第4章信道-优秀PPT.ppt

信道定义信道定义信道是指以传输媒质为基础的信号通道。假如信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道；假如信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。信道的分类：广义信道、狭义信道 有线信道、无线信道 调制信道、编码信道 狭义信道依据传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。广义信道依据它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。还可以定义其他形式的广义信道。常把广义信道简称为信道。l无线信道是对无线通信中发送端和接收端之间通无线信道是对无线通信中发送端和接收端之间通路的一种形象比方。路的一种形象比方。l无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号。无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号。l信道具有确定的频率带宽，正如马路有确定的宽信道具有确定的频率带宽，正如马路有确定的宽度一样。度一样。4.1 4.1 无线信道无线信道l电磁波传播主要分为地波、天波和视线传播三种。电磁波传播主要分为地波、天波和视线传播三种。l地波：频率在地波：频率在2MHz以下，电磁波沿大地与空气的分以下，电磁波沿大地与空气的分界面传播。传播时无线电波可随地球表面的弯曲而界面传播。传播时无线电波可随地球表面的弯曲而变更传播方向。在传播途中的衰减大致与距离成正变更传播方向。在传播途中的衰减大致与距离成正比。地波的传播比较稳定，不受昼夜变更的影响，比。地波的传播比较稳定，不受昼夜变更的影响，所以长波、中波和中短波可用来进行无线电广播。所以长波、中波和中短波可用来进行无线电广播。l天波：天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反天波：天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的，频率范围在射而传播的，频率范围在230MHz。天波是短波的。天波是短波的主要传播途径。传播距离很远主要传播途径。传播距离很远(可上万公里可上万公里)，而且，而且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。天波的传播天波的传播地波的传播地波的传播l视线传播：频率高于视线传播：频率高于30MHz的电磁波将穿透电离的电磁波将穿透电离层，不能被反射回来，它只能作视线传播，即直层，不能被反射回来，它只能作视线传播，即直线传播。典型的是微波通信，利用微波接力站。线传播。典型的是微波通信，利用微波接力站。天线越高，传播距离越远。天线越高，传播距离越远。视线传播：频率视线传播：频率 30 MHz。距离和天线高度。距离和天线高度有关：有关：mddh接收天线发射天线传播途径D地面rr微波中继信道微波中继信道l利用三颗同步地球卫星利用三颗同步地球卫星(高度高度35800km)，可实现，可实现全球通信。全球通信。l中、低轨道卫星主要用于移动通信，一般距地面中、低轨道卫星主要用于移动通信，一般距地面1000km，由于卫星的轨道高度低，卫星形成的，由于卫星的轨道高度低，卫星形成的覆盖小区在地球表面快速移动，绕地球一周约需覆盖小区在地球表面快速移动，绕地球一周约需两小时。传输延时短，路径损耗小，若干数量的两小时。传输延时短，路径损耗小，若干数量的卫星组成空间移动通信网，在任一时间和地球上卫星组成空间移动通信网，在任一时间和地球上的任一地点，都有至少一颗卫星可以覆盖。的任一地点，都有至少一颗卫星可以覆盖。l卫星之间实行空间交换，以保证陆地、海洋乃至卫星之间实行空间交换，以保证陆地、海洋乃至空中的移动通信不间断地进行。空中的移动通信不间断地进行。