通信原理-第四章信道概要课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,阜阳师范学院物电学院,阜阳师范学院物电学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第四章 信道,主讲：赵发勇,阜阳师范学院物电学院,1第四章 信道主讲：赵发勇,2,概述,4.1,无线信道,4.2,有线线道,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,目录,2概述目录,3,信道中的干扰：,有源干扰 噪声,无源干扰 传输特性不良,本章重点：,介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。,概述,信道,:,传输媒质,（,信号通道,）,有线信道,无线信道,3信道中的干扰：概述 信道:传输媒质（信号通道）有线信道无线,4,无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制,一般天线为波长的,1/10,（ ）。,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 面,对流层,平流层,电离层,10 km,60 km,0 km,4.1,无线信道,大气层对电磁波的影响有哪些？,4无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制地 面对流层平流,5,电离层,(DEF1F2),对于传播的影响,吸收,反射,散射,大气层（氧气水蒸气和降雨）对于传播的影响,散射,吸收,频率,(GHz),(a),氧气和水蒸气（浓度,7.5 g/m,3,）的衰减,频率,(GHz),(b),降雨的衰减,衰减,(dB/km),衰减,(dB/km),水蒸气,氧气,降雨率,图,4-6,大气衰减,4.1,无线信道,5电离层(DEF1F2)对于传播的影响频率(GHz)频,6,传播路径,地 面,图,4-1,地波传播,地 面,信号传播路径,图,4-2,天波传播,电磁波的分类,地波,频率, 2 MHz,有绕射能力,距离：数百或数千千米,中波主要靠地波,天波（电离层反射波）,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,微波中继通信,：,卫星通信,：静止卫星、移动卫星,平流层通信,：,d,d,h,接收天线,发射天线,传播途径,D,地面,r,r,图,4-3,视线传播,m,4.1,无线信道,7视线传播：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 4-,微波中继通信,使微波中继线路稳定可靠，每隔,40,60,公里便要配置一个中继站。一般以相距,46,公里为一个标准段。,图,4-4,无线电中继,微波中继通信,常用于电缆无法铺设或极难铺设的地方,而且相对而言，线路铺设简单,建设周期短,投资少。,是二十世纪六七十年代世界各国干线通信的主要传输手段之一。,微波中继通信使微波中继线路稳定可靠，每隔4060公里便要配,9,卫星通信的概貌,9卫星通信的概貌,目前，大多数卫星通信系统选择的工作频段是：,UHF,波段,400/200MHz,L,波段,1.6/1.5GHz,C,波段,6.0/4.0GHz,X,波段,8.0/7.0GHz,Ku,波段,14.0/12.0GHz;14.0/11.0GHz,Ka,波段,30/20GHz,目前，大多数卫星通信系统选择的工作频段是：,平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台,(High Altitude Platform Stations,HAPS),代替卫星作为基站的通信，平台高度距地面,17km22km,。,可以用充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。若其高度在,20km,，则可以实现地面覆盖半径约,500km,的通信区。若在平流层安置,250,个充氦飞艇，可以实现覆盖全球,90%,以上人口的地区。,平流层通信系统和卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大。它是在研究中的一种通信手段,平流层通信,平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台(High Alti,12,图,4-7,对流层散射通信,地球,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,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,4.1,无线信道,12图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域散射传播4.1,13,流星流星余迹散射,流星余迹特点 高度,80 120 km,，长度,15 40 km,存留时间：小于,1,秒至几分钟,频率 ,30 100 MHz,距离 ,1000 km,以上,特点 低速存储、高速突发、断续传输,图,4-8,流星余迹散射通信,流星余迹,13流星流星余迹散射图4-8 流星余迹散射通信流星余迹,14,架空明线,：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。