《现代通信原理与技术》课件第3章.ppt
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1、第3章信道与噪声 3.1 信道定义与数学模型信道定义与数学模型3.2 恒参信道及其传输特性恒参信道及其传输特性3.3 随参信道及其传输特性随参信道及其传输特性3.4 分集接收技术分集接收技术3.5 加性噪声加性噪声3.6 信道容量的概念信道容量的概念第3章信道与噪声 第3章信道与噪声 3.1信道定义与数学模型信道定义与数学模型3.1.1信道定义信道定义信道是指以传输媒质为基础的信号通道。根据信道的定义,如果信道仅是指信号的传输媒质,这种信道称为狭义信道;如果信道不仅是传输媒质,而且包括通信系统中的一些转换装置,这种信道称为广义信道。第3章信道与噪声 狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无
2、线信道两类。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。无线信道包括地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等。狭义信道是广义信道十分重要的组成部分,通信效果的好坏,在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。因此,在研究信道的一般特性时,“传输媒质”仍是讨论的重点。今后,为了叙述方便,常把广义信道简称为信道。广义信道除了包括传输媒质外,还包括通信系统有关的变换装置,这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等。这相当于在狭义信道的基础上,扩大了信道的范围。它的引入主要是从研究信息传输的角度出发,使通信系统的一些基本问题研究比较方便。广义信
3、道按照它包括的功能,可以分为调制信道、编码信道等。第3章信道与噪声 信道的一般组成如图 3-1 所示。所谓调制信道,指图 3-1中从调制器的输出端到解调器的输入端所包含的发转换装置、媒质和收转换装置三部分。当研究调制与解调问题时,我们所关心的是调制器输出的信号形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性,而并不关心信号的中间变换过程。因此,定义调制信道对于研究调制与解调问题是方便和恰当的。第3章信道与噪声 图 3 1 调制信道和编码信道第3章信道与噪声 在数字通信系统中,如果研究编码与译码问题时采用编码信道,会使问题的分析更容易。所谓编码信道是指图 3-1 中编码器输出端到译码器输入端的部分,即编码
4、信道包括调制器、调制信道和解调器。调制信道和编码信道是通信系统中常用的两种广义信道,如果研究的对象和关心的问题不同,还可以定义其他形式的广义信道。第3章信道与噪声 3.1.2信道的数学模型信道的数学模型 1.调制信道模型调制信道模型调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道,它所关心的是调制信道输入信号形式和已调信号通过调制信道后的最终结果,对于调制信道内部的变换过程并不关心。因此,调制信道可以用具有一定输入、输出关系的方框来表示。通过对调制信道进行大量的分析研究,发现它具有如下共性:(1)有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端;(2)绝大多数的信道都是线性的,即满足线性叠加原理
5、;第3章信道与噪声 (3)信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间;(4)信号通过信道会受到固定的或时变的损耗;(5)即使没有信号输入,在信道的输出端仍可能有一定的输出(噪声)。根据以上几条性质,调制信道可以用一个二端口(或多端口)线性时变网络来表示,这个网络便称为调制信道模型,如图 3-2 所示。二端口的调制信道模型,其输出与输入的关系有 r(t)=so(t)+n(t)=fsi(t)+n(t)(3.1-1)第3章信道与噪声 图 3 2 调制信道模型第3章信道与噪声 式中,si(t)为输入的已调信号;so(t)为调制信道对输入信号的响应输出波形;n(t)为加性噪声,与si(t)相互独立。fsi(
6、t)反映了信道特性,不同的物理信道具有不同的特性。有的物理信道fsi(t)很简单,有的物理信道fsi(t)很复杂。一般情况,fsi(t)可以表示为信道单位冲激响应c(t)与输入信号的卷积,即 so(t)=c(t)*si(t)(3.1-2)或 So()=C()Si()(3.1-3)其中,C()依赖于信道特性。对于信号来说,C()可看成是乘性干扰。如果我们了解c(t)与n(t)的特性,就能知道信道对信号的具体影响。第3章信道与噪声 通常信道特性c(t)是一个复杂的函数,它可能包括各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等。同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化,故c(t)往往只能用随机过
