信道的定义及分类(精)

CommunicationTheory1第二章信道信道的定义及分类信道数学模型恒参信道举例恒参信道特性及其对信号传输的影响随参信道举例随参信道特性及其对号传输的影响随参信道特性的改善信道的加性噪声小结CommunicationTheory2信道是通信系统必不可少的组成部分，信道的特性将直接影响到系统的总特性。恒参信道调制信道随参信道广义信道有记忆信道信道编码信道无记忆信道无线信道狭义信道有线信道2.1信道的定义及分类CommunicationTheory3狭义信道：发射端和接收端之间传输媒质的总称，是任何一个通信系统不可或缺的组成部分。按传输媒质的不同，狭义信道又可分为有线信道与无线信道两类。广义信道：除包括传输媒质外，还包括有关的变换装置(如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等)。CommunicationTheory4广义信道按照它包含的功能，可以划分为：调制信道：调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调信号进行某种变换。编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。CommunicationTheory5调制器解调器收转换器发转换器媒质调制信道编码信道编码器输出译码器输入调制信道与编码信道CommunicationTheory62.2信道数学模型一、调制信道调制信道的共性有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端；绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理；信号通过信道具有一定的迟延时间，而且它还会受到(固定的或时变的)损耗；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)。CommunicationTheory7调制信道的模型时变线性网络时变线性网络m对输入Si(t)So(t)Si1(t)Si2(t)Sim(t)So1(t)So2(t)Som(t)二对端网络多对端网络CommunicationTheory8对于二对端的信道模型，其输出与输入的关系应该有其中，为输入的已调信号；为信道总输出波形；为加性噪声/干扰，且与相互独立。表示已调信号通过网络所发生的(时变)线性变换。若设，则有oistfstnt()iSt()oSt()nt()iStifst()()iifstktsttntstktsio)()(CommunicationTheory9加性干扰乘性干扰通常乘性干扰是一个复杂的函数，包括各种线性畸变、非线性畸变，同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，往往用随机过程来表述。在分析乘性干扰时，可以把信道粗略分为两大类：恒参信道：不随时间变化或基本不变化；随参信道：是随机快变化的。nt()kt()kt()kt调制信道对信号的影响CommunicationTheory10对信号的影响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列；一般把编码信道则看成是一种数字信道；编码信道模型可以用数字的转移概率来描述；可分为有记忆编码信道和无记忆编码信道。二、编码信道CommunicationTheory11编码信道的转移概率模型中，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称为信道转移概率。以P(1/0)为例，其含义是“经信道传输，把0转移为1的概率”。CommunicationTheory122.3恒参信道举例恒参信道：对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的；架空明线和电缆、中长波地波传播、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等信道是恒参信道。CommunicationTheory131、有线电信道及其特性明线：平行而相互绝缘的架空裸线线路。传输损耗低；易受气候和天气的影响；对外界噪声干扰敏感。对称电缆：同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质；导线材料是铝或铜，直径为0.4～1.4mm；为减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状；由于这些结构上的特点，电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定。明线对称电缆（双绞线）CommunicationTheory14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(金属丝网)，内导体是金属线(芯线)，中间填充着介质；外导体接地，起屏蔽作用，外界噪声很少进入其内部。CommunicationTheory152、光纤信道及其基本特性定义：光导纤维(简称光纤)为传输媒质、光波为载波的光纤信道；特点：损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰等优点；组成：光源、光纤线路及光电探测器等三个部分光源是光载波发生器，广泛应用半导体发光二极管(LED)或激光二极管(LD)做光源；在接收端是一个直接检波式的光探测器，常用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；中继器有两种类型：直接中继器和间接中继器。在数字光纤信道中，为了减小失真以及防止噪声的积累，每隔一定距离需加入再生中继器。CommunicationTheory16单模光纤：当光纤中只能传输一种光波的模式；由于光波波长极短，传光特性较好；但是光纤的芯径极小、截面尺寸小，在制造、耦合和连接上都比较困难；多模光纤：光纤中能传输的模式不止一个；多模光纤的截面尺寸较大，在制造、耦合和连接上都比单模光纤容易。分类CommunicationTheory17光纤信道的技术参数：损耗（是光纤能实现远距离传输的前提）；色散（是指信号的群速度随频率或模式不同而引起的信号失真这种物理现象）。