，另一种是阻抗为75欧姆的宽带同轴电缆电缆类型网络类型电缆电阻/端接器(Ω)RG-810Base5以太网50RG-1110Base5以太网50RG-58A/U10Base2以太网50RG-59/UARCnet网，有线电视网75RG-62A/UARCnet网93表：铜轴电缆的类型同轴电缆（coaxialcable）铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套图：同轴电缆用光脉冲的出现表示“1”，不出现表示“0”光传输系统由三个部分组成：光纤传输介质、光源和检测器多模光纤：纤芯的直径较粗，光纤中可能有许多种沿不同途径同时传播的模式单模光纤：光在光纤中的传播没有反射，而沿直线传播较易较难端接低高造价大小信号衰减发光二极管激光光源低高数据传输率短长距离多模光纤单模光纤项目表：单模光纤与多模光纤的比较光纤（a）折射角大于入射角（b）光波在纤芯中传播（c）62.5/125μm渐变增强型多模光纤图多模光纤图光纤连接器4.3信道的数学模型狭义信道：信号传输媒质有线、无线信道广义信道：针对研究的着眼点不同而有所不同针对调制解调：调制信道（包括传输媒质和发射/接收机）针对编/译码：编码信道（包括调制信道和调制解调器）通信系统框图（注意：此图为数字通信框图）信源加密器编码器调制器发射机传输媒质接收机解调器译码器解密器信宿噪声源调制信道编码信道离散/数字信道：输入输出为离散/数字信号（如数字通信中的编码信道）连续/模拟信道：输入输出为连续/模拟信号（如调制信道）恒参信道：信道性质不随时间变化或变化很缓慢（所有有线信道：明线、电缆、光纤；部分无线信道：微波中继、卫星中继）随参信道：信道性质随时间而随机变化（无线信道：电离层反射、对流层散射、移动通信多径信道）4.3.1调制信道的数学模型连续信道模型可用下面算式进行描述（以单输入、单输出为例）连续信道主要性质大多数为线性信道，即具有叠加性输出信号相对于输入信号有时延和损耗信道中有噪声时延和损耗是恒定的（与时间无关）则为恒参信道，否则为随参信道()()()oiietfetntktetnt调制信道模型ei（t）f[.]eo(t)=f[ei(t)]+n(t)n(t)ei(t)：模拟信号或数字信号；f[·]：线性失真，非线性失真，损耗，时变损耗等。工程上应是非线性失真n(t)：加性噪声，与ei(t)无关。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。恒参信道时不变线性网络，或者信道的特性随时间的变化极慢极小随参信道的三个特点损耗随时间随机变化时延随时间随机变化多径传播：接收信号由发射信号经不同路径传播的多个信号在接收端叠加而成。4.3.2编码信道的数学模型离散信道模型用输入与输出的离散信号的转移概率（条件概率）描述P(0|0)P(0|1)P(1|0)P(1|1)001100112233离散信道模型对称编码信道有/无记忆编码信道编码信道中当前码元的转移概率与前后码元的取值有关/无关二进制无记忆对称编码信道是最简单的编码信道注意：噪声的影响寓于转移概率之中1|00|1PP二进制编码信道4.4信道特性对信号传输的影响4.4.1恒参信道特性及其对信号传输的影响一、特性恒参信道：非时变线性网络ei（t）h(t)eo(t)=ei(t)*h(t)+n(t)n(t)()()htFH对于理想信道：（1）H(w)=k用群迟延频率特性来描述相频特性：τ(w)=dΨ(w)/dw，当（2）τ(w)=-td时，无相频畸变。∣H(w)∣≠k(常数)，产生频率失真。线性失真，可以用一个线性网络进行补偿。Ψ(w)≠-wtd，产生相位失真。也是线性失真，可以用线性网络进行补偿。工程设计时，应使∣H(ω)∣畸变范围及τ(ω)误差范围符合要求。)(Hf0BPF频率特性)(f二、对信号传输的影响ei（t）h(t)eo(t)=ei(t)*h(t)+n(t)n(t)1．模拟信号∣H(ω)∣≠k，使模拟信号失真，解调后基带信号失真。τ(ω)=-td，对语音信号影响不大(耳朵对相位不敏感)，仅对视频信号影响大。1．数字信号H(ω)不理想，可能造成码间串扰、误码。例：2ASK系统，设带宽无限大，对信号传输无影响。调制器调制信道检波判决2ASKSi(t)r(t)mo(t)m(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收、发滤波器合理设计，可使码间串扰为零。三、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类无畸变。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4.4.2随参信道特性及其对信号传输的影响一、特性随参信道：时变传输特点：信号的传输衰减随时间变化信号的传输时延随时间变化信号经过多条路径到达接收端，并且每条路径的衰减和时延都随时间变化。（多径效应）ABabcd收发无线共同照射区a、b、c、d散射体，由小气团组成，每个小气团都是一个二次辐射源，它们组成一个散射体。二、对信号传输的影响1．发射单频信号Acosωt，瑞利衰落、频率弥散。接收信号经n条路径传输到接收端，则接受信号可以表示为)m...,2,1i(])t(t[cos)t(u)t(kioi01010011()()cos[()]()cos[()]()cos()cos()sin()sinniiiniiinniiiiiiRttttttttttttt0()i()i()()iiiitttt是第条路径到达的接受信号振幅；是第条路径到达的信号的时延；1100022()()cos()()()sin()()()cos()sin()cos[()]()()(),()()arctan,()nciiinsiiicscsscXtttXtttRtXttXttVtttVtXtXtXttXt设其中：是接受信号的包络是接受信号的相位由于ui(t)及ψi(t)是缓慢变化的(相对于信号角频率ω0周期相比），因此Xc(t)、Xs(t)、ψ(t)、V(t)也是缓慢变化的，于是R(t)可视为一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号。衰落（fading）：信号包络因为传播而有了起伏的现象。多径效应下，发射单频信号：tR(t)f0时域：瑞利衰落（快衰落）频域：频率弥散快衰落：多径传播使得信号包络产生的起伏远小于发送信号周期，但是仍可能是秒或者秒以下的数量级，所以常常将多径效应引起的衰落称为快衰落。慢衰落：没有多径效应时，仅有一条无线路径传播时所引起的衰落称为慢衰落。2．发射频带信号，频率选择性衰落。以两路径为例，且衰减是恒定的；f(t)V0V0延迟t0延迟t0+V0f(t-t0)+V0f(t-t0-)0000222020()(1)()2cos()2jtjjjjjtjjtHVeeVeeeeVee•τ是变化的，故传输特性零点、极点是变化的。•设最大迟延为τm，则相对带宽Δf=1/τm。•当信号带宽BΔf时，R(t)波形一定有畸变。•当信号带宽BΔf时，R(t)时强时弱，与发射单频信号时现象相似。•为了不引起明显的选者性衰弱，B应小于Δf且采用分集接收等技术使信号稳定。021123)2cos(2)(Hf三、克服措施一．分集接收技术分别接收若干个独立的携带同一信息的信号，并将它们合并在一起，因这些信号不可能同时被衰减掉，因而可改善随参信道的传输特性。二．扩频技术扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)简称扩频通信。扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。香农(Shannon)在信息论的研究中指出：如果信息传输速率C不变，则带宽W和信噪比P/N是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。4.5信道中的噪声一、分类按照来源分类•人为噪声：电钻产生的电火花等•