通信原理课件 第3章 信道

通信原理信道1第3章信道本章教学目的：了解各种实际信道、信道的数学模型和信道容量的概念。说明：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。它与发送设备、接收设备一起组成通信系统。没有信道，通信就无法进行；信道的好坏直接影响通信的质量。因此，有必要研究信道，根据信道的特点，正确地选用信道，合理地设计收发信设备，使通信系统达到最佳。通信原理信道2第3章信道本章的讨论思路：通过介绍实际信道的例子，在此基础上归纳信道的特性阐述信道的数学模型，最后简介了信道容量的概念。要求：注重了解各种实际信道的特点，掌握信道的数学模型，简单运用信道容量公式解决实际问题。通信原理信道3第3章的主要内容3.1恒参信道3.2随参信道3.3信道特性及其数学模型3.4信道容量的概念通信原理信道43.1恒参信道恒参信道：信道特性主要由传输媒质决定，如果传输媒质特性基本不随时间变化，所构成的信道称为恒参信道。随参信道：如果传输媒质特性随时间随机快变化，则构成的信道通常称为随参信道。有线电信道：1．对称电缆2．同轴电缆微波中继信道：构成；频率配置卫星中继信道返回通信原理信道53.1.1有线电信道1．对称电缆（对称电缆结构图）返回通信原理信道63.1.1有线电信道2．同轴电缆同轴电缆结构图返回通信原理信道73.1.2微波中继信道微波中继信道的构成返回通信原理信道83.1.2微波中继信道二频制或四频制频率配置方式（a）四频制（b）二频制1站4站3站2站1f1f2f3f4f3f1站4站3站2站1f1f2f2f2f1f返回通信原理信道93.1.3卫星中继信道卫星中继信道示意图返回通信原理信道103.2随参信道3.2.1陆地移动信道1.自由空间传播2．反射波与散射波3．折射波3.2.2短波电离层反射信道1.概述2.电离层结构示意图3.多径形式示意图返回通信原理信道113.2随参信道3.2.1陆地移动信道1.自由空间传播移动信道中自由空间传播损耗返回通信原理信道123.2.1陆地移动信道2．反射波与散射波移动信道的传播路径和平滑表面反射返回通信原理信道133.2.1陆地移动信道3．折射波电波折射示意图返回通信原理信道143.2.2短波电离层反射信道说明：短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离层，或电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信道。电离层离地面60～600km。当频率范围为3～30MHz（波长为10～100m）的短波（或称为高频）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。返回通信原理信道153.2.2短波电离层反射信道电离层结构示意图返回通信原理信道163.2.2短波电离层反射信道多径形式示意图返回通信原理信道173.3信道特性及其数学模型3.3.1恒参信道特性及其数学模型说明：恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。因此，可以等效为一个非时变的线性网络。1．理想恒参信道特性设输入信号为si(t)，则无失真传输时，要求信道的输出信号通信原理信道183.3.1恒参信道特性及其数学模型式中：K0为传输系数，它可以表示放大或衰减一个固定值；td为时间延迟，表示输出信号滞后输入信号一个固定的时间。频域)()(00dittsKts)()(00itjSeKSd通信原理信道193.3.1恒参信道特性及其数学模型信道的传输函数为信道的幅频特性相频特性0djtHKe0HKdt通信原理信道203.3.1恒参信道特性及其数学模型理想恒参信道的群迟延——频率特性ddtd通信原理信道213.3.1恒参信道特性及其数学模型2．幅度——频率失真典型音频电话信道的幅频特性、相频特性和群迟延频率特性（a）幅频特性通信原理信道223.3.1恒参信道特性及其数学模型（b）相频特性；（c）群迟延频率特性3．相位——频率失真通信原理信道233.3.1恒参信道特性及其数学模型4．具有加性（高斯）噪声的恒参信道数学模型（1）加性噪声信道X+信道()st()nt()()()rtstnt通信原理信道243.3.1恒参信道特性及其数学模型（2）具有加性噪声的线性滤波信道+信道()st()nt()()()()rtsthtnt()ht线性滤波器通信原理信道253.3.2随参信道特性及其数学模型说明：随参信道的传输媒质具有以下三个共同特点。（l）对信号的衰耗随时间随机变化；（2）信号传输的时延随时间随机变化；（3）多径传播。1．多径衰落与频率弥散通信原理信道263.3.2随参信道特性及其数学模型（1）多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；（2）从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。当在多径信道中传输数字信号时，信号衰落会引起突发错误，对通信造成严重的危害。在数字通信中，通常采用交织编译码技术（参见第8章）来减轻这种危害。动画演示通信原理信道273.3.2随参信道特性及其数学模型2．频率选择性衰落与相关带宽图3-17多径传播的路径有两条的信道模型动画演示通信原理信道283.3.2随参信道特性及其数学模型3．时变线性滤波信道模型+信道()st()nt()()(;)()rtsthtnt(;)ht线性时变滤波器返回通信原理信道293.4信道容量的概念信道容量：是指信道中信息无差错传输的最大速率。说明：本节介绍调制信道（或称波形信道，它是指从发射机调制器输出端到接收机解调器输入端，这两点之间的信道）的信道容量。通信原理信道303.4信道容量的概念1．香农公式设信道带宽为B（Hz），信道输出信号功率为S（W），输出加性高斯噪声功率为N（W），则可以证明该信道的信道容量为bit/s2log(1)SCBN通信原理信道313.4信道容量的概念由香农公式可得以下结论：（1）增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即20limlimlog1SSSCBnB通信原理信道323.4信道容量的概念（2）减小噪声功率N（或减小噪声功率谱密度n0）可以增加信道容量，若噪声功率趋于零（或噪声功率谱密度趋于零），则信道容量趋于无穷大，即200limlimlog1NNSCBN通信原理信道333.4信道容量的概念（3）增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为022000limlimlog1limlog1BBBnBSSSCBnBnSnB200log1.44SSenn通信原理信道343.4信道容量的概念上式表明，保持S/n0一定，即使信道带宽B，信道容量C也是有限的，这是因为信道带宽B时，噪声功率N也趋于无穷大。2．香农公式的应用由香农公式可以看出：对于一定的信道容量C来说，信道带宽B、信号噪声功率比S／N及传输时间三者之间可以互相转换。若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。如果信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少，等等。返回通信原理信道35本章小结一、主要内容3.1恒参信道3.2随参信道3.3信道特性及其数学模型3.4信道容量的概念通信原理信道36本章小结二、几点说明1、信道是信号传输的通道。所以研究信道，根据信道的特性设计更加合理有效的发信设备和接收设备，对提高通信的质量（有效性和可靠性）非常重要。通信原理信道37本章小结2、本章在对常遇到的实际信道进行介绍的基础上，把实际信道归纳为两种比较简单的具有代表意义的信道数学模型，其一是具有加性噪声的线性滤波信道；其二是具有加性噪声的时变线性滤波信道。它们在我们分析和设计通信系统时都非常重要，本书仅仅应用第一种信道模型讨论设计通信系统的有关问题（如：第5章中），关于应用第二种信道模型设计分析通信系统的问题，读者可参阅有关文献[2]。返回