西电《通信原理》课件--第三章

西安电子科技大学第三章第三章信道与噪声第三章西安电子科技大学2内容提要§3.1信道分类§3.2信道模型§3.3恒参信道的特性及其对信号传输的影响§3.4随参信道的特性及其对信号传输的影响§3.5信道加性噪声§3.6信道容量作业：1、2、4、6、12、13、16、19、20西安电子科技大学第三章§3.1信道分类返回第三章西安电子科技大学4一、狭义信道——信号的物理传输媒质。①有线信道（有形而看得见，摸得着）双绞线，光纤，同轴电缆，对称电缆，等。②无线信道（无形而看不见，摸不着）地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道，等。第三章西安电子科技大学5二、广义信道广义信道——信号的传输通道（传输系统）广义信道除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变换装置这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。这相当于在狭义信道的基础上，扩大了信道的范围。它的引入主要是从研究信息传输的角度出发，使通信系统的一些基本问题研究比较方便。第三章西安电子科技大学6广义信道分类狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道。调制信道——当研究调制与解调问题时，我们所关心的是调制器输出的信号形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而并不关心信号的中间变换过程。编码信道——如果研究编码与译码问题时采用编码信道，会使问题的分析更容易。第三章西安电子科技大学7调制信道和编码信道编码器输入调制器发转换器信道收转换器解调器译码器输出编码信道调制信道西安电子科技大学第三章§3.2信道模型返回第三章西安电子科技大学9一、调制信道模型调制信道的共性：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，即满足线性叠加原理；信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。模型——线性时变网络线性时变网络si(t)so(t)第三章西安电子科技大学10二、调制信道的输入与输出二对端的调制信道模型，其输出与输入的关系有反映了信道特性，不同的物理信道具有不同的特性。)()]([)()()(0tntsftntstri输入的已调信号调制信道对输入信号的响应输出波形加性噪声)]([tsfi()()()[()]oiistctstfst()()()oiSCS乘性干扰，与信号共存共失加性干扰，始终存在第三章西安电子科技大学11三、调制信道分类通常信道特性是一个复杂的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等。根据信道传输函数的时变特性可以将调制信道分为两大类：恒参信道——基本不随时间变化，信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的随参信道——传输函数随时间随机快变化在常用物理信道中，的特性有三种典型形式。)(C)(C)(C)(C第三章西安电子科技大学12加性高斯噪声信道第一种形式是常数，或在信号频带范围之内是常数。这种信道可以用加性噪声信道数学模型来表示)()()()()(0tntcstntstri+)(tn)(tsi)()()(0tntcstsicH)(信道第三章西安电子科技大学13带有加性噪声的线性滤波器信道第二种形式在信号频带范围之内不是常数，但不随时间变化。这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性滤波器)(C)()()()()()(0tntstctntstri+)(tn)(tsi)()()()(0tntstctsi线性滤波器)(tc信道第三章西安电子科技大学14带有加性噪声的线性时变滤波器第三种形式随时间变化如电离层反射信道、移动通信信道都具有这种特性。这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性时变滤波器，信道特性可以表征为时变单位冲激响应。+)(tn)(tsi)()(),()(0tntstctsi线性时变滤波器),(tc信道)(C0()()()()(()),icrtstntstntt第三章西安电子科技大学15四、编码信道模型编码信道包括调制信道、调制器和解调器，它与调制信道模型有明显的不同，是一种数字信道或离散信道。编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。第三章西安电子科技大学16二进制编码信道模型P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01输出总的错误概率为：)1/0()1()0/1()0(PPPPPe第三章西安电子科技大学17由于信道噪声或其它因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无记忆编码信道。根据无记忆编码信道的性质可以得到1)0/1()0/0(PP1)1/0()1/1(PP西安电子科技大学第三章§3.3恒参信道的特性及其对信号传输的影响返回第三章西安电子科技大学19恒参信道的信道特性不随时间变化或变化很缓慢。信道特性主要由传输媒质所决定。如果传输媒质是基本不随时间变化的，所构成的广义信道通常属于恒参信道；如果传输媒质随时间随机快变化，则构成的广义信道通常属于随参信道。第三章西安电子科技大学20一、恒参信道举例对称电缆（双绞线）为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状既可用于模拟传输，也可用于数据传输带宽依赖于线的粗细和传输距离无屏蔽双绞线(UTP)屏蔽双绞线(STP):以箔屏蔽来减少干扰第三章西安电子科技大学21同轴电缆基带同轴电缆：50Ω，为数据通信传输基带数字信号，局域网中广泛使用10Mb/s,1km宽带同轴电缆：75Ω，多用于CATV系统，传送频分复用的模拟信号6MHz/300~400MHz，100km单向放大器第三章西安电子科技大学22光纤纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载信息光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器光纤的特点传送速率高，通信容量大(25~30THz带宽/波段)。