大學(xué)課件-數(shù)字通信原理第3章-信道

第三章信道12基本內(nèi)容信道定義信道數(shù)學(xué)模型恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戨S參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1.信道定義(1)影響通信系統(tǒng)可靠性能的兩個(gè)主要因素：噪聲和信道傳輸特性的不理想信道：信號(hào)通道，必不可少狹義信道：信號(hào)的傳輸媒質(zhì)(在發(fā)送器和接收器之間的物理通路)導(dǎo)向傳輸媒體：電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體傳播金屬導(dǎo)體：雙絞線、同軸電纜光纖非導(dǎo)向媒體：自由空間無(wú)線電(短波、微波、衛(wèi)星)、紅外線41.信道定義(2)雙絞線電話業(yè)務(wù)同軸電纜AM無(wú)線電FM無(wú)線電和TV地面微波接力

光纖

衛(wèi)星1021031041051061071081091010101110121013101410151016無(wú)線電紅外線紫外線可見(jiàn)光微波

Hz海事無(wú)線電51.信道定義(3)廣義信道：除傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)的某些設(shè)備所構(gòu)成的部份調(diào)制信道：從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端編碼信道：從編碼器輸出端到譯碼器輸入端根據(jù)具體問(wèn)題來(lái)選擇不同類型的信道已調(diào)信號(hào)數(shù)字序列62.信道數(shù)學(xué)模型(1)反映信道輸出和輸入之間的關(guān)系調(diào)制信道模型：傳輸已調(diào)信號(hào)，關(guān)心的是信號(hào)的失真情況及噪聲對(duì)信號(hào)的影響。已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)值是連續(xù)變化的，故也稱為連續(xù)信道，甚至稱為信道具有一對(duì)(或多對(duì))輸入和輸出端絕大多數(shù)信道是線性的有時(shí)延、損耗輸入信號(hào)為0時(shí)，信道輸出端仍有一定功率輸出72.信道數(shù)學(xué)模型(2)

f[·]：信道線性算子恒參信道：f[·]~非時(shí)變線性算子時(shí)變信道：f[·]~時(shí)變線性算子隨參信道：f[·]~隨時(shí)間隨機(jī)變化n(t)加性噪聲(干擾)，與ei(t)獨(dú)立乘性干擾，包括各種線性和非線性畸變82.信道數(shù)學(xué)模型(3)編碼信道模型一種數(shù)字序列的變換，也稱為離散或數(shù)字信道包含調(diào)制信道噪聲的干擾體現(xiàn)在誤碼上，關(guān)心的是誤碼率而不是信號(hào)失真情況無(wú)記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元的取值無(wú)關(guān)有記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元的取值有關(guān)→依賴于調(diào)制信道的性能→使用轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述92.信道數(shù)學(xué)模型(4)無(wú)記憶二進(jìn)制編碼信道模型對(duì)稱編碼信道：二進(jìn)制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率P(0/1)=P(1/0)非對(duì)稱編碼信道：二進(jìn)制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率P(0/1)≠P(1/0)無(wú)記憶四進(jìn)制編碼信道模型103.1恒參信道舉例(1)雙絞線既可用于模擬傳輸，也可用于數(shù)據(jù)傳輸帶寬依賴于線的粗細(xì)和傳輸距離無(wú)屏蔽雙絞線(UTP)屏蔽雙絞線(STP):以箔屏蔽來(lái)減少干擾113.1恒參信道舉例(2)同軸電纜基帶同軸電纜：50，為數(shù)據(jù)通信傳輸基帶數(shù)字信號(hào)，局域網(wǎng)中廣泛使用10Mb/s,1km寬帶同軸電纜：75，多用于CATV系統(tǒng)，傳送頻分復(fù)用的模擬信號(hào)6MHz/300~400MHz，100km單向放大器銅芯絕緣層外導(dǎo)體保護(hù)套123.1恒參信道舉例(3)光纖纖芯和包層構(gòu)成的雙層通信圓柱體，依靠光波承載信息光纖傳輸系統(tǒng)：光源、光纖線路和光電探測(cè)器光調(diào)制器光纖線路光源調(diào)制電信號(hào)基帶處理光探測(cè)器解調(diào)電信號(hào)基帶處理133.1恒參信道舉例(4)常用的三個(gè)波長(zhǎng)窗口143.1恒參信道舉例(5)光纖的傳送模式多模階躍光纖輸入電信號(hào)多模緩變光纖單模光纖

