第02章信道与噪声.ppt
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1、第 2 章 信道与噪声,2.1 信道的定义、 分类与模型 2.2 恒参信道及其对所传信号的影响 2.3 变参信道及其对所传信号的影响 2.4 信道内的噪声(干扰) 2.5 通信中常见的几种噪声 2.6 信道容量的概念,2.1.1 信道的定义 信道,通俗地说,是指以传输媒介(质)为基础的信号通路。 具体地说,信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路; 抽象地说,信道是指定的一段频带,它让信号通过,同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。 通常,我们将仅指信号传输媒介的信道称为狭义信道。目前采用的传输媒介有架空明线、电缆、光导纤维(光缆)、中长波地表波传播、超短波及微波视距传播(含卫星中继
2、)、短波电离层反射、超短波流星余迹散射、对流层散射、电离层散射、超短波超视距绕射、波导传播、光波视距传播等。 ,2.1 信道的定义、分类与模型,2.1.2 信道的分类,由信道的定义可看出,信道可大体分成两类:狭义信道和广义信道。 狭义信道通常按具体媒介的不同类型可分为有线信道和无线信道。所谓有线信道是指传输媒介为明线、对称电缆、同轴电缆、 光缆及波导等一类能够看得见的媒介。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。如对称电缆(又称电话电缆)广泛应用于(市内)近程传输。无线信道的传输媒质比较多,它包括短波电离层、对流层散射等。可以这样认为,凡不属有线信道的媒质均为无线信道的媒质。无线信道的传输特性
3、没有有线信道的传输特性稳定和可靠,但无线信道具有方便、灵活,通信者可移动等优点。,广义信道通常也可分成两种,调制信道和编码信道。调制信道是从研究调制与解调的基本问题出发而构成的,它的范围是从调制器输出端到解调器输入端。因为,从调制和解调的角度来看,由调制器输出端到解调器输入端的所有转换器及传输媒质,不管其中间过程如何,它们不过是把已调信号进行了某种变换而已,我们只需关心变换的最终结果,而无需关心形成这个最终结果的详细过程。因此,研究调制与解调问题时,定义一个调制信道是方便和恰当的。调制信道常常用在模拟通信中。,图 2-1 调制信道与编码信道,2.1.3 信道的模型,1. 调制信道,通过对调制信
4、道进行大量的考察之后, 可发现它有如下主要特性: (1) 有一对(或多对)输入端, 则必然有一对(或多对)输出端; (2) 绝大部分信道是线性的, 即满足叠加原理; (3) 信号通过信道需要一定的迟延时间; (4) 信道对信号有损耗(固定损耗或时变损耗); (5) 即使没有信号输入, 在信道的输出端仍可能有一定的功率输出(噪声)。,图 2-2 调制信道模型,对于二对端的信道模型来说,它的输入和输出之间的关系式可表示成,式中, ei(t)输入的已调信号; eo(t)信道输出波形; n(t)信道噪声(或称信道干扰); fei(t)表示信道对信号影响(变换)的某种函数关系,(2-1),由于fei(t
5、)形式是个高度概括的结果,为了进一步理解信道对信号的影响,我们把fei(t)设想成为形式k(t)ei(t)。,我们期望的信道(理想信道)应是k(t)=常数,n(t)=0, 即,(2-3),(2-2),2. 编码信道 编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。 它与调制信道模型有明显的不同,即调制信道对信号的影响是通过k(t)和n(t)使调制信号发生“模拟”变化, 而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换,即把一种数字序列变成另一种数字序列。 故有时把编码信道看成是一种数字信道。,由于编码信道包含调制信道,因而它同样要受到调制信道的影响。但是,从编/译码的角度看,以上这个影响已被反映
6、在解调器的最终结果里使解调器输出数字序列以某种概率发生差错。显然,如果调制信道越差, 即特性越不理想和加性噪声越严重,则发生错误的概率将会越大。由此看来, 编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。例如, 在最常见的二进制数字传输系统中,一个简单的编码信道模型可示于图2-3。,图 2-3 二进制无记忆编码信道模型,在这个模型里,把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称为信道转移概率,具体地把P(0/0)和P(1/1)称为正确转移概率,而把P(1/0)和P(0/1)称为错误转移概率。根据概率性质可知,(2-5),(2-4),至此,我们对信道已有了一个较全面的认识, 为了方便理
