第四章 信道.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母板标题模式,天津理工大学 电 信学院,通信原理,*,第四章 信道,4.1,引言,4.2,信道的定义及其数学模型,4.3,恒参信道及其对信号传输的影响,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,4.5,信道的加性噪声,4.6,信道的容量,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.1,引言,信号的传输离不开信道，而信道的噪声是不可避免的。因而信道和噪声是通信中所要研究的重要内容。,本章在介绍信道定义和信道模型的基础上，着重分析信道特性及其对信号传输的影响，并介绍信道的噪声和信道容量。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,4.2.1,信道的定义,信道的概念：就是信号传输的媒质,信道的分类：,有线信道、无线信道,广义信道、狭义信道,根据通信的概念，信号必须依靠传输介质传输，所以传输介质被定义为狭义信道。另一方面，信号还必须经过很多设备,(,发送机、接收机、调制器、解调器、放大器等,),进行各种处理，这些设备显然也是信号经过的途径，因此，把传输介质,(,狭义信道,),和信号必须经过的各种通信设备统称为广义信道。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,调制器,发转换器,媒质,收转换器,解调器,编码器,译码器,调制信道与编码信道,调制信道,信源,信宿,编码信道,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,4.2.2,信道的数学模型,1,调制信道模型,特性：,有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；,信道是线性的，满足叠加原理；,信道有一定的迟延时间，有损耗；,即使没有信号输入，输出端仍有一定的功率输出（噪声）。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,（,1,）二对端网络 （,2,）多对端网络,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,表示,已调信号通过网络所发生的变换，假定可以用 表示。依赖于网络的特性，对 来说是一种干扰（乘性干扰），,表示加性干扰，上式可以表示为：,对二对端的信号模型，输入与输出的关系：,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,信道对信号的影响主要有：乘性干扰和加性干扰。,通常乘性干扰是一个复杂的函数，它可能包括各种线性畸变、非线性畸变，同时由于信道的迟延、损耗特性随时间作随机变化，故,k(t,),只能用随机过程表示。经大量观察表明，有些信道的,k(t,),基本不随时间变化，即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢，这类信道称为,恒定参数信道,。有些信道的,k(t,),是随机快变化的，这类信道称为,随机参量信道。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,2.,无失真传输的数学模型,若要求已调信号 在信道中无失真的传输，则在时域上信道输出信号 和 之间应满足,式中，幅度衰减因子,K,及延迟时间,t,d,均为常数，上式被称为无失真传输的数学模型,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,对其两端求傅立叶变换，有,-j,td,F,o,(,)=,KF,i,(,),e,由于,F,o,(,)=H(,),F,i,(,),得到信道无失真传输在频域的条件，即传输函数为,j,(,)-j,t,d,H(j,)=|H(,)|,e,=,K,e,所以信道无失真传输在频域中的幅频、相频条件为,H(,)=K,(,)=,t,d,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,（,1,）幅,频特性,（,2,）相,频特性,信道无失真传输的幅频条件和相频条件,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,3,编码信道,模型,编码信道模型对信号的影响是一种数字序列的变换，用数字的转移概率来描述。,P(x/y,),表示发端发“,y”,码而收端判为“,x”,码的概率。,由此我们知道,P(0/0),与,P(1/1),是正确转移的概率，而,P(0/1),与,P(1/0),是错误转移概率。