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1、机械工业出版社 2004年1月,1,通信原理,机械工业出版社 2004年1月,2,第3章 信道,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：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。它与发送设备、接收设备等一起组成通信系统。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。,机械工业出版社 2004年1月,3,第3章 信道,本章的讨论思路：通过介绍实际信道的例子，在此基础上归纳信道的特性阐述信道的数学模型，最后简介信道容量的概念。要求：注重了解各种实际信道的特点，掌握信道的
2、数学模型，简单运用信道容量公式解决实际问题。,机械工业出版社 2004年1月,4,序：信道的分类,一、根据传输媒质来分：1、有线信道：对称电缆、同轴电缆、光纤等2、无线信道：短波信道、微波中继信道、卫星中继 信道等二、根据信道参数是否变化来分：1、恒参信道：信道的参数不随时间变化。如同轴电 缆、光纤、卫星信道等2、随参信道：信道的参数随时间变化。如短波信道,机械工业出版社 2004年1月,5,三、根据信道包含的内容来分：1、狭义信道：仅指传输媒质。2、广义信道：除了传输媒质外，还包含有关 的收发部件。（1）调制信道：调制器输出端至解调器输入 端。（2）编码信道：信道编码器输出端至信道译 码器输
3、入端。,机械工业出版社 2004年1月,6,调制信道与编码信道,调制信道与编码信道示意图,机械工业出版社 2004年1月,7,第3章的主要内容,3.1恒参信道3.2随参信道3.3信道特性及其数学模型3.4信道容量的概念,机械工业出版社 2004年1月,8,3.1.1有线电信道,1对称电缆（图3-1对称电缆结构图）,机械工业出版社 2004年1月,9,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。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，特点：传输损耗比较大，传输特性比较稳定，价格便宜
4、、安装容易。应用：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、令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。,机械工业出版社 2004年1月,10,3.1.1有线电信道,2同轴电缆图3-2同轴电缆结构图,机械工业出版社 2004年1月,11,表 3 1 几种有线电缆的特性,机械工业出版社 2004年1月,12,光纤直径,纤芯(Core),62.5,5 mm,125,m,m,包层(Clad),Core,8,m,m,125,m,m,Clad,85m,多模,单模,人的头发,机械工业出版社 2004年1月,13,3.1.2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
5、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图3-3微波中继信道的构成,机械工业出版社 2004年1月,14,3.1.2微波中继信道,图3-4二频制或四频制频率配置方式（a）四频制,机械工业出版社 2004年1月,15,3.1.2微波中继信道,（b）二频制,机械工业出版社 2004年1月,16,3.1.3卫星中继信道,图3-5卫星中继信道示意图,机械工业出版社 2004年1月,17,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。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
6、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。 ,机械工业出版社 2004年1月,19,3.2随参信道,3.2.1陆地移动信道陆地移动通信工作频段主要在VHF和UHF频段，电波传播特点是以直射波为主。但是， 由于城市建筑群和其他地形地物的影响，电波在传播过程中会产生反射波、散射波以及它们的合成波，电波传输环境较为复杂，因此移动信道是典型的随参信道。,机械工业出版社 2004年1月,20,3.2随参信道,1.自由空间传播图3-6移动信道中自
7、由空间传播损耗,机械工业出版社 2004年1月,21,PR=PTGTGR,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 PR=PT,自由空间传播损耗定义为 Lfs=,机械工业出版社 2004年1月,22,代入式(3.3 - 2)可得 Lfs=用dB可表示为Lfs=20lg =32.44+20lgd+20lgf (dB) (3.3 - 5),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
