通信原理课件__信道.doc

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1、通 信 原 理Principles of Communications?通信原理?教学组第4章信道第4章 信道 4.1 无线信道 4.2 有线信道 4.3 信道的数学模型 4.4 信道特性对信号传输的影响 4.5 信道中的噪声 4.6 信道容量 信道(channel)是通信系统必不可少的组成局部，任何一个通信系统据均可视为由 发送设备、信道 与 接收设备 三大局部组成。 信道 通常是指 以传输媒质为根底 的 信号通道，而信号在信道中传输遇到噪声又是不可防止的，即信道允许信号通过的同时又给信号以限制和损害。因而，对信道和噪声的研究乃是研究通信问题的根底。 按照传输媒质的不同，信道可以分为无线信道

2、和有线信道两大类。其中无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号；而有线信道那么是利用人造的传导电或光信号的媒体来传输信号。 第4章 信道4.1 无线信道 信道是对无线通信中发送端和接收端之间通路的一 种形象比喻。 对于 无线电波 而言，它从 发送端 传送到 接收端， 其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可 能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接 收端之间的工作，想象两者之间有一个看不见的道 路衔接，把这条衔接通路称为信道。 信道具有一定的频率带宽，正如公路有一定的宽度 一样。 4.1 无线信道 原那么上，任何频率的电磁波都可以产生。但是为了 有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸

3、不小于 电磁波 波长 的 1/10。因此，频率过低，波长过长， 那么天线难于实现。所以，通常用于通信的电磁波频 率都比拟高。 根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播 主要分为 地波、天波 和 视线 传播三种方式。4.1 无线信道 地波 频率在2MHz以下的电磁波，趋于沿弯曲的地球外表传播，有一定的绕射能力。 地波在传播过程中要不断损失能量，而且频率越高损失越大，因此传播距离不大，一般在数百千米到数千千米。图4-1 地波传播4.1 无线信道 天波 频率较高(2MHz30MHz)的电磁波称为高频电磁波，它能够被 电离层反射。电离层距离地面的高度约60km400km。 天波是靠电磁波在地面和电

4、离层之间来回反射而传播的图4-2 天波传播4.1 无线信道电离层 对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。波长短于10m (f > 30MHz) 的微波能穿过电离层，波长超过3000km (f < 100Hz) 的长波，几乎被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波，波长越短，电离层对它吸收得越少而反射得越多。但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。4.1 无线信道 视线传播 频率高于 30MHz 的电磁波将穿透电离层，不

5、能被反射回来。此外它沿地面绕射的能力也很小。所以，只能类似光波那样作视线传播，即直线传播。图4-2 天波传播4.1 无线信道 无线电中继 为了通过视线传播到达远距离通信的目的，可以采 用无线电中继的方法。如图4-4所示，经过屡次转 发来视线远程通信。图4-4 无线电中继4.1 无线信道 卫星中继卫星通信 利用三颗地球同步卫星可以覆盖全球，从而实现全 球通信。 利用卫星作为中继站能够 增大一次转发的距离，但 是却增大了发射功率和信 号传输的延迟。图4-5 卫星中继4.2 有线信道 传输电信号的有线信道主要有三类：明线、对称电缆和同轴电缆。 明线 平行架设在电线杆上的架空线路。优点：传输损耗低；缺

6、点：易受天气和环境的影响，并且对外界噪声干扰敏感。目前，已逐渐被电缆所取代。 对称电缆 由假设干对放在一根保护套内的双绞线制成。“双绞形式能够减小两导线之间的干扰。缺点：损耗较明线大；优点：性能较稳定。4.2 有线信道 同轴电缆 由内外两根同心圆柱导体构成，两根导体之间用绝缘体隔离开。内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或金属编织网，在外导体外面有一层绝缘保护层。4.3 信道的数学模型 调制信道 把发送端调制器的输出端至接收端解调器输入端之间的局部称为调制信道。 定义调制信道对于研究 各种调制制度的性能 时是方便的。 在数字通信系统中，如果研究 编码与译码问题时，那么采用编码信道会使问题

7、分析更容易。 编码信道 是指 编码器输出端 到 译码器输入端的局部。调制信道与编码信道的概念4.3 信道的数学模型4.3.1 调制信道模型 通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它具 有如下 共性 ： (1) 有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端； (2) 绝大多数信道是线性的，即满足线性叠加原理； (3) 信号通过信道具有固定或时变的 延迟时间； (4) 信号通过信道会受到 固定的或时变 的 损耗； (5) 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出噪声。 4.3 信道的数学模型 根据以上几条性质，调制信道的输入端信号电压和输出端信号电压之间的关系可以表示为式中：ei(t)