7、程来描述。在我们实际使用的物理信道中,根据信道传输函数C()的时变特性的不同可以分为两大类:一类是C()基本不随时间变化,即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的,这类信道称为恒定参量信道,简称恒参信道;另一类信道是传输函数C()随时间随机快变化,这类信道称为随机参量信道,简称随参信道。第3章信道与噪声 在常用物理信道中,C()的特性有三种典型形式。第一种形式C()是常数,或在信号频带范围之内是常数。这种信道可以用加性噪声信道数学模型来表示,如图 3-3 所示。信号通过信道的输出为 r(t)=so(t)+n(t)=csi(t)+n(t)(3.1-4)式中,c是信道衰减因子,通常可取c=1;n
8、(t)是加性噪声。由后几节分析我们将看到,加性噪声n(t)通常是一种高斯噪声,该信道模型通常称为加性高斯噪声信道。第3章信道与噪声 图 3 3 加性噪声信道模型第3章信道与噪声 第二种形式C()在信号频带范围之内不是常数,但不随时间变化,其模型如图3-4所示。这种信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性滤波器,若信道输入信号为si(t),则信道输出为 r(t)=so(t)+n(t)=c(t)*si(t)+n(t)(3.1-5)式中,*为卷积运算。第3章信道与噪声 第三种形式C()在信号频带范围之内不是常数,且随时间变化,其模型如图 3-5 所示。如电离层反射信道、移动通信信道都具有这种特性。这种
9、信道在数学上可表示为带有加性噪声的线性时变滤波器。信道特性可以表征为时变单位冲激响应c(t,),此时信道传输函数为C(,)。若信道输入信号为si(t),则信道输出为 r(t)=so(t)+n(t)=c(t,)*si(t)+n(t)(3.1-6)第3章信道与噪声 图 3-4 带有加性噪声的线性滤波器信道第3章信道与噪声 图 3 5 带有加性噪声的线性时变滤波器信道 第3章信道与噪声 对于多径信道,其时变单位冲激响应可表示为(3.1-7)此时信道输出为 r(t)=so(t)+n(t)=c(t,)*si(t)+n(t)(3.1-8)代入式(3.1-7)可得 在通信系统中,绝大部分实际信道可以用以上三
10、种信道模型来表征,本书各章节的分析也是采用这三种信道模型。(3.1-9)第3章信道与噪声 2.编码信道模型编码信道模型编码信道包括调制信道、调制器和解调器,它与调制信道模型有明显的不同,是一种数字信道或离散信道。编码信道输入是离散的时间信号,输出也是离散的时间信号,对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响,将导致输出数字序列发生错误,因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。第3章信道与噪声 图 3 6 二进制编码信道模型 第3章信道与噪声 二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图 3-6 所示。图中P(0)和P(1)分别是发送“
11、0”符号和“1”符号的先验概率,P(0/0)与P(1/1)是正确转移的概率,而P(1/0)与P(0/1)是错误转移概率。信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多,错误转移概率P(1/0)与P(0/1)也就越大;反之,错误转移概率P(1/0)与P(0/1)就越小。输出的总的错误概率为Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)(3.1-10)在图 3-6 所示的编码信道模型中,由于信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的,因此这种信道是无记忆编码信道。根据无记忆编码信道的性质可以得到第3章信道与噪声 P(0/0)+P(1/0)=1 P(1/1)+P(0/1)=1 由二进制
