桂电―电子信息工程-通信原理 第4章 信道

1通信原理电子教案第4章信道与噪声桂林电子科技大学信息与通信学院2015.42015-4-142第4章信道与噪声通信原理通信原理第4章信道与噪声任何一个通信系统，从大的方面均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成。因此，信道是通信系统必不可少的组成部分，信道特性的好坏直接影响通信系统的总特性。研究内容：4.1信道的基本概念及分类4.2恒参信道及其对所传信号的影响4.34.3随参信道及其对所传信号的影响随参信道及其对所传信号的影响4.4信道的加性噪声4.5信道容量的概念2015-4-143第4章信道与噪声通信原理通信原理4.1信道的基本概念及分类4.1.14.1.1信道的定义及分类信道的定义及分类通俗地说，信道是指以传输媒介为基础的信号通路;具体地说，信道是由有线或/和无线电线路提供的信号通路；抽象地讲，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。常用的传输媒质（狭义信道）：（（11）有线信道）有线信道：架空明线、电缆、光导纤维(光缆)、波导传播；（（22）无线信道）无线信道：中长波地表波传播、短波电离层反射、对流层散射、超短波及微波视距传播(含卫星中继)、光波视距传播。2015-4-144第4章信道与噪声通信原理通信原理4.1.24.1.2、无线信道、无线信道1.电磁波的发射和接收均要用天线因天线尺寸的要求，通信频率都较高。频率使用规划和管理★国际电信联盟（ITU）定期召开世界无线电通信大会WRC（TheWorldRadio-communicationConference），制定频率使用国际协议。★我国：信息产业部无线电管理局。22015-4-145第4章信道与噪声通信原理通信原理1.4信道光通信系统光通信系统0.40.4～～0.10.1μμmm紫外紫外750750～～3000THz3000THz光通信系统光通信系统0.70.7～～0.40.4μμmm可见光可见光430430～～750THz750THz光通信系统光通信系统77～～0.70.7μμmm红外红外4343～～430THz430THz未划分，实验用未划分，实验用11～～0.1mm0.1mm亚毫米波亚毫米波300G300G～～3THz3THz射电天文、雷达、微波接力、移动通信、铁路业务射电天文、雷达、微波接力、移动通信、铁路业务1010～～1mm1mm极高频极高频EHFEHF3030～～300GHz300GHz卫星和空间通信、微波接力、雷达、移动通信卫星和空间通信、微波接力、雷达、移动通信1010～～1cm1cm超高频超高频SHFSHF33～～30GHz30GHz电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、移动通信、导航、电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、移动通信、导航、GPSGPS101022～～10cm10cm特高频特高频UHFUHF0.30.3～～3GHz3GHz电视、调频广播、移动通信、导航、空中管制电视、调频广播、移动通信、导航、空中管制1010～～1m1m甚高频甚高频VHFVHF3030～～300MHz300MHz国际定点通信、军用通信、广播、业余无线电、电报、传真国际定点通信、军用通信、广播、业余无线电、电报、传真101022～～10m10m高频高频HFHF33～～30MHz30MHz广播、业余无线电、海事通信广播、业余无线电、海事通信101033～～101022mm中频中频MFMF00．．33～～3MHz3MHz导航、水下通信、无线电信标导航、水下通信、无线电信标1010～～1km1km低频低频LFLF3030～～300kHz300kHz导航、电话、电报、水下通信导航、电话、电报、水下通信101022～～10km10km甚低频甚低频VLFVLF33～～30kHz30kHz数据终端、有线通信数据终端、有线通信101033～～101022kmkm特低频特低频ULFULF0.30.3～～3kHz3kHz海底通信、电报海底通信、电报101044～～101033kmkm超低频超低频SLFSLF3030～～300Hz300Hz远程导航、水下通信远程导航、水下通信101033～～101022kmkm极低频极低频ELFELF33～～30Hz30Hz典型应用典型应用波长波长名称名称频率范围频率范围2015-4-146第4章信道与噪声通信原理通信原理根据通信距离、频率和位置的不同：地波传播天波传播视线传播4.1.24.1.2无线信道无线信道2.电磁波的传播2015-4-147第4章信道与噪声通信原理通信原理（（11））地波传播地波传播★频率：2MHz以下，有一定的绕射能力★绕射：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具有的能力★通信距离：可达数百～数千km地面接收天线接收天线发射天线传播路径传播路径2015-4-148第4章信道与噪声通信原理通信原理（（22）天波传播）天波传播★频率：2～30MHz★电离层反射：★通信距离：单次可达4000km，多次可达10000km地面接收天线接收天线发射天线信号传播路径信号传播路径电离层电离层32015-4-149第4章信道与噪声通信原理通信原理★电离层：60-400kmD层：高60-80kmE层：高100-120kmF层：高150-400kmF1层：140-200kmF2层：250-400km晚上：D层、F1层消失；E层、F2层减弱反射高频电磁波的主要是FF层层DDEEFFFF22FF11地地面面返回2015-4-1410第4章信道与噪声通信原理通信原理（（33））视线传播视线传播★频率：30MHz以上★类似光波做视线传播（将穿透电离层）★天线高度h与传播距离D(=2d)的关系：D2=8rh≈50h（r为地球的等效半径）地面接收天线接收天线发射天线信号传播信号传播hdrDd2015-4-1411第4章信道与噪声通信原理通信原理★采用无线电中继无线电中继，实现远程通信远程通信。若天线架设高度为50m，则视线距离约为50km。即视距传输距离有限，需中继中继。地面接收天线接收天线传播路径传播路径发射天线（（33））视线传播视线传播2015-4-1412第4章信道与噪声通信原理通信原理转发站（基站）转发站（基站）：－－人造卫星：3颗静止卫星（卫星通信系统），目前广泛应用。42015-4-1413第4章信道与噪声通信原理通信原理★高空飞行器间的电磁波传播、太空中人造卫星或宇宙飞船间的电磁波传播，都符合视线传播规律，且不受或少受大气层的影响。