通信原理信道第一次課件

大綱要求3.1信道及其數(shù)學模型了解線性、非線性、時不變和時變信道的定義及其特點。3.2恒參信道3.3恒參信道特性及對信號傳播的影響掌握各種恒參信道基本特性以及對信號傳輸?shù)挠绊憽?.4隨參信道3.5隨參信道特性及對信號傳播的影響掌握各種隨參信道基本特性以及對信號傳輸?shù)挠绊憽?.6隨參信道的接收對策──分集技術掌握衰落信道、多徑時延、分集接收等基本概念。3.7信道的加性噪聲掌握加性高斯白噪聲信道定義的特點。信道容量的定義與計算2023/6/83.1引言信道概念：信道是信源向信宿發(fā)送和傳輸信息信號的通道。狹義信道：指信息收發(fā)設備之間的傳輸媒體。如電纜、光纖、無線電波等。廣義信道：不僅包括傳輸媒體，還包括特定媒體傳輸所必須的信號變換設備。如編解碼器（信源、信道、傳輸編解碼）、調(diào)制解調(diào)器、光電轉(zhuǎn)換器、放大器、濾波器、中繼設備等。信道分類：模擬信道與數(shù)字信道、有線信道與無線信道、窄帶信道與寬帶信道等。一個通信系統(tǒng)的傳輸信道往往不是單一的。電話線、雙絞線、同軸電纜、光纖傳輸信道。無線電波、紅外線等傳輸信道。?根據(jù)信號波長（或頻率）劃分：

長波、中波、短波、超短波、微波等。?根據(jù)傳播路徑（或機理）劃分：

視距傳播、電離層反射、對流層散射等。典型的模擬信道是調(diào)制信道。典型的數(shù)字信道是編碼信道。2023/6/83.2信道定義（調(diào)制信道與編碼信道）調(diào)制信道與編碼信道分別是模擬信道與數(shù)字信道的典型例子。調(diào)制器解調(diào)器發(fā)送轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換器傳輸媒體調(diào)制信道編碼信道自編碼器去譯碼器圖3-1調(diào)制信道與編碼信道2023/6/83.3信道數(shù)學模型（調(diào)制信道與編碼信道）一.調(diào)制信道數(shù)學模型調(diào)制信道一般特性：■有一對(或多對)輸入端和一對(或多對)輸出端；■大多數(shù)信道都是線性的，即滿足疊加原理；■信號通過信道都有一定時延，受到固定或時變損耗；■即使沒有輸入，往往會有一定的輸出(噪聲)。時變線性系統(tǒng)ei(t)eo(t)圖3-2調(diào)制信道模型(二對端網(wǎng)絡)2023/6/8線性系統(tǒng)ei(t)eo(t)3.3信道數(shù)學模型（調(diào)制信道與編碼信道）一.調(diào)制信道數(shù)學模型2023/6/83.3信道數(shù)學模型(調(diào)制信道數(shù)學模型)時變線性系統(tǒng)ei(t)eo(t)圖3-2調(diào)制信道模型(二對端網(wǎng)絡)調(diào)制信道輸出eo(t)與輸入ei(t)關系：

eo(t)=f[ei(t)]+n(t)加性噪聲時變信道特性影響

eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)時變信道特性影響常描述為一種干擾：乘性干擾2023/6/83.3信道數(shù)學模型(調(diào)制信道數(shù)學模型)調(diào)制信道(模擬信道)對信號(模擬信號)傳輸?shù)挠绊懀汉饬空{(diào)制信道(模擬信道)優(yōu)劣的標準：模擬信道輸出信號輸入信號噪聲n(t)無失真、無畸變有失真、有畸變有失真、有畸變失真原因：■噪聲的影響■信道(線性系統(tǒng))特性不理想■信道特性時變■失真度或畸變度■信噪比(輸出信號功率與輸出噪聲功率之比）或信干比有些失真在接收端往往無法察覺，難以去除。2023/6/83.3信道數(shù)學模型（調(diào)制信道與編碼信道）二.編碼信道數(shù)學模型產(chǎn)生失真、畸變判決電平發(fā)送時鐘判決時鐘傳輸信道輸出信號輸入信號噪聲n(t)010110抽樣判決010110沒發(fā)生誤碼編碼信道質(zhì)量優(yōu)劣的標準是考察接收碼元是否會發(fā)生錯誤。由于信道特性和噪聲的影響，也會使得傳輸信號波形發(fā)生失真或畸變，但是失真不一定會誤碼。誤碼的概率（誤碼率）與接收波形的失真有關，因此與傳輸信道輸出的信噪比有關。2023/6/83.3信道數(shù)學模型（調(diào)制信道與編碼信道）二.編碼信道數(shù)學模型——碼的轉(zhuǎn)移概率P(i/j)■二進制數(shù)字編碼信道發(fā)送碼元為j，而接收碼元為i的概率。0101發(fā)送端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是錯誤接收概率P(0/0)、P(1/1)是正確接收概率系統(tǒng)的誤碼率是？系統(tǒng)的誤碼率Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)2023/6/83.3信道數(shù)學模型（調(diào)制信道與編碼信道）二.編碼信道數(shù)學模型■M進制數(shù)字編碼信道系統(tǒng)誤碼率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)01發(fā)送端接收端2M-1012M-12023/6/83.4恒參信道舉例3.4.1三種有線電信道■架空明線（如用戶電話線）■對稱電纜（如五類雙絞線、中繼電話線）■同軸電纜（如有線電視進戶線、中繼電話線）一條電纜中的線對數(shù)量可以不同，線徑也可不同。表3-6三種有線電信道的性能線路類型通話路數(shù)頻率范圍/kHz增音段長度/km

