通信原理(樊昌信)第4章 信道課件

1、 信 道第4章信道分類(lèi)信道模型恒參/隨參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 信道的定義：信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道。信道的分類(lèi)：狹義信道：僅是指信號(hào)的傳輸媒質(zhì)； 廣義信道：不僅是指?jìng)鬏斆劫|(zhì)，而且包括通 信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置。 信道的功能：將信號(hào)從發(fā)送端傳送到接收端。 概 述信道的定義與分類(lèi) 傳輸媒質(zhì)有線(xiàn)信道明線(xiàn)、電纜、光纖無(wú)線(xiàn)信道自由空間或大氣層狹義信道：廣義信道： 調(diào)制信道研究調(diào)制/解調(diào)問(wèn)題編碼信道研究編碼/譯碼問(wèn)題無(wú)線(xiàn)信道4.1 地波 ground- wave頻率： 2 MHz特性：有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千米用于：AM廣播傳播路徑 地波傳播方式傳

2、播路徑天波傳播方式無(wú)線(xiàn)信道電磁波的傳播方式：天波 sky- wave頻率：230 MHz特性：被電離層反射距離： 4000 km（一跳）用于：遠(yuǎn)程、短波通信電離層有D、E、F1、F2層。在白天，由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)，所以D、E、F1和F2四層都存在。但由于D、E層電子密度小，不能形成反射條件，所以短波電波不會(huì)被反射。D、E層對(duì)電波傳輸?shù)挠绊懼饕俏针姴?，使電波能量損耗。在夜晚，由于太陽(yáng)輻射減弱，D層幾乎完全消失。F1、F2合為一層即F層，而高頻信號(hào)主要是依靠F層反射，其高度為250400km，所以一次反射的最大距離約為4000 km。如果通過(guò)兩次反射，那么通信距離可達(dá)8000km。電磁波不能到達(dá)的

3、其他區(qū)域稱(chēng)為寂靜區(qū)。 微波中繼（微波接力） 衛(wèi)星中繼（靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星） 平流層通信無(wú)線(xiàn)信道 微波中繼 無(wú)線(xiàn)信道 衛(wèi)星中繼 地面站地面站地球衛(wèi)星中繼信道示意圖 對(duì)流層散射通信地球有效散射區(qū)域無(wú)線(xiàn)信道 散射通信 有線(xiàn)信道4.2 明線(xiàn) 對(duì)稱(chēng)電纜 同軸電纜 光纖1880年紐約街貌明線(xiàn)屏蔽雙絞線(xiàn)(STP) （可減少噪聲干擾）非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP)（便宜、易彎曲、易安裝）由 多 對(duì)雙絞線(xiàn)組成有線(xiàn)信道對(duì)稱(chēng)電纜雙絞線(xiàn)的傳輸距離 傳輸模擬信號(hào)：56km需放大； 傳輸數(shù)字信號(hào)：23km需轉(zhuǎn)發(fā)； 遠(yuǎn)程中速時(shí)，最大距離15km； 用于局域網(wǎng)時(shí)，最大距離100m。有線(xiàn)信道同軸電纜 寬帶（射頻）同軸電纜：75，用于傳

4、輸模擬信號(hào)多用于有線(xiàn)電視（CATV）系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)幾十千米 基帶同軸電纜：50，多用于數(shù)字基帶傳輸速率可達(dá)10Mb/s傳輸距離幾千米有線(xiàn)信道缺點(diǎn)應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)有線(xiàn)信道 光纖信道是遠(yuǎn)距離傳送光波的一種手段，其長(zhǎng)度常達(dá)幾十公里，甚至幾百或幾千公里。在這樣長(zhǎng)的距離上傳送光信號(hào)，對(duì)光纖提出了較高的要求。這些要求中最主要的是低損耗和低色散。 低損耗是光纖能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤?。不同波長(zhǎng)的光在光纖中傳輸?shù)膿p耗是不同，在波長(zhǎng)等于1.31m與1.55m時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)損耗最小點(diǎn)，其損耗一般可低至0.2dB/km以下，所以稱(chēng)這兩波長(zhǎng)為光纖的兩個(gè)窗口。 線(xiàn)路種類(lèi)構(gòu)造特征主要用途雙絞線(xiàn) 便宜、構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳輸頻帶寬，有漏話(huà)現(xiàn)象

