通信原理_Chapter4_V6

1第4章信道第4章信道2§4.1引言1.有线信道明线;对称电缆(双绞线)，同轴电缆，光缆;2.无线信道地波（长波，中波）传播信道，短波电离层反射信道，超短波和微波视距中继信道，人造卫星中继信道，散射信道；3.广义信道—编码与解码端，研究信号的共性的信道传输媒质＋传输设备：调制器=发送设备=馈线与天线=接收设备=解调器；4.调制信道—信号流的共性发送设备=馈线与天线=接收设备；第4章信道3§4.2信道定义第4章信道译码器输入发转换器媒质收转换器解调器调制器（调制）信道广义（编码）信道编码器输出4§4.3信道数学模型第4章信道1.调制信道模型:对于单“端对端”信道式中ei(t)－输入的已调信号；eo(t)－输出信号；n(t)－加性噪声，它与ei(t)相互独立。f[ei(t)]－与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。ei(t)eo(t)时变线性网络,oiietfetntfetntt5§4.3信道数学模型第4章信道通常，f[ei(t)，t]可以表示为：k(t).ei(t)，此时，eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)其中：k(t)表示时变线性网络的特性，称为乘性干扰。k(t)：一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟…等。最简单情况：k(t)=常数，表示衰减。当k(t)=常数，称为恒(定)参(量)信道例如，同轴电缆当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道例如，移动蜂窝网通信信道6§4.3信道数学模型第4章信道2.编码信道模型—最抽象的模型:二进制信号、无记忆信道其中，P(0/0),P(1/1)－正确转移概率，对应一定的信息量P(0/1),P(1/0)－错误转移概率，对应一定的信息量转移概率－决定于编码信道的特性:P(0/0)=1-P(1/0);P(1/1)=1-P(0/1)0110P(0/0)P(0/1)P(1/1)P(1/0)00000101iiPPPPP01111010iiPPPPP输入信息量转移到输出端的信息量7§4.3信道数学模型第4章信道四进制编码信道01233210接收端发送端30jjiiiyPyPxPx01111101230123iiiiPPPPPPPPP00000001230123iiiiPPPPPPPPP8§4.4恒参信道举例第4章信道1.有线信道–明线–对称电缆–同轴电缆图1.4.8同轴电缆截面示意图9§4.4恒参信道举例第4章信道有线电信道电气特性信道类型通话容量（路）频率范围(kHz)传输距离(km)明线1+30.3～27300明线1+3+120.3～150120对称电缆2412～10835对称电缆6012～25212～18小同轴电缆30060～13008小同轴电缆96060～41004中同轴电缆1800300～90006中同轴电缆2700300～120004.5中同轴电缆10800300～600001.510§4.4恒参信道举例第4章信道–光纤•结构•损耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波长（nm）1.55m1.31m0.70,91.11.31.51.711§4.4恒参信道举例第4章信道2.无线信道–无线电通信的起源：英国的马可尼–电磁波发射对波长的要求:•绕射（衍射）、反射、散射、透射•波长和尺度：发射和接收天线的尺度同波长成正比–频段（波长）划分12§4.4恒参信道举例第4章信道频段（波长）划分频率范围名称典型应用(kHz)3–30甚低频(VLF)远程导航、水下通信(10-100km)声纳、授时30–300低频(LF)导航、水下通信(1-10km)无线电信标300–3000中频(MF)广播、海事通信、(100-1000m)测向、遇险求救、海岸警卫13§4.4恒参信道举例第4章信道频段（波长）划分频率范围名称典型应用(MHz)3–30高频(HF)远程广播、电报、电话、飞机(10-100m)与船只间通信、船－岸通信、业余无线电30–300甚高频(VHF)电视、调频广播、陆地交通、(米波）空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信300–3000特高频(UHF)电视、蜂窝网、微波链路、(分米波）无线电探空仪、导航、卫星通信、GPS、监视雷达、无线电高度计14§4.4恒参信道举例第4章信道频率范围名称典型应用(GHz)3–30超高频(HF)卫星通信、无线电高度计、（厘米波）微波链路、机载雷达、气象雷达、公用陆地移动通信30–300极高频(VHF)铁路业务、雷达着陆系统、（毫米波）实验用300–3000亚毫米波实验用（0.1–1mm）15§4.4恒参信道举例第4章信道频率范围名称典型应用(THz)43–430红外线光通信系统(7–0.7m)430–750可见光光通信系统(0.7–0.4m)750–3000紫外线光通信系统(0.4–0.1m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz,THz=1012Hz,mm=10-3m,m=10-6m16§4.4恒参信道举例第4章信道对流层地球0~10km电离层60~300km平流层电磁波传播：1.地波2.天波3.