低轨道卫星系统低轨道卫星系统同步卫星同步卫星地球大气层的结构l对流层：地面上 0 10 kml平流层：约10 60 kml电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 kml有线信道是利用人造的有线信道是利用人造的传导电或光信号的媒体传导电或光信号的媒体来传输信号。来传输信号。l构成有线信道的传输媒构成有线信道的传输媒质包括架空明线、对称质包括架空明线、对称（平衡）电缆、同轴电（平衡）电缆、同轴电缆、光缆、波导管等。缆、光缆、波导管等。以适应各种不同的通信以适应各种不同的通信方式及不同容量的须要。方式及不同容量的须要。4.4.有线信道有线信道架空线路架空线路l架空明线主要优点是架设比较简洁，建设较快，传架空明线主要优点是架设比较简洁，建设较快，传输衰耗比较小。主要缺点是随频率上升辐射损耗快输衰耗比较小。主要缺点是随频率上升辐射损耗快速增加，线对间串话也急剧增加。此外受环境影响速增加，线对间串话也急剧增加。此外受环境影响大，保密性差，维护工作量较大。大，保密性差，维护工作量较大。l对称电缆由若干对双绞线组成。对称电缆的通信容对称电缆由若干对双绞线组成。对称电缆的通信容量比架空明线大，每条电路投资比明线低，电气性量比架空明线大，每条电路投资比明线低，电气性能比较稳定，平安保密性好。能比较稳定，平安保密性好。对称电缆对称电缆l同轴电缆是将电磁波封闭在同轴管内，内导体多同轴电缆是将电磁波封闭在同轴管内，内导体多为实心导线，外导体为一根空心导电管或金属编为实心导线，外导体为一根空心导电管或金属编织网。即使工作频率较高，同轴电缆之间电磁波织网。即使工作频率较高，同轴电缆之间电磁波的相互干扰也较小，因此适用于高频段、大容量的相互干扰也较小，因此适用于高频段、大容量载波电话（电报）通信。载波电话（电报）通信。同轴电缆同轴电缆同轴电缆结构图同轴电缆结构图 表表 41 几种有线电缆的特性几种有线电缆的特性 线路类型线路类型 频率范围频率范围/MHz 信号衰减信号衰减 电磁干扰电磁干扰 非屏蔽非屏蔽 UTP电缆电缆 1100高高一般一般屏蔽屏蔽 STP电缆电缆 1150 高高 小小 同轴电缆同轴电缆 11000 低低 小小 l光在高折射率的媒质中光在高折射率的媒质中具有聚焦特性，把折射具有聚焦特性，把折射率高的媒质做成芯线，率高的媒质做成芯线，折射率低的媒质做成芯折射率低的媒质做成芯线的包层，就构成光纤，线的包层，就构成光纤，光纤集中在一起构成光光纤集中在一起构成光缆。光纤可以传输光信缆。光纤可以传输光信号。光缆通信通信容量号。光缆通信通信容量极大、传输损耗微小、极大、传输损耗微小、没有串话现象、不受电没有串话现象、不受电磁感应干扰。磁感应干扰。光缆光缆0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波长（m）1.55 m1.31 m图4-12光纤损耗与波长的关系光纤损耗与波长关系：光纤损耗与波长关系：损耗最小点：损耗最小点：1.31与与1.55 m，这是目前应用最广的波长。，这是目前应用最广的波长。光纤信道光纤信道1.线径细线径细,重量轻。重量轻。2.损耗极低。损耗极低。3.传输的频带宽、信息容量大。传输的频带宽、信息容量大。4.不受电磁干扰、防腐和不会锈蚀。不受电磁干扰、防腐和不会锈蚀。5.不怕高温不怕高温,防爆、防火性能强。防爆、防火性能强。6.光纤通信保密性好。光纤通信保密性好。l光线的传播模式是指光线传播的路径。光线的传播模式是指光线传播的路径。l多模光纤是指光波在光纤中的光线有多条传播路径。多模光纤是指光波在光纤中的光线有多条传播路径。用发光二极管作光源，光源不是单色的，包含多个频用发光二极管作光源，光源不是单色的，包含多个频率成分。各路径传输时延不同，存在色散现象，造成率成分。各路径传输时延不同，存在色散现象，造成波形失真，带宽低。波形失真，带宽低。l单模光纤是指光波在光纤中只有一种传播模式。激光单模光纤是指光波在光纤中只有一种传播模式。激光器作光源，单色波传播，只有一种传播模式，频带宽。器作光源，单色波传播，只有一种传播模式，频带宽。l单模光纤传输接受激光器，成本高，用作远距离传输；单模光纤传输接受激光器，成本高，用作远距离传输；多模光纤接受发光二极管，成本低，用作近距离传输。