通信原理（Seminar）課件 第4章

1通信原理2通信原理第4章信道3引言

信道是信號的傳輸媒質(zhì)(狹義信道).它可分為有線信道與無線信道兩類。

有線信道:明線、對稱電纜、同軸電纜及光纜等。

無線信道:地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。發(fā)射機(jī)接收機(jī)狹義信道信道的定義4信道定義

信道除包括傳輸媒質(zhì)外，還包括有關(guān)的變換裝置(如:發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等）。稱這種擴(kuò)大范圍的信道為廣義信道。在討論通信的一般原理時，我們采用廣義信道。廣義信道按照功能，劃分為調(diào)制信道與編碼信道。

調(diào)制信道是指調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的部分。調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒質(zhì)，只不過是對已調(diào)信號進(jìn)行某種變換。

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，編碼信道是指編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。56信道是對無線通信中發(fā)送端和接收端之間通路的一種形象比喻。對于無線電波而言，它從發(fā)送端傳送到接收端，并沒有一個有形的連接，路徑也有可能不只一條，為了形象地描述發(fā)送端與接收端之間的工作，想象有一個看不見的道路銜接，把這條銜接通路稱為信道。信道具有一定的頻率帶寬，正如公路有一定的寬度一樣。

無線信道7無線信道無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制地球大氣層的結(jié)構(gòu)對流層：地面上0~10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km地面對流層平流層電離層10km60km0km8電磁波傳播主要分為地波、天波和視線傳播三種。地波：頻率在2MHz以下，電磁波沿大地與空氣的分界面?zhèn)鞑?。傳播時無線電波可隨地球表面的彎曲而改變傳播方向。在傳播途中的衰減大致與距離成正比?？捎脕磉M(jìn)行無線電廣播。根據(jù)波的衍射特性，當(dāng)波長大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時，波才能明顯地繞到障礙物的后面。地波的傳播9由于地波在傳播過程中要不斷損失能量，而且頻率越高損失越大，因此收音機(jī)在這兩個波段一般只能收聽到本地或鄰近省市的電臺。長波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x要遠(yuǎn)得多，但發(fā)射長波的設(shè)備龐大，多用于超遠(yuǎn)程無線電通信和導(dǎo)航等。10天波：天波是靠電磁波在地面和電離層之間來回反射而傳播的，頻率范圍在2~30MHz。天波是短波的主要傳播途徑?？梢远啻畏瓷洌蚨鴤鞑ゾ嚯x很遠(yuǎn)(可上萬公里)，而且不受地面障礙物阻擋。但天波傳播的最大弱點(diǎn)是信號很不穩(wěn)定的。

天波的傳播11電離層對于不同波長電磁波表現(xiàn)出不同的特性。波長短于10m(30MHz)的微波能穿過電離層波長超過3000km的長波，幾乎會被電離層全部吸收。對于中波、中短波、短波，波長越短，電離層對它吸收得越少而反射得越多。因此，短波最適宜以天波的形式傳播。但是，電離層是不穩(wěn)定的，白天受陽光照射時電離程度高，夜晚電離程度低。因此夜間它對中波和中短波的吸收減弱，這時中波和中短波也能以天波的形式傳播。收音機(jī)在夜晚能夠收聽到許多遠(yuǎn)地的中波或中短波電臺，就是這個緣故。12視線傳播：是指工作頻率在超短波和微波波段時，電磁波基本上沿視線傳播，頻率高于30MHz的電磁波將穿透電離層，不能被反射回來，它只能作視線傳播，即直線傳播。典型的是微波通信，利用微波接力站。天線越高，傳播距離越遠(yuǎn)。視線傳播：頻率>30MHz。距離和天線高度有關(guān)：mddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr13

通信距離依靠中繼方式延伸。相鄰中繼站間距離一般在40—50km。無線電中繼信道它由終端站、中繼站及各站間的電波傳播路徑所構(gòu)成。由于具有傳輸容量大、發(fā)射功率小、通信穩(wěn)定可靠，以及和同軸電纜相比，可以節(jié)省有色金屬等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用來傳輸多路電話及電視。增大視線傳播距離的途徑14