12、无记忆编码信道模型,可以容易地推广到多进制无记忆编码信道模型。设编码信道输入M元符号,即 X=x0,x1,xM-1 (3.1-11)编码信道输出N元符号为Y=y0,y1,yN-1(3.1-12)如果信道是无记忆的,则表征信道输入、输出特性的转移概率为第3章信道与噪声 P(yj/xi)=P(Y=yj/X=xi)(3.1-13)上式表示发送xi条件下接收出现yj的概率,也即将xi转移为yj的概率。图 3-7 给出了一个多进制无记忆编码信道模型。如果编码信道是有记忆的,即信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是不独立的,则编码信道模型要比图 3-6 或图 3-7 所示的模型复杂得多,信道转移
13、概率表示式也将变得很复杂。第3章信道与噪声 图 3-7 多进制无记忆编码信道模型。第3章信道与噪声 3.2 恒参信道及其传输特性恒参信道及其传输特性恒参信道的信道特性不随时间变化或变化很缓慢。信道特性主要由传输媒质所决定,如果传输媒质是基本不随时间变化的,所构成的广义信道通常属于恒参信道;如果传输媒质随时间随机快变化,则构成的广义信道通常属于随参信道。如由架空明线、电缆、中长波地波传播、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道。下面简要介绍几种有代表性的恒参信道的例子。第3章信道与噪声 3.2.1有线电信道有线电信道 1.对称电缆对称电
14、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媒质。通常有两种类型:非屏蔽(UTP)和屏蔽(STP)。导线材料是铝或铜,直径为0.41.4 mm。为了减小各线对之间的相互干扰,每一对线都拧成扭绞状,如图 3-8 所示。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,在许多局域网如以太网、令牌环网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。STP电缆的特性同UTP的特性相同,由于加入了屏蔽措施,对噪声有更好的屏蔽作用,但是其价格要昂贵一些。第3章信道与噪声 图 3 8 对称电缆结构图第3章信道与噪声 2.同轴电
15、缆同轴电缆同轴电缆与对称电缆结构不同,单根同轴电缆的结构图如图 3-9(a)所示。同轴电缆由同轴的两个导体构成,外导体是一个圆柱形的导体,内导体是金属线,它们之间填充着介质。实际应用中同轴电缆的外导体是接地的,对外界干扰具有较好的屏蔽作用,所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆。为了增大容量,也可以将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内,构成多芯同轴电缆,另外还可以装入一些二芯绞线对或四芯线组,作为传输控制信号用。表 3-1 列出了几种电缆的特性。第3章信道与噪声 图 3-9同轴电缆结构图第3章信道与噪声 第3章信道与噪声 3.2.2微波中继信道微波中继信道
16、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3-10 所示。在微波中继通信系统中,为了提高频谱利用率和减小射频波道间或邻近路由的传输信道间的干扰,需要合理设计射频波道频率配置。在一条微波中继信道上可采用二频制或四频制频率配置方式,其原理如图 3-11 所示。第3章信道与噪声 图 3-10微波中继信道的构成第3章信道与噪声 图 3 11 二频制或四频制频率配置方式第3章信道与噪声 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、
17、维护方便等优点。因此,被广泛用来传输多路电话及电视等。第3章信道与噪声 3.2.3卫星中继信道卫星中继信道 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。第3章信道与噪声 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
18、地域(两极盲区除外),如图 3-12 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
19、据。第3章信道与噪声 图 3 12 卫星中继信道示意图 第3章信道与噪声 3.2.4恒参信道特性恒参信道特性 1.理想恒参信道特性理想恒参信道特性 理想恒参信道就是理想的无失真传输信道,其等效的线性网络传输特性为 H()=K0e-jtd (3.2-1)其中K0为传输系数,td为时间延迟,它们都是与频率无关的常数。根据信道的等效传输函数,可以得到幅频特性为|H()|=K0 (3.2-2)第3章信道与噪声 相频特性为 ()=td(3.2-3)信道的相频特性通常还采用群迟延-频率特性来衡量,所谓的群迟延-频率特性就是相位-频率特性的导数,则群迟延-频率特性可以表示为(3.2-4)理想信道的幅频特性、
