华北电力大学通信系统原理第3章.ppt

通信系统原理           第第3章章 信道信道第第3章章 信信 道道         信道是通信系统必不可少的组成部分一般来说,实际信道都不是理想的ü信道具有非理想的频率响应特性ü信号通过信道传输时搀杂进去的其他干扰（噪声）          信道频率特性的不理想及噪声和干扰将影响信息传输的有效性和可靠性第第3章章 信信 道道n本章重点：信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响n信道分类：q狭义信道 n无线信道 － 地波传播、短波电离层反射、超短波或微波、人造卫星中继、对流层散射、流星余迹散射以及移动无线电信道等n有线信道 － 电线、光纤q广义信道n信道中的干扰：q有源干扰 － 噪声q无源干扰 － 传输特性不良第第3章章 信信 道道一、 信道的定义与分类    1.狭义信道     狭义信道是发送设备和接受设备之间用以传输信号的传输媒质分为两大类 第第3章章 信信 道道6第第3章章 信信 道道3.1 有线信道q明线双绞线第第3章章   信信  道道结构化布线结构化布线EIA/TIA 568B双绞线标准双绞线标准第第3章章   信信  道道第第3章章   信信  道道EIA/TIA 568A双绞线标准双绞线标准第第3章章   信信  道道双绞线的传输性能双绞线的传输性能n抗干扰能力较差。

抗干扰能力较差n带宽和传输距离带宽和传输距离：决定于铜线的粗细第第3章章   信信  道道同轴电缆结构同轴电缆结构Ø中心导体中心导体—传递信号传递信号Ø绝缘体绝缘体—隔绝隔绝Ø屏蔽网屏蔽网—接地接地Ø外层包覆外层包覆—保护外皮保护外皮第第3章章   信信  道道同轴电缆的分类同轴电缆的分类Ø基带同轴电缆：基带同轴电缆：50欧姆电缆，用于数字传欧姆电缆，用于数字传输数据传输速率：输数据传输速率：10Mb/s，，信号传输距信号传输距离：离：1-1.2kmØ宽带同轴电缆：宽带同轴电缆：75欧姆电缆，用于模拟传欧姆电缆，用于模拟传输CATV中标准传输电缆，带宽可达：中标准传输电缆，带宽可达：300-450MHz,传输距离：传输距离：100km第第3章章   信信  道道同轴电缆的优缺点同轴电缆的优缺点q抗干扰能力强抗干扰能力强q带宽宽，数据传输速率高，传输距离远带宽宽，数据传输速率高，传输距离远q价格贵，很重，无法结构化布线价格贵，很重，无法结构化布线应用：电视网络、近距离计算机网络、长途电应用：电视网络、近距离计算机网络、长途传输话传输第第3章章   信信  道道光纤、光缆光纤、光缆q轴心轴心：玻璃材：玻璃材质质, , 用来传送用来传送光波光波讯号讯号。

q被覆被覆层层：折射率：折射率极极低的物低的物质质q外皮：不透光的材外皮：不透光的材质质, , 用以隔用以隔绝绝外在的干外在的干扰扰源源, , 保保护护脆弱的脆弱的轴心轴心第第3章章   信信  道道16第第3章章 信信 道道q光纤n结构q纤芯q包层n按折射率分类q阶跃型q梯度型n按模式分类q多模光纤q单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单单模模阶阶跃跃折折射射率光纤率光纤图3-11 光纤结构示意图(a)(b)(c)17n损耗与波长关系q损耗最小点：1.31与1.55  m第第3章章 信信 道道0.7             0.9                  1.1              1.3             1.5               1.7光波波长（m）1.55 m1.31 m图3-12光纤损耗与波长的关系光纤的类型光纤的类型q单模光纤单模光纤：：轴心直径较细轴心直径较细, , 约约 5~10 5~10 微米微米, , 传输距离长传输距离长, , 散射率小散射率小, ,传输传输效能效能极佳极佳q多模光多模光纤纤：：轴心直径较宽轴心直径较宽, ,约约50~100 50~100 微米微米, ,传输距离传输距离短短, , 传输传输效能效能略差略差。

