通信原理-第4章信道课件.ppt

通信原理第第4章章 信信 道道1主要内容l了解了解几种常用的恒参信道、随参信道几种常用的恒参信道、随参信道l掌握掌握信道的定义，熟悉信道的数学模型信道的定义，熟悉信道的数学模型l掌握掌握恒参信道与随参信道特性及其对信号恒参信道与随参信道特性及其对信号传输的影响传输的影响l了解了解信道的噪声信道的噪声l掌握掌握信道容量的概念及其计算信道容量的概念及其计算2第第4章章 信信 道道l信道分类：信道分类：n无线信道无线信道 电磁波（含光波）电磁波（含光波）n有线信道有线信道 电线、光纤电线、光纤l信道中的干扰：信道中的干扰：n有源干扰有源干扰 噪声噪声n无源干扰无源干扰 传输特性不良传输特性不良l本章重点：本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响3无线信道l4.1 无线信道无线信道n无线信道利用电磁波的传播来实现信号传输无线信道利用电磁波的传播来实现信号传输n因天线尺寸的要求，通信频率都较高因天线尺寸的要求，通信频率都较高l电磁波的传播电磁波的传播 根据通信距离、频率和位置不同分为：根据通信距离、频率和位置不同分为：地波传播地波传播天波传播天波传播视线传播视线传播4传播路径地 面图4-1 地波传播地 面信号传播路径图 4-2 天波传播无线信道n电磁波的分类：电磁波的分类：u地波地波p频率频率 2 MHzp有绕射能力有绕射能力p距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 u天波天波p频率：频率：2 30 MHzp特点：被电离层反射特点：被电离层反射p一次反射距离：一次反射距离：30 MHzp距离距离:和天线高度有关和天线高度有关(4.1-3)式中，式中，D 收发天线间距离收发天线间距离(km)。

例例 若要求若要求D=50 km，则由式，则由式(4.1-3)p增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径中继通信：中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：平流层通信：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 4-3 视线传播图4-4 无线电中继无线信道m6图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域无线信道u散射传播散射传播p电离层散射电离层散射机理机理 由电离层不均匀性引起由电离层不均匀性引起频率频率 30 60 MHz距离距离 1000 km以上以上p对流层散射对流层散射机理机理 由对流层不均匀性（湍流）引起由对流层不均匀性（湍流）引起频率频率 100 4000 MHz最大距离最大距离 600 km7无线信道p流星流星余迹散射流星流星余迹散射 流星余迹特点流星余迹特点 高度高度80 120 km，长度，长度15 40 km 存留时间：小于存留时间：小于1秒至几分钟秒至几分钟频率频率 30 100 MHz距离距离 1000 km以上以上特点特点 低速存储、高速突发、断续传输低速存储、高速突发、断续传输图4-8 流星余迹散射通信流星余迹8有线信道l4.2 有线信道有线信道n明线明线9有线信道n对称电缆：由许多对双绞线组成对称电缆：由许多对双绞线组成n同轴电缆同轴电缆图4-9 双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质图4-10 同轴线10有线信道n光纤光纤u结构结构p纤芯纤芯p包层包层u按折射率分类按折射率分类p阶跃型阶跃型p梯度型梯度型u按模式分类按模式分类p多模光纤多模光纤p单模光纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2单单模模阶阶跃跃折折射射率光纤率光纤图4-11 光纤结构示意图(a)(b)(c)11u损耗与波长关系损耗与波长关系p损耗最小点：损耗最小点：1.31与与1.55 m有线信道0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波长（m）1.55 m1.31 m图4-12光纤损耗与波长的关系12信道的数学模型l4.3 信道的数学模型信道的数学模型n信道模型的分类：信道模型的分类：u调制信道：调制信道：调制器的输出端至解调器输入端调制器的输出端至解调器输入端u编码信道：编码信道：编码器的输出端至解码器输入端编码器的输出端至解码器输入端编码信道调制信道13调制信道模型n4.3.1 调制信道模型调制信道模型式中式中 信道输入端信号电压；信道输入端信号电压；信道输出端的信号电压；信道输出端的信号电压；噪声电压。

噪声电压通常假设：通常假设：这时上式变为：这时上式变为：信道数学模型信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图4-13 调制信道数学模型14调制信道模型u因因k(t)随随t变，故信道称为时变信道变，故信道称为时变信道u因因k(t)与与e i(t)相乘，故称其为相乘，故称其为乘性干扰乘性干扰u因因k(t)作随机变化，故又称信道为作随机变化，故又称信道为随参信道随参信道u若若k(t)变化很慢或很小，则称信道为变化很慢或很小，则称信道为恒参信道恒参信道u乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰15编码信道模型编码信道模型n4.3.2 编码信道模型编码信道模型 u二进制编码信道简单模型二进制编码信道简单模型 无记忆信道模型无记忆信道模型pP(0/0)和和P(1/1)正确转移概率正确转移概率pP(1/0)和和P(0/1)错误转移概率错误转移概率pP(0/0)=1 P(1/0)pP(1/1)=1 P(0/1)P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)图4-13 二进制编码信道模型发送端接收端16编码信道模型编码信道模型u四进制编码信道模型四进制编码信道模型 01233210接收端发送端17信道特性对信号传输的影响l4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响n恒参信道的影响恒参信道的影响u恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道u恒参信道恒参信道 非时变线性网络非时变线性网络 信号通过线性系信号通过线性系统的分析方法。

