通信原理 第3章.ppt

第三章第三章 信信 道道 主要内容：主要内容：信道的定义信道的定义信道的数学模型信道的数学模型恒参信道与随参信道的传输恒参信道与随参信道的传输特性特性信道加性噪声的统计特性信道加性噪声的统计特性信道容量信道容量重点：重点：信道中输入与输出的关系信道中输入与输出的关系幅频曲线、相频曲线含义幅频曲线、相频曲线含义幅度频率畸变、相位频率幅度频率畸变、相位频率畸变畸变多径效应及噪声特性多径效应及噪声特性影响信道容量的因素影响信道容量的因素3.1 3.1 引言引言3.3 3.3 信道数学模型信道数学模型3.6 3.6 随参信道举例随参信道举例 3.7 3.7 随参信道特性及对信号传输的影响随参信道特性及对信号传输的影响 3.8 3.8 随参信道特性的改善随参信道特性的改善分集接收分集接收 3.9 3.9 信道的加性噪声信道的加性噪声 3.2 3.2 信道定义信道定义3.5 3.5 恒参信道特性及对信号传输的影响恒参信道特性及对信号传输的影响3.4 3.4 恒参信道举例恒参信道举例3.10 3.10 信道的容量信道的容量 3.1 3.1 引引 言言广义信道：包括信号的各种变换装置和广义信道：包括信号的各种变换装置和传输媒介的信道传输媒介的信道 信道信道:信号的传输通道信号的传输通道 狭义信道：狭义信道：仅包含信号的传输媒介，有仅包含信号的传输媒介，有无线和有线两大类无线和有线两大类.3.2 3.2 信道定义信道定义 根据研究的对象和关心的问题来定义信道的范畴根据研究的对象和关心的问题来定义信道的范畴编码信道编码信道调制信道调制信道广义信道广义信道离离散散信信号号发发转转换换器器媒媒质质收收转转换换器器解解调调器器译译码码器器编编码码器器调制信道调制信道编码信道编码信道连连续续信信号号调调制制器器3.3信道数学模型信道数学模型3.3.1调制信道模型调制信道模型（连续系统）（连续系统）共性共性:1)有一对有一对(或多对或多对)输入、输出端输入、输出端2)线性的线性的3)对信号有延迟、损耗对信号有延迟、损耗4)无信号输入时，仍有噪声输出无信号输入时，仍有噪声输出时变时变线性线性网络网络时变线性网络模型为时变线性网络模型为:时时变变线线性性网网络络或如果网络的函数变换关系定义为如果网络的函数变换关系定义为：乘性干扰。恒参信道：乘性干扰。恒参信道：=常数常数随参信道：随参信道：常数常数注：注：加性干扰。加性干扰。则有则有3.3.2编码信道模型（离散系统）编码信道模型（离散系统）信道对信号的影响是序列变换信道对信号的影响是序列变换,信道的失真以误码率体现信道的失真以误码率体现例如例如:二进制数字传输的编码信道二进制数字传输的编码信道令令码码元元发发生生错错误误相相互互独独立立,即信道无记忆即信道无记忆信道性能：用转移概率描述信道性能：用转移概率描述P(0/0)=1-P(1/0)P(0/0),P(1/1)为正确转移概率为正确转移概率P(1/1)=1-P(0/1)P(1/0),P(0/1)为错误转移概率为错误转移概率转移概率由统计分析得到转移概率由统计分析得到四进制四进制:3.4恒参信道举例恒参信道举例3.4.1、有线电信道、有线电信道明线、对称电缆、同轴电缆明线、对称电缆、同轴电缆3.4.2、光纤、光纤光波为载波。不易受干扰光波为载波。不易受干扰中继中继:信号放大信号放大3.4.3、无线电视距中继、无线电视距中继工作频率：超短波和微波，沿视线传输，如微波网工作频率：超短波和微波，沿视线传输，如微波网3.4.4、卫星中继、卫星中继同步卫星为中继站同步卫星为中继站表表3-1三种有线电信道的性能三种有线电信道的性能恒恒参参信信道道可可等等效效为为线线性性时时不不变变网网络络，只只要要得得到到网网络络的的传传输输特性，就可知信道对信号的影响特性，就可知信道对信号的影响网络的传输特性用网络的传输特性用幅频函数幅频函数、相频函数相频函数描述描述3.5恒参信道特性及对信号传输的影响恒参信道特性及对信号传输的影响3.5.2相位相位-频率畸变频率畸变网络的相频特性非线性（来源于阻抗性元件）所引起的畸变。网络的相频特性非线性（来源于阻抗性元件）所引起的畸变。主要影响数字信号主要影响数字信号,引起严重的码间串扰引起严重的码间串扰群迟延群迟延-频率特性频率特性3.5.1幅度幅度-频率畸变频率畸变-传输特性的不均匀衰耗引起传输特性的不均匀衰耗引起网络的幅频特性曲线不理想，表现为随着信号频率的网络的幅频特性曲线不理想，表现为随着信号频率的升高信道衰耗快速增加，对数字信号会造成码间串扰。升高信道衰耗快速增加，对数字信号会造成码间串扰。改善措施：增加均衡器、线性补偿网络改善措施：增加均衡器、线性补偿网络实际中：实际中：群迟延不为常数。群迟延不为常数。说明不同的频率的信号经过信道传输后，到达说明不同的频率的信号经过信道传输后，到达输出端的相对时间不一致。输出端的相对时间不一致。