第三章-信道分解

机械工业出版社2004年1月1通信原理机械工业出版社2004年1月2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、接收设备等一起组成通信系统。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。机械工业出版社2004年1月3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。机械工业出版社2004年1月4序：信道的分类一、根据传输媒质来分：1、有线信道：对称电缆、同轴电缆、光纤等2、无线信道：短波信道、微波中继信道、卫星中继信道等二、根据信道参数是否变化来分：1、恒参信道：信道的参数不随时间变化。如同轴电缆、光纤、卫星信道等2、随参信道：信道的参数随时间变化。如短波信道机械工业出版社2004年1月5三、根据信道包含的内容来分：1、狭义信道：仅指传输媒质。2、广义信道：除了传输媒质外，还包含有关的收发部件。（1）调制信道：调制器输出端至解调器输入端。（2）编码信道：信道编码器输出端至信道译码器输入端。机械工业出版社2004年1月6调制信道与编码信道调制器发转换器媒质收转换器解调器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示意图机械工业出版社2004年1月7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信道容量的概念机械工业出版社2004年1月83.1.1有线电信道1．对称电缆（图3-1对称电缆结构图）机械工业出版社2004年1月9对称电缆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。类型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）。导线材料是铝或铜，直径为0.4~1.4mm。为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状，特点：传输损耗比较大，传输特性比较稳定，价格便宜、安装容易。应用：对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路，在许多局域网如以太网、令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。机械工业出版社2004年1月103.1.1有线电信道2．同轴电缆图3-2同轴电缆结构图机械工业出版社2004年1月11表3–1几种有线电缆的特性线路类型频率范围/MHz信号衰减电磁干扰UTP电缆1~100高一般STP电缆1~150高小同轴电缆1~1000低小机械工业出版社2004年1月12光纤直径纤芯(Core)62.55mm125mm包层(Clad)Core8mm125mmClad85μm多模单模人的头发机械工业出版社2004年1月133.1.2微波中继信道微波频段的频率范围一般在几百兆赫至几十吉赫，其传输特点是在自由空间沿视距传输。由于受地形和天线高度的限制，两点间的传输距离一般为30~50km，当进行长距离通信时，需要在中间建立多个中继站图3-3微波中继信道的构成机械工业出版社2004年1月143.1.2微波中继信道图3-4二频制或四频制频率配置方式（a）四频制1站4站3站2站1f1f2f3f4f3f机械工业出版社2004年1月153.1.2微波中继信道（b）二频制1站4站3站2站1f1f2f2f2f1f机械工业出版社2004年1月163.1.3卫星中继信道图3-5卫星中继信道示意图机械工业出版社2004年1月17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。微波中继信道是由地面建立的端站和中继站组成。而卫星中继信道是以卫星转发器作为中继站与接收、发送地球站之间构成。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。机械工业出版社2004年1月193.2随参信道3.2.1陆地移动信道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。机械工业出版社2004年1月203.2随参信道1.自由空间传播图3-6移动信道中自由空间传播损耗机械工业出版社2004年1月21PR=PTGTGR2)4(d式中，GT为发射天线增益，GR为接收天线增益，d为接收天线与发射天线之间的直线距离，为各向同性天线的有效面积。当发射天线增益和接收天线增益都等于1时，(3.3-1)简化为PR=PT422)4(d自由空间传播损耗定义为Lfs=RTPp机械工业出版社2004年1月22代入式(3.3-2)可得Lfs=用dB可表示为［Lfs］=20lg=32.44+20lgd+20lgf(dB)(3.3-5)d4式中，d为接收天线与发射天线之间直线距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz。由式(3.3-4)可以看出，自由空间传播损耗与距离d的平方成正比，距离越远损耗越大。图3－6给出了移动信道中自由空间传播损耗与频率和距离的关系。2)4(d机械工业出版社2004年1月233.2.1陆地移动信道2．反射波与散射波当电波辐射到地面或建筑物表面时，会发生反射或散射，从而产生多径传播现象，图3-7移动信道的传播路径和图3-8平滑表面反射机械工业出版社2004年1月243.2.1陆地移动信道3．