5、，容易混入雜音電話(huà)用戶(hù)線(xiàn)低速LAN同軸電纜 價(jià)格稍高，傳輸頻帶寬，漏話(huà)感應(yīng)少，分支、接頭容易CATV分配電纜高速LAN光纖 低損耗，頻帶寬，重量輕，直徑小，無(wú)感應(yīng)，無(wú)漏話(huà)國(guó)際間主干線(xiàn)國(guó)內(nèi)城市間主干線(xiàn)高速LAN表 有線(xiàn)信道的線(xiàn)路種類(lèi)、構(gòu)造、特征和主要用途 信道數(shù)學(xué)模型4.3 信道模型的分類(lèi)：調(diào)制信道編碼信道編碼信道調(diào)制信道有一對(duì)（或多對(duì)）輸入端和輸出端大多數(shù)信道都滿(mǎn)足線(xiàn)性疊加原理對(duì)信號(hào)有固定或時(shí)變的延遲和損耗無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，仍可能有輸出（噪聲 n(t) ）疊加有噪聲的線(xiàn)性時(shí)變/時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)：4.3.1 調(diào)制信道模型模型：共性：31調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型式中 信道輸入端信號(hào)電壓； 信道輸出端的信號(hào)電壓； 噪

6、聲電壓。通常假設(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋篺 ei(t)e0(t)ei(t)n(t)圖4-15 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型32因k(t)隨t變，故信道稱(chēng)為時(shí)變信道。n(t)是信道加性噪聲，其獨(dú)立于信號(hào)且始終存在。因k(t)與ei(t)相乘，故稱(chēng)其為乘性干擾。若k(t)隨時(shí)間作隨機(jī)快變化，故又稱(chēng)信道為隨參信道。若k(t)隨時(shí)間變化很慢或很小，則稱(chēng)信道為恒參信道。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，就沒(méi)有乘性干擾。結(jié)論：（1）調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響程度取決于乘性干擾 k(t)和加性干擾 n(t) ，使信號(hào)的波形發(fā)生失真。（2）分析乘性干擾的影響時(shí)，可把調(diào)制信道分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是恒參信道，即 k(t)隨時(shí)間緩變或不變；另一類(lèi)是隨

7、參信道，即隨時(shí)間隨機(jī)快變化。3334恒參信道舉例：明線(xiàn)、對(duì)稱(chēng)電纜、同軸電纜及光纖等各種有線(xiàn)信道；中長(zhǎng)波地波傳播、衛(wèi)星中繼、光波視距傳播等部分無(wú)線(xiàn)信道。隨參信道舉例：短波電離層反射信道、各種散射信道（如超短波流星余跡散射、超短波及微波對(duì)流層散射、超短波電離層散射）超短波超視距繞射等。+ = 1二進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型可用 轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。+ = 1 P(0/0) P(1/1) 正確 P(1/0) P(0/1) 錯(cuò)誤 模型：4.3.2 編碼信道模型01233210接收端發(fā)送端四進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道恒參/隨參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.4 特點(diǎn)：傳輸特性隨時(shí)間緩變或不變。舉例：各種有線(xiàn)信道、衛(wèi)星信道

8、1. 傳輸特性幅頻特性相頻特性線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng) 恒參信道 特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?2. 無(wú)失真?zhèn)鬏敽銋⑿诺?非時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò) 信號(hào)通過(guò)線(xiàn)性系統(tǒng)的分析方法。線(xiàn)性系統(tǒng)中無(wú)失真條件：振幅頻率特性：為水平直線(xiàn)時(shí)無(wú)失真，即要求振幅特性與頻率無(wú)關(guān)。相位頻率特性：要求其為通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無(wú)失真。恒參信道群遲延特性幅頻特性相頻特性含義：信號(hào)的不同頻率成分經(jīng)過(guò)信道傳輸后具有相同的衰減。含義：信號(hào)的不同頻率成分經(jīng)過(guò)信道傳輸后具有相同的時(shí)延。 若輸入信號(hào)為s(t)，則理想恒參信道的輸出:恒參信道固定的遲延固定的衰減 這種情況稱(chēng)為無(wú)失真?zhèn)鬏斃硐牒銋⑿诺赖臎_激響應(yīng)： 3. 失真 影響 措施恒參信道群遲延失