8、为 信道输入端信号电压； eo(t) 为 信道输出端的信号电压； n(t) 为 噪声电压，与 ei(t) 相互独立。 信道中的 噪声n(t) 是 叠加 在信号上的，而且无论有无信号，噪声n(t) 是 始终存在的，因此通常称之为加性噪声或加性干扰。4.3 信道的数学模型 f ei(t)表 示信道输入和输出电压之间的 函数关系，通常假设 f ei(t)=k(t)ei(t)，即信道的作用相当于对输入信号乘上了一个系数k(t)。这样，信道 输出信号的表达式可以改写为+ 一般k(t)是个很复杂的函数，它反映了信道的特性。且是时间的函数，说明信道特性是随时间变化的。调制信道的一般数学模型4.3 信道的数学

9、模型 随参信道与恒参信道 分析乘性干扰时，可以把信道粗略地分为两大类： 恒参信道：k(t)不随时间变化或根本不变； 随参信道：k(t)随时间作较快的随机变化。 乘性干扰与加性干扰 当没有信号输入时，加性干扰也存在，但没有乘性干扰输出。乘性干扰加性干扰4.3 信道的数学模型4.3.2 编码信道模型 编码信道 输入是离散的时间信号，输出也是离散时间信号，对信号的影响那么是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。 由于 信道噪声或其它因素的影响，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。 二进制数字传输系统的一种简单的 编码信道模型如 图4-14 所示：4

10、.3 信道的数学模型图 4-14 二进制编码信道模型先验概率正确转移概率错误转移概率4.3 信道的数学模型通信原理 2021年 图中 P(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 。 输出 总的错误概率 为： 在 编码信道模型 中 ，由于 信道噪声或其它因素影响 导致 输出数字序列发生错误 是 统计独立的，因此这种信道 是 无记忆编码信道 。4.3 信道的数学模型通信原理 2021年 即 码元是否发生过失 与 其前后码元的取值 以及 前后码元是否发生过失

11、都无关。 根据概率的性质可知： 由二进制无记忆编码信道模型，可以容易的推广到 多进制无记忆编码信道模型 。 如果编码信道是有记忆的，即信道噪声或其它因素影响导致输出数字序列发生错误是不独立的，那么编码信道模型要复杂得多。 4.4 信道特性对信号传输的影响一、恒参信道对信号传输的影响 各种有线信道和局部无线信道，包括卫星链路和某些视距传输链路，可以当作恒参信道看待，因为它们的特性变化很小、很慢，可以视作其参量恒定。 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 。其传输特性表示如下： 线性网络 的 传输特性 可以用 幅度频率特性 和

12、 相位频率特性 群时延来表征。 4.4 信道特性对信号传输的影响 理想无失真信道的幅频特性、相频特性和相频特性曲线如 下列图 所示： 图 4-15 理想信道的 幅频特性 、相频特性 和群迟延-频率特性4.4 信道特性对信号传输的影响通信原理 2021年 理想恒参信道的 冲激响应 为 假设 输入信号为 s (t)，?蚶硐牒悴涡诺赖?输出为 由此可见 ， 理想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迟延。 这种情况也称信号是 无失真传输 。4.4 信道特性对信号传输的影响 实际信道往往不满足理想的要求，例如 信号的频带在 300Hz 3

13、400Hz 范围内；而 信道的幅频特性和群时延特性如下列图所示。 3020100120024003600 dBf/ Hz4320120024003600 msf/ Hz在 3003000 Hz频率范围内衰减较平坦；两端那么增加很快；适应话音信号传输4.4 信道特性对信号传输的影响 可看出，它们都偏离了理想特性的要求。因此，会使信号产生 相频失真 或 群迟延失真。 在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此相频失真对模拟话音传输影响不明显。 如果传输数字信号，相频失真会引起相邻码元波形之间发生局部重叠，造成 码间串扰。 上述情况均属于线性失真，可以用一个线性网络进行补偿 (均衡)，假设此 线

14、性网络的频率特性与信道的频率特性之和在信号频带内为一条水平直线，那么此补偿网络就能完全抵消信号产生的失真。4.4 信道特性对信号传输的影响其他失真：非线性失真：信道的输入与输出信号的振幅关系不是线性关系，是由元器件特性不理想所引起。频率偏移：信道输入信号频谱经过信道传输后产生平移，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，产生附加的调制。4.4 信道特性对信号传输的影响二、随参信道对信号传输的影响 随参信道的传输媒质具有以下 三个特点 ： (1) 信号的传输衰减随时间而变； (2) 信号的 传输时延 随时间而变； (3) 信号经过 几条路径 到达接

15、收端，而且每条路径的长度时延和衰减都随时间而变，即存在多径传播 现象。 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。4.4 信道特性对信号传输的影响 我们假设发送信号为单一频率正弦波，即： 经过 n 条路径到达接收端，那么接收端接收到的 信号R(t) 为：(4.4-1) 上式中， 为第i条路径到达的接收信号的振幅； 为第i条路径到达信号的时延。4.4 信道特性对信号传输的影响应用三角公式可以将上式 改写为： (4.4-2、3、4、5)接收信号的包络接收信号的相位4.4 信道特性对信号传输的影响 其中， 和 相对于正弦波的频率f0来说其随时间的变化是比拟缓慢的。因