第第3章章   信信  道道光纤工作波段光纤工作波段Ø目前，在试验室中光纤带宽超过目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；；8   2.5 Gbps，，8   10 Gbps ，，32   10 Gbps的光纤传输已经实用的光纤传输已经实用Ø常用的三个波长窗口（光纤波段）常用的三个波长窗口（光纤波段）ü0.85um：：衰减（衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，大，传输速率和距离受限制，但价格便宜但价格便宜ü1.30um：：衰减小，无色散（衰减小，无色散（dispersion））补偿、功率放补偿、功率放大情况下，最大传大情况下，最大传40km（（最坏情况）最坏情况）ü1.55um：：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传传80km（（最坏情况）最坏情况）第第3章章   信信  道道                         对称电缆典型应用：通信电缆每条电缆中有数十甚至上百个线对，用它们接或者信号，根据颜色的不同，可以区分它们的顺序国际标准：正：白红黑黄紫负：兰橙绿棕灰第第3章章   信信  道道3.1 无线信道q无线信道电磁波的频率 － 受天线尺寸限制q地球大气层的结构n对流层：地面上 0 ~ 10 kmn平流层：约10 ～ 60 kmn电离层：约60 ～ 400 km地  面对流层平流层电离层10 km60 km0 km第第3章章   信信  道道q电离层对于传播的影响n反射n散射q大气层对于传播的影响n散射n吸收第第3章章 信信 道道23传播路径地  面图3-1 地波传播地 面信号传播路径图 3-2 天波传播q电磁波的分类：n地波q频率 < 2 MHzq有绕射能力q距离：数百或数千千米 n天波q频率：2 ~ 30 MHzq特点：被电离层反射q一次反射距离：< 4000 kmq寂静区：第第3章章   信信  道道24n视线传播：q频率 > 30 MHzq距离: 和天线高度有关[例] 若要求D = 50 km，则q增大视线传播距离的其他途径§中继通信：§卫星通信：静止卫星、移动卫星§平流层通信：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 3-3 视线传播图3-4 无线电中继m第第3章章   信信  道道25图3-5 对流层散射通信地球有效散射区域第第3章章 信信 道道n散射传播q电离层散射机理 － 由电离层不均匀性引起频率 － 30 ~ 60 MHz距离 － 1000 km以上q对流层散射机理 － 由对流层不均匀性（湍流）引起频率 － 100 ~ 4000 MHz最大距离 < 600 km26第第3章章 信信 道道q流星流星余迹散射 流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，长度15 ~ 40 km   存留时间：小于1秒至几分钟频率 － 30 ~ 100 MHz距离 － 1000 km以上特点 － 低速存储、高速突发、断续传输图3-8 流星余迹散射通信流星余迹蜂窝传输技术蜂窝传输技术n物理特性：小区覆盖。

物理特性：小区覆盖n传输特性：靠基站布置实现全区域覆盖，传输特性：靠基站布置实现全区域覆盖，具有穿透饶射等能力具有穿透饶射等能力900MHz、、1800MHz等频段n应用：应用：GSM系统、系统、cdma网络网络第第3章章   信信  道道        调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的所有电路设备和传输介质，调制信道主要用来研究模拟通信系统的调制、解调问题，故调制信道又可称为连续信道（模拟信道）   编码信道的范围是从编码器输出端至译码器输出端，编码器的输出和译码器的输入都是数字序列，故编码信道又称为离散信道（数字信道） 第第3章章   信信  道道29第第3章章 信信 道道3.3.1 调制信道模型式中          － 信道输入端信号电压     － 信道输出端的信号电压       － 噪声通常假设：这时上式变为： － 信道数学模型f [ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)图3-12   调制信道数学模型30第第3章章 信信 道道n因k(t)随t变，故信道称为时变信道n因k(t)与e i (t)相乘，故称其为乘性干扰n若k(t)作随机变化，故称信道为随参信道。