波長(zhǎng):1300,1550nmh2h1波長(zhǎng):850,1300nmh2h1纖芯/包層特性輸出電信號(hào)h1h2光纖的直徑減小到一個(gè)光波波長(zhǎng)153.1恒參信道舉例(6)光纖的特點(diǎn)傳送速率高，通信容量大(25~30THz帶寬/波段)。目前，在試驗(yàn)室中光纖帶寬超過(guò)50Tbps；82.5Gbps，810Gbps，3210Gbps系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用傳輸損耗小(<0.2dB/km)，適合長(zhǎng)距離傳輸抗干擾性能好，保密性好輕便連接困難163.1恒參信道舉例(7)單芯光纜多芯光纜玻璃包層塑料外套玻璃內(nèi)芯外鞘光纖外套加強(qiáng)芯光纖束纖芯包層173.1恒參信道舉例(8)無(wú)線電視距中繼兩個(gè)地面站之間傳送(點(diǎn)到點(diǎn))距離：50-100km；頻率：2G-40GHz依賴于天氣和頻率應(yīng)用：長(zhǎng)距離傳輸話音和電視信號(hào)；大廈之間LAN互連地面站之間的直視線路地球微波傳送塔183.1恒參信道舉例(9)使用微波使用轉(zhuǎn)發(fā)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)點(diǎn)：傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋地域廣，傳輸穩(wěn)定可靠，傳輸容量大應(yīng)用：傳輸電視信號(hào)、遠(yuǎn)距離話音傳輸、組建專用網(wǎng)可支持點(diǎn)到多點(diǎn)傳送C波段4/6GHz

上行5.925-6.425GHz

下行3.7-4.2GHzKU波段12/14GHz

上行14-14.5GHz

下行11.7-12.2GHz地球地面站地面站通信衛(wèi)星中繼信道193.1恒參信道舉例(10)地球同步(GEO)衛(wèi)星距地面約35860km。相對(duì)于地面站來(lái)說(shuō)，同步衛(wèi)星在空中的位置是靜止的使用3個(gè)衛(wèi)星(赤道上空)覆蓋全球INMARSAT36,000公里地球

低軌道(LEO)衛(wèi)星發(fā)射功率小，用于移動(dòng)通信和個(gè)人通信系統(tǒng)“銥”系統(tǒng)：765km高，66顆星Globalstar：1389km高，48顆星

中軌道(MEO)衛(wèi)星GPS：17723km高，24顆星伽利略計(jì)劃：30顆星203.2恒參信道特性(1)恒參信道的性質(zhì)不隨時(shí)間變化：線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際信道的特性不隨時(shí)間變化或基本不變，或變化極慢213.2恒參信道特性(2)有線電話信道

幅度-頻率畸變引起信號(hào)波形失真

相位-頻率畸變對(duì)語(yǔ)音信號(hào)影響不大基波相移諧波相移2223.2恒參信道特性(3)

包絡(luò)233.2恒參信道特性(4)幅頻畸變與相頻畸變均屬于線性畸變補(bǔ)償措施：均衡，使信道、均衡器聯(lián)合頻率特性在信號(hào)頻率范圍內(nèi)無(wú)畸變其他因素非線性畸變：元器件振幅特性的非線性導(dǎo)致頻率偏移：收發(fā)載頻偏差相位抖動(dòng)：收發(fā)載頻的不穩(wěn)定性244.1隨參信道舉例(1)短波電離層反射信道電離層：離地面高60~600km的大氣層短波：3~30MHz(100~10m)傳輸無(wú)盲區(qū)，設(shè)備簡(jiǎn)單，靈活傳輸可靠性差，需經(jīng)常更換工作頻率短波廣播，應(yīng)急通信，抗災(zāi)通信，軍事通信254.1隨參信道舉例(2)多徑傳播264.1隨參信道舉例(3)對(duì)流層散射信道對(duì)流層：離地面10~12km以下的大氣層超短波和微波波段抗毀性好，保密性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性好，適應(yīng)復(fù)雜地形能力強(qiáng)點(diǎn)到點(diǎn)通信：軍用，海島與陸地之間，應(yīng)急救災(zāi)通信等274.2隨參信道特性(1)隨參信道是指短波電離層反射，超短波流星余跡散射，超短波及微波對(duì)流層散射，短波電離層散射以及超短波超視距繞射等傳輸媒質(zhì)所分別構(gòu)成的調(diào)制信道。從對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憗?lái)看，傳輸媒質(zhì)的影響是主要的，而轉(zhuǎn)換器的影響是次要的，甚至可忽略不計(jì)，因此，主要研究傳輸媒質(zhì)的共性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽ｋS參信道特性：多徑傳輸且每條路徑的衰減及時(shí)延都是隨機(jī)變化的對(duì)信號(hào)的衰減隨時(shí)間而變化傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化多徑傳播284.2隨參信道特性(2)緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程294.2隨參信道特性(2)R(t)可視為一個(gè)窄帶隨機(jī)過(guò)程，即由于多徑使得確定的單頻載波信號(hào)變成了包絡(luò)和相位都受到調(diào)制的窄帶信號(hào)從時(shí)域來(lái)看，多徑時(shí)延擴(kuò)散從頻域來(lái)看，頻率彌散/展寬衰落信號(hào)304.2隨參信道特性(3)R(t)的統(tǒng)計(jì)特性n足夠大

