通信原理第4章素材

1第四章信道2本章主要内容：无线信道和有线信道信道的数学模型信道特性对信号传输的影响信道中的噪声信道容量第4章信道3第4章信道信道分类：无线信道－电磁波（含光波）有线信道－电线、光纤信道中的干扰：有源干扰－噪声无源干扰－信道本身的传输特性不良本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。44.1无线信道无线信道信号传播示意图电磁波554.1无线信道无线信道电磁波的频率，受天线尺寸限制。fc电磁波频率、波长、速率之间的关系10D天线尺寸与电磁波波长之间的关系因而，用于通信的电磁波频率通常都比较高。smc/1038664.1无线信道地波（groundwave）天波（skywave）视线（lineofsight）根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为：774.1无线信道地波传播——频率较低的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。传播路径地面图4-1地波传播频率2MHz有绕射能力距离：数百千米或数千千米88天波传播4.1无线信道——频率较高的电磁波利用电离层反射的传播方式。频率：2M~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：4000km寂静区：电磁波无法到达的区域地面信号传播路径图4-2天波传播99视线传播/视距传播4.1无线信道——频率再高的电磁波将穿透电离层，无法反射回地面，只能实现类似光波的视线传播。频率：30MHz距离：与天线高度有关ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图4-3视线传播50822DrDhm增加传播距离方法：无线电中继卫星通信平流层通信图4-4无线电中继10104.2有线信道传输电信号的有线信道明线对称电缆同轴电缆逐渐被取代1111对称电缆：由许多对双绞线组成同轴电缆：由内外两根同心圆柱形导体构成图4-9双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质图4-10同轴线有线电话网有线电视网4.2有线信道1212结构纤芯包层按折射率分类阶跃型梯度型按模式分类多模光纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤图4-11光纤结构示意图(a)(b)(c)传输光信号的有线信道——光纤4.2有线信道1313损耗与波长关系损耗最小点：1.31m与1.55m0.70.91.11.31.51.7光波波长（m）1.55m1.31m图4-12光纤损耗与波长的关系光纤通信主要工作波段4.2有线信道14信息源信源编码信道译码信道编码信道数字调制加密数字解调解密信源译码受信者噪声源编码信道调制信道4.3信道的数学模型信道模型的分类调制信道编码信道154.3信道的数学模型4.3.1调制信道模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)调制信道数学模型)()]([)(tntefteio输出信号：通常假设：)()()]([tetktefii则有：)()()()(tntetkteio调制信道一般数学模型164.3信道的数学模型因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio调制信道一般数学模型：174.3信道的数学模型4.3.2编码信道模型P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)发送端接收端P(0/0)和P(1/1)－正确转移概率P(1/0)和P(0/1)－错误转移概率P(0/0)=1–P(1/0)P(1/1)=1–P(0/1)二进制编码信道模型184.4信道特性对信号传输的影响恒参信道的影响振幅～频率特性fA0A00相位～频率特性)()()(jeHH——信道可等效成线性时不变网络传输特性与无失真条件无失真传输条件：幅频特性相频特性)()()(常数dtdd)()(常数KHdt)(群时延特性19)()()(常数dtdd群时延特性：含义：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的时延。4.4信道特性对信号传输的影响20两种失真及其影响4.4信道特性对信号传输的影响实际的信道特性不理想，将使信号产生失真。——幅频失真影响模拟信号：波形失真→信噪比下降数字信号：码间串扰→误码率增大KH)(——相频失真dt)(影响对话音信号影响小，视频信号影响大数字信号：码间串扰→误码率增大214.4信道特性对信号传输的影响随参信道的影响传输特性——“时变性”信号的传输衰耗随时间变化信号的传输时延随时间变化多径传播224.4信道特性对信号传输的影响多径传播及其影响——多径传播，是指由发射点出发的信号经过多条路径到达接收端，由于每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。