9、真: 幅頻失真： 相頻失真： 相頻特性典型音頻電話(huà)信道: 幅度衰減特性群遲延頻率特性恒參信道(a) 插入損耗頻率特性頻率(kHz)（ms）群延遲(b) 群延遲頻率特性0相位頻率特性(用插入損耗便于測(cè)量) 指?jìng)鬏斕匦噪S時(shí)間隨機(jī)快變的信道。 隨參信道 特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚滩婋x層反射信道隨參信道 衰減隨時(shí)間變化 時(shí)延隨時(shí)間變化 多徑傳播多徑傳播 示意圖： 3. 多徑效應(yīng)第i條路徑接收信號(hào)振幅經(jīng)過(guò)n條路徑傳播（各路徑有時(shí)變的衰落和時(shí)延） 多經(jīng)傳播的影響傳輸時(shí)延則接收信號(hào)為 設(shè)發(fā)送信號(hào)為幅度恒定頻率單一根據(jù)概率論中心極限定理：當(dāng) n 足夠大時(shí)，x(t)和y(t) 趨于正態(tài)分布。 同相 正交形式包

10、絡(luò) 相位形式瑞利分布均勻分布多徑效應(yīng)包絡(luò)相位隨機(jī)緩變 的窄帶信號(hào)西安電子科技大學(xué) 通院 波形發(fā)送信號(hào)接收信號(hào)頻譜結(jié)論我們更關(guān)心的問(wèn)題：多徑效應(yīng)多徑效應(yīng) 傳輸衰減均為 K 傳輸時(shí)延分別為1和2發(fā)射信號(hào)接收信號(hào)設(shè)兩條路徑的信道為f (t)fo(t) = K f(t - 1) + K f(t -2 ) 信道傳輸函數(shù)fo(t) =2 -1相對(duì)時(shí)延差則接收信號(hào)為常數(shù)衰減因子確定的傳輸時(shí)延因子與信號(hào)頻率有關(guān)的復(fù)因子 信道對(duì)信號(hào)不同的頻率成分，將有不同的衰減。 頻率選擇性衰落如何減??？信道幅頻特性曲線(xiàn)的最大和最小位置決定于兩條路徑的相對(duì)時(shí)延差 多徑信道的相關(guān)帶寬：定義為相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔 ，工程經(jīng)驗(yàn)公式

11、： 4. 減小頻率選擇性衰落的措施f f 1/ 應(yīng)使信號(hào)帶寬 Bs (1/3 1/5)f 數(shù)字信號(hào)的碼元寬度:Ts (3 5)RBmmBs f歸納 隨參信道特性 多徑效應(yīng) 減小衰落的措施信道噪聲4.5 1. 何謂噪聲 按噪聲來(lái)源 2. 噪聲類(lèi)型人為噪聲自然噪聲 內(nèi)部噪聲 （如熱噪聲）脈沖噪聲 窄帶/單頻噪聲 起伏噪聲 （熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲）起伏噪聲 按噪聲性質(zhì)熱噪聲： 式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù) T 熱力學(xué)溫度（K） R 阻值（） B 帶寬（Hz）熱噪聲電壓有效值：歸納信道加性噪聲n(t) :代表：起伏噪聲（熱噪聲等） 性質(zhì)：高斯白噪聲 n(t) BPF

12、窄帶高斯噪聲 平均功率： 噪聲等效帶寬： 功率譜：噪聲等效帶寬 Pn(f)接收濾波器特性 通過(guò)寬度為Bn的矩形濾波器的噪聲功率 = 通過(guò)實(shí)際接收濾波器的噪聲功率。 物理 意義窄帶高斯噪聲 :Pn (f0)信道容量4.6 指信道能夠無(wú)差錯(cuò)傳輸時(shí)的最大平均信息速率式中，P(xi) 發(fā)送符號(hào)xi的概率（i=1,2,3,n）（1）信源發(fā)送的平均信息量（熵）（2）因信道噪聲而損失的平均信息量式中，P(yj) 收到y(tǒng)j的概率（j=1,2,3,m）； P(xi/yj) 收到y(tǒng)j后判斷發(fā)送的是xi的轉(zhuǎn)移概率4.6.1 離散信道容量（3）信息傳輸速率 R 信道每秒傳輸?shù)钠骄畔⒘縃(x) H(x/y) 是接收端得到的平均信息量 r 信道每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)為（符號(hào)速率）最大信息傳輸速率：對(duì)一切可能的信源概率分布，求R的最大值：含義：每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘浚?）信道容量 Ct 等價(jià)式：S 信號(hào)平均功率（W）；B 帶寬（Hz） n0 噪聲單邊功率譜密度；N = n0B 噪聲功率（W）由香農(nóng)信息論可證，白噪聲背景下的連續(xù)信道容量為:香農(nóng)公式等價(jià)式：4.6.2 連續(xù)信道容量意義：含義： 信道容量 C依賴(lài)于 B、S 和 n0 增大 S 可增加 C，若S ，則C ； 減小 n0 可增