《信道和噪声》PPT课件.ppt
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1、1,第二章 信道和噪声,2.1信道的定义和数学模型 2.2恒参信道特性及其对信号传输的影响 2.3随参信道特性及其对信号传输的影响 2.4信道的加性噪声 2.5随机信号分析 2.6随机过程通过线性系统 2.7信道容量及香农公式,2,本章教学目的:了解各种实际信道、信道的数学模型和信道容量的概念。说明:信道是通信系统必不可少的组成部分。它与发送设备、接收设备一起组成通信系统。没有信道,通信就无法进行;信道的好坏直接影响通信的质量。因此,有必要研究信道,根据信道的特点,正确地选用信道,合理地设计收发信设备,使通信系统达到最佳。,3,2.1信道的定义和数学模型,信道的定义:具体而言,由有线或无线线路
2、提供的信号通路;抽象而言,信道是指定的一段频带,它让信号通过,同时又对信号以限制和损害。信道的分类:狭义信道(传输介质);广义信道(调制信道和编码信道;是一种扩大范围的信道。不仅包括传输介质,还包括通信系统的一些转换设备。主要讨论),4,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介质(媒介,媒质)。狭义信道是直观的,习惯于把它按传输介质是否是导线分为有线信道和无线信道两大类。广义信道:通常可分成两种,调制信道和编码信道。将传输介质和各种信号形式的转换、耦合等设备都归纳在一起,凡信号经过的一切通道统称为广义信道。,2.1信道的定义和数学模型,5,例如狭义信道,有线信道 明线 双绞线 对称
3、电缆 同轴电缆 光导纤维 波导,无线信道 超短波及微波接力 卫星通信 光波视距传播 中长波地表面波传播 短波电离层反射 超短波及微波对流层散射 超短波超视距绕射,6,调制信道模型 调制信道对信号的影响是由信道的特性及外界干扰造成的,可以用一个二对端(或多对端)的时变线性网络来表示,即只需关心调制信道输出信号与输入信号之间的关系。,调制信道模型,7,调制信道模型,对于二对端的信道模型来说,其输出与输入之间的关系式可表示成:将上式进一步简化可以写成:这样信道对信号的影响可归纳为两点:一是乘性干扰k(t),二是加性干扰n(t)。不同特性的信道,仅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。根据信道中k(
4、t)的特性不同,可以将信道分为:恒参信道和变参信道。,8,调制信道具有的特性:,(1)有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端;(2)在输入信号的动态范围内,信道是线性的,即满足叠加性和齐次性;(3)信号在信道中传输时均被衰减和时延,具有随频率变化的振幅频率特性和相位频率特性;(4)即使信道输入端无信号输入,在输出端仍有一定的功率输出。这是因为信道内存在着各种噪声。,9,编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换,因此编码信道可以用数字的转移概率来描述。输入、输出都是数字信号,因而,是一种数字信道或离散信道;它关心的是误码率而不是信号失真情况,但误码是由调制信道造成的,输入、输出数字序列之
5、间的关系可以用一组转移概率来表征。当输入序列数目与输出序列数目相等时,称为对称信道;当每个输出符号只取决于当前的输入符号,而与前后其他的输入符号无关时,这种信道又称为无记忆信道;记忆信道是码元发生错误前后是有联系的。,编码信道的数学模型,10,离散无记忆信道的转移概率,一般情况下,发送符号集X=xi,i=1,2,,L,有L种符号;接受符号集Y=yj,j=1,2,M,有M种符号。离散无记忆信道的转移概率用下列矩阵表示:,模型中,把 称为信道转移概率。以 为例,其含义是“经信道传输,把x转移为y的概率”。,11,二进制无记忆编码信道,其中,P(0/0)、p(1/1),是正确转移概率,p(1/0)、
6、p(0/1)是错误转移概率。p(1/0)又称为虚报概率,p(0/1)又称为漏报概率。由概率的性质知:p(0/0)=1-p(1/0)p(1/1)=1-p(0/1),转移概率矩阵:p(0/0)p(1/0)p(0/1)p(1/1),p(yj/xi)=,12,四进制无记忆编码信道,0,0,1,2,3,1,2,3,13,对称信道,当信道转移概率矩阵中的各行和各列分别具有相同集合的元素时,这类信道称为对称信道。如:,转移概率矩阵:输出的总的错误概率:pe=p(0)p(1/0)+p(1)p(0/1),二进制无记忆对称信道,p(yj/xi)=,p(0/0)p(1/0)p(0/1)p(1/1),14,信道分类表
