c7-第4章信道.

信道第4章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信道的定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。信道的分类：狭义信道：仅是指信号的传输媒质；广义信道：不仅是指传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置。信道的功能：将信号从发送端传送到接收端。概述信道的定义与分类编码器调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器—传输媒质有线信道——明线、电缆、光纤无线信道——自由空间或大气层狭义信道：广义信道：调制信道——研究调制/解调问题编码信道——研究编码/译码问题无线信道§4.1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：地波ground-wave频率：2MHz特性：有绕射能力距离：数百或数千米用于：AM广播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：天波sky-wave频率：2~30MHz特性：被电离层反射距离：4000km（一跳）用于：远程、短波通信电离层有D、E、F1、F2层。在白天，由于太阳辐射强，所以D、E、F1和F2四层都存在。但由于D、E层电子密度小，不能形成反射条件，所以短波电波不会被反射。D、E层对电波传输的影响主要是吸收电波，使电波能量损耗。在夜晚，由于太阳辐射减弱，D层几乎完全消失。F1、F2合为一层即F层，而高频信号主要是依靠F层反射，其高度为250~400km，所以一次反射的最大距离约为4000km。如果通过两次反射，那么通信距离可达8000km。电磁波不能到达的其他区域称为寂静区。ddh接收天线发射天线传播途径Drr视线传播方式频率：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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微波中继（微波接力）卫星中继（静止卫星、移动卫星）平流层通信无线信道微波中继无线信道卫星中继地面站地面站地球卫星中继信道是以通信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作圆周运动，离地面高度为35786km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(同步卫星)。若以静止卫星作为中继站，采用三个相差120°的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外)，如下图所示。卫星中继信道具有传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大等突出的优点。目前广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。地球AB卫星中继信道示意图对流层散射通信地球有效散射区域无线信道散射通信流星余迹无线信道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、断续传输有线信道§4.2明线对称电缆同轴电缆光纤1880年纽约街貌明线屏蔽双绞线(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双绞线的传输距离传输模拟信号：5~6km需放大；传输数字信号：2~3km需转发；远程中速时，最大距离15km；用于局域网时，最大距离100m。有线信道同轴电缆宽带（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单模阶跃折射率光纤光纤结构示意图结构：纤芯包层按折射率分类：阶跃型梯度型按模式分类：多模光纤单模光纤有线信道光纤缺点应用优点有线信道光纤信道是远距离传送光波的一种手段，其长度常达几十公里，甚至几百或几千公里。在这样长的距离上传送光信号，对光纤提出了较高的要求。这些要求中最主要的是低损耗和低色散。低损耗是光纤能实现远距离传输的前提。不同波长的光在光纤中传输的损耗是不同，在波长等于1.31μm与1.55μm时出现两个损耗最小点，其损耗一般可低至0.2dB/km以下，所以称这两波长为光纤的两个窗口。信道数学模型§4.3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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n(t)）叠加有噪声的线性时变/时不变网络：§4.3.1调制信道模型模型：共性：30调制信道数学模型式中－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：f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)图4-15调制信道数学模型)()]([)(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()]([tetktefii)()()()(tntetkteio31因k(t)随t变，故信道称为时变信道。n(t)是信道加性噪声，其独立于信号且始终存在。因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。若k(t)随时间作随机快变化，故又称信道为随参信道。若k(t)随时间变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，就没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio结论：（1）调制信道对信号的影响程度取决于乘性干扰k(t)和加性干扰n(t)，使信号的波形发生失真。（2）分析乘性干扰的影响时，可把调制信道分为两大类：一类是恒参信道，即k(t)随时间缓变或不变；另一类是随参信道，即随时间随机快变化。3233恒参信道举例：明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等各种有线信道；中长波地波传播、卫星中继、光波视距传播等部分无线信道。随参信道举例：短波电离层反射信道、各种散射信道（如超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射）超短波超视距绕射等。+=1二进制无记忆编码信道模型可用转移概率来描述。+=1P(0/0)P(1/1)正确P(1/0)P(0/1)错误e(0)(1/0)(1)(0/1)PPPPP模型：§4.3.2编码信道模型01233210接收端发送端四进制无记忆编码信道恒参/随参信道特性对信号传输的影响§4.4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…)()()(jeHH~)(H~)(1.传输特性幅频特性相频特性线性时不变系统恒参信道特性及其对信号传输的影响2.无失真传输()djtHeK()HKdt)(恒参信道非时变线性网络信号通过线性系统的分析方法。线性系统中无失真条件：振幅～频率特性：为水平直线时无失真，即要求振幅特性与频率无关。相位～频率特性：要求其为通过原点的直线，即群时延为常数时无失真。恒参信道()HKdt)(dtdd)()(群迟延特性幅频特性相频特性含义：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的衰减。含义：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的时延。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的冲激响应：dtdt)(3.失真影响措施恒参信道群迟延失真:()HK幅频失真：相频失真：相频特性典型音频电话信道:幅度衰减特性群迟延频率特性恒参信道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随参信道衰减随时间变化时延随时间变化多径传播多径传播示意图：()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时延）—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西安电子科技大学通院0ffcffcf0波形发送信号接收信号频谱()co(s())crtVttt()cosctAst结论我们更关心的问题：多径效应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)=2-1相对时延差1o()()(1)()jjFHKeeF则接收信号为11()o()=()+()jjFKFeKFe常数衰减因子1(1)jjeeK确定的传输时延因子与信号频率有关的复因子()12cos2jHe信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。——频率选择性衰落如何减小？信道幅频特性信道相关带宽：定义为相邻传输零点的频率间隔，工程经验公式：4.减小频率选择性衰落的措施△f△f＝1/应使信号带宽Bs＝(1/3~1/5)△f数字信号的码元宽度:Ts＝(3~5)→RB↓mmBs△f归纳随参信道特性多径效应减小衰落的措施信道噪声§4.51.何谓噪声按噪声来源2.噪声类型人为噪声自然噪声内部噪声（如热噪声）脉冲噪声窄带/单频噪声起伏噪声（热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）起伏噪声按噪声性质热噪声：式中k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数T－热力学温度（ºK）R－阻值（）B－带宽（Hz）热噪声电压有效值：)V(4kTRBV归纳信道加性噪声n(t):代表：起伏噪声（热噪声等）性质：高斯白噪声n(t)⤳BPF⤳窄带高斯噪声0()(W/Hz)2nnPf)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvfdffPNn)(平均功率：噪声等效带宽：功率谱：噪声等效带宽Pn(f)接收滤波器特性通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率=通过实际接收滤波器的噪声功率。000()()2()()nnnnnPfdfPffPfBdPf物理意义窄带高斯噪声:Pn(f0)信道容量§4.6——指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率ix/)iiPyx（/)jiPyx（iyjy式中，P(xi)‒发送符号xi的概率（i=1,2,3,⋯,n）（1）信源发送的平均信息量（熵）niiixPxPxH12)(log)()(（2）因信道噪声而损失的平均信息量mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(式中，P(yj)‒收到yj的概率（j=1,2,3,⋯,m）；P(xi/yj)‒收到yj后判断发送的是xi的转移概率§4.6.1离散信道容量（3）信息传输速率R——信道每秒传输的平均信息量[H(x)–H(x/y)]‒是接收端得到的平均信息量[()-(/)](b/s)rRHxHxyr‒信道每秒传输的符号数为（符号速率）——最大信息传输速率：对一切可能的信源概率分布，求R的最大值：t()()max{}max{[()(/)]}(b/s)PxPxCRrHxHxy