架空明線1+30.3—27300

架空明線1+3+120.3—150120

對稱電纜2412—10835

對稱電纜6012—25215

小同軸電纜30060—13008

小同軸電纜96060—41004

中同軸電纜1800300—90006

中同軸電纜2700300—120004.5

中同軸電纜10800300—600001.52023/6/83.4恒參信道舉例3.4.2光纖信道光源光調(diào)制器耦合器基帶處理基帶電信號耦合器光檢測器基帶處理基帶電信號光纖線路發(fā)送端接收端圖3-7光纖通信系統(tǒng)■光纖與光纜■光波長■單模光纖與多模光纖■光纖的衰耗與色散光纖通信的優(yōu)點■無中繼傳輸距離長；■系統(tǒng)頻帶寬、容量大；■具有及強的抗電磁干擾能力。2023/6/83.4恒參信道舉例3.4.3無線電視距傳播信道無線電視距傳播無線電中繼信道2023/6/83.4恒參信道舉例3.4.4衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星2023/6/83.5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憽龊銋⑿诺朗侵感诺赖奶匦詤?shù)長期不變或變化非常緩慢。前述有線信道（光纖與電纜）、無線電視距傳播信道、微波及衛(wèi)星中繼信道都屬于恒參信道。■恒參信道可以用時不變線性系統(tǒng)來描述。■恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)為：幅度-頻率畸變和相位-頻率畸變?？梢哉J為在一次通信過程中是不變的。3.5.1幅度-頻率畸變3.5.1相位-頻率畸變相位-頻率特性幅度-頻率特性2023/6/83.6隨參信道舉例3.6.1短波電離層反射信道■隨參信道是指信道的特性參數(shù)隨時間快速變化的信道。短波電離層反射信道、對流層散射信道、市區(qū)移動通信等信道都屬于隨參信道。在一次通信過程中信道參數(shù)不固定?！龆滩ǎ褐覆ㄩL在100m

—10m（對應信號載波頻率3MHz—30MHz）的無線電波。■電離層：距離地面高度為60km

—600km的大氣層稱為電離層。2023/6/8■電離層：大氣層在受到太陽光的照射后，形成一層帶電的空氣層，稱為電離層。60公里一直到600公里左右?！鰧α鲗樱簩α鲗邮谴髿鈱拥囊粋€區(qū)域，其頂部位于地面上空十多公里處，并在不同的緯度地區(qū)有所不同。2023/6/83.6.1短波電離層反射信道1.傳播路徑4000kmDEF1F2反射層吸收層■電離層：□各個層次的高度、厚度、電子密度等都會隨時間變化?！跻淮位蚨啻畏瓷涞木嚯x也會發(fā)生變化，且與入射角有關?！醪煌瑢哟危‵1、F2）的不同高度上都會產(chǎn)生反射。地球地面高度為60km

—600km入射角φo2023/6/83.6.1短波電離層反射信道2.工作頻率□最高可用頻率與電離層的電子密度有關，與入射角有關。■關于電離層反射信道的工作頻率：□電離層高度、厚度、電子密度是變化的，能夠隨電離層變化調(diào)整工作頻率、入射角才能滿足一定距離下的最佳通信?！跻归gF2層電子密度低，須降低工作頻率，否則信號會穿透電離層?！跻归gD層消失，E層吸收減小，允許工作頻率降低。2023/6/83.6.1短波電離層反射信道3.多徑傳播DEF1F2反射層吸收層■一次反射與兩次反射地球發(fā)送接收一次反射與兩次反射反射高度不同■反射高度不同■漫射現(xiàn)象（電離層不均勻）■尋常波與非尋常波（地球磁場）2023/6/83.6.1短波電離層反射信道4.電離層反射信道特點■優(yōu)點①要求功率小，設備成本低。②傳播距離遠。③受地形影響小。④不易受人為破壞。⑤有一定的帶寬或傳輸容量?！鋈秉c①干擾電平高。②存在快衰落和多徑時延失真。③傳輸可靠性差。④需要經(jīng)常改換工作頻率，導致使用復雜。2023/6/83.6隨參信道舉例3.6.2對流層散射信道■隨參信道是指信道的特性參數(shù)隨時間快速變化的信道。短波電離層反射信道、對流層散射信道、市區(qū)移動通信等信道都屬于隨參信道?！龀暰鄠鞑バ诺溃汗ぷ髟诔滩ê臀⒉úǘ危惶嚯x約100km

—500km。■

對流層：距離地面高度為10km

—12km的大氣層稱為對流層?！鰬茫骸蹰L途干線上的無線電中繼通信?！觞c對點通信。2023/6/83.6.2對流層散射信道地球發(fā)送接收共同照射區(qū)的不均勻散射氣團圖3-17對流層散射信道傳播路徑1