通信原理第四章(00002)課件

第三章信道信道和噪聲的一般知識：一、信道及其數(shù)學模型二、恒參信道三、隨(變)參信道四、信道中的噪聲五、信道容量一、信道及其數(shù)學模型（1）狹義信道：信號的傳輸媒質

1、有線信道:包括明線、對稱電纜、同軸電纜及光纜等

2、無線信道:地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等廣義信道：除包括傳輸媒質外，還可以包括有關的變換裝置(如發(fā)送設備、接收設備、饋線與天線、調制器、解調器等等)。

1、調制信道：如圖4-13所示，調制器輸出端到解調器輸入端的部分。用于研究調制和解調

2、編碼信道：如圖4-14，4-15，編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。用于研究信道編譯碼波段劃分及各波段傳播特點極長波100000m極低頻ELF3KHz以下超長波100000-10000m甚低頻VLF3-30KHz長波10000-1000m低頻LF30-300KHz近距離300km內(nèi)：地表面波遠距離2000km：主要天波中波1000-100m中頻MF300-3000KHz白天被電離層吸收，地表面波晚上，天波參加，距離遠短波100-10m高頻HF3-30MHz天波，地面吸收強，但海面較好超短波10-1m（米波）甚高頻VHF30-300MHz空間波分米波100-10cm特高頻UHF300-3000MHz直視傳播（微波）厘米波10-1cm超高頻SHF3-30GHz直視傳播（微波）毫米波10-1mm極高頻EHF30-300GHz直視傳播（微波）亞毫米1-0.75mm超極高頻300-400GHz直視傳播（微波）調制信道模型：信道特點：1、有一對(或多對)輸入端和一對(或多對)輸出端。2、絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足疊加原理。3、具有一定的遲延時間和固定的或時變的損耗。4、即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍有一定的功率穩(wěn)出(噪聲)。其輸出與輸入的關系可以寫成：ei(t)：輸入的已調信號、eo(t)：信道總輸出波形、n(t)：加性噪聲(或稱加性干擾)、設n(t)與ei(t)相互獨立。一、信道及其數(shù)學模型（3）假定：信道對信號的影響：

1、乘性干擾k(t)，

2、加性干擾n(t)。k(t)及n(t)不同，信道的特性不同：

1、恒(定)參(量)信道，即k(t)可看成不隨時間變化或基本不變化

2、隨(機)參(量)信道，它是非恒參信道的統(tǒng)稱，k(t)隨機快變化。成立，則有一、信道及其數(shù)學模型（4）編碼信道模型：包含調制信道，故它要受調制信道的影響。1、無記憶編碼信道：一碼元的差錯與其前后碼元是否發(fā)生差錯無關2、有記憶編碼信道：一碼元的差錯與其前后碼元是否發(fā)生差錯有關如常用到的二進制無記憶編碼信道模型：P（0/0）0P（1/1）011P(X/Y)稱為信道轉移概率P(0/0)=1-P(1/0)、P(1/1)=1-P(0/1)Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)一、信道及其數(shù)學模型（5）光纖信道組成：光源、光纖線路及光調制器/光電探測器。中繼器。有兩種類型：

1、直接中繼器：直接將光信號放大以補償光纖的傳輸損耗。

2、間接(再生)中繼器：將光信號先解調為電信號，經(jīng)放大或再生處理后，再調制到光載波上，利用光纖繼續(xù)傳輸。二、恒參信道(2)色散：指信號的群速度隨頻率或模式不同而引起的信號失真這種物理現(xiàn)象。多模光纖的色散有三種：1、材料色散：由材料的折射指數(shù)隨頻率而變化引起的色散。2、模式色散：在多模光纖中，由于一個信號同時激發(fā)不同的模式，即使是同一頻率，各模式的群速也是不同的。這樣引起的色散稱為模式色散。3、波導色散：對同一模式，不同的頻譜分量有不同的群速，由此引起的色散。光纖色散將會使信號產(chǎn)生畸變，它限制著通信容量和信號傳輸距離的增加。二、恒參信道(2)無線電視距中繼 指工作頻率在超短波和微波波段，電磁波基本上沿視線傳播，當微波天線高度在50m左右，直視通信距離約為50km。依靠中繼方式延伸通信距離，它主要用于長途干線、移動通信網(wǎng)及某些數(shù)據(jù)收集。無線電中繼信道的構成如圖4-4所示。它由終端站、中繼站及各站間的電波傳播路徑中繼方式：直接中繼、間接(再生)中繼傳輸容量大、發(fā)射功率小、通信穩(wěn)定可靠，以及和同軸電纜相比，可以節(jié)省有色金屬等優(yōu)點，被廣泛用來傳輸多路電話及電視。二、恒參信道(3)恒參信道可用一個非時變的線性網(wǎng)絡來等效。用幅度-頻率特性及相位-頻率特性來表征。于是網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)及H(ω)可表示為：為網(wǎng)絡的幅度-頻率特性(簡稱幅頻特性)；為相位-頻率特性(簡稱相頻特性)理想信道的條件(即信號通過網(wǎng)絡無畸變條件)為：則理想信道的輸出信號υO(t)及其頻譜分別為：可見，信號通過理想恒參信道時其波形不失真，只是幅度上變?yōu)樵瓉淼腒0，時間上延遲了二、恒參信道(5)二、恒參信道(6)：畸變幅度-頻率畸變：是—種線性畸變?nèi)绾螠p小幅度-頻率畸變：1、濾波：2、均衡：加線性補償網(wǎng)絡，使衰耗特性曲線變得平坦。