7、,调制信道编码信道,信道,15,如果信道参数不随时间变化,或其变化相对于信道上传输的信号的变化极为缓慢,那么,从工程角度及研究问题方面来看,这些变化均可以忽略。这种信道就称为恒(定)参(量)信道。有线信道为典型的恒参信道,无线信道中中长波通信、超短波及微波视距通信等基本上也属于恒参信道。举例如下:,2.2 恒参信道及其对信号传输的影响,16,有线信道,明线明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。它的优点是传输损耗低,但受气候和天气的影响,并且对外界噪声干扰较敏感。,17,有线信道,双绞线 双绞线由两根彼此绝缘的铜线组成,这两根线按照规则的螺线状绞合在一起。每一对线作为一根通信链路使用。通常,将许
8、多这样的线结捆扎在一起,并用坚硬的、起保护作用的护皮包裹成一根电缆。将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串扰,且相邻线对通常具有不同的绞合长度。,18,有线信道,对称电缆 对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输介质。导线材料是铝或铜,直径为0.41.4mm。为了减少各线对之间的相互干扰,每一对线都拧成扭绞状。由于这些结构上的特点,故电缆的传输损耗比明线大得多,但其传输特性比较稳定。由于这些结构上的特点,故电缆的传输损耗比较大,但其传输特性比较稳定,并且价格便宜、安装容易。对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路。,19,对称电缆,20,有线信道,同轴电缆 同轴电缆
9、由同轴的两个导体构成,外导体是一个圆柱形的空管(在可弯曲的同轴电缆中,它可以由金属丝编织而成),内导体是金属线(芯线)。它们之间填充着绝缘介质,可能是塑料,也可能是空气。在采用空气绝缘的情况下,内导体依靠有一定间距的绝缘子来定位。在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆。,21,有线信道,光纤 光纤是一种纤细(2125m)柔韧能够传导光线的介质。有多种玻璃和塑料可用于制造光纤,使用超高纯二氧化硅熔丝的光纤可得到最低损耗。光纤的外形是圆柱体,由三个同轴部分组成:芯、覆层以及防护罩。,22,无线信道,微波中继信道:微波频段的频率范围一般在几百兆赫至几十吉赫,其传输特点是在自由空间沿视距传输。由于
10、受地形和天线高度的限制,两点间的传输距离一般为3050 km,当进行长距离通信时,需要在中间建立多个中继站,如图所示。,微波中继信道具有传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金属、投资少、维护方便等优点。因此,被广泛用来传输多路电话及电视等。,23,无线信道,卫星中继信道 卫星中继信道是利用人造卫星作为中继站构成的通信信道,卫星中继信道与微波中继信道都是利用微波信号在自由空间直线传播的特点。微波中继信道是由地面建立的端站和中继站组成。而卫星中继信道是以卫星转发器作为中继站与接收、发送地球站之间构成。若卫星运行轨道在赤道平面,离地面高度为35780km时,绕地球运行一周的时间恰为24小时,与地球
11、自转同步,这种卫星称为静止卫星。不在静止轨道运行的卫星称为移动卫星。,24,无线信道,卫星中继信道,25,若以静止卫星作为中继站,采用三个相差120的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外),如图所示。若采用中、低轨道移动卫星,则需要多颗卫星覆盖地球。所需卫星的个数与卫星轨道高度有关,轨道越低所需卫星数越多。目前卫星中继信道主要工作频段有:L频段(1.5/1.6GHz)、C频段(4/6GHz)、Ku频段(12/14GHz)、Ka频段(20/30GHz)。卫星中继信道的主要特点是通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、覆盖区域广等。另外,由于卫星轨道离地面较远信号衰减大,电波往返所
12、需要的时间较长。对于静止卫星,由地球站至通信卫星,再回到地球站的一次往返需要0.26s左右,传输话音信号时会感觉明显的延迟效应。目前卫星中继信道主要用来传输多路电话、电视和数据。,26,由于恒参信道对信号传输的影响是固定不变的或者是变化极为缓慢的,因而可以等效为一个非时变的线性网络(时不变的线性网络)。网络的传输特性可以表示为:,2.2 恒参信道特性及其对信号传输的影响,27,要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真,网络的传输特性应该具备以下两个理想条件:(1)网络的幅频特性 是一个不随频率变化的常数;(2)网络的相频特性 应与频率成负斜率直线关系。,信号不失真传输条件,幅频特性 相频特性
