通信原理第3章信道

第3章信道与噪声1第3章信道与噪声3.1信道及其数学模型3.2恒参信道与随参信道3.3信道的加性噪声3.4信道容量的概念第3章信道与噪声2为什么要研究信道信道是通信系统的重要组成部分，其特性对于通信系统的性能有很大影响研究信道及噪声的目的是弄清它们对信号传输的影响，寻求提高通信有效性与可靠性的方法。第3章信道与噪声3信道的概念:就是信号传输的媒质狭义信道:某些物理通信信道，如有线信道和无线信道；也可以是物理存储介质，如光盘、磁盘等广义信道:一种逻辑信道，它与传输媒质无关。可分为调制信道和编码信道。调制信道：恒参信道和变参信道编码信道：无记忆编码信道和有记忆编码信道信道的分类第3章信道与噪声4有线信道和无线信道一、有线信道通常指架空明线、双绞线、同轴电缆和光纤。第3章信道与噪声5架空明线，即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸线，它是一种在20世纪初就已经大量使用的通信介质。架空明线安装简单，传输损耗比电缆低，但线对数量有限；线对多时架设困难；易受外界影响；线路容易受损等缺点。有线信道和无线信道第3章信道与噪声6第4章信道4.2有线信道明线第3章信道与噪声7双绞线又称为双扭线，它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。采用这种绞合结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层有线信道和无线信道第3章信道与噪声8屏蔽箔屏蔽双绞线非屏蔽双绞线图1双绞线示意图有线信道和无线信道第3章信道与噪声9同轴电缆由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外保护套组成。同轴电缆的这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性，并且可在共享通信线路上支持更多的点。按特性阻抗数值的不同，同轴电缆又分为两种，一种是50Ω的基带同轴电缆，另一种是75Ω的宽带同轴电缆。有线信道和无线信道第3章信道与噪声10铝制编织导体(屏蔽)内部绝缘体内部导体外部绝缘体(a)一段同轴电缆(b)一段与连接器相连的同轴电缆图2同轴电缆结构示意图有线信道和无线信道第3章信道与噪声11光纤(OpticalFiber)光导纤维(简称光纤)是光纤通信系统的传输介质。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。有线信道和无线信道第3章信道与噪声12光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成(如图所示)。芯是光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。有线信道和无线信道第3章信道与噪声13外套绝缘包层纤维芯图3光纤结构示意图有线信道和无线信道第3章信道与噪声14二、无线信道无线信道是利用电磁波在空间的传播来传输信号。有地波传播、天波传播、无线电视距中继通信、卫星通信等。有线信道和无线信道第3章信道与噪声154.1无线信道无线信道电磁波的频率－受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层：地面上0~10km平流层：约10～60km电离层：约60～400km地面对流层平流层电离层10km60km0km有线信道和无线信道第3章信道与噪声16电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率图4-6大气衰减有线信道和无线信道第3章信道与噪声17传播路径地面图4-1地波传播地面信号传播路径图4-2天波传播电磁波的分类：地波频率2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米天波频率：2~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：4000km寂静区：有线信道和无线信道第3章信道与噪声18视线传播：频率30MHz距离:和天线高度有关(4.1-3)式中，D–收发天线间距离(km)。[例]若要求D=50km，则由式(4.1-3)增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图4-3视线传播图4-4无线电中继50822DrDhmm505050508222DrDh有线信道和无线信道第3章信道与噪声19图4-7对流层散射通信地球有效散射区域散射传播电离层散射机理－由电离层不均匀性引起频率－30~60MHz距离－1000km以上对流层散射机理－由对流层不均匀性（湍流）引起频率－100~4000MHz最大距离600km有线信道和无线信道第3章信道与噪声20地波传播频率在约2MHz以下的无线电波沿着地球表面的传播主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、标准频率等特点：传输损耗小；传播稳定；工作频带窄有线信道和无线信道第3章信道与噪声21天波传播经由电离层反射的一种传播方式长波、中波、短波都可以利用天波通信，但短波是电离层的最佳波段特点：传输损耗低、设备简单、可利用较小功率进行远距离通信；但容易产生多径衰落等。有线信道和无线信道第3章信道与噪声22无线电视距中继工作频率在超短波和微波波段时电磁波基本上沿视线传播通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。相邻中继站间距离：40—50Km有线信道和无线信道第3章信道与噪声23图4无线电中继信道的构成有线信道和无线信道第3章信道与噪声24卫星中继信道利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号实现地球站之间的通信。由通信卫星、地球站、上行线路及下构成行线路特点：传播特性稳定可靠、传输距离远、覆盖地域广等。