多径传播含义23多径传播影响4.4信道特性对信号传输的影响说明：接收信号可看作包络和相位随机缓慢变化的窄带信号。)(cos)()(0tttVtR结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。衰落0瑞利分布均匀分布tA0cos信道244.4信道特性对信号传输的影响多径传播影响从波形上看，等幅波变成了包络起伏的调幅波（衰落信号）——瑞利型衰落。从频谱上看，单根线谱变成了窄带频谱——频率弥散。宽带信号中某些频率成分或其倍频随机性严重衰落——频率选择性衰落。传输函数模与角频率关系图254.5信道中的噪声噪声信道中存在的不需要的电信号。又称加性干扰。按噪声来源分类人为噪声－例：开关火花、电台辐射自然噪声－例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声264.5信道中的噪声按噪声性质分类脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。274.5信道中的噪声热噪声来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。频率范围：均匀分布在大约0～1012Hz。热噪声电压有效值：)V(4kTRBV式中k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数；T－热力学温度（K）；R－阻值（）；B－带宽（Hz）。性质：高斯白噪声284.5信道中的噪声通信系统中的热噪声——窄带高斯噪声经过接收机带通线性滤波器过滤的热噪声窄带高斯噪声功率：dffPPnn)()()()(2)(000fPdffPfPdffPBnnnnn图4-19噪声功率谱特性Pn(f)Pn(f0)噪声等效带宽双边功率谱密度可认为窄带高斯噪声在等效带宽内功率谱恒定。29定义4.6信道容量信道能够传输的最大平均信息速率。分类离散信道容量连续信道容量304.6.1离散信道容量4.6信道容量C—每个符号能够传输的平均信息量最大值Ct—单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换两种不同的度量单位CrCt单位时间（秒）内传送的符号数314.6信道容量计算离散信道容量的信道模型x1x2x3y3y2y1接收端发送端xn。。。。。。。。。ym图4-21信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)n个发送符号：x1，x2，…，xnm个接收符号:y1，y2，…，ymP(xi)—符号xi出现的概率P(yj)—收到yj的概率P(yj/xi)—转移概率，即发送xi的条件下收到yj的概率324.6信道容量熵与损失熵发送信号的平均信息量：niiixPxPxH12)(log)()(—信源的熵mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(—损失熵，表示接收端在收到一个符号后，对发送符号存在的不确定性。传输过程中因噪声而损失的平均信息量：334.6信道容量信道容量)/()(max)(yxHxHCxP给定信道后，理论上能够传送的最大信息量：Bit/符号)/()(max)(yxHxHrCrCxPtBit/sr—每秒传送符号数特殊信道一对一的无噪信道；一对多的无噪信道；噪声极大的信道；)(max)(xHCxP)(max)(xHCxP0C3434复习：随参信道和恒参信道恒参信道无失真传输条件恒参信道的两种失真及影响多径传播含义及影响通信系统中的热噪声特性信道容量含义第4章信道354.6信道容量4.6.2连续信道容量按单位时间计算的信道容量：)/(1log2sbNSBCtB—带宽；S—信号平均功率(W)；N—噪声功率(W)；令N=n0B，可得到：)/(1log02sbBnSBCtn0—噪声单边功率谱密度(W/Hz)；香农公式364.6信道容量图4-24信道容量和带宽关系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)香农公式含义信道容量C受三要素的限制——B、S、n0;提高信噪比S/N，可增大信道容量；若n0→0，则C→∞，说明无扰信道容量无穷大；C随着B的适当增大而增大，但不能无限增大；)/(1log02sbBnSBCt374.6信道容量【例4-2】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。每秒传送的信息量：【解】每个像素的信息量：8/11log2pIbit3pII4103025bit61022.5传信率为：sbitRb/1022.56信道容量至少为Rb，则根据公式)/(1log2sbNSBCtMHzB6102.26NSdB10log1030384.7小结信道模型（调制、编码）信道特性的影响（恒参、随参）噪声特性信道容量（离散、连续）