通信原理――第四章

西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜通信原理（第7版）樊昌信曹丽娜编著信道第4章西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道的定义通信系统中的信道是指发送设备到接收设备之间信号传输的通道，是通信系统的重要组成部分西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道分类信道模型恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声信道容量本章内容:第4章信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜编码器调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器无线信道——自由空间或大气层有线信道——明线、电缆、光纤概述按照传输媒介的不同按照系统模型中研究对象的不同：调制信道——研究调制/解调问题编码信道——研究编码/译码问题信道的定义与分类按照信道中冲击响应是否随时间变化恒参信道——特性参数变化缓慢，视为恒定值随参信道——特性参数随时间变化西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜无线信道§4.1利用电磁波在空间的传播来实现的西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜地面对流层平流层电离层10km60km0km对流层：约0~10km平流层：约10~60km电离层：约60~400km地球大气层的结构：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜地波ground-wave频率：2MHz特性：有绕射能力距离：数百或数千千米用于：调幅（AM）广播天波sky-wave频率：2~30MHz特性：被电离层反射距离：4000km（一次反射距离）用于：远程、短波通信传播路径地波传播方式传播路径天波传播方式无线信道电磁波的传播方式：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜频率：30MHz特性：直线传播、穿透电离层用途：卫星和外太空通信超短波及微波通信距离：与天线高度有关ddh接收天线发射天线传播途径Drr视线传播方式视线传播line-of-sight无线信道D为收发天线间距离(km)设收发天线的架设高度均为40m，则最远通信距离为：D=44.7km)(50822mDrDh例如（1）不能被电离层反射（2）沿地面绕射能力也很小西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜微波中继（微波接力）卫星中继（静止卫星、移动卫星）平流层通信西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜无线信道微波中继西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜无线信道卫星中继地面站地面站地球西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜对流层散射通信地球有效散射区域无线信道散射通信西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜流星余迹无线信道流星余迹散射特性:高度80~120km，长度15~40km存留时间：小于1秒至几分钟频率:30~100MHz距离:1000km以上用途:低速存储、高速突发、断续传输西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜有线信道§4.2利用人造的传导或光信号的媒介来传输信号；e.g.明线对称电缆同轴电缆光纤西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜明线平行架设在电线杆上的架空线路易受天气和外界干扰的影响西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜屏蔽双绞线(STP)（可减少噪声干扰）非屏蔽双绞线(UTP)（便宜、易弯曲、易安装）由多对双绞线组成有线信道对称电缆西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜有线信道同轴电缆信道频带在几百MHz至1GHz左右主要应用：长途通信干线，有线电视等西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜宽带（射频）同轴电缆：75Ω，用于传输模拟信号多用于有线电视（CATV）系统传输距离可达几十千米基带同轴电缆：50Ω，多用于数字基带传输速率可达10Mb/s传输距离几千米有线信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜单模阶跃折射率光纤光纤结构示意图有线信道光纤光作为一种特殊的电磁波，在人造介质（光纤）中传播，实现大容量，高可靠性的通信主要应用：电信网和移动网的骨干网西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜缺点应用优点有线信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道数学模型§4.3按照系统模型中研究对象的不同：调制信道——研究调制/解调问题编码信道——研究编码/译码问题西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜模型：有一对（或多对）输入端和输出端大多数信道都满足线性叠加原理对信号有固定或时变的延迟和损耗无信号输入时，仍可能有输出（噪声）共性：叠加有噪声的线性时变/时不变网络：基本模型：§4.3.1调制信道模型编码器调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器调制信道()()()(,)iStrtntht：发送信号：接收信号：加性高斯白噪声：信道的冲激响应西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信号输入输出关系：()()()orttsnto(,)())(isttstho(()())iHSS时域表达式：频域表达式：傅里叶变换特性，卷积→乘积加性噪声始终存在调制信道对信号的影响程度取决于H()与n(t)的特性导致的结果：会使信号产生失真、延时和衰落西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜调制信道分为：（依据冲激响应随时间变化的情况）恒参信道——信道的冲激响应随时间变化缓慢，或者不变（等效为线性是不变滤波器）随参信道——信道的冲激响应随时间较快变化（等效为线性时变率滤波器）不同的物理信道具有不同的特性H()=常数（可取1）加性高斯白噪声信道模型即：描述通信信号只有加性噪声影响的实际物理信道，是一种理想信道()()()irtstnt若恒参信道，随参信道的特性不理想，会影响信号的无失真传输西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜§4.3.2编码信道模型编码信道是一种数字信道或离散信道，其输入和输出都是离散信号（数字序列）编码器调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器编码信道+=1二进制无记忆编码信道模型+=1P(0/0)P(1/1)正确P(1/0)P(0/1)错误模型：用条件转移概率来描述e(0)(1/0)(1)(0/1)PPPPP误码率：衡量该信道优劣的重要参数指标：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜01233210接收端发送端四进制无记忆编码信道模型：注意：从上述编码信道模型可以看出，数字序列的传输有时是不可靠的。