《通信原理信道》PPT课件.ppt

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1、第四章 信道主要研究内容主要研究内容信道的基本概念信道的基本概念有线信道与无线信道有线信道与无线信道 信道的数学模型信道的数学模型 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 信道中的噪声信道中的噪声 信道容量的概念信道容量的概念 4.0 信道的基本概念信道的基本概念 信道是通信系统必不可少的组成部分信道是通信系统必不可少的组成部分，信，信道特性的好坏直接影响通信系统的总特性。道特性的好坏直接影响通信系统的总特性。1.信道的定义信道的定义：n以以传输媒介传输媒介为基础的为基础的信号通路信号通路。n由由有线或有线或/和无线电线路和无线电线路提供的提供的信信 号通路。号通路。n指定的一段指定

2、的一段频带频带，它让信号，它让信号通过通过，同时又给信号以同时又给信号以限制和损害限制和损害。4.0 信道的基本概念信道的基本概念2.信道的分类信道的分类n狭义信道狭义信道：仅指传输媒介，它包括有线信仅指传输媒介，它包括有线信道和无线信道。道和无线信道。n广义信道广义信道：不但包括传输媒介，还可能包：不但包括传输媒介，还可能包括有关的器件括有关的器件(馈线、天线、调制馈线、天线、调制/解调器、编码解调器、编码/译码器译码器)。通常分成通常分成:调制信道和编码信道调制信道和编码信道。4.0 信道的基本概念信道的基本概念广义信道关心的是广义信道关心的是变化的最终结果变化的最终结果而不是物理过程而不

3、是物理过程 调制信道编码信道调制器发转换器媒质收转换器解调器编码器编码器输出输出译码器译码器输出输出狭义信道4.1 无线信道无线信道n无线信道中信号的传输是利用无线信道中信号的传输是利用电磁波电磁波在在空间的传播来实现的。其中电磁波的频空间的传播来实现的。其中电磁波的频率受天线尺寸限制。率受天线尺寸限制。地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km4.1 无线信道无线信道n大气对传播中的电磁波的影响：大气对传播中的电磁波的影响：反射，散射，吸收和衰减反射，散射，吸收和衰减4.1 无线信道无线信道n不同频率的电磁波具有不同的传输能不同频率的电磁波具有不同的传输能力和特性，导致不同的传波方

4、式：力和特性，导致不同的传波方式：地波地波：频率：频率 2 MHz；有；有绕射绕射能力；能力；数百或数千千米数百或数千千米传播路径地 面地波传播4.1 无线信道无线信道天波天波：频率：频率：2 30 MHz（低频的被（低频的被吸收掉）；吸收掉）；被电离层反射被电离层反射；一次反射距；一次反射距离：离：30 MHz；传播的；传播的距离和天线高度有关。距离和天线高度有关。ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr视线传播n增加视线传输距离的途径：增加视线传输距离的途径：中继通信中继通信 无线电中继无线电中继 卫星通信卫星通信 平流层通信平流层通信无线电中继4.1 无线信道无线信道散射传播：散射传播：

5、电离层散射电离层散射 机理机理 由电离层不均匀性引起由电离层不均匀性引起 频率频率 30 60 MHz 距离距离 1000 km以上以上对流层散射对流层散射 机理机理 由对流层不均匀性（湍流）引起由对流层不均匀性（湍流）引起 频率频率 100 4000 MHz 最大距离最大距离 600 km流星余迹散射流星余迹散射对流层散射通信地球有效散射区域4.1 无线信道无线信道4.2 有线信道有线信道明线：明线：传输损耗低；传输损耗低；易受天气和气候的影响；易受天气和气候的影响；对外界噪声干扰明显。对外界噪声干扰明显。4.2 有线信道有线信道对称电缆对称电缆：传输损耗比明线大得多，但传输损耗比明线大得多

6、，但传输特性比较稳定。传输特性比较稳定。对称电缆（双绞线对称电缆（双绞线)导体绝缘层4.2 有线信道有线信道同轴电缆同轴电缆导体金属编织网保护层实心介质同轴电缆4.2 有线信道有线信道光纤：能传输光能的波导介质。光纤：能传输光能的波导介质。损耗损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰等优点。以及不受电磁干扰等优点。有有单模和多模单模和多模之分（模式就是指路径）之分（模式就是指路径）光缆光缆(optical fiber cable)主要是由主要是由光导纤维光导纤维(细如头发的玻璃丝细如头发