n若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道n乘性干扰特点：与信号同时存在、同时消失！即当没有信号时，没有乘性干扰31第第3章章 信信 道道3.3.2 编码信道模型编码信道模型 n二进制编码信道简单模型 － 无记忆信道模型qP(0 / 0)和P(1 / 1) － 正确转移概率qP(1/ 0)和P(0 / 1) － 错误转移概率qP(0 / 0) = 1 – P(1 / 0)qP(1 / 1) = 1 – P(0 / 1)  P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)图3-13 二进制编码信道模型发送端接收端32第第3章章 信信 道道n四进制编码信道模型 01233210接收端发送端33第第3章章 信信 道道3.4 信道特性对信号传输的影响q恒参信道的影响n恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道…n恒参信道    非时变线性网络  信号通过线性系统的分析方法线性系统中无失真条件：q振幅～频率特性：为水平直线时无失真           左图为典型信道特性          用插入损耗便于测量(a) 插入损耗～频率特性34第第3章章 信信 道道q相位～频率特性：要求其为通过原点的直线，即群时延为常数时无失真群时延定义：频率(kHz)（ ms ）群延迟(b) 群延迟～频率特性0相位～频率特性35第第3章章 信信 道道n频率失真：振幅～频率特性不良引起的q频率失真  波形畸变  码间串扰q解决办法：线性网络补偿n相位失真：相位～频率特性不良引起的q对语音影响不大，对数字信号影响大q解决办法：同上n非线性失真：q可能存在于恒参信道中q定义：   输入电压～输出电压关系   是非线性的。

n其他失真：频率偏移、相位抖动…非线性关系直线关系图3-16 非线性特性输入电压输出电压n信号通过线性系统不失真的条件是该系统的传输函数     H(ω)=H(ω)ejφ(ω)满足下述条件  如果传输特性不好（即上述两个条件不满足），会使信号传输产生失真（也称畸变）第第3章章   信信  道道1.幅度——频率畸变 幅度——频率畸变是信道的幅度——频率特性不理想引起的，主要是在信道有效的传输带宽内， | H(ω) |不是恒定不变的，而是随频率的变化有所波动这种振幅频率特性的不理想导致信号通过信道时波形发生失真，又称为幅度频率失真产生原因：信道中存在各种滤波器、混合线圈、串联电容、分布电感等影响：l         对模拟信号，使波形失真，如语音信号，不同频率强弱变化；l         对数字信号，会引起相邻码元波形在时间上相互重叠（因信道特性变化），从而造成码间串扰、误码第第3章章   信信  道道2.1．  相位——频率畸变：经常用群迟延——频率特性来描述相频特性： 群迟延——频率特性为：τ(ω)=dφ(ω)/dω，当φ(ω)  =-ωtd 即τ(ω)=-td时，无相频畸变。

ωφ(ω)-ωtdωτ(ω)-td00此时信号的不同频率成分将有相同的群迟延，因而信号经传输后不发生畸变第第3章章   信信  道道如果信道的相位——频率特性偏离线性关系，即φ(ω) ≠-ωtd 时，由于信号的各次谐波通过信道后的相位关系发生改变，叠加后波形就产生了失真，称为相位频率失真，也称相位畸变由于相位频率特性的非线性性转化为时延不一致而导致的失真，也称为群时延——频率失真产生原因：滤波器、加感线圈影响：语音信号，基谐时间关系失真，视频影响大数字信号，产生串扰 第第3章章   信信  道道三、随参信道特性及其对信号传输的影响n随参信道包括短波电离层反射信道、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n 对流层：10km～12km以下大气层电离层：60～600km大气层第第3章章   信信  道道41第第3章章 信信 道道q随参信道的影响n随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变n随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播…n随参信道的特性：q衰减随时间变化q时延随时间变化q多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。