折射波电波在空间传播中，由于大气中介质密度随高度增加而减小，导致电波在空间传播时会产生折射、散射等机械工业出版社2004年1月253.2.2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。机械工业出版社2004年1月263.2.2短波电离层反射信道图3-10电离层结构示意图机械工业出版社2004年1月27短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播，多径传播有以下几种形式:(1)电波从电离层的一次反射和多次反射；(2)电离层反射区高度所形成的细多径；(3)地球磁场引起的寻常波和非寻常波；(4)电离层不均匀性引起的漫射现象。以上四种形式如图3-11所示。机械工业出版社2004年1月283.2.2短波电离层反射信道图3-11多径形式示意图机械工业出版社2004年1月293.3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机械工业出版社2004年1月303.3.1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机械工业出版社2004年1月313.3.1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机械工业出版社2004年1月323.3.1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理想恒参信道的冲激响应：h(t)=K0δ(t-td)ddtd机械工业出版社2004年1月333.3.1恒参信道特性及其数学模型2．幅度——频率失真图3-13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）幅频特性机械工业出版社2004年1月343.3.1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——频率失真机械工业出版社2004年1月353.3.1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机械工业出版社2004年1月363.3.1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线性滤波器机械工业出版社2004年1月37HOMEWORKP81第3题第5题机械工业出版社2004年1月38REVIEW1.了解狭义信道和广义信道的概念2.熟悉信道的分类3.了解恒参信道和随参信道的概念4.掌握恒参信道的不失真传输条件机械工业出版社2004年1月393.3.2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）衰减时变；（2）时延时变；（3）多径传播。机械工业出版社2004年1月401．多径衰落与频率弥散陆地移动多径传播示意图如图3-7所示。基站天线发射的信号经过多条不同的路径到达移动台。我们假设发送信号为单一频率正弦波，即s(t)=Acosωct多径信道一共有n条路径，各条路径具有时变衰耗和时变传输时延且从各条路径到达接收端的信号相互独立，则接收端接收到的合成波为机械工业出版社2004年1月41=式中，ai(t)为从第i条路径到达接收端的信号振幅，τi(t)为第i条路径的传输时延。传输时延可以转换为相位的形式，即r(t)=式中φi(t)=-ωcτi(t))]([cos)(1ttwtaicniir(t)=a1(t)cosωc［t-τ1(t)］+a2(t)cosωc［t-τ2(t)］+…+an(t)cosωc［t-τn(t)=)]()(cos[)(1ttwtacnii机械工业出版社2004年1月42为从第i条路径到达接收端的信号的随机相位。niciiciniitwtatwtatr11sinsin)(coscos)()(twtytwtXccsin)(cos)(式中niiitatx1cos)()(niiitaty1sin)()(由于X(t)和Y(t)都是相互独立的随机变量之和，根据概率论中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋于正态分布。机械工业出版社2004年1月43因此，当n足够大时，X(t)和Y(t)都趋于正态分布。通常情况下X(t)和Y(t)的均值为零，方差相等，其一维概率密度函数为)2exp(21)(22xxxxf)2exp(21)(22yyyyf且σx=σy。式(3.3-16)也可以表示为包络和相位的形式，即r(t)=V(t)cos［ωct+φ(t)］机械工业出版社2004年1月44式中V(t)=X2(t)+Y2(t)φ(t)=arctan由第2章随机信号分析理论我们知道，包络V(t)的一维分布服从瑞利分布，相位φ(t)的一维分布服从均匀分布，可表示为)()(txty)2exp()(22vvvvvff(φ)=20,21其他,0机械工业出版社2004年1月453.3.2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9章）来减轻这种危害。机械工业出版社2004年1月463.3.2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so(t)=ksi(t)+ksi［t-Δτ(t)］Y]So(ω)=kSi(ω)+kSi(ω)e-jωΔτ(t)=kSi(ω)［1+e-jωΔτ(t)］(3.