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1、,通 信 原 理,武汉大学电子信息学院郑 建 生,第3章 信 道,3.1 引言3.2 信道定义3.3 信道数学模型3.4 恒参信道举例3.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响3.6 随参信道举例3.7 随参信道特性及其对信号传输的影响3.8 随参信道特性的改善-分集接收3.9 信道的加性噪声3.10 信道容量的概念,第3章 信 道,主要内容： 信道的定义与数学模型 恒参信道、随参信道与分集接收 信道的加性噪声、信道容量重点内容： 信道的定义与数学模型 分集接收技术 信道容量计算,3.1 引 言,定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道分类： 有线信道、无线信道 广义信道、狭义信道 调制信道、编
2、码信道,3.2 信道定义,信道是指以传输媒质为基础的信号通道一 狭义信道和广义信道 如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道。狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类有线信道：明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等无线信道：地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等,狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上依赖于狭义信道的特性。因此，研究信道的一般特性时“传输媒质”仍是讨论的重点 如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道 广义信道除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变
3、换装置：发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等 广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。还可以定义其他形式的广义信道 常把广义信道简称为信道 ,二 调制信道和编码信道,调制信道-用于研究调制与解调问题 编码信道-用于研究编码与译码问题,图 3.2-1 调制信道和编码信道,3.3 信道的数学模型,信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性一 调制信道模型 调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，它所关心的是调制信道输入信号形式和已调信号通过调制信道后的最终结果。因此，调制信道可以用具有一定输入、输出关系的方框来表示。调制信道具有如下共性：(1) 有一对(或多对
4、)输入端和一对(或多对)输出端(2) 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理 (3) 信号通过信道有一定的延迟时间而且受到(固定的或时变的)损耗(4) 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(噪声),图 3.31 调制信道模型,根据以上几条性质，调制信道可以用一个二端口(或多端口)线性时变网络来表示，这个网络称为调制信道模型， 如图 3.3-1 所示,对于二对端的信道模型，其输出与输入的关系有： eo(t)=fei(t)+n(t) (3.3-1)式中：ei(t)为输入已调信号；eo(t)为信道总输出波形；n(t)为加性噪声，n(t)与ei(t)相互独立；fei(t)表示已
5、调信号通过网络所发生的(时变)线性变换。把fei(t)写为k(t)ei(t)，其中k(t)依赖于网络的特性，k(t)乘ei(t)反映网络特性对ei(t)的作用。k(t)的存在，对ei(t)来说是一种干扰，通常称为乘性干扰。于是式(3.3-1)可表示为： eo(t)=k(t) ei(t) +n(t) (3.32)式(3.3 2)即为二对端信道的数学模型,(1) 二对端信道的数学模型,由以上分析可知，信道对信号的影响可归结为两点：一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰n(t) 对于信号来说，如果了解k(t)与n(t)的特性，就能知道信道对信号的具体影响 通常信道特性k(t)是一个复杂的函数，它可能包括
6、各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等 同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，故k(t)往往只能用随机过程来描述,在实际使用的物理信道中，根据信道传输函数k(t)的时变特性的不同可以分为两大类： 一类是k(t)基本不随时间变化，即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的，这类信道称为恒定参量信道，简称恒参信道 另一类信道是传输函数k(t)随时间随机快变化，这类信道称为随机参量信道，简称随参信道 ,(2) 恒参信道与随参信道,编码信道包括调制信道、调制器和解调器，它与调制信道模型有明显的不同，是一种数字信道或离散信道 编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号，对信号的
7、影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列 由于信道噪声或其他因素的影响，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 编码信道模型,二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图3.3-2所示。图中P(0)和P(1)分别是发送符号“0” 和符号“1” 的先验概率，P(0/0)与P(1/1)是正确转移的概率，而P(1/0)与P(0/1)是错误转移概率 信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，错误转移概率P(1/0)与P(0/1)也就越大；反之，错误转移概率P(1/0)与P(0/1)就越小。输出总的错误概率为： Pe=P(0)P(1/0)+P(1
