数字通信原理：第3章-信道.ppt

1基本内容基本内容n信道定义信道定义n信道数学模型信道数学模型n恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响n随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响21. 信道定义信道定义(1)n影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声和信道传输特性的不理想和信道传输特性的不理想n信道：信号通道，必不可少信道：信号通道，必不可少n狭义信道：信号的传输媒质狭义信道：信号的传输媒质(在发送器和接收器在发送器和接收器之间的物理通路之间的物理通路)n导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播n金属导体：双绞线、金属导体：双绞线、 同轴电缆同轴电缆n光纤光纤n非导向媒体：自由空间非导向媒体：自由空间n无线电无线电(短波、微波、卫星短波、微波、卫星)、红外线、红外线31. 信道定义信道定义(2)双绞线双绞线双绞线双绞线业务业务业务业务同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆AM AM 无线电无线电无线电无线电FM FM 无线电和无线电和无线电和无线电和 TVTV地面微波接力地面微波接力地面微波接力地面微波接力 光纤光纤光纤光纤 卫星卫星卫星卫星 10 102 210103 310104 410105 510106 610107 710108 810109 910101010101011111010121210101313101014141010151510101616无线电无线电无线电无线电红外线红外线红外线红外线紫外线紫外线紫外线紫外线可见光可见光可见光可见光微波微波微波微波 HzHz海事无线电海事无线电海事无线电海事无线电41. 信道定义信道定义(3)n广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备所构成的部份所构成的部份n调制信道：从调制器输出端到解调器输入端调制信道：从调制器输出端到解调器输入端n编码信道：从编码器输出端到译码器输入端编码信道：从编码器输出端到译码器输入端n根据具体问题来选择不同类型的信道根据具体问题来选择不同类型的信道    已调信号已调信号已调信号已调信号    数字序列数字序列数字序列数字序列52. 信道数学模型信道数学模型(1)n反映信道输出和输入之间的关系反映信道输出和输入之间的关系n调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真情调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真情况及噪声对信号的影响。

已调信号的瞬时值是连续变化况及噪声对信号的影响已调信号的瞬时值是连续变化的，故也称为连续信道，甚至称为信道的，故也称为连续信道，甚至称为信道n具有一对具有一对(或多对或多对)输入和输出端输入和输出端n绝大多数信道是线性的绝大多数信道是线性的n有时延、损耗有时延、损耗n输入信号为输入信号为0时，信道输出端仍有一定功率输出时，信道输出端仍有一定功率输出62. 信道数学模型信道数学模型(2)n f [·]：信道线性算子：信道线性算子n恒参信道：恒参信道： f [·] ~ 非时变线性算子非时变线性算子n时变信道：时变信道： f [·] ~ 时变线性算子时变线性算子n随参信道：随参信道： f [·] ~ 随时间随机变化随时间随机变化n(t)   加性噪声加性噪声(干扰干扰)，与，与ei (t) 独立独立  乘性干扰，包括各种线性和非线性畸变乘性干扰，包括各种线性和非线性畸变72. 信道数学模型信道数学模型(3)n编码信道模型编码信道模型n一种数字序列的变换，也称为离散或数字信道一种数字序列的变换，也称为离散或数字信道n包含调制信道包含调制信道n噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码率而不是噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码率而不是信号失真情况信号失真情况n无记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前无记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元的取值无关后码元的取值无关n有记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前有记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元的取值有关后码元的取值有关→ 依赖于调制信道的性能依赖于调制信道的性能→使用转移概率来描述使用转移概率来描述82. 信道数学模型信道数学模型(4)n无记忆二进制编码信道模型无记忆二进制编码信道模型n对称编码信道：二进制编码信道的转移概率对称编码信道：二进制编码信道的转移概率 P (0/1) = P (1/0)n非对称编码信道：二进制编码信道的转移概率非对称编码信道：二进制编码信道的转移概率 P (0/1) ≠ P (1/0)n无记忆四进制编码信道模型无记忆四进制编码信道模型93.1 恒参信道举例恒参信道举例(1)n双绞线双绞线n既可用于模拟传输，也可用于数据传输既可用于模拟传输，也可用于数据传输n带宽依赖于线的粗细和传输距离带宽依赖于线的粗细和传输距离n无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线(UTP)n屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP): 以箔屏蔽来减少干扰以箔屏蔽来减少干扰103.1 恒参信道举例恒参信道举例(2)n同轴电缆同轴电缆n基带同轴电缆：基带同轴电缆：50 ，为，为数据通信传输数据通信传输基带数字信基带数字信号，局域网中广泛使用号，局域网中广泛使用n10Mb/s, 1kmn宽带同轴电缆：宽带同轴电缆：75 ，多，多用于用于CATV系统，传送频分系统，传送频分复用的模拟信号复用的模拟信号n6MHz/300~400MHz，，100kmn单向放大器单向放大器铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体保护套保护套113.1 恒参信道举例恒参信道举例(3)n光纤光纤n纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载信息信息n光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器光调制器光调制器光纤线路光纤线路光源光源调制电信号调制电信号调制电信号调制电信号基带处理基带处理光探测器光探测器解调电信号解调电信号解调电信号解调电信号基带处理基带处理123.1 恒参信道举例恒参信道举例(4)n常用的三个波长窗口常用的三个波长窗口133.1 恒参信道举例恒参信道举例(5)n光纤的传送模式光纤的传送模式多模阶跃光纤多模阶跃光纤多模阶跃光纤多模阶跃光纤输入电信号输入电信号输入电信号输入电信号多模缓变光纤多模缓变光纤多模缓变光纤多模缓变光纤单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤 波长波长波长波长 : 1300,1550 nm: 1300,1550 nmh2h2h1h1波长波长波长波长 : 850,1300 nm: 850,1300 nmh2h2h1h1纤芯纤芯纤芯纤芯/ /包层特性包层特性包层特性包层特性输出电信号输出电信号输出电信号输出电信号h1h1h2h2光纤的直径减小到光纤的直径减小到一个光波波长一个光波波长143.1 恒参信道举例恒参信道举例(6)n光纤的特点光纤的特点n传送速率高，通信容量大传送速率高，通信容量大(25~30THz带宽带宽/波段波段)。