,双绞线：,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,同轴电缆：,具有高带宽和较好的抗干扰特性。,光纤：,光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、高速率的数据传输，而且具有很好的保密性能。,4.2,有线信道,14架空明线：架空明线，即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸,15,双绞线示意图,15双绞线示意图,16,同轴电缆结构示意图,16同轴电缆结构示意图,17,光纤结构示意图,17光纤结构示意图,18,结构,纤芯,包层,按折射率分类,阶跃型,梯度型,按模式分类,多模光纤,单模光纤,折射率,n,1,n,2,折射率,n,1,n,2,7,10,125,折射率,n,1,n,2,单模阶跃折射率光纤,图,4-11,光纤结构示意图,(a),(b),(c),光纤,18折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2,19,信道,（信号通道）,狭义信道：信号的传输媒质,广义信道：媒质及有关变换,装置（发送、接受设备，天,线、馈线，调制解调器等）,有线信道,无线信道,调制信道,编码信道,4.3,信道的数学模型,定义广义信道的原因,：,只关心变换的最终结果，而无需关心详细的物理过程。,19信道（信号通道）狭义信道：信号的传输媒质广义信道：媒质及,20,调制信道和编码信道,调制信道,：,指图中调制器输出端到解调器输入端的部分， 又称模拟信道。 研究调制和解调时，常用调制信道。,编码信道,：,指图中编码器输出端到译码器输入端的部分，有时又称数字信道,/,离散信道。,广义信道,按包含的功能，可划分为,调制信道,与,编码信道,。,广义,信道,20调制信道和编码信道调制信道：指图中调制器输出端到解调器输,21,调制信道模型,(,模拟信道,),考察调制信道输出信号与输入信号的关系。设,输入端与输出端是一一对应的，可表示为,调制,信道的数学模型,f,e,i,(,t,),e,0,(,t,),e,i,(,t,),n,(,t,),图,4-13,调制信道数学模型,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。,21调制信道模型(模拟信道)考察调制信道输出信号与输入信号的,22,则调制信道可以写为,k(t),依赖于网络的特性， 反映网络特性对 的作用。,k(t),的存在，对 来说是一种干扰，通常称为,乘性干扰,。,通常假设,调制,信道的数学模型,22则调制信道可以写为 k(t)依赖于网络的特性,23,在分析乘性干扰,k(t),，可以把信道粗略分为两大类：,恒参信道：,指,k(t),可看成不随时间变化或相对于信道上传输信号的变化较为缓慢的调制信道（常可等效为一个,线性时不变,网络来分析）。,随参信道：,是非恒参信道的统称，或者说，,k(t),是随机变化的调制信道。,本书的模拟和数字通信系统中主要讨论具有加性高斯白噪声的恒参信道的情况。,恒参信道和随参信道,23在分析乘性干扰k(t)，可以把信道粗略分为两大类：恒参信,24,当编码信道把编码器输出的数字信号传输到解码器的输入端时，,由于噪声的存在以及信道带宽的有限,，在传输过程中不可避免会出现差错。则编码信道模型可用,数字的转移概率,来描述。,转移概率,表示信道输入端数字信号序列到输出端发生的转移程度。,编码信道对信号传输的影响是将一种数字序列变成另一种数字序列。,编码信道模型,(,数字信道,),24 当编码信道把编码器输出的数字信号传输到解码器的输入端时,25,最常见的无记忆的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。,（所谓信道无记忆是指：一码元的差错与其前后码元的差错发生是相互独立的。,),1,0,0,1,P(0/0),P(1/0),P(0/1),P(1/1),图,4-14,二进制编码信道模型,x,y,25 最常见的无记忆的二进制数字传输系统的一种简单,26,在此模型中，假设解调器每个输出码元的差错发生是相互独立的，,P(0/0),、,P(0/1),、,P(1/1),、,P(1/0),称为,转移概率,。其中,P(0/0),与,P(1/1),是正确转移的概率， 而,P(0/1),与,P(1/0),是错误转移概率。,注意：,转移概率完全由编码信道特性决定,。一个特定的编码信道，有确定的转移概率。