《信道与干扰》课件.ppt

L2 复习,通信原理,电子工业出版社,1,信息传输方式 信息论基础信息量离散信息源的熵 数字通信系统主要性能指标传输速率差错概率,第三章 信道与干扰,通信原理,电子工业出版社,通信原理,主要内容,电子工业出版社,通信原理,3.1 概述,电子工业出版社,通信原理,概述,“信道”是信号传输的通道，信号在信道中传输，不可避免的会受到各种各样的干扰。信道是通信系统中必不可少的组成部分。对信道和噪声的研究是研究通信问题的基础。研究信道与干扰的目的：为了更好地传输信号，有效地抵制来自信道的干扰，克服或减小信道对信号传输的影响，了解了各种信道对信号传输的影响，以便选择合适的传输方式来保证通信质量。,实际的信道和干扰的形式种类繁多，且各具特点。如最直观的可分为有线信道和无线信道。本章仅对信道及干扰的主要特性进行分析和讨论。信道的定义方法：通常有两种。狭义信道广义信道,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,狭义信道,“狭义信道”：仅指传输信号的物理媒质。常用的狭义信道：架空明线、电缆（同轴电缆、平衡电缆）光纤、中长波地表面传播、超短波及微波视距传播，毫米波波导传播、短波电离层反射、超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射、超短波视距绕射等等。狭义信道比较直观，但研究问题时不太方便。,在实际中常常研究的是某种信号传输的情况，并不关心中间的详细物理过程。为研究问题方便，引入“广义信道”的概念。“广义信道”：是狭义信道的扩展。广义信道不仅包括传输信号的物理媒质，还包括一部分电子设备（如调制解调器，收、发转换器，天线等）。广义信道从某种意义上说是一种传输系统。狭义信道是广义信道十分重要的组成部分。,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,广义信道,两类主要的广义信道调制信道是从调制器输出端到收端解调器输入端之间的部分。（含物理媒质、收、发转换器、天线等）。传输的是调制信号。由于调制信号一般是基带信号对正弦载波信号调制而得，所以又常叫做“模拟信道”。从调制解调的角度来看，这一部分只是对已调信号进行了某种变换，我们只关心变换的最终结果，不关心其详细物理过程。在研究调制解调时，这种定义是方便的。,电子工业出版社,通信原理,信道的定义,编码器,译码器,媒质,调制信道,编码信道,讨论数字通信一般原理时，常用广义信道。“广义信道”简称“信道”,两类主要的广义信道编码信道从编码器输出端到译码器输入端之间的部分（含调制信道、调制器和解调器）。由于它传送的信号是数字信号，通常又叫作“数字信道”。在研究编码解码时，编码信道的定义是方便的。根据研究的对象和关心的问题不同，可以定义其他范畴的广义信道。,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,信道的定义,编码器,译码器,媒质,调制信道,编码信道,讨论数字通信一般原理时，常用广义信道。“广义信道”简称“信道”,电子工业出版社,通信原理,广义信道,注意：广义信道中的主要部分仍然是传输媒质。实践证明，通信效果的好坏，在很大程度上将取决于狭义信道的特性。因而，在研究信道的一般特性时，“传输媒质”仍是讨论的重点。,电子工业出版社,通信原理,3.1 概述,电子工业出版社,通信原理,信道模型,调制信道编码信道,电子工业出版社,通信原理,调制信道,调制信道的共性它们都有一对(或多对)输入端和输出端；大多数信道是线性的，满足叠加原理；信号通过信道需要一定的延迟时间，而且还有损耗(固定的或时变的损耗)；即使没有信号输人，在信号的输出端仍有一定的功率输出(即噪声功率输出)。调制信道模型,电子工业出版社,通信原理,调制信道模型,电子工业出版社,通信原理,线性时变网络,线性时变网络的传递函数为K(,t)，它是频率和时间的函数 调制信道输出信号的频谱为：,输入信号,频谱,信道传输后输出信号,频谱,n()为加性噪声的频谱特性。加性噪声主要包括高斯白噪声（信道热噪声等）和脉冲噪声。K(,t)由信道特性所决定。输入信号的频谱与K(,t)相乘后，往往会使调制器输出的已调信号产生各种畸变。K(,t)带来的干扰称为乘性干扰。,电子工业出版社,通信原理,调制信道对信号的影响可以归结为两方面由于K(,t)对信号产生的乘性干扰由于n(t)对信号产生的加性干扰对不同的信道，K(,t)和n(t)的具体形式不同。,电子工业出版社,通信原理,加性噪声,乘性干扰,电子工业出版社,通信原理,线性时变网络,信号不失真的理想信道,高斯白噪声，各种信道的n(t)差异不大,是个很复杂的函数不同信道的差异也很大,实际信道,电子工业出版社,通信原理,恒参信道和变参信道,调制信道按K(,t)随时间变化的快慢分为：恒参信道K(,t)不随时间变化(或变化甚慢)，可近似认为，K(,t)K()信道模型可等效为线性时不变网络 变参信道信道参量随时间作随机快变化信道模型是线性时变网络,电子工业出版社,通信原理,信道模型,调制信道编码信道,电子工业出版社,通信原理,信道的定义,编码器,译码器,媒质,调制信道,编码信道,讨论数字通信一般原理时，常用广义信道。