华北电力大学通信系统原理第3章

通信系统原理第3章信道第3章信道信道是通信系统必不可少的组成部分。一般来说,实际信道都不是理想的。信道具有非理想的频率响应特性。信号通过信道传输时搀杂进去的其他干扰（噪声）。信道频率特性的不理想及噪声和干扰将影响信息传输的有效性和可靠性。第3章信道本章重点：信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。信道分类：狭义信道无线信道－地波传播、短波电离层反射、超短波或微波、人造卫星中继、对流层散射、流星余迹散射以及移动无线电信道等有线信道－电线、光纤广义信道信道中的干扰：有源干扰－噪声无源干扰－传输特性不良第3章信道一、信道的定义与分类1.狭义信道狭义信道是发送设备和接受设备之间用以传输信号的传输媒质。分为两大类。第3章信道6第3章信道3.1有线信道明线双绞线第3章信道结构化布线EIA/TIA568B双绞线标准第3章信道第3章信道EIA/TIA568A双绞线标准第3章信道双绞线的传输性能抗干扰能力较差。带宽和传输距离：决定于铜线的粗细第3章信道同轴电缆结构中心导体—传递信号绝缘体—隔绝屏蔽网—接地外层包覆—保护外皮第3章信道同轴电缆的分类基带同轴电缆：50欧姆电缆，用于数字传输。数据传输速率：10Mb/s，信号传输距离：1-1.2km。宽带同轴电缆：75欧姆电缆，用于模拟传输。CATV中标准传输电缆，带宽可达：300-450MHz,传输距离：100km。第3章信道同轴电缆的优缺点抗干扰能力强带宽宽，数据传输速率高，传输距离远。价格贵，很重，无法结构化布线应用：电视网络、近距离计算机网络、长途电话传输第3章信道光纤、光缆轴心：玻璃材质,用来传送光波讯号。被覆层：折射率极低的物质。外皮：不透光的材质,用以隔绝外在的干扰源,保护脆弱的轴心。第3章信道16第3章信道光纤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单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤图3-11光纤结构示意图(a)(b)(c)17损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55m第3章信道0.70.91.11.31.51.7光波波长（m）1.55m1.31m图3-12光纤损耗与波长的关系光纤的类型单模光纤：轴心直径较细,约5~10微米,传输距离长,散射率小,传输效能极佳。多模光纤：轴心直径较宽,约50~100微米,传输距离短,传输效能略差。第3章信道光纤工作波段目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；82.5Gbps，810Gbps，3210Gbps的光纤传输已经实用常用的三个波长窗口（光纤波段）0.85um：衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，但价格便宜1.30um：衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）1.55um：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（最坏情况）第3章信道对称电缆典型应用：通信电缆每条电缆中有数十甚至上百个线对，用它们接电话或者信号，根据颜色的不同，可以区分它们的顺序。国际标准：正：白红黑黄紫负：兰橙绿棕灰第3章信道3.1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第3章信道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吸收第3章信道23传播路径地面图3-1地波传播地面信号传播路径图3-2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：第3章信道24视线传播：频率30MHz距离:和天线高度有关[例]若要求D=50km，则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3-3视线传播图3-4无线电中继50822DrDhmm505050508222DrDh第3章信道25图3-5对流层散射通信地球有效散射区域第3章信道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600km26第3章信道流星流星余迹散射流星余迹特点－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以上特点－低速存储、高速突发、断续传输图3-8流星余迹散射通信流星余迹蜂窝传输技术物理特性：小区覆盖。传输特性：靠基站布置实现全区域覆盖，具有穿透饶射等能力。900MHz、1800MHz等频段。应用：GSM系统、cdma网络第3章信道调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的所有电路设备和传输介质，调制信道主要用来研究模拟通信系统的调制、解调问题，故调制信道又可称为连续信道（模拟信道）。编码信道的范围是从编码器输出端至译码器输出端，编码器的输出和译码器的输入都是数字序列，故编码信道又称为离散信道（数字信道）。第3章信道29第3章信道3.3.1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3-12调制信道数学模型)()]([)(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()]([tetktefii)()()()(tntetkteio30第3章信道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。若k(t)作随机变化，故称信道为随参信道。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：与信号同时存在、同时消失！