7、的玻璃丝)和塑料和塑料保护套管及塑料外皮构成保护套管及塑料外皮构成,光缆内没内没有金有金,银银,铜铝等金属铜铝等金属,一般无回收价一般无回收价值。值。4.3 信道的数学模型信道的数学模型1 调制信道模型调制信道模型定义：定义：传输已调信号的信道。传输已调信号的信道。研究的问题：研究的问题：信道信道输出输出信号与信号与输入输入信信号之间的关系。号之间的关系。通过对调制信道进行大量的分析通过对调制信道进行大量的分析 研究，发现它们有如下研究，发现它们有如下共性共性:调制信道模型调制信道模型n有一对有一对(或多对或多对)输入端，一对（或多对）输入端，一对（或多对）输出端输出端;n绝大部分信道是绝大部

8、分信道是线性线性的；的；n信号通过信道需要一定的信号通过信道需要一定的迟延迟延时间；时间；n信道对信号有信道对信号有损耗损耗(固定损耗或时变损耗固定损耗或时变损耗)；n即使没有信号输入，在信道的输出端仍可即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出能有一定的功率输出(噪声噪声)。调制信道模型调制信道模型对于二进制信道：对于二进制信道：K(t)+n(t)e0(t)ei(t)调制信道模型调制信道模型结论：结论：n信道对信号的影响可归纳为两点：一是信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘乘性干性干扰扰k(t)（依赖于网络的特性，只能用（依赖于网络的特性，只能用随机过程来表示），二是随机过程来表

9、示），二是加性干扰加性干扰n(t)。n不同特性的信道，仅反映信道模型有不同不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的的k(t)及及n(t)。n根据信道中根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道的特性不同，可以将信道分为：分为：恒参信道恒参信道:k(t)t 不变或慢变；不变或慢变；变参信道（随参信道）变参信道（随参信道）:k(t)t 随机快变。随机快变。编码信道模型编码信道模型构成构成：从编码器输出端到译码器输入端：从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质，等效一个的所有转换器及传输媒质，等效一个完完成数字序列变换成数字序列变换的方框。的方框。特点特点：输入和输出都是数字序列：输入和输出都

10、是数字序列研究的问题研究的问题：是否出现差错，出现的概：是否出现差错，出现的概率率模型模型：可用数字信号的转移概率来描述：可用数字信号的转移概率来描述 P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)编码信道模型编码信道模型n转移概率：转移概率：决定于决定于编码信道的特性；对编码信道的特性；对编码信道做大量的统计分析得到。编码信道做大量的统计分析得到。n正确转移概率正确转移概率：P(0/0)、P(1/1)错误转移概率错误转移概率：P(1/0)、P(0/1)n有记忆编码信道和无记忆编码信道有记忆编码信道和无记忆编码信道 多进制编码信道模型多进制编码信道模型4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性

11、对信号传输的影响1.恒参信号特性及其对信号传输的影响恒参信号特性及其对信号传输的影响n特征特征：k(t)t不变或慢变。不变或慢变。对信号传输对信号传输的影响的影响是固定不变的或者是变化极为是固定不变的或者是变化极为缓慢。缓慢。n举例举例：各种有线信道，超短波及视距：各种有线信道，超短波及视距波传输，卫星信道等。波传输，卫星信道等。n模型模型：线性时不变网络线性时不变网络n网络的网络的传输特性传输特性：1.恒参信号特性及其对信号传输的影响恒参信号特性及其对信号传输的影响（1）信号不失真传输条件：信号不失真传输条件：OK|H(w w)|w wOj j(w w)w ww w tdOtdt t(w w

12、)w wa 幅频特性幅频特性 b 相频特性相频特性 c 群迟延特性群迟延特性 1.恒参信号特性及其对信号传输的影响恒参信号特性及其对信号传输的影响（2）幅度频率畸变幅度频率畸变 产生的影响：产生的影响：模拟信号模拟信号波形失真波形失真 数字信号数字信号码间串扰码间串扰 解决方法解决方法：改善改善信道中的滤波性能，使幅信道中的滤波性能，使幅 频特性平坦；频特性平坦；均衡器均衡器进行线性补偿进行线性补偿1.恒参信号特性及其对信号传输的影响恒参信号特性及其对信号传输的影响（3）相位频率畸变相位频率畸变产生的影响：产生的影响：模拟信号模拟信号不明显不明显 数字信号数字信号码间干扰码间干扰解决方法解决方