,误码率错误转移概率的统计平均,P,e,=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1),二进制编码信道模型的,转移概率矩阵,为：,P(y,i,/x,i,)=,P(0/0) P(1/0),P(0/1) P(1/1),26 在此模型中，假设解调器每个输出码元的差错发生,27,4.4,信道特性对信号传输的影响,一、恒参信道,举例,：各种有线信道和部分无线信道，如卫星通信链路信道，微波中继链路信道，,恒参信道,实质是,非时变线性网络,信号通过线性系统的分析方法（,假设输入源这确知信号,）,下面首先介绍一种理想的恒参信道。,274.4 信道特性对信号传输的影响 一、恒参信道,28,理想恒参信道的冲激响应为,h(t)=K,0,(t-t,d,),若输入信号为,e,i,(t),， 则,理想恒参信道的输出为,e,o,(t)=K,0,e,i,(t-t,d,),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。,理想恒参信道,28 理想恒参信道的冲激响应为 h(,29,理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延,频率特性,O,K,0,|,H,(,w,),|,w,O,j,(,w,),w,w,t,d,O,t,d,t,(,w,),w,a,幅频特性,b,相频特性,c,群迟延特性,理想恒参信道,在整个信号频带范围之内：,幅频特性,和,群迟延,-,频率特性,为,常数,；,相频特性为,的线性函数,。,对,e,i,(t),的不同频率成份进行相同的幅度衰减和时延。,实际中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真：,29理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延频率特性 OK0,30,如果信道的幅度,-,频率特性在信号频带范围之内不是常数，即信号在不同的频点的衰耗不同，,导致波形失失真（,或,码间串扰）,，信号产生,幅度,-,频率失真（又称为频率失真）；,产生原因,：由于,各种滤波器、混合线圈、串联电容、分路电感,等造成引起的；,产生影响,：模拟波形失真：信噪比下降；数字信号：码间串扰,造成误码；,改变方法,：可以通过改善滤波特性或增加线性补偿网络（,幅度均衡器,）来改善，使衰耗特性平坦。,1,、幅频失真,30 如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，即,31,(a),插入损耗频率特性,图,4-16,：典型电话信道特性,31(a) 插入损耗频率特性图4-16：典型电话信道特性,32,如果信道的相位,-,频率特性在信号频带范围之内不是,的线性函数， 则会使信号产生,相位,-,频率失真,。常用,群迟延,频率特性,来衡量。,产生原因,：,信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈,引起的；,产生影响,：,对模拟语音信号影响不大,；数字信号：码间串扰，造成误码；,改变方法,：可以通过改善滤波特性或增加线性补偿网络（,相位均衡器,）来改善。,2,、相频失真,32 如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内不是的线,33,例：,非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变,群迟延畸变和幅频畸变一样，是,线性畸变,。因此，也可采取均衡措施进行补偿。,群延迟,-,频率特性影响分析,33 例：非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变,34,非线性失真,：,输入电压输出电压关系 是非线性的。主要是由元件的特性不理想造成的。,频率偏移,：,指信道的输入信号频谱经过信道传输后产生了平移。,相位抖动,其它失真：,非线性失真、频率偏移、相位抖动,非线性关系,直线关系,图,4-17,非线性特性,输入电压,输出电压,34非线性失真： 输入电压输出电压关系 是非线性的。主要是,35,随参信道包括,短波电离层反射,、,超短波流星余迹散射,、,超短波及微波对流层散射,、,超短波电离层散射等,传输媒质所构成的调制信道。,在此以,短波,（,10m100m,的无线电波）,电离层反射信道,为例对随参信道进行简单介绍，其传输路径如图。,二、随参信道,电离层,是指离地面高,60600km,的大气层。当短波电磁波经过时经反射、折射完成远距离的反射传输，同时也受到衰减、延时等影响。,35 随参信道包括短波电离层反射、超短波流星余迹散射、,36,随参信道主要具有,三个特点,：,多径传播后的接收信号将是衰减和时延都随时间变化的各条路径的信号的合成。,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（多径效应）。,36随参信道主要具有三个特点： 多径传播后的接收信号,37,考虑一个单频信号：,设发射信号为,接收信号为,式中, 由第,i,条路径到达的接收信号振幅；, 由第,i,条路径达到的信号的时延；,上式中的,都是随机变化的。