有线信道和无线信道第3章信道与噪声25第3章信道与噪声26信道模型广义信道:调制信道（传输调制信号）、编码信道（调制编码信号）传输介质发转换器收转换器解调器调制器调制信道编码信道编码器输出译码器输入图6调制信道与编码信道第3章信道与噪声27调制信道和编码信道调制信道与编码信道以所传信号为着眼点，又可称连续（信号）信道和离散（信号）信道，前者是传输已调模拟信号的信道，后者是传输已编码数字信号的信道第3章信道与噪声28调制信道模型信道模型第3章信道与噪声29特性：1、有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端2、信道是线性的，满足叠加原理3、信道有一定的迟延时间，有损耗4、即使没有信号输入，输出端仍有一定的功率输出（噪声）信道模型第3章信道与噪声30调制信道模型二对端的信道模型如图a所示，它的输入和输出之间的关系式可表示成第3章信道与噪声31编码信道模型（数字信道）对信号的影响是一种数字序列的变换用数字的转移概率（P(输出/输入)）来描述（平均错误概率）信道模型第3章信道与噪声32信道模型二进制编码信道模型四进制编码信道模型第3章信道与噪声33码的转移概率P(i/j)■二进制数字编码信道发送码元为j，而接收码元为i的概率。0101发送端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是错误接收概率P(0/0)、P(1/1)是正确接收概率系统的误码率是？系统的误码率Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)第3章信道与噪声34■M进制数字编码信道系统误码率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)1010)]/()([MiMijjeijPiPP01发送端接收端2M-1012M-1第3章信道与噪声35信道的数学模型信道模型的分类：调制信道编码信道信息源信源编码信道译码信道编码信道数字调制加密数字解调解密信源译码受信者噪声源编码信道调制信道第3章信道与噪声36调制信道模型式中－信道输入端信号电压；－信道输出端的信号电压；－噪声电压。通常假设：这时上式变为：－信道数学模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)图4-13调制信道数学模型)()]([)(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()]([tetktefii)()()()(tntetkteio第3章信道与噪声37因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio第3章信道与噪声38恒参信道与随参信道一、恒参信道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等效于一个非时变的线性网络利用信号通过线性系统的分析方法，可求得已调信号通过恒参信道的变化规律网络的传输特性：幅频特性、相频特性第3章信道与噪声39恒参信道与随参信道网络的传输特性：幅频特性、相频特性为信道的幅频特性，通常不为常数为信道的相频特性()Kw()()dwwtw()()()djwtwHwKwe第3章信道与噪声40幅度—频率畸变（频率失真）是由有线电话信道的幅度—频率特性不理想引起的.信道中存在线圈、分布电容、电感等为了减小幅度—频率畸变，在设计总的电话信道传输特性是，一般都要求把幅度—频率畸变控制在一个允许的范围内恒参信道与随参信道第3章信道与噪声41相位—频率畸变是指信道的相位—频率特性偏离线性关系引起的畸变。在信道频带的边缘畸变更为严重，主要来源于信道中的各种滤波器信道的相位—频率特性常采用群迟延—频率特性来衡量恒参信道与随参信道第3章信道与噪声42恒参信道与随参信道群迟延—频率特性：是相位—频率特性对频率的导数群迟延—频率特性:如果呈线性关系，是一条水平直线此时信号的不同频率成分有相同的群迟延，信号经过传输后不会发生畸变()()ddtwwdw()dtww()ww第3章信道与噪声43理想的相位---频率特性及群迟延特性恒参信道与随参信道第3章信道与噪声44实际的信道特性：恒参信道与随参信道第3章信道与噪声45当非单一频率的信号通过这信道时，信号中的不同频率分量将有不同的群迟延（a）是原信号，即未经迟延的信号，由基波、三次谐波组成，其幅度比2；1恒参信道与随参信道第3章信道与噪声46恒参信道举例光纤信道光源光调制器耦合器基带处理基带电信号耦合器光检测器基带处理基带电信号光纤线路发送端接收端图7光纤通信系统■光纤与光缆■光波长■单模光纤与多模光纤■光纤的衰耗与色散光纤通信的优点■无中继传输距离长；■系统频带宽、容量大；■具有及强的抗电磁干扰能力。第3章信道与噪声47恒参信道举例无线电视距传播信道无线电视距传播无线电中继信道第3章信道与噪声48恒参信道举例卫星中继信道卫星中继信道通信卫星通信卫星第3章信道与噪声49恒参信道与随参信道随参信道的传输媒质的特点信道参数不仅随频率变化，而且随时间变化为开机运行后的持续时间信道对于信号的响应为：乘性干扰：加性干扰(,)(,)(,)djwtwHwKwe()iXt()oXt()()()()oiiXtKtXtnt()Kt()int第3章信道与噪声50恒参信道与随参信道随参信道的传输媒介具有三个特点：（1）对信号的衰耗随时间随机变化；（2）信号传输的时延随时间随机变化；（3）多径传播。第3章信道与噪声51变参信道有：短波电离层信道、超短波、微波对流层散射信道、超短波对流层散射信道等。恒参信道与随参信道第3章信道与噪声52随参信道举例短波电离层反射信道■随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道都属于随参信道。在一次通信过程中信道参数不固定。■短波：指波长在100m—10m（对应信号载波频率3MHz—30MHz）的无线电