电磁波在大气层内传播会衰减：频率越高，衰减越严重；且存在谐振点，应避开。2015-4-1414第4章信道与噪声通信原理通信原理（（44））散射传播散射传播★电离层散射：30～60MHz★对流层散射:100～4000MHz★通信流星余迹:30～100MHz对流层散射通信地球有效散射区域接收接收天线天线发射天线2015-4-1415第4章信道与噪声通信原理通信原理4.1.34.1.3、有线信道、有线信道（（11））明线明线平行架设在电平行架设在电线杆上的架空线杆上的架空线路线路。它是导电裸线或带绝缘层的导线。明线传输损耗低，但易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰较敏感，很难沿一条路径架设大量的成对线2015-4-1416第4章信道与噪声通信原理通信原理（（22））对称电缆：双绞线对称电缆：双绞线是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质。52015-4-1417第4章信道与噪声通信原理通信原理（（22）对称电缆：双绞线）对称电缆：双绞线对称电缆：由许多对双绞线组成。导体绝缘层塑料外皮双绞线（5对）2015-4-1418第4章信道与噪声通信原理通信原理双绞线（双绞线（TwistedTwistedPairwirePairwire））由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，把两根导线按一定密度互相缠绕在一起,可降低信号干扰的程度。双绞线可以分为屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）两大类。其中屏蔽双绞线分别有3类和5类二种，非屏蔽双绞线又分别有3类、4类、5类、超5类四种。（（22））对称电缆：双绞线对称电缆：双绞线2015-4-1419第4章信道与噪声通信原理通信原理（（33）同轴电缆）同轴电缆外层导体（屏蔽层）塑料外皮内层导体绝缘体2015-4-1420第4章信道与噪声通信原理通信原理（（33））同轴电缆同轴电缆基站用射频同轴电缆(50Ω同轴电缆)射频同轴电缆62015-4-1421第4章信道与噪声通信原理通信原理解释：解释：同轴电缆是一种通讯电缆，电缆结构为以实心铜体为芯外包着一层绝缘材料，这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又再覆盖一层保护性材料。常用的同轴电缆有两类：50Ω和75Ω同轴电缆。（（33）同轴电缆）同轴电缆2015-4-1422第4章信道与噪声通信原理通信原理（（44）光纤信道）光纤信道以光纤纤维（简称光纤）为传输媒质，光波为载波的光纤信道，可望提供极大的传输容量。光纤信道的简化框图所示。图光纤信道的一般组成基带电信号基带处理光调制器光纤线路基带处理基带电信号光探测器调制电信号已调光信号光源解调电信号2015-4-1423第4章信道与噪声通信原理通信原理（（44）传输光信号）传输光信号————光纤光纤表面涂层表面涂层包层包层芯区芯区2015-4-1424第4章信道与噪声通信原理通信原理（（44））光纤光纤n1n2折射率折射率n1n22a光纤结构72015-4-1425第4章信道与噪声通信原理通信原理4.2信道的数学模型信道可大体分成：狭义信道和广义信道。1.狭义信道仅指传输媒介，它包括有线信道和无线信道。2.广义信道不但包括传输媒介，还可能包括有关的器件(馈线、天线、调制/解调器、编码/译码器)。通常分成:调制信道和编码信道。调制信道编码信道调制器发转换器媒质收转换器解调器编码器输出译码器输入狭义信道2015-4-1426第4章信道与噪声通信原理通信原理4.24.2信道的数学模型信道的数学模型1.调制信道模型调制信道的范围是从调制器输出端到解调器输入端。（1）定义：传输已调信号的信道。研究的问题：信道输出信号与输入信号之间的关系。（2）通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它们有如下共性:●有一对(或多对)输入端，一对(或多对)输出端;●绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理；●信号通过信道需要一定的迟延时间；●信道对信号有损耗(固定损耗或时变损耗)；●即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出(噪声)。调制信道编码信道调制器发转换器媒质收转换器解调器编码器输出译码器输入狭义信道2015-4-1427第4章信道与噪声通信原理通信原理（3）模型对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间的关系式可表示成：0()[()]()ietfetntf[ei(t)]--表示已调信号通过网络所发生的时变线性变换；n(t)---信道噪声与ei(t)无依赖关系，或者说n(t)独立于ei(t)，常称n(t)为加性干扰（噪声）。2015-4-1428第4章信道与噪声通信原理通信原理)()()()(0tntetktei结论：●这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t)（依赖于网络的特性，只能用随机过程来表示），二是加性干扰n(t)。●不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。●根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：＊恒参信道恒参信道:k(t)~t不变或慢变；＊变参信道（随参信道）:k(t)~t随机快变。进一步简化可以写成0()[()]()ietfetntf[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)82015-4-1429第4章信道与噪声通信原理通信原理2.2.编码信道模型编码信道模型●编码信道构成:从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质－－等效一个完成数字序列变换的方框。●特点：输入、输出皆为数字序列。●研究的问题：是否出现差错；出现差错可能性的大小●模型－－作用描述作用描述：可用数字信号的转移概率来描述。说明：＊P(0/0)、P(1/0)、P(1/1)、P(0/1)称为信道转移概率。＊含义：P(1/0