8、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 6 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。,机械工业出版社 2004年1月,23,3.2.1陆地移动信道,2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，图3-7移动信道的传播路径和图3-8平滑表面反射,机械工业出版社 2004年1月,24,3.2.1陆地移动信道,3折射波电波在空间传播中，由于大气中介质密度随高度增加而减小， 导致电波在空间传播时会产生折射、散射等,机械工业出版社 2004年1月,25,3.2.2短波电离层反射信道,说明：短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电
9、波在电离层，或电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信道。电离层离地面60600 km。当频率范围为330MHz（波长为 10100 m）的短波（或称为高频）无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面。,机械工业出版社 2004年1月,26,3.2.2短波电离层反射信道,图3-10电离层结构示意图,机械工业出版社 2004年1月,27,短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播， 多径传播有以下几种形式: (1) 电波从电离层的一次反射和多次反射； (2) 电离层反射区高度所形成的细多径； (3) 地球磁场引起的寻常波和非寻常波； (4) 电离层不均匀性引起的漫射现象。
10、以上四种形式如图 3 - 11 所示。 ,机械工业出版社 2004年1月,28,3.2.2短波电离层反射信道,图3-11多径形式示意图,机械工业出版社 2004年1月,29,3.3信道特性及其数学模型,3.3.1恒参信道特性及其数学模型说明：恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。因此，可以等效为一个非时变的线性网络。1理想恒参信道特性设输入信号为si(t)，则无失真传输时，要求信道的输出信号,机械工业出版社 2004年1月,30,3.3.1恒参信道特性及其数学模型,式中：K0为传输系数，它可以表示放大或衰减一个固定值；td为时间延迟，表示输出信号滞后输入信号一个固定的时间。频域
11、,机械工业出版社 2004年1月,31,3.3.1恒参信道特性及其数学模型,信道的传输函数为信道的幅频特性相频特性,机械工业出版社 2004年1月,32,3.3.1恒参信道特性及其数学模型,理想恒参信道的群迟延频率特性理想恒参信道的冲激响应： h(t)=K0(t-td),机械工业出版社 2004年1月,33,3.3.1恒参信道特性及其数学模型,2幅度频率失真图3-13典型音频电话信道的幅频特性、相频特性和群迟延频率特性（a）幅频特性,机械工业出版社 2004年1月,34,3.3.1恒参信道特性及其数学模型,（b）相频特性；（c）群迟延频率特性3相位频率失真,机械工业出版社 2004年1月,35
12、,3.3.1恒参信道特性及其数学模型,4具有加性（高斯）噪声的恒参信道数学模型（1）加性噪声信道,机械工业出版社 2004年1月,36,3.3.1恒参信道特性及其数学模型,（2）具有加性噪声的线性滤波信道,机械工业出版社 2004年1月,37,HOMEWORK,P81第3题第5题,机械工业出版社 2004年1月,38,REVIEW,1.了解狭义信道和广义信道的概念2. 熟悉信道的分类3. 了解恒参信道和随参信道的概念4. 掌握恒参信道的不失真传输条件,机械工业出版社 2004年1月,39,3.3.2随参信道特性及其数学模型,说明：随参信道的传输媒质具有以下三个共同特点。（l）衰减时变；（2）时
13、延时变；（3）多径传播。,机械工业出版社 2004年1月,40,1多径衰落与频率弥散 陆地移动多径传播示意图如图3-7所示。基站天线发射的信号经过多条不同的路径到达移动台。我们假设发送信号为单一频率正弦波，即 s(t)=A cosct 多径信道一共有n条路径，各条路径具有时变衰耗和时变传输时延且从各条路径到达接收端的信号相互独立，则接收端接收到的合成波为,机械工业出版社 2004年1月,41,= 式中， ai(t)为从第i条路径到达接收端的信号振幅，i(t)为第i条路径的传输时延。传输时延可以转换为相位的形式， 即 r(t)= 式中 i(t)=-ci(t),r(t)=a1(t) cosct-1
14、(t)+a2(t) cosct-2(t)+an(t) cosct-n(t)=,机械工业出版社 2004年1月,42,为从第i条路径到达接收端的信号的随机相位。,式中,由于X(t)和Y(t)都是相互独立的随机变量之和，根据概率论中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋于正态分布。,机械工业出版社 2004年1月,43,因此， 当n足够大时， X(t)和Y(t)都趋于正态分布。 通常情况下X(t)和Y(t)的均值为零，方差相等，其一维概率密度函数为,且x=y。 式(3.3 - 16)也可以表示为包络和相位的形式，即 r(t)=V(t)cosct+(t),机械工业出版社 2004年1月,44,式中
