通信原理信道资料.pptx
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1、1为什么要研究信道信道是通信系统的重要组成部分,其特性对于通信系统的性能有很大影响 研究信道及噪声的目的是弄清它们对信号传输的影响,寻求提高通信有效性与可靠性的方法。第1页/共80页2信道的概念:就是信号传输的媒质狭义信道:某些物理通信信道,如有线信道和无线信道;也可以是物理存储介质,如光盘、磁盘等广义信道:一种逻辑信道,它与传输媒质无关。可分为调制信道和编码信道。调制信道:恒参信道和变参信道编码信道:无记忆编码信道和有记忆编码信道信道的分类第2页/共80页3有线信道和无线信道一、有线信道 通常指架空明线、双绞线、同轴电缆和光纤。第3页/共80页4架空明线,即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸
2、线,它是一种在20世纪初就已经大量使用的通信介质。架空明线安装简单,传输损耗比电缆低,但线对数量有限;线对多时架设困难;易受外界影响;线路容易受损等缺点。有线信道和无线信道第4页/共80页5第4章 信 道4.2 有线信道明线第5页/共80页6双绞线又称为双扭线,它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。采用这种绞合结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力,还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层有线信道和无线信道第6页/共80页7图1 双绞线示意图有线信道和无线信道第7页/共80页8同轴电缆由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外保护套组成
3、。同轴电缆的这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性,并且可在共享通信线路上支持更多的点。按特性阻抗数值的不同,同轴电缆又分为两种,一种是50的基带同轴电缆,另一种是75的宽带同轴电缆。有线信道和无线信道第8页/共80页9图2 同轴电缆结构示意图有线信道和无线信道第9页/共80页10光纤(OpticalFiber)光导纤维(简称光纤)是光纤通信系统的传输介质。由于可见光的频率非常高,约为108MHz的量级,因此,一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽,是目前最有发展前途的有线传输介质。有线信道和无线信道第10页/共80页11光纤呈圆柱形,由芯、封套和外套三部分组成(如图所示)
4、。芯是光纤最中心的部分,它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成,每根纤维线都有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低,因此可使光波保持在芯线内。有线信道和无线信道第11页/共80页12图3 光纤结构示意图有线信道和无线信道第12页/共80页13二、无线信道无线信道是利用电磁波在空间的传播来传输信号。有地波传播、天波传播、无线电视距中继通信、卫星通信等。有线信道和无线信道第13页/共80页144.1 无线信道无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层:地面上 0 10 km平流层:约10 60 km电离层:约60 400 km地地 面面对流层对流层平流层平流
5、层电离层电离层10 km60 km0 km有线信道和无线信道第14页/共80页15电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收频率频率(GHz)(a)氧气和水蒸气(浓度氧气和水蒸气(浓度7.5 g/m3)的衰减)的衰减频率频率(GHz)(b)降雨的衰减降雨的衰减衰衰减减(dB/km)衰衰减减 (dB/km)水蒸气水蒸气氧氧气气降雨率降雨率图图4-6 大气衰减大气衰减有线信道和无线信道第15页/共80页16传播路径传播路径地地 面面图图4-1 地波传播地波传播地地 面面信号传播路径信号传播路径图图 4-2 天波传播天波传播电磁波的分类:地波频率 2 MHz有绕射能力距离:数百或数千千
6、米 天波频率:2 30 MHz特点:被电离层反射一次反射距离:30 MHz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=50 km,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接收天线接收天线发射天线发射天线传播途径传播途径D地面地面rr图图 4-3 视线传播视线传播图图4-4 无线电中继无线电中继m有线信道和无线信道第17页/共80页18图图4-7 对流层散射通信对流层散射通信地球地球有效散射区域有效散射区域散射传播电离层散射机理 由电离层不均匀性引起频率 30 60 MHz距离 1000 km以上
7、对流层散射机理 由对流层不均匀性(湍流)引起频率 100 4000 MHz最大距离 600 km有线信道和无线信道第18页/共80页19地波传播频率在约2MHz以下的无线电波沿着地球表面的传播主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、标准频率等特点:传输损耗小;传播稳定;工作频带窄有线信道和无线信道第19页/共80页20天波传播经由电离层反射的一种传播方式长波、中波、短波都可以利用天波通信,但短波是电离层的最佳波段特点:传输损耗低、设备简单、可利用较小功率进行远距离通信;但容易产生多径衰落等。有线信道和无线信道第20页/共80页21无线电视距中继 工作频率在超短波和微波波段时电磁波基本上沿视线传播
8、 通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。相邻中继站间距离:4050Km有线信道和无线信道第21页/共80页22 图4 无线电中继信道的构成有线信道和无线信道第22页/共80页23卫星中继信道利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号实现地球站之间的通信。由通信卫星、地球站、上行线路及下构成行线路特点:传播特性稳定可靠、传输距离远、覆盖地域广等。有线信道和无线信道第23页/共80页24第24页/共80页25 信道模型广义信道:调制信道(传输调制信号)、编码信道(调制编码信号)图 6调制信道与编码信道第25页/共80页26调制信道和编码信道调制信道与编码信道以所传信号为着眼点,又可称连续(信号)信道
