通信原理PPT第8章

1、通信原理(合訂本),普通高等教育“九五”國家級重點教材,通信原理課程建設(shè)教材系列,信道是通信系統(tǒng)的重要組成部分，其特性對于通信系統(tǒng)的性能有很大影響。 本章主要內(nèi)容：（1）信道分類 （2）信道模型 （3）信道特性 （4）信道容量,8.1引言,8.2信道的分類,按傳輸介質(zhì)分：有線信道和無線信道。 有線信道：明線、雙絞線、同軸電纜、光纜。 無線信道：長波信道、中波信道、短波信道、微波信道、衛(wèi)星信道、短波電離層反射信道、散射信道。 按信道傳輸?shù)念愋头郑耗M信道和數(shù)字信道。 模擬信道：傳輸模擬信號的信道 數(shù)字信道：傳輸數(shù)字信號的信道,從研究消息傳輸?shù)挠^點來說，信道的范圍還可以擴大，除 包括傳輸介質(zhì)外，還

2、可以包括有關(guān)的變換裝置 ，所以又分為 狹義信道和廣義信道。,8.2信道的分類,狹義信道,狹義信道:指傳輸介質(zhì)，不包括通信設(shè)備。,（1）架空明線 （2）電纜 （3）光導(dǎo)纖維 （4）中長波地表波傳播 （5）超短波及微波視距傳播 （6）短波電離層反射信道 （7）超短波對流層散射； （8）毫米波波導(dǎo)傳播； （9）微波視距傳播等等。,廣義信道,除傳輸介質(zhì)外，還包括必要的通信設(shè)備。按功能可以劃分為:,調(diào)制信道:指下圖中調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的部分。 編碼信道:指下圖中編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。,恒參信道 1 有線信道 2 光纖信道 3 無線電視距中繼信道 4 衛(wèi)星中繼信道,8.3通信信道實例,

3、隨參信道1 短波電離層反射信道2 對流層散射信道,明線,明線是平行而相互絕緣的架空線路，其傳輸損耗較小，通頻帶在0.327KHz之間，通常采用銅線、鋁線或鋼線（鐵線），線徑為3mm左右。 明線信道易受天氣變化和外界電磁干擾，通信質(zhì)量不夠穩(wěn)定，而且信道容量較小，不能傳輸視頻信號和高速數(shù)字信號。,雙絞線,兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法扭絞起來就構(gòu)成了雙絞線 。 為了提高雙絞線的抗電磁干擾的能力，可以在雙絞線的外面再加上一個用金屬絲編織成的屏蔽層，也就是屏蔽雙絞線，價格比無屏蔽雙絞線要貴一些。 同頻帶在12250KHz之間,同軸電纜,小同軸電纜的通頻帶在604100kHz之間，中

4、同軸電纜的同頻帶在30060000KHz之間,光纖信道,光纖信道以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)，以光波為載波 的信道，具有極寬的通頻帶。,光纖的優(yōu)缺點,優(yōu)點：損耗低、通頻帶寬、重量輕、不怕腐蝕以及不受電磁干擾。 缺點：把兩根光纖精確的連接起來比較困難 ，光纜接口比較昂貴。 由于光纖的物理性質(zhì)非常穩(wěn)定而且不受電磁干 擾，因此光纖信道的性質(zhì)非常穩(wěn)定，可以看作是典 型的恒參信道。,無線電視距中繼信道,由于微波在空間是直線傳播，而地球表面是個曲面，因此其傳輸距離受到限制，一般只有50公里左右。但若采用100米高的天線塔，則可增大到100公里。,衛(wèi)星中繼信道,隨參信道,傳輸媒質(zhì)性質(zhì)的隨機變化和電磁波信號的多徑傳輸