通常采群遲延-頻率特性來衡量，即相位-頻率特性對頻率的導數(shù)。若相位-頻率特性用φ(ω)來表示，則群遲延-頻率特性τ(ω)為：τ(ω)=φ(ω)/dω采取均衡措施也可得到補償。相位-頻率畸變：是—種線性畸變非線性畸變：主要由信道中元器件的振幅特性非線性引起的，它造成諧波失真及若干寄生頻率等；頻率偏移：通常是由于載波電話(單邊帶)信道中接收端解調載頻與發(fā)送端調制載頻之間有偏差造成的；相位抖動：也是由于調制和解調載頻不穩(wěn)定性造成的，這種抖動的結果相當于發(fā)送信號附加上一個小指數(shù)的調頻。二、恒參信道(7)：畸變天波傳播：由電離層反射傳播。距離遠（多次反射可傳幾千，乃至上萬千米）。在天波和地波作用距離之間的(幾十至一百多公里)區(qū)域內(nèi)，短波信號很弱，稱為寂靜區(qū)。電離層：離地面高60-600km的大氣層。由分子、原于、離子及自由電子組成的。形成的主要原因是太陽輻射的紫外線和x射線。電離層可分為D、E、F1、F2等四層，電子密度依此增加。1、D層：離地面高度60一90km，夜間消失。D層不足以反射短波，但都給穿透D層的電波以較大約吸收損耗。所以又稱為吸收層。隨著頻率的降低，吸收損耗加大。工作頻率低于某一“最低可用頻率”時，過大的吸收損耗將使通信中斷。2、E層：高度l00一120km。與D層一樣，在太陽照射下形成，對短波起反射作用。但夜間E層近于消失，失去對短波的反射。3、F層：對短波有良好的反射作用，也稱反射層。分為F1和F2 F1層：高度為170一220km，電子密度較夜晚明顯減弱；

F2層：高度在225—450km左右，夜間雖不完全消失，但電子密度較白天降低一個量級，保持了反射作用。三、隨(變)參信道(2):短波電離層反射信道1、臨界頻率f0：能從電離層反射的最高頻率。低于此頻率時，該層對垂直入射波的電波將起反射作用；而當頻率高于f0時，垂直入射的電波將穿出該層。2、最高可用頻率(MUF):當電磁波以φ0角入射時，能從電離層反射的最高頻率。工作頻率應采用按近于最高可用頻率。原因：低頻率的電波將受到較大的吸收損耗；同時，電離層的各分層都可能對它產(chǎn)生反射，多徑傳輸效應嚴重。整個電離層的最高可用頻率實際上為電子密度最大的F2層的最高可用頻率。此時，理論上只有一條傳輸路徑。從而避免多徑傳輸帶來的種種弊端。通常將工作頻率取在(0.8一0.9)MUF。三、隨(變)參信道(2):短波電離層反射信道多徑傳播：發(fā)端發(fā)射的電波通過多條途徑傳播到收端。 由于不同路徑的長度及其對電波的延時不同，信號到達收端的時間有先有后，其(最大)時間差稱為多徑延時差。其大小決定了多徑傳播對通信系統(tǒng)性能影響的程度。主要原因：1、電波經(jīng)電離層的一次反射和多次反射；2、幾個反射層高度不同；3、電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象；4、地球磁場引起的電磁波束分裂成尋常波與非尋常波等。多徑效應引起：信號衰落(接收信號強度隨機起伏)、頻率彌散及頻率選擇性衰落。三、隨(變)參信道(2):短波電離層反射信道三、隨(變)參信道（3）:對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道的輸媒質有三個特點：(1)對信號的衰耗隨時間而變化(2)傳輸?shù)臅r延隨時間而變(3)多徑傳播（由發(fā)射端發(fā)出的信號可能通過多條路徑到達接收點）分析發(fā)射波Acos(ω0t)經(jīng)n條路徑傳播后的接收信號R(t)？μi(t)、τi(t)分別為第i條路徑的接收信號振幅、傳輸時延一般，μi(t)、Φi(t)的變化比與發(fā)射載頻要緩慢得多，因而，XC(t)、XS(t)及包絡V(t)、相位Φ(t)也是緩慢變化的。于是，R(t)可視為一個窄帶過程。如圖3-18所示。設多徑傳播的路徑只有兩條，且到達接收點的兩路信號具有相同的增益V0和一個相對時延差τ，用下圖所示的模型來表示。求其傳輸特性：設發(fā)射信號為f(t)：則：三、隨(變)參信道（3）:對信號傳輸?shù)挠绊懫渲腥鐖D4-191、由圖可看出：對于不同的頻率，信道的衰減不相同。2、如果發(fā)送信號的頻譜足夠寬，包括零、極點所在的頻率成分，這些頻率成分將受到不同程度的衰減產(chǎn)生嚴重的失真。 這種現(xiàn)象類似于信號通過一個有選擇性的衰耗網(wǎng)絡，因此稱為頻率選擇性衰落。