7、解,把信道分类归纳如下:,2.2 恒参信道及其对所传信号的影响,图 2-4 典型音频电话信道的相对衰耗,2.2.1 幅度频率畸变,2.2.2 相位频率畸变(群迟延畸变),所谓相位频率畸变,是指信道的相位频率特性偏离线性关系所引起的畸变。电话信道的相位频率畸变主要来源于信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈,尤其在信道频带的边缘,相频畸变就更严重。 相频畸变对模拟话音通道影响并不显著,这是因为人耳对相频畸变不太灵敏;但对数字信号传输却不然,尤其当传输速率比较高时,相频畸变将会引起严重的码间串扰,给通信带来很大损害。,信道的相位频率特性还经常采用群迟延频率特性来衡量。所谓群迟延频率特性,它被定义为相
8、位频率特性的导数,即若相位频率特性用()表示,则群迟延频率特性(通常称为群迟延畸变或群迟延)()为,(2-6),图 2-5 理想的群迟延特性,图 2-6 典型电话信道的群迟延特性,图 2-7 相移失真前后的波形比较,2.2.3 减小畸变的措施,恒参信道通常用它的幅度频率特性及相位频率特性来表述。而这两个特性的不理想将是损害信号传输的重要因素。此外,也还存在其它一些因素使信道的输出与输入产生差异(亦可称为畸变),例如非线性畸变、频率偏移及相位抖动等。非线性畸变主要由信道中的元器件(如磁芯,电子器件等)的非线性特性引起, 造成谐波失真或产生寄生频率等;频率偏移通常是由于载波电话系统中接收端解调载波
9、与发送端调制载波之间的频率有偏差(例如,解调载波可能没有锁定在调制载波上),而造成信道传输的信号之每一分量可能产生的频率变化;相位抖动也是由调制和解调载波发生器的不稳定性造成的,这种抖动的结果相当于发送信号附加上一个小指数的调频。以上的非线性畸变一旦产生,一般均难以排除。,2.3 变参信道及其对所传信号的影响,2.3.1 变参信道传输媒质的特点 变参信道传输媒质通常具有以下特点: (1) 对信号的衰耗随时间的变化而变化; (2) 传输时延随时间也发生变化; (3) 具有多径传播(多径效应)。,2.3.2 产生多径效应的分析,图 2-8 多径传播示意图,式中,ai(t)总共n条多径信号中第i条路
10、径到达接收端的随机幅度; tdi(t)第i条路径对应于它的延迟时间; i(t)相应的随机相位,即 i(t)=-ctdi(t),(2-7),由于ai(t)和i(t)随时间的变化要比信号载频的周期变化慢得多,因此式(2 - 7)又可写成,(2-8),令,(2-9),(2-10),并代入式(2-8)后得,(2-11),其中,a(t)是多径信号合成后的包络, 即,(2-12),而(t)是多径信号合成后的相位, 即,(2-13),(1) 从波形上看,多径传播的结果使单一载频信号Acosct变成了包络和相位都变化(实际上受到调制)的窄带信号; (2) 从频谱上看,多径传播引起了频率弥散(色散),即由单个频
11、率变成了一个窄带频谱; (3) 多径传播会引起选择性衰落。,由式(2-11)可以得到:,为分析简单,下面假定只有两条传输路径,且认为接收端的幅度与发端一 样,只是在到达时间上差一个时延。若发送信号为f(t),它的频谱为F(),记为 设经信道传输后第一条路径的时延为t0,在假定信道衰减为K的情况下,到达接收端的信号为Kf(t-t0),相应于它的傅氏变换为,(2-14),(2-15),另一条路径的时延为(t0+),假定信道衰减也是K,故它到达接收端的信号为Kf(t-t0-)。相应于它的傅氏变换为,(2-16),对应于它的傅氏变换为,当这两条传输路径的信号合成后得,(2-17),(2-18),因此,
12、 信道的传递函数为,(2-19),H()的幅频特性为,(2-20),|H()|特性曲线,如图2-9所示(K=1)。,图 2-9 两条路径传播时选择性衰落特性,2.3.3 变参信道特性的改善,空间分集。 (2) 频率分集。 (3) 角度分集。 (4) 极化分集。,各分散的合成信号进行合并的方法通常有: 最佳选择式。 (2) 等增益相加式。 (3) 最大比值相加式。,图 2-10 三种合并方式的比较,2.4 信道内的噪声(干扰),无线电噪声。 (2) 工业噪声。 (3) 天电噪声。 (4) 内部噪声。,从噪声性质来区分可有: 单频噪声。 (2) 脉冲干扰。 (3) 起伏噪声。,2.5 通信中常见的
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