光纤信道的简化方框图光源基带处理基带处理光探测器光纤线路光调制器基带电信号基带电信号调制电信号解调电信号已调光信号CommunicationTheory183、无线电视距中继信道定义：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的无线电线路；相邻中继站间距离一般在40～50km；适用场合：长途干线、移动通信网及某些数据收集(如水文、气象数据的测报)系统中；组成：终端站、中继站及各站间的电波传播路径；特点：传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，以及和同轴电缆相比，可以节省有色金属等优点。CommunicationTheory19无线电中继信道的构成CommunicationTheory204、卫星中继信道及其基本特性定义：无线电中继信道的一种特殊形式；同步通信卫星：轨道在赤道平面上的人造卫星，当它离地面高度为35860km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时，采用三个适当配置的同步卫星中继站就可以覆盖全球(除两极盲区外)；具有传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大等突出的优点；组成：由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成；上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径，而信道设备集中于地球站与卫星中继站中。CommunicationTheory21卫星中继信道的概貌CommunicationTheory222.4恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号的影响是确定的或者是变化极其缓慢的，可以等效为一个非时变的线性网络。网络的传输特性可用幅度－频率特性及相位－频率特性来表征。设网络的传输函数为其中，是幅频特性，为相频特性。jHAeA()CommunicationTheory23幅度—频率畸变举例有线电音频信道的带宽为300Hz～3400Hz，其幅度－频率畸变是由幅度－频率特性的不理想所引起的，低频端截止频率约在300Hz以下，每倍频程衰耗升高15～25db，在300～1100Hz范围内衰耗比较平坦，在1100～2900Hz之间，衰耗通常是线性上升的，在2900Hz以上，衰耗增加很快，每倍频程增加80～90db。CommunicationTheory24典型音频电话信道的相对衰耗CommunicationTheory25影响：不均匀衰耗使传输信号的幅度随频率发生畸变，引起信号波形的失真；传输数字信号，还会引起相邻码元波形在时间上的相互重叠，造成码间串扰。抑制措施：为了减小幅度—频率畸变，在设计总的电话信道传输特性时，一般都要求把幅度—频率畸变控制在一个允许的范围内；即通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦，这一措施通常称之为“均衡”；在载波电话信道上传输数字信号时，通常要采取均衡措施。CommunicationTheory26相位－频率畸变相位一频率畸变：相位－频率特性偏离线性关系所引起的畸变。生成原因举例：电话信道的相位－频率畸变主要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；特点：相频畸变对模拟话音通信影响并不显著，这是因为人耳对相频畸变不太灵敏；但对数字信号传输却不然，尤其当传输速率高时，相频畸变会引起严重的码间串优，造成误码。CommunicationTheory27群迟延－频率特性定义：相位－频率特性对频率的导数，若相位－频率特性为，则若呈线性关系，那么曲线将是一条水平直线，如下图所示。此时信号的不同频率成分将有相同的群迟延，因而信号经过传输后不会发生畸变；dd00kk00kk理想的相位-频率特性及群时延-频率特性CommunicationTheory28实际的信道特性总是偏离理想的相位—频率特性及群时延-频率特性，下图给出一个典型的电话信道的群迟延－频率特性。CommunicationTheory29举例：当非单一频率的信号通过该信道时，信号频谱中的不同频率分量将有不同的群迟延，即它们到达的时间不一样，从而引起信号的畸变。图(a)是待发送的原信号，由基波和三次谐波组成，幅度比为2：1；经受不同的迟延，基波相移π，三次谐波相移2π，合成波形与原信号的波形有了明显的差别。CommunicationTheory30恒参信道特性对信号传输的其它影响非线性畸变：由信道中元器件的振幅特性非线性引起的，造成谐波失真及若干寄生频率等；频率偏移：由信道中接收端解调载频与发送端调制载频之间偏差造成的；相位抖动：由调制和解调载频不稳定造成的，相位抖动相当在发送信号上附加一个小指数的调频。CommunicationTheory312.5随参信道举例1、短波电离层反射信道短波的定义：波长为100～10m(相应的频率为3～30MHz)的无线电波；短波信道：既可沿地表面传播，也可由电离层反射传播；地波传播：一般是近距离的，限于几十公里范围；天波传播：借助于电离层的一次反射或多次反射可传输几千公里，乃至上万公里的距离；CommunicationTheory32电离层的相关知识：离地面高60～600km的大气层称为电离层，是短波通信的主要路径；电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成的；形成电离层的主要原因是太阳辐射的紫外线和x射线；信号经电离层一次反射的最大传输距离约为4000km；如果通过两次反射，那么通信距离可达8000km。CommunicationTheory33短波信道电离层反射传播CommunicationTheory34天波通信频率的选取：为实现短波通信，在选用工作频率时要考虑两点：工作频率应小于最高可用频率、选用频率的电磁波在电离层的吸收较小；天波通信中的多径传输：由电波经电离层的一次反射和多次反射以及反射层高度不同等原因引起的；天波通信的特点：优点很明显，要求的功率较小，终端设备的成本较低，传播距离远，受地形限制较小，以及不易受到人为破坏；因此短波电离层反射信道现在仍然是远距离传输的重要信道之一。CommunicationTheory35对流层散射信道：一种超视距的传播信道，其一跳的传播距离约为100～500km，可工作在超短波和微波波段。对流层简介：离地面10～12km以下的大气层。在对流层中，由于大气湍流运动等原因产生了不均匀性