多模光纤接受发光二极管，成本低，用作近距离传输。4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型l调制信道：调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制调制信道：调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的全部和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的全部变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调信号进行某种变换。信号进行某种变换。l编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。时变线性网络时变线性网络M对输入Si(t)So(t)Si1(t)Si2(t)Sim(t)So1(t)So2(t)Som(t)二对端网络二对端网络多对端网络多对端网络1.1.调制信道模型调制信道模型调制信道的共性：调制信道的共性：有一对有一对(或多对或多对)输入端和一对输入端和一对(或多对或多对)输出端；输出端；绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理；绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理；信号通过信道具有确定的拖延时间，而且它还会受到信号通过信道具有确定的拖延时间，而且它还会受到(固定的或时变的固定的或时变的)损耗；损耗；即使没有信号输入，在信道的输出端仍有确定的功率即使没有信号输入，在信道的输出端仍有确定的功率输出输出(噪声噪声)。l对于二对端的信道模型对于二对端的信道模型(一对输入端和一对输出端一对输入端和一对输出端)，其，其输出与输入的关系应当有输出与输入的关系应当有 其中，其中，为输入的已调信号；为输入的已调信号；为信道总输出波形；为信道总输出波形；为加性噪声为加性噪声/干扰，且与干扰，且与 相互独立。相互独立。表示已调表示已调信号通过网络所发生的信号通过网络所发生的(时变时变)线性变换。线性变换。若设若设 ，则有，则有l信道的作用相当于对输入信号乘了一个系数信道的作用相当于对输入信号乘了一个系数k(t)。上式为调制信号的一般数学模型。上式为调制信号的一般数学模型。l加性干扰加性干扰 n(t)n(t)l乘性干扰乘性干扰k(t)k(t)l通常乘性干扰是一个困难的函数，包括各种线性通常乘性干扰是一个困难的函数，包括各种线性畸变、非线性畸变，同时由于信道的拖延特性和畸变、非线性畸变，同时由于信道的拖延特性和损耗特性随时间作随机变更，往往用随机过程来损耗特性随时间作随机变更，往往用随机过程来表述。表述。l在分析乘性干扰时，可以把信道粗略分为两大类：在分析乘性干扰时，可以把信道粗略分为两大类：l 恒参信道：恒参信道：k(t)k(t)不随时间变更或基本不变更；不随时间变更或基本不变更；l 随参信道：随参信道：k(t)k(t)随机快变更。随机快变更。l当没有信号输入时，加性干扰也存在，但没有乘当没有信号输入时，加性干扰也存在，但没有乘性干扰输出。性干扰输出。2.2.编码信道模型编码信道模型l编码信道的输入和输出信号是数字序列，对二进编码信道的输入和输出信号是数字序列，对二进制即制即0和和1的序列。的序列。l编码信道对信号的影响是一种数字序列的变换，编码信道对信号的影响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。一般把即把一种数字序列变成另一种数字序列。一般把编码信道看成是一种数字信道。编码信道看成是一种数字信道。l编码信道模型可以用数字的转移概率来描述，模编码信道模型可以用数字的转移概率来描述，模型中，把型中，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称为称为信道转移概率。以信道转移概率。