视线传播17§3.4恒参信道举例第4章信道地波–频率：2MHz以下–绕射：发生在波长～障碍物尺寸可比时–通信距离：可达数百～数千km地球18§4.4恒参信道举例第4章信道–频率：30MHz–传播距离:d2+r2=(h+r)2,或hD2/50(m)式中D－km视线传播hr地面ddDrh2rh2hd219§3.4恒参信道举例第4章信道无线电中继无线电中继20§4.4恒参信道举例第4章信道静止卫星中继通信21§4.4恒参信道举例第4章信道平流层中继通信•HAPS(HighAltitudePlatformStation)22§4.4恒参信道举例第4章信道频率(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1.4.5大气衰减大气对电磁波传播的影响23§4.4恒参信道举例第4章信道蜂窝网移动交换中心电话交换中心24§4.5恒参信道特性及其对信号传输的影响第4章信道恒参信道:非时变线性网络•振幅~频率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性25§4.5恒参信道特性及其对信号传输的影响第4章信道•相位~频率特性:•理想特性:相位()=k=t;群迟延()=d()/d=k畸变的影响:波形失真（相位失真）、码间串扰。•线性失真:频率失真和相位失真：属于线性失真可用“线性补偿网络”纠正，－“均衡”•非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动…非线性失真－难以消除ω()0理想特性理想特性()026§4.6随参信道举例第4章信道–D层：高60~80km–E层：高100~120km–F层：高150~400km•F1层：140~200km•F2层：250~400km–晚上：D层、F1层消失E层、F2层减弱电离层的结构DEFF2F1地面27§4.6随参信道举例第4章信道天波电离层高度：60～300km–单跳最大距离：4000km–多跳可以环球–频率：2～30MHz28§4.6随参信道举例第4章信道散射通信•电离层散射–频率:30~60MHz•对流层散射–频率:100~4000MHz•流星余迹散射–频率:30~100MHz图3.4对流层散射通信地球有效散射区域地球图3.4流星余迹散射通信29§4.7随参信道特性及其对信号传输的影响第4章信道•变参信道:–变参信道的共性－衰落:衰减随机变化传输时延:随机变化多径效应:快衰落–接收信号的特性:设发送信号为Acos0t，则经过n条路径传播后的接收信号R(t)可以表示为：式中ri(t)－第i条路径的接收信号振幅；i(t)－第i条路径的传输时延i(t)=-0i(t)Xc(t)Xs(t)0011()()cos[()]()cos[()]nniiiiiiRtrtttrtttn1in1i0ii0iitsin)t(sin)t(rtcos)t(cos)t(r)t(R30§4.7随参信道特性及其对信号传输的影响第4章信道式中V(t)－合成波R(t)的包络;〖多径衰落〗(t)－合成波R(t)的相位。即有由于，相对于而言，ri(t)和i(t)变化缓慢，故Xc(t),Xs(t)及V(t),(t)也是缓慢变化的。所以，R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。000()()cos()sin()cos[()]csRtXttXttVttt)t(X)t(Xarctan)t()t(X)t(X)t(Vcs2s2c31§4.7随参信道特性及其对信号传输的影响第4章信道由下式可见，原发送信号Acos0t，经过传输后：*恒定振幅A，变成慢变振幅V(t);*恒定相位0，变成慢变相位(t)；*因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。0()()cos[()]RtVttttff032§4.7随参信道特性及其对信号传输的影响第4章信道•频率选择性衰落设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；发射信号为f(t)，接收信号为af(t-0)和af(t-0-)；发射信号的频谱为F()。则有f(t)F()af(t-0)aF()e-j0af(t-0-)aF()e-j(0+)af(t-0)+af(t-0-)aF()e-j0(1+e-j)H()=aF()e-j0(1+e-j)/F()=ae-j0(1+e-j)|1+e-j|=|1+cos-jsin|=|[(1+cos)2+sin2]1/2|=2|cos(/2)|•三类信号：*确知信号*随相信号*起伏信号33§4.8随参信道特性的改善－－分集接收第4章信道34§4.9信道的加性噪声第4章信道•按照来源分类：–人为噪声：电火花、家用电器…–自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声…•按照性质分类：–脉冲噪声：瞬时高强度宽频带，电火花；–窄带噪声：窄带信号正弦波，相邻信号干扰–起伏噪声：整个时域、频域的随机噪声；电阻的热噪声，电子运动的碰撞，复合的散粒噪声；电子线路的共性—白噪声•今后讨论通信系统时主要涉及：白噪声－热噪声是一种典型白噪声。35§4.9信道的加性噪声第4章信道白噪声－热噪声是一种典型白噪声。特点：频率：白，宽频谱，幅度：高斯分布；通信系统的接收机和解调器的带通滤波器滤波后，带宽受到限制，称为窄带噪声，带限白噪声，高斯＝》线性系统＝》高斯过程，窄带高斯过程4VkTRB36§4.9信道的加性噪声第4章信道37§4.10信道容量的概念第4章信道•离散信道：离散信号，编码信道：转移概率描述•连续信道：连续信号，调制信道：信噪比描述4.10.1离散信道的信道容量x1x2xny1y2ynXiP(xi)yiP(yi)P(y1/x1)P(y2/x2)P(yn/xn)()1()0nnnnnmmnxyppyxxyppyxx1x2xny1y2ynXiP(xi)yiP(yi)P(y1/x1)P(yn/x1)P(yn/xn)()1()0nnnnnmmnxyppyxxyppyx无噪声的信道有噪声的信道转移概率38§4.10信道容量的概念第4章信道12211111loglogIxIypxpy1111yxIyIx2222yxIyIx2x2211()[]iiiiiiiHyHEIypyIypxIxx11pxpy22pxpy1x12[110