通信原理 第4章 信道

第四章信道4.1信道4.2信道的数学模型4.3信道特性对信号传输的影响4.4信道的加性噪声4.5信道的容量第四章信道引言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。第四章信道4.1信道概念：就是信号传输的媒质根据通信的概念，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。第四章信道无线信道：微波传输等信道狭义广义有线信道：光缆光纤等调制信道编码信道恒参信道随参信道有记忆信道无记忆信道信道的分类：第四章信道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第四章信道多模明线对称电缆同轴电缆电缆光纤对称电缆同轴电缆单模有线信道第四章信道（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第四章信道（2）对称电缆在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质。导线材料是铝或铜，直径为0.4~1.4mm。为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。通常有两种类型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）。第四章信道第四章信道特点电缆的传输损耗比较大但其传输特性比较稳定并且价格便宜安装容易对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路，在许多局域网如以太网、令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。STP电缆的特性同UTP的特性相同，由于加入了屏蔽措施。对噪声有更好的屏蔽作用，但是其价格要昂贵一些.第四章信道（3）同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着介质。实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆。第四章信道第四章信道为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内，构成多芯同轴电缆，另外还可以装入一些二芯绞线对或四芯线组，作为传输控制信号用。(a)芯1芯2四芯组B四芯线A芯3芯1芯2芯4芯1芯6芯5芯2芯3芯4芯5芯1芯3芯6芯7芯4芯2芯8(b)外层导体（屏蔽层）塑料外皮内层导体绝缘体第四章信道第四章信道第四章信道（4）.光纤分为单模光纤、多模光纤。第四章信道光纤线径细、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；可弯曲半径小、不怕腐蚀、安全保密性好、节省有色金属。已调光信号光源光调制器光纤线路光检测器调制电信号解调电信号基带处理基带处理基带电信号基带电信号第四章信道无线信道地波（2MHz以下;绕射）天波（2MHz-30MHz;反射）视距（30MHz以上;透射）卫星通信、平流层通信散射传播：电离层散射、对流层散射、流星余迹散射第四章信道第四章信道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第四章信道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。第四章信道4.2信道的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第四章信道性网络时变线)(tei)(ote)(1tei)(oten)(2ote)(1ote)(teim)(2tei络网性线变时对输入）（m对输出）（n（1）二对端网络（2）多对端网络调制信道模型第四章信道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：)()]([)(0tnteftei对二对端的信号模型，输入与输出的关系：)]([tefi)()(tetki)(tei)(tk)()()()(0tntetktei)(tn调制信道模型：第四章信道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。第四章信道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)第四章信道二进制编码信道模型图四进制编码信道模型第四章信道4.3信道特性对信号传输的影响多径传播幅度衰减时变恒参信道随参信道幅频特性相频特性相移时变调制信道第四章信道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)(tfi)(0tf)(tfi)()(0dittKftf式中，幅度衰减因子K及延迟时间td均为常数，上式被称为无失真传输的数学模型信号无失真传输：第四章信道对其两端求傅立叶变换，有-jωtdFo(ω)=KFi(ω)e由于Fo(ω)=H(ω)Fi(ω)得到信道无失真传输在频域的条件，即传输函数为jφ(ω)-jωtdH(jω)=|H(ω)|e=Ke所以信道无失真传输在频域中的幅频、相频条件为H(ω)=Kφ(ω)=－ωtd第四章信道HKodto（1）幅—频特性（2）相—频特性无失真传输的幅频条件和相频条件第四章信道理想群延迟频率特性)(k)(k第四章信道1．