,P(0/0)=1-P(1/0),P(1/1)=1-P(0/1),天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.2,信道的定义及其数学模型,二进制编码信道模型图,四进制编码信道模型,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.3,恒参信道及其对信号传输的影响,4.3.1,恒参信道,1,三种有线电信道,（,1,）明线,与电缆相比，它的优点是传输损耗低。但它易受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感,（,2,）对称电缆,电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定,。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.3,恒参信道及其对信号传输的影响,（,3,）同轴电缆,基带同轴电缆的最大传输距离一般不超过几公里，可用于数字数据信号的直接传输；而宽带同轴电缆的最大传输距离可达几十公里，用于传输高频信号，采用频分复用技术可以传送多路信号。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.3,恒参信道及其对信号传输的影响,2,光纤信道,光纤线径细、重量轻；由于不受外界电磁干扰和噪声的影响，能在长距离、高速率传输中保持低误码率；不怕腐蚀、安全保密性好、节省有色金属。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.3,恒参信道及其对信号传输的影响,3,无线电视距中继,无线电中继信道具有传输容量大、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,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.3,恒参信道及其对信号传输的影响,4,卫星中继信道,卫星中继信道具有通信距离远、覆盖面积大、传播稳定可靠、传输容量大、通信线电路灵活、机动性好等突出的优点,。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.3,恒参信道及其对信号传输的影响,4.3.2,恒参信道特性及其对信号传输的影响,1,幅度,-,频率失真,幅度,频率失真是指已调信号中各频率分量在通过信道时带来不同的衰减（或增益），所造成的输出信号的失真（畸变）。,2,相位,-,频率失真,信道的相位,频率特性常用群迟延,频率特性来表示。所谓群迟延,频率特性是指相位,频率特性对频率的导数。若相位,频率特性用来表示，则群迟延,频率特性为,d,(,),(,)=-,d,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.3,恒参信道及其对信号传输的影响,（,（,1,）原信号 （,2,）经迟延时后的信号,群迟延产生失真的例子,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,4.4.1,随参信道,1,短波电离层反射信道,（,1,）传播途经,（,1,）一次反射路径 （,2,）二次反射路径,短波信号从电离层反射的传播路径,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,（,2,）工作频率,在短波通信中，选用工作频率时要考虑以下两个条件：（,1,）工作频率应小于最高可用频率,fmax,；,（,2,）使电磁波在,D,、,E,层的吸收较小。,（,3,）多径传输,多经传播的几种主要形式：,（,a,）一次反射和两次反射；,（,b,）反射区高度不同；,（,c,）寻常波与非寻常波；,（,d,）漫射现象,天津理工大学 电 信学院,通信原理,（,4,）特性,传输损耗较小，因此能以较小功率进行远距离通信；,天波通信，特别是短波通信，建立迅速，机动性好，设备简单；,传播距离远，可传输几千公里，甚至几万公里；,受地形限制较小；,不易受到人为破坏，这一点在军事通信上有重要意义；,传输频带宽度是有限的，由于波段范围较窄，短波电台特别拥挤，电台间的干扰很大，尤其在夜间；,传输可靠性差，电离层中的异常变化（如电离层骚动、电离层暴变等）会引起较长时间的通信中断，传播可靠性一般只能达到；,通信频率必须选择在最佳频率附近，因此需要经常更换工作频率，因而使用较复杂；,存在快衰落与多径时延失真，必须采用相应的抗多径措施；,干扰电平高。,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,2,对流层散射信道,超短波投射到不均匀介质团产生感应电流形成二次辐,射传向四面八方。,（,1,）衰落：慢衰落（气象）、快衰落（多径）,（,2,）传输损耗很大,（,3,）信道的允许频带,(,带限系统,),（,4,）天线与媒质间的耦合损耗,（,5,）特性,容量大；,主要用于,30,100kHz,以上频段；,可靠性高；,保密性好；,单跳跨距达，一般用于无法建立微波中继站的地区,。