13、法线性补偿（相位均衡器）线性补偿（相位均衡器）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n随参信道随参信道：包含一个复杂的传输媒质，包含一个复杂的传输媒质，相对于其他转换器来说，传输媒质的相对于其他转换器来说，传输媒质的影响显得更为主要。影响显得更为主要。n典型的传输媒质典型的传输媒质：电离层反射信道和：电离层反射信道和对流层散射信道对流层散射信道n信道特点：信道特点：信号的衰耗随时间随机变化；信号的衰耗随时间随机变化；信号传输的时延随时间随机变化；信号传输的时延随时间随机变化；多径传播。多径传播。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n结果：结果：信号

14、经随参信道传播后，信号经随参信道传播后，接收的信号将是衰减和时延随时接收的信号将是衰减和时延随时间变化的多路径信号的间变化的多路径信号的合成合成。2.随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响1）.多径衰落与频率弥散多径衰落与频率弥散 发射信号为发射信号为 ，则经多径后，则经多径后接收信号接收信号包络包络a(t)和相位和相位 都是缓慢变化的。都是缓慢变化的。那么那么R(t)可视为一个可视为一个窄带高斯过程窄带高斯过程:a(t)的一维分布的一维分布瑞利分布瑞利分布;(t)的一维分布的一维分布均匀分布均匀分布。从波形上看从波形上看，多径传播的结果使确定的载频信，多径传播的结果使确定的载频信号

15、变成了包络（服从瑞利分布）和相位都随机号变成了包络（服从瑞利分布）和相位都随机变化的窄带信号，这种信号称为变化的窄带信号，这种信号称为衰落信号衰落信号(瑞利瑞利衰落衰落)；从频谱上看从频谱上看，多径传播引起了，多径传播引起了频率弥散频率弥散（色散）（色散），即由单个频率变成了一个窄带频谱。，即由单个频率变成了一个窄带频谱。快衰落和慢衰落快衰落和慢衰落2.随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响2）频率的选择性衰落）频率的选择性衰落2）.频率的选择性衰落频率的选择性衰落n选择性衰落选择性衰落:当一个传输信号的频谱宽于当一个传输信号的频谱宽于1/时，将致使某些频率分量被衰落，这种时，将致使

16、某些频率分量被衰落，这种现象称为现象称为频率选择性衰落频率选择性衰落，简称选择性衰落。，简称选择性衰落。2）.频率的选择性衰落频率的选择性衰落n多径传播时的相对时延差通常用最大多多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差径时延差n相关带宽相关带宽n结论：结论：如果如果 则将产生明显的选择性衰则将产生明显的选择性衰 落。工程设计中，通常选择信号带宽落。工程设计中，通常选择信号带宽 为相关带宽的为相关带宽的1/51/3。改善随参信道特性的方法：改善随参信道特性的方法：分集接收分集接收 4.5 信道中的加性噪声信道中的加性噪声前述研究乘性干扰前述研究乘性干扰k(t),下面讨论信道中的加性噪声下面讨论

17、信道中的加性噪声n(t)。n(t)虽虽独立于独立于有用信号却有用信号却始终干扰始终干扰有用信号。有用信号。1.根据噪声来源分类根据噪声来源分类（1）人为噪声人为噪声：来源于无关的其他信号源。如：外台信号、开：来源于无关的其他信号源。如：外台信号、开关接触噪声、电火花等关接触噪声、电火花等（2）自然噪声自然噪声：指自然界存在的各种电磁波：指自然界存在的各种电磁波 源。如：闪电、大气中磁暴、银河系噪声及源。如：闪电、大气中磁暴、银河系噪声及 其他宇宙噪声等。其他宇宙噪声等。（3）内部噪声内部噪声：来源于信道本身所包含的各：来源于信道本身所包含的各 种电子器件、转换器以及天线或传输线等。种电子器件、