 下面重点分析多径效应42第第3章章 信信 道道n多径效应分析：设  发射信号为      接收信号为   (3.4-1)式中      － 由第i条路径到达的接收信号振幅；      － 由第i条路径达到的信号的时延；上式中的                                                       都是随机变化的43第第3章章 信信 道道应用三角公式可以将式(3.4-1)改写成：      (3.4-2)  上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的式中     － 接收信号的包络      －接收信号的相位 44第第3章章 信信 道道所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号这种包络起伏称为快衰落 － 衰落周期和码元周期可以相比另外一种衰落：慢衰落 － 由传播条件引起的  45第第3章章 信信 道道（3.4-3）则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数 ，故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，A － 常数衰减因子，     － 确定的传输时延，      － 和信号频率有关的复因子，其模为第第3章章   信信  道道47第第3章章 信信 道道按照上式画出的模与角频率关系曲线： 曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差。

而 是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落现象由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落频率选择性衰落图3-18 多径效应48图3-19 多径效应第第3章章 信信 道道定义：相关带宽Δf ＝1/  实际情况：有多条路径设m － 多径中最大的相对时延差 定义：相关带宽＝1/m多径效应的影响：多径效应会使数字信号的码间串扰增大为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻为了不引起明显的频率选择性衰弱，B应小于Δf且采用一定措施使信号稳定一般取B=（1/3~1/5）1/ m   3．改善随参信道特性的措施n 最基本的抗衰落措施是分集接收技术分集接收就是分散接收，集中汇总输出n 采用频谱扩展技术，以带宽来换取可靠性 分集接收技术分集接收技术n空间分集在接收端架设几副天线n频率分集用多个不同载频传送同一个消息n角度分集利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成n极化分集分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分集方法 第第3章章   信信  道道50第第3章章 信信 道道q接收信号的分类n确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号 n随相信号：接收码元的相位随机变化 n起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。

 通过多径信道传输的信号都具有这种特性 51第第3章章 信信 道道3.5 信道中的噪声q噪声n信道中存在的不需要的电信号n又称加性干扰q按噪声来源分类n人为噪声 － 例：开关火花、电台辐射n自然噪声 － 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声52第第3章章 信信 道道q按噪声性质分类n脉冲噪声：：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多其频谱较宽电火花就是一种典型的脉冲噪声 n窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波n起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响53第第3章章 信信 道道3.6 信道容量信道容量 － 指信道能够传输的最大平均信息速率3.6.1 离散信道容量离散信道容量n两种不同的度量单位：qI － 每个符号能够传输的平均信息量最大值qC  － 单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值q两者之间可以互换54第第3章章 信信 道道n计算离散信道容量的信道模型q发送符号：x1，x2，x3，…，xnq接收符号： y1，y2，y3，…，ymqP(xi) = 发送符号xi 的出现概率 ，i ＝ 1，2，…，n；qP(yj) = 收到yj的概率，j ＝ 1，2，…，m qP(yj/xi) = 转移概率，   即发送xi的条件下收到yj的条件概率x1x2x3y3y2y1接收端发送端xn。

ym图3-20 信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)55第第3章章 信信 道道n计算收到一个符号时获得的平均信息量q从信息量的概念得知：发送xi时收到yj所获得的信息量等于发送xi前接收端对xi的不确定程度（即xi的信息量）减去收到yj后接收端对xi的不确定程度q发送xi时收到yj所获得的信息量 = -log2P(xi) - [-log2P(xi /yj)]q对所有的xi和yj取统计平均值，得出收到一个符号时获得的平均信息量：平均信息量 / 符号 ＝ 56第第3章章 信信 道道平均信息量 / 符号 ＝      式中－为每个发送符号xi的平均信息量，称为信源的熵－为接收yj符号已知后，发送符号xi的平均信息量   由上式可见，收到一个符号的平均信息量只有[H(x) – H(x/y)]，而发送符号的信息量原为H(x)，少了的部分H(x/y)就是传输错误率引起的损失 57第第3章章 信信 道道n二进制信源的熵q设发送“1”的概率P(1) = ，则发送“0”的概率P(0) ＝ 1 - 当 从0变到1时，信源的熵H()可以写成：q按照上式画出的曲线：q由此图可见，当 ＝ 1/2时，此信源的熵达到最大值。