13、 群迟延特性,28,2.2 恒参信道特性及其对信号传输的影响,恒参信道对信号的影响主要是线性畸变幅频特性和相频特性(1)幅度频率畸变,右图所示了典型音频电话信道的相对衰耗,若传输数字信号,会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠,即码间串扰。,29,恒参信道模型,H()=H()e j()eo(t)=ei(t)h(t)+n(t),2.2 恒参信道对信号传输的影响,h(t)H(w)H(w)H(w)k(常数),产生幅频畸变。使原信号中不同频率振幅相对大小发生变化,导致信号波形失真。,一般为线性时不变系统:,30,31,32,33,34,35,36,信号无失真传输是一种理想情况,所谓无失真传输是指
14、系统输出信号与输入信号相比,只有信号幅度大小和出现时间先后的不同,而波形上没有变化。即:在幅度上有固定的衰减,在时间上有固定的延时。,H(),vi(t),vo(t)=K0vi(t-td),2.2 恒参信道对信号传输的影响,37,2.2 恒参信道对信号传输的影响,信号通过线性系统不失真的条件是该系统的传输函数H()=H()e j()满足下述条件,H()=K0()=td,38,2.2 恒参信道对信号传输的影响,在信道有效的传输带宽内,H()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,称为幅度频率失真。,H()k(常数),产生幅频畸变,也称频率失
15、真,属于线性失真。,恒参信道对信号的影响主要是线性畸变幅频特性和相频特性,39,2.2 恒参信道对信号传输的影响,(2)相位频率畸变(群延迟畸变),用群迟延频率特性来描述相频特性:,理想信道的相频特性,信号的不同频率成分在信道传输时有相同的群延迟,信号不发生畸变。,工程设计时,应使H()畸变范围及()误差范围符合要求。采用均衡技术可减小信号的畸变。,40,vi(t)=sint+1/2sin3t vo(t)=1/2sin t+1/2sin3t,(a)输入信号波形,(b)输出信号波形,只对基波衰减的信道产生的失真,2.2 恒参信道对信号传输的影响,41,信号相位频率失真群延迟失真,由于信号的各次谐
16、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。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,以称为群时延频率失真。,()-td,产生相位畸变。,2.2 恒参信道对信号传输的影响,42,恒参信道相频特性及群延迟频率特性,td()=-d()/d,43,通过对基波相移、对三次谐波相移2的信道产生的失真,vi(t)=sint+1/2sin3t vo(t)=sin(t-T/2)+1/2sin3(t-T/3),(a)输入信号波形,(b)输出信号波形,2.2 恒参信道对信号传输的影响,44,当前大多数的数据通信都是通过恒参信道(或近似恒参信道)进行的,如有线信道、微波信
17、道、卫星信道等都是恒参信道。恒参信道的主要特点是可以把信道等效成一个线性时不变网络,传输技术主要解决由线性失真引起的符号间干扰和由信道引入的加性噪声所造成的判断失误。,2.2 恒参信道对信号传输的影响,45,减小畸变的措施,减小幅度-频率畸变的措施:改善电话信道中的滤波性能,或者再通过一个线性补偿网络,使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为“均衡”。减小相位-频率畸变的措施:采取相位均衡技术补偿群迟延畸变。除此之外,还存在其它类型影响信号传输的因素。,46,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,随参信道的特性随时间变化较快,它的特性比恒参信道复杂的多,对信号影响较为严重,随参信道均为
18、“无线信道”。短波电离层反射信道和对流层散射信道是两种典型的随参信道。它们的特点是都存在时变多径传播引起的选择性衰落,常常统称为衰落信道。这两种信道都包括大气层,具有很强的大气噪声是它们共同的特征。,47,信号在随参信道中传输的特点,(1)多径传播现象。即由发射端发出的信号可能通过多条路径到达接收点。(2)就每条路径的信号而言,它相对于发射信号的衰减和时延都是随时间作不规则的随机变化。,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,48,(波长10010m,频率330MHz)离地面60600km的大气层称为电离层。实际观察表明,电离层可分为D、E、F1、F2四层。F2是反射层,其高度为250300
19、km,故一次反射的最大距离约为4000km,如果通过两次反射,通信距离可达8000km。,短波电离层反射,当电波在这样的电离层中传播时,因逐步折射使轨道发生弯曲,从而在某一高度将产生全反射。短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,49,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,多径传播在短波电离层反射信道中,引起多径传播的主要原因如下:(1)电波经电离层的一次反射和多次反射;(2)几个反射层高度不同;(3)电离层不均匀性引起的漫射现象;(4)地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。,以上四种情况下,多径传播的示意如图所示。由于第一种情况下的路