因此，如何在不可靠的信道中实现高效的可靠通信是通信理论研究的一个主要内容。西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜恒参/随参信道特性对信号传输的影响§4.4西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜特点：传输特性随时间缓变或不变。举例：各种有线信道、卫星信道…线性时不变系统恒参信道特性及其对信号传输的影响在不考虑噪声的前提下，理想恒参信道是一种特殊类型的信道，可以实现信号的无失真传输（1）只有幅度大小和出现先后的不同（2）波形没有畸变()()drtKstt发送设备恒参信道接收设备发送端接收端s(t)0t发送信号恒参信道作用r(t)0t接收信号dt发送信号——接收信号的关系为：表达式：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜理想恒参信道的传递函数()()()jHHe~)(H()~1.传输特性幅频特性相频特性假设由得恒参信道特性2.无失真传输（恒参信道）()djtHeK()HK()dt()()()()rtRstS()()drtKstt()()djtRKeS()()=()djtRHKeS幅频特性相频特性西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜恒参信道()HKdt)(dtdd)()(群迟延——频率特性幅频特性相频特性恒参信道对发送信号的不同频率分量的衰减是一样的表明恒参信道相频特性在信号的频带范围内是频率的线性函数群时延特性在信号的频带范围内是常数；即恒参信道对发送信号不同频率分量的时延是一样的西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:o()()dstKstt()djtHeK恒参信道()()dhtKtt固定的迟延固定的衰减——这种情况称为无失真传输理想恒参信道频时域表达式:频域表达式：时域表达式：IFT即：此时信道的冲激响应也是冲激函数，只是强度变化了K倍，延迟了时间td西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜()HK3.失真影响措施恒参信道幅频失真：即幅频特性在信号的频带范围内不是常数相邻码元之间发生重叠12()()()stststt0幅频无失真信道12()()()rtrtrtt0幅频失真信道12()()()rtrtrtt0()HK()HK即：接收信号发生畸变西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜dtdt)(3.失真影响措施恒参信道群迟延失真:相频失真：12()()()stststt0相频无失真信道12()()()rtrtrtt0相频失真信道12()()()rtrtrtt0()dt()dt接收信号同样发生畸变西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜无论幅频失真、相频失真均属于线性失真，可以用一个线性网络进行补偿。此外还存在非线性失真，频率偏移、相位抖动等失真因素，会引起信号的非线性码间干扰，使得模拟和数字通信系统的解调性能下降，对高速数据通信系统的性能影响比较大。恒参信道恒参信道特性及其对信号传输的影响西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜指传输特性随时间随机快变的信道。随参信道特性及其对信号传输的影响短波电离层反射信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜随参信道衰减随时间变化时延随时间变化多径传播无线通信信道是随参信道的典型实例：无线信道的衰落分为大尺度衰落和小尺度衰落衰落特性可以描述为：0()()()rtmtrt0()()()mtrtrt：：：大尺度衰落，随时间和位移缓慢变化小尺度衰落，随时间和位移快速变化信道的衰落因子西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜3.多径效应—多经传播的影响发送信号经过反射、散射、绕射传播到接收机，这些经不同途径的信号在接收机处叠加，导致接收信号发生剧烈变化——多径效应西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜()cosctAst112211()()cos()()cos()()()()()()cos()coscosccncnncinciiiiirtatttatttatttttattatt3.多径效应第i条路径接收信号振幅经过n条路径传播（各路径有时变的衰落和传输时延），且经过各条路径到达接收端的信号相互独立，—多经传播的影响)()(ttici传输时延则接收信号为设发送信号为幅度恒定频率单一西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜根据概率论中心极限定理：当n足够大时，x(t)和y(t)趋于正态分布。niiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()(同相~正交形式包络~相位形式瑞利分布均匀分布cos()()cVttt11()()coscos()sinsin()cos()sinnniiciiciiccrtattattXttYtt多径效应包络相位随机缓变的窄带信号22()()()()()arctan()XtYtXtYtVtt西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜0ffcffcf0波形发送信号接收信号频谱()co(s())crtVttt()cosctAst结论西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜我们更关心的问题：多径效应西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜多径效应传输衰减均为K传输时延分别为1和2发射信号接收信号设两条路径的信道为f(t)fo(t)=Kf(t-1)+Kf(t-2)信道传输函数fo(t