以P(1/0)为例，其含义是为例，其含义是“经信经信道传输，把道传输，把0转移为转移为1的概率的概率”，这是一种错误转，这是一种错误转移概率。移概率。l编码信道是无记忆的信道，即前后码元发生的错编码信道是无记忆的信道，即前后码元发生的错误是相互独立的。误是相互独立的。二进制编码信道模型二进制编码信道模型 P(0)是发送是发送“0”符号的先验概率符号的先验概率P(1)是发送是发送“1”符号的先验概率符号的先验概率P(0/0)与与P(1/1)是正确转移的概率是正确转移的概率P(1/0)与与P(0/1)是错误转移概率是错误转移概率输出的总的错误概率为输出的总的错误概率为：Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)四进制编码信道模型（参见习题四进制编码信道模型（参见习题4-5）n个发送符号和个发送符号和m个接收符号的一般信道模型如图个接收符号的一般信道模型如图4-21。4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响l依据调制信号的模型，信道分为恒参信道和随参信道。依据调制信号的模型，信道分为恒参信道和随参信道。l 恒参信道：恒参信道：k(t)不随时间变更或基本不变更；不随时间变更或基本不变更；l 随参信道：随参信道：k(t)随机快变更。随机快变更。1.1.恒参信道特性对信号传输的影响恒参信道特性对信号传输的影响恒参信道可等效为一个线性时不变网络，其传输特恒参信道可等效为一个线性时不变网络，其传输特性性H()可用幅频特性，相频特性共同描述：可用幅频特性，相频特性共同描述：幅频特性幅频特性(传输特性幅值与频率的关系传输特性幅值与频率的关系)：相频特性相频特性(传输特性相位与频率的关系传输特性相位与频率的关系)：志向恒参信道对信号传输的影响是：(1)对信号在幅度上产生固定的衰减；(2)对信号在时间上产生固定的拖延。这种状况也称信号是无失真传输。l希望信号经过信道后不产生失真，则希望信号经过信道后不产生失真，则H()满足以下条满足以下条件：件：l定义群延迟为相位频率特性的导数，即定义群延迟为相位频率特性的导数，即 则志向的相位频率特性和群延迟则志向的相位频率特性和群延迟 频率特性图为：频率特性图为：l对于音频电话信道，导线有电阻，在高频时还有电感，对于音频电话信道，导线有电阻，在高频时还有电感，两根导线之间有分布电容，因此电话信道可看成是由两根导线之间有分布电容，因此电话信道可看成是由一个个电阻、电感和电容二端口网络级连而成。电话一个个电阻、电感和电容二端口网络级连而成。电话信号的可用频率为信号的可用频率为300Hz3400Hz。25201510 0插入损耗/dB群延迟/ms电话信道振幅频率特性与相位频率特性图电话信道振幅频率特性与相位频率特性图l因为人的耳朵对相频不太敏感，可不考虑相频影响，因为人的耳朵对相频不太敏感，可不考虑相频影响，仅考虑幅频特性。仅考虑幅频特性。l两种失真：实际信道特性不志向，必定对信号产生主两种失真：实际信道特性不志向，必定对信号产生主要的两种失真要的两种失真。1.幅频失真：幅频失真：表示信号中不同频率的重量分表示信号中不同频率的重量分别受到信道不同的衰减。别受到信道不同的衰减。2.影响：模拟信号：波形失真影响：模拟信号：波形失真 信噪比下降信噪比下降3.数字信号：码间串扰数字信号：码间串扰 造成误码造成误码4.2.相频失真（或群延时失真）：相频失真（或群延时失真）：表示信号中不表示信号中不同频率的重量分别受到信道不同的时延。同频率的重量分别受到信道不同的时延。5.影响：对话音信号影响不大影响：对话音信号影响不大6.数字信号：码间串扰数字信号：码间串扰 误码率增大误码率增大7.二者均属于线性失真，通常可用线性网络补偿。二者均属于线性失真，通常可用线性网络补偿。其他失真：其他失真：非线性失真：信道的输入与输出信号的振幅关系不是线非线性失真：信道的输入与输出信号的振幅关系不是线性关系，是由元器件特性不志向所引起。性关系，是由元器件特性不志向所引起。频率偏移：信道输入信号频谱经过信道传输后产生平移，频率偏移：信道输入信号频谱经过信道传输后产生平移，是由调制解调或频率变换的振荡器的频率误差所引起。