通信原理第3章信道.

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1、1,第3章 信道与噪声,3.1 信道及其数学模型 3.2 恒参信道与随参信道 3.3信道的加性噪声 3.4信道容量的概念,2,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。,3,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,4,有线信道和无线信道,一、

2、有线信道 通常指架空明线、双绞线、同轴电缆和光纤。,5,架空明线，即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸线，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,6,第4章 信 道,4.2 有线信道 明线,7,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,8,图1 双绞线示意图,有线信道

3、和无线信道,9,同轴电缆由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外保护套组成。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,10,图2 同轴电缆结构示意图,有线信道和无线信道,11,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,12,光纤呈圆柱形，由

4、芯、封套和外套三部分组成(如图所示)。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,13,图3 光纤结构示意图,有线信道和无线信道,14,二、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,15,4.1 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,有线信道和无线信道

5、,16,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,有线信道和无线信道,17,电磁波的分类： 地波 频率 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 天波 频率：2 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离： 4000 km 寂静区：,有线信道和无线信道,18,视线传播： 频率 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：,m,有线信道和无线信道,19,散射传播 电离层散射 机理 由电

6、离层不均匀性引起 频率 30 60 MHz 距离 1000 km以上 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,20,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,21,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,22,无线电视距中继

7、 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 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,23,图4 无线电中继信道的构成,有线信道和无线信道,24,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,25,26,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,27,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）信道和离

8、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,28,调制信道模型,信道模型,29,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,30,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,31,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,32,信道模型,二进制编码信道模型 四进制编码信道模型,33,码的转移概率

9、P(i/j),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。,系统的误码率是？,系统的误码率 Pe=P(0)P(1/0)+ P(1)P(0/1),34,M进制数字编码信道,系统误码率是？,35,信道的数学模型,信道模型的分类： 调制信道 编码信道,36,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,37,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

10、时，没有乘性干扰。,38,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,39,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,40,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,41,相位

11、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,42,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群迟延，信号经过传输后不会发生畸变,43,理想的相位-频率特性及群迟延特性,恒参信道与随参信道,44,实际的信道特性：,恒参信道与随参信道,45,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

12、波组成，其幅度比2；1,恒参信道与随参信道,46,恒参信道举例,光纤信道, 光纤与光缆 光波长 单模光纤与多模光纤 光纤的衰耗与色散,光纤通信的优点 无中继传输距离长； 系统频带宽、容量大； 具有及强的抗电磁干扰能力。,47,恒参信道举例,无线电视距传播信道,48,恒参信道举例,卫星中继信道,49,恒参信道与随参信道,随参信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,50,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； （

13、3） 多径传播。,51,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,52,随参信道举例,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。短波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道都属于随参信道。, 短波： 指波长在100m 10m（对应信号载波频率3MHz 30MHz）的无线电波。, 电离层： 距离地面高度为60km 600km的大气层称为电离层。,53,短波电离层反射信道,1. 传播路径, 电离层： 各个层次的高度、厚度、电子密度等都会随时间变化。 一次或多次反射的距离也会发生变化，且与入射角有关。

14、不同层次（F1、F2）的不同高度上都会产生反射。,地球,54,短波电离层反射信道,2. 工作频率, 最高可用频率与电离层的电子密度有关，与入射角有关。, 关于电离层反射信道的工作频率： 电离层高度、厚度、电子密度是变化的，能够随电离层变化调整工作频率、入射角才能满足一定距离下的最佳通信。 夜间F2层电子密度低，须降低工作频率，否则信号会穿透电离层。 夜间D层消失，E层吸收减小，允许工作频率降低。,55,短波电离层反射信道,多径传播, 一次反射与两次反射,地球,发送,接收, 反射高度不同, 漫射现象（略）, 寻常波与非寻常波（略）,56,短波电离层反射信道,4.电离层反射信道特点, 优点 要求功

15、率小，设备成本低。 传播距离远。 受地形影响小。 不易受人为破坏。 有一定的带宽或传输容量。, 缺点 干扰电平高。 存在快衰落和多径时延失真。 传输可靠性差。 需要经常改换工作频率，导致使用复杂。,57,随参信道举例,对流层散射信道, 随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道都属于随参信道。, 超视距传播信道： 工作在超短波和微波波段，一跳距离约100km 500km。, 对流层： 距离地面高度为10km 12km的大气层称为对流层。, 应用： 长途干线上的无线电中继通信。 点对点通信。,58,对流层散射信道,地球,发送,接收,图8 对流层散射信道传播路径,59,对流层散射信道主要特征, 衰落： 慢衰落 快衰落, 传播损耗： 自由空间能量扩散损耗 散射损耗, 多径传播： 多径传播引起信号的时散，限制信道的带宽及传输频率。, 天线与媒体间的耦合损耗： 天线在自由空间的理论增益与在对流层散射信道上测得实际增益之差。,60,随参信道特性及其对信号传输的影响, 随参信道特性参数（衰耗与时延）随时间快速变化 随参信道多存在多径传播 随参信道是一种时变多径传播信道： 对信号的衰耗随时间而变化； 传输的时延随时间而变化； 多径传播。,Hi（，t）= | Hi（，t）|e