幅度-频率失真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），所造成的合成输出信号的失真（畸变）。2．相位-频率失真已调信号中各频率分量相位移动引起的失真，即不同频率的信号分量不能有相同的时间延迟。恒参信道特性及其对信号传输的影响第四章信道（（1）原信号（2）经迟延时后的信号群迟延产生失真的例子第四章信道恒参信道特性及其对信号传输的影响相位抖动(振荡器频率不稳)谐波失真(单频幅度增益不均匀)线性失真振幅失真相位失真频率偏移(频谱平移)信号的失真第四章信道（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）漫射现象随参信道及其对信号传输的影响第四章信道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．多径传播随参信道及其对信号传输的影响第四章信道多径传播:由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点。发收电离层多径传播后的接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成4.4随参信道及其对信号传输的影响第四章信道设发射波为经n条路径传播后的接收信号为R（t）tA0cosniiittttR10)]([cos)()()](cos[)(01tttinii)(ti——第i条路径的接收信号振幅)(ti——第i条路径的传输时延)()(0ttii第四章信道设niiittttR10cos)(cos)()(niiittt10sin)(sin)(niiictttX1)(cos)()(niiistttX1)(sin)()(ttXttXtRsc00sin)(cos)()()](cos[)(0tttV由于，缓慢变化，故及也缓慢变化，所以，R（t）可视为一个窄带高斯过程。)(ti)(ti)(tXc)(tXs)(tV)(t高斯随机变量第四章信道多径传播使确定的载波信号变为包络和相位受到调制的窄带信号，称为衰落信号。多径传播引起了频率弥散。第四章信道tf0VtfV00t迟延00ttfV0t迟延00ttfV0000ttfVttfV0VtfV0两径传播模型f(t)←→F(ω)V0f(t-t0)←→V0F(ω)e-jωt0V0f(t-t0-τ)←→V0F(ω)e-jω(t0+τ)V0f(t-t0)+V0f(t-t0-τ)←→V0F(ω)e-jωt0(1+e-jωτ)于是，当两径传播时，模型的传输特性H(ω)为jtjjtjeeVFeeFVH110000第四章信道所求的传输特性除常数因子V0外，是由一个模值为1,固定时延为t0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|cosωτ/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Δf。)1(je2cos22cos2sin2-2cos2sincos1120jjetjmmf1第四章信道频率的选择性衰落第四章信道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）最大比值相加式第四章信道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，一般有两类：人为噪声：电器电磁影响等自然噪声：热噪声等4.4信道的加性噪声第四章信道以无限小的差错率和无限大的速率传输信息，这是人们对通信系统的希望。但可靠性和有效性是一对矛盾，不可能两者都达到理想状态。实际工程中，一个现实的折衷方案是在满足可靠性的前提下尽可能提高信息速率。传输的最大平均信息速率被称为信道容量。4.5信道的容量第四章信道1离散信道的信道容量b（a）无噪声信道(b)有噪声信道离散信道模型第四章信道信源的符号在离散信道种传输，由于噪声的干扰，发x可能收到y。设H(x)为信源种各个符号的平均信息量，H(x/y)为因发x而收y造成的信息量的损失。则传输过程中每个符号实际承载的平均信息量为：H(x)-H(x/y)设单位时间传送的符号数为r，则信息传输速率为：R=r[H(x)-H(x/y)]第四章信道例：信源由0,1组成，2进制等该发送，速率：1000符号/S，信道为对称信道，错误概率为=1/128。1.画出信道模型图；2.求信道容量C和Ct；第四章信道2211()log2log21()22Hx信源的平均信息量211(/)()(/)log(/)]mnjijijjiHxypypxypxy])0/0(1log)0/0()0/1(1log)0/1()[0(22ppppp])1/1(1log)1/1()1/0(1log)1/0()[1(22ppppp2211log(1)log0.0651eeeeppppmax[()(/)]0.935(/)10000.935935(/)CHxHxybCrbs符号第四章信道香农公式：调制信道带宽为B(Hz)，且受到单边功率谱密度为n0(W/Hz)的加性高斯白噪声的干扰，信号的平均功率为S(W)，则信道传输的最大信息速率（信道容量）为：2连续信道的信道容量第四章信道1．若提高信噪比S