,多径效应分析,37考虑一个单频信号：多径效应分析,38,应用三角公式可以将式,(4.4-1),改写成：,(4.4-2),上式中的,R,(,t,),可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。,式中,接收信号的包络,接收信号的相位,缓慢随机变化振幅,缓慢随机变化振幅,多径效应分析,38应用三角公式可以将式(4.4-1)缓慢随机变化振幅缓慢,39,所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：,结论,：,频谱上，,多径传输引起,频率弥散,，即由单个频率变成一个窄带频谱。,包络,V(t),的一维分布服从瑞利分布，称为,瑞利型衰落,。,(t),的一维分布服从,均匀分布,。,快衰落, 衰落周期和码元周期可以相比。,慢衰落, 由传播条件引起的。,多径效应分析,39 所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的,40,两径传输模型（设衰减相同）,设到达接收点的两路信号具有相同的强度和一个相对时延差,。（设输入信号为,f(t)=Acos,0,t,）,当信号经过上图所示的两径传播后，其合成输出信号将随着输入信号的频率、两径的时延差,的不同而变化。,40 两径传输模型（设衰减相同） 设到达接收点的两路,41,模型的传输特性为：,传输特性的幅度,-,频率特性为,两径传输模型（设衰减相同）,幅频特性曲线,41模型的传输特性为：传输特性的幅度-频率特性为 两径传输模,42,当 （,n,为整数）时，出现传播,极点,；,当 时，出现传输,零点,。,另外，相对时延差一般是随时间变化的，故传输特性出现的零点与极点也是随时间变化的。,频率选择性衰落,图中的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差,。而,是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为,衰落,现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为,频率选择性衰落,。,42 当 （n为整数）时，出现,43,多径传播中，频率选择性依赖于相对时延差。此时，相对时延差（简称多径时延差）通常用,最大多径时延差,m,来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。,定义相邻传输零点的频率间隔 为多径传播媒质的,相关带宽,。,为了不引起选择性衰落，传输信号的频带,B,S,必须小于多径传播媒质的相关频带,。 工程上取,B,S,=(1/3-1/5),频率选择性衰落,43 多径传播中，频率选择性依赖于相对时延差。此时，,44,确知信号,：接收端能够准确知道其码元波形的信号。,随相信号,：接收码元的相位随机变化 。,起伏信号,：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。 通过多径信道传输的信号都具有这种特性。,接收信号的分类,44确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号。 接收信号,45,4.5,信道中的噪声,调制信道对信号传输的影响，包括乘性干扰,k(t),和加性干扰,n(t),。,加性干扰,n(t),也称,加性噪声,，简称,噪声,，是,信道中存在的不需要的电信号。,454.5 信道中的噪声 调制信道对信号传输的影响,46,、按来源,分类,人为噪声,：,来源于其它无关的信号源，如外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射、荧光灯干扰等；,自然噪声,：,自然界存在的各种电磁波源，如闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其它各种宇宙噪声等；,内部噪声,：,系统设备本身产生的各种噪声，如导体中自由电子的热运动（,热噪声,）、电源哼声等。,一、噪声的分类,46、按来源 分类人为噪声：来源于其它无关的信号源，如外台,47,、按噪声性质分类,脉冲噪声,：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。,窄带噪声,：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。,起伏噪声,：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。,讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响,。,一、噪声的分类,47、按噪声性质分类一、噪声的分类,48,式中,P,n,(,f,0,), 原噪声功率谱密度曲线的最大值,噪声等效带宽,：,利用噪声等效带,宽的概念，在后面,讨论通信系统的性,能时，可以认为窄,带噪声的功率谱密,度在带宽,Bn,内是恒定的。