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.4.2,随参信道特性及其对信号传输的影响,随参信道的传输媒质具有三个特点：,1,对信号的衰耗随时间而变化,2,传输的时延随时间而变化,3,多径传播,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,4.4.2,随参信道特性及其对信号传输的影响,两径传播模型,f(t)F,(,),-j,t,0,V,0,f(t-t,0,),V,0,F(,)e,-j,(,t,0,+,),V,0,f(t-t,0,-,)V,0,F(,)e,-j,t,0,-j,V,0,f(t-t,0,)+V,0,f(t-t,0,-,)V,0,F(,)e (1+e ),于是，当两径传播时，模型的传输特性,H(,),为,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,所求的传输特性除常数因子,V,0,外，是由一个模值为,1,、固定时延为,t,0,的网络与另一个特性为 的网络级联所组成。而后一个网络的模特性（幅度,频率特性）为,由此可见，两径传播的模特性将依赖于,|,cos,/2|,，,这就是说，对不同的频率，两径传播的结果将有不同的衰减。上述概念可以推广到多径传播中去，设最大多径时延差为 ，则定义,为了不引起明显的选择性衰落，传输信号的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽,f,。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.4.3,随参信道特性的改善,分集接收,如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，把这些信号适当合并，构成总的接收信号，这样就能大大减小衰落的影响。这就是分集接收的基本思想。,主要有如下几种分集方式：,（,1,）空间分集,（,2,）频率分集,（,3,）角度分集,（,4,）极化分集,技术在接收分散的几个信号后，要将其合并，合并的方法主要有：,（,1,）最佳选择式,（,2,）等增益相加式,（,3,）最大比值相加式,4.4,随参信道及其对信号传输的影响,天津理工大学 电 信学院,通信原理,加性噪声独立于有用信号，但它始终干扰有用信号，引起有用信号的幅度失真（幅度抖动）和相位失真（相位抖动），对通信造成不可避免的危害。,信道中加性噪声（简称噪声）的来源，一般有三个方面：人为噪声；自然噪声；内部噪声。,1,散弹噪声：真空电子管和半导体器件中电子发射不均匀引起的,2,热噪声：在有电阻的导体中自由电子的布朗运动引起的,3,宇宙噪声：天体辐射波引起的,4.5,信道的加性噪声,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.6,信道的容量,4.6.1,离散信道的信道容量,（,a,）无噪声信道,(b,),有噪声信道,离散信道模型,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.6,信道的容量,4.6.1,离散信道的信道容量,信道容量是指信道的极限传输能力。我们把信道无差错信息的最大信息速率称为信道容量，记之为,C,，即,C=,maxR,=,maxHt(x,)-,Ht(x/y,),|,P(x,)|,P(x,)|,式中，,max,是表示对所有可能的输入概率分布来说的最大值。,Ht(x,)=,rH(x,),Ht(x/y,)=,rH(x/y,),表示发送的每个符号的平均信息量,表示发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量，或当输出符号已知时输入符号的平均信息量。,单位时间内信息源发出的平均信息量，或称信息源的信息速率,单位时间内对发送而收到的条件平均信息量。,单位时间传送的符号数为,r,天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.6,信道的容量,4.6.2,连续信道的信道容量,在连续信道中，假设信道的带宽为,B(Hz,),，信道输出的信号平均功率为,S(W),及输出加性高斯白噪声平均功率为,N(W),，该信道的信道容量为,C=Blog,2,(1+S/N)(bit/s),由于噪声功率,N,与信道带宽,B,有关，故若噪声单边功率频谱密度为,n,0,，噪声功率,N,等于,n,0,B,，则,C=,Blog,2,(1+S/n,0,B,)(bit/s),天津理工大学 电 信学院,通信原理,4.6,信道的容量,4.6.2,连续信道的信道容量,1,若提高信噪比,S/N,，则信道容量,C,也提高；,2,若,n,0,0,，则,C,，这意味着无干扰信道容量为无穷大；,3,若增加信道带宽,B,，则信道容量,C,也增加，但不能无限制的增加，即当,B,时，,C1.44S/,n,0,；,4,C,一定时，,B,与,S/N,可进行互换；,5,若信源的信息速率,R,小于或等于信道容量,C,，则理论上可实现无误差（任意小的差错率）传输。若,RC,，则不可能实现无误差传输。,天津理工大学 电 信学院,通信原理,