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 10Gbps ，，32 10Gbps系统系统已经实用已经实用n传输损耗小传输损耗小(<0.2dB/km)，适合长距离传输，适合长距离传输n抗干扰性能好，保密性好抗干扰性能好，保密性好n轻便轻便n连接困难连接困难153.1 恒参信道举例恒参信道举例(7)n单芯光缆单芯光缆n多芯光缆多芯光缆玻璃包层玻璃包层塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯外鞘外鞘光纤光纤外套外套加强芯加强芯光纤束光纤束纤芯纤芯包层包层163.1 恒参信道举例恒参信道举例(8)n无线电视距中继无线电视距中继n两个地面站之间传送两个地面站之间传送(点到点点到点)n距离：距离：50-100 km；频率：；频率：2G-40GHzn依赖于天气和频率依赖于天气和频率n应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间LAN互连互连地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 地球地球地球地球微波传送塔微波传送塔微波传送塔微波传送塔173.1 恒参信道举例恒参信道举例(9)n使用微波使用微波n使用转发器接收和转发使用转发器接收和转发n优点：传输距离远，覆优点：传输距离远，覆盖地域广，传输稳定可盖地域广，传输稳定可靠，传输容量大靠，传输容量大n应用：传输电视信号、应用：传输电视信号、远距离话音传输、组建远距离话音传输、组建专用网专用网n可支持点到多点传送可支持点到多点传送C波段波段 4/6 GHz 上行上行5.925 - 6.425 GHz 下行下行3.7 - 4.2 GHz KU波段波段 12/14 GHz 上行上行14 - 14.5 GHz 下行下行11.7 - 12.2 GHz地球地球地球地球地面站地面站地面站地面站地面站地面站地面站地面站n通信卫星中继信道通信卫星中继信道183.1 恒参信道举例恒参信道举例(10)n地球同步地球同步(GEO)卫星卫星n距地面约距地面约35860km。