5、使得信道特性隨機變化，因此這些信道的模型應(yīng)該屬于隨參信道模型。,短波電離層反射信道,短波的定義：波長為10100m的無線電波稱為短波（其相應(yīng)頻率為303MHz）。 地波傳播：短波沿地面?zhèn)鞑?天波傳播：短波由電離層反射傳播 地波傳播的特點：由于地面的吸收作用，地波傳播的距離較短，約為幾十千米。 天波傳播的特點：天波傳播由于經(jīng)電離層一次反射或多次反射，傳輸距離可達幾千千米甚至上萬千米。,電離層,電離層為距離地面高60600km的大氣層。在太 陽輻射的紫外線和X射線的作用下大氣分子產(chǎn)生電 離而形成電離層。電離層能夠反射短波電磁波。 由發(fā)送天線發(fā)出的短波信號經(jīng)由電離層一次或 多次反射傳播到接收端，如同

6、經(jīng)過一次或多次無源 中繼。,電離層特點：,（1）由于電離層不是一個平面而是有一定厚度的， 并且有不同高度的兩到四層（D、E、F1、F2）， 所以發(fā)送天線發(fā)出的信號經(jīng)由不同高度的電離層反 射和從不同高度的電離層反射到達接收端的信號是 由許多來自不同方向、不同路徑長度和損耗的信號 之和，這種信號稱為多徑信號，這種現(xiàn)象稱為多傳 播。,（2）電離層的性質(zhì)（例如電離層的電子密度、 高度、厚度等）受太陽輻射和其他許多因素的影 響，不斷的隨機變化。例如，四層中的D層和F1 層白天存在，夜晚消失，電離層的電子密度隨晝 夜、季節(jié)以至年份而變化等。 由此可見，短波反射信道是典型的隨參信 道。,對流層散射信道,對流

7、層是離地面1012Km的大氣層。在對流 層中由于大氣湍流運動等因素將引起大氣層不均 勻性。 當(dāng)電磁波射入對流層時，這種不均勻性就會 引起電磁波的散射，也就是漫反射，部分電磁波 向接收方向散射，起到中繼作用。另外，對流層不 是一個平面而是一個散體，電波信號經(jīng)過對流層散 射也會產(chǎn)生多徑傳播，故對流層散射信道也是隨參 信道。,8.4信道的數(shù)學(xué)模型,8.4.1連續(xù)信道模型 經(jīng)過對連續(xù)信道大量觀察和分析，可得出它具有以下主要性質(zhì)： (1) 具有一對(或多對)輸入和輸出端。 (2) 大多數(shù)信道是線性的，即滿足疊加原理。 (3) 信號經(jīng)過信道會有延時，并還會受到固定的或時變的損耗。 (4) 無輸入信號時，在

8、信道的輸出端仍有噪聲輸出。,圖8.4.1連續(xù)信道模型,其中，ftsi(t) 為時變線性算子；n(t)為加性干擾,圖8.4.2多輸入、多輸出端連續(xù)信道模型,8.4.2離散信道模型 離散信道的輸入和輸出都是離散信號，廣義信道的編碼信道就是一種離散信道。,圖8.4.3二進制離散信道模型,圖8.4.4四進制編碼信道模型,如果編碼信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元的取值無關(guān)，則稱這種信道為無記憶編碼信道；否則稱為有記憶編碼信道。如果二進制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率P(0|1)=P(1|0)，則稱其為二進制對稱編碼信道。二進制無記憶對稱編碼信道是最簡單的一種編碼信道。,8.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?1.信號

9、經(jīng)過信道不失真的要求,圖8.5.1理想信道傳輸特性,圖8.5.2限帶信道頻譜,限帶基帶信號通過理想低通濾波器不失真，限帶頻帶信號通過理想帶通濾波器也不失真.,圖8.5.3 理想低通特性,圖8.5.4理想帶通特性,2 信道的時延特性及群時延特性 Cos（t） 通過信道后變?yōu)椋?由此有,信道的群時延特性,8.6.1隨參信道的數(shù)學(xué)模型 觀測表明，隨參信道的傳輸媒質(zhì)具有三個特點： 對信號的衰耗隨時間變化。 對信號的時延隨時間變化。 多徑傳播。,8.6 隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?隨參信道的數(shù)學(xué)模型,A為信號幅度；an為信息碼元,g(t)為信息碼元 波形,c為載波角頻率。,1 平坦性衰弱及頻率選擇