这时两个符号的出现概率相等，其不确定性最大图3-21 二进制信源的熵H()58第第3章章 信信 道道n无噪声信道q信道模型q发送符号和接收符号有一一对应关系 q此时P(xi /yj) = 0；     H(x/y) = 0q因为，平均信息量 / 符号 ＝H(x) – H(x/y)q所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为H(x)而原来在有噪声条件下，从一个符号获得的平均信息量为[H(x)－H(x/y)]这再次说明H(x/y)即为因噪声而损失的平均信息量x1x2x3y3y2y1接收端发送端yn图3-22 无噪声信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn59第第3章章 信信 道道n容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值    (比特/符号) q当信道中的噪声极大时，H(x / y) = H(x)这时C = 0，即信道容量为零n容量C的定义： (b/s) 式中   r － 单位时间内信道传输的符号数600011P(0/0) = 127/128P(1/1) = 127/128P(1/0) = 1/128P(0/1) = 1/128发送端图3-23 对称信道模型接收端第第3章章 信信 道道n【例3.6.1】设信源由两种符号“0”和“1”组成，符号传输速率为1000符号/秒，且这两种符号的出现概率相等，均等于1/2。

信道为对称信道，其传输的符号错误概率为1/128试画出此信道模型，并求此信道的容量I和C解】此信道模型画出如下：61第第3章章 信信 道道此信源的平均信息量（熵）等于：  （比特/符号）而条件信息量可以写为现在P(x1 / y1) = P(x2 / y2) = 127/128， P(x1 / y2) = P(x2 / y1) = 1/128，并且考虑到P(y1) +P(y2) = 1，所以上式可以改写为62第第3章章 信信 道道平均信息量 / 符号＝H(x) – H(x / y) = 1 – 0.045 = 0.955  （比特 / 符号）因传输错误每个符号损失的信息量为H(x / y) = 0.045（比特/ 符号）信道的容量I等于：信道容量C等于： 63第第3章章 信信 道道q 3.6.2 连续信道容量连续信道容量可以证明式中 S － 信号平均功率 （W）；     N － 噪声功率（W）；     B － 带宽（Hz） 设噪声单边功率谱密度为n0，则N = n0B；故上式可以改写成：由上式可见，连续信道的容量C和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。

 64第第3章章 信信 道道当S  ，或n0  0时，C  但是，当B  时，C将趋向何值？令：x = S / n0B，上式可以改写为：利用关系式上式变为65第第3章章 信信 道道       上式表明，当给定S / n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S / n0的1.44倍这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大 C和带宽B的关系曲线：66第第3章章 信信 道道上式还可以改写成如下形式：式中Eb －每比特能量；Tb = 1/B － 每比特持续时间      上式表明，为了得到给定的信道容量C，可以增大带宽B以换取Eb的减小；另一方面，在接收功率受限的情况下，由于Eb = STb，可以增大Tb以减小S来保持Eb和C不变 67第第3章章 信信 道道【例3.6.2】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽 【解】因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量为 Ip = -log2(1/ 8) = 3  (b/pix)(3.6-18)并且每帧图像的信息量为IF = 300,000  3 = 900,000    (b/F)(3.6-19)因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为Rb = 900,000  25 = 22,500,000 = 22.5  106  (b/s)    (3.6-20)信道的容量Ct必须不小于此Rb值。

将上述数值代入式：得到22.5  106 = B log2 (1 + 1000)  9.97  B最后得出所需带宽B = (22.5  106) / 9.97  2.26   (MHz)n       本章的后两节介绍了多入多出多入多出(MIMO)信信道的容量，以及无线信道建模与仿真道的容量，以及无线信道建模与仿真 这两部分内容作为新技术提出第第3章章 信信 道道。