各种类型信道

第四章信道《通信原理（一）》CAI4.1无线信道4.2有线信道4.3信道的数学模型4.4信道特性及其对信号传输的影响4.5信道的噪声4.6信道容量第四章信道《通信原理（一）》CAI信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源发送端接收端通信系统的一般模型第四章信道《通信原理（一）》CAI一般来说,实际信道都不是理想的。首先，这些信道具有非理想的频率响应特性(无源干扰)，另外还有噪声和信号通过信道传输时掺杂进去的其他干扰(有源干扰)。信道是以传输媒质为基础的信号传输通道。明线电缆光缆狭义信道地波传播短波电离层反射超短波、微波视距中继人造卫星中继等有线信道无线信道广义信道：包括传输媒质和变换装置（发送接收调制解调）第四章信道《通信原理（一）》CAI第一节无线信道一、基本问题–无线信道电磁波的频率•受天线尺寸限制，一般为电磁波波长的1/10~1/4，故无线信道电磁波的频率较高。–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第四章信道《通信原理（一）》CAI第一节无线信道一、基本问题电离层对于传播的影响吸收(衰减)反射散射大气层对于传播的影响吸收散射频率(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大气衰减第四章信道《通信原理（一）》CAI第一节无线信道二、电磁波的分类与传输原理：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：电磁波不能到达的区域传播路径地面图4-1地波传播地面信号传播路径图4-2天波传播第四章信道《通信原理（一）》CAI第一节无线信道二、电磁波的分类与传输原理：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第四章信道《通信原理（一）》CAI第一节无线信道二、电磁波的分类与传输原理：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图4-7对流层散射通信地球有效散射区域第四章信道《通信原理（一）》CAI第一节无线信道二、电磁波的分类与传输原理：散射传播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4-8流星余迹散射通信流星余迹第四章信道《通信原理（一）》CAI第二节有线信道一、明线：明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。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，已逐渐被电缆代替。第四章信道《通信原理（一）》CAI第二节有线信道二、对称电缆：对称电缆是在同一保护套内由许多对相互绝缘的绞扭双导线做成的传输介质。导线材料是铝或铜，直径为0.4到1.4mm。为了减少各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。由于这些结构上的特点，故电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定。图4-9双绞线导体绝缘层第四章信道《通信原理（一）》CAI第二节有线信道三、同轴电缆：同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导体是金属线（芯线）。它们之间填充着绝缘介质，可能是塑料，也可能是空气。在采用空气绝缘的情况下，内导体依靠有一定间距的绝缘子来定位。导体金属编织网保护层实心介质图4-10同轴线第四章信道《通信原理（一）》CAI第二节有线信道四、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4-11光纤结构示意图(a)(b)(c)第四章信道《通信原理（一）》CAI第二节有线信道四、光纤：损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55m0.70.91.11.31.51.7光波波长（m）1.55m1.31m图4-12光纤损耗与波长的关系第四章信道《通信原理（一）》CAI编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编码信道调制信道广义信道调制信道：包含发转换装置、媒质和收转换装置。编码信道：编码信道包括调制器、调制信道和解调器。调制信道编码信道第三节信道的数学模型第四章信道《通信原理（一）》CAI一、调制信道模型调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，它所关心的是调制信道输入信号形式和已调信号通过调制信道后的最终结果，对于调制信道内部的变换过程并不关心。（1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；（3）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到（固定的或时变的）损耗；（2）绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；（4）即使没有信号输入，在信道的输出端仍一定的输出功率（噪声）。第三节信道的数学模型特征：第四章信道《通信原理（一）》CAI可用二对端（或多对端）的时变线性网络去代替调制信道。时变线性网络teiteo二对端网络时变线性网络tei1teimten0te01多对端网络（m对输入）n对输出一、调制信道模型第三节信道的数学模型第四章信道《通信原理（一）》CAI信道对信号的影响有两点乘性干扰k(t)加性干扰n(t)输入的已调信号，信道输出波形，信道噪声(加性干扰)~tei~te0~tn～表示信道对信号的影响（变换）的某种函数关系。