9、和离散(信号)信道,前者是传输已调模拟信号的信道,后者是传输已编码数字信号的信道 第26页/共80页27调制信道模型 信道模型第27页/共80页28特性:1、有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端2、信道是线性的,满足叠加原理3、信道有一定的迟延时间,有损耗4、即使没有信号输入,输出端仍有一定的功率输出(噪声)信道模型第28页/共80页29调制信道模型二对端的信道模型如图a所示,它的输入和输出之间的关系式可表示成第29页/共80页30编码信道模型 (数字信道)对信号的影响是一种数字序列的变换 用数字的转移概率(P(输出/输入))来描述(平均错误概率)信道模型第30页/共80页31信道模型
10、二进制编码信道模型 四进制编码信道模型第31页/共80页32码的码的转移概率转移概率P(i/j)二进制数字编码信道二进制数字编码信道发送码元为j,而接收码元为i的概率。0101发送端发送端接收端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是是错误接收概率错误接收概率P(0/0)、P(1/1)是是正确接收概率正确接收概率系统的误码率是?系统的误码率是?系统的误码率系统的误码率 Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)第32页/共80页33M进制数字编码信道进制数字编码信道系统误码率是?系统误码
11、率是?P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)01发发送送端端接接收收端端2M-1012M-1第33页/共80页34信道的数学模型信道模型的分类:调制信道编码信道编码信道编码信道调制信道调制信道第34页/共80页35 调制信道模型式中 信道输入端信号电压;信道输出端的信号电压;噪声电压。通常假设:这时上式变为:信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图图4-13 调制信道数学模型调制信道数学模型第3
12、5页/共80页36因k(t)随t变,故信道称为时变信道。因k(t)与e i(t)相乘,故称其为乘性干扰。因k(t)作随机变化,故又称信道为随参信道。若k(t)变化很慢或很小,则称信道为恒参信道。乘性干扰特点:当没有信号时,没有乘性干扰。第36页/共80页37 恒参信道与随参信道一、恒参信道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等效于一个非时变的线性网络利用信号通过线性系统的分析方法,可求得已调信号通过恒参信道的变化规律网络的传输特性:幅频特性、相频特性第37页/共80页38 恒参信道与随参信道网络的传输特性:幅频特性、相频特性 为信道的幅频特性,通常不为常数 为信道的相频特性第3
13、8页/共80页39幅度频率畸变(频率失真)是由有线电话信道的幅度频率特性不理想引起的.信道中存在线圈、分布电容、电感等为了减小幅度频率畸变,在设计总的电话信道传输特性是,一般都要求把幅度频率畸变控制在一个允许的范围内 恒参信道与随参信道第39页/共80页40相位频率畸变是指信道的相位频率特性偏离线性关系引起的畸变。在信道频带的边缘畸变更为严重,主要来源于信道中的各种滤波器信道的相位频率特性常采用群迟延频率特性来衡量 恒参信道与随参信道第40页/共80页41 恒参信道与随参信道群迟延频率特性:是相位频率特性对频率的导数群迟延频率特性:如果 呈线性关系,是一条水平直线此时信号的不同频率成分有相同的
14、群迟延,信号经过传输后不会发生畸变第41页/共80页42 理想的相位-频率特性及群迟延特性 恒参信道与随参信道第42页/共80页43实际的信道特性:恒参信道与随参信道第43页/共80页44当非单一频率的信号通过这信道时,信号中的不同频率分量将有不同的群迟延(a)是原信号,即未经迟延的信号,由基波、三次谐波组成,其幅度比2;1 恒参信道与随参信道第44页/共80页45 恒参信道举例恒参信道举例 光纤信道光纤信道光源光源光调制器光调制器耦合器耦合器基带处理基带处理基带电信号基带电信号耦合器耦合器光检测器光检测器基带处理基带处理基带电信号基带电信号光纤线路光纤线路发发送送端端接接收收端端图图7光纤通
15、信系统光纤通信系统 光纤与光缆光纤与光缆 光波长光波长 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤 光纤的衰耗与色散光纤的衰耗与色散光纤通信的优点光纤通信的优点 无中继传输距离长;无中继传输距离长;系统频带宽、容量大;系统频带宽、容量大;具有及强的抗电磁干扰能力。具有及强的抗电磁干扰能力。第45页/共80页46恒参信道举例恒参信道举例无线电视距传播信道无线电视距传播信道无线电视距传播无线电视距传播无线电中继信道无线电中继信道第46页/共80页47 恒参信道举例恒参信道举例 卫星中继信道卫星中继信道卫星中继信道卫星中继信道通信卫星通信卫星通信卫星通信卫星第47页/共80页48 恒参信道与随参信道随参信
16、道的传输媒质的特点 信道参数不仅随频率变化,而且随时间变化 为开机运行后的持续时间信道对于信号 的响应 为 :乘性干扰 :加性干扰第48页/共80页49恒参信道与随参信道随参信道的传输媒介具有三个特点:(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。第49页/共80页50变参信道有:短波电离层信道、超短波、微波对流层散射信道、超短波对流层散射信道等。恒参信道与随参信道第50页/共80页51随参信道举例随参信道举例 短波电离层反射信道短波电离层反射信道 随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短波电离
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