R(t)是窄帶高斯過(guò)程V(t)的一維分布服從瑞利分布，(t)的一維分布服從均勻分布瑞利型衰落314.2隨參信道特性(4)頻率選擇性衰落：信號(hào)頻譜中某些分量的一種衰落分析：信號(hào)中不同頻率分量經(jīng)多條路徑到達(dá)后的相位不同。某些頻率分量在不同路徑上的相位相同，矢量相加后該分量得到增強(qiáng)；某些頻率分量在不同路徑上的相位相反，相互抵消。因而導(dǎo)致接收信號(hào)不同頻率分量的幅度大小發(fā)生變化。這種現(xiàn)象類似于信號(hào)通過(guò)一個(gè)衰減具有選擇性的網(wǎng)絡(luò)，故稱頻率選擇性衰落324.2隨參信道特性(5)以兩條路徑且衰減恒定為例

當(dāng)一個(gè)傳輸波形頻譜約寬于1/時(shí)，波形將產(chǎn)生畸變334.2隨參信道特性(6)τ是變化的，故傳輸特性零點(diǎn)、極點(diǎn)是變化的多徑傳播的頻率選擇性衰落同樣依賴于相對(duì)時(shí)延差，通常用最大多徑時(shí)延差m來(lái)表征

當(dāng)信號(hào)帶寬B>Δf時(shí)，R(t)波形一定有畸變，產(chǎn)生頻率選擇性衰落

當(dāng)信號(hào)帶寬B<<Δf時(shí)，R(t)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱(與τ有關(guān))，屬于平坦性衰落(一般性衰落)

為了不引起明顯的頻率選擇性衰落，B應(yīng)小于Δf且采用分集接收等技術(shù)使信號(hào)穩(wěn)定相關(guān)帶寬344.3隨參信道特性的改善(1)由于存在多徑與時(shí)變性，隨參信道中的信號(hào)在接收端有可能會(huì)受到嚴(yán)重的衰減。這種衰減使得接收端不可能正確地判斷發(fā)送信號(hào)，除非有其它的衰減程度比較小的信號(hào)副本提供給接收機(jī)，這種方法就被稱為分集(diversity)。分集接收就是為了克服各種衰落，提高系統(tǒng)性能而發(fā)展起來(lái)的移動(dòng)通信中的一項(xiàng)重要技術(shù)，其基本思路是：將接收到的多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的(獨(dú)立的)多路信號(hào)，然后將這些信號(hào)的能量按一定規(guī)則合并起來(lái)，使接收的有用信號(hào)能量最大對(duì)數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小對(duì)模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比354.3隨參信道特性的改善(2)分集方式時(shí)間分集：采用時(shí)間交織與信道編碼，在時(shí)間域內(nèi)提供信號(hào)的副本頻率分集：在不同的載波頻率上發(fā)送符號(hào)，在頻率域內(nèi)提供信號(hào)的副本空間分集：利用多副天線實(shí)現(xiàn)為獲得好的分集效果，時(shí)間分集要求發(fā)送冗余信號(hào)的若干時(shí)隙之間相互獨(dú)立，頻率分集要求幾個(gè)載波頻率之間相互獨(dú)立，而空間分集為保證多個(gè)發(fā)送或多個(gè)接收信號(hào)之間的獨(dú)立性，要求各副天線之間的距離要足夠大(大于若干波長(zhǎng))由上可見(jiàn)，空間分集技術(shù)是在不犧牲信號(hào)頻率帶寬和保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)獲得分集增益，因而得到了廣泛的應(yīng)用。常用的空間分集有接收分集、發(fā)送分集、極化分集和角度分集等。364.3隨參信道特性的改善(3)時(shí)頻分集(混合分集之一，以四時(shí)四頻分集為例)：將一個(gè)碼元寬度時(shí)間Ts等分四份為4個(gè)時(shí)間段，分別傳輸4個(gè)載頻，不同代碼傳輸順序不同。在Ts內(nèi)只要能正確接收到一個(gè)頻率，就可判斷在Ts內(nèi)傳輸?shù)男畔⒋a信息代碼時(shí)頻編碼

00f1、f2、f3、f401f2、f1、f4、f310f3、f4、f1、f211f4、f3、f2、f1374.3隨參信道特性的改善(4)信號(hào)合并方式最佳選擇式合并：選擇信噪比最好的一路信號(hào)等增益合并：各支路信號(hào)以相同的增益直接相加最大比合并：各支路增益與本支路信噪比成正比38思考題和作業(yè)什么是調(diào)制信道？什么是編碼信道？什么是恒參信道？什么是隨參信道？舉例。信號(hào)在恒參信道中傳輸時(shí)主要有哪些失真？如何減小這些失真？什么是群時(shí)延頻率特性？它與相位頻率特性的關(guān)系？為什么信號(hào)在隨參信道中會(huì)發(fā)生衰落現(xiàn)象？作業(yè)：4-1，4-239附錄:連續(xù)信道的信道容量405連續(xù)信道的信道容量(1)帶寬受限B和平均功率受限S的條件下，獨(dú)立的加性白高斯噪聲信道(噪聲功率為N)的信道容量(極限傳信率)~Shannon公式目前尚無(wú)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的傳信率達(dá)到信道容量.415連續(xù)信道的信道容量(2)理想情況下，Rb

=C，則有425連續(xù)信道的信道容量(3)例.一幀電視圖像由300000個(gè)像元組成。每