8、)P(0/1) (3.33) ,图 3.32 二进制编码信道模型,在图3.3-2 所示的编码信道模型中，由于信道噪声或其他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。根据无记忆编码信道的性质可以得到： P(0/0)=1-P(1/0) P(1/1)=1-P(0/1) 转移概率完全由编码信道的特性所决定。一个特定的编码信道，有确定的转移概率 由无记忆二进制编码信道模型，容易推出无记忆多进制的模型如图3.3-3所示,图3.3-3 多进制无记忆编码信道模型,如果编码信道是有记忆的，即信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是不独立的，则编码信道模型要比图3.3-2
9、 或图3.3-3 所示的模型复杂得多，信道转移概率表示式也将变得很复杂,3.4 恒参信道举例,信道特性主要由传输媒质所决定 如果传输媒质是基本不随时间变化的，所构成的广义信道通常属于恒参信道；如由架空明线、电缆、中长波地波传播、对称电缆、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光纤以及光波视距传播等传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道 如果传输媒质随时间随机快变化，则构成的广义信道通常属于随参信道,为了减小各线对之间的相互干扰,一 明线 明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路二 对称电缆 对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质。通常有两种类型：非屏蔽(UTP)和屏蔽(STP)。每
10、一对线都拧成扭绞状，如图3.4-1所示。由于这些结构上的特点，故电缆的传输损耗比较大，但其传输特性比较稳定，并且价格便宜、安装容易,3.4.1 三种有线电信道,定义优点缺点应用,图 3.41 对称电缆结构图,直流电阻：15.95/km线对工作电容：26.5pF/km,井下电视的传输问题, 同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着介质。其结构图如图3.4-2所示 实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内，构成多芯同轴电缆。书中表3-1列出
11、了几种电缆的特性 ,三 同轴电缆,图 3.4-2 同轴电缆结构图,使用频率有一个上下限？下限：60KHz上限：3000MHz,容量大：200Gb/s、200万门电话损耗低：2.5G/4500km、10G/1500km频带宽：数字5亿门、模拟160亿门线径细：几微米几十微米,3.4.2 光纤信道,一 光纤信道特点1.定义 以光纤为传输媒质，光波为载波的光纤信道2.优点3.缺点 可弯曲半径小4.应用,二 光纤信道的一般组成,3.4-3 光纤信道组成原理图,光中继器原理,三 光纤简介,1. 光纤结构 由介质芯线和另一种介质的包层构成2. 光纤分类 结 构：SI-阶跃折射率光纤 GI渐变折射率光纤 传
12、输特性： 单模光纤 多模光纤3. 主要技术指标 损耗：吸收损耗 散射损耗 色散：模间色散 模内色散3.光纤通信热点 超长光纤 相干光通信 光孤子通信 光纤放大器 光电集成电路OEIC 光子集成电路PIC 光子电子集成电路PEIC,复色光分解成单色光的物理现象信号的群速度随频率或模式不同而引起的信号失真的物理现象,无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波波段(1300GHz)时，电磁波基本沿视距传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路 相邻中继站间距离一般为4050km，当进行长距离通信时，需要在中间建立多个中继站，如图3.4-4 所示 微波中继信道具有传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金
13、属、投资少、维护方便等优点。广泛用于传输多路电话及电视等，现已经被光纤取代,3.4.3 无线电视距中继,图 3.4-4 微波中继信道的构成,一 卫星中继信道 利用人造卫星作为中继站构成的通信信道。卫星中继信道利用微波信号在自由空间直线传播的特点，以卫星转发器作为中继站与接收、发送地球站之间构成。若卫星运行轨道在赤道平面，离地面高度为35860km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时，与地球自转同步，这种卫星称为同步通信(静止)卫星。不在静止轨道运行的卫星称为移动卫星,3.4.4 卫星中继信道,为什么下行频率和上行频率不一样？,若以同步卫星作为中继站，采用三个相差120的静止通信卫星就可以覆盖地
14、球的绝大部分地域(两极盲区除外)，如图 3.4-5 所示 若采用中、低轨道移动卫星，则需要多颗卫星覆盖地球。所需卫星的个数与卫星轨道高度有关，轨道越低所需卫星数越多 目前卫星中继信道主要工作频段有：L频段(1.5/1.6GHz)、C频段(4/6GHz)、Ku频段(12/14GHz)、Ka频段(20/30GHz)。卫星中继信道的主要特点是通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、覆盖区域广等,二 卫星中继的工作频段,图 3.45 卫星中继信道示意图,三 国际电信联盟的卫星广播业务频率分配,四 卫星应用,广播电视：全球无线通信：导航：气象：资源：军事：科学：,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。只要知道网络的传输特性，就可以采用信号分析方法，分析信号及其网络传输特性传递函数，通常用幅度频率特性和相位频率特性来表征,3.5 恒参信道特性及对信号传输的影响,理想恒参信道就是理想的无失真传输信道， 其等效的线性网络传输特性: H()=K0 ejtd 式中K0为传输系数，td为时间延迟，它们都是与频率无关的常数 幅频特性： |H()|=K0 相频特性： ()=td,
