通信原理信道.ppt

1、1,通信原理,第4章 信 道,2,信道的定義 信道:是指信號的傳輸媒質。 信道的作用:是傳輸信號。它提供一段頻帶讓信號 通過，同時又給信號加以限制和損害。 信道的分類 ： 大體分成：狹義信道和廣義信道。 1. 狹義信道 ： 狹義信道是指在發(fā)端設備和收端設備中間的傳輸媒介，它包括有線信道和無線信道。 2. 廣義信道：廣義信道是狹義信道加上兩邊的發(fā)、收設備。,3,第4章 信 道,狹義信道分類： 無線信道 電磁波（含光波） 有線信道 電線、光纖 信道中的干擾： 有源干擾 噪聲 無源干擾 傳輸特性不良 本章重點： 介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對于信號傳輸?shù)挠绊憽?4,第4章 信 道,4.1 無線

2、信道 無線信道電磁波的頻率 受天線尺寸限制 地球大氣層的結構 對流層：地面上 0 10 km 平流層：約10 60 km 電離層：約60 400 km,5,電離層對于傳播的影響 反射 散射 大氣層對于傳播的影響 散射 吸收,第4章 信 道,6,第4章 信 道,1用dB量表示功率的絕對值： 我們用一個例子來理解dB表示。有一條光纖鏈路，傳輸一個功率為Pi(W)的光信號，這個功率用dB表示為： 在很多情況下，用毫瓦(mW)來測量功率，既可以用dBm表示毫瓦功率： 例如：當功率為1mW時，相應的dB量為： 當功率為10mW時，相應的dB量為： 2用dB量表示功率的相對值： 光信號在光纖中傳輸，功率將

3、衰減，假設發(fā)送功率為：Pt，接收功率為：Pr，則光纖鏈路的衰減，如果以dB量表示，則為： 例題：Pt=1W，Pr=1mW，求鏈路的衰減 解：信號衰減1000倍。 衰減的dB數(shù)為：30dB。 等效的：,7,第4章 信 道,電磁波的分類： 地波傳播： 頻率 2 MHz 有繞射能力 距離：數(shù)百或數(shù)千千米 天波傳播：利用電離層反射傳播的方式 頻率：2 30 MHz 特點：被電離層反射 一次反射距離： 4000 km 寂靜區(qū)：,8,視線傳播： 頻率 30 MHz 距離: 和天線高度有關 (4.1-3) 式中，D 收發(fā)天線間距離(km)。 例 若要求D = 50 km，則由式(4.1-3) 增大視線傳播距

4、離的其他途徑 中繼通信： 衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星 平流層通信：,第4章 信 道,m,球平均半徑 6371.004千米, 地球赤道半徑 6378.140千米, 地球極地半徑 6356.755千米,9,第4章 信 道,散射傳播 電離層散射 機理 由電離層不均勻性引起 頻率 30 60 MHz 距離 1000 km以上 對流層散射 機理 由對流層不均勻性（湍流）引起 頻率 100 4000 MHz 最大距離 600 km,10,第4章 信 道,流星流星余跡散射：以流星在大氣層中形成的電離余跡作為散射體而實現(xiàn)的電波散射傳播 流星余跡特點 高度80 120 km，長度15 40 km 存留時間：小

5、于1秒至幾分鐘 頻率 30 100 MHz 距離 1000 km以上 特點 低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸,11,第4章 信 道,4.2 有線信道 明線,12,第4章 信 道,對稱電纜：由許多對雙絞線組成 同軸電纜,13,第4章 信 道,光纖 結構 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,14,損耗與波長關系 損耗最小點：1.31與1.55 m,第4章 信 道,15,第4章 信 道,4.3 信道的數(shù)學模型 信道模型的分類： 調制信道 編碼信道,16,第4章 信 道,4.3.1 調制信道模型 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

6、： 這時上式變?yōu)椋?信道數(shù)學模型,17,第4章 信 道,因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。 因k(t)與e i (t)相乘，故稱其為乘性干擾。 因k(t)作隨機變化，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：當沒有信號時，沒有乘性干擾。,18,第4章 信 道,4.3.2 編碼信道模型 二進制編碼信道簡單模型 無記憶信道模型 P(0 / 0)和P(1 / 1) 正確轉移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) 錯誤轉移概率 P(0 / 0) = 1 P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 P(0 / 1),19,第4章 信 道,四進制編碼信道模型

7、,20,第4章 信 道,4.4 信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?恒參信道的影響 理想恒參信道： 振幅頻率特性：為水平直線時無失真 相頻特性為：過原點的負斜率的直線,21,第4章 信 道,恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道 恒參信道 非時變線性網(wǎng)絡 信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無失真條件： 振幅頻率特性：為水平直線時無失真 左圖為典型電話信道特性 用插入損耗便于測量,(a) 插入損耗頻率特性,22,第4章 信 道,相位頻率特性：要求其為通過原點的直線， 即群時延為常數(shù)時無失真 群時延定義：,23,第4章 信 道,頻率失真：振幅頻率特性不良引起的 頻率失真 波形畸變 碼間串擾 解決辦法：線性

8、網(wǎng)絡補償 相位失真：相位頻率特性不良引起的 對語音影響不大，對數(shù)字信號影響大 解決辦法：同上 非線性失真： 可能存在于恒參信道中 定義： 輸入電壓輸出電壓關系 是非線性的。 其他失真： 頻率偏移、相位抖動,24,第4章 信 道,變參信道的影響 變參信道：又稱時變信道，信道參數(shù)隨時間而變。 變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播 變參信道的特性： 衰減隨時間變化 時延隨時間變化 多徑效應：信號經(jīng)過幾條路徑到達接收端，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。 下面重點分析多徑效應,25,第4章 信 道,多徑效應分析： 設 發(fā)射信號為 接收信號為 (4.4-1) 式中