人造衛(wèi)星中繼信道可視為無線電中繼信道的一種特殊形式。軌道在赤道平面上的人造衛(wèi)星，當(dāng)它離地面高度為35860km時，稱為同步通信衛(wèi)星。采用三個適當(dāng)配置的同步衛(wèi)星中繼站就可以覆蓋全球。這種信道具有傳輸距離遠(yuǎn)。覆蓋地域廣、傳播穩(wěn)定可靠、傳輸容量大等突出的優(yōu)點(diǎn)。廣泛用來傳輸多路電話、電報、數(shù)據(jù)和電視。衛(wèi)星中繼信道15衛(wèi)星中繼信道由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下行線路構(gòu)成。其中上行與下行線路是地球站至衛(wèi)星及衛(wèi)星至地球站的電波傳播路徑，信道設(shè)備集中于地球站與衛(wèi)星中繼站中。

16在較低軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星及不在赤道平面上的衛(wèi)星也可以用于中繼通信。在幾百公里高度的低軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，由于要求地球站的發(fā)射功率較小，特別適用于移動通信和個人通信系統(tǒng)中。衛(wèi)星之間實(shí)行空間交換，以保證陸地、海洋乃至空中的移動通信不間斷地進(jìn)行。低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)17有線信道是利用人造的傳導(dǎo)電或光信號的媒體來傳輸信號。構(gòu)成有線信道的傳輸媒質(zhì)包括架空明線、對稱（平衡）電纜、同軸電纜、光纜、波導(dǎo)管等。以適應(yīng)各種不同的通信方式及不同容量的需要。有線信道18架空明線主要優(yōu)點(diǎn)是架設(shè)比較容易，建設(shè)較快，傳輸衰耗比較小。主要缺點(diǎn)是隨頻率升高輻射損耗迅速增加。架空線路19雙絞線內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套20屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以箔屏蔽以減少干擾和串音3類、5類雙絞線外沒有任何附加屏蔽2122

同軸電纜是將電磁波封閉在同軸管內(nèi)，內(nèi)導(dǎo)體多為實(shí)心導(dǎo)線，外導(dǎo)體為一根空心導(dǎo)電管或金屬編織網(wǎng)。電磁波的相互干擾也較小，因此適用于高頻段、大容量載波電話（電報）通信。同軸電纜2324光在高折射率的媒質(zhì)中具有聚焦特性，把折射率高的媒質(zhì)做成芯線，折射率低的媒質(zhì)做成芯線的包層，就構(gòu)成光纖。光纖可以傳輸光信號。光纜通信通信容量極大、傳輸損耗極小、沒有串話現(xiàn)象、不受電磁感應(yīng)干擾。光纜25光纖結(jié)構(gòu)纖芯包層按折射率分類階躍型梯度型按模式分類多模光纖單模光纖折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2單模階躍折射率光纖圖4-11光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)26損耗與波長關(guān)系損耗最小點(diǎn)：1.31與1.55m0.7

0.9

1.11.31.5

1.7光波波長（m）1.55m1.31m圖4-12光纖損耗與波長的關(guān)系27信道的數(shù)學(xué)模型調(diào)制信道：調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的部分。從調(diào)制和解調(diào)的角度來看，調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒質(zhì)，不論其過程如何，只不過是對已調(diào)信號進(jìn)行某種變換。編碼信道：編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。284.3.1調(diào)制信道模型式中 －信道輸入端信號電壓； －信道輸出端的信號電壓； －噪聲電壓。通常假設(shè)：這時上式變?yōu)椋? －信道數(shù)學(xué)模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型29因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。因k(t)與ei(t)相乘，故稱其為乘性干擾。因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道。若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號時，沒有乘性干擾。304.3.2編碼信道模型二進(jìn)制編碼信道簡單模型－無記憶信道模型(前后碼元發(fā)生的錯誤是互相獨(dú)立的)P(0/0)和P(1/1)－正確轉(zhuǎn)移概率P(1/0)和P(0/1)－錯誤轉(zhuǎn)移概率P(0/0)=1–P(1/0)P(1/1)=1–P(0/1)