相相对于地面站来说，同步卫对于地面站来说，同步卫星在空中的位置是静止的星在空中的位置是静止的n使用使用3个卫星个卫星(赤道上空赤道上空)覆覆盖全球盖全球nINMARSAT36,00036,000公里公里公里公里地球地球地球地球n 低轨道低轨道(LEO)卫星卫星n发射功率小，用于移动通信和个人通信系统发射功率小，用于移动通信和个人通信系统n“铱铱”系统：系统：765km高，高，66颗星颗星nGlobalstar：：1389km高，高，48颗星颗星n 中轨道中轨道(MEO)卫星卫星nGPS：：17723km高，高，24颗星颗星n伽利略计划：伽利略计划：30颗星颗星193.2 恒参信道特性恒参信道特性(1)n恒参信道的性质不随时间变化：线性时不变网络实恒参信道的性质不随时间变化：线性时不变网络实际信道的特性不随时间变化或基本不变，或变化极慢际信道的特性不随时间变化或基本不变，或变化极慢203.2 恒参信道特性恒参信道特性(2)n有线信道有线信道n 幅度幅度-频率畸变频率畸变n 引起信号波形失真引起信号波形失真n 相位相位-频率畸变频率畸变n 对语音信号影响不大对语音信号影响不大 基波相移基波相移基波相移基波相移   谐波相移谐波相移谐波相移谐波相移2 2 2 2   213.2 恒参信道特性恒参信道特性(3) 包络包络包络包络223.2 恒参信道特性恒参信道特性(4)n幅频畸变与相频畸变均属于线性畸变幅频畸变与相频畸变均属于线性畸变n补偿措施：均衡，使信道、均衡器联合频率补偿措施：均衡，使信道、均衡器联合频率特性在信号频率范围内无畸变特性在信号频率范围内无畸变n其他因素其他因素n非线性畸变：元器件振幅特性的非线性导致非线性畸变：元器件振幅特性的非线性导致n频率偏移：收发载频偏差频率偏移：收发载频偏差n相位抖动：收发载频的不稳定性相位抖动：收发载频的不稳定性234.1 随参信道举例随参信道举例(1)n短波电离层反射信道短波电离层反射信道n电离层：离地面高电离层：离地面高60~600km的大气层的大气层n短波：短波：3~30MHz(100~10m)n传输无盲区，设备简单，灵活传输无盲区，设备简单，灵活n传输可靠性差，需经常更换工作频率传输可靠性差，需经常更换工作频率n短波广播，应急通信，抗灾通信，军事通信短波广播，应急通信，抗灾通信，军事通信244.1 随参信道举例随参信道举例(2)n多径传播多径传播254.1 随参信道举例随参信道举例(3)n对流层散射信道对流层散射信道n对流层：离地面对流层：离地面10~12km以下的大气层以下的大气层n超短波和微波波段超短波和微波波段n抗毁性好，保密性强，机动性好，适应复杂地形能力强抗毁性好，保密性强，机动性好，适应复杂地形能力强n点到点通信：军用，海岛与陆地之间，应急救灾通信等点到点通信：军用，海岛与陆地之间，应急救灾通信等264.2 随参信道特性随参信道特性(1)n随参信道是指随参信道是指短波电离层反射短波电离层反射，，超短波流星余迹散射超短波流星余迹散射，，超超短波及微波对流层散射短波及微波对流层散射，，短波电离层散射短波电离层散射以及以及超短波超视超短波超视距绕射距绕射等传输媒质所分别构成的调制信道。

等传输媒质所分别构成的调制信道n从对信号传输的影响来看，传输媒质的影响是主要的，而从对信号传输的影响来看，传输媒质的影响是主要的，而转换器的影响是次要的，甚至可忽略不计，因此，主要研转换器的影响是次要的，甚至可忽略不计，因此，主要研究传输媒质的共性及其对信号传输的影响究传输媒质的共性及其对信号传输的影响n随参信道特性：多径传输且每条路径的衰减及时延都是随随参信道特性：多径传输且每条路径的衰减及时延都是随机变化的机变化的n对信号的衰减随时间而变化对信号的衰减随时间而变化n传输的时延随时间而变化传输的时延随时间而变化n多径传播多径传播274.2 随参信道特性随参信道特性(2)缓慢变化的随机过程缓慢变化的随机过程缓慢变化的随机过程缓慢变化的随机过程284.2 随参信道特性随参信道特性(2)nR(t)可视为一个窄带随机过程，即由于多径使得可视为一个窄带随机过程，即由于多径使得确定的单频载波信号变成了包络和相位都受到确定的单频载波信号变成了包络和相位都受到调制的窄带信号调制的窄带信号n从时域来看，多径时延扩散从时域来看，多径时延扩散n从频域来看，频率弥散从频域来看，频率弥散/展宽展宽    衰落信号衰落信号衰落信号衰落信号294.2 随参信道特性随参信道特性(3)nR(t)的统计特性的统计特性n n足够大足够大足够大足够大n R(t)是窄带高斯过程是窄带高斯过程n V(t)的一维分布服从瑞利分布，的一维分布服从瑞利分布，  (t)的一维分布服从的一维分布服从均匀分布均匀分布    瑞利型瑞利型瑞利型瑞利型衰落衰落衰落衰落304.2 随参信道特性随参信道特性(4)n频率选择性衰落：信号频谱中某些分量的一种频率选择性衰落：信号频谱中某些分量的一种衰落衰落n分析：信号中不同频率分量经多条路径到达后的相分析：信号中不同频率分量经多条路径到达后的相位不同。