“广义信道”简称“信道”,电子工业出版社,通信原理,编码信道,编码信道传输的是数字信号，通常用数字信号的转移概率来描述,P(0/0),P(1/1),P(1/0),P(0/1),电子工业出版社,通信原理,编码信道,“无记忆信道”是前后码元差错没有依赖关系的信道。,电子工业出版社,通信原理,无记忆信道,信道转移概率,电子工业出版社,通信原理,有记忆信道,如果编码信道中信码发生差错的事件不是独立事件，即前面的码元差错会影响后面的码元差错，则此时的编码信道为“有记忆信道”。有记忆信道的模型复杂，分析起来也非常复杂,电子工业出版社,通信原理,主要内容,电子工业出版社,通信原理,3.2 恒参信道及其对信号传输的影响,电子工业出版社,通信原理,恒参信道,恒参信道是信道特性不随时间而变或变化很慢的信道。通常若在数字信号中几个最长字符时间内，信道特性基本不变即可认为此信道为恒参信道。信道模型：可以等效为一个线性时不变网络，其传输函数为K()，与时间无关。它和一般线性时不变网络一样，可用幅频特性和相频特性来分析它的传输特性。有线信道为典型的恒参信道无线信道中的中、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。,电子工业出版社,通信原理,3.2 恒参信道及其对信号传输的影响,电子工业出版社,通信原理,典型的恒参信道,明线双绞线同轴电缆光缆地面微波视距传播卫星中继信道,电子工业出版社,通信原理,明线,明线导线通常采用铜线、铝线或钢线（铁线），线径为3mm左右。对铜、铝线来说，长距传输的最高允许频率为150kHz左右，可复用16个话路；短距传输时，有时传输频率可达300kHz左右，可再增开12个话路。明线信道易受天气变化和外界电磁干扰，通信质量不够稳定，信道容量较小，不能传输视频信号和高速数字信号。,电子工业出版社,通信原理,典型的恒参信道,明线双绞线同轴电缆光缆地面微波视距传播卫星中继信道,电子工业出版社,通信原理,双绞线,古老但又是常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。双绞线的价格便宜，性能良好，使用广泛。双绞线采用的导线越粗，通信距离就越远，但导线的价格也越高。为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，这种加屏蔽层的双绞线称为屏蔽双绞线，相对于无屏蔽双绞线来说，价格要贵一些。,非屏蔽双绞线,电子工业出版社,通信原理,屏蔽双绞线,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,典型的恒参信道,明线双绞线同轴电缆光缆地面微波视距传播卫星中继信道,电子工业出版社,通信原理,同轴电缆,同轴电缆由内导体铜制芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成 50同轴电缆，用于传送基带数字信号75同轴电缆，用于模拟传输系统,同轴电缆,一条普通（RG-59）的同轴电缆A：电线外皮B：网状导电层C：塑胶绝缘体D：中心的铜线,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,典型的恒参信道,明线双绞线同轴电缆光缆地面微波视距传播卫星中继信道,光纤通信,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,光缆,光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有相当于0，由于可见光的频率非常高，约为每秒108量级，因此光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。,电子工业出版社,通信原理,光缆,光纤的优点：传输频带非常宽，通信容量大。传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥挤不堪的情况下特别有利。光纤的缺点两根光纤要精确的连接比较困难，一般的网络技术人员难以掌握这项技术光电接口价格也比较昂贵。,电子工业出版社,通信原理,典型的恒参信道,明线双绞线同轴电缆光缆地面微波视距传播卫星中继信道,电子工业出版社,通信原理,地面微波视距传播,微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此传输距离受到限制，一般只有50公里左右，若采用100米高的天线塔，可增大到100公里。为实现远距离通信，必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”,电子工业出版社,通信原理,地面微波视距传播,微波接力通信的主要优点微波波段频率高，频段范围宽，信道容量大。因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高。微波接力信道能够通过有线线路难于通过或不易架设的地区（如高山、水面），故有较大的机动灵活性，抗自然灾害的能力也较强，因而可靠性较高。微波接力通信与相同容量和长度的电缆载波通信相比，建设投资少，见效快。,微波接力通信的缺点相邻站之间必须直视，不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接受天线，因而造成失真。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。