P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)圖4-13二進(jìn)制編碼信道模型發(fā)送端接收端31四進(jìn)制編碼信道模型01233210接收端發(fā)送端32信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺赖挠绊懞銋⑿诺琅e例：各種有線信道、衛(wèi)星信道…恒參信道可等效為一個線性時不變網(wǎng)絡(luò)，其傳輸特性H(ω)可用幅頻特性，相頻特性共同描述：幅頻特性(傳輸特性幅值與頻率的關(guān)系)：相頻特性(傳輸特性相位與頻率的關(guān)系)：33希望信號經(jīng)過信道后不產(chǎn)生失真，則H(ω)滿足以下條件：34定義群延遲為相位頻率特性的導(dǎo)數(shù)，即則理想的相位頻率特性和群延遲頻率特性圖為：35兩種失真：實(shí)際信道特性不理想，對信號產(chǎn)生主要的兩種失真。頻率失真(幅頻失真)：是指信號中不同頻率的分量分別受到信道不同的衰減。導(dǎo)致信號波形畸變，輸出信噪比下降。它對模擬信道影響較大（如模擬電話信道）。由于失真是線性的，可用線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。相位失真（或群延遲失真）是指信號中不同頻率分量分別受到信道不同的時延，它對數(shù)字通信影響大，會引起嚴(yán)重的碼間干擾，造成誤碼。這種失真也是線性的，也可用線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。36其他失真：非線性失真：信道的輸入與輸出信號的振幅關(guān)系不是線性關(guān)系，是由元器件特性不理想所引起。頻率偏移：信道輸入信號頻譜經(jīng)過信道傳輸后產(chǎn)生平移，是由調(diào)制解調(diào)或頻率變換的振蕩器的頻率誤差所引起。相位抖動：也是由于振蕩器頻率不穩(wěn)所產(chǎn)生，產(chǎn)生附加的調(diào)制。37隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道是指信道是時變的，如電離層密度的變化；對流層氣團(tuán)的變化。隨參信道特點(diǎn)：對信號的衰減隨時間變化而變化。傳輸時延隨時間變化。多徑傳播：信號經(jīng)過幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。38多徑傳播是指由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收點(diǎn)。以下重點(diǎn)介紹多徑傳播。對流層多徑傳播電離層多徑傳播由于每條路徑對信號的衰減和時延都隨電離層和對流層的機(jī)理變化而變化，所以接收信號將是衰減和時延隨時間變化的各路徑信號的合成。39移動通信信道DirectWave0102特征：接收信號是多條路徑信號疊加40設(shè)發(fā)射波為，振幅A，頻率f0恒定。經(jīng)過幾條路徑傳播后的接收信號：μi(t)：第i條路徑到達(dá)的接收信號振幅。τi(t)：第i條路徑的傳輸時延，它隨時間不同而變化。利用和角公式，接收信號為：41式中：因?yàn)槭蔷徛兓?，因此包絡(luò)、相位也是緩慢變化的隨機(jī)過程，于是可視為一個窄帶隨機(jī)過程。窄帶信號波形42信號波形因傳播有了起伏的現(xiàn)象稱為衰落(接收信號的幅度和頻率都發(fā)生了變化)。信號起伏比信號周期變化緩慢，但仍有秒或秒以下的數(shù)量級，能和數(shù)字信號的一個碼元周期相比較，因此這種衰落稱為快衰落。信號在一條信道傳播時，也會因季節(jié)、天氣等原因產(chǎn)生衰落，這種衰落時間很長，稱為慢衰落。衰落43快衰落與頻率有關(guān)，也稱之為頻率選擇性衰落。兩徑傳播模型如圖所示(發(fā)射信號f(t)，t0是固定的時延，τ是兩條路徑信號的相對時延差，V0為一個確定值)：44可證：兩徑傳播時，其兩徑傳播媒質(zhì)的傳輸特性的模H(ω)將依賴于

在π/τ處出現(xiàn)傳輸零極點(diǎn)，在此處信號衰減為零。輸入信號帶寬最好限制在1/τ寬度內(nèi)。

對兩個以上的多徑信號中，設(shè)τm為多徑中最大的相對時延差，則1/τm定義為此多徑信道的相關(guān)帶寬。45

隨參信道特性的改善對于慢衰落，主要采取加大發(fā)射功率和在接收機(jī)內(nèi)采用自動增益控制等技術(shù)和方法即可。對于快衰落，通?？刹捎枚喾N措施，例如，各種抗衰落的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)等。其中明顯有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。46

分集接收的基本思想

基本思想：如果能在接收端同時獲得幾個不同的合成信號，并將這些信號適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號，將有可能大大減小衰落的影響。

要求：只有被分集的幾個合成信號之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，合并后才能使系統(tǒng)性能改善。47