20、程时延差最大,可达几毫秒,故它不仅引起快衰落,而且还会产生多径时延失真。相比之下,其它三种情况属于细多径,主要的影响是快衰落。快衰落信号的振幅大体上服丛广义瑞利分布,通常,为了克服快衰落的影响,一般采用分集接收的办法。,50,多径传播对信号产生的影响:(1)产生瑞利型衰落,从波形上看,波幅恒定频率单一的载波信号变成了包络和相位受到调制的窄带信号。(2)引起频率弥散,单一频率变成窄带频谱。(3)频率选择性衰落。,51,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,应用 短波电离层反射信道过去是、现在仍然是远距离传输的重要信道之一。这是因为(1)要求的功率较小,终端设备的成本较低;(2)传播距离远;(
21、3)受地形限制较小;(4)有适当的传输频带宽度;(5)不易受到人为破坏。这一点在军事通信上有重要意义。但是,它也存在以下缺点:(1)传输可靠性差,电离层中的异常变化(如电离层骚动、电离层暴变等)会引起较长时间的通信中断,传播可靠性一般只能达到0.9;(2)需要经常更换工作频率,因而使用较复杂;(3)存在快衰落与多径时延失真;(4)干扰电平高。,52,对流层散射信道,对流层散射信道在对流层中,由于大气湍流运动等原因,产生了不均匀性,故引起电波的散射。对流层散射信道是一种超视距的传播信道,其中一跳的传输距离为100500km,可工作在超短波和微波波段。设计良好的对流层散射线路可提供12240个频分
22、复用(FDM)的话路,而传播可靠性可达999。经研究表明,散射具有强方向性,接收到的能量大致与sin5(/2)成反比,这里是入射线与散射线的夹角。这意味着主要能量集中于小角方向,即集中于前方,故又称“前向散射”。,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,53,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,衰落散射信号电平是不断随时间变化的,这些变化分为慢衰落(长期变化)和快衰落(短期变化)。前者取决于气象条件;后者由多径传播引起。理论与实测均表明,散射接收信号振幅服从瑞利分布,相位服从均匀分布。克服快衰落影响的有效办法是分集接收。传播损耗无线电波经散射传播能量的总损耗包括两部分:(1)自由空间的
23、能量扩散损耗;(2)散射损耗。,54,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,信道的允许频带散射信道是典型的多径信道。多径传播不仅引起信号电平的快衰落,而且还会导致波形失真。图示出了一个例子。散射信道好像是一个带限滤波器,其允许频带定义为:B1/m 式中m 最大多径时延差。即为相邻传输零点的频率间隔。这个频率间隔称为多径传播介质的相关带宽。为了不引起明显的失真,传输信号的频带必须小于多径传输介质的相关带宽B。,图中,某时刻发出的窄脉冲经过不同长度的路程到达接收点。由于经过的路程不同,因而到达接收点的时刻也不同,结果脉冲被展宽了。这种现象称为信号的时间扩散,简称多径时散。,55,2.3 随参信
24、道特性及其对信号传输的影响,应用:对流层散射信道的应用场合可分为:(1)干线通信,通常每隔300km左右建立一个中继站,构成无线电中继线路,以达到远距离传输;(2)点对点通信,例如,海岛与陆地、边远地区与中心城市之间的通信。随参信道传输媒质的三个特点:(1)对信号的衰落随时间而变。(2)传输的时延随时间而变。(3)多径传输。,56,随参信道模型,H(,t)=H(,t)e j(,t)eo(t)=k(t)ei(t)+n(t),乘性噪声,加性噪声,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,在多径传输的随参信道中,每条路径的信号的衰减和时延都是随机变化的,接收信号是各路信号的合成。,57,2.3 随参
25、信道特性及其对信号传输的影响,设发射单频信号 Acost,经m条路径传播后的接收信号为:,合成波的相位,由于ui(t)及 是缓慢变化的(相对于cos0t),因为Xc(t)、Xs(t)、V(t)也是缓慢变化的,所以R(t)可视为一个窄带随机过程。,式中,合成波的包络,58,2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响,均匀分布:,瑞利分布:,第一,从波形上看,多径传播的结果使确定的载波信号Acos0t变成了包络和相位受到调制的窄带信号,这样的信号通常称之为衰落信号;第二,从频谱上看,多径传输引起了频率弥散,即由单个频率变成了一个窄带频谱。多径传输不仅会造成衰落和频率弥散,同时还会发生频率选择性衰落。
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