18、转换器以及天线或传输线等。如：热噪声、散弹噪声等。如：热噪声、散弹噪声等。4.5 信道中的加性噪声信道中的加性噪声 2.根据噪声性质分类根据噪声性质分类（1）单频噪声）单频噪声：是一种连续波干扰，如外台干是一种连续波干扰，如外台干扰。扰。特点：特点：干扰频率是固定、带宽很窄，在频率轴干扰频率是固定、带宽很窄，在频率轴上的位置可以实测。上的位置可以实测。可以预先设法防止或避开可以预先设法防止或避开（频率、方向）。（频率、方向）。（2）脉冲干扰）脉冲干扰：在时间上无规则的突发的噪声。：在时间上无规则的突发的噪声。如电火花、天电干扰中的雷电。如电火花、天电干扰中的雷电。特点：特点：幅度大、持续时间短

19、、间歇期长、占据幅度大、持续时间短、间歇期长、占据频带宽（高频衰减快）。频带宽（高频衰减快）。对模拟信号影响不大，对模拟信号影响不大，对数字信号影响严重（纠错编码解决）。对数字信号影响严重（纠错编码解决）。4.5 信道中的加性噪声信道中的加性噪声（3）起伏噪声）起伏噪声：是以热噪声是以热噪声热噪声、散热噪声、散弹噪声、弹噪声、和和宇宙噪声为代表的宇宙噪声为代表的噪声。噪声。特点：特点：无论从时域内还是频域内，他们无论从时域内还是频域内，他们总是存在的。总是存在的。n结论：结论：起伏噪声起伏噪声来自信道本身，对信号来自信道本身，对信号传输的影响不可避免，传输的影响不可避免，是通信系统最基是通信系

20、统最基本的噪声源本的噪声源（影响通信质量的主要因素影响通信质量的主要因素）3 加性噪声加性噪声 n(t)的统计特性的统计特性n(t)是分散在通信系统各处的噪声的集中是分散在通信系统各处的噪声的集中现。现。n(t)的主要代表是起伏噪声。也是散弹噪的主要代表是起伏噪声。也是散弹噪声、热噪声、宇宙噪声的集中表示。声、热噪声、宇宙噪声的集中表示。起伏噪声的统计特性起伏噪声的统计特性：分析时，皆分析时，皆 看为高斯白噪声。看为高斯白噪声。高斯白噪声高斯白噪声窄带高斯噪声窄带高斯噪声BPF解调器解调器(功率谱密度如图功率谱密度如图)n噪声的等效带宽噪声的等效带宽 以此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特性滤以

21、此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特性滤波器的波器的噪声功率噪声功率，等于通过实际滤波器的噪，等于通过实际滤波器的噪声功率。利用噪声等效带宽的概念，可以认声功率。利用噪声等效带宽的概念，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定内是恒定的。的。此此定义适用于定义适用于定义适用于定义适用于今后常见的窄带高斯噪声今后常见的窄带高斯噪声Pn()fc-fc0fBnBnPn(f0)4.6 信道容量信道容量n定义定义：指信道能够传输的最大平均信息指信道能够传输的最大平均信息速率。速率。1.离散信道容量离散信道容量：C 每个符号能够传输的平均信息量最每个符号能够传输的平均信息量

22、最大值大值Ct 单位时间（秒）内能够传输的平均单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值信息量最大值 4.6 信道容量信道容量2.连续信道容量连续信道容量n含义：含义：当信道特性（当信道特性（B、S和和n0）给定以）给定以后，上式表示在具有后，上式表示在具有一定频带宽度一定频带宽度的信的信道中，理论上道中，理论上单位时间内可能传输的信单位时间内可能传输的信息量的极限数值息量的极限数值。实实现现了了上上述述极极限限信信息息速速率率的的通通信信系系统统称称之之为为理理理理想想想想通通通通信信信信系统系统系统系统。连续信道容量连续信道容量n关于山农公式的几点讨论关于山农公式的几点讨论（1）在给定）在给定B、S/N的情况下，信道的极限传输的情况下，信道的极限传输能力为能力为C（2）提高信噪比，可提高信道容量。）提高信噪比，可提高信道容量。（3）增加信道带宽，也可有限的增加信道的容）增加信道带宽，也可有限的增加信道的容量。量。但但 （4）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。换而保持不变。