,图,4-19,噪声功率谱特性,P,n,(,f,),P,n,(,f,0,),接收滤波器特性,噪声等效带宽,二、噪声的等效带宽,48图4-19 噪声功率谱特性 Pn(f)Pn (f0,49,4.6,信道容量,信道容量,：信道能够传输的最大平均信息速率，即信道的极限传输能力。,从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类：,离散信道,：,输入和输出的信号都是取离散的时间函数，即广义信道中的编码信道；,连续信道：,输入和输出信号都是取值连续的时间函数；即广义信道中的调制信道。,494.6 信道容量信道容量：信道能够传输的最大平均信,50,两种不同的度量单位：,C,每个符号能够传输的平均信息量最大值。,C,t,单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值。,两者之间可以互换。,离散信道模型,离散信道的模型可分为有噪声信道和无噪声信道两种情况，可以用信道,转移概率,来合理的描述信道干扰和信道统计特性。,离散信道容量,50两种不同的度量单位： 离散信道模型 离散信,51,图,(a),是无噪声信道，图（,b,）是有噪声信道。,先验概率：,P(x,i,),发送符号,x,i,的概率，,输出概率,：,P(y,j,),收到符号,y,j,的概率，,转移概率：,P(y,j,/x,i,),发送,x,i,的条件下收到,y,i,的转移（条件）概率,后验概率：,P(x,i,/y,j,),收到,yi,后判断发送为,xi,的转移（条件）概率,51图(a)是无噪声信道，图（b）是有噪声信道。,52,平均互信息量,I(X,Y),在有噪声信道中，发送符号为 而收到符号为 时所获得的信息量，即互信息量 。,它等于发送符号的信息量减去收到符号,y,i,后对,x,i,的不确定程度：,52 平均互信息量I(X,Y) 在有噪声信道中，发送,53,对所有发送为 而收到为 的互信息量取统计平均，则得到从,Y,中获得的关于,X,的平均信息量即,平均互信息量,I(X,Y),:,式中，,H(x),表示发送的每个符号的平均信息量；,H(x/y),表示发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量。,离散信道容量,53 对所有发送为 而收到为 的互信息量取统,54,容量,C,的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值,(,比特,/,符号,),当信道中的噪声极大时，,H,(,x,/,y,) =,H,(,x,),。这时,C = 0,，即信道容量为零。,容量,C,t,的定义：,(b/s),式中,r,单位时间内信道传输的符号数,该式表示有噪声信道中信息传输速率等于每秒钟内信息源发送的信息量与由信道不确定性而引起的丢失的那部分信息量之差。,例,4-1:P80,略,离散信道容量,54容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值,55,连续信道的信道容量,香农公式,假设输入信道的加性高斯白噪声单边功率谱密度为,n,0,，功率为,N(W),，信道的带宽为,B(Hz),，信号功率为,S(W),，则可以证明该连续信道的,信道容量为,上式就是信息论中具有重要意义的,香农（,shannon,）公式,连续信道的信道容量,“三要素”：,B,、,n,0,、,S,。,55 连续信道的信道容量 香农公式 假设输入信道的加性高斯,56,香农公式表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度,B,的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。,同时，该式还是,频谱扩展技术,的理论基础。,重要意义,56香农公式表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给,57,信道容量及,“,三要素,”,之间的关系,提高信噪比,S/N,可以增加信道容量,。,当,n,0,=0,或,S=,，即,S/N,趋于无穷,时，信道容量,C,趋于无穷。这意味着增大信号平均功率,S,和减小噪声功率,N,是提高信道容量的有效手段。,增加信道带宽,B,可以增加信道容量,C,，但不能无限制地使其增大,图,4-25,信道容量和带宽关系,S,/,n,0,S,/,n,0,B,C,t,1.44(,S,/,n,0,),57 信道容量及 “三要素”之间的关系提高信噪比S/N可以增,58,信噪比再小，即使,S/N1,，信道容量也不会为,0,。,也就是说，在弱信号强噪声情况下，信道也存在通信能力，只不过允许传输的信息率小而已。,在信道容量,C,一定时，信噪比,(S/N),与信道带宽,(B),对信道传输能力的影响效果可以互换,；,增加信号带宽可以降低对信噪比的要求。,当信噪比太小、不能保证通信质量时，常采用宽带系统，从而使系统具有较好的抗干扰性。,信道容量及,“,三要素,”,之间的关系,例,4-2,：,P82,略。,58信噪比再小，即使S/N1，信道容量也不会为0。在信道容,59,END,！,Thanks!,59END！Thanks!,