统的分析方法u线性系统中无失真条件：线性系统中无失真条件：p振幅频率特性：为水平直线时无失真振幅频率特性：为水平直线时无失真 左图为典型信道特性左图为典型信道特性 用插入损耗便于测量用插入损耗便于测量(a)插入损耗频率特性18p相位频率特性：要求其为通过原点的直线，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即群时延为常数时无失真群时延定义：群时延定义：频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟频率特性0相位频率特性信道特性对信号传输的影响19信道特性对信号传输的影响u频率失真：振幅频率特性不良引起的频率失真：振幅频率特性不良引起的p频率失真频率失真 波形畸变波形畸变 码间串扰码间串扰p解决办法：线性网络补偿解决办法：线性网络补偿u相位失真：相位频率特性不良引起的相位失真：相位频率特性不良引起的p对语音影响不大，对数字信号影响大对语音影响不大，对数字信号影响大p解决办法：同上解决办法：同上u非线性失真：非线性失真：p可能存在于恒参信道中可能存在于恒参信道中p定义：定义：输入电压输出电压关系输入电压输出电压关系 是非线性的是非线性的u其他失真：其他失真：频率偏移、相位抖动频率偏移、相位抖动非线性关系直线关系图4-16 非线性特性输入电压输出电压20信道特性对信号传输的影响n变参信道的影响变参信道的影响u变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。

变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变u变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播u变参信道的特性：变参信道的特性：p衰减随时间变化衰减随时间变化p时延随时间变化时延随时间变化p多径效应多径效应：信号经过几条路径到达接收端，：信号经过几条路径到达接收端，而且每条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下面重点分析多径效应21信道特性对信号传输的影响u多径效应分析：多径效应分析：设设 发射信号为发射信号为 接收信号为接收信号为(4.4-1)式中式中 由第由第i条路径到达的接收信号振幅；条路径到达的接收信号振幅；由第由第i条路径达到的信号的时延；条路径达到的信号的时延；上式中的上式中的 都是随机变化的都是随机变化的22信道特性对信号传输的影响应用三角公式可以将式应用三角公式可以将式(4.4-1)改写成：改写成：(4.4-2)上式中的上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的这两个可以看成是由互相正交的两个分量组成的这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。

分量的振幅分别是缓慢随机变化的式中式中 接收信号的包络接收信号的包络 接收信号的相位接收信号的相位 缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅23信道特性对信号传输的影响所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化所以，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：的窄带信号：结论结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效：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应变成包络起伏的窄带信号这种包络起伏称为这种包络起伏称为快衰落快衰落 衰落周期和码元周期可衰落周期和码元周期可以相比以相比另外一种衰落：另外一种衰落：慢衰落慢衰落 由传播条件引起的由传播条件引起的24信道特性对信号传输的影响u多径效应简化分析：多径效应简化分析：设设 发射信号为：发射信号为：f(t)仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同 两条路径的接收信号为：两条路径的接收信号为：A f(t-0)和和 A f(t-0-)其中：其中：A 传播衰减，传播衰减，0 第一条路径的时延，第一条路径的时延，两条路径的时延差两条路径的时延差求求：此多径信道的传输函数：此多径信道的传输函数 设设f(t)的傅里叶变换（即其频谱）为的傅里叶变换（即其频谱）为F()：25信道特性对信号传输的影响（4.4-8）则有则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数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故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，上式右端中，A 常数衰减因子，常数衰减因子，确定的传输时延，确定的传输时延，和信号频率和信号频率 有关的复因子，其模为有关的复因子，其模为26信道特性对信号传输的影响按照上式画出的模与角频率按照上式画出的模与角频率 关系曲线：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曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差时延差。

而而 是随时间变化的，所以对于给定频率的是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落衰落现象由于这种衰落和频率有关，故常称其为由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落图4-18 多径效应27图4-18 多径效应信道特性对信号传输的影响定义：相关带宽定义：相关带宽1/实际情况：有多条路径实际情况：有多条路径设设 m 多径中最大的相对时延差多径中最大的相对时延差 定义：相关带宽定义：相关带宽1/m多径效应的影响：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，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应的影响也随之减轻28信道特性对信号传输的影响n接收信号的分类接收信号的分类u确知信号确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号 u随相信号随相信号：接收码元的相位随机变化：接收码元的相位随机变化 u起伏信号起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。

化通过多径信道传输的信号都具有这种特性通过多径信道传输的信号。