空間分集： 使用多個天線頻率分集： 用多個頻率傳同一信息角度分集： 天線指向不同

分集方式48

最佳選擇式： 選擇信噪比最好的一個接收等增益相加式： 各支路等增益相加最大比值相加式： 使增益和本支路信噪比成正比后相加性能：3>2>1

信號合并方式49接收信號的分類確知信號：接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號隨相信號：接收碼元的相位隨機(jī)變化起伏信號：接收信號的包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變化。通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性504.5信道中的噪聲噪聲信道中存在的不需要的電信號。又稱加性干擾。按噪聲來源分類人為噪聲－例：開關(guān)火花、電臺輻射自然噪聲－例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動。頻率范圍：均勻分布在大約0～1012Hz。51按噪聲性質(zhì)分類脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時間比間隔時間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。窄帶噪聲：來自相鄰電臺或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的?？梢钥醋魇且环N非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。討論噪聲對于通信系統(tǒng)的影響時，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。52窄帶高斯噪聲帶限白噪聲：經(jīng)過接收機(jī)帶通濾波器過濾的熱噪聲窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率： 式中Pn(f)－雙邊噪聲功率譜密度53噪聲等效帶寬：

式中 Pn(f0)－原噪聲功率譜密度曲線的最大值利用噪聲等效帶寬的概念，在后面討論通信系統(tǒng)的性能時，可以認(rèn)為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內(nèi)是恒定的。圖4-19噪聲功率譜特性Pn(f)Pn(f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬54信道容量信息容量是指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾?。表示信道的極限傳輸能力從信息論觀點(diǎn)，各種信道分二大類：離散信道——編碼信道（其模型用轉(zhuǎn)移概率表示）連續(xù)信道——調(diào)制信道（其模型用時變線性網(wǎng)絡(luò)表示）1.離散信道容量編碼信道是一種離散信道，可以用離散信道的信道容量來表征。55離散信道容量的兩種等價描述：用每個符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒆畲笾当硎拘诺廊萘緾。用單位時間(秒)內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾当硎拘诺廊萘緾t。設(shè)有n個發(fā)送符號，如果信道無噪聲，則它的輸入與輸出一一對應(yīng)，即P(xi)和P(yj)相同。y1y2y3...yn56如果信道有噪聲，設(shè)P(xi)為發(fā)送符號xi的概率；P(yj)為收到符號yj的概率；P(yi/xi)為轉(zhuǎn)移概率，i=1,2,…,n(表示發(fā)送xi的條件下收到y(tǒng)i概率)。在這種信道中，輸入與輸出不存在一一對應(yīng)關(guān)系，而是隨機(jī)對應(yīng)關(guān)系。輸入為x1時，輸出可能為y1，也可能是yi，但它們之間存在一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)。57計(jì)算收到一個符號時獲得的平均信息量：從信息量的概念得知：發(fā)送xi時收到y(tǒng)j所獲得的信息量等于發(fā)送xi前接收端對xi的不確定程度（即xi的信息量）減去收到y(tǒng)j后接收端對xi的不確定程度。發(fā)送xi時收到y(tǒng)j所獲得的信息量

=-log2P(xi)-[-log2P(xi

/yj)]對所有的xi和yj取統(tǒng)計(jì)平均值，得出收到一個符號時獲得的平均信息量：5859如果單位時間內(nèi)信道傳輸?shù)姆枖?shù)為r,則信道每秒傳輸?shù)钠骄畔⒘繛?稱為信息傳輸速率R)：信道容量定義：表示了每個符號傳輸?shù)钠骄畔⒘康淖畲笾?。無噪聲時，C=H(x)，C最大。時，C=0，信道容量為0，噪聲最大。表明：有噪聲信道中信息傳輸速率等于每秒鐘內(nèi)信息源發(fā)送的信息量與由信道不確定性而引起丟失的那部分信息量之差。60第二種形式的信道容量可表示成：即對于一切可能的信息源概率分布來說，信道傳輸信息速率R的最大值稱為信道容量。61例：設(shè)信息由符號0和1組成，順次選擇兩符號構(gòu)成所有可能的消息。如果消息傳輸速率每秒1000符號，且兩符號出現(xiàn)概率相等。在傳輸中，弱干擾引起的差錯是：平均每100符號中有一個符號不正確，信道模型如圖所示。求這時傳輸信息的速率是多少？P(0/1)=0.01P(0/0)=0.99P(1/1)=0.99