某些频率分量在不同路径上的相位相同，位不同某些频率分量在不同路径上的相位相同，矢量相加后该分量得到增强；矢量相加后该分量得到增强；n某些频率分量在不同路径上的相位相反，相互抵消某些频率分量在不同路径上的相位相反，相互抵消因而导致接收信号不同频率分量的幅度大小发生变因而导致接收信号不同频率分量的幅度大小发生变化这种现象类似于信号通过一个衰减具有选择性化这种现象类似于信号通过一个衰减具有选择性的网络，故称频率选择性衰落的网络，故称频率选择性衰落314.2 随参信道特性随参信道特性(5) 以两条路径且衰减恒定为例以两条路径且衰减恒定为例 结论：多径信道的幅频特性与信号及时延迟结论：多径信道的幅频特性与信号及时延迟结论：多径信道的幅频特性与信号及时延迟结论：多径信道的幅频特性与信号及时延迟ττττ有关而ττττ是是是是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，使信号强度随时随时间变化的，所以对于给定频率的信号，使信号强度随时随时间变化的，所以对于给定频率的信号，使信号强度随时随时间变化的，所以对于给定频率的信号，使信号强度随时间而变，这种现象称为衰落间而变，这种现象称为衰落间而变，这种现象称为衰落。

间而变，这种现象称为衰落324.2 随参信道特性随参信道特性(6)nτ是变化的，故传输特性零点、极点是变化的是变化的，故传输特性零点、极点是变化的n多径传播的频率选择性衰落同样依赖于相对时延差，通多径传播的频率选择性衰落同样依赖于相对时延差，通常用最大多径时延差常用最大多径时延差  m 来表征来表征n 当信号带宽当信号带宽B >Δf 时，时，R(t) 波形一定有畸变，产生波形一定有畸变，产生频率选择性衰落；频率选择性衰落；n 当信号带宽当信号带宽B <<Δf 时，时， R(t) 时强时弱时强时弱(与与τ有关有关)，，属于平坦性衰落属于平坦性衰落(一般性衰落一般性衰落)；；n 为了不引起明显的频率选择性衰落，为了不引起明显的频率选择性衰落，B 应小于应小于Δf 且且采用分集接收等技术使信号稳定采用分集接收等技术使信号稳定    相关带宽相关带宽相关带宽相关带宽334.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善(1)n由于存在多径与时变性，随参信道中的信号在接收端有可由于存在多径与时变性，随参信道中的信号在接收端有可能会受到严重的衰减能会受到严重的衰减n衰减使得接收端不可能正确地判断发送信号，除非有其它衰减使得接收端不可能正确地判断发送信号，除非有其它的衰减程度比较小的信号副本提供给接收机，这种方法就的衰减程度比较小的信号副本提供给接收机，这种方法就被称为分集被称为分集(diversity)。