tefi二端口调制信道模型输出与输入的关系：eo(t)=f[ei(t)]+n(t)一、调制信道模型第三节信道的数学模型对的一种乘性干扰。可以写成：tetki~tkteitntetktei0通常该函数关系可写成第四章信道《通信原理（一）》CAI加性噪声n(t)通常是一种高斯噪声，该信道模型通常也称为加性高斯噪声信道。一、调制信道模型第三节信道的数学模型k(t)＋n(t)ei(t)信道调制信道模型eo(t)=f[ei(t)]+n(t)第四章信道《通信原理（一）》CAI如果了解的特性，信道对信号的影响就能搞清楚。tntk、,ktktkt对信号影响恒参信道固定缓慢有线信道乘性干扰对信号的影响随参信道随机快变化移动信道一、调制信道模型第三节信道的数学模型第四章信道《通信原理（一）》CAI二、编码信道模型第三节信道的数学模型编码信道包括调制信道、调制器和解调器，它与调制信道模型有明显的不同，是一种数字信道或离散信道。编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。第四章信道《通信原理（一）》CAIP(0)和P(1)分别是发送“0”符号和“1”符号的先验概率，P(0/0)与P(1/1)是正确转移概率，P(1/0)与P(0/1)是错误转移概率。信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，错误转移概率P(1/0)与P(0/1)也就越大；反之，错误转移概率P(1/0)与P(0/1)就越小。根据概率性质可知：P（0/0）=1-P（1/0）P（1/1）=1-P（0/1二、编码信道模型第三节信道的数学模型第四章信道《通信原理（一）》CAIP(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01二进制编码信道模型x0x1…xM－1y0y1…yN－1｛X｝｛Y｝多进制无记忆编码信道模型。如果编码信道是有记忆的，则编码信道模型要比上两图复杂的多二、编码信道模型第三节信道的数学模型第四章信道《通信原理（一）》CAI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的。因此，其传输特性可以等效为一个线性时不变网络。只要知道网络的传输特性，就可以采用信号与系统的分析方法，分析信号通过信道后的变化规律。线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特性来表征。现在我们首先讨论理想情况下的恒参信道特性。第四节信道特性及对信号传输的影响一、恒参信道对信号传输的影响第四章信道《通信原理（一）》CAI理想情况下恒参信道特性：0000()()()()()()()()|()|jtjtjytkxtthtkttHkttedtHHeke信号经过信道不失真的要求是：输入信号是单位冲击函数时：此时信道特性：w0()t|()|HkH（）xtytKxtt0H(ω)=kφ(ω)=－ωt0第四节信道特性及对信号传输的影响一、恒参信道对信号传输的影响第四章信道《通信原理（一）》CAI1.幅度—频率畸变:由于实际信道的幅度频率特性不理想，信号通过信道后会产生幅度-频率失真，又称为频率失真（属于线性失真）。衰减特性在300~3000Hz频率范围内比较平坦；300Hz以下和3000Hz以上衰耗增加很快，这种衰减特性正好适应人类话音信号传输。典型音频电话信道的幅度衰减特性第四节信道特性及对信号传输的影响一、恒参信道对信号传输的影响第四章信道《通信原理（一）》CAI信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰。减小幅度-频率失真的方法：改善电话信道的滤波性能，或者通过一个线性补偿网络（均衡技术），使衰耗特性曲线变得平坦。比如：在电话信道中传输数字信号时，通常采取均衡措施。第四节信道特性及对信号传输的影响1.幅度—频率畸变:一、恒参信道对信号传输的影响第四章信道《通信原理（一）》CAI2.相位-频率畸变:当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道的信号产生相位-频率失真，它也属于线性失真。通常还用群延迟-频率特性来衡量：ttKω0理想的群延迟-频率特性w0()t理想的相位-频率特性第四节信道特性及对信号传输的影响一、恒参信道对信号传输的影响第四章信道《通信原理（一）》CAI实际信道总是不理想的，它对信号中不同的频率分量有不同的群延迟。下图给出了一个典型的电话信道的群迟延频率特性。群迟延频率特性第四节信道特性及对信号传输的影响2.相位-频率畸变:一、恒参信道对信号传输的影响第四章信道《通信原理（一）》CAI基波相移π、三次谐波相移2π的后产生的失真vi(t)=sinωt+1/2sin3ωtvo(t)=sinω(t-T/2)+1/2sin3ω(t-T/3)(a)输入信号波形(b)输出信号波形第四节信道特性及对信号传输的影响2.相位-频率畸变:一、恒参信道对信号传输的影响第四章信道《通信原理（一）》CAI随参信道中传输媒质的特性对信号传输的影响是最主要的。通过对短波电离层反射信道和对流层散射信道这两种典型随参信道的分析知，随参信道的传输媒质具有以下三特点(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。由于随参信道比恒参信道复杂得多，它对信号传输的影响也比恒参信道严重得多。第四节信道特性及对信号传输的影响二、随参信道对信号传输的影响第四章信道《通信原理（一）》CAI设发射波为Acosω0t,则经过n条路径传播后的接收