20、相频特性和群迟延-频率特性曲线如图3-13所示。第3章信道与噪声 理想恒参信道的冲激响应为 h(t)=K0(ttd)(3.2-5)若输入信号为s(t),则理想恒参信道的输出为 r(t)=K0s(t td)(3.2-6)由此可见,理想恒参信道对信号传输的影响是:(1)对信号在幅度上产生固定的衰减;(2)对信号在时间上产生固定的迟延。这种情况也称信号是无失真传输。第3章信道与噪声 图 3-13 理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延-频率特性 第3章信道与噪声 由理想的恒参信道特性可知,在整个频率范围,其幅频特性为常数(或在信号频带范围之内为常数),其相频特性为的线性函数(或在信号频带范围之内为的线
21、性函数)。在实际中,如果信道传输特性偏离了理想信道特性,就会产生失真(或称为畸变)。如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数,则会使信号产生幅度-频率失真;如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内不是的线性函数,则会使信号产生相位-频率失真。第3章信道与噪声 2.幅度幅度-频率失真频率失真幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的,这种失真又称为频率失真,属于线性失真。图 3-14(a)所示是典型音频电话信道的幅度衰减特性。由图可见,衰减特性在 3003000 Hz频率范围内比较平坦;300 Hz以下和 3000 Hz以上衰耗增加很快,这种衰减特性正好适应人类话音信号
22、传输。CCITT M.1020建议规定的衰减特性如图 3-14(b)所示。信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真,若在这种信道中传输数字信号,则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠,造成码间干扰。因此,在电话信道中传输数字信号时,需要采用均衡器对信道特性进行补偿(有关均衡原理将在第 5 章介绍)。第3章信道与噪声 图 3 14 典型音频电话信道的幅度衰减特性第3章信道与噪声 3.相位相位-频率失真频率失真当信道的相位-频率特性偏离线性关系时,将会使通过信道的信号产生相位-频率失真,相位-频率失真也属于线性失真。图 3-15 给出了一个典型的电话信道的相频特性和群迟延-频
23、率特性。可以看出,相频特性和群迟延-频率特性都偏离了理想特性的要求,因此会使信号产生严重的相频失真或群迟延失真。在话音传输中,由于人耳对相频失真不太敏感,因此相频失真对模拟话音传输影响不明显。如果传输数字信号,相频失真同样会引起码间干扰,特别当传输速率较高时,相频失真会引起严重的码间干扰,使误码率性能降低。由于相频失真也是线性失真,因此同样可以采用均衡器对相频特性进行补偿,改善信道传输条件。第3章信道与噪声 图 3 15 典型电话信道相频特性和群迟延频率特性 (a)相频特性;(b)群迟延频率特性第3章信道与噪声 3.3.1陆地移动信道陆地移动信道1.自由空间传播自由空间传播 在VHF、UHF移
24、动信道中,电波传播方式主要有自由空间直射波、地面反射波、大气折射波、建筑物等的散射波等当移动台和基站天线在视距范围之内,这时电波传播的主要方式是直射波。直射波传播可以按自由空间传播来分析。由于传播路径中没有阻挡,所以电波能量不会被障碍物吸收,也不会产生反射和折射。设发射机输入给天线的功率为PT(瓦特),则接收天线上获得的功率为3.3随参信道及其传输特性随参信道及其传输特性第3章信道与噪声 式中,GT为发射天线增益,GR为接收天线增益,d为接收天线与发射天线之间的直线距离,为各向同性天线的有效面积。当发射天线增益和接收天线增益都等于1时,式(3.3-1)简化为 自由空间传播损耗定义为(3.3-2
25、)(3.3-1)(3.3-3)第3章信道与噪声 代入式(3.3-2)可得式中,d为接收天线与发射天线之间直线距离,单位为km;f为工作频率,单位为MHz。由式(3.3-4)可以看出,自由空间传播损耗与距离d的平方成正比,距离越远损耗越大。图3-16 给出了移动信道中自由空间传播损耗与频率和距离的关系。用dB可表示为(3.3-4)(3.3-5)第3章信道与噪声 图 3 16 移动信道中自由空间传播损耗第3章信道与噪声 2.反射波与散射波反射波与散射波 当电波辐射到地面或建筑物表面时,会发生反射或散射,从而产生多径传播现象,如图 3-17 所示。这些反射面通常是不规则和粗糙的。为了分析方便,可以认
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