即当没有信号时，没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio31第3章信道3.3.2编码信道模型二进制编码信道简单模型－无记忆信道模型P(0/0)和P(1/1)－正确转移概率P(1/0)和P(0/1)－错误转移概率P(0/0)=1–P(1/0)P(1/1)=1–P(0/1)P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)图3-13二进制编码信道模型发送端接收端32第3章信道四进制编码信道模型01233210接收端发送端33第3章信道3.4信道特性对信号传输的影响恒参信道的影响恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道…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左图为典型电话信道特性用插入损耗便于测量(a)插入损耗～频率特性34第3章信道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群时延定义：频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟～频率特性dd)(0相位～频率特性35第3章信道频率失真：振幅～频率特性不良引起的频率失真波形畸变码间串扰解决办法：线性网络补偿相位失真：相位～频率特性不良引起的对语音影响不大，对数字信号影响大解决办法：同上非线性失真：可能存在于恒参信道中定义：输入电压～输出电压关系是非线性的。其他失真：频率偏移、相位抖动…非线性关系直线关系图3-16非线性特性输入电压输出电压信号通过线性系统不失真的条件是该系统的传输函数H(ω)=H(ω)ejφ(ω)满足下述条件如果传输特性不好（即上述两个条件不满足），会使信号传输产生失真（也称畸变）。第3章信道1.幅度——频率畸变幅度——频率畸变是信道的幅度——频率特性不理想引起的，主要是在信道有效的传输带宽内，|H(ω)|不是恒定不变的，而是随频率的变化有所波动。这种振幅频率特性的不理想导致信号通过信道时波形发生失真，又称为幅度频率失真。产生原因：信道中存在各种滤波器、混合线圈、串联电容、分布电感等。影响：l对模拟信号，使波形失真，如语音信号，不同频率强弱变化；l对数字信号，会引起相邻码元波形在时间上相互重叠（因信道特性变化），从而造成码间串扰、误码。第3章信道2.1．相位——频率畸变：经常用群迟延——频率特性来描述相频特性：群迟延——频率特性为：τ(ω)=dφ(ω)/dω，当φ(ω)=-ωtd即τ(ω)=-td时，无相频畸变。ωφ(ω)-ωtdωτ(ω)-td00此时信号的不同频率成分将有相同的群迟延，因而信号经传输后不发生畸变。第3章信道如果信道的相位——频率特性偏离线性关系，即φ(ω)≠-ωtd时，由于信号的各次谐波通过信道后的相位关系发生改变，叠加后波形就产生了失真，称为相位频率失真，也称相位畸变。由于相位频率特性的非线性性转化为时延不一致而导致的失真，也称为群时延——频率失真。产生原因：滤波器、加感线圈。影响：语音信号，基谐时间关系失真，视频影响大。数字信号，产生串扰。第3章信道三、随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道包括短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射等。对流层：10km～12km以下大气层电离层：60～600km大气层第3章信道41第3章信道随参信道的影响随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播…随参信道的特性：衰减随时间变化时延随时间变化多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。下面重点分析多径效应42第3章信道多径效应分析：设发射信号为接收信号为(3.4-1)式中－由第i条路径到达的接收信号振幅；－由第i条路径达到的信号的时延；上式中的都是随机变化的。tA0cos0011()()cos[()]()cos[()]nniiiiiiRttttttt)(ti)(ti)()(0ttii)(),(),(tttiii43第3章信道应用三角公式可以将式(3.4-1)改写成：(3.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。式中－接收信号的包络－接收信号的相位niniiiiitttttttR1100)](cos[)()]([cos)()(niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()()](cos[)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcs44第3章信道所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。这种包络起伏称为快衰落－衰落周期和码元周期可以相比。另外一种衰落：慢衰落－由传播条件引起的。45第3章信道（3.4-3）则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数，故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，A－常数衰减因子，－确定的传输时延，－和信号频率有关的复因子，其模为)()(Ftf0)()(0jeAFtAf)(00)()(jeAFtAf)1()()()(000jjeeAFtAftAf)1()()1()()(00jjjjeAeFeeAFH0je)1(je2cos2sin)cos1(sincos1122jejf(t)延迟t0延迟t0+V0f(t-t0)+V0f(t-t0-τ)V0V00000222020()(1)()2cos()2jtjjjjjtjjtHVeeVeeeeVee