n分集接收就是为了克服各种衰落，提高系统性能而发展起分集接收就是为了克服各种衰落，提高系统性能而发展起来的移动通信中的一项重要技术来的移动通信中的一项重要技术n分集接收基本思路：将接收到的多径信号分离成不相关的分集接收基本思路：将接收到的多径信号分离成不相关的(独立的独立的)多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大起来，使接收的有用信号能量最大n对数字系统而言，使接收端的误码率最小对数字系统而言，使接收端的误码率最小n对模拟系统而言，提高接收端的信噪比对模拟系统而言，提高接收端的信噪比344.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善(2)n分集方式分集方式n时间分集：采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本时间分集：采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本n频率分集：在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号的频率分集：在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号的副本副本n空间分集：利用多副天线实现空间分集：利用多副天线实现n为获得好的分集效果，时间分集要求发送冗余信号的若干时隙之为获得好的分集效果，时间分集要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立，频率分集要求几个载波频率之间相互独立，而空间间相互独立，频率分集要求几个载波频率之间相互独立，而空间分集为保证多个发送或多个接收信号之间的独立性，要求各副天分集为保证多个发送或多个接收信号之间的独立性，要求各副天线之间的距离要足够大线之间的距离要足够大(大于若干个波长大于若干个波长)n由上可见，空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传由上可见，空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用。

输速率的同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用n常用的空间分集有接收分集、发送分集、极化分集和角度分集等常用的空间分集有接收分集、发送分集、极化分集和角度分集等354.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善(3)n时频分集时频分集(混合分集之一，以四时四频分集为例混合分集之一，以四时四频分集为例) ：将：将一个码元宽度时间一个码元宽度时间Ts等分四份为等分四份为4个时间段个时间段，分别传，分别传输输4个载频个载频，不同代码传输顺序不同不同代码传输顺序不同n在在Ts内只要能正确接收到一个频率，就可判断在内只要能正确接收到一个频率，就可判断在Ts内内传输的信息代码传输的信息代码信息代码信息代码 时频编码时频编码 00 f1、、f2、、f3、、f4 01 f2、、f1、、f4、、f3 10 f3、、f4、、f1、、f2 11 f4、、f3、、f2、、f1364.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善(4)n信号合并方式信号合并方式n最佳选择式合并：选最佳选择式合并：选择信噪比最好的一路择信噪比最好的一路信号信号n等增益合并：各支路等增益合并：各支路信号以相同的增益直信号以相同的增益直接相加接相加n最大比合并：各支路最大比合并：各支路增益与本支路信噪比增益与本支路信噪比成正比成正比 图中图中n为分集重数，为分集重数，r为合并为合并后输出信噪比的平均值。

后输出信噪比的平均值37思考题和作业思考题和作业n什么是调制信道？什么是编码信道？什么是调制信道？什么是编码信道？n什么是恒参信道？什么是随参信道？举例什么是恒参信道？什么是随参信道？举例n信号在恒参信道中传输时主要有哪些失真？如信号在恒参信道中传输时主要有哪些失真？如何减小这些失真？何减小这些失真？n什么是群时延频率特性？它与相位频率特性的什么是群时延频率特性？它与相位频率特性的关系？关系？n为什么信号在随参信道中会发生衰落现象？为什么信号在随参信道中会发生衰落现象？n作业：作业：4-2，，4-338附录附录:连续信道的信道容量连续信道的信道容量395 连续信道的信道容量连续信道的信道容量(1)n带宽受限带宽受限B 和平均功率受限和平均功率受限 S 的的条件下，独立的加性白条件下，独立的加性白高斯噪声信道高斯噪声信道(噪声功率为噪声功率为N)的信道容量的信道容量(极限传信率极限传信率)~ Shannon~ Shannon公式公式公式公式n目前尚无一个实际系统的传信率达到信道容量目前尚无一个实际系统的传信率达到信道容量.405 连续信道的信道容量连续信道的信道容量(2)理想情况下，理想情况下，Rb = C，，则有则有415 连续信道的信道容量连续信道的信道容量(3)n例例. 一帧电视图像由一帧电视图像由300000个像元组成。

每一像元取个像元组成每一像元取8个可辨别的亮度电平，各电平独立地以等概率出现，图个可辨别的亮度电平，各电平独立地以等概率出现，图像每秒发送像每秒发送25帧要求信噪比为帧要求信噪比为30 dB，试求所需传输，试求所需传输带宽n需要传送的信息速率：需要传送的信息速率：42通信系统仿真通信系统仿真: 信道容量观察信道容量观察close all;clear all;B=0:0.1:100; %Channel bandwidthC_B=0.001:0.01:16;EbN0=(2.^C_B-1)./C_B;EbN0_dB=10*log10(EbN0);plot(EbN0_dB,C_B);xlabel('Eb/N0 (dB)');ylabel('C/B (bit/s/Hz)');grid。