10、性衰弱 （1）平坦性衰弱 多徑傳輸和信道特性的變化，導(dǎo)致接收端信號幅度隨機起伏變化，載波相位隨機變化，而基帶信號b(t)的波形變化不大，其畸變可以忽略。這種現(xiàn)象稱作平坦性衰落或一般性衰落。,8.6.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?（2）頻率選擇性衰落 不僅接收信號的幅度和相位隨機變化，而且其信息信號波形也產(chǎn)生了很大畸變，從頻域看，即其不同頻率分量受到不同程度的衰落，因此這種衰落稱作頻率選擇性衰落,2.多徑隨參信道的時延擴展與相干帶寬 隨參信道多徑時延的統(tǒng)計特性 多徑信道的頻域特性 所徑隨參信道的時延擴展與相干帶寬,分集接收是一種有效的抗一般性衰落的技術(shù)。其原理是利用兩個以上信號傳送同一信息，并且這

11、些不同信號的衰落相互獨立。接收端以適當(dāng)?shù)姆绞綄⑦@些信號合并起來加以利用，解出信息。,8. 7分集接收,獲得不相關(guān)支路信號的主要方法 (1) 用兩個天線接收同一信號，如果兩天線的距離大于載波波長的100倍以上，則兩接收天線的輸出信號的衰落將不相關(guān)，這種分集方式稱為空間分集。用兩個天線接收稱作二重空間分集，若用三個天線接收，則稱為三重空間分集，依次類推。實際中多采用二重空間分集。,(2) 利用兩個以上不同載波頻率的信號傳送同一信息，如果不同載波頻率的差大于信道的相關(guān)帶寬，則在接收端不同載波頻率信號的衰落將不相關(guān)，這種分集方式稱作頻率分集。采用兩個載波頻率稱作二重頻率分集，采用三個載波頻率稱作三重頻

12、率分集，依次類推。,(3) 由不同指向的天線波束得到互不相關(guān)的衰落信號。這種分集方式稱作角度分集。 (4) 接收水平極化的信號與垂直極化的信號的衰落也不相關(guān)。這種分集方式稱作極化分集。,(5) 如果采用擴頻信號傳送消息，則可以在接收端將不同時延的多徑信號分離開，得到的不同時延信號的衰落也互不相關(guān)。,最佳選擇式：比較各支路的信噪比，選擇信噪比最大的一路為接收信號； 等增益相加：將各支路信號直接相加作為接收信號 最大比合并：以各支路的信噪比為加權(quán)系數(shù)將各支路信號相加作為接收信號。,不同支路信號合并的主要方式有：,信道容量是指該信道能夠傳送的最大信息量。它等于信道輸入與輸出互信息的最大可能值，其值決

13、定于信道自身的性質(zhì)，與其輸入信號的特性無關(guān)。,8.8 信道容量,1 離散信道(編碼信道)的信道容量,2 連續(xù)信道,(1) 單符號高斯連續(xù)信道的信道容量,(2) 限頻、限功率高斯信道的容量,3 信道編碼定理 如果信源的信息速率(即每秒鐘發(fā)出的信息量)小于信道容量，則存在一種編碼方式可保證通過該信道傳送信源信息的差錯率任意??；反之，如果信源的信息速率大于信道容量，則不可能存在這種編碼，傳送信息的差錯率將很大。,定義：為了充分利用信道，應(yīng)在同一信道中傳送許多路相互獨立的信號，稱為信道復(fù)用。,8.9 信道復(fù)用,為在接收端能將不同路信號區(qū)分開，必須使不同路信號具有某種不同特征。按照不同頻域特征區(qū)分信號的