9、 由第i條路徑到達的接收信號振幅； 由第i條路徑達到的信號的時延； 上式中的 都是隨機變化的。,26,第4章 信 道,應用三角公式可以將式(4.4-1) 改寫成： (4.4-2) 上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機變化的。 式中 接收信號的包絡 接收信號的相位,緩慢隨機變化振幅,緩慢隨機變化振幅,27,第4章 信 道,所以，接收信號可以看作是一個包絡和相位隨機緩慢變化的窄帶信號： 結論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時，接收信號因多徑效應變成包絡起伏的窄帶信號。 這種包絡起伏稱為快衰落 衰落周期和碼元周期可以相比。 另外一種衰落：慢衰落 由傳播條件引

10、起的。,28,第4章 信 道,多徑效應簡化分析：設 發(fā)射信號為：f(t) 僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時延不同 兩條路徑的接收信號為：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) 其中：A 傳播衰減， 0 第一條路徑的時延， 兩條路徑的時延差。 求：此多徑信道的傳輸函數(shù) 設f (t)的傅里葉變換（即其頻譜）為F()：,29,第4章 信 道,（4.4-8） 則有 上式兩端分別是接收信號的時間函數(shù)和頻譜函數(shù) ， 故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)為 上式右端中，A 常數(shù)衰減因子， 確定的傳輸時延， 和信號頻率有關的復因子，其模為,30,第4章 信 道,按照上式畫出的模與角頻率關系曲線： 曲線的最大

11、和最小值位置決定于兩條路徑的相對時延差。而 是隨時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強度隨時間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關，故常稱其為頻率選擇性衰落。,圖4-18 多徑效應,第一過零點：,第二過零點：,相鄰零點間隔：,31,圖4-18 多徑效應,第4章 信 道,定義：相關帶寬1/ 實際情況：有多條路徑。 設m 多徑中最大的相對時延差 定義：相關帶寬1/m 多徑效應的影響： (1) 多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡和相位受調制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號，即多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落； (2) 從頻譜上看，多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜， 即多徑傳播引起

12、了頻率彌散。 (3)多徑會產(chǎn)生頻率選擇性失真。,32,第4章 信 道,接收信號的分類 確知信號：接收端能夠準確知道其碼元波形的信號 隨相信號：接收碼元的相位隨機變化 起伏信號：接收信號的包絡隨機起伏、相位也隨機變化。 通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性,33,第4章 信 道,4.5 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：開關火花、電臺輻射 自然噪聲 例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲,34,第4章 信 道,熱噪聲 來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。 頻率范圍：均勻分布在大約 0 1012 Hz。 熱噪聲電壓有效值： 式中 k

13、 = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)； T 熱力學溫度（K）； R 阻值（）； B 帶寬（Hz）。 性質：高斯白噪聲,35,第4章 信 道,按噪聲性質分類 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備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的。可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調正弦波。 起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內產(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。,36,第4章 信 道,窄帶高斯噪聲 帶限白噪聲：經(jīng)過接收機帶通濾波器

14、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,37,第4章 信 道,噪聲等效帶寬： 式中 Pn(f0) 原噪聲功率譜密度曲線的最大值 噪聲等效帶寬的物理概念： 以此帶寬作一矩形 濾波特性，則通過此 特性濾波器的噪聲功率， 等于通過實際濾波器的 噪聲功率。 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， 可以認為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內是恒定的。,接收濾波器特性,噪聲等效帶寬,38,第4章 信 道,4.6 信道容量 信道容量 指信道能夠無失真?zhèn)?/p>

15、輸?shù)淖畲笮畔⑺俾省?4.6.1 離散信道容量,39,第4章 信 道,4.6.2 連續(xù)信道容量 可以證明 式中 S 信號平均功率 （W）； N 噪聲功率（W）； B 帶寬（Hz）。 設噪聲單邊功率譜密度為n0，則N = n0B； 故上式可以改寫成： 由上式可見，連續(xù)信道的容量Ct和信道帶寬B、信號功率S及噪聲功率譜密度n0三個因素有關。,40,第4章 信 道,當S ，或n0 0時，Ct 。 但是，當B 時，Ct將趨向何值？ 令：x = S / n0B，上式可以改寫為： 利用關系式 上式變?yōu)?41,第4章 信 道,上式表明，當給定S / n0時，若帶寬B趨于無窮大，信道容量不會趨于無限大，而只是S

16、 / n0的1.44倍。這是因為當帶寬B增大時，噪聲功率也隨之增大。 Ct和帶寬B的關系曲線：,42,第4章 信 道,上式還可以改寫成如下形式： 式中Eb 每比特能量； Tb = 1/B 每比特持續(xù)時間。 上式表明，為了得到給定的信道容量Ct，可以增大帶寬B以換取Eb的減??；另一方面，在接收功率受限的情況下，由于Eb = STb，可以增大Tb以減小S來保持Eb和Ct不變。,43,第4章 信 道,【例4.6.2】已知黑白電視圖像信號每幀有30萬個像素；每個像素有8個亮度電平；各電平獨立地以等概率出現(xiàn)；圖像每秒發(fā)送25幀。若要求接收圖像信噪比達到30dB，試求所需傳輸帶寬。 【解】因為每個像素獨立地以等概率取8個亮度電平，故每個像素的信息量為Ip = -log2(1/ 8) =