平时对大量的中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力，生产高可靠性的无人中继站并不容易。,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,典型的恒参信道,明线双绞线同轴电缆光缆地面微波视距传播卫星中继信道,电子工业出版社,通信原理,卫星中继通信,卫星通信是在地球站之间利用位于3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。卫星是在太空的无人值守的微波通信中继站。卫星通信的主要优缺点和地面微波通信差不多。,电子工业出版社,通信原理,卫星中继通信,卫星中继通信的优点通信距离远，且通信费用与通信距离无关卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受的干扰也小，通信比较稳定卫星中继通信的缺点卫星通信有较大的传播时延,电子工业出版社,通信原理,3.2 恒参信道及其对信号传输的影响,电子工业出版社,通信原理,恒参信道对信号传输的主要影响,线性畸变其他影响噪声干扰,电子工业出版社,通信原理,线性畸变,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 系统函数的幅频特性K()是一个不随频率变化的常数。系统函数的相频特性()为一过原点的斜线。,信道的频率特性,电子工业出版社,通信原理,线性畸变,理想的幅频特性,理想的相频特性,电子工业出版社,通信原理,线性畸变,信道的相频特性还可用群迟延-频率特性来衡量。理想信道的群迟延-频率特性是一个不随频率变化的常数。设相位频率特性为()，群迟延为(),电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,线性畸变,幅度频率畸变相位频率畸变,电子工业出版社,通信原理,幅度频率畸变,幅度频率畸变，即幅频畸变，是由于信道幅频特性不理想造成的。理想的信道幅频特性在通带内是平的，它对所有通带内的各频率分量的衰耗是一样的,所以信号各频率分量的幅度比例不会因通过信道传输而发生变化，所以没有幅频畸变。,电子工业出版社,通信原理,幅度频率畸变,实际中信道的幅频特性不可能是理想的。典型音频电话信道的相对衰耗曲线,图中300Hz以下每频程升高1525dB，300 1100Hz较平坦，1100 2900Hz衰耗特性线性上升，2900Hz以上每频程升高8090dB,电子工业出版社,通信原理,幅度频率畸变,一般数字信号是矩形波或升余弦波，具有丰富的频率成分，如果信道幅频特性不均匀，将使各频率受到不同的衰耗，从而使波形发生畸变。幅度频率畸变可采用均衡的方法加以克服。即对信道的幅度频率特性进行补偿，使特性曲线变得平坦、理想即可。,电子工业出版社,通信原理,线性畸变,幅度频率畸变相位频率畸变,电子工业出版社,通信原理,相位频率畸变,相频畸变是由于信道相频特性不理想造成的，是信道的相位频率特性或群迟延频率特性偏离理想特性曲线而引起的畸变 理想相频特性,如果相频特性曲线偏离线性关系就会引起波形失真，即产生相频畸变,电子工业出版社,通信原理,相位频率畸变,相频特性对模拟话音通信影响并不显著，因为人耳对相频畸变不太敏感。但对数字信号传输却不然，尤其当传输速率高时，相频畸变将会引起严重的码间串扰，从而对通信带来很大的损害。非单一频率信号通过信道引起的畸变举例说明,电子工业出版社,通信原理,非单一频率信号通过信道引起的畸变,信道群延时不理想,输入信号基波与三次谐波幅度比2：1,信号的基波和三次谐波经信道传输后的迟延分别为和2,失真且拖尾,电子工业出版社,通信原理,说明,输入信号由基波和三次谐波组成，因信道相频特性不理想，传输后信号的不同谐波延时不同，合成的波形明显失真。,电子工业出版社,通信原理,相频畸变特性,信道中的带通滤波器和电感线圈是带来相频畸变的主要因素，相频畸变在信道频带边缘表现得更为严重。相位频率畸变也可采用均衡的方法加以克服。即对信道的相位频率特性进行补偿，使补偿后的相位频率特性是通过原点的斜线。,电子工业出版社,通信原理,恒参信道对信号传输的主要影响,线性畸变其他影响噪声干扰,电子工业出版社,通信原理,其他影响,非线性畸变、频率偏移及相位抖动等非线性畸变：主要是由于信道中电子元器件的非线性特性造成。频率偏移和相位抖动：是由于解调器的载波与发端调制器的载波不完全同步引起。回波干扰：是由于混合线圈不平衡所致。,电子工业出版社,通信原理,恒参信道对信号传输的主要影响,线性畸变其他影响噪声干扰,电子工业出版社,通信原理,噪声干扰,恒参信道的传输函数K()不随时间而变，所以噪声干扰主要是加性噪声n(t)。n(t)分为高斯白噪声和脉冲噪声两类。高斯白噪声：为背景噪声，是不可避免的，主要来源是传输媒质的热噪声，设备中的热噪声和散弹噪声以及由接收天线收到的辐射等。脉冲噪声：它的来源有人为和天然两种。大部分脉冲噪声是因电气切换和通信设备开关的瞬态引起的。天然的雷电也会引入脉冲噪声。以上噪声无法消出，只能设法减轻它的影响。例如，用抗干扰能力强的调制方法及最佳接收等。,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,信号通过该信道时会产生幅度失真和相位失真。,电子工业出版社,通信原理,