设设相频特性相频特性为为相位相位频率特性频率特性理想时：理想时：群迟延群迟延频率特性频率特性定义：定义：群迟延频率特性群迟延频率特性3.6随参信道随参信道3.6.1短波电离层反射信道短波电离层反射信道波长为波长为10010 m,频率为频率为330MHz 的信号的信号1.传播路径传播路径利用离地面利用离地面60600km 的电离层反射信号。的电离层反射信号。电离层分为电离层分为D、E、F1、F2四层，其中四层，其中D、F1 夜间消失夜间消失信号的传播路径图信号的传播路径图2.多径传播多径传播原因原因:1)多次反射；多次反射；2)几个反射层；几个反射层；3)电离层不均匀引起的漫射；电离层不均匀引起的漫射；4)磁场影响，使电磁波来分裂成寻常波，非寻常波。磁场影响，使电磁波来分裂成寻常波，非寻常波。3.应用应用优点：功率小，距离远，地形随意，合适的频宽，保密；优点：功率小，距离远，地形随意，合适的频宽，保密；缺点：可靠性差，工作频率变，多径失真，干扰大。缺点：可靠性差，工作频率变，多径失真，干扰大。3、信道允许频带、信道允许频带：3.6.2对流层散射信道对流层散射信道 1、传播距离约、传播距离约100 500 km利用离地面利用离地面10 12 km以下的大气对流层，对流层中大气湍流运动以下的大气对流层，对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电波的散射，可提供产生不均匀性，引起电波的散射，可提供12240频分复用话路，频分复用话路，可靠性可靠性99.9%。对流层散射传播路径的示意图对流层散射传播路径的示意图例子例子2、传播损耗、传播损耗1）自由空间能量扩散损耗）自由空间能量扩散损耗2）散射损耗）散射损耗4、天线与媒介间的耦合损耗、天线与媒介间的耦合损耗主要特征：主要特征：1、衰落、衰落1）慢衰落：气象引起。每季月、日信号强度变化）慢衰落：气象引起。每季月、日信号强度变化2）快衰落：多径传播。使信号的幅度和相位快速随机变）快衰落：多径传播。使信号的幅度和相位快速随机变化其克服方法：分集接收。化其克服方法：分集接收。最大多径时延差最大多径时延差3.7随参信道特性及对信号传输的影响随参信道特性及对信号传输的影响 随参信道的三个特点：随参信道的三个特点：1）衰耗随时间而变）衰耗随时间而变；2）时延随时间而变；）时延随时间而变；3）多径传播）多径传播。随机信号的统计特性用它的概率分布或数学特征表述随机信号的统计特性用它的概率分布或数学特征表述3.7.1接收信号接收信号的描述的描述设发射信号为设发射信号为接收信号为接收信号为第第i 条路经的接收信号振幅条路经的接收信号振幅第第i 条路经的传输延时条路经的传输延时包络包络相位相位2）多径传播使）多径传播使变成包络和相位受到调制的窄带信变成包络和相位受到调制的窄带信号号 3）多径传播引起了频率弥散）多径传播引起了频率弥散(频率尺宽频率尺宽)。R(t)称为衰落信号称为衰落信号或或均为缓慢变化的随机过程均为缓慢变化的随机过程0V(t)R(t)结论：结论：1）是窄带过程是窄带过程、的统计特性的统计特性讨论讨论：讨论讨论模特性模特性则则为信道带宽为信道带宽结论：结论：传输信号带宽传输信号带宽2、多径传播、多径传播设多径传播最大相对时延差为设多径传播最大相对时延差为 1、以两径传播模型为例、以两径传播模型为例 框图及公式推导框图及公式推导定义：定义：为相邻传输零点的频率间隔。为相邻传输零点的频率间隔。分析模型的传输特性分析模型的传输特性3.7.2.的频率选择性衰落的频率选择性衰落看成两个网络级联看成两个网络级联3.8随参信道特性的改善随参信道特性的改善分集接收分集接收分集接收分集接收抗快衰落措施之一抗快衰落措施之一思思想想:在在接接收收端端同同时时分分别别获获得得(分分散散得得到到),几几个个不不同同路路径径的的信信号号(相相互互独独立立)，然然后后将将这这些些信信号号适适当当合合并并,构构成成总总的的接接收收信信号号,其其总信号的衰落现象将大大改善总信号的衰落现象将大大改善.1、分集方法、分集方法:1）空间分集：）空间分集：用几副天线，各天线间有足够的间距用几副天线，各天线间有足够的间距2）频频率率分分集集：用用多多个个不不同同载载频频传传送送同同一一消消息息，当当各各载载频频相相隔隔比比较较远远，如如频频差差为为多多径径时时延延的的倒倒数数，则则各各载载频信号基本互不相关频信号基本互不相关.3）角度分集：利用天线波束指向不同，使信号不相关）角度分集：利用天线波束指向不同，使信号不相关4）极化分集：）极化分集：接收水平极化波和垂直极化波接收水平极化波和垂直极化波2、分集信号的合并、分集信号的合并3.9信道的加性噪声信道的加性噪声加性噪声加性噪声:1)人为噪声人为噪声2)自然噪声自然噪声3)内部噪声内部噪声随机噪声随机噪声:1)单频噪声单频噪声2)起伏噪声起伏噪声:热噪声、散弹噪声、宇宙噪声热噪声、散弹噪声、宇宙噪声（是影响通信质量的主要因素）（是影响通信质量的主要因素）3)脉冲噪声脉冲噪声