15、 V(t)=X2(t)+Y2(t) (t)=arctan 由第 2 章随机信号分析理论我们知道， 包络V(t)的一维分布服从瑞利分布，相位(t)的一维分布服从均匀分布，可表示为,f()=,机械工业出版社 2004年1月,45,3.3.2随参信道特性及其数学模型,（1）多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；（2）从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。当在多径信道中传输数字信号时，信号衰落会引起突发错误，对通信造成严重的危害。在数字通信中，通常采用交织编译码技术（参见第9章）来减轻这种危
16、害。,机械工业出版社 2004年1月,46,3.3.2随参信道特性及其数学模型,2频率选择性衰落与相关带宽图3-17多径传播的路径有两条的信道模型, so(t)=ksi(t)+ksit-(t)Y So()=kSi()+kSi()e-j(t) =kSi()1+e-j(t) (3.3 - 34) 信道传输函数为H()=So() /Si() =k1+e-j(t) (3.3 - 35)可以看出，信道传输特性主要由1+e-j(t)项决定。 信道幅频特性为,机械工业出版社 2004年1月,49,练习,假设某随参信道有两条路径，路径时差td0.5ms，试问该信道在哪些频率上传输损耗最小，哪些频率上传输损耗最
17、大？,机械工业出版社 2004年1月,50,对于一般的实际多径传播，信道的传输特性将比两条路径信道传输特性复杂的多，但同样存在频率选择性衰落现象。多经传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征。设信道最大多径时延差为m，则定义多径传播信道的相关带宽为它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为相关带宽的1/51/3。,机械工业出版社 2004年1月,51,练习,设某随参信道存在多径效应，其最大时延差tmax5ms，试求为避免频率选择衰落所要求的数字信号脉冲宽度。,机械工业出版社 2004年1月,52,3.3.2随参信道特性及其数学模型,
18、3时变线性滤波信道模型,机械工业出版社 2004年1月,53,3.4信道容量的概念,信道容量：是指信道中信息无差错传输的最大速率。说明：本节介绍调制信道（或称波形信道，它是指从发射机调制器输出端到接收机解调器输入端，这两点之间的信道）的信道容量。,机械工业出版社 2004年1月,54,3.4信道容量的概念,1香农公式设信道带宽为B（Hz），信道输出信号功率为S（W），输出加性高斯噪声功率为N（W），则可以证明该信道的信道容量为 bits/s,机械工业出版社 2004年1月,55,3.4信道容量的概念,由香农公式可得以下结论：（1）增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量
19、也趋于无穷大，即,机械工业出版社 2004年1月,56,3.4信道容量的概念,（2）减小噪声功率N（或减小噪声功率谱密度n0）可以增加信道容量，若噪声功率趋于零（或噪声功率谱密度趋于零），则信道容量趋于无穷大，即,机械工业出版社 2004年1月,57,3.4信道容量的概念,（3）增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为,机械工业出版社 2004年1月,58,3.4信道容量的概念,上式表明，保持S/n0一定，即使信道带宽B，信道容量C也是有限的，这是因为信道带宽B时，噪声功率N也趋于无穷大。2香农公式的应用由香农公式可以看出：对于一定
20、的信道容量C来说，信道带宽B、信号噪声功率比SN及传输时间三者之间可以互相转换。若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。如果信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少，等等。,机械工业出版社 2004年1月,59,练习,设某黑白电视系统的帧频为25Hz，每帧含44万个像素，每像素灰度等级为8级（设等概出现，且相互独立）。若要求接收端输入信噪比为1023，试计算此黑白电视图像所需要的最小带宽。,虽然香农公式源于对数字通信的研究，但其分析方法对模拟通信一样适用.例如：中波调幅广播不论是在音质上，还是在抗干扰性、抗衰落性等方面都远不及调频广播，原因在于两者所传输得信号
21、本身是一样的（可以理解为信源信息速率C一样），但调频广播所占用的信号带宽却远大于调幅广播（即BFMBAM）因此调频广播信噪比要明显优于调幅广播。同样的，单边带调幅和双边带调幅之间的差异也可以用这一方法来分析理解。,机械工业出版社 2004年1月,60,机械工业出版社 2004年1月,61,本章小结,一、主要内容3.1恒参信道3.2随参信道3.3信道特性及其数学模型3.4信道容量的概念,机械工业出版社 2004年1月,62,本章小结,二、几点说明1、信道是信号传输的通道。所以研究信道，根据信道的特性设计更加合理有效的发信设备和接收设备，对提高通信的质量（有效性和可靠性）非常重要。,机械工业出版社 2004年1月,63,本章小结,2、本章在对常遇到的实际信道进行介绍的基础上，把实际信道归纳为两种比较简单的具有代表意义的信道数学模型，其一是具有加性噪声的线性滤波信道；其二是具有加性噪声的时变线性滤波信道。它们在我们分析和设计通信系统时都非常重要，本书仅仅应用第一种信道模型讨论设计通信系统的有关问题（如：第5章中），关于应用第二种信道模型设计分析通信系统的问题，读者可参阅有关文献2。,机械工业出版社 2004年1月,64,HOMEWORK,第10题第13题第15题第16题,
