第2章信道(精品)

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,*,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,第二章 信 道,2.1,信道定义、分类及信道模型,2.2,恒参信道特性及其对信号传输的影响,2.3,随参信道特性及其对信号传输的影响,2.4,随参信道特性的改善,-,分集接收,2.5,信道的加性噪声,2.6,信道容量的概念,2,2.1,信道定义、分类及信道模型,广义信道按包含的功能，可划分为,调制信道,与,编码信道,，如下图所示,:,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,3,图,21,调制信道和编码信道,广义信道定义原因：,只关心变换的最终结果，而无需关心详细的物理过程。,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。,4,调制信道模型,调制信道具有如下,共性：,1,）输入端与输出端是一一对应的；,2,）,绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；,2,）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到,(,固定或时变的,),损耗；,4,）,即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功率输出。,噪声,5,因此，可用一个,二对端,(,或多对端,),时变线性网络来表示调制信道，如图。,则二对端数学模型可以写为,其中，,n(t),为独立存在的,加性噪声（或加性干扰）,；,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,。,时不变系统,：,系统内的参数不随时间变化的系统，即恒参系统；,时变系统：,系统内的参数随时间变化的系统，也称变参,(,随参,),系统。,6,(a),二对端调制信道模型,7,(b),多对端调制信道模型,8,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。,9,编码信道模型,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。,数字的转移概率,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。,10,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,2-4,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,2-4,二进制编码信道模型,x,y,11,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,信道转移概率,。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。,需要注意：,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。,1,0,0,1,P(0/0),P(1/0),P(0/1),P(1/1),图,2-4,二进制编码信道模型,x,y,12,误码率,为,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),13,恒参信道特性,2.2,恒参信道特性及其对信号传输的影响,14,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。,15,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,其中群迟延特性为,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,。,只对,e,i,(t),的不同频率成份进行相同的幅度衰减和时延。,16,实际,中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真：,如果信道的幅度,-,频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生,幅度,-,频率失真,；,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,。,17,幅度,频率畸变,产生原因：,由有线电话信道中可能存在的,各种滤波器、混合线圈、串联电容、分路电感等造成,信道的幅度频率特性不理想所引起的，又称为,频率失真,。,一般典型音频电话信道可用图,2-4,所示的,幅度频率特性曲线,近似表示。,频率,(Hz),0 400 1100 2900,衰耗,(dB),图,2-4,典型音频电话信道的相对衰耗,18,产生的影响,：,对于模拟信号：造成波形失真,对于数字信号：造成码间串扰,引起相邻码元波形在时间上的相互重叠,克服措施,：,改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效 传输带宽内平坦；,增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变得平坦；,均衡器,19,相位,频率畸变,产生原因：,来源于,信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈，尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。,相位,-,频率畸变,是指信道的相位,-,频率特性偏离线性关系所引起的畸变。,分析方法：,常采用,群延迟,-,频率特性,(,相位,-,频率特性对频率的导数,),来衡量；若相位,-,频率特性用,(),来表示，则群迟延,-,频率特性,20,对理想信道，呈现性关系，,(,为常数,),的曲线将是一条水平直线，如图,2-5,。,实际典型的电话信道的群迟延,-,频率特性如图,2-6,。,图,2-5,理想的相位,频率特性,及群延迟,频率特性,=K,0,K,0,0.8 1.6 2.4 4.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,相对群延迟,ms,频率,(kHz),图,2-6,群延迟,频率特性,21,非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变,如图,2-7,。,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。,22,2.3,随参信道特性及其对信号传输的影响,随参信道及其主要特性,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,（,10m,100m,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。,23,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。,24,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。,25,引起多径传播的主要原因,26,多径传输的影响,(,主要从多径时延差的影响进行研究,),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，如下图。,27,常把多径传输对信号传输的影响称为,一般衰落及频率弥散,和,频率选择性衰落,。,28,2.4,随参信道特性的改善,分集接收,分集接收的原理,分集接收的,基本思想,：分散得到几个,统计独立,的合成信号并集中这些信号，那么经适当的合并后构成总的接收信号，就能使系统的性能大为改善。,29,分集接收的种类,空间分集,：,在接收端架设几副有足够的间距（,100,个信号波长以上）天线，以保证各天线上获得的信号基本相互独立。,频率分集：,用多个不同载频传送同一个消息，如果各载频的频差相隔比较远，则各载频信号也基本互不相关。,角度分集：,利用天线波束指向不同信号不相关的原理构成的一种分集方法。,极化分集：,分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种极化方法。,30,合并方法,最佳选择式：,从几个分散信号中选择其中信噪比最好的一个作为接收信号；,等增益相加式：,将几个分散的信号以相同增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号；,最大比值相加式：,使各支路增益分别与其信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。,图中,n,为分集重数，,r,为合并后输出信噪比的平均值。,31,2.5,信道加性噪声,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,。,32,加性噪声来源与分类,来源,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。,33,根据特征分为,单频噪声,：占有频率很窄的连续波噪声；,特点,：,可视为一个已调正弦波，其幅度、频率或者相位是事先不能预测的。但这种噪声占有极窄的频带，在频率轴上的位置可以测量进而防止，因此并不是所有的通信系统中都存在。,如外台信号等。,单频噪声,脉冲噪声，,起伏噪声,34,脉冲噪声,：时间上无规则地突发的短促噪声；,特点,：,突发的脉冲幅度大，但持续时间短，相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段。有较宽的频谱，但随频率升高能量降低。,如工业上的点火辐射，闪电及偶然的碰撞和电气开关通断产生的噪声等。,35,起伏噪声,：,以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声,；,特点,：,无论在时域还是频域内它们都是普遍存在和不可避免的；是影响通信质量的主要因素之一，是研究噪声的主要对象。,36,起伏噪声来源,热噪声,电,阻类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声,。,散弹噪声,由真空电子管或半导体器件中电子发射的不均匀性引起的噪声,。,宇宙噪声,是指天体辐射波对接收机形成的噪声,。,37,起伏噪声特点,高斯白噪声,，且在相当宽的频谱内具有平坦的功率谱密度；,经信道、接受转换设备后输出为窄带高斯噪声,；,对于带宽为,B,n,的窄带高斯噪声，,认为,它的功率谱密度,P,n,(,),在带宽,B,n,内是平坦的。,38,2.6,信道容量,信道容量,：信道能够传输信息的最大传输速率，,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。,39,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,40,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。,连续信道的信