16、此接收信号R(t)可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号。tR(t)频率近似为 的正弦波f0随机缓慢变化的包络V(t)0R(f)ff0Df0图4-18 窄带信号波形及其频谱4.4 信道特性对信号传输的影响 信号的包络因传播有了起伏的现象称为 衰落；而信号的频率由于传播所造成的一定程度上的扩展，称为 频率弥散。 快衰落与慢衰落 由多径传播使信号包络产生的起伏虽然比信号的周 期缓慢，但是衰落周期常能和数字信号的一个码元 周期相比拟，故通常将由多径效应引起的衰落称为 快衰落瑞利衰落，Rayleigh。 季节、日夜、天气等的变化，也会使信号产生衰落 现象。这种衰落的起伏周期比拟长，称为慢衰落。

17、4.4 信道特性对信号传输的影响 衰落信号的路径损失、慢衰落与快衰落 4.5 信道中的噪声噪声：信道中不需要的电信号的统称，噪声是一种加性干扰，叠加在信号之上。噪声会使模拟信号失真，会使数字信号发生错码，并且限制信息的传输速率。人为噪声：外台信号、电气开关合断、点火系统。自然噪声：雷电、磁暴、宇宙射 线、太阳黑子。热 噪 声：电阻器热噪声，电子管、半导体管中 的电子起伏，频率分布范围从01012Hz。 加性噪声的来源4.5 信道中的噪声窄带噪声：是一种连续的已调正弦波，或是一个振幅恒定的单一频率的正弦波。如相邻电台信号。脉冲噪声：电气开关合断噪声、工业电火花。起伏噪声：热噪声、散弹噪声、宇宙噪

18、声。 随机噪声的性质分类 起伏噪声高斯白噪声 分析说明：热噪声、散弹噪声、宇宙噪声均为高斯噪声，且在很宽的频率范围内都具有平坦的功率谱密度，故一律把起伏噪声定义为高斯白噪声。 4.5 信道中的噪声高斯白噪声功率谱密度： 窄带高斯噪声 热噪声本身是白色的。但是在通过系统接收端解调器中对信号解调时，叠加在信号上的热噪声已经经过了接收机带通滤波器的过滤，从而其带宽受到了限制，故它已经不是白色的了，称为了窄带噪声，或称为带限白噪声。由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称为窄带高斯噪声。 4.5 信道中的噪声 设经过接收端带通滤波器后噪声的双边功率谱密度为 ，如

19、图：假设功率谱密度曲线下的面积与图中矩形线下面积相等，即总功率相等： 等效带宽的概念图4-20 噪声功率谱特性 噪声等效带宽4.6 信道容量4.6.2 连续信道容量 信道容量 是指 信道中信息无过失传输的最大速率 。 a) 香农(Shannon)公式 带宽为 B (Hz) 的连续信道，其 输入信号的功率 为 S，信道加性高斯白噪声的功率 为 N 。 那么该信道的 信道容量 为：(4.6-7) 香农公式 说明：当 信号 与 信道 加性高斯白噪声 的 平均功率 给定时，在 一定频带宽度 的信道上，理论上 单位时间内 可能传输的 信息量 的 极限值 。 只要传输速率 小于 等于 信道容量，那么 总可

20、以找到一种信道编码方式，实现无过失传输； 假设传输速率 大于 信道容量，那么 不可能实现 无过失传输 。 假设噪声n(t) 的单边功率谱密度为 n0，那么噪声功率 N = n0B 。得到香农公式的另一个形式4.6 信道容量香农公式的相关结论： 增大信号功率 S 可以增加信道容量，假设信号功率 趋于无穷大，那么信道容量也趋于无穷大，即： 减小噪声功率 N ( 或减小噪声功率谱密度 n0 ) 可以 增加信道容量，假设噪声功率趋于零 (或噪声功率谱 密度趋于零) ，那么信道容量趋于无穷大，即：4.6 信道容量 增大信道带宽 B 可以增加信道容量，但不能使信 道容量无限制增大。信道带宽 B 趋于 无穷

21、大 时， 信道容量的极限值为 香农公式 给出了通信系统所能到达的 极限信息传输速率，到达极限信息速率的通信系统称为 理想通信系统 。但是，香农公式只证明了理想通信系统的 “存在性 ，却没有指出这种通信系统的 实现方法 。4.6 信道容量【例4-2】黑白电视图像信号 每帧有 30 万个像素，每个像素有 8 个亮度电平，各电平 独立地以 等该率 出现，图像每秒发送 25 帧。假设要求接收图像 信噪比到达30dB，试求所需传输带宽。【解】每个像素独立等概取8个亮度电平，故每个像素的信息量为那么每帧图像的总信息量为：每秒传送25帧，那么每秒传输的总信息量信息传输速率为：4.6 信道容量根据shannon信道容量公式，信道容量应不小于上述的信息传输速率，那么有：那么可得：所以，系统需要的最小带宽为：4.6 信道容量 习题：4-7作 业第4章 信道*