是由调制解调或频率变换的振荡器的频率误差所引起。相位抖动：也是由于振荡器频率不稳所产生，产生附加相位抖动：也是由于振荡器频率不稳所产生，产生附加的调制。的调制。2.2.随参信道特性对信号传输的影响随参信道特性对信号传输的影响l随参信道是指信道是时变的，如电离层密度的变随参信道是指信道是时变的，如电离层密度的变更；对流层气团的变更。更；对流层气团的变更。随参信道特点：随参信道特点：对信号的衰减随时间变更而变更对信号的衰减随时间变更而变更。传输时延随时间变更传输时延随时间变更。多径传播多径传播。l多径传播是指由放射点动身的电波可能经过多条多径传播是指由放射点动身的电波可能经过多条路径到达接收点。以下重点介绍多径传播。路径到达接收点。以下重点介绍多径传播。对流层多径传播对流层多径传播电离层多径传播电离层多径传播l由于每条路径对信号的衰减和时延都随电离层和由于每条路径对信号的衰减和时延都随电离层和对流层的机理变更而变更，所以接收信号将是衰对流层的机理变更而变更，所以接收信号将是衰减和时延随时间变更的各路径信号的合成。减和时延随时间变更的各路径信号的合成。设发射波为，振幅设发射波为，振幅A，频率，频率f0恒定。经过几恒定。经过几条路径传播后的接收信号：条路径传播后的接收信号：i(t)：第：第i条路径到达的接收信号振幅。条路径到达的接收信号振幅。i(t)：第：第i条路径的传输时延，它随时间不同而变更。条路径的传输时延，它随时间不同而变更。利用和角公式，接收信号为：利用和角公式，接收信号为：式中：式中：因为是缓慢变更的，因此包络、相位因为是缓慢变更的，因此包络、相位也是缓慢变更的随机过程，于是也是缓慢变更的随机过程，于是 可视为一个窄带可视为一个窄带随机过程。随机过程。窄带信号波形窄带信号波形l信号波形因传播有了起伏的现象称为衰落信号波形因传播有了起伏的现象称为衰落(接收信号的幅度接收信号的幅度和频率都发生了变更和频率都发生了变更)。l信号起伏比信号周期变更缓慢，但仍有秒或秒以下的数量级，信号起伏比信号周期变更缓慢，但仍有秒或秒以下的数量级，能和数字信号的一个码元周期相比较，因此这种衰落称为快能和数字信号的一个码元周期相比较，因此这种衰落称为快衰落。衰落。l信号在一条信道传播时，也会因季节、天气等缘由产生衰落，信号在一条信道传播时，也会因季节、天气等缘由产生衰落，这种衰落时间很长，称为慢衰落。这种衰落时间很长，称为慢衰落。l快衰落与频率有关，也称之为频率选择性衰落。快衰落与频率有关，也称之为频率选择性衰落。l两径传播模型如图所示两径传播模型如图所示(放射信号放射信号f(t)，t0是固定的时延，是固定的时延，是两条路径信号的相对时延差，是两条路径信号的相对时延差，V0为一个确定值为一个确定值)：l可证：两径传播时，其两径传播媒质的传输特性的模可证：两径传播时，其两径传播媒质的传输特性的模H()将依靠于将依靠于 l 在在/处出现传输零极点，在此处信号衰减为零。处出现传输零极点，在此处信号衰减为零。输入信号带宽最好限制在输入信号带宽最好限制在1/宽度内。宽度内。l 对两个以上的多径信号中，设对两个以上的多径信号中，设m为多径中最大的相为多径中最大的相对时延差，则对时延差，则1/m定义为此多径信道的相关带宽。定义为此多径信道的相关带宽。l可以将经过信道传输后的数字信号分为三类，通过多径可以将经过信道传输后的数字信号分为三类，通过多径信道传输的信号都具有这三类的特性：信道传输的信号都具有这三类的特性：l确知信号：接收端能够精确知道其码元波形的信号。确知信号：接收端能够精确知道其码元波形的信号。l随信任号：信号的相位由于传输时延的不确定而带有随随信任号：信号的相位由于传输时延的不确定而带有随机性，使接收码元的相位随机变更。机性，使接收码元的相位随机变更。l起伏信号：接收信号的包络随机起伏，相位也随机变更。起伏信号：接收信号的包络随机起伏，相位也随机变更。多径效应的影响：多径效应的影响：l多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。的影响也随之减轻。