目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；8×2.5Gbps，8×10Gbps，32×10Gbps系统已经实用传输损耗小(0.2dB/km)，适合长距离传输抗干扰性能好，保密性好轻便连接困难第三章西安电子科技大学23微波中继在自由空间沿视距传输。两点间的传输距离一般为30km~50km，当长距离通信时，需要在中间建立多个中继站微波中继信道具有传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金属、投资少、维护方便等优点。应用：长距离传输话音和电视信号；第三章西安电子科技大学24卫星中继卫星中继信道是利用人造卫星作为中继站构成的通信信道。若卫星运行轨道在赤道平面、离地面高度为35780km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时与地球自转同步，这种卫星称为静止卫星。不在静止轨道运行的卫星称为移动卫星。若以静止卫星作为中继站，采用三个相差1200的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外)，若采用中、低轨道移动卫星，则需要多颗卫星覆盖地球。所需卫星的个数与卫星轨道高度有关，轨道越低所需卫星数越多。卫星中继信道的主要特点是通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、覆盖区域广等突出的优点。另外，由于卫星轨道离地面较远，信号衰减大，电波往返所需要的时间较长。卫星中继信道主要用来传输多路电话、电视和数据。第三章西安电子科技大学25第三章西安电子科技大学26二、恒参信道特性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，其传输特性可以等效为一个线性时不变网络。线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特性来表征。理想恒参信道特性0)(KH0()dtjHeK时间延迟传输系数dt)(dtdd)()(第三章西安电子科技大学27理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延-频率特性OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)第三章西安电子科技大学28理想恒参信道的冲激响应为若输入信号为，则理想恒参信道的输出为理想恒参信道对信号传输的影响是对信号在幅度上产生固定的衰减；对信号在时间上产生固定的迟延。——这种情况也称信号是无失真传输。整个频率范围其幅频特性为常数(或在信号频带范围之内为常数)，其相频特性为的线性函数)()(0dttKth)(ts)()(0dttsKtr第三章西安电子科技大学29三、幅频失真如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生幅度-频率失真幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的，这种失真又称为频率失真，属于线性失真。信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰。第三章西安电子科技大学30典型音频电话信道的幅度衰减特性第三章西安电子科技大学31四、相位-频率失真当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道的信号产生相位-频率失真，属于线性失真。在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此相频失真对模拟话音传输影响不明显。如果传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰，特别当传输速率较高时，相频失真会引起严重的码间干扰，使误码率性能降低。第三章西安电子科技大学32典型电话信道相频特性和群迟延频率特性()O理想特性(b)()O理想特性(a)西安电子科技大学第三章§3.4随参信道的特性及其对信号传输的影响返回第三章西安电子科技大学34一、随参信道举例随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。随参信道举例陆地移动信道短波电离层反射信道超短波流星余迹散射信道超短波及微波对流层散射信道超短波电离层散射超短波超视距绕射……第三章西安电子科技大学35一、随参信道举例自由空间传播接收天线输出功率归一化，GT=GR=1时自由空间传播损耗24dGGPPRTTR24dPPTR24dPPLRTfs第三章西安电子科技大学36一、随参信道举例自由空间传播损耗第三章西安电子科技大学37陆地移动信道陆地移动通信工作频段主要在VHF和UHF频段，电波传播特点是以直射波为主。但是，由于城市建筑群和其他地形地物的影响，电波在传播过程中会产生反射波、散射波以及它们的合成波，电波传输环境较为复杂，因此移动信道是典型的随参信道。移动信道的传播路径hbd2dd1hm第三章西安电子科技大学38短波电离层反射信道电离层厚度有数百千米，可分为D、E、F1和F2四层，如图所示。由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离层反射信道也是随参信道。在白天，由于太阳辐射强，所以D、E、F1和F2四层都存在。在夜晚，由于太阳辐射减弱，D层和F1层几乎完全消失，因此只有E层和F2层存在。由于D、E层电子密度小，不能形成反射条件，所以短波电波不会被反射。D、E层对电波传输的影响主要是吸收电波，使电波能量损耗。F2层是反射层，其高度为250~300km，所以一次反射的最大距离约为4000km。第三章西安电子科技大学39电离层结构示意图0FFED300kmAB地球FBA地球反射点第三章西安电子科技大学40短波电离层反射信道最高可用频率：是指当电波以角入射时，能从电离层反射的最高频率，可表示为时能从电离层反射的最高频率称为临界频率。在白天，电离层较厚，F2层的电子密度较大，最高可用频率较高。在夜晚，电离层较薄，F2层的电子密度较小，最高可用频率要比白天低。00se