設最大多徑時延差為τm，則定義相鄰傳輸零點的頻率間隔(通常稱為多徑傳播媒質的相關帶寬)為Δf=1/τm。 結論：為不引起明顯的頻率選擇性衰落，傳輸信號的頻帶必須小于多徑傳輸媒質的相關帶寬Δf。3、多徑傳輸原理一樣：用最大多徑時延差來估算傳輸零極點在頻率軸上的位置，從而確定傳輸信號的頻帶。三、隨(變)參信道（3）:對信號傳輸?shù)挠绊懠有栽肼?、乘性噪聲?色)噪聲、有色噪聲信道中加性噪聲的來源的不同，—般分為：無線電噪聲：它來源于別的無線電發(fā)射機。工業(yè)噪聲：來源于各種電氣設備。自然噪聲（天電噪聲），指自然界存在的各種電磁波源。內(nèi)部噪聲。內(nèi)部噪聲是系統(tǒng)設備本身產(chǎn)生的各種噪聲。按隨機噪聲的性質進行分類，可分為：單頻噪聲：是一種連續(xù)波的干擾(如外臺信號)，主要特點是占有極窄的頻帶，但在頻率軸上的位置可以實測。脈沖噪聲：是在時間上無規(guī)則地突發(fā)的短促噪聲，但持續(xù)時間短。從頻譜上看，脈沖噪聲通常有較寬的頻譜(從甚低頻到高頻)，但頻率越高，其頻譜強度就越小。起伏噪聲：以熱噪聲、散彈噪聲及宇宙噪聲為代表的噪聲。特點是，無論在時域內(nèi)還是在頻域內(nèi)它們總是普遍存在和不可避免的。四、信道中的噪聲（１）四、信道中的噪聲（2）：起伏噪聲熱噪聲：導體中，自由電子的布朗運動引起的噪聲。服從高斯分布，可以證明，自由電子電流的功率密度譜為a是每秒鐘—個電子平均碰撞的次數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)(k=1.3805x10-23J/K)，T為熱噪聲源的絕對溫度，G為電阻R的電導。當ω/a〈〈1時，熱噪聲具有均勻的功率密度譜，稱熱噪聲為白噪聲。（通常我們認為熱噪聲是高斯白噪聲）由上式，可以對單個噪聲電阻描述如下：帶寬定義信號(或噪聲)帶寬：由信號(或噪聲)能量譜密度或功率譜密度在頻域的分布規(guī)律確定的。信道帶寬：由傳輸電路的傳輸特性決定的。根據(jù)信號的通頻帶，對傳輸電路提出恰當?shù)念l帶要求，盡量做到在信號不失真或失真不大的條件下提高信噪比。

常用以下三種方法定義信號(或噪聲)帶寬B：設帶通型噪聲的功率譜密度Pn(ω)如圖所示，假設Pn(ω)在ω0及-ω0處分別有最大值Pn(ω0)及Pn(-ω0)，信號帶寬定義等效矩形帶寬

用一個矩形的頻譜代替信號的頻譜，矩形頻譜具有的能量與信號能量相等。矩形頻譜的幅度為信號頻譜峰值。

由得以集中一定百分比的能量(功率)來定義?？扇?0％、95％或99％等。

對能量信號，可由求出Bn。以能量譜(功率譜)密度下降3dB內(nèi)的頻率間隔作為帶寬

對于信號能量譜(功率譜)密度具有明顯單峰形狀，且峰值位于f=0處，則信號帶寬B為正頻率軸上譜密度下降到3dB(半功率點)處的相應頻率間隔。得信號帶寬為由式信號帶寬定義五、信道容量(1)信息容量：單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊?實際信道中總存在于擾，此時如何計算信道容量？無記憶信道：每個輸出符號只取決于當前的輸入符號，而與其它輸入符號無關。對稱信道：信道的輸入和輸出分別具有相同集合的元素。有擾無記憶離散信道的信道容量：如圖